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 List of important discoveries that led to the development of nuclear physics X-rays ? How are they produced Quantum physics and applications to nuclear models How nuclear physics developed, nuclear chemistry, accelerators, Curie family playing a central role Applications developed, from Szillards first conjecture of making energy from Fission and Weapons, Rutherfords lack of belief in energy Models, inspired by Quantum mechanics

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 List of important discoveries that led to the development of nuclear physics X-rays ? How are they produced Quantum physics and applications to nuclear models How nuclear physics developed, nuclear chemistry, accelerators, Curie family playing a central role Applications developed, from Szillards first conjecture of making energy from Fission and Weapons, Rutherfords lack of belief in energy Models, inspired by Quantum mechanics

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) List of important discoveries that led to the development of nuclear physics X-rays ? How are they produced Quantum physics and applications to nuclear models How nuclear physics developed, nuclear chemistry, accelerators, Curie family playing a central role Applications developed, from Szillards first conjecture of making energy from Fission and Weapons, Rutherfords lack of belief in energy Models, inspired by Quantum mechanics

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 List of important discoveries that led to the development of nuclear physics X-rays ? How are they produced Quantum physics and applications to nuclear models How nuclear physics developed, nuclear chemistry, accelerators, Curie family playing a central role Applications developed, from Szillards first conjecture of making energy from Fission and Weapons, Rutherfords lack of belief in energy Models, inspired by Quantum mechanics

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! List of important discoveries that led to the development of nuclear physics X-rays ? How are they produced Quantum physics and applications to nuclear models How nuclear physics developed, nuclear chemistry, accelerators, Curie family playing a central role Applications developed, from Szillards first conjecture of making energy from Fission and Weapons, Rutherfords lack of belief in energy Models, inspired by Quantum mechanics

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)! List of important discoveries that led to the development of nuclear physics X-rays ? How are they produced Quantum physics and applications to nuclear models How nuclear physics developed, nuclear chemistry, accelerators, Curie family playing a central role Applications developed, from Szillards first conjecture of making energy from Fission and Weapons, Rutherfords lack of belief in energy Models, inspired by Quantum mechanics

PERCHE’ una tale esplosione? La rivoluzione digitale Computer digitali (dal 1940 fino ad internet) Fotocamere digitali (la pellicola è morta!) Registrazione video (DVD, MPEG, ...) Registrazione audio (CD, disco in vinile morto già da 20 anni) Carburatori, elettronica nei veicoli Il sistema telefonico Sistemi di controllo del traffico (semafori) Effetti speciali dei film Apparecchiature mediche Sicuramente molto altro che non mi viene in mente adesso PERCHE’ una tale esplosione?

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

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) List of important discoveries that led to the development of nuclear physics X-rays ? How are they produced Quantum physics and applications to nuclear models How nuclear physics developed, nuclear chemistry, accelerators, Curie family playing a central role Applications developed, from Szillards first conjecture of making energy from Fission and Weapons, Rutherfords lack of belief in energy Models, inspired by Quantum mechanics

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?

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

Intervalli in cui deve variare il segnale di output del primo inverter 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 VOHmin VIHmin VILmax VOLmax VOHmin=minima tensione di output corrispondente a un 1 logico VOLmax=massima tensione di ouput corrispondente a uno 0 logico VIHmin=minima tensione di input riconosciuta come un 1 logico VILmax=massima tensione di input riconosciuta come un 0 logico

Funzionamento corretto: deve essere VOHmin > VIHmin VOLmax < VILmax Margini di rumore: VOHmin - VIHmin VILmax - VOLmax VOHmin VIHmin VILmax VOLmax

quarzo Microchip programmabile FPGA connettore a pettine

16 linee di input/output della FPGA sono collegate a questo connettore quarzo Genera un segnale onda quadra a 60 MHz che viene mandato in ingresso alla FPGA Possiamo inviare segnali alla FPGA Possiamo vedere segnali prodotti dalla FPGA connettore a pettine

Disegno “schematico”: rappresentazione dell’oscillatore Pin 1 segnale di abilitazione del chip +5 V chip abilitato Pin 4 alimentazione: VCC=5V Pin 2 massa dell’alimentazione a 5 V Pin 3 segnale di clock

Disegno “schematico”: FPGA Collegamento FPGA-pettine: linee SPEAR15, ..., SPEAR0 SPEAR0: collegato al pin0 del connettore a pettine Clock dall’oscillatore

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 ...

Soluzione per visualizzare un segnale: Facciamolo uscire su una delle linee che vanno al pettine e colleghiamo la sonda al pin del pettine quarzo terminale di massa dell’oscilloscopio sonda dell’oscilloscopio

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

 circuito da implementare nella FPGA 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

Progettazione con software CAD Il circuito è specificato in termini di un diagramma schematico o di un linguaggio di programmazione design entry no 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?

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