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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
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.
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.
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.
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
Scrivi i dati: frequenza di campionamento, frequenze del segnale, numero di bit, campo d’ingresso, baud rate.
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.
Nei problemi di risoluzione trova 1 LSB = VFSR/2ᴺ, oppure il più piccolo N con 2ᴺ ≥ campo/risoluzione.
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
La sequenza a 8 bit 1001 1111 memorizza un intero con segno in complemento a due. Qual è il suo valore N in decimale?
1001 11118 bit
N =
2.Sistemi di numerazioneDifficile
Imposta i bit sul risultato a 8 bit di 0110 1111 XOR 0110 0001. Qual è il valore R del risultato in decimale?
0110 1111XOR0110 0001
R =
3.Logica digitale: porte, mappe K e flip-flopMedia
Usa la mappa di Karnaugh per trovare la forma minima a somma di prodotti (SOP) di F(A, B, C, D) = Σm(1, 3, 9, 14, 15). Quanti termini prodotto N ha?
F(A, B, C, D) = Σm(1, 3, 9, 14, 15)
N =
4.Logica digitale: porte, mappe K e flip-flopDifficile
Trova la forma SOP minima di F(A, B, C, D) = Σm(0, 1, 2, 3, 8, 10, 11, 13, 14) + d(4, 12), dove d indica le condizioni di indifferenza. Quanti letterali L contiene?
Un sensore misura pressione su un campo di 100 kPa e la sua uscita riempie tutto il campo d’ingresso di un ADC. La lettura deve risolvere 0,5 kPa. Trova il più piccolo numero di bit N necessario all’ADC.
campo = 100 kParisoluzione = 0,5 kPa
N =
6.Acquisizione dati e campionamentoDifficile
Un’onda quadra a 560 Hz è campionata a 2 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 3f₁? Esprimila in Hz.
f₁ = 560 Hzfs = 2 kHzarmonica: 3f₁
fa = Hz
3Soluzioni
1.Sistemi di numerazione
Risposta: N = −97
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 + 16 + 8 + 4 + 2 + 1 = −97
Risposta
N = −97
2.Sistemi di numerazione
Risposta: R = 14
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
XOR dà 1 dove i due bit sono diversi.
0110 1111
XOR 0110 0001
= 0000 1110
Valore del risultato
0000 1110₂ = 14
Risposta
R = 14
3.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.
Raggruppa gli 1
Ogni gruppo è un rettangolo di 2ᵏ celle; le celle di bordo sono vicine alle celle del bordo opposto.
B′C′D
A′B′D
ABC
Forma SOP minima
F = B′C′D + A′B′D + ABC
N = 3
Risposta
N = 3
4.Logica digitale: porte, mappe K e flip-flop
Risposta: L = 9
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.
C′D′, B′D′, B′C, AD′, A′B′, ABC′
Copertura minima
F = B′C + AD′ + A′B′ + ABC′
L = 9
Risposta
L = 9
5.Acquisizione dati e campionamento
Risposta: N = 8
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.
Passi necessari
100/0,5 = 200
Bit
log₂(200) = 7,644
27 = 128 < 200 ≤ 28 = 256
N = 8
Risposta
N = 8
6.Acquisizione dati e campionamento
Risposta: fa = 320 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
3f₁ = 3·560 Hz = 1,68 kHz
Multiplo più vicino della frequenza di campionamento
m = round(0,84) = 1
Frequenza di alias
fa = |1680 − 1·2000| = 320 Hz
Risposta
fa = 320 Hz
L’alias cade dentro la banda del segnale, dove nessun filtro digitale può rimuoverlo. Aiuta solo un filtro analogico prima dell’ADC.