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Fondamenti di elettronica

Contenuto del corso (sinteticamente):

- Circuiti elettronici digitali (logica combinatoria e sequenziale)

i circuiti con cui sono fatti i computer

- Memorie (RAM/DRAM)

- Le interfacce fra il mondo digitale e analogico: DAC e ADC

- Amplificatori operazionali

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Fondamenti di elettronica

Scopo:

Alla fine del corso lo studente dovrebbe essere in grado di realizzare circuiti digitali non banali.

Esempi di circuiti non banali:

- interfaccia display

- impianto di allarme

- microcontroller di ADC e DAC

- cronometro e orologio digitale

- multimetro digitale

- interfaccia VGA

- microprocessore RISC

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Fondamenti di elettronica

N.B. Realizzare, non studiare in termini astratti un’arida teoria

Corso predominantemente pratico:

Ogni argomento o concetto verrà accompagnato da dimostrazioni pratiche

scheda elettronica, oscilloscopio digitale (uno dei principali strumenti del mestiere)

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Fondamenti di elettronica

Il vostro feedback e la vostra cooperazione importante

importante seguire il corso passo passo

prove durante il corso

esame: 2 prove durante il corso + 1-2 domande veloci (max) alla fine del corso

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Fondamenti di elettronica

Realizzazione e test pratico di tutti i circuiti:

Circuito logico programmabile FPGA

altro scopo del corso: imparare sul campo con una FPGA, uno dei dispositivi più avanzati attualmente usati in elettronica digitale

Potete e dovete provare, testare e ideare circuiti (esercizi) voi:

software di disegno elettronico QUARTUS

Versione “educational” scaricabile dal sito web www.altera.com

Permette di implementare i vostri circuiti nella scheda e verificarne il funzionamento!

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Fondamenti di elettronica

La domanda fondamentale:

Perchè dovreste seguire questo corso?

Posso dare varie risposte:

- L’elettronica domina il nostro mondo in una infinità di applicazioni

- Una conoscenza dell’elettronica, unita alla capacità di risolvere problemi tipica dei fisici, aiuta a trovare un lavoro

- Un fisico (vedi il mio caso di fisico delle particelle) deve spesso realizzare i propri strumenti (rivelatori, sistemi di acquisizione, co-processori, ...)

- L’ultimo punto non è certamente il meno importante: può essere estremamente divertente (anche se a volte bisogna sudare 7 camicie per ottenere un circuito funzionante)!

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La rivoluzione digitale

o Computer digitali (dal 1940 fino ad internet)

o Fotocamere digitali (la pellicola è morta!)

o Registrazione video (DVD, MPEG, ...)

o Registrazione audio (CD, disco in vinile morto già da 20 anni)

o Carburatori, elettronica nei veicoli

o Il sistema telefonico

o Sistemi di controllo del traffico (semafori)

o Effetti speciali dei film

o Apparecchiature mediche

o Sicuramente molto altro che non mi viene in mente adesso

PERCHE’ una tale esplosione?

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I vantaggi dei circuiti digitali

Riproducibilità dati gli stessi input un circuito digitale produce sempre gli stessi output – l’ouput di un circuito analogico dipende da temperatura, invecchiamento, alimentazione, ...

Semplicità di progettazione: il disegno digitale è logico. Non è necessaria una conoscenza dettagliata del comportamento elettrico di tutti i singoli elementi di circuito.

Flessibilità e funzionalità implementazione di funzioni molto complesse (e.g. Voice scrambler) impossibili con circuiti analogici

Programabilità i circuiti digitali possono essere modellati e simulati con linguaggi di programmazione di alto livello.

Velocità

Economia

Tecnologia in continua evoluzione

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Analogico e digitale a confronto

Dispositivi analogici: processano segnali che possono assumere qualunque valore in un intervallo continuo di tensioni, correnti, o qualche altra grandezza.

Circuiti digitali: processano e producono segnali che possono assumere solo due valori discreti:

0 V – 5 V

0 – 1

LOW – HIGH

FALSE – TRUE

(una finzione in realtà: anche questi sono segnali analogici che possono variare entro due range distinti – più o meno ristretti)

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Aspetti elettronici del disegno digitale

I circuiti digitali processano tensioni e correnti analogiche e sono fatti con componenti analogici

Astrazione digitale: il comportamento analogico può essere ignorato (quasi sempre)

circuiti modellati come se processassero davvero zeri e uni.

Perchè ciò è possibile?

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Consideriamo due inverter in cascata

Nel circuito logico (secondo inverter) c’è un intervallo di tensioni di IN che è interpretato come uno 0 logico e un altro intervallo, disgiunto, che è interpretato come un uno logico: IN in questi intervalli produce un OUT corretto.

Esempio: un circuito CMOS funzionante con un’alimentazione di 5V:

Tensione di input nel range 0-1.5 V 0 logico

Tensione di input nel range 3.5-5 V 1 logico

Astrazione digitale: i dispositivi (il primo inverter) devono generare tensioni di ouput entro gli intervalli sopra in modo che vengano riconosciute correttamente

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VILmax

VIHmin

VOLmax

VOHmin

Intervalli in cui puo’ variare il segnale di input del secondo inverter affinchè il circuito produca un output corretto

Intervalli in cui deve variare il segnale di output del primo inverter

VIHmin=minima tensione di input riconosciuta come un 1 logico

VILmax=massima tensione di input riconosciuta come un 0 logico

VOHmin=minima tensione di output corrispondente a un 1 logico

VOLmax=massima tensione di ouput corrispondente a uno 0 logico

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Funzionamento corretto: deve essere

VOHmin > VIHmin

VOLmax < VILmax

Margini di rumore:

VOHmin - VIHmin

VILmax - VOLmax

VILmax

VIHmin

VOLmax

VOHmin

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Microchip programmabile FPGAquarzo

connettore a pettine

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quarzo

connettore a pettine

Genera un segnale onda quadra a 60 MHz che viene mandato in ingresso alla FPGA

16 linee di input/output della FPGA sono collegate a questo connettore

Possiamo inviare segnali alla FPGA

Possiamo vedere segnali prodotti dalla FPGA

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Disegno “schematico”: rappresentazione dell’oscillatore

Pin 4 alimentazione: VCC=5V

Pin 2 massa dell’alimentazione a 5 V

Pin 1 segnale di abilitazione del chip

+5 V chip abilitato

Pin 3 segnale di clock

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Disegno “schematico”: FPGA

Clock dall’oscillatore

SPEAR0: collegato al pin0 del connettore a pettine

Collegamento FPGA-pettine: linee SPEAR15, ..., SPEAR0

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Visualizzazione del segnale di clock o altri segnali

Poggiamo la sonda dell’oscilloscopio al pin 3 dell’oscillatore

Poggiamo la massa al pin 2

Relativamente facile perchè il chip è grande e i pin ben separati

Per altri chip può risultare molto difficile

Provate a poggiare la sonda su un pin di uno di questi chip e a tenerla ferma per più di qualche secondo ...

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Soluzione per visualizzare un segnale:

Facciamolo uscire su una delle linee che vanno al pettine e colleghiamo la sonda al pin del pettine

quarzo

sonda dell’oscilloscopio

terminale di massa dell’oscilloscopio

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Saldati a piazzole collegate a piste sul circuito stampato

Pin distribuiti uniformemente sulla superficie inferiore del package e saldati su piazzole corrispondenti presenti sul circuito stampato

Package ad alta integrazione

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Problema: dobbiamo collegare internamente alla FPGA il pin CLK (pin 79) al pin SPEAR0 (pin 104)

Segnale di clock dall’oscillatore Segnale di clock inviato al pin 0 del pettine

circuito da implementare nella FPGA

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Progettazione con software CAD

design entryIl circuito è specificato in termini di un diagramma schematico o di un linguaggio di programmazione

sintesi Il circuito è sintetizzato in termini di elementi logici contenuti nel chip netlist

simulazione funz. Il circuito è simulato per verificarne la correttezza funzionale

disegno corretto?no

si

fittingIl CAD dispone gli LE definiti nella netlist in LE del chip reale – sceglie anche i fili di connessione fra i vari LE

analisi temporale/ simulazione temp.

Vengono analizzati i ritardi di propagazione lungo i vari percorsi indicando le prestazioni del circuito

prestazioni temporali soddisfatte?

no

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INVERTER

X X’

X X’0 11 0

se X=0 allora X’=1se X=1 allora X’=0

OR

AB

C=A+B

A B C0 0 00 1 11 0 11 1 1

se A=1 O B=1 allora C=1 altrimenti C=0

AB

C=A·B

A B C0 0 00 1 01 0 01 1 1

se A=1 E B=1 allora C=1 altrimenti C=0

AND

Dispositivi digitali

Tavola della verità