Obiettivi Formativi

Acquisire le conoscenze e le metodologie necessaria alla caratterizzazione e alla verifica funzionale di sistemi elettronici analogici mediante l’impiego di strumentazione da banco (alimentatore, oscilloscopio, generatore di segnale, multimetro). Sviluppare la capacità di applicare tali conoscenze mediante esercitazioni di laboratorio che consistono nel progetto e nella successiva verifica di circuiti elettronici con amplificatori operazionali. Sviluppare l’attitudine alla corretta interpretazione dei risultati di misura ottenuti mediante l’attento confronto con i risultati previsti in fase di progetto del sistema. Sviluppare la capacità di comunicare correttamente il risultato delle attività svolte mediante la redazione di relazioni di laboratorio individuali e/o di gruppo. Sviluppare l’attitudine all’ampliamento delle proprie conoscenze mediante la continua sollecitazione alla ricerca delle metodologie più adatte ad affrontare il problema di misura in esame.

Learning Goals

To acquire knowledge and methodologies required for testing analog electronic circuits by means of standard laboratory instrumentation (power supply, oscilloscope, function generator, multi-meter). To develop the ability of applying such knowledge by means of laboratory sessions in which the student will design, build and test operational amplifiers based circuits. To develop the attitude toward a sensible interpretation of the measurement results by thorough comparison with the results expected in the design phase. To develop the ability to correctly communicate to others the results obtained during the laboratory sessions by means of the redaction of individual or group technical reports on the performed experiments. To develop the attitude toward acquiring new knowledge by means of the constant stimulus toward the investigation of the most proper methodologies for addressing the problem at hand.

Metodi didattici

Sono previste lezioni in aula e in laboratorio per l’introduzione alla strumentazione e ai metodi di misura e per l’introduzione e la discussione degli aspetti teorici legati a ciascuna esercitazione sperimentale. Sono previste esercitazioni guidate in laboratorio durante le quali gli studenti progettano, realizzano e sottopongono a verifica sperimentale circuiti elettronici basati su componenti discreti e amplificatori operazionali Sono previste esercitazioni guidate in laboratorio durante le quali gli studenti progettano, realizzano e sottopongono a verifica sperimentale circuiti elettronici  basati su amplificatori operazionali 

Teaching Methods

Lectures in the classroom and in the laboratory are devoted to the introduction of the electronic instrumentation and measurement methods. The theorical aspects connected to each experimental session are also discussed during lectures. During practical exercises in laboratory, students design, implement and perform measurements on discrete electron devices and operational amplifier based circuits. During practical exercises in laboratory, students design, implement and perform measurements on operational amplifier based circuits. 

Prerequisiti

Elementi di teoria dei circuiti; elementi di elettronica.

Prerequisites

Fundamentals of circuit theory, fundamentals of electronics.

Verifiche dell'apprendimento

Gli studenti sono tenuti a redigere relazioni di laboratorio a conclusione di ogni ciclo di esercitazione. Le relazioni costituiscono la base per la valutazione finale (60% della valutazione). La valutazione si completa con una prova di laboratorio che consiste nell’esecuzione di misure su un circuito già montato e reso disponibile dal docente (40% della valutazione). Gli studenti possono scegliere di svolgere un esame finale, che prescinde dalla valutazione delle relazioni di laboratorio. In questo caso l’esame consiste nello svolgimento di una prova di laboratorio che prevede la costruzione di un circuito, la verifica sperimentale del suo comportamento e il confronto dei risultati sperimentali ottenuti con i risultati attesi dallo studio analitico. Ciascuna dei tre aspetti della prova di esame (la realizzazione del circuito, l’esecuzione delle misure e la verifica analitica dei risultati sperimentali) contribuiscono in egual peso alla valutazione finale in trentesimi.

Assessment

Students are required to prepare laboratory reports at the end for each experimental cycle Laboratory reports are the basis for the final grade (60% of the final grade). The evaluation is completed with a laboratory test in which the student must perform measurements on an available circuit (40% of the final grade). The students have the choice to disregard the partial evaluations and to perform a single exam. In this case, the exam consists of a laboratory test in which the student has to design and build a circuit, perform measurements on it and compare the experimental results with the one expected from calculations. All three aspects of the exam (circuit implementation, measurements and analytical verification) contribute equally to the final grade out of thirty The exam consists of a laboratory test in which the student has to design and build a circuit, perform measurements on it and compare the experimental results with the one expected from calculations. All three aspects of the exam (circuit implementation, measurements and analytical verification) contribute equally to the final grade out of thirty.

Programma del Corso

- STRUMENTAZIONE ELETTRONICA: Caratteristiche e modalità di funzionamento dei principali strumenti per la verifica del comportamento di circuiti elettronici: alimentatore, generatore di segnale, multimetro digitale e oscilloscopio digitale. Configurazioni di misura per la rilevazione delle caratteristiche dei dispositivi, per la valutazione del guadagno e della banda e per la verifica delle condizioni di linearità in circuiti lineari con componenti discreti e amplificatori operazionali. -ATTIVITA’ DI LABORATORIO: Rilevazione delle caratteristiche di uscita di transistori a effetto di campo (JFET/MOSFET) e estrazione dei parametri caratteristici. Progetto e verifica sperimentale di un amplificatore di tensione con amplificatore operazionale. Valutazione e verifica del guadagno e della banda. Valutazione degli effetti dei generatori di offset e correzione dell'offset. Verifica dei limiti di linearità in diverse condizioni operative. Progetto e verifica sperimentale di un circuito sfasatore. Verifica della frequenza centrale di sfasamento mediante figure di Lissajous. Stima e verifica della banda. Calcolo e verifica sperimentale della risposta del circuito a un'onda quadra in diverse condizioni operative (frequenza e ampiezza dell'onda quadra). Progetto e verifica sperimentale di un oscillatore a ponte di Wien.Verifica del comportamento durante il transitorio di accensione. Influenza della costante di tempo del circuito rivelatore di ampiezza sulla linearità della forma d'onda in uscita. Progetto e verifica sperimentale di un trigger di Schmitt. Verifica delle soglie di scatto. Visualizzazione del ciclo di isteresi e analisi dell'influenza delle limitazioni di slew rate dell'amplificatore operazionale sul transitorio di scatto. Progetto e verifica sperimentale di un generatore di onda quadra. -ATTIVITA’ DI LABORATORIO: Progetto e verifica sperimentale di un amplificatore di tensione. Valutazione e verifica del guadagno e della banda. Valutazione degli effetti dei generatori di offset e correzione dell'offset. Verifica dei limiti di linearità in diverse condizioni operative.  Progetto e verifica sperimentale di un circuito sfasatore. Verifica della frequenza centrale di sfasamento mediante figure di Lissajous. Stima e verifica della banda. Calcolo e verifica sperimentale della risposta del circuito a un'onda quadra in diverse condizioni operative (frequenza e ampiezza dell'onda quadra). Progetto e verifica sperimentale di un amplificatore bifase che impiega un pass gate come interruttore controllato. Misura dell'impedenza di ingresso.  Progetto e verifica sperimentale di un oscillatore a ponte di Wien ad ampiezza variabile. Verifica del comportamento durante il transitorio di accensione. Influenza della costante di tempo del circuito rivelatore di ampiezza sulla linearità della forma d'onda in uscita. Progetto e verifica sperimentale di un oscillatore sinusoidale con uscite in fase e quadratura.  Progetto e verifica sperimentale di un trigger di Schmitt. Verifica delle soglie di scatto. Visualizzazione del ciclo di isteresi e analisi dell'influenza delle limitazioni di slew rate dell'amplificatore operazionale sul transitorio di scatto.  Progetto e verifica sperimentale di un generatore di onda quadra e triangolare. Stima e verifica sperimentale della massima frequenza di lavoro. 

Course Syllabus

-ELECTRONIC INSTRUMENTATION. Specifications and operation modes of the typical instrumentation for electronic circuit testing: adjustable power supply, signal generator, digital multimeter, digital oscilloscope. Measurement set-up and configurations for the evaluation of the current voltage characteristic of electron devices; for the measurement of the gain and of the bandwidth and for the assessment of the linear range of operation of operational amplifier linear circuits. -LABORATORY EXPERIMENTS Measurement of the current voltage characteristics of field effect transistors (JFET/MOSFET) and device parameters extraction. Detailed design and testing of a voltage amplifier with an operational amplifier. Calculation and experimental verification of gain and bandwidth. Estimate of the maximum offset and offset correction circuits. Assessment of the linear range of operation in a number of operating conditions. Detailed design and testing of a phase-shifter circuit. Experimental determination of the central frequency of operation employing Lissajous plots. Calculation and assessment of the bandwidth of operation. Calculation and experimental visualization of the response of the circuit to a square wave in different operating conditions (frequency and amplitude of the input square wave). Design and testing of a Wien bridge oscillator. Experimental capturing of the switch-on transient. Effect of the selection of the time constant of the amplitude detector on the output waveform linearity. Design and testing of a Schmitt trigger. Calculation and experimental verification of the threshold voltages. Visualization of the hysteresis cycle with an oscilloscope. Effect of slew rate limitations on switching times. Design and testing of a square wave waveform generator. -LABORATORY EXPERIMENTS Detailed design and testing of a voltage amplifier. Calculation and experimental verification of gain and bandwidth. Estimate of the maximum offset and offset correction circuits. Assessment of the linear range of operation in a number of operating conditions.  Detailed design and testing of a phase-shifter circuit. Experimental determination of the central frequency  of  operation  employing  Lissajous  plots.  Calculation  and  assessment  of  the bandwidth  of  operation.  Calculation  and  experimental  visualization  of  the  response  of  the circuit to a square wave in different operating conditions (frequency and amplitude of the input  square wave).  Design  and  testing  of  a  two-phase  amplifier  employing  a  pass-gate  as  a  controlled  switch. Experimental determination of the input impedance.  Design and testing of an adjustable amplitude Wien bridge oscillator. Experimental capturing  of the switch on transient. Effect of the selection of the time constant of the amplitude detector on the output waveform linearity. Design and testing of a sinusoidal oscillator with in phase and in quadrature outputs.  Design  and  testing  of  a  Schmitt  trigger.  Calculation  and  experimental  verification  of  the threshold voltages. Visualization of the hysteresis cycle with an oscilloscope. Effect of slew rate limitations on switching times.  Design and testing of a square wave and triangular wave waveform generators. Estimate and experimental verification of the maximum operating frequency.