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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 due1−12816403201608040201

La sequenza a 8 bit 1100 0000 memorizza un intero con segno in complemento a due. Qual è il suo valore N in decimale?

1100 00008 bit
N =
2.Sistemi di numerazioneDifficile
1400 codici, b = ? bit?2ᵇ⁻¹…?4?2?1

Un sistema deve assegnare a ciascuno di 1400 elementi un proprio codice binario della stessa lunghezza. Qual è il numero minimo di bit b necessario?

1400
b = bit
3.Logica digitale: porte, mappe K e flip-flopMedia
ABC000111100101324576

Semplifica F = AC + A′B′C′ + A′C + A′B′C alla sua forma minima a somma di prodotti. Quanti letterali L contiene l’espressione semplificata?

F = AC + A′B′C′ + A′C + A′B′C
L =
4.Logica digitale: porte, mappe K e flip-flopDifficile
ABCD00011110000111100011031204X50706112013015X140819111110

Trova la forma SOP minima di F(A, B, C, D) = Σm(1, 2, 9, 10, 11, 12) + d(5, 14), dove d indica le condizioni di indifferenza. Quanti letterali L contiene?

F(A, B, C, D) = Σm(1, 2, 9, 10, 11, 12) + d(5, 14)
L =
5.Acquisizione dati e campionamentoMedia
Vin​N = 123,3 V2ᴺ − 101 LSB2,573 V?

Un ADC a 12 bit con campo d’ingresso da 0 a 3,3 V tronca: il suo codice di uscita è ⌊Vin/LSB⌋ con 1 LSB = VFSR/2ᴺ. Trova il codice di uscita decimale D per un ingresso di 2,573 V.

N = 12VFSR = 3,3 VVin = 2,573 V
D =
6.Acquisizione dati e campionamentoDifficile
SD0​D1​D2​D3​D4​D5​D6​D7​Tb​10·Tb​460800 Bd, 8N1

Un ADC a 16 bit invia ogni campione tramite UART a 460800 baud, formato 8N1 (bit di start, 8 bit di dati, 1 bit di stop). Ogni campione è inviato come 2 byte interi e il collegamento è occupato in continuazione. Trova la frequenza massima del segnale fmax che può essere campionata senza aliasing, in Hz.

baud = 460800 BdN = 168N1
fmax = Hz

3Soluzioni

1.Sistemi di numerazione

Risposta: N = −64

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 = −64

Risposta

N = −64
2.Sistemi di numerazione

Risposta: b = 11 bit

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.

Potenze di due

210 = 1024 < 1400
211 = 2048 ≥ 1400

Risposta

b = 11
3.Logica digitale: porte, mappe K e flip-flop

Risposta: L = 3

Algebra di Boole: le regole che semplificano le espressioni sono X + X′ = 1 e X·X′ = 0, X + X = X, l’assorbimento X + X·Y = X, la regola di combinazione X·Y + X·Y′ = X, X + X′Y = X + Y e il teorema del consenso XY + X′Z + YZ = XY + X′Z. Le leggi di De Morgan trasformano (X·Y)′ in X′ + Y′ e (X + Y)′ in X′·Y′. Una mappa di Karnaugh applica queste regole in forma grafica: ogni gruppo di due celle vicine è un uso di XY + XY′ = X.

Mintermini dell’espressione

AC → m(5, 7)
A′B′C′ → m(0)
A′C → m(1, 3)
A′B′C → m(1)
ABC00011110011011130204151706

Raggruppa e leggi

F = C + A′B′

Conta i letterali

L = 3

Risposta

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

Risposta: L = 12

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.

B′C′D, B′CD′, A′C′D, ACD′, AB′D, ABD′, AB′C
ABCD00011110000111100011031204X50706112013015X140819111110

Copertura minima

F = B′C′D + B′CD′ + AB′D + ABD′
L = 12

Risposta

L = 12

Esiste un altro raggruppamento della stessa dimensione; ha lo stesso numero di termini e di letterali.

5.Acquisizione dati e campionamento

Risposta: D = 3193

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.

Passo di quantizzazione

1 LSB = 3,3/212 = 0,8057 mV

Codice

Vin/LSB = 2573/0,8057 = 3194
codice = ⌊3194⌋ = 3193

Risposta

D = 3193

In binario è 110001111001.

6.Acquisizione dati e campionamento

Risposta: fmax = 11520 Hz

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.

Bit per campione sulla linea

2·10 = 20 bit

Frequenza di campionamento massima

fs,max = 460800/20 = 23040 Hz

Limite di Nyquist

fmax = 23040/2 = 11520 Hz

Risposta

fmax = 11520 Hz

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