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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
Scrivi −90 come sequenza a 8 bit in complemento a due. Leggi la sequenza come numero binario senza segno: qual è il suo valore U in decimale?
N = −908 bit
U =
2.Sistemi di numerazioneDifficile
Qual è il più grande intero senza segno N che sta in 16 bit?
16 bit
N =
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(0, 1, 2, 3, 4, 7, 8, 9, 10, 11, 12). Quanti letterali L contiene in totale (una variabile con apice conta come un letterale)?
4.Logica digitale: porte, mappe K e flip-flopDifficile
Un contatore modulo 12 sincrono conta 0, 1, …, 11 e poi torna a 0. Parte da 2. Quale valore Q (in decimale) mostra dopo 17 impulsi di clock?
Q0 = 217N = 12
Q =
5.Acquisizione dati e campionamentoMedia
Una sinusoide a 2,3 kHz è campionata a 2 kHz senza filtro anti-aliasing. A quale frequenza fa compare nei campioni? Esprimila in Hz.
f = 2,3 kHzfs = 2 kHz
fa = Hz
6.Acquisizione dati e campionamentoDifficile
Un microcontrollore con clock a 8 MHz imposta il baud rate della UART come fclk/(16·D), con D un numero intero arrotondato al valore più vicino. Il valore desiderato è 57600 baud. Trova l’errore percentuale del baud rate reale (positivo se è troppo veloce).
fclk = 8 MHzvalore desiderato = 57600 Bd
e = %
3Soluzioni
1.Sistemi di numerazione
Risposta: U = 166
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.
Inverti e aggiungi uno
90 = 0101 1010
invertito: 1010 0101
+1 → 1010 0110
Leggilo senza segno
1010 0110₂ = 256 − 90 = 166
Risposta
U = 166
2.Sistemi di numerazione
Risposta: N = 65535
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.
Valore massimo
216 − 1 = 65535
Risposta
N = 65535
3.Logica digitale: porte, mappe K e flip-flop
Risposta: L = 6
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.
C′D′
B′
A′CD
Forma SOP minima
F = C′D′ + B′ + A′CD
L = 6
Risposta
L = 6
4.Logica digitale: porte, mappe K e flip-flop
Risposta: Q = 7
Flip-flop e contatori: un flip-flop cambia solo sul fronte attivo del clock. D copia il suo ingresso (Q⁺ = D); T commuta quando T = 1; JK mantiene per 00, azzera per 01, imposta a 1 per 10 e commuta per 11. Un contatore binario a n bit ha 2ⁿ stati e conta modulo 2ⁿ; un contatore modulo N conta 0, 1, …, N − 1 e torna a 0, e richiede il minimo n con 2ⁿ ≥ N flip-flop. Ogni stadio di un contatore asincrono (ripple) dimezza la frequenza, quindi l’ultima uscita di un contatore modulo N ha frequenza fclk/N. Un contatore Johnson di n flip-flop ha 2n stati, un contatore ad anello n.
Cicli completi
Ogni 12 impulsi riportano il contatore allo stesso stato.
17 = 1·12 + 5
Valore dopo gli impulsi rimanenti
Q = (2 + 5) mod 12 = 7
Q = 0111₂
Risposta
Q = 7
5.Acquisizione dati e campionamento
Risposta: fa = 300 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 di Nyquist
fs/2 = 1 kHz < f = 2,3 kHz
Multiplo più vicino della frequenza di campionamento
k = round(2300/2000) = 1
Frequenza di alias
fa = |2300 − 1·2000| = 300 Hz
Risposta
fa = 300 Hz
La curva tratteggiata nella figura è l’alias: passa esattamente per gli stessi campioni.
6.Acquisizione dati e campionamento
Risposta: e = −3,549 %
UART: un collegamento seriale asincrono invia ogni byte come un frame: un bit di start (basso), i bit di dati, un bit di parità facoltativo e uno o due bit di stop (alti). Il baud rate è il numero di bit al secondo, quindi un bit dura Tb = 1/baud e un frame di n bit dura n/baud. Il comune formato 8N1 ha 10 bit per byte. Il generatore di baud divide il clock: baud = fclk/(16·D) con un numero intero D, quindi il baud rate reale differisce leggermente da quello desiderato; un errore sotto circa il 2 % di solito è accettabile.
Divisore
D = 8·10⁶/(16·57600) = 8,681 → 9
Baud rate reale
8·10⁶/(16·9) = 55556 Bd
Errore
(55556 − 57600)/57600·100 = −3,549 %
Risposta
e = −3,549 %
Un errore sopra circa il 2 % rende il collegamento inaffidabile: scegli un altro clock o un altro baud rate.