Insegnamento mutuato da: B010766 - PROGETTO DI SISTEMI DIGITALI Laurea Magistrale in INGEGNERIA ELETTRONICA
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.
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).
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.
Prerequisiti
Circuiti elettronici elementari: ELETTRONICA GENERALE, ELETTRONICA APPLICATA
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
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 e 3 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.
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.