1 Fondamenti di elettronica Contenuto del corso (sinteticamente): - Circuiti elettronici digitali...
-
Upload
pietro-quarta -
Category
Documents
-
view
228 -
download
2
Transcript of 1 Fondamenti di elettronica Contenuto del corso (sinteticamente): - Circuiti elettronici digitali...
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
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
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)
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 + 1-2 domande veloci (max) alla fine del corso
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 www.altera.com
Permette di implementare i vostri circuiti nella scheda e verificarne il funzionamento!
6
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)!
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
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
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
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?
11
12
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
13
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
14
Funzionamento corretto: deve essere
VOHmin > VIHmin
VOLmax < VILmax
Margini di rumore:
VOHmin - VIHmin
VILmax - VOLmax
VILmax
VIHmin
VOLmax
VOHmin
15
Microchip programmabile FPGAquarzo
connettore a pettine
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
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
18
Disegno “schematico”: FPGA
Clock dall’oscillatore
SPEAR0: collegato al pin0 del connettore a pettine
Collegamento FPGA-pettine: linee SPEAR15, ..., SPEAR0
19
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 ...
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 dell’oscilloscopio
terminale di massa dell’oscilloscopio
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
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
23
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
24
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