Laboratori di Fisica III
F. Scuri, C. Ferrari, S. Veronesi
30/03/2012
Docenti
Fabrizio Scuri
e_mail fabrizio. [email protected]
stanza 246
1 piano edificio C
tel 050 2214 439
Carlo Ferrari
e_mail [email protected]
Istituto Nazionale di Ottica (INO)
tel 050-3152245
Stefano Veronesi
e_mail [email protected]
stanza 30
1 piano edificio B
tel 050 2214 184
30/03/2012
organizzazione
Struttura modulare suddivisa in due moduli:
Elettronica analogica
Elettronica digitale
Strutturato in 4 diverse aule per le prove pratiche che possono ospitare un
massimo di 78 studenti
Modalità di esame:
Prove intermedie durante i due moduli che valgono, se superate, come
prova pratica scritta finale + orale
Oppure
Prova pratica scritta finale + orale
30/03/2012
Programma di massima
Modulo di Elettronica Digitale
Carlo Ferrari e Stefano Veronesi
 elementi non ohmici (diodo e transistor) principi di funzionamento e loro utilizzo
 Amplificatori a transistor e loro caratteristiche (guadagno, banda passante, …)
 adattamento di impedenza
 Amplificatori operazionali e loro caratteristiche
Oscillatori sinusoidali
 filtri attivi, principi di funzionamento e loro utilizzo
 Elementi e circuiti non lineari (comparatori, trigger, …)
 convertitori AD/DA
30/03/2012
Prove di laboratorio
Modulo di elettronica analogica
Ognuno degli argomenti trattati viene integrato con alcune prove pratiche di
laboratorio al fine di realizzare e dimensionare i circuiti e gli elementi che sono stati
trattati a lezione.
Normalmente vengono effettuati circa 20 pomeriggi di laboratorio dove si
realizzano circuiti che possono prevedere un singolo pomeriggio per il loro
completamento o esperienze più complesse (tipicamente un paio) che prevedono
2-3 pomeriggi per il loro completamento.
Ogni prova pratica effettuata prevede la stesura di una relazione con una
descrizione dell’esperienza svolta e l’elaborazione dei dati sperimentali acquisiti.
Linee guida nella programmazione e svolgimento
del modulo di
Elettronica Digitale
(Laboratorio 3 al III anno del corso di laurea triennale in fisica)
Fabrizio Scuri
Pisa, 30 Marzo, 2012
30/03/2012
F.Scuri - Corso di Elettronica digitale
Elettronica digitale:
30/03/2012
F.Scuri - Corso di Elettronica digitale
1
Elettronica digitale:
La mia interpretazione di questa materia:
30/03/2012
F.Scuri - Corso di Elettronica digitale
1
Elettronica digitale:
1
La mia interpretazione di questa materia:
“Tutto quanto attiene alla teoria, ai metodi, ai dispositivi e alle
loro implemetazioni commerciali, relativi alle operazioni
aritmetico-logiche con numeri binari e alla memorizzazione
e trasferimento dei dati.”
30/03/2012
F.Scuri - Corso di Elettronica digitale
Elettronica digitale:
1
La mia interpretazione di questa materia:
“Tutto quanto attiene alla teoria, ai metodi, ai dispositivi e le
loro implemetazioni commerciali, relativi alle operazioni
aritmetico-logiche con numeri binari e alla memorizzazione
e trasferimento dei dati.”
… ovvero: “brevi cenni sul mondo”
30/03/2012
F.Scuri - Corso di Elettronica digitale
Elettronica digitale:
1
La mia interpretazione di questa materia:
“Tutto quanto attiene alla teoria, ai metodi, ai dispositivi e le
loro implemetazioni commerciali, relativi alle operazioni
aritmetico-logiche con numeri binari e alla memorizzazione
e trasferimento dei dati.”
… ovvero: “brevi cenni sul mondo”
Non si può essere esuastivi in didattica dell’elettronica digitale
per motivi di “spazio-tempo”
30/03/2012
F.Scuri - Corso di Elettronica digitale
Elettronica digitale:
1
La mia interpretazione di questa materia:
“Tutto quanto attiene alla teoria, ai metodi, ai dispositivi e le
loro implemetazioni commerciali, relativi alle operazioni
aritmetico-logiche con numeri binari e alla memorizzazione
e trasferimento dei dati.”
… ovvero: “brevi cenni sul mondo”
Non si può essere esuastivi in didattica dell’elettronica digitale
per motivi di “spazio-tempo”
== > occorre operare delle scelte di contenuti e di metodo
30/03/2012
F.Scuri - Corso di Elettronica digitale
L’ approccio scelto
30/03/2012
F.Scuri - Corso di Elettronica digitale
2
L’ approccio scelto
2
Negli anni in cui mi è stato affidato il corso a Pisa (2010/11, 2011/12) ho tenuto
conto dei seguenti elementi per la sua organizzazione:
30/03/2012
F.Scuri - Corso di Elettronica digitale
L’ approccio scelto
2
Negli anni in cui mi è stato affidato il corso a Pisa (2010/11, 2011/12) ho tenuto
conto dei seguenti elementi per la sua organizzazione:
- l’esperienza dei docenti precedenti (corso del prof. G. Punzi, esercitazioni
di G.Punzi e di C. Roda);
30/03/2012
F.Scuri - Corso di Elettronica digitale
L’ approccio scelto
2
Negli anni in cui mi è stato affidato il corso a Pisa (2010/11, 2011/12) ho tenuto
conto dei seguenti elementi per la sua organizzazione:
- l’esperienza dei docenti precedenti (corso del prof. G. Punzi, esercitazioni
di G.Punzi e di C. Roda);
- il confronto con le proposte in altre Università dei corsi assimilati (non solo
del corso di laurea in fisica);
30/03/2012
F.Scuri - Corso di Elettronica digitale
L’ approccio scelto
2
Negli anni in cui mi è stato affidato il corso a Pisa (2010/11, 2011/12) ho tenuto
conto dei seguenti elementi per la sua organizzazione:
- l’esperienza dei docenti precedenti (corso del prof. G. Punzi, esercitazioni
di G.Punzi e di C. Roda);
- il confronto con le proposte in altre Università dei corsi assimilati (non solo
del corso di laurea in fisica);
- la mia personale esperienza pregressa (ho tenuto per 10 anni il corso di
elettronica agli informatici di Udine negli anni ‘90).
30/03/2012
F.Scuri - Corso di Elettronica digitale
L’ approccio scelto
2
Negli anni in cui mi è stato affidato il corso a Pisa (2010/11, 2011/12) ho tenuto
conto dei seguenti elementi per la sua organizzazione:
- l’esperienza dei docenti precedenti (corso del prof. G. Punzi, esercitazioni
di G.Punzi e di C. Roda);
- il confronto con le proposte in altre Università dei corsi assimilati (non solo
del corso di laurea in fisica);
- la mia personale esperienza pregressa (ho tenuto per 10 anni il corso di
elettronica agli informatici di Udine negli anni ‘90).
A Pisa ho scelto l’approccio “classico” nelle lezioni frontali e nelle esercitazioni di
laboratorio, conformemente all’impostazione degli anni precedenti e a quello che
io penso sia meglio fare:
30/03/2012
F.Scuri - Corso di Elettronica digitale
L’ approccio scelto
2
Negli anni in cui mi è stato affidato il corso a Pisa (2010/11, 2011/12) ho tenuto
conto dei seguenti elementi per la sua organizzazione:
- l’esperienza dei docenti precedenti (corso del prof. G. Punzi, esercitazioni
di G.Punzi e di C. Roda);
- il confronto con le proposte in altre Università dei corsi assimilati (non solo
del corso di laurea in fisica);
- la mia personale esperienza pregressa (ho tenuto per 10 anni il corso di
elettronica agli informatici di Udine negli anni ‘90).
A Pisa ho scelto l’approccio “classico” nelle lezioni frontali e nelle esercitazioni di
laboratorio, conformemente all’impostazione degli anni precedenti e a quello che
io penso sia meglio fare:
si trattano inizialmente le porte logiche di base (incluse le proprietà fisiche) e poi,
gradualmente, si studiano nelle lezioni frontali e si implemetano in laboratorio
sistemi di complessità crescente utilizzando componenti commerciali elementari.
30/03/2012
F.Scuri - Corso di Elettronica digitale
3
Elenco e calendario previsto delle esercitazioni a.a. corrente
per descrivere l’approccio scelto per l’organizzazione del corso
1)
Esercitazione propedeutica uso strumenti
16 febbraio (G), recupero/cont. 23 febbraio (G)
2)
Caratteristiche fisiche della porta NOT
27 febbraio (L) , recupero/cont. 1 marzo (G)
3)
Realizzazione di circuiti con porte logiche NAND
4)
Multivibratore astabile con porte logiche
12 marzo (L),
recupero/cont. 15marzo (G)
5)
Contatore esadecimale
19 marzo (L),
recupero/cont. 22 marzo (G)
6)
7)
Generatore di sequenza pseudo-casuali
Macchine a stati finiti: semafori
26 marzo (L),
23 aprile (L),
recupero/cont. 29 marzo (G)
recupero/cont. 26 aprile (G)
8)
Progettazione e realizzazione ALU
30 aprile (L),
recupero/cont. 3 maggio (G)
5 marzo (L),
recupero/cont. 8 marzo (G)
9)
Realizzazione di un ADC
7 maggio (L), recupero/cont. 10 maggio (G)
Dimostrazione conclusiva in aula con un campionatore ad alta frequenza (5 GHz) la settimana del 14 maggio
(4 giorni, L,Ma,G,V) se arriverà in tempo un nuovo strumento basato su un chip DRS (Domino Ring Sampler)
e già utilizzato in alcuni esperimenti in presa dati (MEG – decadimenti rai dei leptoni, MAGIC (astroparticelle)
e DREAM (calorimetria dual-readout)
21 maggio (L)
10) Recupero facoltativo di una sola esercitazione
30/03/2012
F.Scuri - Corso di Elettronica digitale
3
Elenco e calendario previsto delle esercitazioni a.a. corrente
per descrivere l’approccio scelto per l’organizzazione del corso
1)
Esercitazione propedeutica uso strumenti
16 febbraio (G), recupero/cont. 23 febbraio (G)
2)
Caratteristiche fisiche della porta NOT
27 febbraio (L) , recupero/cont. 1 marzo (G)
3)
Realizzazione di circuiti con porte logiche NAND
4)
Multivibratore astabile con porte logiche
12 marzo (L),
recupero/cont. 15marzo (G)
5)
Contatore esadecimale
19 marzo (L),
recupero/cont. 22 marzo (G)
6)
7)
Generatore di sequenza pseudo-casuali
Macchine a stati finiti: semafori
26 marzo (L),
23 aprile (L),
recupero/cont. 29 marzo (G)
recupero/cont. 26 aprile (G)
8)
Progettazione e realizzazione ALU
30 aprile (L),
recupero/cont. 3 maggio (G)
5 marzo (L),
recupero/cont. 8 marzo (G)
9)
Realizzazione di un ADC
7 maggio (L), recupero/cont. 10 maggio (G)
Dimostrazione conclusiva in aula con un campionatore ad alta frequenza (5 GHz) la settimana del 14 maggio
(4 giorni, L,Ma,G,V) se arriverà in tempo un nuovo strumento basato su un chip DRS (Domino Ring Sampler)
e già utilizzato in alcuni esperimenti in presa dati (MEG – decadimenti rai dei leptoni, MAGIC (astroparticelle)
e DREAM (calorimetria dual-readout)
21 maggio (L)
10) Recupero facoltativo di una sola esercitazione
Da quest’anno sono previste prove pratiche durante l’anno (equivalenti ai “compitini”)
di verifica della preparazione degli studenti con valità di prova pratica d’esame se
viene conseguita una valutazione sufficiente
30/03/2012
F.Scuri - Corso di Elettronica digitale
Alternative possibili
30/03/2012
F.Scuri - Corso di Elettronica digitale
4
Alternative possibili
4
Il corso, così come è strutturato ora nelle lezioni frontali e nelle esercitazioni di
laboratorio, può risultare un po’ noioso e/o obsoleto in alcune parti (in laboratorio si
usano ancora componenti della famiglia 74LSxx ormai quasi fuori commercio ….)
30/03/2012
F.Scuri - Corso di Elettronica digitale
Alternative possibili
4
Il corso, così come è strutturato ora nelle lezioni frontali e nelle esercitazioni di
laboratorio, può risultare un po’ noioso e/o obsoleto in alcune parti (in laboratorio si
usano ancora componenti della famiglia 74LSxx ormai quasi fuori commercio ….)
C’è ampio margine per aggiornare contenuti e materiale di laboratorio, mantenedo
l’attuale impostazione “classica” del corso.
30/03/2012
F.Scuri - Corso di Elettronica digitale
Alternative possibili
4
Il corso, così come è strutturato ora nelle lezioni frontali e nelle esercitazioni di
laboratorio, può risultare un po’ noioso e/o obsoleto in alcune parti (in laboratorio si
usano ancora componenti della famiglia 74LSxx ormai quasi fuori commercio ….)
C’è ampio margine per aggiornare contenuti e materiale di laboratorio, mantenedo
l’attuale impostazione “classica” del corso.
Tutto (o quasi) quanto fatto a esercitazione può essere studiato con versioni “student”
(freeware) di elementari emulatori di dispositivi (Pspice, Logic Works, …. )
30/03/2012
F.Scuri - Corso di Elettronica digitale
Alternative possibili
4
Il corso, così come è strutturato ora nelle lezioni frontali e nelle esercitazioni di
laboratorio, può risultare un po’ noioso e/o obsoleto in alcune parti (in laboratorio si
usano ancora componenti della famiglia 74LSxx ormai quasi fuori commercio ….)
C’è ampio margine per aggiornare contenuti e materiale di laboratorio, mantenedo
l’attuale impostazione “classica” del corso.
Tutto (o quasi) quanto fatto a esercitazione può essere studiato con versioni “student”
(freeware) di elementari emulatori di dispositivi (Pspice, Logic Works, …. )
Sono utili strumenti di complemento, ma, secondo me, non basterebbero da soli
alla formazione sui problemi hardware che si possono incontrare
30/03/2012
F.Scuri - Corso di Elettronica digitale
Alternative possibili
4
Il corso, così come è strutturato ora nelle lezioni frontali e nelle esercitazioni di
laboratorio, può risultare un po’ noioso e/o obsoleto in alcune parti (in laboratorio si
usano ancora componenti della famiglia 74LSxx ormai quasi fuori commercio ….)
C’è ampio margine per aggiornare contenuti e materiale di laboratorio, mantenedo
l’attuale impostazione “classica” del corso.
Tutto (o quasi) quanto fatto a esercitazione può essere studiato con versioni “student”
(freeware) di elementari emulatori di dispositivi (Pspice, Logic Works, …. )
Sono utili strumenti di complemento, ma, secondo me, non basterebbero da soli
alla formazione sui problemi hardware che si possono incontrare.
Un approccio più “attraente” potrebbe essere l’utilizzo in ciascuna postazione e per
tutto il ciclo delle esercitazioni di una FPGA (Field Programmable Gate-Array) a basso
costo (es. Xilinx Artix-7 o Altera Cyclone-IV) con cui implementare tutti i circuiti
digitali proposti; opzione da studiare bene, bisogna evitare di ridurre il tutto
al solo apprendimento dei linguaggi di programmazione (VHDL e simili)
30/03/2012
F.Scuri - Corso di Elettronica digitale
Alternative possibili
4
Il corso, così come è strutturato ora nelle lezioni frontali e nelle esercitazioni di
laboratorio, può risultare un po’ noioso e/o obsoleto in alcune parti (in laboratorio si
usano ancora componenti della famiglia 74LSxx ormai quasi fuori commercio ….)
C’è ampio margine per aggiornare contenuti e materiale di laboratorio, mantenedo
l’attuale impostazione “classica” del corso.
Tutto (o quasi) quanto fatto a esercitazione può essere studiato con versioni “student”
(freeware) di elementari emulatori di dispositivi (Pspice, Logic Works, …. )
Sono utili strumenti di complemento, ma, secondo me, non basterebbero da soli
alla formazione sui problemi hardware che si possono incontrare.
Un approccio più “attraente” potrebbe essere l’utilizzo in ciascuna postazione e per
tutto il ciclo delle esercitazioni di una FPGA (Field Programmable Gate-Array) a basso
costo (es. Xilinx Artix-7 o Altera Cyclone-IV) con cui implementare tutti i circuiti
digitali proposti; opzione da studiare bene, bisogna evitare di ridurre il tutto
al solo apprendimento dei linguaggi di programmazione (VHDL e simili)
Tempi di attuazione del programma in un modulo semestrale e costi di adegumento
dei laboratori sono altri parametri che incidono sulle scelte.
30/03/2012
F.Scuri - Corso di Elettronica digitale
Due commenti finali a cui tengo molto
30/03/2012
F.Scuri - Corso di Elettronica digitale
5
Due commenti finali a cui tengo molto
5
Qualunque sia l’approccio all’organizzazione del corso, ci sono due aspetti fondamentali
per il successo formativo:
30/03/2012
F.Scuri - Corso di Elettronica digitale
Due commenti finali a cui tengo molto
5
Qualunque sia l’approccio all’organizzazione del corso, ci sono due aspetti fondamentali
per il successo formativo di cui si è tenuto conto negli ultimi anni:
1) La qualità delle relazioni sulle esperienze di laboratorio: lo scopo è l’insegnamento
dell’organizzazione e della scrittura di un documento scientifico: chiarezza, sintesi
e prorietà di linguaggio sono i requisiti necessari.
30/03/2012
F.Scuri - Corso di Elettronica digitale
Due commenti finali a cui tengo molto
5
Qualunque sia l’approccio all’organizzazione del corso, ci sono due aspetti fondamentali
per il successo formativo di cui si è tenuto conto negli ultimi anni:
1) La qualità delle relazioni sulle esperienze di laboratorio: lo scopo è l’insegnamento
dell’organizzazione e della scrittura di un documento scientifico: chiarezza, sintesi
e prorietà di linguaggio sono i requisiti necessari.
Per ottenere questo le relazioni vengono corrette e ampiamente commentate quasi
in tempo reale; gli studenti hanno modo di applicare nell’elaborato successivo le
correzioni all’elaborato precedente.
30/03/2012
F.Scuri - Corso di Elettronica digitale
Due commenti finali a cui tengo molto
5
Qualunque sia l’approccio all’organizzazione del corso, ci sono due aspetti fondamentali
per il successo formativo di cui si è tenuto conto negli ultimi anni:
1) La qualità delle relazioni sulle esperienze di laboratorio: lo scopo è l’insegnamento
dell’organizzazione e della scrittura di un documento scientifico: chiarezza, sintesi
e prorietà di linguaggio sono i requisiti necessari.
Per ottenere questo le relazioni vengono corrette e ampiamente commentate quasi
in tempo reale; gli studenti hanno modo di applicare nell’elaborato successivo le
correzioni all’elaborato precedente.
Il metodo funziona, vedere per credere; si confrontino la prima e l’ultima relazione
di un gruppo qualsiasi, i progressi sono evidenti.
30/03/2012
F.Scuri - Corso di Elettronica digitale
Due commenti finali a cui tengo molto
5
Qualunque sia l’approccio all’organizzazione del corso, ci sono due aspetti fondamentali
per il successo formativo di cui si è tenuto conto negli ultimi anni:
1) La qualità delle relazioni sulle esperienze di laboratorio: lo scopo è l’insegnamento
dell’organizzazione e della scrittura di un documento scientifico: chiarezza, sintesi
e prorietà di linguaggio sono i requisiti necessari.
Per ottenere questo le relazioni vengono corrette e ampiamente commentate quasi
in tempo reale; gli studenti hanno modo di applicare nell’elaborato successivo le
correzioni all’elaborato precedente.
Il metodo funziona, vedere per credere; si confrontino la prima e l’ultima relazione
di un gruppo qualsiasi, i progressi sono evidenti.
2) Deve passare il messaggio che non è tanto importante ottenere i risultati attesi, ma
che è più utile imparare i criteri di diagnostica quando le cose non funzionano.
Questo si ottiene solo con un contatto continuo alla postazione di lavoro di ciascun
studente con docente e assistenti.
30/03/2012
F.Scuri - Corso di Elettronica digitale
Due commenti finali a cui tengo molto
5
Qualunque sia l’approccio all’organizzazione del corso, ci sono due aspetti fondamentali
per il successo formativo di cui si è tenuto conto negli ultimi anni:
1) La qualità delle relazioni sulle esperienze di laboratorio: lo scopo è l’insegnamento
dell’organizzazione e della scrittura di un documento scientifico: chiarezza, sintesi
e prorietà di linguaggio sono i requisiti necessari.
Per ottenere questo le relazioni vengono corrette e ampiamente commentate quasi
in tempo reale; gli studenti hanno modo di applicare nell’elaborato successivo le
correzioni all’elaborato precedente.
Il metodo funziona, vedere per credere; si confrontino la prima e l’ultima relazione
di un gruppo qualsiasi, i progressi sono evidenti.
2) Deve passare il messaggio che non è tanto importante ottenere i risultati attesi, ma
che è più utile imparare i criteri di diagnostica quando le cose non funzionano.
Questo si ottiene solo con un contatto continuo alla postazione di lavoro di ciascun
studente con docente e assistenti.
== > Se il numero di iscritti supera le 25-30 unità, il corso va sdoppiato. 10 gruppi
da tre studenti è il massimo che docente e assistenti possono proficuamente
“gestire” nell’ottica sopra descritta.
30/03/2012
F.Scuri - Corso di Elettronica digitale
Due commenti finali a cui tengo molto
5
Qualunque sia l’approccio all’organizzazione del corso, ci sono due aspetti fondamentali
per il successo formativo di cui si è tenuto conto negli ultimi anni:
1) La qualità delle relazioni sulle esperienze di laboratorio: lo scopo è l’insegnamento
dell’organizzazione e della scrittura di un documento scientifico: chiarezza, sintesi
e prorietà di linguaggio sono i requisiti necessari.
Per ottenere questo le relazioni vengono corrette e ampiamente commentate quasi
in tempo reale; gli studenti hanno modo di applicare nell’elaborato successivo le
correzioni all’elaborato precedente.
Il metodo funziona, vedere per credere; si confrontino la prima e l’ultima relazione
di un gruppo qualsiasi, i progressi sono evidenti.
2) Deve passare il messaggio che non è tanto importante ottenere i risultati attesi, ma
che è più utile imparare i criteri di diagnostica quando le cose non funzionano.
Questo si ottiene solo con un contatto continuo alla postazione di lavoro di ciascun
studente con docente e assistenti.
== > Se il numero di iscritti supera le 25-30 unità, il corso va sdoppiato. 10 gruppi
da tre studenti è il massimo che docente e assistenti possono proficuamente
“gestire” nell’ottica sopra descritta.
Grazie per l’attenzione !
30/03/2012
F.Scuri - Corso di Elettronica digitale