Laboratori di Fisica III F. Scuri, C. Ferrari, S. Veronesi 30/03/2012

Docenti Fabrizio Scuri e_mail fabrizio. scuri@pi.infn.it stanza 246 1 piano edificio C tel 050 2214 439 Carlo Ferrari e_mail carlo.ferrari@ino.it Istituto Nazionale di Ottica (INO) tel 050-3152245 Stefano Veronesi e_mail stefano.veronesi@df.unipi.it stanza 30 1 piano edificio B tel 050 2214 184 30/03/2012

organizzazione Struttura modulare suddivisa in due moduli: Elettronica analogica Elettronica digitale Strutturato in 4 diverse aule per le prove pratiche che possono ospitare un massimo di 78 studenti Modalità di esame: Prove intermedie durante i due moduli che valgono, se superate, come prova pratica scritta finale + orale Oppure Prova pratica scritta finale + orale 30/03/2012

Programma di massima Modulo di Elettronica Digitale Carlo Ferrari e Stefano Veronesi elementi non ohmici (diodo e transistor) principi di funzionamento e loro utilizzo Amplificatori a transistor e loro caratteristiche (guadagno, banda passante, …) adattamento di impedenza Amplificatori operazionali e loro caratteristiche Oscillatori sinusoidali filtri attivi, principi di funzionamento e loro utilizzo Elementi e circuiti non lineari (comparatori, trigger, …) convertitori AD/DA 30/03/2012

Prove di laboratorio Modulo di elettronica analogica Ognuno degli argomenti trattati viene integrato con alcune prove pratiche di laboratorio al fine di realizzare e dimensionare i circuiti e gli elementi che sono stati trattati a lezione. Normalmente vengono effettuati circa 20 pomeriggi di laboratorio dove si realizzano circuiti che possono prevedere un singolo pomeriggio per il loro completamento o esperienze più complesse (tipicamente un paio) che prevedono 2-3 pomeriggi per il loro completamento. Ogni prova pratica effettuata prevede la stesura di una relazione con una descrizione dell’esperienza svolta e l’elaborazione dei dati sperimentali acquisiti.

Elettronica Digitale Linee guida nella programmazione e svolgimento del modulo di Elettronica Digitale (Laboratorio 3 al III anno del corso di laurea triennale in fisica) Fabrizio Scuri Pisa, 30 Marzo, 2012 30/03/2012 F.Scuri - Corso di Elettronica digitale

1 Elettronica digitale: 30/03/2012 F.Scuri - Corso di Elettronica digitale

1 Elettronica digitale: La mia interpretazione di questa materia: 30/03/2012 F.Scuri - Corso di Elettronica digitale

1 Elettronica digitale: La mia interpretazione di questa materia: “Tutto quanto attiene alla teoria, ai metodi, ai dispositivi e alle loro implemetazioni commerciali, relativi alle operazioni aritmetico-logiche con numeri binari e alla memorizzazione e trasferimento dei dati.” 30/03/2012 F.Scuri - Corso di Elettronica digitale

1 Elettronica digitale: La mia interpretazione di questa materia: “Tutto quanto attiene alla teoria, ai metodi, ai dispositivi e le loro implemetazioni commerciali, relativi alle operazioni aritmetico-logiche con numeri binari e alla memorizzazione e trasferimento dei dati.” … ovvero: “brevi cenni sul mondo” 30/03/2012 F.Scuri - Corso di Elettronica digitale

1 Elettronica digitale: La mia interpretazione di questa materia: “Tutto quanto attiene alla teoria, ai metodi, ai dispositivi e le loro implemetazioni commerciali, relativi alle operazioni aritmetico-logiche con numeri binari e alla memorizzazione e trasferimento dei dati.” … ovvero: “brevi cenni sul mondo” Non si può essere esuastivi in didattica dell’elettronica digitale per motivi di “spazio-tempo” 30/03/2012 F.Scuri - Corso di Elettronica digitale

1 Elettronica digitale: La mia interpretazione di questa materia: “Tutto quanto attiene alla teoria, ai metodi, ai dispositivi e le loro implemetazioni commerciali, relativi alle operazioni aritmetico-logiche con numeri binari e alla memorizzazione e trasferimento dei dati.” … ovvero: “brevi cenni sul mondo” Non si può essere esuastivi in didattica dell’elettronica digitale per motivi di “spazio-tempo” == > occorre operare delle scelte di contenuti e di metodo 30/03/2012 F.Scuri - Corso di Elettronica digitale

2 L’ approccio scelto 30/03/2012 F.Scuri - Corso di Elettronica digitale

2 L’ approccio scelto Negli anni in cui mi è stato affidato il corso a Pisa (2010/11, 2011/12) ho tenuto conto dei seguenti elementi per la sua organizzazione: 30/03/2012 F.Scuri - Corso di Elettronica digitale

2 L’ approccio scelto Negli anni in cui mi è stato affidato il corso a Pisa (2010/11, 2011/12) ho tenuto conto dei seguenti elementi per la sua organizzazione: l’esperienza dei docenti precedenti (corso del prof. G. Punzi, esercitazioni di G.Punzi e di C. Roda); 30/03/2012 F.Scuri - Corso di Elettronica digitale

2 L’ approccio scelto Negli anni in cui mi è stato affidato il corso a Pisa (2010/11, 2011/12) ho tenuto conto dei seguenti elementi per la sua organizzazione: l’esperienza dei docenti precedenti (corso del prof. G. Punzi, esercitazioni di G.Punzi e di C. Roda); - il confronto con le proposte in altre Università dei corsi assimilati (non solo del corso di laurea in fisica); 30/03/2012 F.Scuri - Corso di Elettronica digitale

2 L’ approccio scelto Negli anni in cui mi è stato affidato il corso a Pisa (2010/11, 2011/12) ho tenuto conto dei seguenti elementi per la sua organizzazione: l’esperienza dei docenti precedenti (corso del prof. G. Punzi, esercitazioni di G.Punzi e di C. Roda); - il confronto con le proposte in altre Università dei corsi assimilati (non solo del corso di laurea in fisica); - la mia personale esperienza pregressa (ho tenuto per 10 anni il corso di elettronica agli informatici di Udine negli anni ‘90). 30/03/2012 F.Scuri - Corso di Elettronica digitale

2 L’ approccio scelto Negli anni in cui mi è stato affidato il corso a Pisa (2010/11, 2011/12) ho tenuto conto dei seguenti elementi per la sua organizzazione: l’esperienza dei docenti precedenti (corso del prof. G. Punzi, esercitazioni di G.Punzi e di C. Roda); - il confronto con le proposte in altre Università dei corsi assimilati (non solo del corso di laurea in fisica); - la mia personale esperienza pregressa (ho tenuto per 10 anni il corso di elettronica agli informatici di Udine negli anni ‘90). A Pisa ho scelto l’approccio “classico” nelle lezioni frontali e nelle esercitazioni di laboratorio, conformemente all’impostazione degli anni precedenti e a quello che io penso sia meglio fare: 30/03/2012 F.Scuri - Corso di Elettronica digitale

2 L’ approccio scelto Negli anni in cui mi è stato affidato il corso a Pisa (2010/11, 2011/12) ho tenuto conto dei seguenti elementi per la sua organizzazione: l’esperienza dei docenti precedenti (corso del prof. G. Punzi, esercitazioni di G.Punzi e di C. Roda); - il confronto con le proposte in altre Università dei corsi assimilati (non solo del corso di laurea in fisica); - la mia personale esperienza pregressa (ho tenuto per 10 anni il corso di elettronica agli informatici di Udine negli anni ‘90). A Pisa ho scelto l’approccio “classico” nelle lezioni frontali e nelle esercitazioni di laboratorio, conformemente all’impostazione degli anni precedenti e a quello che io penso sia meglio fare: si trattano inizialmente le porte logiche di base (incluse le proprietà fisiche) e poi, gradualmente, si studiano nelle lezioni frontali e si implemetano in laboratorio sistemi di complessità crescente utilizzando componenti commerciali elementari. 30/03/2012 F.Scuri - Corso di Elettronica digitale

3 Elenco e calendario previsto delle esercitazioni a.a. corrente per descrivere l’approccio scelto per l’organizzazione del corso 16 febbraio (G), recupero/cont. 23 febbraio (G) 1) Esercitazione propedeutica uso strumenti 27 febbraio (L) , recupero/cont. 1 marzo (G) 2) Caratteristiche fisiche della porta NOT 5 marzo (L), recupero/cont. 8 marzo (G) 3) Realizzazione di circuiti con porte logiche NAND 12 marzo (L), recupero/cont. 15marzo (G) 4) Multivibratore astabile con porte logiche 19 marzo (L), recupero/cont. 22 marzo (G) 5) Contatore esadecimale 6) Generatore di sequenza pseudo-casuali 26 marzo (L), recupero/cont. 29 marzo (G) 7) Macchine a stati finiti: semafori 23 aprile (L), recupero/cont. 26 aprile (G) 8) Progettazione e realizzazione ALU 30 aprile (L), recupero/cont. 3 maggio (G) 9) Realizzazione di un ADC 7 maggio (L), recupero/cont. 10 maggio (G) Dimostrazione conclusiva in aula con un campionatore ad alta frequenza (5 GHz) la settimana del 14 maggio (4 giorni, L,Ma,G,V) se arriverà in tempo un nuovo strumento basato su un chip DRS (Domino Ring Sampler) e già utilizzato in alcuni esperimenti in presa dati (MEG – decadimenti rai dei leptoni, MAGIC (astroparticelle) e DREAM (calorimetria dual-readout) 21 maggio (L) 10) Recupero facoltativo di una sola esercitazione 30/03/2012 F.Scuri - Corso di Elettronica digitale

3 Elenco e calendario previsto delle esercitazioni a.a. corrente per descrivere l’approccio scelto per l’organizzazione del corso 16 febbraio (G), recupero/cont. 23 febbraio (G) 1) Esercitazione propedeutica uso strumenti 27 febbraio (L) , recupero/cont. 1 marzo (G) 2) Caratteristiche fisiche della porta NOT 5 marzo (L), recupero/cont. 8 marzo (G) 3) Realizzazione di circuiti con porte logiche NAND 12 marzo (L), recupero/cont. 15marzo (G) 4) Multivibratore astabile con porte logiche 19 marzo (L), recupero/cont. 22 marzo (G) 5) Contatore esadecimale 6) Generatore di sequenza pseudo-casuali 26 marzo (L), recupero/cont. 29 marzo (G) 7) Macchine a stati finiti: semafori 23 aprile (L), recupero/cont. 26 aprile (G) 8) Progettazione e realizzazione ALU 30 aprile (L), recupero/cont. 3 maggio (G) 9) Realizzazione di un ADC 7 maggio (L), recupero/cont. 10 maggio (G) Dimostrazione conclusiva in aula con un campionatore ad alta frequenza (5 GHz) la settimana del 14 maggio (4 giorni, L,Ma,G,V) se arriverà in tempo un nuovo strumento basato su un chip DRS (Domino Ring Sampler) e già utilizzato in alcuni esperimenti in presa dati (MEG – decadimenti rai dei leptoni, MAGIC (astroparticelle) e DREAM (calorimetria dual-readout) 21 maggio (L) 10) Recupero facoltativo di una sola esercitazione Da quest’anno sono previste prove pratiche durante l’anno (equivalenti ai “compitini”) di verifica della preparazione degli studenti con valità di prova pratica d’esame se viene conseguita una valutazione sufficiente 30/03/2012 F.Scuri - Corso di Elettronica digitale

4 Alternative possibili 30/03/2012 F.Scuri - Corso di Elettronica digitale

4 Alternative possibili Il corso, così come è strutturato ora nelle lezioni frontali e nelle esercitazioni di laboratorio, può risultare un po’ noioso e/o obsoleto in alcune parti (in laboratorio si usano ancora componenti della famiglia 74LSxx ormai quasi fuori commercio ….) 30/03/2012 F.Scuri - Corso di Elettronica digitale

4 Alternative possibili Il corso, così come è strutturato ora nelle lezioni frontali e nelle esercitazioni di laboratorio, può risultare un po’ noioso e/o obsoleto in alcune parti (in laboratorio si usano ancora componenti della famiglia 74LSxx ormai quasi fuori commercio ….) C’è ampio margine per aggiornare contenuti e materiale di laboratorio, mantenedo l’attuale impostazione “classica” del corso. 30/03/2012 F.Scuri - Corso di Elettronica digitale

4 Alternative possibili Il corso, così come è strutturato ora nelle lezioni frontali e nelle esercitazioni di laboratorio, può risultare un po’ noioso e/o obsoleto in alcune parti (in laboratorio si usano ancora componenti della famiglia 74LSxx ormai quasi fuori commercio ….) C’è ampio margine per aggiornare contenuti e materiale di laboratorio, mantenedo l’attuale impostazione “classica” del corso. Tutto (o quasi) quanto fatto a esercitazione può essere studiato con versioni “student” (freeware) di elementari emulatori di dispositivi (Pspice, Logic Works, …. ) 30/03/2012 F.Scuri - Corso di Elettronica digitale

4 Alternative possibili Il corso, così come è strutturato ora nelle lezioni frontali e nelle esercitazioni di laboratorio, può risultare un po’ noioso e/o obsoleto in alcune parti (in laboratorio si usano ancora componenti della famiglia 74LSxx ormai quasi fuori commercio ….) C’è ampio margine per aggiornare contenuti e materiale di laboratorio, mantenedo l’attuale impostazione “classica” del corso. Tutto (o quasi) quanto fatto a esercitazione può essere studiato con versioni “student” (freeware) di elementari emulatori di dispositivi (Pspice, Logic Works, …. ) Sono utili strumenti di complemento, ma, secondo me, non basterebbero da soli alla formazione sui problemi hardware che si possono incontrare 30/03/2012 F.Scuri - Corso di Elettronica digitale

4 Alternative possibili Il corso, così come è strutturato ora nelle lezioni frontali e nelle esercitazioni di laboratorio, può risultare un po’ noioso e/o obsoleto in alcune parti (in laboratorio si usano ancora componenti della famiglia 74LSxx ormai quasi fuori commercio ….) C’è ampio margine per aggiornare contenuti e materiale di laboratorio, mantenedo l’attuale impostazione “classica” del corso. Tutto (o quasi) quanto fatto a esercitazione può essere studiato con versioni “student” (freeware) di elementari emulatori di dispositivi (Pspice, Logic Works, …. ) Sono utili strumenti di complemento, ma, secondo me, non basterebbero da soli alla formazione sui problemi hardware che si possono incontrare. Un approccio più “attraente” potrebbe essere l’utilizzo in ciascuna postazione e per tutto il ciclo delle esercitazioni di una FPGA (Field Programmable Gate-Array) a basso costo (es. Xilinx Artix-7 o Altera Cyclone-IV) con cui implementare tutti i circuiti digitali proposti; opzione da studiare bene, bisogna evitare di ridurre il tutto al solo apprendimento dei linguaggi di programmazione (VHDL e simili) 30/03/2012 F.Scuri - Corso di Elettronica digitale

4 Alternative possibili Il corso, così come è strutturato ora nelle lezioni frontali e nelle esercitazioni di laboratorio, può risultare un po’ noioso e/o obsoleto in alcune parti (in laboratorio si usano ancora componenti della famiglia 74LSxx ormai quasi fuori commercio ….) C’è ampio margine per aggiornare contenuti e materiale di laboratorio, mantenedo l’attuale impostazione “classica” del corso. Tutto (o quasi) quanto fatto a esercitazione può essere studiato con versioni “student” (freeware) di elementari emulatori di dispositivi (Pspice, Logic Works, …. ) Sono utili strumenti di complemento, ma, secondo me, non basterebbero da soli alla formazione sui problemi hardware che si possono incontrare. Un approccio più “attraente” potrebbe essere l’utilizzo in ciascuna postazione e per tutto il ciclo delle esercitazioni di una FPGA (Field Programmable Gate-Array) a basso costo (es. Xilinx Artix-7 o Altera Cyclone-IV) con cui implementare tutti i circuiti digitali proposti; opzione da studiare bene, bisogna evitare di ridurre il tutto al solo apprendimento dei linguaggi di programmazione (VHDL e simili) Tempi di attuazione del programma in un modulo semestrale e costi di adegumento dei laboratori sono altri parametri che incidono sulle scelte. 30/03/2012 F.Scuri - Corso di Elettronica digitale

5 Due commenti finali a cui tengo molto 30/03/2012 F.Scuri - Corso di Elettronica digitale

5 Due commenti finali a cui tengo molto Qualunque sia l’approccio all’organizzazione del corso, ci sono due aspetti fondamentali per il successo formativo: 30/03/2012 F.Scuri - Corso di Elettronica digitale

5 Due commenti finali a cui tengo molto Qualunque sia l’approccio all’organizzazione del corso, ci sono due aspetti fondamentali per il successo formativo di cui si è tenuto conto negli ultimi anni: La qualità delle relazioni sulle esperienze di laboratorio: lo scopo è l’insegnamento dell’organizzazione e della scrittura di un documento scientifico: chiarezza, sintesi e prorietà di linguaggio sono i requisiti necessari. 30/03/2012 F.Scuri - Corso di Elettronica digitale

5 Due commenti finali a cui tengo molto Qualunque sia l’approccio all’organizzazione del corso, ci sono due aspetti fondamentali per il successo formativo di cui si è tenuto conto negli ultimi anni: La qualità delle relazioni sulle esperienze di laboratorio: lo scopo è l’insegnamento dell’organizzazione e della scrittura di un documento scientifico: chiarezza, sintesi e prorietà di linguaggio sono i requisiti necessari. Per ottenere questo le relazioni vengono corrette e ampiamente commentate quasi in tempo reale; gli studenti hanno modo di applicare nell’elaborato successivo le correzioni all’elaborato precedente. 30/03/2012 F.Scuri - Corso di Elettronica digitale

5 Due commenti finali a cui tengo molto Qualunque sia l’approccio all’organizzazione del corso, ci sono due aspetti fondamentali per il successo formativo di cui si è tenuto conto negli ultimi anni: La qualità delle relazioni sulle esperienze di laboratorio: lo scopo è l’insegnamento dell’organizzazione e della scrittura di un documento scientifico: chiarezza, sintesi e prorietà di linguaggio sono i requisiti necessari. Per ottenere questo le relazioni vengono corrette e ampiamente commentate quasi in tempo reale; gli studenti hanno modo di applicare nell’elaborato successivo le correzioni all’elaborato precedente. Il metodo funziona, vedere per credere; si confrontino la prima e l’ultima relazione di un gruppo qualsiasi, i progressi sono evidenti. 30/03/2012 F.Scuri - Corso di Elettronica digitale

5 Due commenti finali a cui tengo molto Qualunque sia l’approccio all’organizzazione del corso, ci sono due aspetti fondamentali per il successo formativo di cui si è tenuto conto negli ultimi anni: La qualità delle relazioni sulle esperienze di laboratorio: lo scopo è l’insegnamento dell’organizzazione e della scrittura di un documento scientifico: chiarezza, sintesi e prorietà di linguaggio sono i requisiti necessari. Per ottenere questo le relazioni vengono corrette e ampiamente commentate quasi in tempo reale; gli studenti hanno modo di applicare nell’elaborato successivo le correzioni all’elaborato precedente. Il metodo funziona, vedere per credere; si confrontino la prima e l’ultima relazione di un gruppo qualsiasi, i progressi sono evidenti. Deve passare il messaggio che non è tanto importante ottenere i risultati attesi, ma che è più utile imparare i criteri di diagnostica quando le cose non funzionano. Questo si ottiene solo con un contatto continuo alla postazione di lavoro di ciascun studente con docente e assistenti. 30/03/2012 F.Scuri - Corso di Elettronica digitale

5 Due commenti finali a cui tengo molto Qualunque sia l’approccio all’organizzazione del corso, ci sono due aspetti fondamentali per il successo formativo di cui si è tenuto conto negli ultimi anni: La qualità delle relazioni sulle esperienze di laboratorio: lo scopo è l’insegnamento dell’organizzazione e della scrittura di un documento scientifico: chiarezza, sintesi e prorietà di linguaggio sono i requisiti necessari. Per ottenere questo le relazioni vengono corrette e ampiamente commentate quasi in tempo reale; gli studenti hanno modo di applicare nell’elaborato successivo le correzioni all’elaborato precedente. Il metodo funziona, vedere per credere; si confrontino la prima e l’ultima relazione di un gruppo qualsiasi, i progressi sono evidenti. Deve passare il messaggio che non è tanto importante ottenere i risultati attesi, ma che è più utile imparare i criteri di diagnostica quando le cose non funzionano. Questo si ottiene solo con un contatto continuo alla postazione di lavoro di ciascun studente con docente e assistenti. == > Se il numero di iscritti supera le 25-30 unità, il corso va sdoppiato. 10 gruppi da tre studenti è il massimo che docente e assistenti possono proficuamente “gestire” nell’ottica sopra descritta. 30/03/2012 F.Scuri - Corso di Elettronica digitale

5 Due commenti finali a cui tengo molto Grazie per l’attenzione ! Qualunque sia l’approccio all’organizzazione del corso, ci sono due aspetti fondamentali per il successo formativo di cui si è tenuto conto negli ultimi anni: La qualità delle relazioni sulle esperienze di laboratorio: lo scopo è l’insegnamento dell’organizzazione e della scrittura di un documento scientifico: chiarezza, sintesi e prorietà di linguaggio sono i requisiti necessari. Per ottenere questo le relazioni vengono corrette e ampiamente commentate quasi in tempo reale; gli studenti hanno modo di applicare nell’elaborato successivo le correzioni all’elaborato precedente. Il metodo funziona, vedere per credere; si confrontino la prima e l’ultima relazione di un gruppo qualsiasi, i progressi sono evidenti. Deve passare il messaggio che non è tanto importante ottenere i risultati attesi, ma che è più utile imparare i criteri di diagnostica quando le cose non funzionano. Questo si ottiene solo con un contatto continuo alla postazione di lavoro di ciascun studente con docente e assistenti. == > Se il numero di iscritti supera le 25-30 unità, il corso va sdoppiato. 10 gruppi da tre studenti è il massimo che docente e assistenti possono proficuamente “gestire” nell’ottica sopra descritta. Grazie per l’attenzione ! 30/03/2012 F.Scuri - Corso di Elettronica digitale