Laboratorio di Elettronica

Esci dai Frame

LABORATORIO DI ELETTRONICA

Programma del Corso

RICHIAMI SUI SEGNALI E SISTEMI TEMPO-DISCRETI
Campionamento di un segnale continuo. Quantizzazione. Sequenze e sistemi tempo-discreti lineari stazionari. Risposta impulsiva. Convoluzione. Trasformata di Fourier di una sequenza. Funzione di trasferimento di un sistema tempo-discreto. Relazione tra spettri di segnali continui e tempo-discreti, aliasing. Teorema del campionamento. Esempi di sistemi passa-basso, passa-alto, passa-banda, elimina-banda. Trasformazioni da passa-basso a passa-alto, passa-banda, elimina-banda. Architettura del processo di elaborazione digitale.
Sequenze e sistemi bidimensionali. Funzione di trasferimento bidimensionale e separabile. Trasformata Z di una sequenza. Sequenze di durata finita. Trasformata di Fourier discreta (DFT). Correlazione e autocorrelazione. Sistemi definiti da un’equazione alle differenze. Filtri FIR e IIR.
CALCOLO DELLA DFT. Complessità di calcolo. Algoritmo di calcolo basato sulla decimazione nel tempo. Trasformata di Fourier veloce (FFT). Divisione di una sequenza in una sequenza pari e una dispari. Struttura di calcolo a farfalla. Inversione dei bit. Trasformata di Fourier inversa. Analisi spettrale tramite FFT.
FILTRI DIGITALI FIR. Progetto di un filtro FIR in forma non ricorsiva. Risposta lineare di fase e sue implicazioni. Filtri a simmetria pari, dispari, positiva e negativa. Specifiche di un filtro FIR. Metodi di calcolo dei coefficenti di un filtro FIR. Metodo della finestra. Funzioni finestra più comuni: rettangolare, di Hanning, di Hamming, di Kaiser, di Blackman. Esempi di progetto. Trasformazioni da passa-basso a passa-alto. Strutture dei filtri FIR: trasversale e a fase lineare.
FILTRI DIGITALI IIR. Specifiche di un filtro IIR. Metodi di calcolo dei coefficenti di un filtro IIR. Conversione di filtri analogici in equivalenti filtri digitali. Metodo della trasformata Z bilineare. Filtri analogici più comuni: filtro di Butterworth, di Chebyshev, ellittico. Progetto di filtri passa-alto, passa-banda ed elimina-banda a partire da un filtro passa-basso. Strutture dei filtri IIR del secondo ordine: diretta e canonica. Strutture in cascata e parallela per filtri di ordine superiore al secondo.
Effetto della lunghezza finita dei registri: rumore di quantizzazione, quantizzazione dei coefficenti del filtro, errori di arrotondamento nel prodotto, errori di overflow nella somma e scalatura dei coefficenti. Applicazioni dei filtri FIR e IIR. Implementazione dei filtri FIR e IIR in un DSP.

DIGITAL SIGNAL PROCESSORS
Operazioni fondamentali di un processore digitale programmabile: somma, prodotto, ritardo. Famiglie di processori digitali programmabili: microcontrollori, microprocessori, digital signal processors. Architetture hardware: Von Neumann, Harvard, Harvard modificata. La famiglia Texas Instruments TMS320. La serie TMS320C5X. Il DSP TMS320C5402: prestazioni, architettura, periferiche on chip, bus, memorie, CPU, indirizzamento dei dati, indirizzamento della memoria di programma, pipeline di un’istruzione.
La scheda di sviluppo DSP Starter Kit (DSK) del DSP TMS320C5402. Descrizione dell’architettura hardware.
Il software Code Composer Studio: progettazione in linguaggio C, compilazione, esecuzione, debugging.
Librerie in assembler per il DSP TMS320C5402: filtri FIR, filtri IIR, FFT, intercorrelazione, autocorrelazione, ecc.
Uso del Simulink di Matlab per progettare un sistema di elaborazione numerica e generare codici per DSP.
Esercitazioni di laboratorio con la DSK del TMS320C5402: connessione al PC, accensione e reset, codifica di un segnale audio analogico con il codec della scheda, programmazione delle periferiche, filtraggio digitale di un segnale audio, intercorrelazione e autocorrelazione di segnali audio.

SINTESI DI CIRCUITI LOGICI
Porte logiche, circuiti digitali di tipo combinatorio. Sintesi di un circuito.
Flip-flop, registri a scorrimento, sommatori, moltiplicatori.
Memorie: RAM statiche (SRAM) e dinamiche (DRAM), ROM, PROM, EPROM,EEPROM, FLASH.
Macchine sequenziali a stati finiti. Macchine di Mealy e di Moore. Sintesi del circuito di una macchina sequenziale.
Descrizione dell'architettura di alcune famiglie di dispositivi elettronici programmabili: PROM, PLA, CPLD, FPGA (Altera, Actel, Xilinx).
Approfondimento delle caratteristiche delle FPGA Xilinx. Matrice di blocchi logici configurabili (CLB). Diagramma logico di una CLB: blocchi logici, flip-flop, latch. Set/reset. Clock. Configurazione di memorie RAM tramite celle CLB: accesso single-port e dual-port. Blocchi di Input/Output (IOB). Interfacciamento di I/O. Buffer three-state. Matrice di interconnessione programmabile, CLB routing, IOB routing, Global routing. Buffer globali. Configurazione del dispositivo. Programmazione della PROM. Power-up del dispositivo: sequenza di configurazione, caricamento del programma da PC (seriale) o da memoria interna PROM. Specifiche dei dispositivi della serie XC4000E.
Programmazione di una FPGA: simulazione ed implementazione di un circuito logico su un FPGA Xilinx utilizzando il software di sintesi FOUNDATION 3.1i. Schematic design tool e HDL design tool. Simulation Tool, Implementation Tool.
Il linguaggio VHDL per la sintesi di un circuito logico. Descrizione e simulazione di un blocco funzionale con architettura di tipo strutturale e comportamentale. Strutture sequenziali e concorrenti. Tipi di dati. Funzioni e procedure.
Sintesi VHDL di logica combinatoria, flip/flop, registri, memorie RAM, pipeline.
Sintesi VHDL di un blocco sequenziale. Esempio di sintesi di un microprocessore.
Esercitazioni di laboratorio con il software FOUNDATION 3.1i per FPGA Xilinx: sintesi schematica e VHDL, simulazione funzionale e di timing, implementazione di circuiti logici, connessione al PC della scheda di sviluppo Xilinx, trasferimento configurazione, debugging.

	LABORATORIO DI ELETTRONICA

Programma del Corso

RICHIAMI SUI SEGNALI E SISTEMI TEMPO-DISCRETI Campionamento di un segnale continuo. Quantizzazione. Sequenze e sistemi tempo-discreti lineari stazionari. Risposta impulsiva. Convoluzione. Trasformata di Fourier di una sequenza. Funzione di trasferimento di un sistema tempo-discreto. Relazione tra spettri di segnali continui e tempo-discreti, aliasing. Teorema del campionamento. Esempi di sistemi passa-basso, passa-alto, passa-banda, elimina-banda. Trasformazioni da passa-basso a passa-alto, passa-banda, elimina-banda. Architettura del processo di elaborazione digitale. Sequenze e sistemi bidimensionali. Funzione di trasferimento bidimensionale e separabile. Trasformata Z di una sequenza. Sequenze di durata finita. Trasformata di Fourier discreta (DFT). Correlazione e autocorrelazione. Sistemi definiti da un’equazione alle differenze. Filtri FIR e IIR. CALCOLO DELLA DFT. Complessità di calcolo. Algoritmo di calcolo basato sulla decimazione nel tempo. Trasformata di Fourier veloce (FFT). Divisione di una sequenza in una sequenza pari e una dispari. Struttura di calcolo a farfalla. Inversione dei bit. Trasformata di Fourier inversa. Analisi spettrale tramite FFT. FILTRI DIGITALI FIR. Progetto di un filtro FIR in forma non ricorsiva. Risposta lineare di fase e sue implicazioni. Filtri a simmetria pari, dispari, positiva e negativa. Specifiche di un filtro FIR. Metodi di calcolo dei coefficenti di un filtro FIR. Metodo della finestra. Funzioni finestra più comuni: rettangolare, di Hanning, di Hamming, di Kaiser, di Blackman. Esempi di progetto. Trasformazioni da passa-basso a passa-alto. Strutture dei filtri FIR: trasversale e a fase lineare. FILTRI DIGITALI IIR. Specifiche di un filtro IIR. Metodi di calcolo dei coefficenti di un filtro IIR. Conversione di filtri analogici in equivalenti filtri digitali. Metodo della trasformata Z bilineare. Filtri analogici più comuni: filtro di Butterworth, di Chebyshev, ellittico. Progetto di filtri passa-alto, passa-banda ed elimina-banda a partire da un filtro passa-basso. Strutture dei filtri IIR del secondo ordine: diretta e canonica. Strutture in cascata e parallela per filtri di ordine superiore al secondo. Effetto della lunghezza finita dei registri: rumore di quantizzazione, quantizzazione dei coefficenti del filtro, errori di arrotondamento nel prodotto, errori di overflow nella somma e scalatura dei coefficenti. Applicazioni dei filtri FIR e IIR. Implementazione dei filtri FIR e IIR in un DSP. DIGITAL SIGNAL PROCESSORS Operazioni fondamentali di un processore digitale programmabile: somma, prodotto, ritardo. Famiglie di processori digitali programmabili: microcontrollori, microprocessori, digital signal processors. Architetture hardware: Von Neumann, Harvard, Harvard modificata. La famiglia Texas Instruments TMS320. La serie TMS320C5X. Il DSP TMS320C5402: prestazioni, architettura, periferiche on chip, bus, memorie, CPU, indirizzamento dei dati, indirizzamento della memoria di programma, pipeline di un’istruzione. La scheda di sviluppo DSP Starter Kit (DSK) del DSP TMS320C5402. Descrizione dell’architettura hardware. Il software Code Composer Studio: progettazione in linguaggio C, compilazione, esecuzione, debugging. Librerie in assembler per il DSP TMS320C5402: filtri FIR, filtri IIR, FFT, intercorrelazione, autocorrelazione, ecc. Uso del Simulink di Matlab per progettare un sistema di elaborazione numerica e generare codici per DSP. Esercitazioni di laboratorio con la DSK del TMS320C5402: connessione al PC, accensione e reset, codifica di un segnale audio analogico con il codec della scheda, programmazione delle periferiche, filtraggio digitale di un segnale audio, intercorrelazione e autocorrelazione di segnali audio. SINTESI DI CIRCUITI LOGICI Porte logiche, circuiti digitali di tipo combinatorio. Sintesi di un circuito. Flip-flop, registri a scorrimento, sommatori, moltiplicatori. Memorie: RAM statiche (SRAM) e dinamiche (DRAM), ROM, PROM, EPROM,EEPROM, FLASH. Macchine sequenziali a stati finiti. Macchine di Mealy e di Moore. Sintesi del circuito di una macchina sequenziale. Descrizione dell'architettura di alcune famiglie di dispositivi elettronici programmabili: PROM, PLA, CPLD, FPGA (Altera, Actel, Xilinx). Approfondimento delle caratteristiche delle FPGA Xilinx. Matrice di blocchi logici configurabili (CLB). Diagramma logico di una CLB: blocchi logici, flip-flop, latch. Set/reset. Clock. Configurazione di memorie RAM tramite celle CLB: accesso single-port e dual-port. Blocchi di Input/Output (IOB). Interfacciamento di I/O. Buffer three-state. Matrice di interconnessione programmabile, CLB routing, IOB routing, Global routing. Buffer globali. Configurazione del dispositivo. Programmazione della PROM. Power-up del dispositivo: sequenza di configurazione, caricamento del programma da PC (seriale) o da memoria interna PROM. Specifiche dei dispositivi della serie XC4000E. Programmazione di una FPGA: simulazione ed implementazione di un circuito logico su un FPGA Xilinx utilizzando il software di sintesi FOUNDATION 3.1i. Schematic design tool e HDL design tool. Simulation Tool, Implementation Tool. Il linguaggio VHDL per la sintesi di un circuito logico. Descrizione e simulazione di un blocco funzionale con architettura di tipo strutturale e comportamentale. Strutture sequenziali e concorrenti. Tipi di dati. Funzioni e procedure. Sintesi VHDL di logica combinatoria, flip/flop, registri, memorie RAM, pipeline. Sintesi VHDL di un blocco sequenziale. Esempio di sintesi di un microprocessore. Esercitazioni di laboratorio con il software FOUNDATION 3.1i per FPGA Xilinx: sintesi schematica e VHDL, simulazione funzionale e di timing, implementazione di circuiti logici, connessione al PC della scheda di sviluppo Xilinx, trasferimento configurazione, debugging.