Fondamenti di elettronica

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 • 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?

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. VOHmin VIHmin VILmax VOLmax In ogni circuito logico c’è un intervallo di tensioni che è interpretato come uno 0 logico e un altro intervallo, disgiunto, che è interpretato come un uno logico. 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 devono generare tensioni di ouput entro gli intervalli sopra in modo che vengano riconosciute correttamente

12. quarzo Microchip programmabile FPGA connettore a pettine

13. 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 vedere segnali prodotti dalla FPGA Possiamo inviare segnali alla FPGA connettore a pettine

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

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

16. Poggiamo la sonda dell’oscilloscopio al pin 3 dell’oscillatore Poggiamo la massa al pin 2 Provate a poggiare la sonda su un pin di uno di questi chip e a tenerla ferma per più di qualche secondo ... Visualizzazione del segnale di clock o altri segnali Relativamente facile perchè il chip è grande e i pin ben separati Per altri chip può risultare molto difficile

17. 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

18. Segnale di clock inviato al pin 0 del pettine Segnale di clock dall’oscillatore Problema: dobbiamo collegare internamente alla FPGA il pin CLK (pin 79) al pin SPEAR0 (pin 104)  circuito da implementare nella FPGA

19. simulazione funz. design entry no sintesi fitting disegno corretto? si analisi temporale/ simulazione temp. no prestazioni temporali soddisfatte? Progettazione con software CAD Il circuito è specificato in termini di un diagramma schematico o di un linguaggio di programmazione Il circuito è sintetizzato in termini di elementi logici contenuti nel chip  netlist Il circuito è simulato per verificarne la correttezza funzionale Il CAD dispone gli LE definiti nella netlist in LE del chip reale – sceglie anche i fili di connessione fra i vari LE Vengono analizzati i ritardi di propagazione lungo i vari percorsi indicando le prestazioni del circuito

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