Domande e risposte dettagliate necessarie a sostenere l'esame

Tecniche di amplificazione della differenza fra due segnali

Parametri che definiscono prestazione degli amplificatori differenziali

Al fine di amplificare la differenza di potenziale tra due segnali di ingresso V1 e V2, è possibile utilizzare un amplificatore differenziale. È opportuno procedere con un’amplificazione dei segnali biomedici in quanto essi hanno molto spesso una piccola ampiezza (5 µV – 5 mV) ed è quindi necessario amplificarli, prima di convertirli in forma numerica tramite un convertitore analogico-digitale.

Normalmente si utilizzano dispositivi che amplificano la differenza fra due segnali di tensione, in modo da misurare la quantità di interesse rispetto a un valore di riferimento. Per esempio, per ottenere il segnale ECG, si amplifica la differenza di potenziale rilevata fra elettrodi applicati sulla pelle del soggetto. Prima dell’amplificazione, il segnale associato a questa differenza di potenziale ha un’ampiezza dell’ordine di 1 mV o meno.

Per amplificarlo, è necessario un amplificatore differenziale, che abbia la proprietà di cancellare disturbi comuni alla coppia di elettrodi. Gli amplificatori differenziali vengono usati in molte applicazioni in cui è necessario amplificare la differenza fra due segnali d’ingresso. Vengono amplificati i segnali differenziali e bloccati i segnali comuni ai due ingressi (segnali di modo comune).

Quest’ultimo, ad entrambi i suoi ingressi, ha collegato un generatore di tensione seguito da un circuito con due resistenze. All’ingresso invertente V2 è collegato in un circuito assimilabile a un amplificatore invertente con ingressi invertenti R1 e R2. All’ingresso non invertente V1 è collegato a un partitore resistivo con R3 e R4.

Studiando dunque la funzione di trasferimento notiamo che V_OUT dipende sia da V₁ che da V₂ con contributi opposti. Per arrivare ad una relazione diretta tra V_OUT e (V₁ - V₂) del tipo V_OUT(V₁ - V₂) è necessario operare alcune semplificazioni sul valore delle resistenze, per cui R₁=R₃ e R₂=R₄. Queste semplificazioni sono però fisicamente impossibili in quanto non è possibile realizzare due resistenze identiche.

La conseguenza è che il comportamento reale dell’amplificatore differenziale è diverso da quello ideale, cioè compare un segnale in uscita anche quando i due segnali di ingresso sono identici (in ampiezza e polarità). Risulta quindi necessario ricorrere all’utilizzo del parametro definito “rapporto di reiezione di modo comune” (CMRR= Common Mode Rejection Ratio) per valutare le prestazioni dell’amplificatore:

• A: Guadagno differenziale, si configura come la funzione di trasferimento calcolata con le approssimazioni sulle resistenze.
• A_CM: Guadagno di modo comune ipotizzando che V₁=V_IN e che V₂=V_IN, si calcola la FdT senza approssimazione sulle resistenze => A_CM --> 0 poiché V₁=V₂ e V₁ - V₂ = 0.
• CMRR = Common Mode Rejection Ratio. Idealmente è infinito perché A_CM è idealmente uguale a zero. Per un buon amplificatore differenziale: CMRR --> ∞ poiché A_CM --> 0.
• Solitamente CMRR viene calcolato in decibel: CMRR = 20log (| A_D /A_CM |) dB.

Parametri fondamentali di un sistema digitale

L’elettronica digitale riguarda l’analisi e il progetto dei circuiti che trattano dati e informazioni espresse attraverso due soli stati possibili, indicati rispettivamente con le cifre binarie 1 e 0. In molti casi il segnale da elaborare viene prima campionato e codificato in un numero binario, mediante un circuito che effettua una conversione da analogico a digitale (convertitore analogico-digitale ADC), successivamente elaborato tramite tecniche numeriche, e infine riconvertito in un segnale analogico mediante un convertitore digitale-analogico DAC.

Un segnale digitale può assumere solo due valori:

• Valore alto (VH, H = High) (bit = 1; V=1V-1,2V)
• Valore basso (VL, L= Low) (bit = 0; V= 0V)

Il grafico V(t) assume dunque un andamento ideale a gradino. Anche i segnali digitali sono soggetti a disturbi che non influiscono però sulla corretta valutazione del valore logico nel momento in cui rientrano in una determinata fascia di valori definita “noise margin”. Un blocco digitale trasmette un segnale (V_OUT) a un altro blocco che lo assume come segnale di ingresso (V_IN). A livello ingegneristico possiamo valutare il margine di disturbo ponendoci nelle peggiori condizioni di trasmissione possibili.

Quindi il VOL può propagarsi al blocco 2 al massimo con VIL generando una banda massima di disturbo del livello logico basso pari a: NML=VIL_MAX - VOL_MAX. Analogamente VOH può propagarsi fino al blocco due al massimo come generando una banda massima è di disturbo del livello logico alto pari a: NMH= VOH_MAX - VIH_MIN.

Un altro parametro per valutare un sistema digitale è il ritardo di propagazione del segnale tra due blocchi che si configura come l’intervallo di tempo che intercorre tra la captazione del segnale di ingresso, la sua elaborazione e la generazione del segnale in uscita. Come ultimo parametro ricordiamo la dissipazione di potenza. Ogni sistema digitale è alimentato da una tensione che è circa pari a 1V. Parte di questa viene dissipata dinamicamente durante la commutazione tra un livello logico e l’altro. Quest’ultima infatti è fisicamente generata da un processo di carica e scarica di diversi condensatori che dissipano un’energia pari a:

• f: frequenza operativa del sistema (numero di commutazioni al secondo)
• V: tensione di alimentazione del sistema
• CL: somma dei valori di tutte le capacità dove avvengono le commutazioni dei livelli di tensione.

Al fine di contenere il dissipamento è necessario diminuire il valore di CL intervenendo sulle dimensioni dei condensatori che generano la transizione dei livelli logici.

Differenze fra sistemi digitali combinatori e sistemi sequenziali

Blocchi fondamentali e funzionamento dei sistemi sequenziali

I sistemi digitali combinatori sono circuiti logici la cui uscita dipende solo dalla combinazione delle variabili logiche presenti nello stesso istante ai suoi ingressi, e non dai valori assunti dagli ingressi negli stadi precedenti. Questi sistemi svolgono funzioni di:

• Operazioni numeriche tra dati
• Indirizzamento e selezione dei dati
• Realizzazione di funzioni logiche

I sistemi sequenziali, invece, sono circuiti logici le cui uscite dipendono non solo dagli ingressi presenti in quel momento ma anche dalla storia passata degli ingressi. I loro blocchi fondamentali sono gli elementi di memoria per ricordare la storia dell’evoluzione delle variabili entrata (latch e flip-flop). I latch possono avere porte NAND o porte NOR. Passano gli input quando il clock è “alto”.

• Latch a porte NAND: possono avere A=1, B=1 oppure A=1, B=0 ma non A=0, B=0
• Latch a porte NOR: non possono avere A=1 e B=1

I flip-flop sono sincronizzati sul fronte di salita del segnale di clock o su quello di discesa. Si può notare il periodo T_Q del segnale all’uscita Q del flip-flop il doppio del periodo T_CLOCK del segnale di clock.

Microcontrollore

Caratteristiche generali e differenze tra sistemi MPU-based e MCU-based

Il microcontrollore è un sistema embedded progettato per uno scopo specifico e integrato in un sistema elettronico o meccanico più ampio. È formato da diverse componenti tra cui un microprocessore, memorie e porte I/O.

Il microprocessore è utilizzato per il processamento dei dati in input e fornisce la loro elaborazione in output. Le memorie possono essere di lettura e scrittura (RW) o di sola lettura (ROM). Queste hanno la funzione di archiviare i dati all’interno di registri indirizzi di memoria. Infine, le porte I/O (input, output) collegano il MPU a dispositivi input (esempio: tastiere) che forniscono dati da elaborare o dispositivi output (esempio: casse) che forniscono dati elaborati. Questi elementi sono messi in comunicazione tra loro dal BUS di sistema. L’architettura del MCU può essere MCU-BASED se tutte queste parti sono integrate su un unico chip o MPU-BASED se le parti sono separate ma messe in comunicazione da un BUS esterno.

Proprietà, funzionalità e componenti di un microprocessore

Il microprocessore è un componente fondamentale di un microcontrollore. Esso è un sistema multi-purpose, clock-driven e register based. Ha la funzione di processare dati, eseguire istruzioni e fornire risposte in output. MPU è formato principalmente da tre componenti: ALU, registri e unità di controllo.

• ALU (Algorithmic and Logic Unit): è adibita allo svolgimento di operazioni che possono essere aritmetiche (somma, sottrazione), logiche (OR, AND, NOT eccetera) o di scorrimento binario.
• Registri: rappresentano le memorie del MPU in cui vengono archiviati dati e istruzioni. Tra i registri ricordiamo l’accumulatore, program counter, instruction register e flag register.
• Unità di controllo: è adibita al coordinamento delle azioni necessarie al fine di eseguire un’istruzione. Questa viene eseguita secondo un ciclo DI FETCH-decode-execute che prevede la presenza di un parametro ed il coinvolgimento dell’ALU nella fase di execute.

Concetto di bus di comunicazione

Serial Peripheral Interface (SPI) è un bus di comunicazione seriale, sincrono e le cui modalità di comunicazione sono master/slave. Esso è fisicamente formato da quattro linee:

• Linea SCLK che trasmette, dal master, la sincronizzazione di clock allo slave;
• Linea MOSI (Master Output Slave Input) per avviare la comunicazione;
• Linea MISO (Master Input Slave Output) affinché il master riceva la risposta dello slave;
• Linea CS (Chip Select) che permette al master di decidere con quale slave comunicare.

L’utilizzo di un bus SPI è vantaggioso perché è semplice, veloce e permette di selezionare lo slave per la comunicazione. Esso però comporta la presenza di ruoli fissi e un elevato numero di linee (3 + n slave) in quanto ogni slave ha la propria linea CS. La comunicazione è avviata solo se CS si trova a un livello logico basso e avviene con la trasmissione di 16 bit in 16 colpi di clock. Il primo bit (bit0) serve per comunicare se il master vuole scrivere (bit0=0) o leggere un dato (bit0=1). Il secondo bit serve per comunicare quanti dati si vogliono leggere o scrivere (bit1=0 un solo dato, bit1=1 più dati).