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Note per Studenti Il compito di esame - struttura dei quesiti e metodo di risoluzione

Il compito di esame - struttura dei quesiti e metodo di risoluzione

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Il corso di Strumentazione elettronica (IN2911; il programma ufficiale prevede una prova scritta e una prova orale) è breve da studiare e molto ripetitivo da esaminare: nei temi dal 2018 al 2026 i quesiti sono sempre variazioni sugli stessi pochi schemi. Questa nota riassume com'è fatto lo scritto e il metodo da applicare.

Struttura dello scritto

Frequenza dei temi. In 2424 testi esaminati (di cui uno è un esempio di prova): l'esercizio su un oscilloscopio digitale (scala, triggerevento che fa partire l'acquisizione dell'oscilloscopio, traccia, cursori, incertezza) compare in almeno 2020; la propagazionecalcolo dell'incertezza di una grandezza ricavata da altre misure dell'incertezza in quasi tutti; sonda passiva in 66; misura di resistenza a due e quattro fili in 55; accoppiamento ACcondensatore in serie all'ingresso che toglie la continua in 88; resistenze elevate in 33 (gli ultimi tre anni); sweepsegnale la cui frequenza varia linearmente nel tempo con sync in 33; valore efficace in almeno 88; pseudo-differenzialemisura di una tensione tra due nodi fuori massa con due canali e la funzione differenza in 22; LabVIEW in 33; AWG in 11.

Metodo: problema su un oscilloscopio

  1. Leggere i dati: periodo TT, livelli VmaxV_{max}, VminV_{min}, componente continua, duty cycle, numero di divisioni (10×810\times8), scale impostabili (sequenza), risoluzioni del convertitore, ppm.
  2. Scala orizzontale: 10ΔTh≥nT10\Delta T_h\ge nT, valore superiore (Oscilloscopio digitale - architettura, scale e risoluzione dei cursoriL'oscilloscopio digitale (DSO) acquisisce e visualizza tensioni in funzione del tempo: ingresso (impedenza, accoppiamento), ADC a 8 bit, memoria di acquisizione, memoria grafica, display di $10$ divisioni orizzontali e $8$ verticali. Finestra visualizzata $T_w=10,\Delta T_h$ (s/div); fondo scala verticale $FS=8,\Delta V$ (V/div). Scelta della scala: $\Delta T_h\ge T_w^{min}/10$ (per $n$ periodi, $T_w\ge nT$), $\Delta V\ge2\max(|V_{min}|,|V_{max}|)/8$ con offset nullo ($\ge V_{pp}/8$ in AC), sempre al valore 1-2-5 immediatamente superiore. Risoluzione dei cursori: orizzontale $\Delta x=T_w/1000$, verticale $\Delta y=FS/2^8$.Oscilloscopio digitale - architettura, scale e risoluzione dei cursori →).
  3. Scala verticale: offset 00: ΔV≥max⁡∣V∣/4\Delta V\ge\max|V|/4; in AC: ΔV>Vpp/8\Delta V>V_{pp}/8; sempre il valore superiore.
  4. Trigger: livello dentro l'escursione (pendenza massima, ricalcolato in AC); più eventi per periodo: livello tra le ampiezze o hold-offtempo in cui lo strumento ignora altri eventi di trigger dopo uno valido; sorgente un canale vero (Trigger e sincronizzazioneIl trigger fa partire l'acquisizione sempre dallo stesso punto di un segnale periodico, per avere una traccia stabile. Si imposta con sorgente, livello, pendenza (fronte di salita o discesa), modo (auto, normal, single), hold-off e posizione ($t=0$ = istante di trigger). Il livello deve cadere dentro l'escursione del segnale, $V_{min}<V_{trig}<V_{max}$ (meglio dove la pendenza è massima); con accoppiamento AC cambia l'escursione. Segnali con più passaggi per il livello in un periodo si risolvono con un livello tra le ampiezze degli impulsi o con un hold-off poco più corto del periodo. Per segnali a bassissima frequenza si disattiva l'auto.Trigger e sincronizzazione →).
  5. Disegno: riferimenti 00 s, 00 V, trigger; pendenza al trigger; punti caratteristici.
  6. Incertezza: scrivere la formula del misurando; uu di ogni ingresso (tipo Bvalutazione dell'incertezza da informazioni a priori, per esempio le specifiche del costruttore: Δ/3\Delta/\sqrt3, U/kU/k); derivate o relative in quadratura; U=kuU=ku; scrivere il risultato con una cifra (Propagazione dell'incertezza e bilancio di incertezzaSe $y=f(x_1,\dots,x_K)$ con ingressi indipendenti, l'incertezza standard combinata è $u_C(y)=\sqrt{\sum_i c_i^2u^2(x_i)}$ con coefficienti di sensibilità $c_i=\partial f/\partial x_i$ (Taylor al primo ordine). Casi tipici: somma/differenza $u=\sqrt{u_1^2+u_2^2}$ (la differenza di due misure con lo stesso cursore dà $\sqrt2,u$); prodotti e quozienti $\frac{u_y}{y}=\sqrt{\sum(\frac{a_iu_i}{x_i})^2}$. Il bilancio di incertezza confronta i contributi $|c_i|u_i$ e indica quale ottimizzare. Con ingressi correlati si aggiunge $2\sum c_ic_j,u(x_i,x_j)$. Il metodo Monte Carlo propaga le distribuzioni senza derivate.Propagazione dell'incertezza e bilancio di incertezza →).
  7. Commento: quale contributo domina e come migliorare (scala più veloce o più sensibile, multimetro, misurare prima la tolleranza).

Metodo: quesito di progetto o dimostrazione

Trappole nelle soluzioni ufficiali

Alcune soluzioni ufficiali hanno errori di calcolo: i valori nelle note e negli esercizi sono quelli ricalcolati. Per esempio: 1/35001/3500 s è 285,7 μ285{,}7\ \mus e non 28,5728{,}57 ms (gennaio 2022); l'incertezza della potenza ha la radice finale: 6,46{,}4 W e non 0,40{,}4 W (settembre 2021); la corrente attiva è 2020 mA, non 100100 mA (u(Ic)=4,2 μu(I_c)=4{,}2\ \muA, luglio 2021); per Vpp=2,8V_{pp}=2{,}8 e 1,51{,}5 V è AC=1,075A_C=1{,}075 V e KM=0,30K_M=0{,}30 (prova di esempio 2026); U(ΔV)=0,362U(\Delta V)=0{,}362 V e non 0,380{,}38 V (gennaio 2023); D=(30,2±0,2)%D=(30{,}2\pm0{,}2)\% e non ±0,01%\pm0{,}01\% (gennaio 2026).

Come studiare

Una giornata sulla teoria (le note del corso fino alla propagazione, oscilloscopio, multimetro) e poi esercizi direttamente dai temi: dopo quattro o cinque tracce si riconoscono gli schemi. Il laboratorio non è richiesto all'esame, ma i suoi esperimenti (risposta in frequenza di un amplificatore, caratteristica del diodo, misura di resistenza con round-robinconfronto in cui lo stesso campione passa tra più strumenti o laboratori) sono la fonte dei numeri e delle domande (Domande di teoria ricorrenti - risposte tipo per Strumentazione elettronicaNei temi ricorrono quindici domande di teoria, quasi tutte "dimostrazione" con un partitore o una media: sonda passiva e compensazione, misura di resistenza a due e quattro fili e di resistenze elevate, accoppiamento AC, valore efficace della sinusoide e dell'onda rettangolare, trigger, tempi di acquisizione, decimazione, pseudo-differenziale e CMRR, AWG, sweep, tipo A e B, burden voltage. Per ciascuna sono riportati la risposta tipo con il passaggio chiave e il rimando alla nota.Domande di teoria ricorrenti - risposte tipo per Strumentazione elettronica →, Formulario - strumentazione elettronicaRaccolta delle formule del corso per argomento: segnali e valore efficace, incertezza (tipo A, tipo B, propagazione, estese), oscilloscopio (scale, risoluzione, tempo di salita, AC), sonda, multimetro (resistenza a due, quattro fili, elevata), conversione A/D, AWG, spettro. Ogni riga rimanda alla nota con la spiegazione.Formulario - strumentazione elettronica →).

Errori comuni

  • Scegliere le scale con "≥\ge" invece di >> in AC o sul valore sotto la sequenza.
  • Dimenticare di passare a incertezza standarddeviazione standard associata alla misura prima di combinare.
  • Disegnare una traccia senza riferimenti 00 s, 00 V e trigger.
  • Scrivere un numero finale senza incertezza o con più cifre dell'incertezza.

Versione ripasso

Struttura. Fino al 2025: quesito grande da 1515-2020 punti su oscilloscopio (scale, trigger, traccia, cursori, incertezza), quesito di teoria o progetto da 1010-1515 punti, talvolta un terzo quesito da 55 punti su LabVIEW o sul generatore. Dal 2026: due domande da 55 punti ciascuna, una sull'analisi di cursoridue linee mobili sullo schermo con cui si leggono tempi e tensioni su tracce, una sul progetto di una misura con budgettabella dei contributi di incertezza e della parte consentita a ciascuno.

Metodo oscilloscopio.

  1. Dati: TT, VmaxV_{max}, VminV_{min}, continua, duty cycle, divisioni (10×810\times8), sequenza delle scale, ppm.
  2. Scala orizzontale: 10 ΔTh≥nT10\,\Delta T_h\ge nT, valore superiore (Oscilloscopio digitale - architettura, scale e risoluzione dei cursoriL'oscilloscopio digitale (DSO) acquisisce e visualizza tensioni in funzione del tempo: ingresso (impedenza, accoppiamento), ADC a 8 bit, memoria di acquisizione, memoria grafica, display di $10$ divisioni orizzontali e $8$ verticali. Finestra visualizzata $T_w=10,\Delta T_h$ (s/div); fondo scala verticale $FS=8,\Delta V$ (V/div). Scelta della scala: $\Delta T_h\ge T_w^{min}/10$ (per $n$ periodi, $T_w\ge nT$), $\Delta V\ge2\max(|V_{min}|,|V_{max}|)/8$ con offset nullo ($\ge V_{pp}/8$ in AC), sempre al valore 1-2-5 immediatamente superiore. Risoluzione dei cursori: orizzontale $\Delta x=T_w/1000$, verticale $\Delta y=FS/2^8$.Oscilloscopio digitale - architettura, scale e risoluzione dei cursori →).
  3. Scala verticale: offset 00: ΔV≥max⁡∣V∣/4\Delta V\ge\max|V|/4; in AC ΔV>Vpp/8\Delta V>V_{pp}/8; sempre il valore superiore.
  4. Trigger dentro l'escursione (ricalcolato in AC); più eventi per periodo: livello tra le ampiezze o hold-offtempo in cui lo strumento ignora altri eventi di trigger dopo uno valido (Trigger e sincronizzazioneIl trigger fa partire l'acquisizione sempre dallo stesso punto di un segnale periodico, per avere una traccia stabile. Si imposta con sorgente, livello, pendenza (fronte di salita o discesa), modo (auto, normal, single), hold-off e posizione ($t=0$ = istante di trigger). Il livello deve cadere dentro l'escursione del segnale, $V_{min}<V_{trig}<V_{max}$ (meglio dove la pendenza è massima); con accoppiamento AC cambia l'escursione. Segnali con più passaggi per il livello in un periodo si risolvono con un livello tra le ampiezze degli impulsi o con un hold-off poco più corto del periodo. Per segnali a bassissima frequenza si disattiva l'auto.Trigger e sincronizzazione →).
  5. Disegno con riferimenti 00 s, 00 V e trigger, pendenza al trigger, punti caratteristici.
  6. Incertezza: formula del misurando, uu di ogni ingresso (tipo B: Δ/3\Delta/\sqrt3 o U/kU/k), derivate o relative in quadratura, U=kuU=ku, risultato con una cifra (Propagazione dell'incertezza e bilancio di incertezzaSe $y=f(x_1,\dots,x_K)$ con ingressi indipendenti, l'incertezza standard combinata è $u_C(y)=\sqrt{\sum_i c_i^2u^2(x_i)}$ con coefficienti di sensibilità $c_i=\partial f/\partial x_i$ (Taylor al primo ordine). Casi tipici: somma/differenza $u=\sqrt{u_1^2+u_2^2}$ (la differenza di due misure con lo stesso cursore dà $\sqrt2,u$); prodotti e quozienti $\frac{u_y}{y}=\sqrt{\sum(\frac{a_iu_i}{x_i})^2}$. Il bilancio di incertezza confronta i contributi $|c_i|u_i$ e indica quale ottimizzare. Con ingressi correlati si aggiunge $2\sum c_ic_j,u(x_i,x_j)$. Il metodo Monte Carlo propaga le distribuzioni senza derivate.Propagazione dell'incertezza e bilancio di incertezza →).
  7. Commento: quale contributo domina e come migliorare.

Metodo progetto o dimostrazione. Sonda: schema, compensazione, Rp=(n−1)RiR_p=(n-1)R_i, Cp=Ci/(n−1)C_p=C_i/(n-1) (Sonde passive per oscilloscopioLa sonda passiva è una rete $R_p\parallel C_p$ in serie all'ingresso $R_i\parallel C_i$ dell'oscilloscopio: riduce il carico (impedenza equivalente $R_{eq}=R_i+R_p$, $C_{eq}=C_iC_p/(C_i+C_p)$) e attenua il segnale. Con $V_i/V_s=Z_i/(Z_i+Z_p)$ la condizione di compensazione $R_iC_i=R_pC_p$ rende il rapporto indipendente dalla frequenza: $V_i=\alpha V_s$, $\alpha=\frac{R_i}{R_i+R_p}$ (sonda $\times10$: $\alpha=\frac1{10}$, $R_p=9R_i$, $C_p=C_i/9$). Si verifica con un'onda quadra: Cp troppo grande dà picchi sui fronti, troppo piccola fronti arrotondati. Si moltiplica la lettura per $1/\alpha$ o si imposta il fattore della sonda.Sonde passive per oscilloscopio →). Resistenza: due fili 2RL2R_L, quattro fili, elevata con Rx,max∥Rp≤VFS/JR_{x,max}\parallel R_p\le V_{FS}/J (Misura di resistenza - due fili, quattro fili e resistenze elevateIl DMM misura una resistenza forzando una corrente nota $I_{REF}$ e misurando la tensione: $\hat R_x=V_{mis}/I_{REF}$ (componente staccato dal circuito). A due fili la tensione include i cavi: $\hat R_x=R_x+R_{L1}+R_{L2}$, errore sistematico $2R_L$ (relativo $2R_L/R_x$): inaccettabile per $R_x$ piccole. A quattro fili (Kelvin) due fili portano la corrente e due, con ingresso ad alta impedenza, misurano la tensione direttamente ai capi di $R_x$: $\hat R_x=R_x$. Per resistenze elevate si pone in parallelo una $R_p$ nota: $R=R_x\parallel R_p$ e $\hat R_x=\frac{R_pR}{R_p-R}$, con $R_p$ scelta in modo che $I_{REF},(R_{x,max}\parallel R_p)\le V_{FS,ADC}$.Misura di resistenza - due fili, quattro fili e resistenze elevate →). Strumento derivato dal voltmetro: elemento aggiuntivo, limite di potenza, budget Uagg=Utot2−UV2U_{agg}=\sqrt{U_{tot}^2-U_V^2} (Misura volt-amperometrica, shunt e strumenti derivati dal voltmetroCon un voltmetro e un amperometro si ricava $R_x=V/I$ in due modi: voltmetro in parallelo a $R_x$ (misura $R_x\parallel R_V$, errore $\frac{R_x^2}{R_x+R_V}$) oppure amperometro in serie a $R_x$ e voltmetro su entrambi (misura $R_x+R_A$, errore $R_A$); il primo conviene per $R_x<\sqrt{R_AR_V}$. Dal voltmetro si ricava un amperometro con un resistore di shunt ($I=V_m/R_s$, $R_s=V_{FS}/I_{FS}$) e un ohmmetro con una corrente di prova nota o con un resistore di riferimento; con le specifiche si fissa il limite sull'incertezza dell'elemento aggiunto: $U_{agg}=\sqrt{U_{tot}^2-U_V^2}$ (relative, al fondo scala).Misura volt-amperometrica, shunt e strumenti derivati dal voltmetro →). Accoppiamento AC: H(s)H(s), fTf_T, effetti (Banda, tempo di salita e accoppiamento AC-DC dell'ingressoLo stadio d'ingresso dell'oscilloscopio è un doppio bipolo con impedenza $Z_i=R_i\parallel C_i$ ($1\ \mathrm{M}\Omega$, decine di pF) e risposta $G(f)$ in banda $B$. Senza distorsione: $|G|$ costante e fase lineare. Tempo di salita dello strumento $T_r=0{,}35/B$; un fronte di durata $T_s$ si vede lungo $T_v=\sqrt{T_s^2+T_r^2}$, con errore $\simeq\frac12(T_r/T_s)^2$. Accoppiamento AC: capacità $C_{ac}$ in serie, filtro passa-alto $H(s)=\frac{sR_iC_{ac}}{1+sR_iC_{ac}}$, $f_T=\frac1{2\pi R_iC_{ac}}$ ($7{,}96$ Hz per $20$ nF); alla frequenza $f$: $|H|=\frac{f/f_T}{\sqrt{1+(f/f_T)^2}}$. Toglie la componente continua ma attenua e deforma le componenti lente.Banda, tempo di salita e accoppiamento AC-DC dell'ingresso →).

Trappole nelle soluzioni ufficiali. I valori nelle note sono ricalcolati: 1/35001/3500 s è 285,7 μ285{,}7\ \mus (gennaio 2022); u(P)=6,4u(P)=6{,}4 W (settembre 2021); corrente attiva 2020 mA e u(Ic)=4,2 μu(I_c)=4{,}2\ \muA (luglio 2021); AC=1,075A_C=1{,}075 V e KM=0,30K_M=0{,}30 (prova di esempio 2026); U(ΔV)=0,362U(\Delta V)=0{,}362 V (gennaio 2023); D=(30,2±0,2)%D=(30{,}2\pm0{,}2)\% (gennaio 2026).

Errori tipici:

  • Scegliere le scale con ≥\ge invece di >> in AC.
  • Combinare incertezze senza passare prima a incertezza standard.
  • Disegnare una traccia senza riferimenti 00 s, 00 V e trigger.