ESERCITAZIONI DI LABORATORIO PER IL CORSO DIBIOSENSORI

A.A. 2017/2018

Esercitazione 1 – Introduzione alla strumentazione di laboratorio

Giorgio CarliniUniversità di Genova

Andrea Spanu, PhDFondazione Bruno Kessler

Università di Cagliari

Introduzione

1.1. Generalità sulle misure elettriche

1.2. Tipologie di strumenti elettronici

1.3. Collegamenti e interconnessioni elettriche

1.4. Strumentazione del laboratorio multifunzionale LIDIA

Dalla fisica conosciamo diverse grandezze legate all’elettromagnetismo, ma nell’ambito delle esercitazioni prenderemo in considerazione soltanto strumenti per le misure all’interno dei circuiti elettrici discreti (escludendo quindi, ad esempio, campi elettromagnetici e optoelettronica).Nei circuiti elettrici valgono alcune semplificazioni della fisica:• Le grandezze si considerano concentrate nei componenti• Si possono usare le leggi di KirchhoffLe grandezze fondamentali sono quindi :• differenza di potenziale elettrico, ordine del Volt (<1kV)• corrente elettrica, ordine del milliAmpere (<10A)• tempo (>100 psec)Con le quali si possono determinare:potenza (V·I), energia (V·I·t), carica elettrica (I·t),resistenza (V / I), capacità elettrica (I·t / V), induttanza (V·t / I),ecc...

Generalità sulle misure elettroniche

Il segnale elettrico è una variazione di corrente elettrica o di tensione all'interno di un conduttore o in un punto di un circuito elettrico o elettronico.

Il segnale analogico varia con continuità nel tempo e può assumere qualsiasi valore nell’intervallo tra il suo massimo e il suo minimo.

I segnali elettrici sono in genere di bassa potenza elettrica.

Il valore efficace o RMS (root mean square) di un segnale è il valore che avrebbe un segnale costante della stessa potenza media.

Segnali elettrici analogici

SEGNALE PERIODICO SINUSOIDALE 𝑢 = 𝑈 $ 𝑠𝑒𝑛 𝜔𝑡- Valore medio 0 Ampiezza U Ampiezza picco-picco 2U Valore efficace 𝑈/ 2

Periodo T = 2 π / ω - Frequenza f = 1 / T

Un segnale è periodico se si ripete identico nel tempo.E’ caratterizzato da:- forma (sinusoidale, rettangolare, triangolare, ecc…)- periodo T (o frequenza f = 1/T)- ampiezza picco-picco Vpp = Vmax – Vmin- offset Voff = (Vmax + Vmin) / 2- valore medio che non sempre coincide con Voff

Segnali elettrici analogici

MISURATORI : misurano il valore di una grandezza senza alterare le caratteristiche del circuito in esame.• Voltmetri, amperometri, wattmetri, oscilloscopi, analizzatori di spettro,…GENERATORI : impongono il valore di una grandezza in una parte del circuito.• Alimentatori, generatori di segnale,…Molti strumenti svolgono entrambe le funzioni, cioè impongono una grandezza e ne misurano un’altra: impedenzimetri, analizzatori di rete, source meters, …

In base alla tecnologia con cui sono realizzati, gli strumenti si dividono in:ANALOGICI : che misurano/generano la grandezza in modo continuoDIGITALI : che misurano/generano la grandezza in modo numerico e discretoMisuratori analogici «puri» (ad es. amperometri a bobina mobile) sono usati raramente, generatori analogici sono più frequenti (ad es. alimentatori lineari).Gli strumenti digitali sono in genere più pratici da usare ed hanno molte più funzioni, ma non è detto che siano migliori: la discretizzazione e l'elaborazione numerica, infatti, introducono errori e “difetti”

Tipologie di strumenti elettronici

Gli strumenti possono essere collegati:q IN SERIE al circuito: In questo caso TUTTA LA CORRENTE passa nello

strumento e, per non alterare il circuito, la caduta di tensione deve essere nulla (R=0)

q IN PARALLELO al circuito: In questo caso, invece, per non alterare il circuito, la corrente nello strumento deve essere nulla (R→∞)

Non è fisicamente possibile realizzare strumenti ideali: per effettuare una misura occorre che il segnale da misurare faccia un lavoro, anche se piccolissimo; quindi V·I·t > 0, sempre

mA

V

Collegamenti e interconnessioni elettriche [1/2]

Per collegare gli strumenti al circuito si usano cavi elettrici.Sia per la connessione in serie che per quella in parallelo servono sempre 2 conduttoriper chiudere la maglia e consentire la circolazione della corrente.In laboratorio si utilizzano:

q Cavi a conduttore singoloutilizzati in coppia.Si parla in questo caso disegnali «bilanciati».Il connettore usato più frequentemente in laboratorioè la spina da 4mm, detta in gergo «banana»

q Cavi coassialiin questo caso un cavo ha due conduttori:un filo interno (core) e una guaina cilindrica esterna, separati da un isolante.Si parla in questo caso di segnali «sbilanciati»,perché il conduttore esterno è il riferimento («massa») comune.Il connettore più usato in laboratorioè il tipo BNC

Collegamenti e interconnessioni elettriche [2/2]

Strumentazione del lab multifunzionale LIDIA

o Multimetro

o Alimentatore

o Generatore di funzioni

o Oscilloscopio

MULTIMETRO [1/2]

o Il multimetro misura un potenziale (voltmetro) od una correnteelettrica (amperometro).

o Nel caso di un segnale (potenziale o corrente) costante, come quello di una pila, si parla di «corrente continua» (C.C. o DC).

o Nel caso di un segnale variabile nel tempo, come quello della distribuzione di energia elettrica, si parla di «corrente alternata» (C.A. o AC). Il multimetro ne misura il valore efficace, cioèil valore che avrebbe un segnale costante di pari potenza media.Tipicamente il multimetro può misurare il valore efficace di una tensione o di una corrente con frequenza < 10KHz.

o I multimetri hanno normalmente un generatore interno che, imponendo una tensione e misurando la corrente corrispondente, calcola la resistenza.

o

Per utilizzarlo come ohmetro è necessario quindi che il circuito in misura non sia alimentato!

MULTIMETRO [2/2]

IV

Gli ingressi del multimetro per la misura di corrente (R→0) sono differenti da quelli per la misura di tensione (R→∞).I comandi sul pannello consentono di scegliere il tipo di misurazione, il valore di fondo scala (intervallo o range di misura) ed eventuali altre funzioni.

collegamento

q IN SERIE per misurare una corrente

q IN PARALLELO per misurare una tensione

ALIMENTATORE[1/2]

o L’alimentatore genera potenza continua per i circuiti elettronici.

o Gli alimentatori per laboratorio sono stabilizzati, ossia

garantiscono la stabilità nel tempo della tensione erogata

indipendentemente dal carico, cioè della resistenza del circuito a

cui è imposta.

o E’ sempre possibile imporre la tensione, ma molti alimentatori

consentono di scegliere se controllare la tensione o la corrente. In

questo secondo caso sarà la corrente a essere stabilizzata e

costante al variare del carico.

ALIMENTATORE[2/2]

+V 0 -V

+V

0

-V

Gli alimentatori possono essere collegati in serie, consentendo così di generare tensioni cosiddette “duali” (cioè una tensione positiva ed una negativa riferite ad un potenziale comune).

GENERATOREDIFUNZIONI

V(t)

0

GENERATORE DI TENSIONE

(la corrente erogata non viene controllata)

L’USCITA E’ SBILANCIATA

(tensioni riferite ad una massa comune)

CONTROLLI PRINCIPALI :

PERIODO/FREQUENZA AMPIEZZA OFFSET/DUTY CYCLE

DIVERSI TIPI DI SEGNALE PERIODICO

Il generatore di funzioni genera segnali elettrici variabili nel tempo.

MISURA TENSIONI E LE VISUALIZZA GRAFICAMENTE

SU UNO SCHERMO

Caratteristiche principali:

• numero di canali (tipico 2)

• frequenza massima del segnale in ingresso (50 MHz)

• profondità di memoria(negli oscilloscopi digitali)

OSCILLOSCOPIO[1/4]

OSCILLOSCOPIO[2/4]

Sulle ordinate la tensione è rappresentata con una scala che dipende dal guadagno (regolabile) dell’amplificatore di ingresso ed è indicata in V (o mV) per divisione.

In ascissa normalmente è rappresentato il tempo che dipende dalla frequenza di un oscillatore interno regolabile ed è tipicamente misurato in ms o μs per divisione.

Come divisione si intende l’intervallo tra righe/colonne dalla scala tracciata sullo schermo.

Gli oscilloscopi digitali hanno la possibilità di calcolare in modo automatico alcuni valori (ad esempio la tensione picco-picco) e normalmente si possono accendere dei cursoriper effettuare le misure delle distanze sullo schermo con maggiore facilità e precisione.

Rappresentazione delle tensioni e dei tempi su un grafico cartesiano,

GLI INGRESSI SONO SBILANCIATI E RIFERITI AL MEDESIMO NODO COMUNE (MASSA)

LA REGOLAZIONE DEI GUADAGNI E’ INDIPENDENTE PER CIASCUN CANALE

LA POSIZIONE VERTICALE DELLA TRACCIA PUO’ ESSERE REGOLATA

LA REGOLAZIONE DEL TEMPO E’ UNICA PER TUTTI I CANALI

IL TRIGGER SERVE PER RENDERE STABILE L’IMMAGINE DEI SEGNALI PERIODICI O PER INTERCETTARE SEGNALI SPORADICI

OSCILLOSCOPIO[3/4]

L’impedenza di ingresso può essere aumentata con l’uso di opportune sonde.

Le sonde passive tipicamente elevano l’impedenza a 10 MΩma attenuano i segnali di 10 volte.

L’impedenza di ingresso tipica di un oscilloscopio è 1 MΩ

BASSA PER UNO STRUMENTO ELETTRONICO

Si può sottrarre la componente continua del segnale (valore medio) con l’ingresso in modo AC.

COMPENSAZIONE della capacità in ingresso

OSCILLOSCOPIO[4/4]

OSCILLOSCOPIO(TRIGGER)

LO SCHERMO DELL'OSCILLOSCOPIO VISUALIZZA UNA PICCOLISSIMA PORZIONE DEL SEGNALE (normalmente qualche μs ogni 10ms)

IL TRIGGER (GRILLETTO) SERVE PER RENDERE STABILE L’IMMAGINE

O “CONGELIAMO” UNA SINGOLA PORZIONEO LE SUCCESSIVE SI SOVRAPPONGONO CASUALMENTE

QUESTO ACCADE ANCHE NEL CASO DI UN SEGNALE PERIODICO

SINCRONIZZANDO I TEMPI DELLA MISURA

SERIE DI CONTATTI IN COLONNA PER INTERCONNETTERE COMPONENTI TRA LORO

SPAZIO PER CIRCUITI INTEGRATI

SERIE DI CONTATTI IN RIGA USATI NORMALMENTE PER

ALIMENTAZIONE E MASSA

BREADBOARD

Le «breadboard» consentono di realizzare rapidamente piccoli circuiti elettronici.Si tratta di una matrice di contatti a molla che possono alloggiare fili rigidi, i reofori di molti componenti passivi, diodi, transistor e i piedini dei circuiti integrati.I contatti a molla sono interconnessi tra loro secondo lo schema di figura:

ESERCITAZIONE N.1

Utilizzo base di alimentatore, multimetro, generatore di funzioni, oscilloscopio e breadboard

1.1 Misura di resistenza1.2 Generazione e verifica tramite oscilloscopio di segnali periodici1.3 Misura del valore efficace di una tensione variabile1.4 Misura del valore efficace di una tensione variabile

Esercitazione 1.1

12kΩ

a. Prendere il resistore da 12k nominali

b. con il multimetro nella funzione ohmetro verificare il valore effettivo

Osservazione

il resistore ha un valore effettivo che non è quello nominale

il produttore garantisce una certa tolleranza sul valore reale ( in questo caso è il ± 5%)Valore misurato: __________Ω

Valore nominale: __________Ω

Misura di resistenze

a. collegare con un cavo coassiale il generatore di funzioni all’oscilloscopio(canale 1 – accoppiamento DC)

b. regolare gli strumenti in modo da generare (agendo su frequenza, ampiezza, offset e duty) e visualizzare le seguenti forme d’onda:

c. passare all’accoppiamento AC e giustificare il cambiamento nella visualizzazione

Esercitazione 1.2Generazione e verifica tramite oscilloscopio di segnali periodici

a. generare un’onda rettangolare di ampiezza 3V, frequenza 1 kHz, offset nullo e duty cycle 50%.

b. Controllare con l’oscilloscopioc. Connettere il generatore al multimetro e segnare il valore VRMS misuratod. ripetere con un’onda sinusoidale e un’onda triangolare senza cambiare i

parametrie. Commentare sul quaderno le differenze trovate

segnale ampiezza VRMS rapporto

sinusoidale ________ ________ ________

rettangolare ________ ________ ________

triangolare ________ ________ ________

Esercitazione 1.3Misura del valore efficace di una tensione variabile

Reminder!

Valore efficace:

a. Utilizzando la «breadboard» realizzare il circuito di figura, con R = 12KΩ e C non nota.b. Collegare tramite sonda 10:1 un canale dell’oscilloscopio al nodo 1 del circuito.c. Generare una tensione rettangolare di ampiezza 3 V, offset 1.5 V e frequenza adeguata

a visualizzare carica e scarica completa del condensatore.d. Disegnare il circuito e segnare i parametri della misura sul quaderno di laboratorio

Esercitazione 1.4Misura della costante di tempo di un circuito RC

R

C

1

Misurare il tempo di salita(o discesa) Δt della tensione dal 20% all’80% del valore massimo.Stimare quindi la costante di tempo RC=τm secondo la relazione:

Δt = 1.4 τm

Stimare il valore di capacità (R = 12 kOhm)

Esercitazione 2.4Misura della costante di tempo di un circuito RC

80% Vmax

20% Vmax

Δt

Vmax

0

Δt = _________ s

C = __________Fτm = ________ s

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