Obiettivi Formativi

OF 1 (Conoscenza e comprensione): Fornire le competenze di base e gli strumenti metodologici necessari per un’adeguata comprensione del funzionamento dei principali dispositivi elettronici e per l’analisi e la progettazione di circuiti analogici e digitali, con particolare attenzione alle problematiche relative alle applicazioni in campo biomedicale. OF 2 (Capacità di applicare conoscenza e comprensione): Favorire lo sviluppo di competenze sull'utilizzo della strumentazione di laboratorio e di pacchetti software CAD mediante esercitazioni pratiche, sia individuali sia di gruppo. OF 3 (Autonomia di giudizio): Favorire lo sviluppo di un adeguato grado di autonomia di giudizio nella scelta e l'individuazione di componenti e circuiti elettronici per applicazioni in ambito biomedicale. OF 4 (Abilità comunicative): Favorire lo sviluppo della capacità di comunicare efficacemente e con linguaggio tecnico adeguato per un'interazione proficua nell’ambito di un gruppo di lavoro interdisciplinare. OF 5 (Capacità di apprendimento): Favorire lo sviluppo di un metodo di studio individuale tale da consentire un adeguato approfondimento e aggiornamento in funzione della continua evoluzione scientifica e tecnologica nel settore dell’ingegneria elettronica e le relative applicazioni in ambito biomedicale.

Learning Goals

OF 1 (Knowledge and understanding): To provide basic knowledge and methodological tools needed for an appropriate understanding of the operating principles of the main electronic devices and for the analysis and design of analog and digital circuits, with particular reference to the issues related to the biomedical applications. OF 2 (Ability to apply knowledge and understanding): To develop skills related to the use of laboratory instruments and CAD software packages by means of practical training, both individually and as a group. OF 3 (Autonomy of judgment): To develop an adequate autonomy of judgements in the choices related to the electronic components and circuits for biomedical applications. OF 4 (Communication skills): To develop skills for an effective communication using the technical language, in order to interact profitably within an interdisciplinary working group. OF 5 (Learning skills): To develop an individual study method, in order to enable deepening and updating of knowledge required by the continuous scientific and technological progress in the electronic engineering field and the related biomedical applications.

Metodi didattici

Il corso, al fine di raggiungere gli obiettivi formativi previsti, si svolge prevalentemente attraverso lezioni frontali. Sono inoltre previste esercitazioni guidate svolte dagli studenti, con lo scopo di stimolare l’approccio ai problemi con autonomia e senso critico. Tutte le attività sono svolte con supporto di slide delle lezioni.

Teaching Methods

The course, in order to achieve the expected objectives, mainly takes place through lectures. There are also guided exercises with teacher support, with the aim of stimulating the approach to problem solving with autonomy and a critical thinking. All activities are carried out with the support of lecture slides.

Prerequisiti

Principi di Fisica e Elettrotecnica.

Prerequisites

Principles of Physics and Theory of Electric circuits.

Verifiche dell'apprendimento

L'esame consiste in una prova scritta, seguita dalla prova orale. Durante la prova scritta si chiede di eseguire lo svolgimento completo di dieci esercizi in forma di domande a risposta multipla, domande a risposta aperta, ed esercizi numerici. Gli argomenti e il livello di difficoltà degli esercizi corrispondono al programma svolto. Il tempo assegnato per la prova scritta è di due ore. La valutazione della prova scritta è fatta in trentesimi. La prova scritta si ritiene superata se la valutazione complessiva non è inferiore a 15/30. Superata la prova scritta, essa ha validità per tutto l’anno accademico entro il quale dovrà essere sostenuta la prova orale. La prova orale è incentrata sugli argomenti trattati durante il corso, a partire da una discussione critica della prova scritta. Essa ha il duplice scopo di verificare il livello di conoscenza e di comprensione dei contenuti del corso e di valutare l'autonomia di giudizio, la capacità di apprendimento, l'abilità comunicativa e proprietà di linguaggio scientifico e indi valutare le facoltà logico-deduttive acquisite dallo studente. Il voto finale è espresso in trentesimi e tiene conto della valutazione ottenuta durante la prova scritta e durante la prova orale. Durante lo svolgimento del corso sono previste due prove scritte in itinere. Lo studente che supera le prove in itinere è esonerato dalla prova scritta e può direttamente sostenere la prova orale. Le prove in itinere sono relative agli argomenti trattati durante il corso e si tengono rispettivamente a metà ed alla fine del corso (in date che vengono concordate durante le lezioni con gli studenti). A ciascuna prova si assegna una valutazione in trentesimi. La prova scritta è superata se la media delle due prove di verifica è pari o maggiore a 15/30. Durante le prove scritte è possibile utilizzare una calcolatrice.

Assessment

The exam consists of a written test followed by an oral test. During the written test, students are asked to perform the complete development of ten exercises in the form of multiple choice questions, open-ended questions, and numerical exercises. The topics and the level of the exercises correspond to the delivered program. The time allotted for the written test is two hours. The evaluation of the written test is scored out of thirty. The written test is considered passed if the overall evaluation is not less than 15/30. Once the written test has been passed, it is valid for the entire academic year within which the oral exam must be taken. The oral exam focuses on the topics covered during the course, using as a starting point the discussion of the written exam. It has the dual purpose of verifying the level of knowledge and understanding of the course contents and to evaluate the autonomy of judgment, the learning ability, the communicative ability and properties of scientific language and then evaluate the logical-deductive faculties acquired by the student. The final grade is expressed out of thirty and takes into account the evaluation obtained during the written exam and during the oral exam. During the course, there are two ongoing written tests. Students who pass the ongoing tests are exempt from the final written exam and can directly take the oral exam. The ongoing tests are related to the topics covered during the course and are held respectively in the middle and at the end of the course (on dates that are agreed during the lessons with the students). A score out of thirty is assigned to each test. The written test is passed if the average of the two tests is equal to, or greater than, 15/30. During the written exams, it is permitted to use a calculator.

Programma del Corso

Introduzione al corso: definizione, cenni storici ed evoluzione dell’ingegneria elettronica nel campo biomedicale. Segnali analogici e digitali: conversione analogico-digitale, campionamento e quantizzazione. Codifica delle informazioni: sistemi numerici posizionali e non posizionali, sistema decimale e sistema binario, conversioni di base, algebra booleana, porte logiche. Grandezze elettriche fondamentali: corrente e tensione elettrica, analogia tra circuito elettrico ed idraulico. Componenti di base dei circuiti elettronici: resistenze, capacità, induttanze, diodi (il diodo: interruttore ideale; il diodo: caduta di tensione costante; circuiti con diodi; determinazione del punto di lavoro di un diodo; raddrizzatori a diodi), transistori (classificazione dei transistori. BJT e FET; struttura e principio di funzionamento; il transistore come interruttore e come amplificatore), amplificatori operazionali (amplificatore operazionale ideale; principio di corto circuito virtuale; analisi di circuiti con amplificatore operazionale ideale). Componenti optoelettronici ed applicazioni: fotodiodo per fotografia digitale e visione artificiale, diodo emettitore di luce (LED) per lampada scialitica e lampada polimerizzatrice. Sensori per diagnostica e monitoraggio: classificazione dei sensori, parametri fondamentali dei sensori, termoresistenze e termistori per la misura di temperatura, estensimetri per la misura di pressione, sistemi intelligenti indossabili per il monitoraggio dei parametri vitali, sensori reattivi per la misura di spostamento, spettroscopia ottica e spettrofotometro per la misura di concentrazione di soluto in soluzione, biosensori ed elettrodi, elettrocardiografo. Simulazione di circuiti elettronici: il programma SPICE. Training sull'utilizzo di circuiti elettronici e della strumentazione di misura: basetta sperimentale, multimetro, alimentatore, generatore di segnale, oscilloscopio, progettazione e caratterizzazione di circuiti con resistenze e LED, il codice colore delle resistenze, misura di temperatura con termoresistenza, controllo remoto degli strumenti di misura programmabili.

Course Syllabus

Introduction to the course: definition, historical background, and evolution of the electronics engineering in the biomedical field. Analog and digital signals: analog-to-digital conversion, sampling and quantization. Information representation: positional and non-positional number systems, decimal system and binary system, base conversion, boolean algebra, logic gates. Basic components of electronic circuits: resistors, capacitors, inductors, diodes (ideal diode model, constant voltage drop model, circuits with diodes; determination of the operating point of a diode; diode rectifier), transistors (classification of transistors: BJT and FET; structure and operating principle, the transistor as a switch and as an amplifier), and operational amplifiers (ideal operational amplifier; principle of the virtual short circuit; analysis of circuits with ideal operational amplifier). Optoelectronic components and applications: photodiode for digital photography and artificial vision, light-emitting diode (LED) for scialytic lamp and polymerization lamp. Sensors for diagnostics and monitoring: classification of the sensors, fundamental parameters of a sensor, resistance temperature detectors and thermistors for measuring the temperature, extensometers for measuring the pressure, smart wearable systems for vital signs monitoring, reactive sensors for measuring displacements, optical spectroscopy and spectrophotometer for measuring the concentration of a solute in a solution, biosensors and electrodes, electrocardiograph. Simulation of electronic circuits: the software Spice. Training with electronic circuits and measurement instruments: breadboard, multimeter, power supply, signal generators, oscilloscope, design and characterization of circuits with resistances and LEDs, resistor color code, measurement of the temperature with a resistance temperature detector, remote controlling of programmable instruments.