Conoscenze di analisi matematica e fisica.
Il corso presenta una rassegna sui rapidi sviluppi e l'enorme potenziale dell'elettronica e dei sensori nella cura della salute. Viene offerta una vasta panoramica sull'elettronica analogica e digitale, con particolare attenzione ai sistemi di misura di parametri biomedicali. L'obiettivo è rendere gli studenti familiari con dispositivi e tecniche ampiamente utilizzati nella strumentazione elettronica per applicazioni biomedicali.
1. Introduzione.
Evoluzione delle tecnologie microelettroniche. Legge di Moore. Impatto della microelettronica nel settore biomedicale e nel monitoraggio dei pazienti.
2. Segnali biomedici.
Catena elettronica di acquisizione e controllo. Richiami di fisica (tensione, corrente, carica elettrica). Segnali analogici e digitali di corrente e di tensione. Origine dei segnali biomedici.
3. Strumenti matematici.
Segnali nel dominio del tempo e nel dominio della frequenza. Analisi di Fourier. Spettro in frequenza. Metodo delle variabili complesse. Impedenze complesse. Filtri passa-basso, passa-alto, passa-banda. Diagrammi di Bode. Analisi della risposta al gradino.
4. Sensori.
Classificazione dei sensori, caratteristiche statiche e dinamiche. Sensori fisici: misure di temperatura, posizione, velocità, spostamento. Accelerometri. Sensori e sistemi elettronici per ECG.
5. Amplificatori e filtri.
Amplificatore operazionale ideale. Reazione negativa. Amplificatore invertente e non invertente. Amplificatori differenziali. Amplificatore per strumentazione. Integratore (puro e approssimato). Differenziatore. Filtro passa-banda.
6. Elettronica digitale.
Famiglie logiche. Margini di rumore, ritardo di propagazione, dissipazione di potenza. Porte OR, AND, NOT, NAND, NOR, Exclusive OR. Teorema di De Morgan. Circuiti combinatori e sequenziali. Latch e flip-flop.
7. Convertitori analogico-digitali.
Conversione analogico digitale. Campionamento e quantizzazione. Risoluzione ed errore di aliasing. Flash ADC.
8. Applicazioni biomedicali dei sistemi elettronici.
Lezioni frontali.
Prova scritta al termine del corso. L'esame richiede la risoluzione di un problema relativo all'analisi di circuiti elettronici, e la risposta a quattro domande sugli argomenti svolti durante il corso.
Il materiale del corso è disponibile nel sistema elearning dell'Università di Bergamo.
Qualora l'insegnamento venisse impartito in modalità mista o a distanza potranno essere introdotte modifiche rispetto a quanto dichiarato nel syllabus per rendere il corso e gli esami fruibili anche secondo queste modalità.
Background knowledge about calculus and physics.
The course provides an overview on the fast developments and enormous potential of electronics and sensors in healthcare. The course provides a broad survey of analog and digital electronics, with particular focus on the issues relevant to measurement systems for biomedical parameters. The aim is to familiarise students with the devices and techniques commonly used in electronic instrumentation for biomedical applications.
1. Introduction.
Evolution of microelectronic technologies. Moore’s Law. Impact of microelectronics in the biomedical field and in the monitoring of patients.
2. Biomedical signals.
Electronic systems for signal processing and acquisition. Basic concepts of electromagnetism (voltage, current, electric charge). Analog and digital current and voltage signals. Origin of biomedical signals.
3. Mathematical tools.
Signals in the time domain and in the frequency domain. Fourier analysis. Frequency spectrum. Methods of complex variables. Complex impedances. Low-pass, band-pass, high-pass filters. Bode diagrams. Filter response to a step signal.
4. Sensors.
Static and dynamic parameters. Physical sensors: measurements of temperature, position, speed, motion. Accelerometers. Sensors and electronic systems for ECG.
5. Amplifiers and filters.
Ideal operational amplifier. Negative feedback. Inverting and noninverting amplifier. Differential amplifiers. Instrumentation amplifier. Integrators and differentiators. Band-pass filter.
6. Digital electronics.
Logic families. Noise margins, propagations delay, power dissipation. Logic gates: OR, AND, NOT, NAND, NOR, Exclusive OR. De Morgan’s theorem. Combinatorial and sequential circuits. Latch and flip-flop.
7. Analog-to-Digital Converters.
Analog-to-digital conversion. Sampling and quantization. Resolution and aliasing error. Flash ADC.
8. Biomedical applications of microelectronic systems.
Classroom lectures.
Written exam at the end of the course. The exam requires that students provide the solution to an exercise about electronic circuits, and answer four questions about the subjects discussed during the course.
The course material is available in the UniBG elearning system.
If the teaching is taught in a mixed mode or remotely, changes can be made compared to what is stated in the syllabus to make the course and exams usable also in these ways.