Elettronica per i sistemi biomedicali

Elettronica per la robotica e l'industria

Obiettivi del corso

Farti un'idea sulla base dell'elettronica, non imparerai a progettare un circuito ma più a capire come scegliere elementi come filtri, sensori, o saper leggere un data sheet. Le nozioni ti permetteranno di realizzare piccoli circuiti. Vi è un piccolo modulo su programmazione di microcontrollori (Arduino per esempio). Ci sarà una forte enfasi sulla praticità, si faranno progettini su software e cose del genere.

Esame

Uno scritto a fine corso ma potrebbe variare a solo orale. Per i magistrali meccanici potrebbe esserci la possibilità di farlo solo orale fin da subito con più flessibilità sulle date visto che sono in numero minore. Le date sono teoricamente già fissate.

Programma del corso

La base è la caratterizzazione dei segnali (tensione, corrente, resistenza e soprattutto impedenza) e tutte le cose come rumore, potenza ecc. Ci sarà una parte di corso sui filtri (attivi e passivi), ovvero sulla modifica del contenuto di banda di un segnale, amplificatori (amplificare un segnale, ovvero aumentare una delle sue grandezze come la tensione o la potenza: un impianto TV con la ricezione da satellite ha la parabola con l'amplificatore LNA, PGA…). Un'altra parte del corso è la quella di conversione A/D e D/A (ogni segnale oggi è elaborato digitalmente, cioè tramite PC, sia che provenga da un lettore MP3 che da un sensore, infatti viene trasformato in numeri e quindi diventa manipolabile su MatLab, non degradabile ecc.). Studieremo se possibile i canali di comunicazione digitali (i BUS) cioè i canali di interfaccia digitali, i sistemi embedded e in particolare sulla robotica anche le problematiche di alimentazione dei circuiti (power distribution) e interconnessione (quando si ha infatti un percorso di molti circuiti da unire insieme è probabile che esso non funzioni a dovere): i sistemi elettronici infatti sono sensibili alle interferenze e loro stessi possono produrne.

Materiale utile

Useremo molto il software LTSpice (registrati su Analog Devices) MatLab e STM32CubeIDE ma questo servirà in fondo SE servirà. LTSpice è un programma per simulazioni elettroniche usato anche a livello professionale. Non ci sono libri obbligatori, il corso è registrato.

Concetto dei circuiti elettronici

Il disegno riassume il concetto dei circuiti elettronici, essi sono tutti uguali alla fin fine, sono tutti formati da: un sistemino elettronico digitale chiamato microcontrollore (un computerino) o da un altro dispositivo digitale che si interfaccia a dei sensori (pressioni, temperature, segnali radio, accelerometri…), il sistema digitale (front-end) ma aldilà della complessità, questo sistema digitale prende i dati dai sensori analogici, segnali elaborati in digitali e i risultati possono per esempio essere salvati come immagini, trasformati in video (ecografo), attivare degli attuatori (robot, valvole, motori…). Quasi tutti i sistemi elettronici hanno questo schema, dove non è così è perché non si è in grado di usarne uno in questo modo. Riassumendo: sensori che leggono le grandezze (dalle più semplici alle più complesse come ricezioni di ultrasuoni o onde EM), si elaborano i dati in modo da raggiungere un obiettivo e questi risultati sono poi usati per vari fini.

I sensori sono dispositivi analogici, l'elaborazione è fatta da dispositivi digitali e l'attuazione è di nuovo un mondo analogico. Una volta che un sistema elettronico è schematizzato in quel modo vengono fuori dei parametri per caratterizzarlo, alcuni sono quelli che riguardano le performance:

• Ritardo tra ingresso e uscita: "dato un input al sensore, quando è che l'uscita si adegua a questa cosa entrata nel sensore?", è il classico esempio dei TG di quando il conduttore fa una domanda e l'inviato in Giappone risponde dopo qualche secondo, è il delay tra ingresso e uscita. Di nuovo, in un ecografo vogliamo vedere dove si trova la sonda in tempo reale quando viene mossa dentro il paziente. Si chiama anche "latenza" (quanto tempo ci vuole all'uscita per rispondere a una variazione in ingresso e ovviamente la sua importanza varia con l'applicazione);
• Throughput: dato un sistema, quanti dati è in grado di macinare al secondo? L'ecografo deve macinare una quantità di dati tale che il framerate sia fluido. Un sistema può chiaramente avere latenza bassa ma comunque avere un framerate basso, un termostato magari elabora un dato ogni 5min ma ci va bene visto che la T varia lentamente. Un sistema che deve controllare un braccio robotico o una gru ogni quanto deve aggiornarsi? 1 volta al secondo? Dipende, magari va bene per applicazione lente. Questi parametri devi sempre averli presenti quando sarai chiamato ad acquistare/valutare un circuito, analogamente se devi mettere su un hardware per braccio robotico (scelgo un Arduino? Un PC da 2GHz? Dipende se le prestazioni richieste sono soddisfatte). A te non sarà chiesto di costruire la scheda per controllare il braccio, ma di comprarla o valutarla e per farlo prendi il data sheet e valuti questi due parametri in funzione dell'applicazione.

Parte 1: Richiami di elettronica

Resistenza, tensione e corrente

Si parlerà di correnti, tensioni, resistenze, quindi Legge di Ohm e potenza. Da ingegnere devi avere manualità, quindi mettere le mani nelle cose (smontare, rimontare) e saper usare gli strumenti (multimetro, sapere che valori di corrente e tensione si misurano nel mondo). A casa nella presa si ha il 230V, è il valore efficace di una tensione alternata ed è un valore che comunque può variare leggermente, sempre nella presa di casa hai che il contratto domestico ti permette di far socrrere nei fili max 16 A, oltre salta la corrente, ci sono anche contratti che distinguono nella linea degli elettrodomestici leggeri (luci, PC e ha un max di 10A) e pesanti (forno, lavastoviglie che segue i 16A). Nelle industrie si usa il trifase a 280V. I caricabatterie del cellulare devono funzionare in tutto il mondo nonostante gli standard siano diversi nel mondo e un circuito interno glielo permette. Una scheda elettronica non va a 220V, le tensioni in gioco dell'elettronica sono molto basse: i PC hanno un alimentatore a 220V (nei fili) ma la scheda interna produce una tensione di massimo 5V continui e non alternati (non si salta da 220 a 5V ma ci sono altri sotto-alimentatori che fanno fare piccoli salti). La batteria dell'automobile è da 12V o 24V, le elettriche invece non hanno ancora uno standard ma si parla di qualche decina di Volt (50-48V con tanti Ampere vista la gran potenza che serve). Un caricabatterie carica a circa 1A, un microcontrollore consuma millesimi di Ampere. Le alte tensioni si trovano sui fili che corrono tra i tralicci (da 15kV a 180kV) e si vede quanto sono grosse le molle che funzionano da isolare (tanto più grosse tanto maggiore la tensione, stanno nascendo ultimamente linee al MV). Altre tensioni alte alte si hanno nelle scintille (10kV ma non muori quando le trovi perché la potenza è molto molto bassa, non sufficiente a scaldarti). Ricorda che per te magari una scintilla non è problematica ma per un circuito elettronico è letale nonostante i transitori nanoscopici e la potenza bassa associata.

Quindi quando ti capiterà di smontare pezzi, attaccare schede o in generale di trovare fili rischi te ma pure l'elettronica in quanto rischi di bruciarla anche con una scintillina da 1kV (che un uomo nemmeno percepisce ma è sufficiente a bruciare una scheda), prima di mettere le mani a un circuito infatti si tocca la scatola metallica che la racchiude così da scaricarti. I connettori USB fanno sì che ti scarichi toccando la parte metallica (la "massa" da inserire nel PC in questo modo si stabilizza la tensione tra te e il PC. I guai vengono infatti fuori quando l'elettronica è scoperta (una scheda tirata fuori dalla sua scatola). I fulmini sono enormi scariche elettriche e quindi rendono l'elettronica a rischio.

Le resistenze sono ovunque (forni, phon, lavatrici…) e valgono qualche decina di Ohm, il forno per esempio ha 1kW di potenza, la stufetta di casa magari va sui 500W e se conosci una o l'altra sei subito in grado di ricavarti l'altra con le formule sopra nota la tensione in casa. Nei fili di rame la resistenza è bassissima e infatti si parla di 20mΩ. L'uomo va dai 300 ai 1000Ω. I resistori in elettronica vanno dalle frazioni di Ohm al milione di Ohm (MΩ). La potenza massima che posso trarre dalla rete elettrica (da contratto) è 3kW, oltre salta tutto visto che non paghi abbastanza, magari se nel condominio vi è un ascensore il contratto sarà da 5kW (ricorda che non paghi solo la corrente ma anche la fornitura, puoi anche non accendere nulla per 3 mesi ma lei te li fornisce comunque in qualunque momento). Le vecchie lampadine a incandescenza vanno sui 100W, le nuove al LED pochi W. Un PC da gaming quasi 500W. Il microprocessore (i chip) sui 100mW (milli Watt).

Condensatore e induttore

Altre grandezze importati sono capacità C e induttanza L (Farad e Henry). Nelle applicazioni che valori si trovano e dove si trovano? C ed L sono grandezze legate a V ed I dalle relazioni mostrate. In elettronica sono pensate, la R lega tensione V e corrente I, pure C ed L legano tensione e corrente ma tramite integrale e derivate. La capacità è quella cosa che, ingegneristicamente, dice che se ho una capacità e vi applico una corrente la tensione cresce (integrale) secondo la legge (corrente costante allora la tensione cresce a tasso costante), quindi C è un qualcosa che tende a tenermi la tensione costante anche quando la corrente varia, ovvero è una batteria. La batteria del telefono o del PC si misura con il Farad e può essere una batteria fisica vera o qualcosa di molto molto piccolo (un qualcosa che comunque si comporta da batteria). La capacità è infatti caratterizzata da una sua energia una volta che la carico con una certa tensione (1/2 CV²). Tanto maggiore la C della batteria a parità di V tanta più energia contiene. Io idealmente vorrei che la batteria si comportasse come un qualcosa che mi permette di tirar via corrente da essa senza che la tensione vari, le batterie stilo da 1.5V si esauriscono in tensione man mano che la uso (porto via corrente), la tensione risale quando le ridò corrente (la ricarico). Funziona come un buffer di corrente: la riempio di corrente e la tensione sale a un certo valore e quando ho bisogno di corrente la uso e la tensione scende, il legame è 1/C ovvero tanto maggiore C più corrente posso tirare via senza che vari V.

La capacità in generale è un volume, il secchio ha una capacità di 5 Litri e la batteria di qualche milliFarad ma il funzionamento è lo stesso (riempio d'acqua e porto il livello al massimo, quando mi serve la prendo da lì e il livello scende). Nel secchio ficchiamo la corrente (l'acqua) e la tensione (il livello) sale. La capacità si oppone alle variazioni di tensione (tanto maggiore è C più corrente devo tirare via perché la tensione scenda e soprattutto è difficile farlo velocemente). Vedo allora il condensatore come qualcosa che mi mantiene la tensione costante e si oppone alle variazioni di corrente.

Il suo duale è l'induttore, è uguale al condensatore ma con tutto scambiato nella formula. Quindi l'induttore è quel secchio che contiene corrente e per far variare il livello di corrente ci devo buttare o prendere tensione. È allora difficile far variare la corrente nell'induttore tanto più quanto questo è grande. Ogni oggetto fisico ha una sua capacità (la capacità è misurabile) e una sua induttanza. Induttori particolari sono i risonatori magnetici degli ospedali (in essi scorre un'enorme corrente che genera un campo magnetico, principio base degli induttori). Batterie e induttori ideali non esistono (qualunque acqua nel secchio prima o poi evapora).

L'induttore tende a mantenere costante una corrente contro le variazioni di tensione, nel caso di improvvisi cambi di corrente (passo da induttore alimentato a tagliargli la corrente) esso crea un picco di tensione enorme, esso infatti vorrebbe continuare a far girare corrente e quindi tende a creare un cortocircuito (altissima tensione). Un induttore carico, qualunque oggetto fisico, a cui viene impedito di fare il suo lavoro si "arrabbia" creando il picco di tensione, ciò accade? Sì, nei motori si hanno induttori (le bobine) e possono creare disturbi se usati impropriamente. Riassunto: l'induttore vuole tenere una corrente costante, il condensatore idem ma con la tensione costante.

Esempio 1 (induttore)

La slide presenta un circuito con generatore di tensione e induttore. Se V varia come sotto (a 0 per 1 microsecondo, ora un microsecondo è tanto? Sì, i processori dei PC sono sul GHz quindi in un microsecondo esso fa 1000 cicli, ma di nuovo dipende dal contesto e dall'applicazione, poi sale a 1.1V, riscende ecc.). La corrente che fa? Si applica la formula, quindi la tensione va a 1V la corrente segue con tranquillità in quanto all'induttore non piace far variare la corrente, per portarla da 0 a 100mA ci metto 1 microsecondo. L'esempio usa un induttore da 10microHenry. In elettronica si usano induttori da milliHenry, induttori da 1H sono aggeggi enormi. Idem per i condensatori dove si usano i milli/microFa. Se vedi, quando la tensione vale 0 la corrente non varia, quindi non è che quando non impongo tensione allora non ho corrente. Per scaricarlo devo applicare una tensione negativa (-1V) ed ecco che la corrente scende fino a 0 (ma poteva tranquillamente andare a valori negativi).

Esempio 2 (condensatore)

Idem ma ora si ha un condensatore, parto da 0, applico la corrente di 1A e la tensione sale coi suoi tempi. Quando non applico corrente la tensione rimane com'era e con corrente negativa la tensione riscende. I grafici che vedi sono realizzati con LTSpice.

Esempio di circuito vero

I rettangoli neri sono chip, ovvero i famosi microcontrollori ("dispositivi a semiconduttore"), accanto alle cosine blu scuro (i condensatori) si vedono anche transistor. Come prezzi? Niente, i componenti non costano veramente un cazzo.

Divisore di tensione

Continuando coi richiami passiamo al Divisore di Tensione: è un dispositivo che contiene un generatore ideale di tensione Vg, una resistenza Rs, un Rl, e l'equazione alla maglia è esattamente: I*Rs ed I*Rl sono le cadute di tensione in corrispondenza di ogni resistenza. La Vl è una partizione (frazione) di Vg dipendente dai valori di Rl ed Rs. Ovviamente Vl non sarà mai maggiore di Vg, solo con altri dispositivi potremmo. È importante in quanto il partitore è molto semplice ma serve per introdurre alcuni concetti e sulla loro focalizzazione.

È possibile e probabile che tu ti troverai a dover usare dei sensori (di temperatura, pressione, luce o altri) e quindi che tu debba acquisirne i dati tramite schede di acquisizione, i sensori ideali producono un segnale analogico in uscita in tensione o corrente e questo andrà letto (per esempio un sensore di T dà nella scala 0-100°C una tensione che va da 0 a 10V). Chiaramente il sensore ideale produce una tensione ideale e quindi è assimilabile a un generatore di tensione ideale. "Ideale" nel senso che possiamo tirare dal sensore tutta la corrente che vogliamo senza che la sua tensione cambi: se il sensore sta leggendo 50°C (quindi genera 5V) ecco che se assorbiamo 100mA allora lui continua a tenere 5V, idem se ne assorbiamo 1mA. La tensione è indipendente dalla corrente che assorbo.

Posso non assorbire corrente? No, in quanto per fare la misura dobbiamo prelevare energia/potenza dallo strumento, per misurare quei 50°C devo interagire col sensore e ciò è possibile solo estraendo energia/potenza a cui si associa una certa corrente. Ovviamente non prelevo 10A ma il minimo possibile, e se il sensore, nel fornire la corrente richiesta, non è ideale e cede un po' di tensione ecco che misuriamo una T non accurata.

Il concetto importante è che un sensore che esce in tensione (o corrente, il discorso è duale) non sarà mai ideale, quindi quando lo interroghiamo si rischia un errore e questo aspetto andrà trattato e cercare di ridurlo fino a entro la tolleranza del sensore stesso. Quindi qual è il circuito di lettura ideale? Abbiamo dato la definizione di generatore ideale (analogo in corrente, mi mantiene la corrente indipendentemente dalla tensione che impongo), ma qual è il circuito ideale? Quello che disturba il meno possibile, ovvero che legge senza fornire corrente → un circuito aperto (idealmente), nella realtà è quello che richiede meno corrente possibile al sensore. E dove si inserisce il partitore resistivo? Nel mondo reale si ha che se il sensore è il generatore di tensione (0-10V) allora la tensione che leggiamo sarà data da quella in uscita dal partitore, se fosse la metà leggeremmo la metà della T. Noi vogliamo quindi che Rs sia più piccolo possibile e Rl più grande possibile. Ovvero una resistenza serie piccola (minimizzare la caduta di tensione), mentre il reader deve avere una grande Rl per richiedere una corrente minore possibile. [Se prendi la formula del partitore vorrei Rs basso e Rl alto così che Vl≈Vg]. Questo è il concetto di impedenza in ingresso e in uscita, ne abbiamo parlato con le resistenze ma è il discorso speculare. Qual è l'impedenza di uscita di questo sensore? È Rs (in termini di resistenza). L'impedenza di ingresso del circuito di lettura è Rl (in termini di resistenza). L'errore c'è sempre. Questo non è solo relativo ai sensori per la misura ma anche per circuiti di amplificazione o trasmissione di informazioni.

Dominio delle frequenze

Riguarda i segnali, essi sono esaminabili sia nel dominio del tempo...