ELETTRONICA E TELECOMUNICAZIONI
Nell’ambito delle discipline a carattere professionale dell’indirizzo di studi per allievi periti in Informatica industriale, il corso di Elettronica e Telecomunicazioni persegue la finalità di sviluppare negli allievi le capacità di:
1) analizzare, dimensionare e gestire piccoli sistemi per l’elaborazione, la trasmissione e l’acquisizione dell’informazione in forma di segnali elettrici, progettandone semplici elementi;
2) risolvere problemi di piccola automazione e di interconnessione nei campi dell’industria e dei servizi;
3) partecipare consapevolmente alla realizzazione e alla gestione di grandi sistemi di elaborazione e automazione, avendo chiare le problematiche hardware connesse all’interfacciamento.
Elettronica e Telecomunicazioni, perciò, si occupa fondamentalmente della struttura dei blocchi funzionali per la generazione, trasformazione e trasmissione dei segnali elettrici, con un approccio metodologico. ormai consolidato, del tipo <dispositivi funzionali - sistemi>. Particolare importanza si dà ai blocchi funzionali da inserire nelle tematiche architetturali della materia "Sistemi di Elaborazione e Trasmissione delle informazioni", il che comporta, di conseguenza, per i docenti delle due discipline, un ‘attività di coordinamento che, partendo dall’elaborazione di un piano di lavoro comune, si sviluppa coerentemente nei tre anni, anche attraverso la condivisione di risorse e di strutture.
In tale contesto, compito precipuo di Elettronica e Laboratorio è l’analisi delle problematiche hardware connesse alla struttura e alle interconnessioni dei blocchi funzionali. Tale analisi presuppone, ovviamente, la conoscenza delle caratteristiche fisico-tecnologiche che non costituiscono, però, blocchi a sé del programma, ma devono essere introdotti, di volta in volta, nei tempi e nella misura in cui il problema specifico lo richieda, con l’ausilio dell’attività di laboratorio e l’utilizzazione dei dati tecnici forniti dalle case costruttrici.
Elettronica e Telecomunicazioni resta, comunque, la disciplina con più agganci con il mondo fisico e, perciò, deve curare anche aspetti non specialistici, ma, tuttavia, fondamentali nella formazione del perito industriale, quali: dimensionale delle grandezze fisiche. Uso corretto delle unità di misura, valutazione critica degli errori di misura,
valutazione economica di massima circa la realizzazione e l’impiego di apparati, attenzione alle problematiche energetiche. Questa formazione. da sviluppare gradualmente negli anni e trasversalmente in tutte le tematiche, si attiva essenzialmente in laboratorio (in cui deve essere costante l’uso di manuali, di fogli tecnici, di strumentazione sia di base sia specialistica), associando sistematicamente le grandezze fisiche ai valori reali e alle tecniche di misura relative, valutate criticamente anche sotto l’aspetto della precisione. I dati ricavati da tale attività devono essere elaborati e sintetizzati con l’uso abituale del calcolatore. al fine di costruire per i dispositivi in esame efficaci "modelli", della precisione adeguata ai problemi da affrontare.
In quest’ottica, Elettronica e Telecomunicazioni fa parte integrante di un unico progetto formativo, collaborando con tutte le altre discipline dell’area di indirizzo che indicano le metodologie per la raccolta e la rappresentazione dei dati e forniscono le strutture formali e logiche per definire i "modelli", nonché le tecniche e gli strumenti elaborativi per verificarne la coerenza nell’ambito dei problemi specifici. E’ essenziale, quindi, affiancare le moderne tecniche di simulazione e di progetto assistito da calcolatore ai metodi classici di approccio strumentale alla soluzione dei problemi.
L’uso intensivo del laboratorio così concepito (gli sono state riservate 9 ore su sedici) va inoltre inteso non solo come integrativo, ma. dove possibile, sostitutivo della lezione frontale.
I contenuti in parentesi servono solo ad esemplificare il tipo di abilità richiesta e vanno adeguati alle realtà dei singoli istituti e alle evoluzioni tecnologiche.
Utilizzare:
a) strumentazione elettronica di base (es.: multimetro, oscilloscopio, analizzatore di spettro, etc.);
b) strumentazione specialistica (es.: logic analyzer, data scope, analizzatori di reti, analizzatori di protocolli, etc.);
c) documentazione tecnica (es.: data sheet, pubblicazioni, monografie, riviste specializzate. etc.);
d) sistemi automatici cablati e programmabili (es.: personal computer e applicativi CAD\CAE, schede di rete e di I/O, sistemi di sviluppo e evalutation board a microprocessore, etc.).
Realizzare o Dimensionare o Produrre:
a) semplici circuiti logici tipici sia in logica cablata sia in logica programmata (es.:
Multiplexer, decodifiche, contatori, automi a stati finiti utilizzanti PLD, interfacce di I/O, etc.);
b) dispositivi capaci di trattare segnali elettrici di ogni tipo ( es.: alimentatori, generatori di forme d’onda, amplificatori, filtri, modulatori, campionatori, convertitori, etc.);
c) apparati non banali (es.: sistemi controllati analogici e/o digitali interconnessione tra in ambito locale e/o geografico, etc.);
d) documentazione tecnica relativa ai progetti implementati in laboratorio.
Analizzare e Sintetizzare:
a) dati ricavati dalle esperienze di laboratorio ( es.: confronto tra segnali di ingresso e uscita dei dispositivi elettronici, confronto di segnali nei domini del tempo e della frequenza, adeguatezza di un dispositivo al relativo modello di simulazione, etc.);
b) problemi collegati con l’attualità della materia (es.: problemi di interconnessione e di colloquio tra sistemi diversi come funzione e come standard, problemi di automazione di misurazioni, problemi di comando e di controllo di macchine, etc.).
Valutare:
a) le caratteristiche di componenti e apparati, allo scopo di scegliere il più idoneo alla soluzione del problema (es.: componenti attivi e passivi, discreti e integrati coinvolti nelle tematiche precedenti, apparecchiature da interconnettere per la realizzazione di sistemi di controllo, schede di I/O per PC, schede di grafica e di controllo delle periferiche di un PC, etc.);
b) tra le varie soluzioni di un problema, quella migliore da un punto di vista tecnico e/o costo prestazioni.
Le tematiche da sviluppare nei singoli anni di corso, sono elencate nelle sezioni sui contenuti con un’ indicazione tassonomica crescente delle abilità richieste. Sarà cura dei consigli di classe coordinare tali indicazioni con le realtà dei singoli istituti e individuare le forme di verifica più opportune e le relative griglie di valutazione.
Utilizzare la strumentazione elettronica di base.
Utilizzare su calcolatore programmi per l’analisi DC, AC ed in transitorio di circuiti elettrici.
Utilizzare e produrre documentazione tecnica.
Utilizzare programmi per la sintesi e la realizzazione di circuiti logici.
Utilizzare programmi per la scrittura, la ricerca degli errori e la realizzazione di applicazioni logiche in linguaggio macchina o mnemonico (debugger).
Realizzare semplici circuiti rivolti a sperimentare le leggi delle reti.
Realizzare dispositivi che implementano una funzione predefinita mediante il dimensionamento dei circuiti resistivi.
Realizzare BUS di sistema standard, utilizzando i componenti della famiglia del microprocessore comprensivo di circuiti di inizializzazione e di temporizzazione.
Realizzare programmi per l’attivazione e lo studio dei segnali del BUS.
Progettare semplici dispositivi per il controllo e l’elaborazione dei segnali logici e per la realizzazione di automi strutturati, privilegiando le tecniche attuali.
Progettare semplici circuiti logici di controllo dotati di funzioni rivolte alla autodiagnosi ed alla verifica del funzionamento.
Valutare le caratteristiche dei componenti allo scopo di scegliere il più idoneo alla soluzione del problema.
Giudicare tra le varie soluzioni di un problema quella migliore dal punto di vista tecnico e/o costo-prestazioni.
Legge di Ohm. leggi di Kirchoff e metodo del potenziale ai nodi.
Reti di generatori ( indipendenti e dipendenti ), resistori bipolari lineari e non lineari.
Reti con resistori a più terminali e con componenti attivi.
Modelli incrementali di una capacità.
Costanti di tempo ed esame di semplici transitori.
Analisi intuitiva degli effetti introdotti dalle capacità parassite.
Circuiti applicativi: circuiti di inizializzazione, partitori compensati.
Grandezze continue e discrete e codificazione.
Algebra di Boole, porte logiche e circuiti combinatori con relative implementazioni.
Elementi di memoria.
Parametri elettrici dei circuiti digitali e progettazione dei circuiti logici.
Analisi semplificata della struttura dei dispositivi logici elementari (tecnologie diverse).
Rappresentazione di un automa mediante grafi e realizzazione mediante dispositivi logici programmabili, dispositivi logici a sola lettura e memorie.
I segnali del BUS e diagrammi di temporizzazione.
Circuiti di inizializzazione.
Circuiti di temporizzazione.
Analisi, sintesi e metodi progettuali per piccole reti resistive in senso lato, con tecniche strumentali e con programmi applicativi CAE.
Analisi di semplici reti RC con strumentazione elettronica di base.
Uso di programmi applicativi CAE per la simulazione di circuiti dinamici sottoposti a segnali a gradino e onda quadra.
Rilievo di parametri standard DC delle porte logiche commerciali.
Realizzazione di reti logiche mediante tecniche CAE su dispositivi programmabili.
Progetti di piccoli sistemi finalizzati alla elaborazione dell’informazione (codificatori, decodificatori, segnalatori e correttori di errori, compressori e espansori)
Utilizzazione del CAD-CAE-CAM per progettare, simulare e realizzare piccoli dispositivi.
Validazione dei parametri progettuali mediante verifica sperimentale dei dispositivi realizzati.
Scrittura di fogli di documentazione tecnica riportante le caratteristiche logiche ed elettriche dei suddetti dispositivi.
Visualizzazione mediante oscilloscopio dei segnali del BUS attivati da programmi in linguaggio macchina o mnemonico.
Esame di un BUS di sistema commerciale, anche con l’uso di strumentazione specialistica (analizzatore di stati logici .)
Gli elementi circuitali e le leggi fondamentali dell’elettricità, come sono indicate tra i contenuti, non devono essere una introduzione autonoma e sistematica alla teoria delle reti elettriche attive e passive, ma semplicemente un’insieme minimo di conoscenze utili per affrontare lo studio dell’hardware degli elaboratori di processo.
Le reti analogiche senza componenti reattivi possono essere studiate con formalismi matematici limitati, pur permettendo di affrontare, da subito, tematiche molto vaste (attenuazione, amplificazione ideale con amplificatori operazionali a banda illimitata, trasformazione ...).
La trattazione parallela di reti con componenti lineari e non lineari è facilitata dall’uso di tecniche di calcolo numerico e dall’utilizzazione di programmi applicativi.
Lo studio dei fenomeni capacitivi deve essere orientato alla estensione dei modelli di reti resistive, già introdotti, e deve utilizzare semplici algoritmi di calcolo affiancati da applicativi di matematica e di CAE.
Affiancare nello studio delle reti, analogiche e logiche, ai modelli circuitali le rappresentazioni mediante grafi.
Nello studio delle reti combinatorie e sequenziali è preferibile enfatizzare le tecniche rivolte alla implementazione su dispositivi programmabili, applicando la metodologia degli automi finiti e le tecniche di progettazione assistita da calcolatore.
I microprocessori e relative famiglie dovrebbero essere introdotti preferibilmente come componenti elettronici; l’analisi dei segnali del BUS deve permettere all’allievo di ricavare le istruzioni del programma in esecuzione, evidenziando il confine tra hardware e software.
In laboratorio le grandezze fisiche (di intensità di corrente. di tensione e di potenza), le unità di misura e le tolleranze devono essere supportate da una corretta metodologia sperimentale e i risultati delle misurazioni devono essere valutati criticamente.
L’attività di laboratorio deve rivolgersi anche alle misure dei tempi (salita, discesa, ritardo, periodo e duty cycle ...), valutando opportunamente i fronti dei generatori impiegati (onda quadra e TTL) e sottolineando la presenza dei fenomeni capacitivi parassiti presenti nella stessa strumentazione.
Utilizzare strumentazione specialistica dedicata allo studio dei sistemi a microprocessore (analizzatori di stati logici ecc...) e documentazione tecnica fornita dalle case costruttrici.
Utilizzare dispositivi per la conversione analogica-digitale e digitale-analogica.
Realizzare semplici architetture di sistemi dedicati al controllo dei processi.
Realizzare circuiti per l’adattamento dei segnali e per la conversione analogica-digitale e digitale-analogica.
Progettare semplici sistemi automatici a microprocessori.
Progettare semplici dispositivi per la decodifica dei segnali del BUS e per l’interfacciamento di periferiche con il BUS.
Analizzare il funzionamento elettrico di piccoli sistemi commerciali (personal computer, ecc...).
Decodifica dei segnali del BUS.
Interfacciamento parallelo (Iatch e buffer tristate).
Protocolli di colloquio tra dispositivi collegati tramite il BUS.
Colloquio per consenso.
Colloquio tramite interruzione.
Accesso diretto alla memoria.
Scrittura di programmi di basso livello per interagire con l’hardware.
Interfacce parallele programmabìli.
Interfacce seriali.
Contatori e temporizzatori.
Dispositivi per la gestione delle interruzioni e altri componenti programmabili della famiglia del microprocessore.
Amplificatori: configurazioni fondamentali con amplificatori operazionali ideali.
Sommatore invertente.
Traslatori di livello e condizionamento di segnali (convertitori corrente tensione ...).
Conversione AD e DA.
Circuiti commerciali, BUS compatibili, per la conversione dei segnali.
Trasduzione di grandezze lentamente variabili nel tempo.
Adattamento del segnale alle specifiche di ingresso del convertitore AD.
Interfaccìamento di convertitori AD/DA al BUS del calcolatore.
Tecniche di acouisizione mediante interruzione.
Montaggio su piastre sperimentali di interfacce. Verifiche sperimentali rivolte alle tematiche di ricerca guasti, manutenzione e installazione, anche con l’impiego di strumentazione specialistica.
Progettazione di piccoli programmi per il test della apparecchiature realizzate.
Sistematizzazione dell’attività di consultazione di manuali tecnici (Manuale tecnico del calcolatore....) Produzione di documentazione tecnica dell’hardware implementato e del software di test.
Valutazione critica sperimentale dei circuiti realizzanti le configurazioni fondamentali con gli amplificatori operazionali (es.: variazione della resistenza di carico, della resistenza del generatore ...).
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Analisi e verifica delle tematiche della conversione mediante il test dei componenti commerciali con segnali analogici lentamente variabili.
Confronto sperimentale fra le varie tecniche di acquisizione.
Utilizzazione di schede per l’acquisizione dati, valutazione dei parametri e delle caratteristiche delle medesime rivolte alle applicazioni alle quali sono destinate.
L’uso sistematico del laboratorio e della strumentazione specialistica deve trasmettere agli studenti le tecniche di progettazione e di validazione dei parametri progettuali (sincronizzazioni. tempi di ritardo ....).
L’utilizzazione della letteratura tecnica è rivolta a sviluppare nell’allievo la capacità di produrre documentazione di livello professionale.
E’ indispensabile un coordinamento interdisciplinare con la materia "Sistemi di elaborazione e trasmissione delle informazioni" per una corretta collocazione delle competenze hardware in ambito sistemistico (hardware quale supporto di software avanzato).
L’acquisizione dati deve essere considerata nel quarto anno come una applicazione dell’interfacciamento degli elaboratori al mondo analogico lentamente variabile nel tempo.
La definitiva sistematizzazione delle tematiche dell’acquisizione dati sarà effettuata nel quinto anno (es.: analisi in frequenza e filtraggio).
Utilizzare applicativi per la progettazione e la simulazione su calcolatore di dispositivi lineari (risposta in AC).
Utilizzare strumentazione per la visualizzazione dei segnali nei domini del tempo e della frequenza.
Utilizzare normative vigenti.
Realizzare o dimensionare dispositivi per il condizionamento dei segnali.
Realizzare semplici circuiti per la conversione dei segnali utilizzando componenti implementanti il maggior numero possibile di funzioni.
Realizzare semplici circuiti per la co/decodifica di sorgente e di canale, utilizzando integrati commerciali.
Analizzare segnali affetti da modificazioni introdotte dal canale.
Analizzare circuiti rivolti a ridurre i fenomeni di interazione canale-segnale.
Analizzare schemi funzionali e circuitali dì dispositivi rivolti alla trasmissione e alla commutazione dell’informazione.
Acquisire la conoscenze hardware necessarie all’area elettiva e di progetto le competenze hardware richieste (es.: di uso di strumentazione, di realizzazione. di testing, ecc ...).
Modelli lineari a parametri concentrati:
- Rappresentazioni nel dominio del tempo e nel dominio ‘s" di Laplace;
- La funzione di trasferimento;
- La risposta in frequenza e i diagrammi dì Bode;
- Amplificazione. filtraggio. equalizzazione.
Modelli a parametri distribuiti:
- Linee di trasmissione (quadripoli):
- Adattamento passivo e attivo.
Modulazioni continue e digitali (modulazione di ampiezza. frequenza e fase).
Multiplazione nel tempo e nella frequenza.
Conversione tensione-frequenza.
Rappresentazioni nel dominio del tempo, della frequenza e della probabilità (Trasformata di Fourier).
Elementi di analisi e di progettazione di dispositivi per la manipolazione dei segnali.
Il rumore.
Distorsione di ampiezza, di fase e armonica.
Diafonia e intermodulazione.
Tecniche circuitali per ridurre l’interazione canale-segnale.
Mezzi trasmissivi (es.: cavi coassiali, fibre ottiche e spazio).
Tecniche di trasmissione ad impulsi codificati e di trasmissione dati.
Modulatori e demodulatori in banda base, in banda fonica ecc.
La multiplazione nel tempo e in frequenza.
La commutazione (matrice di commutazione temporale).
Architettura di una centrale numerica.
Utilizzazione di strumentazione di base e specialistica (analizzatori di reti) affiancata da applicativi di analisi e simulazione tramite calcolatore.
Valutazione dei parametri dei circuiti concentrati (dinamica di ingresso di quadripoli attivi, guadagno, impedenze ...) e delle linee (parametri secondari ...).
Confronto della risposta dei quadripoli ad eccitazione sinusoidale e impulsiva.
Utilizzazione di strumentazione di base e specialistica (es.: Analizzatori di spettro dinamici, FFT, ...) per l’analisi nel dominio della frequenza dei segnali condizionati dai dispositivi introdotti (es.: convertitori. modulatori ...).
Valutazione e misurazioni su canali reali. Misurazione dei parametri (es.: ritardo di gruppo, distorsione armonica e totale ...).
Utilizzazione di componenti per la modulazione dei segnali in forma analogica e in forma numerica.
Misurazione di parametri circuitali usando strumentazione anche specialistica (es.:
generatori e rivelatori di segnali PCM, data tester, datascope ...).
La trattazione generalizzata dei quadripoli permette di ottimizzare il metodo espositivo unificando una molteplicità di tematiche differenti, grazie anche all’introduzione di operatori (derivata, integrale, trasformate di Laplace e Fourier ...). La loro utilizzazione non deve portare ad uno sviluppo matematico troppo analitico dei modelli elettronici di impedenza, funzione di trasferimento, risposta in frequenza, ecc..... il cui studio deve essere condotto prevalentemente mediante software di matematica e esperienze di laboratorio.
Gli argomenti di telecomunicazioni devono privilegiare l’analisi impulsiva rispetto a quella sinusoidale e trattare in modo unitario i problemi di trasmissione sui BUS e sulle linee.
Lo studio degli apparati per le telecomunicazioni (architetture di centrali, problemi di interfacciamento e di modulazione ...) devono essere visti come supporti hardware della telematica.
Si richiede pertanto una stretta interdisciplinarietà con le altre materie e soprattutto con "Sistemi di elaborazione e trasmissione dell’informazione". Tale interdisciplinarietà può portare allo sviluppo di un progetto comune, nel quale si potranno consolidare ed evidenziare le capacità di uso sistematico di programmi CAD-CAE-CAM e di strumentazione elettronica specialistica.