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B010766 - PROGETTO DI SISTEMI DIGITALI
Principali informazioni
Lingua Insegnamento
Contenuto del corso
Libri di testo consigliati
Obiettivi Formativi
Prerequisiti
Metodi Didattici
Altre Informazioni
Modalità di verifica apprendimento
Programma del corso
Anno Accademico 2015-16
Coorte 2014 - Laurea Magistrale in INGEGNERIA ELETTRONICA
Anno di corso
Secondo Anno - Secondo Semestre
Dipartimento di Afferenza
Ingegneria dell'Informazione
Tipo insegnamento
Attività formativa monodisciplinare
Settore Scientifico disciplinare
ING-INF/01 - ELETTRONICA
Crediti Formativi
9
Ore Didattica
72
Periodo didattico
01/03/2016 ⇒ 10/06/2016
Frequenza Obbligatoria
No
Tipo Valutazione
Voto Finale
Contenuto del corso
mostra
Programma del corso
mostra
Docenza
Lingua Insegnamento
Italiano
Contenuto del corso
Il corso affronta i problemi di progetto di sistemi digitali ad alta velocità, occupandosi sia di dispositivi che della loro interconnessione, attraverso esempi ed esercitazioni di laboratorio.
Argomenti trattati: Sistemi di acquisizione e sintesi di segnali, linee di trasmissione; rumore nei circuiti digitali, progetto dei circuiti stampati. Metastabilità, distribuzione di clock. Architettura, caratteristiche e programmazione di FPGA (VHDL) e DSP.
Argomenti trattati: Sistemi di acquisizione e sintesi di segnali, linee di trasmissione; rumore nei circuiti digitali, progetto dei circuiti stampati. Metastabilità, distribuzione di clock. Architettura, caratteristiche e programmazione di FPGA (VHDL) e DSP.
Libri di testo consigliati (Cerca nel catalogo della biblioteca)
T.Gramberg, Handbook of Digital Techniques for High-speed design, Prentice Hall, 2004
Tocci, Widmer, Digital Systems: Principles and Applications, 8-th Edition, Prentice-Hall, 2000.
J.E.Buchanan, Signal and Power Integrity in Digital Systems, Mcgraw-Hill, 1995.
H.W. Johnson, M.Graham, High-Speed digital design, Prentice-Hall, 1993.
Dispense del corso fornite dai docenti.
Data sheets e Note Applicative relative a dispositivi commerciali di riferimento.
Software CAD per programmazione di DSP e CPLD/FPGA: Code Composer (Texas Instruments) e QuartusII (Altera).
Tocci, Widmer, Digital Systems: Principles and Applications, 8-th Edition, Prentice-Hall, 2000.
J.E.Buchanan, Signal and Power Integrity in Digital Systems, Mcgraw-Hill, 1995.
H.W. Johnson, M.Graham, High-Speed digital design, Prentice-Hall, 1993.
Dispense del corso fornite dai docenti.
Data sheets e Note Applicative relative a dispositivi commerciali di riferimento.
Software CAD per programmazione di DSP e CPLD/FPGA: Code Composer (Texas Instruments) e QuartusII (Altera).
Obiettivi Formativi
Il corso si propone di fornire le basi necessarie ad affrontare il progetto di moderni sistemi digitali per acquisizione e sintesi di segnali, elaborazione dati e controllo di processi. Verranno illustrate le caratteristiche operative e funzionali di alcuni dispositivi avanzati di riferimento, e saranno in particolare analizzate le tecniche di progetto basate su DSP e circuiti logici programmabili (CPLD, FPGA).
Lo studente sarà in grado di dimensionare sistemi di conversione AD e DA, scegliere l'architettura ed dispositivi più adatti leggendone i data-sheet, affrontare problemi di temporizzazione, integrità del segnale e lay-out. Lo studente saprà inoltre orientarsi fra i circuiti programmabili venendo a conoscenza dell'uso dei relativi CAD e linguaggi di programmazione.
Nell'ambito di una serie di esercitazioni sperimentali di laboratorio, delle quali e' raccomandata la frequenza, gli studenti cureranno il test e la successiva ottimizzazione di un completo sistema di elaborazione di segnali, basato su DSP, FPGA e dispositivi analogico-digitali.
Saper individuare gli aspetti critici del progetto di un sistema digitale.
Saper valutare la corretta temporizzazione di un circuito digitale, e stimare le relative prestazioni ottenibili in termini di velocità.
Saper interpretare correttamente le principali caratteristiche di un componente digitale specificate nei data sheets.
Saper lavorare con circuiti programmabili come DSP e FPGA.
Lo studente sarà in grado di dimensionare sistemi di conversione AD e DA, scegliere l'architettura ed dispositivi più adatti leggendone i data-sheet, affrontare problemi di temporizzazione, integrità del segnale e lay-out. Lo studente saprà inoltre orientarsi fra i circuiti programmabili venendo a conoscenza dell'uso dei relativi CAD e linguaggi di programmazione.
Nell'ambito di una serie di esercitazioni sperimentali di laboratorio, delle quali e' raccomandata la frequenza, gli studenti cureranno il test e la successiva ottimizzazione di un completo sistema di elaborazione di segnali, basato su DSP, FPGA e dispositivi analogico-digitali.
Saper individuare gli aspetti critici del progetto di un sistema digitale.
Saper valutare la corretta temporizzazione di un circuito digitale, e stimare le relative prestazioni ottenibili in termini di velocità.
Saper interpretare correttamente le principali caratteristiche di un componente digitale specificate nei data sheets.
Saper lavorare con circuiti programmabili come DSP e FPGA.
Prerequisiti
Circuiti elettronici elementari: ELETTRONICA GENERALE, ELETTRONICA APPLICATA
Circuiti logici di base, espressioni logiche elementari:
ELETTRONICA DIGITALE, ELETTRONICA DEI SISTEMI DIGITALI
Circuiti logici di base, espressioni logiche elementari:
ELETTRONICA DIGITALE, ELETTRONICA DEI SISTEMI DIGITALI
Metodi Didattici
Lezioni ex cathedra
Esercitazioni e relativo sostegno
Attività di laboratorio
Seminari esterni
Esercitazioni e relativo sostegno
Attività di laboratorio
Seminari esterni
Altre Informazioni
L'esame completo corrisponde a 9 CFU. Per gli studenti provenienti da Corsi di Laurea diversi dal Corso di Laurea Magistrale in Ingegneria Elettronica, il programma può essere ridotto a 6 CFU, essendo limitato alle parti 1, 3 e 4 del programma esteso, e alle esercitazioni di laboratorio.
Modalità di verifica apprendimento
L'esame consiste in una prova orale. La prova orale può essere sostituita da una prova scritta di esonero sostenute a fine corso.
Programma del corso
1. Sistemi di conversione A/D e D/A per acquisizione e sintesi di segnali
Componenti elettronici avanzati impiegati nella conversione digitale-analogica. Interruttori CMOS, moltiplicatori D/A, sintetizzatori digitali.
Componenti elettronici avanzati impiegati nella conversione analogico-digitale. Parametri dinamici significativi nei circuiti Track & Hold e nei convertitori A/D Sigma-Delta, flash, subranging e pipeline. Tecniche sperimentali per valutare le prestazioni statiche e dinamiche di un sistema di conversione. Numero effettivo di bit.
2. Problematiche di progetto di sistemi digitali ad alta velocità
Linee di trasmissione digitali: impedenze tipiche, meccanismi di riflessione, diagrammi di Bergeron, terminazioni. Rumore di commutazione e forward/reverse cross-talk: cause, effetti, contromisure. Influenza del "package". Problemi di "lay-out", criteri di progetto dei circuiti stampati.
Valutazione delle massime frequenze operative nei sistemi digitali. Sistemi sincroni: distribuzione di clock, clock "skew".
3. Progetto di circuiti digitali programmabili
DSP: Richiami sul funzionamento di una CPU. CPU con architetture specializzate e caratteristiche essenziali di un DSP. Approfondimento su un DSP di riferimento: architettura, temporizzazioni ed esempi di interfacciamento. Ambiente di sviluppo.
FPGA: Richiami di reti logiche: algebra booleana; analisi e sintesi di circuiti combinatori e sequenziali. Accenni all'architettura di PROM, PAL, CPLD, e architettura dettagliata delle FPGA. Analisi di un dispositivo commerciale. Linguaggio VHDL: Strutture principali, descrizione di circuiti combinatori e macchine a stati. CAD applicati ai circuiti programmabili: Tecnica di progetto Top-Down, Schematic Entry, Simulazione, Fitting, Configurazione. Ambiente di sviluppo Quartus II di Altera.
4. Esempio: Progetto di un sistema digitale per uso biomedicale
Sarà illustrato, a titolo di esempio, il progetto di un sistema biomedicale, a partire dalle previste modalità di funzionamento e le relative specifiche, fino alla realizzazione su circuito stampato e il test.
Le lezioni potranno essere integrate da seminari a carattere applicativo tenuti da esperti nel settore dell'elettronica digitale
Esercitazioni di laboratorio:
Le esercitazioni saranno organizzate dividendo gli studenti in gruppi.
Ciascun gruppo dovrà, sulla base delle specifiche assegnate, progettare e realizzare un completo sistema hardware e software di elaborazione di segnali. Il sistema sarà composto da un scheda elettronica realizzata in laboratorio, da interfacciare ad altre due schede basate su DSP e CPLD e controllate tramite un opportuno ambiente di sviluppo integrato (IDE). Gli studenti affronteranno problematiche quali: funzionamento di un emulatore, interfaccia tra PC e DSP, interfaccia tra DSP e dispositivi ad esso connessi, progettazione di codice VHDL per programmazione di CPLD, sviluppo di codice C/ASM per il DSP.
Componenti elettronici avanzati impiegati nella conversione digitale-analogica. Interruttori CMOS, moltiplicatori D/A, sintetizzatori digitali.
Componenti elettronici avanzati impiegati nella conversione analogico-digitale. Parametri dinamici significativi nei circuiti Track & Hold e nei convertitori A/D Sigma-Delta, flash, subranging e pipeline. Tecniche sperimentali per valutare le prestazioni statiche e dinamiche di un sistema di conversione. Numero effettivo di bit.
2. Problematiche di progetto di sistemi digitali ad alta velocità
Linee di trasmissione digitali: impedenze tipiche, meccanismi di riflessione, diagrammi di Bergeron, terminazioni. Rumore di commutazione e forward/reverse cross-talk: cause, effetti, contromisure. Influenza del "package". Problemi di "lay-out", criteri di progetto dei circuiti stampati.
Valutazione delle massime frequenze operative nei sistemi digitali. Sistemi sincroni: distribuzione di clock, clock "skew".
3. Progetto di circuiti digitali programmabili
DSP: Richiami sul funzionamento di una CPU. CPU con architetture specializzate e caratteristiche essenziali di un DSP. Approfondimento su un DSP di riferimento: architettura, temporizzazioni ed esempi di interfacciamento. Ambiente di sviluppo.
FPGA: Richiami di reti logiche: algebra booleana; analisi e sintesi di circuiti combinatori e sequenziali. Accenni all'architettura di PROM, PAL, CPLD, e architettura dettagliata delle FPGA. Analisi di un dispositivo commerciale. Linguaggio VHDL: Strutture principali, descrizione di circuiti combinatori e macchine a stati. CAD applicati ai circuiti programmabili: Tecnica di progetto Top-Down, Schematic Entry, Simulazione, Fitting, Configurazione. Ambiente di sviluppo Quartus II di Altera.
4. Esempio: Progetto di un sistema digitale per uso biomedicale
Sarà illustrato, a titolo di esempio, il progetto di un sistema biomedicale, a partire dalle previste modalità di funzionamento e le relative specifiche, fino alla realizzazione su circuito stampato e il test.
Le lezioni potranno essere integrate da seminari a carattere applicativo tenuti da esperti nel settore dell'elettronica digitale
Esercitazioni di laboratorio:
Le esercitazioni saranno organizzate dividendo gli studenti in gruppi.
Ciascun gruppo dovrà, sulla base delle specifiche assegnate, progettare e realizzare un completo sistema hardware e software di elaborazione di segnali. Il sistema sarà composto da un scheda elettronica realizzata in laboratorio, da interfacciare ad altre due schede basate su DSP e CPLD e controllate tramite un opportuno ambiente di sviluppo integrato (IDE). Gli studenti affronteranno problematiche quali: funzionamento di un emulatore, interfaccia tra PC e DSP, interfaccia tra DSP e dispositivi ad esso connessi, progettazione di codice VHDL per programmazione di CPLD, sviluppo di codice C/ASM per il DSP.