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La
metastabilità
» Nel contesto digitale il fenomeno della metastabilità è troppo
spesso tenuto in secondo piano. Ritenere infatti i sistemi come
soggetti a solo due stati, il classico valore "0" ed
"1", porta ad errori nei circuiti che operano memorizzando
un dato quali i flip-flop e simili. Le sezioni dedicate a questo
argomento illustrano gli aspetti teorici che sono alla base del
fenomeno e gli effetti con i quali si manifesta. Segue la
descrizione della metodologia che consente di caratterizzare i
singoli dispositivi e le soluzioni tecniche per ridurre gli
inconvenienti a livello pratico.
Le insidie strutturali
» I circuiti logici con porte discrete, ed in misura meno evidente
i circuiti su dispositivi logici programmabili, offrono una ampia
flessibilità poiché l'architettura e la medesima funzione
operativa sono realizzabili ricorrendo a strutture diverse. Tale
libertà di scelta deve essere però accurata per assicurare che
vengano evitate alcune insidie. Si sottovaluta a volte che malgrado
un circuito sia formalmente corretto, quindi svolge il compito
definito, può all'atto pratico generare risposte errate o non
controllabili. Le diverse sezioni descrivono problematiche quali i
glitches, le insidie statiche, le insidie dinamiche e di tipo
logico. Sono quindi fornite soluzioni tecniche appropriate.
I rimbalzi di massa
» I sistemi digitali più avanzati, operanti cioè ad elevate
frequenze e su dispositivi a bassa tensione di alimentazione,
evidenziano dei problemi di ordine applicativo in misura superiore
rispetto le equivalenti reti di precedente generazione che
esprimevano caratteristiche più modeste. Si approfondiscono in
queste sezioni i problemi originati dal fenomeno dei rimbalzi di
massa che potenzialmente sono in grado di degradare la qualità dei
segnali digitali. Con l'aiuto di un modello interno ad una porta
CMOS viene descritto ed analizzato il comportamento dinamico dei
dispositivi ed i parametri che giocano maggior ruolo sotto tale
aspetto. Vengono quindi posti all'attenzione gli effetti negativi a
livello circuitale e le tecniche di risoluzione.
Gli accoppiamenti distribuiti
» Ogni tratto di collegamento sullo stampato costituisce i nodi ed
i rami che realizzano i percorsi descritti nello schema elettrico
del circuito. Tale constatazione pur banale pensata in altra
prospettiva ci indica che le correnti fluiscono in circoli chiusi e
che la corrente di ritorno spesso nascosta dalla simbologia adottata
per redigere lo schema elettrico deve sempre essere presa in
considerazione quando si analizza un qualsiasi circuito. Queste
sezioni pongono l'accento sui loop di massa e la loro indesiderata
capacità di corrompere l'integrità di un segnale od alterare il
corretto funzionamento del sistema.
I disturbi sull'alimentazione
» Le linee di alimentazione nei sistemi digitali sono i veicoli
principali che propagano disturbi ed impulsi spurii tra i circuiti.
Comprendere come ciò avviene è quindi prioritario. Sezioni vengono
dedicate per due modi distinti nell'analisi del fenomeno. Una
descrizione tecnica attuata nel dominio del tempo per meglio
evidenziare alcuni aspetti quali il margine di rumore ammesso per le
famiglie standard in tecnologia bipolare TTL e CMOS. Una analisi nel
dominio della frequenza per rendere quantificabile gli effetti dei
componenti, attivi e passivi, nella rete di alimentazione. Modelli
circuitali consentono di comprendere il ruolo delle risonanze in
alta frequenza che richiedono precise scelte al progettista. Le
caratteristiche dei condensatori e dei filtri di alimentazione più
adatti a ridurre i disturbi sono l'oggetto della parte conclusiva
della trattazione.
I collegamenti ad impedenza non controllata
» Vi sono dei limiti di impiego che permettono di considerare una
singola traccia sullo stampato sufficiente per il collegamento
affidabile dei segnali. La lunghezza massima di tale collegamento è
infatti dettata da precisi criteri che devono pertanto essere
tradotti in pratica a partire dai parametri del circuito. Questa
sezione propone tali informazioni fornendo esempi e
definizioni.
Linee ad impedenza controllata
» Le linee microstrip, il loro dimensionamento ed il circuito
equivalente che ne descrive le caratteristiche. Oltre agli aspetti
tecnici che contraddistinguono le linee ad impedenza controllata
trovano posto sezioni dedicate agli aspetti più pratici quali i
parametri che consentono di scegliere il materiale maggiormente
adatto per il laminato della scheda e le importanti conseguenze
legate al fattore di velocità che incidono a livello di tracciatura
sullo stampato.
Linee di ritardo passive
» Le linee di ritardo sono componenti importanti in molti circuiti,
servono infatti per definire specifici rapporti temporali tra
diversi segnali, sincronizzare linee dati e clock, implementare
differenziatori, semplificare l'interfacciamento in sistemi
complessi. Queste sezioni descrivono la progettazione di tali
blocchi funzionali nella forma più duttile, opportune
semplificazioni consentono il dimensionamento di circuiti senza
ricorrere a modelli matematici rigorosi ma troppo complessi.
Linee e terminazioni
» Il progetto di un circuito operante con segnali ad alta velocità
è dipendente dalle relazioni di tempo che caratterizzano le
condizioni logiche e dal layout dello stampato. Che si tratti di
piste isolate, bus paralleli, singoli tracciati od altro alle alte
frequenze tutti questi devono essere trattati come linee di
trasmissione. Queste sezioni, tra le più numerose, sono dedicate ad
illustrare il comportamento statico e dinamico che
contraddistinguono le linee di collegamento in relazione alle
diverse terminazioni che i dispositivi, o le scelte in fase di
progettazione, rendono possibili. La gamma di fenomeni e distorsioni
che interessano il segnale digitale è quanto mai ampia, per ognuna
vengono descritte le caratteristiche fornendo gli strumenti per
calcolare i valori di tensione in funzione del tempo. Ogni aspetto
è preso in esame, dalla riflessione di un segnale sul carico alla
relazione con il coefficiente caratteristico, dalla riflessione
multipla di un segnale alla costruzione del diagramma a traliccio
che ne estrae graficamente il comportamento, fino alle risposte su
linea terminata e non terminata con diverse combinazioni di
impedenza. Spazio è inoltre dedicato agli aspetti tecnici legati a
parametri quali overshoot, undershoot e ringing ed alla
corrispondenza tra forme d'onda ideali e reali. Singole sezioni
analizzano la risposta ai segnali su linea terminata con capacità,
con reti RC e con reattanze induttive e capacitive. L'ampio uso di
grafici e rappresentazioni di forme d'onda permetteranno di
riconoscere le firme che contraddistinguono le singole condizioni
operative. La parte conclusiva illustra la risposta su linea con
capacità distribuita e l'importanza che tale struttura riveste
nell'incidere sulla qualità della trasmissione di segnali entro un
bus dati.
Schemi di terminazione
» Per garantire l'integrità della forma d'onda o comunque per
mantenere sotto controllo i fenomeni di riflessione del segnale è
necessario implementare nei circuiti degli schemi che realizzino in
pratica il coretto adattamento di impedenze od anche rispondano alle
specifiche esigenze dei singoli sistemi. In queste sezioni vengono
descritti i diversi metodi che l'utente ha a disposizione nel
progettare una rete digitale fornendo vantaggi e svantaggi per ogni
soluzione.
Il layout di circuiti complessi
» Il posizionamento dei componenti sulla scheda e la relative
tracciatura di collegamento sono lo stadio di sviluppo che più di
altri lascia margini di scelta al progettista. Problematiche quali
la compatibilità EMI e le interazioni tra parti diverse del
circuito, quindi la qualità finale del sistema, possono essere
risolte così come accentuate in fase di definizione del layout
della scheda. Vengono descritte le linee guida da prendere in
considerazione per ottimizzare la realizzazione di sistemi digitali
di media ed elevata complessità con particolare attenzione alla
rete di alimentazione. Una sezione è inoltre dedicata per
descrivere la metodologia che consente di calcolare il migliore
valore per il condensatore di by-pass da affiancare ad ogni
dispositivo digitale.
Note sui generatori di clock
» Realizzare un oscillatore a quarzo tramite porte logiche TTL
oppure CMOS per generare un clock è molto semplice, gli schemi base
sono diversi e tutti affidabili essendo ampiamente sperimentati. Se
da un lato però gli apparati più recenti operanti dalle decine di
MHz ai GHz si appoggiano a generatori implementati con dispositivi
dedicati per questo specifico compito vi è tuttora una grande
richiesta di oscillatori per frequenze medio-basse. Per queste
diverse esigenze vengono proposte due soluzioni atipiche che possono
essere di immediata utilità in fase di sviluppo di un sistema
digitale.
Note sui circuiti digitali
» La molteplicità di applicazioni che vedono l'uso dei dispositivi
digitali rendono estremamente utile attingere a soluzioni già
sperimentate e che quindi valgono quali blocchi funzionali pronti
per essere integrati in schemi di maggiore complessità. Queste
sezioni propongono una raccolta di circuiti che potranno ridurre i
tempi di progettazione o suggerire opzioni che non erano state
considerate in prima istanza. Si spazia dai Flip-flop a quattro
stati ai generatori di clock multifase, dai convertitori di codice
Gray ad un atipico divisore a modulo programmabile fino ai
rivelatori di transizione singola e doppia.
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Requisiti
ed informazioni generali
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Sistema
Operativo richiesto : Windows 98/2000/ME/Xp/Vista |
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Lingua
nella quale è scritta la documentazione: italiana. |
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Possibilità
di stampare la documentazione: si. |
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Aggiornamenti
: gratuiti. |
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