Obiettivi

Il corso si propone di fornire agli studenti le nozioni fondamentali della teoria dei circuiti. La prima parte del corso si concentra sulla caratterizzazione dei componenti fondamentali: resistore, condensatore ed induttore. Segue una analisi dei circuiti in regime stazionario e transitorio con particolare riguardo alla comprensione dei circuiti in regime sinusoidale. Vengono anche studiati, in modo del tutto preliminare, alcuni circuiti fondamentali con amplificatori operazionali. Viste le basi di elementi e circuiti elettronici si analizza la teoria della misurazione, indipendentemente da uno specifico ambito scientifico di studi ma con esempi e applicaizoni ricorrenti ai circuiti elettronici. Saranno considerati pregi e limitazioni dell’indagine sperimentale e forniti gli strumenti specifici di analisi utilizzati nelle misure (teoria dell'incertezza). Sarà fornita una valida conoscenza su principi di funzionamento, caratteristiche metrologiche e campi di applicazione della moderna strumentazione elettronica di misura e di acquisizione dati (voltmetri, schede DAQ, contatori, oscilloscopi, analizzatori di spettro). L'attività di laboratorio sperimentale completa e arricchisce gli aspetti formativi teorici.

Programma delle lezioni e delle esercitazioni

Introduzione al corso. Il modello circuitale. Le grandezze elettriche: corrente, tensione, potenza. Leggi di Kirchhoff. Grafi. Teorema di Tellegen. Proprietà di conservazione della potenza.
Circuiti resistivi. Resistore. Corto circuito e circuito aperto. Generatori indipendenti. Circuiti ad una maglia, partitore di tensione. Circuiti con due nodi, partitore di corrente. Combinazioni di resistori. Resistenza equivalente. Combinazione di generatori indipendenti. Generatori controllati. Principio di sostituzione. Trasformazione di generatori.
Analisi nodale di circuiti con generatori indipendenti di corrente e con generatori indipendenti di tensione.
Circuiti con amplificatori operazionali ideali.
Linearità e sovrapposizione. Teoremi di Thévenin e di Norton. Metodi per determinare la resistenza equivalente. Generatori reali.
Condensatore. Induttore. Combinazione in serie e in parallelo di condensatori e induttori.
Circuiti del primo ordine. Circuiti RC e RL in evoluzione libera. Circuiti RC ed RL con un generatore costante. Circuiti del primo ordine autonomi. Stabilità, risposta transitoria e risposta permanente.
Circuiti del secondo ordine. Circuiti RLC in evoluzione libera. Circuiti RLC con un generatore costante. Circuiti del secondo ordine di tipo generale.
Analisi in regime sinusoidale. Numeri complessi. Sinusoidi e fasori. Risposta ad un ingresso sinusoidale. Legge di Ohm simbolica. Il metodo dei fasori. Analisi nel dominio dei fasori. Sovrapposizione di regimi sinusoidali.
Potenza in regime sinusoidale. Potenza istantanea e potenza media. Valore efficace. Potenza complessa. Conservazione della potenza complessa. Bipoli passivi. Rifasamento. Massimo trasferimento di potenza. Sovrapposizione della potenza.
Trasformatore ideale. Analisi di circuiti con trasformatori ideali. Induttori accoppiati. Analisi di circuiti con induttori accoppiati.
Metrologia: principi di misura; Sistema Internazionale di unità di misura; campioni basati su fenomeni quantistici e costanti di natura; unità logaritmiche e rappresentazione grafica dei risultati sperimentali.
Analisi dei dati di misura: densità di probabilità, media, varianza, correlazione, e incertezza di misura (propagazione degli "errori"); incertezza standard di misura e gradi di libertà; compatibilità fra misure e media pesata. Interpolazione e regressione dei dati di misura.
Sistemi di acquisizione dati: campionamento e conversione A/D; caratteristiche e principi di funzionamento degli ADC (velocità, risoluzione, incertezza di quantizzazione, numero di bit equivalenti); struttura dei principali convertitori A/D e D/A; proprietà e impiego dei sistemi di acquisizione dati (DAQ); schede di acquisizione dati e protocolli di comunicazione tra strumenti (RS232, IEEE 488, USB), utilizzo di LabVIEW per misure automatizzate.
Rumore: rumore nelle misure; cenni sui processi stocastici e sul rumore elettronico; tipi di rumore (termico, shot, e 1/f); schermature e reiezione al rumore differenziale mediante integrazione del segnale. 
Strumentazione elettronica di misura: voltmetri e multimetri digitali; contatore elettronico; oscilloscopi (analogici e digitali); analizzatori di spettro (digitali e analogici; cenni su monocromatore e analizzatori di spettro ottici).

Attività di laboratorio

Le attività di laboratorio sono di tipo sperimentale con l'obiettivo di familiarizzare gli studenti con i programmi di acquisizione dei segnali e i circuiti in regime transitorio. Il laboratorio ha lo scopo di istruire lo studente nell’uso della moderna strumentazione digitale di misura. In particolare, saranno insegnati e messi in pratica i fondamenti di programmazione del linguaggio LabVIEW: quanto appreso sarà direttamente verificato mediante la preparazione di esperimenti di misura, su componenti e circuiti elettronici, svolti mediante schede di acquisizione dati. Si sperimenteranno in concreto le problematiche connesse con il condizionamento e l’elaborazione del segnale di misura. Gli studenti avranno la possibilità di cimentarsi anche nell’uso di voltmetri numerici, generatori di funzioni, oscilloscopi digitali, e analizzatori di spettro per la caratterizzazione e misura su circuiti e segnali elettronici. Ciascuno studente svolgerà 12 ore di laboratorio suddivise in 3 esercitazioni (di 4 ore ciascuna). Il calendario delle esercitazioni di laboratorio sarà pubblicato sulla pagina WEB www.elet.polimi.it/corsi/labgolgi. I dettagli organizzativi relativi alle attività di laboratorio e alle corrispondenti valutazioni saranno presentati a esercitazione e comunque resi consultabili alla pagina WEB del Corso.

Prerequisiti

Costituiscono utili propedeuticità all’insegnamento le conoscenze di base di Analisi Matematica e Fisica.

La valutazione dello studente è effettuata in base all'esito della prova d'esame e dei laboratori.
La prova d’esame consiste in una verifica scritta seguita da una breve discussione orale.
L'accesso alla prova scritta e' condizionato al superamento di un precompito con una decina di domande a risposta multipla.
In ogni caso le modalità e numeri di appelli d'esame saranno coerenti con quanto deliberato a tale proposito dall’Ateneo e dalla Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione.
Dopo lo svolgimento della 2a prova in itinere i voti della 1a prova in itinere decadranno e gli studenti (nell'ultimo appello estivo e in quello autunnale) dovranno svolgere un compito intero.

Costo circa 17 Euro. Disponibile presso la Biblioteca di PoliMI.

Costo circa 15 Euro. Disponibile presso la Biblioteca di PoliMI.