Introduzione ai Circuiti Digitali PDF

Introduzione ai circuiti digitali Fondamenti di Elettronica per l’Automazione Alberto Maria Angelotti Dipartimento di Ingegneria dell’Energia Elettrica e dell’Informazione Università di Bologna Febbraio 2024 Segnali Segnale...

Introduzione ai circuiti digitali Fondamenti di Elettronica per l’Automazione Alberto Maria Angelotti Dipartimento di Ingegneria dell’Energia Elettrica e dell’Informazione Università di Bologna Febbraio 2024 Segnali Segnale Qualunque grandezza fisica variabile nel tempo che, per natura o convenzione porta informazione. ▶ L’associazione del concetto astratto di informazione ad un supporto fisico di natura arbitraria avviene per poterla elaborare e trasferire in modo controllato ed efficiente da una sorgente ad un utilizzatore ▶ Esempi: segnali biologici, segnali acustici, segnali ottici Elettronica Elettronica Disciplina che si occupa di acquisire, elaborare, trasformare, trasmettere l’informazione vericolata da segnali elettrici (es. tensioni V(t), correnti I(t), cariche Q(t), potenze elettriche P(t)). ▶ I segnali elettrici sono di solito originati da segnali di altra natura e dopo essere elaborati, sono spesso destinati a produrre segnali di natura ancora diversa ▶ Gli apparati che trasformano la natura fisica di un segnale sono detti trasduttori ▶ sensori: dispositivi in grado di rilevare una grandezza, interagendo con essa, ricevendone energia e modificando il proprio stato (variando una sua proprietà) ▶ attuatori: attuatori: dispositivi che trasformano l’energia associata al segnale di controllo in una azione fisica Sistemi elettronici ▶ Diffusione dell’elettronica nel veicolare l’informazione ▶ Disponibilità di trasduttori da vari domini fisici a quello elettrico (es. telecamere, motori elettrici, sensori di pressione, schermi). ▶ Semplicità, affidabilità e velocità dell’elaborazione dei segnali elettrici con circuiti e sistemi opportuni Sistemi Elettronici Sistemi per la trasformazione, elaborazione e controllo dell’informazione sotto forma di segnali elettrici ▶ Grande varietà di tipologie, prestazioni, obbiettivi e vincoli ▶ Utilizzati in tutti i settori della societá (computer, telecomunicazioni, automazione, strumentazione, trasporti) ▶ Composti da blocchi funzionali che sono circuiti elettronici (più o meno complicati) contentenenti componenti attivi (transistori)/passivi (R, L, C, diodi, interconnessioni) Alternative ai sistemi elettronici ▶ Sistemi Idraulici: https://www.youtube.com/watch? v=IxXaizglscw&t=885s ▶ Sistemi Meccanici: ▶ Leve/Ingranaggi: https://en.wikipedia.org/ wiki/Analytical_Engine ▶ Biglie (?): https://www.youtube. com/watch?v=8BOvLL8ok8I ▶ Sistemi Elettro-meccanici: https://en.wikipedia.org/wiki/ Z3_(computer) Babbage Analytical Engine 1837 Classificazione dei segnali ▶ Tempo: ▶ Tempo-continui: l’informazione é portata in maniera continua nel tempo ▶ Tempo-discreti: l’informazione é portata dal segnale soltanto in specifici istanti di tempo (campionamento) ▶ Valori: ▶ Continui nei valori: l’informazione é contenuta nel valore continuo dell’ampiezza del segnale ▶ Discreti nei valori: l’informazione é contenuta nell’appartenenza del segnale a un certo range di valori ▶ Segnale Analogico: tempo-continui e continui nei valori. Funzione continua del tempo x(t). ▶ Segnale Digitale: tempo-discreti e discreti nei valori. Sequenza numerica x[n]. ▶ Situazioni ibride (PWM, sigma-delta, sample and hold) ▶ NB: Classificazione dell’aspetto più rilevante per l’informazione: tutte le grandezze fisiche sono analogiche. Classificazione dei sistemi elettronici ▶ Sistemi Analogici: elaborano segnali analogici ▶ Sistemi Digitali: elaborano segnali digitali ▶ Sistemi Mixed-Signal: elaborano segnali analogici E digitali Elaborazione Analogica Segnale Circuiti Analogici (filtri, Segnale Sensore amplificatori, opamp) Attuatore Fisico Fisico Elaborazione Digitale Circuiti Digitali Segnale (ALU, registri, Segnale Sensore ADC DAC Attuatore Fisico memorie) Fisico Criticità del segnale analogico ▶ L’informazione è veicolata dal valore di ampiezza del segnale ▶ Oltre al valore desiderato, sono presenti contributi indesiderati y (t) = s(t) + d(t) ▶ s(t) valore atteso del segnale ▶ d(t) componenti di disturbo sul segnale ▶ Nel caso analogico, non è in generale possibile separare perfettamente il contributo informativo desiderato dalle componenti di disturbo ▶ Corruzione dell’informazione analogica Contributi di disturbo sui segnali analogici ▶ presenza di rumore nei dispositivi elettronici (stocastica) ▶ distorsione di non-linearità a causa delle caratteristiche dei dispositivi ▶ distorsione lineare quando la funzione di trasferimento (risposta armonica) H(ω) = M(ω)e jϕ(ω) non soddisfa le condizioni M(ω) = const, ϕ(ω) = lineare ▶ Imperfetta realizzazione dei componenti dei circuiti (mismatch e tolleranze) ▶ Interferenze elettromagnetiche provenienti da altre parti del circuito, altri circuiti, fenomeni fisici La soluzione digitale ▶ Non interessa la forma d’onda del segnale come funzione del tempo, ma solo l’appartenenza (o meno) del segnale in una certa fascia di valori ▶ Nel caso di logica binaria si considerano esclusivamente livelli alti (1) e bassi (0). ▶ Altre soluzioni possibili, ma semplice ed efficace V (Volt) 3.3 1 (vero) 2.2 1.1 0 (falso) 0 Vantaggi e svantaggi dell’elaborazione digitale Vantaggi ▶ Immunità ai disturbi all’interno della fascia di valori consentiti ▶ Elaborazione semplificata (non mi interessa il valore preciso) e robusta Svantaggi ▶ Perdita di contenuto informativo: discretizzazione temporale (Teorema del Campionamento di Shannon) e delle ampiezza (Quantizzazione) ▶ I segnali fisici di IO sono spesso analogici, è necessaria una conversione tra i domini ▶ Elaborazioni di segnali a frequenze molto elevate o ad ampiezze molto piccolo richiedono approccio analogico Rappresentazione Binaria ▶ Ciascun simbolo binario (0 o 1) è associato a un intervallo di valori di tensione (o un’altra grandezza fisica) V (Volt) ▶ L’associazione è arbitraria in generale, ma spesso 3.3 1→tensioni alte e 0→tensioni basse 1 (vero) ▶ I due intervalli sono separati da un intervallo proibito di 2.2 valori che non dovrebbe mai essere raggiunto (ma solo attraversato transitoriamente) 1.1 0 (falso) ▶ Il valore digitale è alterato solo se i disturbi siano di 0 ampiezza tale da far variare la tensione da un intervallo all’altro Rappresentazione Binaria ▶ La rappresentazione binaria è un’astrazione logica che nasconde i dettagli fisici (il segnale elettrico è analogico) ▶ Le operazioni sull’informazione binaria seguono le operazioni logiche dell’algebra di Boole (AND, OR, NOT...) ▶ L’uso di due soli simboli semplifica la realizzazione dei circuiti (non unica soluzione possibile) grazie all’immunità ai disturbi Caratteristiche dei sistemi digitali ▶ Programmabilità (reti logiche, calcolatori elettronici, memorie) ▶ Versatilità e reconfigurabilità per diverse applicazioni ▶ Precisione, robustezza e accuratezza (minore effetto di disturbi/non idealità rispetto al caso analogico) ▶ Integrabilità: possibilità ad essere realizzati in forma miniaturizzata grazie alla tecnologia dei semiconduttori ▶ Costo (non è direttamente proporzionale al numero di componenti nel circuito, alta integrazione e volumi riducono il costo) ▶ Semplicità e scalabilità nella progettazione e debugging (sono importanti i valori logici delle grandezze, non quelli fisici) ▶ Velocità di elaborazione Gerarchia dei sistemi digitali