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Oggetto:
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Laboratorio Avanzato di Elettronica

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Advanced Electronics Laboratory

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Anno accademico 2017/2018

Codice dell'attività didattica
MFN1324
Docenti
Prof. Michela Greco (Titolare del corso)
Prof. Stefano Argiro' (Titolare del corso)
Dott. Luca Pacher (Esercitatore)
Corso di studi
008510-103 Laurea Magistrale in Fisica ind. Fisica dell'Ambiente e delle Tecnologie Avanzate
Anno
1° anno
Periodo didattico
Terzo periodo didattico
Tipologia
B=Caratterizzante
Crediti/Valenza
6
SSD dell'attività didattica
FIS/01 - fisica sperimentale
Modalità di erogazione
Tradizionale
Lingua di insegnamento
Italiano
Modalità di frequenza
Facoltativa
Tipologia d'esame
Prova pratica
Prerequisiti
Elettronica Applicata, Elettronica Digitale
Applied Electronics, Digital Electronics
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Sommario insegnamento

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Obiettivi formativi

Conoscenza e capacità di comprensione (knowledge and understanding)
Comprensione di aspetti fondamentali associati ai circuiti elettronici analogici per la lettura di sensori e rivelatori,  attraverso l'analisi teorica e la simulazione SPICE.

Comprensione degli elementi di base di un sistema di acquisizione dati attraverso l'uso di differenti linguaggi sw ( Verilog, Labview, "C" modificato ) e strumenti hw (schede programmabili virtuali e reali, come Arduino e FPGA) .

Capacità di applicare conoscenza e comprensione (applying knowledge and understanding)
Lo studente acquisirà la capacità di applicare le conoscenze di base mediante la realizzazione pratica in laboratorio di semplici circuiti e la gestione di un semplice sistema di acquisizione dati.

Knowledge and understanding
Understanding of key issues associated with electronic analog circuits for the readout of sensors and detectors, 
through  theoretical analysis and  SPICE simulations. Understanding of the basic elements of a data acquisition systems through the use of different sw languages(Verilog, Labview, "C"-like) and hw tools (virtual and real programmable card, like Arduino and FPGA).


Applying knowledge and understanding
The student will acquire the ability to apply basic knowledge through practical implementation of simple circuits in the laboratory and design and operation of a simple data acquisition system.

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Risultati dell'apprendimento attesi

Capacità di progettare in modo autonomo circuiti per l'amplificazione e l'elaborazione del segnale, con particolare riferimento all'elaborazione di segnali da trasduttori di informazioni fisiche. Adeguata comprensione dei meccanismi della reazione negativa. Conoscenza delle caratteristiche di amplificatori operazionali ed altri circuiti integrati di uso comune.  Adeguata esperienza nell'utilizzo del simulatore SPICE e di un ambiente software professionale Xilinx per la programmazione FPGA.

Capacità di disegnare un semplice sistema di acquisizione dati per diversi sensori e rivelatori.

 

Ability to design autonomously circuits for signal  amplification and processing, in particular for the readout of transducers.  Adequate understanding of negative feedback mechanisms. Knowledge of  the features of operational amplifiers and other integrated circuits of common use. Adequate experience in using the SPICE simulator and of a professional FPGA development environment.

Ability to design a simple data acquisition system  using different transducers.

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Modalità di insegnamento

Lezioni frontali e attività di Laboratorio


Lectures and Lab sessions

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Modalità di verifica dell'apprendimento

 

Per la prima parte, la valutazione si compone di due elementi:

1- relazione scritta, preferibilmente in lingua inglese, in stile di articolo scientifico, comprendente la  discussione del progetto di acquisizione dati e test funzionamento. Un esempio di template che si può utilizzare, per Latex o Word, è disponibile all'indirizzo http://www.nss-mic.org/2010/Public/Publications/templates.htm 

2- presentazione orale del progetto, in stile di presentazione a conferenza, preferibilmente mediante l'uso di diapositive. In alternativa è possibile concordare con il docente un argomento alternativo, inerente l'elettronica di front-end che verrà assegnato a richiesta.

Per la seconda parte la valutazione si basa sul montaggio di un'esperienza eseguita in laboratorio.

La valutazione complessiva risulterà dalla media pesata del voto in trentesimi conseguito nelle due parti.

For the first part, the grade consists of two elements:

1- written report, in the style of a scientific publication, comprising the discussion of the data acquisition project. An example of the template that can be used, in Latex or Word, is available on the webpage http://www.nss-mic.org/2010/Public/Publications/templates.htm

2- oral report, in the style of a conference presentation, preferably using slides.

For the second part the exam consists in reproducing an experiment performed during the lab hours.

The final grade consists in the weighted average of the two parts

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Attività di supporto

 

Per la parte di introduzione alla programmazione FPGA, tutti i sorgenti HDL dei progetti e gli scripts Tcl richiesti per eseguire il flusso di progettazione (simulazione HDL, sintesi/place-and-route e download del firmware sulla board) sono liberamenti consultabili e scaricabili tramite portale GitHub all'indirizzo

https://github.com/argiro/advanced-ele

For the part of introduction to FPGA programming, all the HDL sources of projects and Tcl scripts required to perform the design flow (HDL simulation, synthesis / place-and-route and downloading the firmware on the board) are freely available for downloading  at 
https://github.com/argiro/advanced-ele

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Programma

PARTE 1 - Elettronica analogica e digitale, introduzione alla programmazione FPGA [Prof. Argiro' , Dott. Pacher - 40 ore]

Utilizzo di amplificatori operazionali per l'elaborazione analogica di segnali ottenuti da sensori, comprensione del concetto di retroazione negativa e implicazioni sulla stabilità.
Simulazione analogica di circuiti elettronici tramite programma LTSpice.  Introduzione all'elaborazione dei segnali nel dominio digitale, descrizione di semplici circuiti digitali tramite linguaggio Verilog/VHDL e loro implementazione hardware mediante programmazione FPGA in ambiente Xilinx Vivado.

Realizzazione di un sistema di acquisizione dati per un sensore Silicon Photomultiplier  (SiPM), comprendente la parte analogica e quella digitale.  

PARTE 2- Programmazione  di micro-controllori (Arduino) e sviluppo di interfacce di  controllo e acquisizione dati LabView [Prof. Greco - 20 ore]

Il corso ha inoltre lo scopo di introdurre i sistemi di controllo e acquisizione dati per la trattazione di segnali da sensori, impiegando sia strumentazione software (LabView) che hardware programmabili ad alto livello (Arduino).

PART 1 - Analog and digital Electronics, Introduction to programming FPGA [Prof. Argiro' , Dott. Pacher - 40 hours]

Use of Operational Amplifiers for the analogic elaboration of signals obtained by sensors, understanding of the concept of negative feedback and implications on stability.
Analogic simulation of electronic circuits by LTSpice programme. Introduction to signal elaboration in digital domain, description of simple digital circuits through the language Verilog/VHDL and their hardware implementation through FPGA programming in Xilinx Vivado environment.

Realization of a data acquisition system for a Silicon Photomultiplier sensor, including the analogical and digital part.

PART 2- Programming high-level micro-controller (Arduino) and development of control and data acquisition LabView interfaces [20 hours]

The course also aims to introduce the control and data acquisition systems for the treatment of signals from sensors, using both software instrumentation (LabView) that high-level programmable hardware (Arduino).

Testi consigliati e bibliografia

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PARTE 1 - Elettronica analogica e digitale, introduzione alla programmazione FPGA (Prof. Argiro' , Dott. Pacher)

  • Op Amps for Everyone Design Reference,  Texas Instruments Application Note, 2001
  • Op Amp Applications Handbook, W. Jung,  Analog Devices Series, 2005
  • Verilog Digital System Design, Z. Navabi, McGraw-Hill, 2006
  • Introduction to Digital Design Using Digilent FPGA Boards,  R.E. Haskell, D.M. Hanna,  LBE Books,  2009,  http://store.digilentinc.com/introduction-to-digital-design-using-digilent-fpga-boards

NOTA - Di questo libro esiste anche una collezione completa di 112 video-lezioni tenute da uno degli autori e disponibile su YouTube all'indirizzo
https://www.youtube.com/playlist?list=PLIwUmtq2AIgbcaR4CT-WjP8R_c9DTmku4

 

PARTE 2- Programmazione ad alto livello di micro-controllori (Arduino) e sviluppo di interfacce di  controllo e acquisizione dati LabView (Prof. Greco)

Getting started with LabVIEW,

http://www.ni.com/pdf/manuals/373427j.pdf

http://arduino.cc/en/Guide/HomePage
Note del docente

PART 1 - Analog and digital Electronics, introduction to FPGA programming (Prof. Argiro' , Dott. Pacher)

  • Op Amps for Everyone Design Reference,  Texas Instruments Application Note, 2001
  • Op Amp Applications Handbook, W. Jung,  Analog Devices Series, 2005
  • Verilog Digital System Design, Z. Navabi, McGraw-Hill, 2006
  • Introduction to Digital Design Using Digilent FPGA Boards,  R.E. Haskell, D.M. Hanna,  LBE Books,  2009,  http://store.digilentinc.com/introduction-to-digital-design-using-digilent-fpga-boards

NOTE - According to the last textbook, a complete collection of 112 video lessons given by one of the authors is available on YouTube on the following link
https://www.youtube.com/playlist?list=PLIwUmtq2AIgbcaR4CT-WjP8R_c9DTmku4

 

Part 2. Programming high-level microcontroller (Arduino) and development of control interfaces and data acquisition LabView 

Getting started with LabVIEW,

http://www.ni.com/pdf/manuals/373427j.pdf

http://arduino.cc/en/Guide/HomePage 

Teacher's notes



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Orario lezioni

GiorniOreAula
Lunedì14:00 - 18:00
Mercoledì14:00 - 18:00

Lezioni: dal 16/04/2018 al 15/06/2018

Nota: Prof. Argirò Giovedì 19/04 aula D ore 14-16.

Ore 14-18 Laboratorio nei seguenti giorni :

Ven 27/4
Lun 30/4
Mer 2/5
Ven 4/5
Lun 7/5
Mar 8/5
Mer 16/5
Ven 18/5
Mer 23/5
Lun 28/5
Mar 29/5 (recupero)

Prof. Greco: Mercoledì 30/05 aula Avogadro ore 11-13.
Ogni lunedì e mercoledì in Laboratorio fino all'11 giugno in orario 14-18:30

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Note

Frequenza obbligatoria ai laboratori


Mandatory attendance at the laboratories

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Ultimo aggiornamento: 16/06/2017 14:30