Sistemi e tecnologie elettroniche/Sistemi e segnali elettronici

Definizioni

Un sistema elettronico è costituito da un'interconnessione di moduli più semplici. Si dice che i moduli sono interconnessi se scambiano informazioni tra di loro.

Un sistema elettronico è univocamente definito in termini di tensioni e correnti, e l'informazione è contenuta nelle loro variazioni nel tempo.

Il progettista spesso collega dei moduli già costruiti da altri: egli non ne conosce la struttura interna, ma solo il comportamento esterno, e in particolare:

• funzione: che cosa fa?
• alimentazione: qual è il tipo di alimentazione? quanta alimentazione assorbe?
• segnali: come si interconnette il modulo con il mondo esterno?

Verrà preso come modello un telefono cellulare.

Funzione

Il cellulare scambia informazioni con l'utente da una parte e il campo elettromagnetico esterno dall'altra. L'antenna è un trasduttore che trasforma l'informazione da un segnale elettrico in un campo elettromagnetico, e viceversa. Altri trasduttori (tastiera, microfono, auricolare, display) permettono lo scambio di informazioni tra l'utente e il telefono.

La catena di ricezione riceve i segnali analogici dall'antenna, mentre la catena di trasmissione li invia ad essa. La parte più interna del telefono lavora invece su segnali digitali. Gli oscillatori sono dispositivi elettronici che ricevendo non segnali in ingresso ma un'alimentazione e forniscono in uscita un segnale tempo-variante.

Il deviatore è un interruttore che regola la direzione del flusso di informazioni tra le catene e l'antenna.

I transistori sono dei dispositivi a semiconduttore che, opportunamente combinati con elementi elettrici più semplici, realizzano funzioni più complesse. L'opportuna combinazione delle tensioni applicate ai terminali di controllo fa commutare il deviatore.

Alimentazione

Per le leggi della termodinamica, ogni elaborazione di informazioni richiede un flusso di energia/potenza in ingresso → l'alimentatore trasferisce una corrente applicando una tensione continua/costante (DC).

Il sistema di alimentazione di un cellulare si compone di circuiti complessi atti a:

• compensare le variazioni di tensione della batteria, in particolare quando si sta per scaricare, producendo una tensione il più costante possibile;
• minimizzare il tempo di ricarica delle batterie e massimizzarne la durata;
• minimizzare la produzione di calore.

Segnali

I flussi di informazioni sono contenuti in vari tipi di segnali:

• segnali analogici a radiofrequenza: sono ad alta frequenza;
• segnali analogici audio: sono a bassa frequenza;
• segnali digitali: sono codificati in bit.

Segnali analogici

I segnali analogici sono di tipo sinusoidale:

$v\left(t\right)=V\sin {\left(\omega t+\phi \right)}=V_{C}\cos {\left(\omega t\right)}+V_{S}\sin {\left(\omega t\right)}$

Caso particolare: $\phi =0\Rightarrow V_{C}=0\wedge V_{S}=V$

Dato un segnale analogico descritto dalla trasformata di Fourier:

$v\left(t\right)=\sideset {}{_{n}}\sum {V_{n}\sin {\left(\omega _{n}t+\phi _{n}\right)}}$

il contenuto spettrale è il grafico delle ampiezze $V_{n}$ in funzione della frequenza $f={1 \over T}={\omega \over 2\pi }$. $V_{0}$ si dice componente continua (DC), perché il suo contributo è costante ($\omega =0$).

Esempi di contenuti spettrali

• singolo tono audio a singola frequenza non periodico (sinusoide) ↔ linea verticale in corrispondenza della singola frequenza;
• segnale periodico in più frequenze (onda triangolare) ↔ tante linee verticali quante sono le frequenze;
• sovrapposizione di sinusoidi (voce) ↔ l'energia è distribuita su intervalli di frequenza continui (= banda), ovvero costituiti dall'accostamento di linee verticali infinitesime.

La rapidità (pendenza) di variazione del segnale è proporzionale alla sua frequenza.

I segnali analogici sono continui sia nel tempo sia in ampiezza.

Il modulatore è un dispositivo che trasferisce le informazioni da segnale audio a segnale a radiofrequenza, e il demodulatore viceversa.

Segnali digitali

I segnali digitali sono discreti sia nel tempo sia in ampiezza → essi sono delle rappresentazioni approssimate dei segnali analogici che introducono degli errori:

• frequenza di campionamento $f_{s}$ (nel tempo): sono rappresentabili segnali analogici con banda $f_{a}\leq {1 \over 2}f_{s}$ (criterio di Nyquist);
• quantizzazione: nel rappresentare le ampiezze, i valori digitali sono in numero finito → tra gli istanti di tempo discretizzati il valore di tensione non è ben definito.

A ciascun istante di tempo discretizzato è associato un valore di bit: 1 = H (stato logico alto) e 0 = L (stato basso).

Ridurre i margini di rumore, ovvero avvicinare gli intervalli di valori corrispondenti agli stati, aiuta a ridurre i consumi di energia → ridurre la tensione di alimentazione, infatti, è utile per compensare gli aumenti di campo elettrico determinati dalla miniaturizzazione dei componenti. Bisogna tuttavia assicurarsi di non ridurre troppo i margini di rumore, per non confondere il bit 1 con il bit 0.

Rumore e disturbi

Più l'ampiezza del segnale utile è bassa, più il rumore disturba in modo significativo il segnale.

Ogni passaggio di elaborazione/amplificazione aggiunge rumore al segnale. Inoltre, gli amplificatori amplificano oltre al segnale utile il rumore prodotto da tutti quelli precedenti → è importante porre dei dispositivi a basso rumore, soprattutto all'inizio della catena.

Se il segnale è digitale e gli effetti del rumore sono sufficientemente contenuti, il segnale originario può essere recuperato alla fine della catena da un dispositivo di ripristino chiamato comparatore di soglia, che discerne i valori digitali per confronto con il valore soglia.

Interfacce verso il mondo esterno

La trasmissione del segnale (d)al mondo esterno è tipicamente in analogico, mentre l'elaborazione è più efficiente in digitale → occorrono dei convertitori analogico/digitale (A/D) e digitale/analogico (D/A). Il demodulatore abbassa la banda del segnale analogico affinché la conversione in digitale risulti più efficiente.

Si dice front-end l'interfaccia in ingresso verso il mondo esterno, e il back-end viceversa.

Vantaggi/limiti dei segnali digitali

Vantaggi

• comparatore di soglia → non cumula rumore;
• si possono realizzare più facilmente componenti che eseguono funzioni complesse;
• esistono programmi CAD per progettare moduli digitali in maniera quasi automatica → costi più bassi;
• comportamento modificabile a livello software, grazie alla programmazione.

Limiti

• errore di quantizzazione e discretizzazione nel tempo;
• non tutti i segnali possono essere digitali.