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Discussione: Elettronica digitale

  1. #1
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    Elettronica digitale

    Prima di tutto è importante distinguere tra reti digitali combinatorie, che non hanno memoria, in cui lo stato logico dell'uscita, in un certo istante, dipende solo dallo stato logico degli ingressi nello stesso istante, e reti digitali sequenziali, in cui i valori delle uscite dipendono non solo dai valori d'ingresso attuali ma anche da quelli passati.
    E' importante perché prima di procedere all'analisi di una rete digitale, ossia a quella procedura che dalla rete logica porta alla relativa tabella di verità (truth-table) mediante la sua funzione di commutazione, ci si deve assicurare che effettivamente sia di tipo combinatorio, per cui essa non dovrà contenere elementi di memoria (come flip-flop, latch, ecc.) né dovranno esserci anelli di retroazione (feedback) che collegano l'uscita di una porta logica con l'ingresso di porte (gate) di livello inferiore.
    Premesso quanto sopra, una rete combinatoria viene descritta dalla relazione esistente tra gli ingressi e l'uscita; tale relazione si articola in quattro forme equivalenti: 1) se ne può dare, ad esempio, una descrizione a parole, chiamata "proposizione logica", che altro non è che una frase che può essere solo vera o falsa (ad es. "l'interruttore è aperto"); 2) la si può rappresentare mediante una tabella di verità a due colonne separate (in quella di sinistra si riportano tutte le combinazioni delle variabili d'ingresso e in quella di destra i valori corrispondenti della variabile d'uscita); 3) se ne può dare una rappresentazione algebrica, detta "funzione di commutazione", che lega l'uscita con gli ingressi; 4) se ne può disegnare lo schema elettrico, sotto forma di circuito a porte logiche (rete logica) collegate tra loro.
    Ora, per poter affrontare la SINTESI di una rete combinatoria occorre conoscere tutte quelle tecniche che consentono di passare dalla proposizione logica, ossia dalle specifiche richieste dal committente, alla rete logica che costituisce lo schema elettronico del circuito digitale.
    Il procedimento inverso di quello di SINTESI si chiama ANALISI e consiste nel partire dalla rete logica e nell'arrivare alla compilazione della relativa tabella di verità, passando per la sua funzione di commutazione.
    Per concludere, una rete combinatoria andrà "ottimizzata", cioè andranno ricercate le caratteristiche migliori, a parità di funzione svolta, rispetto a determinati parametri: ad esempio, in base al costo (utilizzando la sola porta universale NAND in modo da sfruttare al meglio i circuiti integrati) oppure in base alla velocità, utilizzando famiglie logiche CMOS (complementary metal-oxide semiconductor) anziché TTL (Transistor-transistor logic) e così via.
    In linea generale si dovranno ridurre i livelli della rete (minor numero di porte logiche) e il numero di chip integrati, scegliendo quelli appartenenti a famiglie logiche adatte allo scopo prefissato (costi, consumi, ecc.).
    Buona lettura e grazie

  2. #2
    New Member L'avatar di lpcfabio
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    Ciao, è possibile postare un esempio di Sintesi e Analisi per poterle comprendere meglio una volta messe in relazione tra di loro?
    Grazie in anticipo.
    "In ogni caso i frutti di una scienza sono semplicemente necessari, è il loro uso indegno che li rende esecrabili" (Giofi83)

  3. #3
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    Supponiamo di voler progettare un circuito digitale che ha due ingressi A e B ed una uscita Y che sotto l'azione di un segnale di controllo C in ingresso permette di portare in uscita A oppure B.
    Ad esempio, possiamo stabilire che quando C=0 è il segnale B a passare in uscita mentre quando C=1 è il segnale A a passare in uscita:



    La tabella di verità della rete combinatoria è la seguente:



    La funzione logica, e quindi la rete che la soddisfa, si può esprimere mediante la 1^ forma canonica, cioè sommando i mintermini in corrispondenza dei quali l'uscita vale "1" (si chiama anche somma di prodotti logici S.P. o sintesi AND-OR).
    Per mintermine si intende il prodotto logico delle variabili in ingresso prese in forma naturale o complementate a seconda se la variabile in ingresso compare come "1" o "0" rispettivamente.
    Minimizzando la funzione logica canonica mediante i teoremi dell'algebra di Boole (si può utilizzare anche la tecnica grafica delle mappe di Karnaugh), si ottiene:



    La rete combinatoria, in logica A.O.I. (AND-OR-INVERTER), è dunque:



    Grazie a tutti, se avete domande chiedete pure
    Ultima modifica di Kriss2; 03-07-2015 alle 10.03.25

  4. #4
    New Member L'avatar di lpcfabio
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    Grazie! Me la studio con calma e torno ;-)
    "In ogni caso i frutti di una scienza sono semplicemente necessari, è il loro uso indegno che li rende esecrabili" (Giofi83)

  5. #5
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    Vediamo ora un esempio di analisi di una rete logica
    Vogliamo analizzare il comportamento del seguente circuito a porte NAND:



    Sappiamo che, a partire dalla rete, si devono scrivere le funzioni di commutazione all'uscita di tutte le porte logiche di livello 1 (in questo caso la prima porta NAND a cui sono applicati i segnali di ingresso A e B) e poi si prosegue con quelle di 2° livello (le due porte NAND centrali) e così via, fino all'uscita.
    Dalle funzioni di commutazione, eventualmente semplificate coi teoremi dell'algebra di Boole, si compila la tabella di verità e si descrive il funzionamento del circuito.
    Nel nostro esempio conviene, attribuendo ad A e a B tutte le possibili combinazioni (sono quattro), ricavare i valori delle variabili intermedie C, D, E, e quindi i valori dell'uscita Y.
    Avremo dunque:



    La tabella di verità complessiva è:



    Dalla tabella di verità si nota che l'uscita Y si porta allo stato logico 1 se gli ingressi A e B sono diversi tra loro.
    Pertanto il circuito digitale dell'esempio, noto come circuito di "anticoincidenza", svolge la funzione della porta XOR (OR-esclusivo).
    A presto e grazie

    P.S. http://www.google.it/url?sa=t&rct=j&...UXmA6tWO9vPlvA (dispense di elettronica digitale)

  6. #6
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    In realtà il PC è un sistema in grado di elaborare segnali digitali attraverso dei conduttori metallici
    Nel caso delle applicazioni elettroniche un segnale è una serie di segni che trasporta informazione
    Pensa, ad esempio, ai segnali stradali: essi sono composti da segni grafici; nel caso dei segnali elettrici questi "segni" non sono altro che i valori di grandezze elettriche (tensioni e correnti), assunti nel tempo
    Ora, un segnale digitale (o numerico) è un segnale in cui vengono definiti un certo numero di "livelli" di valori della grandezza elettrica, all'interno dei quali l'informazione associata non cambia significato
    Se i livelli sono soltanto due (basso/alto, LOW/HIGH, L/H) il segnale si chiama binario.
    Generalmente un segnale digitale ha una forma rettangolare, dovuta al fatto che i circuiti elettronici digitali si comportano come interruttori che "commutano" su valori alti e bassi delle tensioni in uscita
    Torniamo ora, per un momento, al concetto di informazione: essa rappresenta, da un punto di vista qualitativo, tutto ciò che contribuisce ad abbassare il nostro livello di incertezza riguardo ad un evento fisico
    Per poter definire l'informazione da un punto di vista quantitativo occorre effettuare una misura e quindi dobbiamo determinare l'unità di misura in modo da confrontare l'informazione contenuta nel segnale con l'unità di misura.
    Il bit è l'unità di misura dell'informazione, intesa come l'informazione che elimina l'incertezza di un evento che ha due valori possibili, ma equiprobabili (cioè che hanno la stessa probabilità di verificarsi).
    Un segnale binario è quindi in grado di trasportare una quantità di informazione pari a 1 bit
    Ora, un sistema digitale come il PC deve essere in grado di "codificare" le informazioni (che sono numeri o lettere alfabetiche o di altro tipo) da elaborare. Ma cos'è la codifica ?
    Pensa al codice Morse usato nella telegrafia: ad ogni lettera corrisponde una serie di punti e di linee.
    Codificare un'informazione significa, dunque, far corrispondere a ciascun elemento di un insieme una combinazione di simboli.
    Facendo un esempio, con 4 bit (utilizzando solo i due simboli 0 e 1) si possono ottenere 2^4=16 combinazioni e quindi codificare 16 numeri decimali.
    Un sistema digitale deve altresì prendere delle decisioni "logiche", cioè di tipo "vero" (true) e "falso" (false), in base al verificarsi o meno di certi eventi (o se preferisci in base al valore, alto o basso, dei segnali coinvolti).
    Ecco che, per poter fare ciò, ci viene in aiuto l'algebra di Boole, dal nome del matematico inglese George Boole che sviluppò la logica matematica che rappresenta il supporto teorico all'analisi e alla sintesi di un sistema digitale.
    A partire dalla logica delle proposizioni (cioè da quelle frasi che possono essere solo vere o false) Boole individuò tre operatori logici, che permettono poi di "concatenare" altre proposizioni logiche per costruirne di più complesse: il NOT (la negazione), l'OR (la somma logica) e l'AND (il prodotto logico).
    Vi faccio un esempio: se ti dico "oggi piove", tale frase può essere vera o falsa, se ti dico "ho la febbre", anche questa frase può essere vera o falsa.
    Se però ti dico "oggi piove o ho la febbre" (mettendo la congiunzione o), capirai che è sufficiente che una sola delle due parti sia vera perché l'intera frase risulti vera.
    Bene, questi operatori dell'algebra booleana sono stati implementati sotto forma elettronica e prendono il nome di "porte logiche": le porte logiche fondamentali (AND, OR e NOT) ricevono in ingresso i segnali digitali (tensioni alte o basse) e restituiscono in uscita il valore di tensione associato al risultato dell'operazione logica.
    In sintesi, le porte logiche costituiscono gli elementi di base per costruire "reti" logiche più complesse e, in definitiva, l'intero sistema digitale.
    Se, ad esempio, vuoi selezionare un segnale all'interno di un gruppo di segnali si utilizza il Multiplexer, se desideri codificare da decimale a binario si usa l'Encoder (e viceversa il Decoder), per le operazioni aritmetiche su numeri binari si usano i sommatori, i sottrattori, i comparatori, la ALU e così via, tutti questi circuiti integrati sono composti da migliaia di porte logiche (in definitiva da milioni di transistor e di diodi integrati nei chip, in base alla scala di integrazione utilizzata)
    Non mi dilungo oltre perché, nonostante la sintesi utilizzata (questo sarebbe il programma del corso di Cibernetica all'Università), ritengo di aver illustrato a sufficienza le questioni in oggetto.
    Per qualsiasi altra questione inerente al tema in oggetto rimango a disposizione di tutti
    Buona lettura

  7. #7
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    Il diodo a semiconduttore è un componente che ha due terminali, denominati anodo e catodo, ed una caratteristica volt-amperometrica non lineare: ciò vuol dire che il grafico che mette in relazione la tensione e la corrente non è una retta e quindi al diodo non possiamo applicare le normali leggi dell'Elettrotecnica (Ohm, Kirchhoff, principio di sovrapposizione degli effetti).
    Avremo dunque due caratteristiche diverse: nella prima, in polarizzazione diretta, cioè con l'anodo a potenziale positivo rispetto al catodo, la corrente incontrerà una bassissima resistenza mentre nella seconda, in polarizzazione inversa, con l'anodo a potenziale negativo rispetto al catodo, la corrente incontrerà una resistenza elevatissima finché non raggiungerà un determinato potenziale, detto di "rottura" (Breakdown Voltage), oltre il quale la corrente aumenta bruscamente causando la possibile distruzione del componente (il fenomeno è comunque reversibile, entro certi limiti di corrente specificati dal costruttore).
    Possiamo quindi concludere che il diodo si comporta da interruttore aperto (OFF) se è polarizzato inversamente e da interruttore chiuso (ON) se polarizzato direttamente. La caduta di tensione ai capi del diodo in conduzione è pari a circa 0.6V (tensione di soglia) per i diodi al Silicio.
    Consideriamo ora una porta logica OR realizzata in logica DL (logica a diodi), come in figura (con la relativa tabella di verità):





    Si tratta di un circuito molto semplice, che comporta tanti diodi quanti sono gli ingressi (in questo caso due), con i rispettivi catodi collegati in comune al nodo P e quindi costantemente al livello basso per cui la corrente potrà andare verso massa quando uno o entrambi gli ingressi sono a potenziale alto (tensione di alimentazione Vcc, ad es. 5V).
    Il principio di funzionamento è elementare: con A=B=0 la tensione di uscita è nulla.
    Con gli ingressi A=0 e B=1 oppure A=1 e B=0 oppure A=1 e B=1 l'uscita si porta al valore della tensione di ingresso, a meno della caduta di tensione sul diodo in conduzione (0.6V, come abbiamo visto).
    Il resistore da 1k (1000 Ohm) viene chiamato resistore di pull-down (tirare giù) in quanto forza il punto P al livello basso, e quindi l'uscita, quando vi è almeno un ingresso alto.
    Buona lettura

  8. #8
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    Dobbiamo distinguere, in base al tipo di processo produttivo utilizzato per produrli, i circuiti integrati (C.I.) monolitici da quelli ibridi.
    Nei monolitici (dal greco "unico blocco di pietra") tutti i componenti, attivi e passivi, vengono realizzati su un singolo chip di silicio mediante un processo di diffusione.
    La successiva "metallizzazione" collega i vari componenti tra di loro e così si ottiene la struttura desiderata.
    Tale tipo di tecnologia è in pratica identica all'implementazione di componenti elettronici su un circuito stampato, con tutti i vantaggi in termini di miniaturizzazione.
    La maggior parte degli amplificatori operazionali, che hanno un'ottima affidabilità e stabilità termica, presenta questo tipo di struttura che consente, tra l'altro, la realizzazione di grandi serie di modelli a basso costo.
    Non sempre è possibile, però, integrare l'intero circuito su un singolo pezzo di silicio: ciò accade perché alcuni componenti, attivi o passivi, dissipano potenze molto elevate oppure perché vengono richiesti specifici parametri, come ad esempio una particolare banda passante.
    In questo caso si preferisce realizzare una struttura mista, cioè monolitico più componenti esterni, che viene definita ibrida.
    Su uno stesso substrato isolante si realizzano le interconnessioni tra i componenti attivi (BJT, MOS, ecc.) e quelli passivi (resistori e condensatori).
    In realtà i processi tecnologici relativi ad una struttura ibrida sono due:
    1) a film sottile, in cui sullo stesso substrato, mediante evaporazione di un determinato drogante, si formano sia i componenti passivi che le interconnessioni; il chip risultante avrà dimensioni più grandi rispetto ad un chip monolitico ma non di molto;
    2) a film spesso, in cui sia i componenti passivi che le interconnessioni vengono realizzati nel substrato mediante un procedimento fotolitografico cosiddetto di "mascheratura": in questo caso, però, le dimensioni del chip sono decisamente superiori di quelle di un chip monolitico.
    A presto

  9. #9
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    Che differenza c'è tra Reti Combinatorie e Reti Sequenziali ?
    In una Rete Combinatoria, i valori delle uscite, ad un certo istante, dipendono unicamente dai valori degli ingressi nello stesso istante, per cui il ripetersi di una stessa configurazione di ingresso produce la stessa risposta delle uscite, senza tenere conto in alcun modo degli stati precedenti.
    In una Rete Sequenziale, invece, gli stati delle uscite dipendono non soltanto dagli stati logici attuali ma anche da quelli PRECEDENTEMENTE acquisiti dagli ingressi.
    Che significa tutto ciò ?
    Significa che il circuito sequenziale dovrà ricordare lo stato precedente, il quale viene dunque memorizzato e mantenuto.
    Ciò conduce al concetto di circuiti di memoria: tali circuiti, dovendo "ritenere" l'informazione relativa allo stato precedente, dovranno essere provvisti di una rete di retroazione in modo da trasferire in ingresso tale informazione.
    Si tratta, quindi, di circuiti ad ANELLO CHIUSO.
    Ciò comporta dei ritardi, più marcati rispetto a quelli di propagazione di un circuito combinatorio che opera ad anello aperto, nella commutazione degli stati in quanto tale commutazione avviene passando attraverso configurazioni aleatorie e in più fasi.
    Ad ogni modo, i circuiti sequenziali vengono realizzati con transistor MOSFET oppure a porte logiche integrate e sono riconducibili, come principio di funzionamento, ai cosiddetti Flip-Flop (Multivibratori Bistabili, ciascuno in grado di memorizzare 1 bit).
    Altri circuiti sequenziali sono i registri, i contatori, le memorie (Ram, Rom, ecc.).
    Un esempio di massima complessità di una Rete Combinatoria è rappresentato dalla ALU (Unità Logico-Aritmetica), un integrato programmabile tramite alcuni ingressi di selezione, in grado di eseguire operazioni aritmetiche, quali l'addizione, la sottrazione, la complementazione, oppure operazioni logiche di OR, AND, NOT, ecc.
    Le ALU sono integrate, con alcune modifiche sugli ingressi e sulle uscite, nei microprocessori, all'interno dell'unità centrale, e nelle GPU.
    A presto

    P.S. In figura lo schema a blocchi di una ALU (integrato TTL LS74181 della Texas Instruments)




  10. #10
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    Tenendo conto delle diverse strutture tecnologiche ed in particolare del fatto che, per la loro costruzione, possono essere utilizzati sia componenti bipolari (come, ad es., i transistor BJT in cui la corrente dipende sia dalle cariche maggioritarie che da quelle minoritarie) che componenti unipolari (transistor FET e MOS in cui la corrente dipende soltanto dai portatori maggioritari), i circuiti digitali vengono classificati in FAMIGLIE LOGICHE.
    Avremo, dunque, una "famiglia bipolare" che raggruppa circuiti digitali, costruiti con diodi e transistor BJT, che assumono diverse denominazioni: DL (logica a diodi), DTL (logica diodi-transistor), TTL (logica transistor-transistor, tra i più utilizzati) e così via.
    All'interno di queste serie possiamo trovare, poi, delle sotto-categorie che evidenziano particolari parametri, come ad es. la velocità di risposta o la dissipazione di potenza, differenti da quelli delle serie Standard.
    La "famiglia unipolare" realizzata con tecnologia MOS, invece, è ramificata in più di dieci sotto-categorie: CMOS, NMOS, PMOS, FAMOS, ecc.
    Attualmente la totalità dei circuiti digitali viene realizzata con tecnologie unipolari.
    Possiamo, però, adottare anche una classificazione dei circuiti digitali basata sul numero totale di componenti utilizzati sullo stesso chip, ossia basandosi sulla cosiddetta "densità di integrazione".
    Otterremo, quindi, una "scala di integrazione" così formata:

    SSI (piccola scala di integrazione): componenti < 100, circa 10 porte logiche;
    MSI (media scala di integrazione): 100 < componenti < 1000, 10-100 porte logiche;
    LSI (grande scala di integrazione): 1000 < componenti < 10000, 100-1000 porte logiche;
    VLSI (grandissima scala di integrazione): componenti > 10000, porte logiche > 1000;
    ULSI (ultra-grande scala di integrazione): scala dei microprocessori a 32/64-bit realizzati attualmente con milioni di componenti.

    Va da sé che tutti gli attuali componenti integrati sono realizzati con tecnologie unipolari, che ovviamente consentono di ottenere delle densità di integrazione sempre più grandi con parametri elettrici migliori.
    Buona lettura


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