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1 Fondamenti di elettronica Contenuto del corso (sinteticamente): - Circuiti elettronici digitali (logica combinatoria e sequenziale) i circuiti con cui.

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Presentazione sul tema: "1 Fondamenti di elettronica Contenuto del corso (sinteticamente): - Circuiti elettronici digitali (logica combinatoria e sequenziale) i circuiti con cui."— Transcript della presentazione:

1 1 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

2 2 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

3 3 Fondamenti di elettronica N.B. Realizzare, non studiare in termini astratti unarida teoria Corso predominantemente pratico: Ogni argomento o concetto verrà accompagnato da dimostrazioni pratiche scheda elettronica, oscilloscopio digitale (uno dei principali strumenti del mestiere)

4 4 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 domande veloci (max) alla fine del corso

5 5 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 Permette di implementare i vostri circuiti nella scheda e verificarne il funzionamento!

6 6 Fondamenti di elettronica La domanda fondamentale: Perchè dovreste seguire questo corso? Posso dare varie risposte: - Lelettronica domina il nostro mondo in una infinità di applicazioni - Una conoscenza dellelettronica, 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,...) - Lultimo punto non è certamente il meno importante: può essere estremamente divertente (anche se a volte bisogna sudare 7 camicie per ottenere un circuito funzionante)!

7 7 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?

8 8 I vantaggi dei circuiti digitali Riproducibilità dati gli stessi input un circuito digitale produce sempre gli stessi output – louput 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

9 9 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)

10 10 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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12 12 Consideriamo due inverter in cascata Nel circuito logico (secondo inverter) cè 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 unalimentazione di 5V: Tensione di input nel range V 0 logico Tensione di input nel range 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

13 13 V ILmax V IHmin V OLmax V OHmin 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

14 14 Funzionamento corretto: deve essere VOHmin > VIHmin VOLmax < VILmax Margini di rumore: VOHmin - VIHmin VILmax - VOLmax V ILmax V IHmin V OLmax V OHmin

15 15 Microchip programmabile FPGA quarzo connettore a pettine

16 16 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

17 17 Disegno schematico: rappresentazione delloscillatore Pin 4 alimentazione: VCC=5V Pin 2 massa dellalimentazione a 5 V Pin 1 segnale di abilitazione del chip +5 V chip abilitato Pin 3 segnale di clock

18 18 Disegno schematico: FPGA Clock dalloscillatore SPEAR0: collegato al pin0 del connettore a pettine Collegamento FPGA-pettine: linee SPEAR15,..., SPEAR0

19 19 Visualizzazione del segnale di clock o altri segnali Poggiamo la sonda delloscilloscopio al pin 3 delloscillatore 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...

20 20 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 delloscilloscopio terminale di massa delloscilloscopio

21 21 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

22 22 Problema: dobbiamo collegare internamente alla FPGA il pin CLK (pin 79) al pin SPEAR0 (pin 104) Segnale di clock dalloscillatore Segnale di clock inviato al pin 0 del pettine circuito da implementare nella FPGA

23 23 Progettazione con software CAD design entry Il 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 fitting Il 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

24 24 INVERTER XX se X=0 allora X=1 se X=1 allora X=0 OR ABAB C=A+B se A=1 O B=1 allora C=1 altrimenti C=0 ABAB C=A·B se A=1 E B=1 allora C=1 altrimenti C=0 AND Dispositivi digitali Tavola della verità


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