programma elettronic.. - Itis Leonardo da Vinci

ISTITUTO TECNICO INDUSTRIALE STATALE “L. DA VINCI” – PARMA
Via Toscana, 10 Parma – tel. 0521271031 fax 0521270475
PROGRAMMA EFFETTIVAMENTE SVOLTO DI:
ELETTRONICA ed ELETTROTECNICA
Articolazione:
Classe: 3
Elettrotecnica/Automazione
ore 7 ( 3 di laboratorio)
ANNO SCOLASTICO:
2014/2015
Docenti: ing. Vittorio Paini ; p.i. Roberta Bottarelli
Conoscenze (tratte dalle linee guida ministeriali)
Principi generali e teoremi per lo studio delle reti elettriche
Componenti circuitali e i loro modelli equivalenti
Unità di misura delle grandezze elettriche
La strumentazione di base
Principi di funzionamento e caratteristiche di impiego della strumentazione di laboratorio
Campo elettrico e campo magnetico
Leggi fondamentali dell’elettromagnetismo
Bilancio energetico, componenti attivi e passivi
Fenomenologia delle risposte: regimi transitorio e permanente
I manuali di istruzione
Algebra di Boole
Rappresentazione e sintesi delle funzioni logiche
Reti logiche combinatorie e sequenziali
Dispositivi a media scala di integrazione
Registri, contatori, codificatori e decodificatori
Manualistica d’uso e di riferimento
Software dedicati
Lessico e terminologia tecnica di settore anche in lingua inglese
Abilità (tratte dalle linee guida ministeriali)
Applicare i principi generali di fisica nello studio di componenti, circuiti e dispositivi elettrici ed elettronici, lineari e non lineari
Identificare le tipologie di bipoli elettrici definendo le grandezze caratteristiche ed i loro legami
Applicare la teoria dei circuiti alle reti sollecitate in continua
Analizzare e dimensionare circuiti e reti elettriche comprendenti componenti lineari sollecitati in continua
Operare con variabili e funzioni logiche
Analizzare circuiti digitali, a bassa scala di integrazione di tipo combinatorio e sequenziale
Utilizzare sistemi di numerazione e codici
Analizzare dispositivi logici utilizzando componenti a media scala di Integrazione
Realizzare funzioni cablate combinatorie e sequenziali
Rilevare e rappresentare la risposta di circuiti e dispositivi lineari e stazionari ai segnali fondamentali
Misurare le grandezze elettriche fondamentali
Consultare i manuali di istruzione
Utilizzare consapevolmente gli strumenti scegliendo adeguati metodi di misura e collaudo
Rappresentare ed elaborare i risultati utilizzando anche strumenti informatici
Interpretare i risultati delle misure
Utilizzare il lessico e la terminologia tecnica di settore anche in lingua inglese
ELENCO DEI MODULI
1. Grandezze elettriche fondamentali e loro legami; bipoli elettrici; risoluzione delle reti lineari.
2. Elettrostatica:reti elettriche capacitive. Fenomeni transitori nei circuiti capacitivi. Studio dei segnali
elettrici
3. Algebra di Boole.
4. La logica combinatoria.
5. La logica sequenziale. Contatori e registri a scorrimento. Circuiti generatori di segnali impulsivi
6. Elettromagnetismo; il bipolo induttivo (cenni). Fenomeni transitori nei circuiti induttivi
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UNITA’ DIDATTICHE SVOLTE NEL 1° PERIODO (TRIMESTRE)
Modulo N. 1
Circuiti in corrente continua
Grandezze elettriche
Intensità della corrente elettrica, densità di corrente, differenza di potenziale, tensione elettrica, potenza e
rendimento elettrico, resistenza e conduttanza, legge di Ohm, resistività e conduttività, variazione di R con la
temperatura, effetto Joule. Operazioni con le grandezze elettriche introdotte: notazione ingegneristica.
Bipoli elettrici e loro collegamenti
Concetto di bipolo, convenzioni di segno, caratteristica esterna, tensione a vuoto e corrente di corto circuito. bipoli
ideali: di tensione, di corrente, resistore ideale, circuito aperto ideale, cortocircuito ideale.
Maglie e nodi, leggi di Kirchhoff. Tensione tra due punti
Bipoli in serie, in parallelo, in serie-parallelo. La resistenza equivalente di resistori in serie e in parallelo.
Il partitore ohmico di tensione; il derivatore ohmico di corrente.
Resistori collegati a stella e a triangolo. Resistenza tra due punti qualsiasi di una rete passiva.
Circuito equivalente del generatore reale: generatore reale di tensione e generatore reale di corrente (funzionamento
a vuoto, in corto, caratteristica esterna, punto di lavoro, potenze e rendimento). Equivalenza tra generatori reali di
tensione e di corrente. Utilizzatore attivo.
Risoluzione delle reti lineari in corrente continua
Soluzione di circuiti con un solo generatore.
Legge di Ohm generalizzata: calcolo della tensione tra due punti qualsiasi di una rete elettrica.
Risoluzione di una rete applicando la prima e/o la seconda legge di Kirchhoff.
Teorema di Millmann
Sovrapposizione degli effetti
Principio del generatore equivalente: il teorema di Thévenin, il teorema di Norton.
UNITA’ DIDATTICHE SVOLTE NEL 2° PERIODO (PENTAMESTRE)
Modulo N. 2
Elettrostatica:reti elettriche capacitive
Cenni sul campo elettrostatico.
Reti capacitive a regime costante
Condensatore, capacità elettrica (la capacità di un condensatore ed in particolare di quello piano), energia
elettrostatica. Collegamenti in serie e in parallelo di più condensatori; regola del partitore di tensione capacitivo,
regola del partitore di carica. Condensatori in serie/parallelo. Risoluzione delle reti capacitive a regime costante.
Studio dei segnali elettrici
Uso delle unità di misura coerenti (multipli e sottomultipli delle unità di misura fondamentali).
Definizioni di segnale elettrico periodico e suoi parametri fondamentali: periodo, frequenza, tensione di picco,
offset, duty cycle, valor medio, valor efficace.
Uso della strumentazione di base: tester, alimentatore, generatore di funzioni e oscilloscopio.
Analisi del comportamento di un quadripolo RC sollecitato con un’onda “quadra”
Fenomeni transitori nei circuiti capacitivi
Il transitorio capacitivo di carica e scarica di un condensatore: analisi teorica, espressione della costante di tempo,
espressione analitica generale, grafici.
Risoluzione delle reti capacitive nel periodo transitorio.
Rilievo sperimentale del transitorio mediante oscilloscopio.
Modulo N. 3
Algebra di Boole: variabili binarie, operatori logici elementari, porte logiche
Teoremi ed assiomi fondamentali dell’algebra di Boole.
Famiglie logiche (circuiti logici integrati): caratteristiche generali degli integrati. Configurazioni d’uscita dei
circuiti logici integrati (totem pole, open collector, 3-state).
Porte logiche elementari (and, or, not, nand, nor, exor, exnor): simboli e loro relazione tra ingresso ed uscita.
Tracciamento di circuiti combinatori a partire dalla funzione logica. Universalità delle porte nand e nor. Il concetto
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di porta logica. Verifica in laboratorio di tabelle di verità. Mappe di Karnaugh. Forme canoniche somme di prodotti
e prodotti di somme (prima e seconda forma canonica). Impiego delle mappe di Karnaugh. Coperture ottime di zero
e di uno. Coperture in presenza di condizioni di indifferenza.
Modulo N. 4
La logica combinatoria
Circuiti combinatori integrati di base (a media scala di integrazione)
Livelli logici attivi dei dispositivi combinatori MSI.
Multiplexer, decoder e demultiplexer. Funzionamento ed utilizzo di multiplexer e demultiplexer, realizzazione dei
dispositivi mediante porte logiche; (simbolo logico, tavola di verità). I data sheet.
Decoder ed encoder: decoder bin/dec, BCD/dec, Encoder dec/BCD, dec/bin con e senza priorità. Descrizione
mediante porte logiche; (simbolo logico, tavola di verità). I data sheet.
Decoder driver per display. Cenni sui LED e display ad anodo e a catodo comune: analisi ed impiego in strutture di
visualizzazione.
Generatore/verificatore di parità.
Comparatori e circuiti aritmetici. I comparatori. Sommatori e generatori di riporto: semi sommatore e sommatore.
(simbolo logico, tavola di verità, data sheet)
Modulo N. 5
La logica sequenziale
Latch e Flip – flop
Definizione di circuito sequenziale. Tabelle degli stati o di eccitazione, diagramma degli stati. Latch SR attivo alto
ed attivo basso con e senza enable, latch D.
La logica antirimbalzo.
La logica temporizzata (flip flop): master slave, FFSR, FFJK, FFD, FFT di tipo edge triggered. Ingressi sincroni ed
asincroni (diretti).
Divisione in frequenza con FF.
Contatori e registri a scorrimento
Registri a scorrimento; contatori realizzati con shift register (ad anello semplice e Johnson).
Generalità sui contatori (definizioni di asincrono, sincrono e modulo).
Contatori binari sincroni up e down con modulo potenza di due e modulo qualsiasi. Contatori asincroni (binario
ripple modulo 2n ). Controllo ed espansione dei contatori (start/stop, preset, contatori in cascata). Contatori e shift
register integrati.
Circuiti generatori di segnali impulsivi
Monostabile ed astabile mediante latch SR e circuiti RC di temporizzazione.
Modulo N. 6
Elettromagnetismo; il bipolo induttivo (cenni)
Richiami di magnetismo
Grandezze magnetiche e loro legami. Vettore induzione magnetica. Campo magnetico prodotto da un
conduttore rettilineo, da una spira circolare, da un solenoide. Forza magnetomotrice e forza
magnetizzante. Permeabilità magnetica relativa e classificazione dei materiali magnetici. Caratteristica di
magnetizzazione, isteresi magnetica. Flusso magnetico. Riluttanza e permeanza, legge di Hopkinson,
legge della circuitazione magnetica.
Induttanza. Energia del campo magnetico; energia persa nel ciclo di isteresi.
Interazione tra circuiti elettrici e campi magnetici: induzione elettromagnetica ed autoinduzione.
Fenomeni transitori nei circuiti induttivi
Il transitorio di magnetizzazione e di smagnetizzazione di un induttore: analisi teorica, espressione della costante di
tempo, espressione analitica generale, grafici.
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Attività di laboratorio
1.
codice a colori delle resistenze a quattro o a cinque bande (serie E6,E12, E24); misure di R e valutazione del valore
nominale, min, max ed effettivo
2. impiego della strumentazione di base presente in laboratorio: multimetro, alimentatore stabilizzato, generatore di
funzioni, oscilloscopio.
3. circuiti con R in serie e parallelo e misure sperimentali (rilievo di Req)
4. verifica su basetta sperimentale di misure di tensione e corrente
5. circuiti partitori di tensione con presentazione ed uso di diverse tipologie di trimmer
6. cablaggio e verifica sperimentale di reti con un solo generatore
7. segnali elettrici: analisi con strumentazione dei parametri caratteristici (periodo, frequenza, offset, duty cycle)
8. le diverse tipologie dei condensatori; codici di riconoscimento dei condensatori
9. analisi del transitorio capacitivo; risposta di quadripoli RC sollecitati con onde quadre con diversa frequenza
10. analisi strumentale di segnali alternati sinusoidali (determinazione dei parametri fondamentali e sfasamento)
Elettrotecnica e strumentazione
Strumentazione di laboratorio: alimentatore stabilizzato, multimetro digitale, generatore di funzioni, oscilloscopio a doppia
traccia.
 Resistori: codice colori serie normalizzate (in particolare E 12).
 Basetta sperimentale breadboard.
 Montaggio su breadboard e misure di circuiti con generatore di tensione costante e resistenze in serie e in parallelo.
 Trimmer.
 Dip switch a più vie. Pull up e pull down.
 Diodo led: simbolo e caratteristica. Impiego come visualizzatore ottico di livelli logici; calcolo della resistenza di
limitazione della corrente.
 Montaggio e misure di partitore di tensione su trimmer e su circuito serie resistenza, trimmer, switch e diodo led.
 Uso di un software di simulazione per il tracciamento e l’analisi di circuiti in continua: misure di tensione e corrente.
 Verifica sperimentale (simulazione e cablaggio) dei teoremi di Millmann e sovrapposizione effetti.
 Segnali periodici: valore massimo e ampiezza picco-picco, offset, frequenza, periodo e duty cycle.
 Esercitazione di visualizzazione sull’oscilloscopio di segnale periodico sinusoidale, triangolare e quadrato con
variazione della frequenza, del duty cycle e dell’offset .
 Analisi e tracciamento di segnali periodici con software di simulazione.
Elettronica digitale
Circuiti integrati famiglie logiche TTL e CMOS: lettura data sheet.
 Simulazione e verifica sperimentale su breadboard della tavola della verità della porta logica AND (4081) e della
porta logica NAND (4011).
 Verifica sperimentale su breadboard della tavola della verità di un circuito combinatorio a tre variabili di ingresso:
realizzazione con tre diverse porte logiche (NOT 4069, AND 4081 e OR 4071) e a sole porte NAND (4011).
 Comparatore a due bit con sole porte NAND.
 Reti resistive.
 Display a sette segmenti ad anodo e catodo comune.
 Decoder/driver/latch (9368) per display a sette segmenti a catodo comune: verifica sperimentale.
 Comparatore binario a 4 bit (4585): verifica sperimentale.
 Sommatore binario a 4 bit (4008): verifica sperimentale di funzionamento su circuiti già cablati su breadboard.
 Simulazione di Latch S-R con ingressi attivi bassi (a porte NAND) e attivi alti (a porte NOR).
 Simulazione di divisore di frequenza con Flip Flop J-K.
 Simulazione di contatore asincrono modulo 4 con Flip Flop J-K e D.
 Contatore sincrono a 4 bit up e down (74191) e 74190 (decadico) con decoder/driver (9368) e display a 7 segmenti a
catodo comune: verifica sperimentale.
 Integrato 74194 - 4bit bidirectional universal shift register.
Parma, 6 Giugno 2015
Gli studenti
Gli insegnanti
V. Paini
R. Bottarelli
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