Ingegneria elettronica e delle comunicazioni

Il materiale raccolto in questo libro è relativo alle lezioni del corso di Fondamenti di Elettronica tenute agli studenti del corso di laurea in Ingegneria Elettronica presso l'Università di Padova. Frutto di una esperienza più che ventennale in vari insegnamenti di elettronica analogica, gli argomenti trattati nel testo sono proposti con l'obiettivo di aiutare la comprensione della materia tramite un percorso che vuole guidare lo studente a ottenere quei risultati che, molto spesso, sono riportati sinteticamente nella maggior parte dei libri di testo. Il testo si propone quindi come strumento di accompagnamento per un primo passo nel mondo dell'elettronica portando lo studente a prendere confidenza con i dispositivi e il loro funzionamento e con le principali tecniche di analisi circuitale, lasciando, volutamente, le necessarie analisi di "approfondimento" (risposta in frequenza, retroazione e stabilità) a un volume successivo.

I linguaggi per la descrizione dell'hardware sono essenziali per la progettazione digitale. Il libro presenta il linguaggio Verilog, uno standard mondiale a larghissima diffusione e il più richiesto per il ruolo di progettista di circuiti digitali. Il Verilog è spiegato mediante esempi di utilizzo pratico limitando i costrutti a quanto è utile per una progettazione agile, affidabile e riutilizzabile. Buona enfasi è data ai costrutti del linguaggio Verilog da usare per la verifica del funzionamento dei circuiti distinguendo quindi un Verilog orientato alla sintesi del circuito da un Verilog orientato alla verifica. Le implementazioni sono effettuate su dispositivi FPGA al fine di familiarizzare il lettore con una tecnologia molto utilizzata da piccole e grandi aziende. Il sistema di sviluppo utilizzato per la progettazione, la verifica e la sperimentazione dei progetti è Quartus, un software distribuito gratuitamente da Intel. I circuiti sono verificati sperimentalmente utilizzando una scheda dimostrativa il cui utilizzo è spiegato nel testo ma che non è necessaria per la comprensione degli argomenti. Il libro presenta infine una breve storia della progettazione digitale, la struttura dei dispositivi FPGA in commercio e completa gli argomenti esposti con cenni su conoscenze accessorie utili per una comprensione di tutto il testo. Per quanto focalizzati su dispositivi FPGA, i contenuti sono validi per qualsiasi progetto digitale implementato, ad esempio, su ASIC, CPLD o System On Chip.

Il manuale offre una trattazione completa e aggiornata dell'elettronica di base, sia analogica sia digitale, permettendo di acquisire le tecniche di base della moderna progettazione di circuiti elettronici. Il testo, infatti, raccoglie un ampio spettro di argomenti e il materiale può essere facilmente selezionato per coprire diversi corsi di Elettronica e Microelettronica a Ingegneria. Nella presente edizione i contenuti sono stati completamente rivisti e arricchiti. Oltre ad aggiornamenti di carattere generale, legati anche al progresso tecnologico nel settore, sono stati riorganizzati i capitoli con una più efficace concatenazione degli argomenti. Inoltre, la trattazione con il metodo del guadagno asintotico è stata affiancata a una descrizione del general feedback theorem e del teorema dell'elemento aggiunto. Tali metodi hanno il vantaggio di rendere più sistematica e completa l'analisi dei sistemi retroazionati. Le schede Elettronica in Azione sono state riviste, ampliate e aggiornate. Le Note Progettuali, che evidenziano regole fondamentali di progetto, e gli Esempi svolti, che mettono in pratica le nozioni apprese, sono stati entrambi arricchiti, così come è stato aggiornato in modo significativo l'Eserciziario finale, che contiene più di 1950 problemi con soluzione sul sito web. Infine, grande attenzione è posta in tutto il testo all'uso di strumenti di analisi e simulazione basati sul calcolatore, fondamentali oggi per la progettazione di circuiti elettronici complessi.

Per poter correttamente funzionare, gli utilizzatori presenti all'interno di un impianto elettrico, assorbono dalla rete potenza elettrica attiva, convertendola in un'altra forma di energia (lampade o stufe elettriche) o in lavoro utile (motori elettrici). Tuttavia, affinché ciò avvenga è necessario che l'utilizzatore scambi con la rete energia reattiva principalmente di tipo induttivo. Tale energia, pur non essendo direttamente convertita in altre forme, contribuisce ad incrementare la potenza totale transitante nella rete elettrica lungo i cavi conduttori fino agli utilizzatori. Per attenuare tale effetto negativo viene effettuato il rifasamento degli impianti elettrici utilizzatori. Inoltre, l'attuale diffusione di utilizzatori non lineari, quali circuiti elettronici per azionamenti elettrici, comporta la generazione di armoniche di corrente che si riversano in rete, con il conseguente inquinamento e distorsione delle forme d'onda sugli altri carichi presenti in rete. Il presente testo ha lo scopo di analizzare tali problematiche, senza trattarne approfonditamente i dettagli matematici; partendo dalla definizione di rifasamento e di analisi armonica il testo si propone di descrivere le possibili soluzioni delle due problematiche.

La ricorrenza del periodo natalizio è caratterizzata da rappresentazioni come il Presepe in tutte le sue varianti e il classico Albero di Natale. In entrambi i casi non mancano luci, suoni e immagini che fanno da contorno e con l'elettronica dei microcontrollori si possono ottenere effetti suggestivi. Il microcontrollore più noto è senza dubbio l'Atmel MEGA328P, cuore della scheda di sviluppo Arduino. Tutti i progetti proposti utilizzano la scheda di sviluppo Arduino (Nano o clone NANO o Arduino UNO R3) in unione ad altre periferiche come buzzer, altoparlanti, LED, sensori PIR e Ultrasonico, dispositivo servomotore, display OLED di varie dimensioni, display LCD e TFT. Il tutto è corredato con semplici istruzioni passo passo per arrivare al progetto finale. Di ogni progetto viene mostrato l'assemblaggio su breadboard per verificarne il funzionamento, per poi passare, se si desidera, alla saldatura su una meno ingombrante basetta PCB. Le immagini fornite a corredo di ogni progetto facilitano la realizzazione di quanto proposto. Inoltre, vengono forniti tutti i codici per ogni progetto.

Il testo, ideato per gli studenti triennali di Ingegneria Elettronica, parte dai concetti acquisiti nei corsi di Fisica II ed Elettrotecnica e conduce all'acquisizione dei metodi matematici per lo studio e la risoluzione delle equazioni di Maxwell, e al loro uso per la comprensione dei fenomeni elettromagnetici di interesse di un ingegnere elettronico. In particolare, lo studio delle onde piane, la teoria delle antenne e l'ottica geometrica forniscono agli studenti le conoscenze di base per le sfide nella progettazione delle infrastrutture di comunicazione wireless per le future reti 5G e 6G, dove la generazione di fasci di onde radio focalizzate e la loro interazione con l'ambiente circostante diventeranno aspetti fondamentali per la realizzazione di una copertura capillare del territorio. Per ognuno degli argomenti che vengono trattati, viene illustrato dapprima l'aspetto fisico che sta alla base dei fenomeni, e successivamente vengono esposti i dettagli dei calcoli che consentono di giungere al risultato finale; infine, vengono proposti degli esempi che illustrano l'uso applicativo nell'ingegneria.

L'avvento delle future reti di comunicazioni 5G e 6G richiederà lo sviluppo di sistemi di comunicazione che permettano un ulteriore incremento di traffico. Questo testo intende fornire una conoscenza di base e una metodologia di studio per tutti i sistemi di comunicazione wired che realizzeranno l'infrastruttura fisica per la rete di accesso a internet. Nel testo viene discussa dapprima la propagazione nelle linee di trasmissione, ossia nei mezzi di comunicazione basati sui cavi in rame quali il doppino telefonico o il cavo coassiale che sono impiegati per la connessione alla rete degli apparati domestici. Successivamente, viene illustrata la propagazione nelle guide metalliche, indispensabili per la trasmissione e la ricezione dei segnali nei ponti radio alle microonde. Infine, viene illustrato lo studio della propagazione nelle guide dielettriche, sia planari per la realizzazione di circuiti fotonici integrati, sia nelle fibre ottiche per la trasmissione ad altissima capacità e a lunga distanza. Il testo è pensato per i corsi di Microonde e Propagazione guidata dei percorsi di laurea triennale e magistrale in Ingegneria Elettronica.

Il testo raccoglie una collezione di esercizi svolti in classe o assegnati nelle prove scritte degli insegnamenti di Campi elettromagnetici, Propagazione guidata, Propagazione e antenne e Progettazione di antenne tenuti nei corsi di Laurea triennale e magistrale in Ingegneria Elettronica presso l’Università degli Studi di Udine. Gli esercizi sono suddivisi in 5 capitoli. Nel primo vengono proposti esercizi sul potenziale vettore, i teoremi di Poynting e dell’unicità, l’analisi dimensionale, e le leggi costitutive dei mezzi materiali. Nel secondo capitolo si richiamano i temi legati a riflessione e rifrazione, alle formule di Fresnel, la propagazione in mezzi multistrato e alla polarizzazione delle onde elettromagnetiche. Nel terzo capitolo si propongono esercizi sui parametri delle antenne in trasmissione e ricezione, il calcolo del campo irradiato da antenne singole o in schiera, le formule di dimensionamento dei radiocollegamenti e la formula del radar. Nel quarto capitolo vengono illustrati i casi del calcolo dei modi guidati nelle guide metalliche e dielettriche. Infine, nel quinto viene proposto lo studio della propagazione ad alta frequenza nelle linee bifilari.