Elettronica digitale: pacchetto last-minute

Formulari, i passaggi chiave del metodo per ogni argomento e 6 esercizi, con le soluzioni complete in fondo.

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1Formule e metodi

Sistemi di numerazione

Pesi delle posizioni
binario 2k, ottale 8k, esadecimale 16k
In decimale
Σ dk·bk
Da decimale
dividi per la base e leggi i resti dal basso verso l’alto
Esadecimale ↔ binario
una cifra esadecimale = 4 bit
Complemento a due
inverti i bit e aggiungi 1

Logica digitale: porte, mappe K e flip-flop

Porte di base
A·B, A + B, A′, (A·B)′, (A + B)′, A ⊕ B
Regole booleane
X + X′ = 1, X·X′ = 0, X + XY = X, XY + XY′ = X
De Morgan
(X·Y)′ = X′ + Y′, (X + Y)′ = X′·Y′
Ordine della mappa di Karnaugh
00, 01, 11, 10 (Gray code)
Gruppo di 2ᵏ celle
perde k variabili
Multiplexer 4 a 1
F = A′B′I0 + A′BI1 + AB′I2 + ABI3
Flip-flop
D: Q⁺ = D, T: Q⁺ = T ⊕ Q, JK: Q⁺ = JQ′ + K′Q
Contatori
n bit: 2ⁿ stati; mod N: n minimo con 2ⁿ ≥ N; fout = fclk/N
Contatore asincrono (ripple)
fmax = 1/(n·tpd)
Contatori ad anello e Johnson
n e 2n stati

Metodo

  1. Per un circuito, procedi dagli ingressi all’uscita una porta alla volta e scrivi il valore su ogni filo, oppure scrivi la sua espressione e compila la tabella di verità.
  2. Per la semplificazione, riporta gli 1 (e le condizioni di indifferenza come X) in una mappa di Karnaugh con righe e colonne in codice Gray: 00, 01, 11, 10.
  3. Copri gli 1 con il minor numero possibile di gruppi, i più grandi possibile, di 1, 2, 4, 8 o 16 celle, richiudendoli sui bordi; ogni gruppo è un termine prodotto formato dalle variabili che restano costanti. Raggruppa gli 0 per la forma POS.
  4. Per flip-flop e contatori, leggi gli ingressi a ogni fronte attivo del clock, scrivi lo stato dopo ogni fronte e ricorda che un contatore a n bit ricomincia da capo dopo 2ⁿ stati.

Acquisizione dati e campionamento

Criterio di Nyquist
fs > 2·fmax, fN = fs/2
Frequenza di alias
fa = |f − k·fs|, k = round(f/fs)
Passo di quantizzazione
1 LSB = VFSR/2ᴺ
Errore di quantizzazione (arrotondamento)
±½ LSB
Codice di un ADC a troncamento
D = ⌊Vin/LSB⌋
Bit per una risoluzione r
2ᴺ ≥ span/r
SQNR ideale, sinusoide a fondo scala
SQNR = 6,02·N + 1,76 dB
Velocità dei dati
canali × fs × N bit/s
ADC multiplexato
fs = 1/(n·(tc + tset))
UART
Tb = 1/baud; 8N1 = 10 bit per byte; byte/s = baud/bit per frame
Divisore del baud rate
baud = fclk/(16·D)

Metodo

  1. Scrivi i dati: frequenza di campionamento, frequenze del segnale, numero di bit, campo d’ingresso, baud rate.
  2. Nei problemi di campionamento confronta ogni frequenza con fs/2; una frequenza più alta compare a fa = |f − k·fs|, con il multiplo di fs più vicino.
  3. Nei problemi di risoluzione trova 1 LSB = VFSR/2ᴺ, oppure il più piccolo N con 2ᴺ ≥ campo/risoluzione.
  4. Per velocità dei dati e collegamenti UART conta tutto ciò che viene inviato: canali, campioni al secondo, bit o byte interi per campione, e i bit di start, parità e stop di ogni frame.

2Esercizi

1.Sistemi di numerazioneMedia
pesi nel complemento a due1−12816403201618141211

La sequenza a 8 bit 1100 1111 memorizza un intero con segno in complemento a due. Qual è il suo valore N in decimale?

1100 11118 bit
N =
2.Sistemi di numerazioneDifficile
clicca i bit per impostarli012806403201608040201

Imposta i bit sul risultato a 8 bit di 1001 0111 << 2. Qual è il valore R del risultato in decimale?

1001 0111<< 2
R =
3.Logica digitale: porte, mappe K e flip-flopMedia
MUXCI0​0I1​1I2​0I3​ABS1​S0​F

Un multiplexer 4 a 1 ha gli ingressi di selezione S₁ = A e S₀ = B, e gli ingressi dati collegati a I₀ = C, I₁ = 0, I₂ = 1, I₃ = 0. Per quante delle 8 combinazioni di A, B e C l’uscita è F = 1? Trova N.

I₀ = CI₁ = 0I₂ = 1I₃ = 0
N =
4.Logica digitale: porte, mappe K e flip-flopDifficile
ABCD000111100001111000110312040517X6X120131150140809011010

Trova la forma SOP minima di F(A, B, C, D) = Σm(1, 2, 7, 15) + d(6, 12), dove d indica le condizioni di indifferenza. Quanti termini prodotto N ha?

F(A, B, C, D) = Σm(1, 2, 7, 15) + d(6, 12)
N =
5.Acquisizione dati e campionamentoMedia
Vin​N = 20VFSR​2ᴺ − 101 LSB

Trova il rapporto segnale/rumore di quantizzazione ideale SQNR di un ADC a 20 bit per una sinusoide a fondo scala.

N = 20
SQNR = dB
6.Acquisizione dati e campionamentoDifficile
f0fs​/2fs​1,44 kHz5f₁?

Un’onda quadra a 1,44 kHz è campionata a 8 kHz senza filtro anti-aliasing. Un’onda quadra contiene le armoniche dispari 3f₁, 5f₁, 7f₁, … A quale frequenza fa compare nei dati campionati la sua armonica 5f₁? Esprimila in Hz.

f₁ = 1,44 kHzfs = 8 kHzarmonica: 5f₁
fa = Hz

3Soluzioni

1.Sistemi di numerazione

Risposta: N = −49

Sistemi di numerazione posizionali: ogni cifra vale il suo valore per una potenza della base. In binario le posizioni valgono 1, 2, 4, 8, 16, …; in esadecimale 1, 16, 256, …, con A–F per 10–15. Nel complemento a due a 8 bit il bit più a sinistra vale −128 invece di +128: così si memorizzano i numeri negativi.

Somma i pesi

Gli altri bit mantengono i loro normali valori positivi.

−128 + 64 + 8 + 4 + 2 + 1 = −49

Risposta

N = −49
2.Sistemi di numerazione

Risposta: R = 92

Impostare i bit: ogni bit vale una potenza di due (128, 64, …, 1). Una cifra esadecimale è esattamente quattro bit, e nel complemento a due a 8 bit il bit più a sinistra vale −128. Le operazioni bit a bit lavorano su ogni posizione di bit separatamente.

Bit per bit

Scorrere a sinistra di 2 sposta ogni bit di 2 posizioni verso sinistra; i bit che escono dall’estremità sinistra sono persi ed entrano zeri a destra.

1001 0111 << 2
= 0101 1100

Valore del risultato

0101 1100₂ = 92

Risposta

R = 92
3.Logica digitale: porte, mappe K e flip-flop

Risposta: N = 3

Multiplexer: un multiplexer 2ⁿ a 1 trasferisce all’uscita uno dei suoi ingressi dati; le linee di selezione, lette come numero binario, scelgono quale. Per un MUX 4 a 1 con selezioni S₁S₀ = AB, F = A′B′·I₀ + A′B·I₁ + AB′·I₂ + AB·I₃. Collegando gli ingressi dati a 0, 1, C o C′ il MUX realizza qualsiasi funzione di A, B e C, un modo comune di costruire una logica con un solo chip.

Espressione dell’uscita

F = A′B′C + AB′

Righe con F = 1

ABC = 001, 100, 101
N = 3

Risposta

N = 3
4.Logica digitale: porte, mappe K e flip-flop

Risposta: N = 3

Mappe di Karnaugh: le celle sono ordinate in codice Gray (00, 01, 11, 10), quindi le celle vicine, comprese quelle attraverso i bordi, differiscono per esattamente una variabile. Raggruppa gli 1 in rettangoli di 1, 2, 4, 8 o 16 celle, i più grandi e il meno numerosi possibile, finché ogni 1 non è coperto. Ogni gruppo è un termine prodotto: le variabili che restano costanti al suo interno. Un gruppo di 2ᵏ celle perde k variabili. Le condizioni di indifferenza (X) possono servire a ingrandire i gruppi ma non devono mai essere coperte. Raggruppando invece gli 0 si ottiene la forma POS minima.

Implicanti primi

I gruppi più grandi che si possono formare con 1 e X.

BCD, A′CD′, A′BC, A′B′C′D
ABCD000111100001111000110312040517X6X120131150140809011010

Copertura minima

F = BCD + A′CD′ + A′B′C′D
N = 3

Risposta

N = 3
5.Acquisizione dati e campionamento

Risposta: SQNR = 122,2 dB

Risoluzione dell’ADC: un convertitore a N bit divide il suo campo di fondo scala VFSR in 2ᴺ codici, da 0 a 2ᴺ − 1. Un passo è 1 LSB = VFSR/2ᴺ: la più piccola variazione che il convertitore può mostrare. Un ADC a troncamento dà il codice ⌊Vin/LSB⌋; un ADC ad arrotondamento non si discosta mai più di ½ LSB dal valore vero, il suo errore di quantizzazione. Ogni bit in più dimezza l’LSB e aggiunge circa 6 dB al rapporto segnale/rumore di quantizzazione ideale SQNR = 6,02·N + 1,76 dB per una sinusoide a fondo scala. Per ottenere una risoluzione r su un campo, scegli il più piccolo N con 2ᴺ ≥ campo/r.

SQNR ideale

SQNR = 6,02·20 + 1,76 = 122,2 dB

Risposta

SQNR = 122,2 dB
6.Acquisizione dati e campionamento

Risposta: fa = 800 Hz

Campionamento: un ADC misura il segnale fs volte al secondo. Secondo il teorema di Nyquist–Shannon una frequenza f è acquisita correttamente solo finché f < fs/2, la frequenza di Nyquist (di ripiegamento), quindi la frequenza di campionamento deve superare il doppio della frequenza più alta del segnale. Una frequenza più alta non va persa: compare come alias a fa = |f − k·fs|, con il numero intero k che porta il risultato tra 0 e fs/2. I campioni non permettono di distinguere le due, quindi un filtro anti-aliasing analogico deve eliminare tutto ciò che sta sopra fs/2 prima dell’ADC.

Frequenza dell’armonica

5f₁ = 5·1,44 kHz = 7,2 kHz

Multiplo più vicino della frequenza di campionamento

m = round(0,9) = 1

Frequenza di alias

fa = |7200 − 1·8000| = 800 Hz

Risposta

fa = 800 Hz

L’alias cade dentro la banda del segnale, dove nessun filtro digitale può rimuoverlo. Aiuta solo un filtro analogico prima dell’ADC.

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