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Curso : 2020/2021

447 - Graduado en Física

26957 - Sistemas digitales


Información del Plan Docente

Año académico:
2020/21
Asignatura:
26957 - Sistemas digitales
Centro académico:
100 - Facultad de Ciencias
Titulación:
447 - Graduado en Física
Créditos:
5.0
Curso:
3
Periodo de impartición:
Primer semestre
Clase de asignatura:
Optativa
Materia:
---

1.Información Básica

1.1.Objetivos de la asignatura

La asignatura y sus resultados previstos responden a los siguientes planteamientos y objetivos:

El objetivo de esta asignatura que el alumno conozca las técnicas de caracterización y diseño de los sistemas electrónicos digitales que constituyen el núcleo fundamental de los equipos de medida y cálculo utilizados habitualmente en el estudio de fenómenos experimentales en laboratorio.

Se comenzará por exponer la formulación teórica necesaria para estudiar los bloques combinacionales y secuenciales más generales, insistiendo especialmente en los conceptos de memoria y estado de un sistema y poniendo de manifiesto las ventajas de los lenguajes de descripción de hardware (HDL) para analizar y diseñar dicho bloques.

Se introducirá también la estructura y operación de los dispositivos lógicos programables (PLD y FPGA) como alternativa a las técnicas tradicionales de diseño.

Se desarrollará finalmente el concepto de microcontrolador programable por software (lenguaje C y ensamblador) como elemento más flexible y potente en el diseño de sistemas digitales complejos.

La asignatura, aunque se limita al ámbito de la física, puede ser de indudable interés en muchas disciplinas experimentales.

1.2.Contexto y sentido de la asignatura en la titulación

Esta asignatura se enmarca en el módulo de optativas específicas, el cual supone un total de 35 ECTS a cursar por el alumno, repartidos en 7 asignaturas de 5 ECTS.

En particular, esta materia está diseñada para ser impartida en cuarto curso de grado, durante primer o segundo cuatrimestre indistintamente.

1.3.Recomendaciones para cursar la asignatura

Se recomienda haber cursado las asignaturas del módulo de Física Clásica y las asignaturas de Informática y Técnicas Físicas I y II.

2.Competencias y resultados de aprendizaje

2.1.Competencias

Al superar la asignatura, el estudiante será más competente para...

Conocer el concepto de álgebra de Boole y la teoría de funciones lógicas, así como sus técnicas de simplificación y realización física.

Conocer la formulación necesaria para el estudio de los sistemas combinacionales y las características generales de los principales bloques funcionales.

Caracterizar sistemas secuenciales y sus diversas técnicas de realización.

Comprender el funcionamiento de los diversos dispositivos lógicos programables para seleccionar el más adecuado.

Comprender el funcionamiento de los microcontroladores para optimizar sus prestaciones en la realización de sistemas digitales complejos.

Conocer las técnicas de programación de microcontroladores en lenguaje ensamblador y C

2.2.Resultados de aprendizaje

El estudiante, para superar esta asignatura, deberá demostrar los siguientes resultados...

Obtener y simplificar las funciones lógicas que corresponden a las tablas de verdad y diagramas de estados que definen un sistema digital.

Conocer los sistemas combinacionales y secuenciales básicos y su integración en sistemas más complejos.

Analizar las características de los bloques funcionales de un microcontrolador.

Comprender la arquitectura electrónica interna y el funcionamiento de las microinstrucciones.

Realizar el software necesario para el control de los diversos dispositivos y puertos de entrada/salida de un microcontrolador.

2.3.Importancia de los resultados de aprendizaje

Las competencias adquiridas en esta asignatura capacitan al alumno para comprender en profundidad la estructura y funcionamiento de los sistemas electrónicos digitales incluidos en cualquier instrumentación de laboratorio utilizada en sistemas experimentales de medida, ordenadores y otros dispositivos electrónicos actuales.

Además, el carácter interdisciplinar de esta materia y la transversalidad de sus contenidos hace a esta asignatura especialmente relevante para cualquier estudiante del grado de Física independientemente del itinerario curricular elegido.

3.Evaluación

3.1.Tipo de pruebas y su valor sobre la nota final y criterios de evaluación para cada prueba

El estudiante deberá demostrar que ha alcanzado los resultados de aprendizaje previstos mediante las siguientes actividades de evaluación:

Experiencias de laboratorio (40%). Se evaluará el trabajo continuo e individual realizado en el laboratorio y los informes presentados por los alumnos. La realización de las experiencias es de carácter obligatorio y en los informes debe incluirse la información correspondiente a los fundamentos del sistema experimental, descripción detallada y evidencias gráficas de su operación en el laboratorio, que se proporcionarán en un formato electrónico adecuado.

Proyecto final (60%). Será elegido entre una relación suministrada por los docentes responsables de la asignatura, o propuesto por el alumno, y su desarrollo requerirá la aplicación de conocimientos teóricos y experimentales, así como destrezas adquiridas a lo largo del curso de la asignatura. El alumno entregará una memoria del proyecto, en soporte electrónico, que incluirá una exposición descriptiva fundamentada de los principios teórico-prácticos en los que se basa, análisis por bloques y resultados experimentales obtenidos. La evaluación se realizará por pares, mediante la presentación de los resultados al resto de compañeros. Dicha calificación podrá ser modulada por el profesorado de la asignatura a partir de la memoria entregada y las evidencias de laboratorio.

Superación de la asignatura mediante una prueba global única:

En las fechas publicadas por la Facultad de Ciencias se realizará una prueba escrita con cuestiones teóricas y prácticas (30%) y un examen de prácticas de laboratorio (70%) sobre los contenidos desarrollados a lo largo del curso.

4.Metodología, actividades de aprendizaje, programa y recursos

4.1.Presentación metodológica general

Las metodologías aplicadas en el desarrollo de la asignatura son:

  • Clases magistrales participativas
  • Aprendizaje basado en casos
  • Clases magistrales en grupo reducido
  • Resolución de problemas en grupos reducidos
  • Prácticas y/o demostraciones de laboratorio
  • Elaboración de informes.

Con ellas se pretende que el alumno adquiera competencias que capacitan al alumno para comprender en profundidad la estructura y funcionamiento de los sistemas electrónicos digitales incluidos en cualquier instrumentación de laboratorio utilizada en sistemas experimentales de medida, ordenadores y otros dispositivos electrónicos actuales, en particular:

  • Aplicar el álgebra de Boole al análisis y síntesis de sistemas lógicos combinacionales y secuenciales básicos
  • Conocer y saber elegir entre las distintas opciones del diseño de sistemas electrónicos digitales
  • Comprender el funcionamiento de la arquitectura de un microprocesador
  • Diseñar y programar sistemas electrónicos digitales basados en microprocesadores

Además, el carácter interdisciplinar de esta materia y la transversalidad de sus contenidos hace a esta asignatura especialmente relevante para cualquier estudiante del grado de Física independientemente del itinerario curricular elegido.

4.2.Actividades de aprendizaje

Las actividades docentes y de evaluación se llevarán a cabo de modo presencial salvo que, debido a la situación sanitaria, las disposiciones emitidas por las autoridades competentes y por la Universidad de Zaragoza dispongan realizarlas de forma telemática.

Actividad Formativa 1

Adquisición de conocimientos sobre los contenidos de la asignatura (3 ECTS)

Actividad Formativa 2

Resolución de problemas relacionados con los contenidos de la asignatura (1 ECTS)

Actividad Formativa 3

Diseño y verificación experimental de diversos sistemas electrónicos (1 ECTS)

4.3.Programa

Tema 1.      FUNCIONES LÓGICAS

1.1   Definición y propiedades

1.2.  Términos canónicos. Teorema de Shannon

1.3.  Simplificación de funciones: reducción algebraica, K-maps, métodos computacionales

Tema 2.      CIRCUITOS DIGITALES

2.1.  Puertas lógicas. Caracterización

2.2.  Diagramas lógicos

2.3.  Tecnología TTL

2.4.  Tecnología CMOS

2.5.  Ejemplos en el laboratorio

Tema 3.      SISTEMAS COMBINACIONALES

3.1.  Características generales

3.2.  Multiplexores, demultiplexores

3.3.  Decodificadores y comparadores

Tema 4.      ARITMÉTICA BINARIA

4.1.  Boque básico: sumador binario

4.2.  Suma con signo

4.3.  Unidad aritmético-lógica

4.4.  Cálculo anticipado del acarreo

4.5.  Multiplicación binaria

Tema 5.      SISTEMAS SECUENCIALES

5.1.  Definiciones

5.2.  Tipos de biestable

5.3.  Sistemas secuenciales síncronos, arquitecturas Moore y Mealy

Tema 6.      CONTADORES Y REGISTROS

6.1.  Introducción a los contadores

6.2.  Contador asíncrono

6.3.  Contador síncrono

6.4.  Introducción a los registros

6.5.  Registro de desplazamiento

6.6.  Linear Feedback Shift Register (LFSR)

Tema 7.      MEMORIAS

7.1.  Introducción

7.2.  Configuración de una memoria, buses

7.3.  Arquitecturas ROM

7.4.  Arquitecturas RAM

7.5.  Mapas de memoria

Tema 8.      MICROCONTROLADORES

8.1.  Descripción básica, arquitectura

8.2.  Registros en un microcontrolador

8.3.  Periféricos y puertos de entrada/salida

8.4.  Interrupciones

8.5.  Programación de microcontroladores

Tema 9.      ARDUINO

9.1.  Introducción

9.2.  Estructura de un programa. Configuración

9.3.  Funciones básicas de lectura/escritura, interrupciones

9.4.  Comunicaciones. Transferencia síncrona de datos

9.5.  Ejemplos en el laboratorio

Tema 10.             DISPOSITIVOS PERIFÉRICOS

4.4.Planificación de las actividades de aprendizaje y calendario de fechas clave

La distribución de las distintas actividades vendrá dada en función del calendario académico del curso correspondiente. Las sesiones de evaluación mediante una prueba escrita global son las que el Decanato de la Facultad de Ciencias determina y publica cada año.

4.5.Bibliografía y recursos recomendados


Curso : 2020/2021

447 - Degree in Physics

26957 - Digital Systems


Información del Plan Docente

Academic Year:
2020/21
Subject:
26957 - Digital Systems
Faculty / School:
100 -
Degree:
447 - Degree in Physics
ECTS:
5.0
Year:
3
Semester:
First semester
Subject Type:
Optional
Module:
---

1.General information

1.1.Aims of the course

1.2.Context and importance of this course in the degree

1.3.Recommendations to take this course

2.Learning goals

2.1.Competences

2.2.Learning goals

2.3.Importance of learning goals

3.Assessment (1st and 2nd call)

3.1.Assessment tasks (description of tasks, marking system and assessment criteria)

4.Methodology, learning tasks, syllabus and resources

4.1.Methodological overview

The methodologies applied in the development of the course are:

• Participatory master classes

• Case-based learning

• Master classes in small groups

• Problem solving in small groups

• Laboratory practices and/or demonstrations

• Report writing

These methodologies are intended for the student to acquire skills that enable him/her to understand in depth the structure and operation of digital electronic systems included in any laboratory instrumentation used in experimental measurement systems, computers and other current electronic devices, in particular:

• Apply Boolean algebra to the analysis and synthesis of basic combinational and sequential logical systems

• Know and know how to choose between the different options of the design of digital electronic systems

• Understand how a microprocessor architecture works

• Design and program digital electronic systems based on microprocessors

Furthermore, the interdisciplinary nature of this subject and transversality of its contents make this course especially relevant for any student of the Physics degree regardless of the chosen curricular itinerary.

4.2.Learning tasks

This is a 5 ECTS course organized as follows:

Training Activity 1

Acquisition of knowledge about the contents of the subject (3 ECTS)

Training Activity 2

Resolution of problems related to the contents of the course (1 ECTS)

Training Activity 3

Design and experimental verification of various electronic systems (1 ECTS)

4.3.Syllabus

The course will address the following topics:

Section 1. LOGICAL FUNCTIONS

1.1 Definition and properties

1.2. Canonical terms. Shannon Theorem

1.3. Simplification of functions: algebraic reduction, K-maps, computational methods

Section 2. DIGITAL CIRCUITS

2.1. Logic gates. Characterization

2.2. Logic diagrams

2.3. TTL technology

2.4. CMOS technology

2.5. Laboratory examples

Section 3. COMBINATIONAL SYSTEMS

3.1. General characteristics

3.2. Multiplexers, demultiplexers

3.3. Decoders and comparators

Section 4. BINARY ARITHMETICS

4.1. Basic block: binary adder

4.2. Signed sum

4.3. Arithmetic-logic unit

4.4. Carry lookahead circuits

4.5. Binary multiplication

Section 5. SEQUENTIAL SYSTEMS

5.1. Definitions

5.2. Types of bistable

5.3. Synchronous sequential systems, Moore and Mealy architectures

Section 6. COUNTERS AND REGISTERS

6.1. Introduction to counters

6.2. Asynchronous counter

6.3. Synchronous counter

6.4. Introduction to the registers

6.5. Shift register

6.6. Linear Feedback Shift Register (LFSR)

Section 7. MEMORIES

7.1. Introduction

7.2. Memory configuration, buses

7.3. ROM architectures

7.4. RAM architectures

7.5. Memory maps

Section 8. MICROCONTROLLERS

8.1. Basic description, architecture

8.2. Microcontroller registers

8.3. Peripherals and input/output ports

8.4. Interrupts

8.5. Microcontroller programming

Section 9. ARDUINO

9.1. Introduction

9.2. Structure of a program. Configuration

9.3. Basic read/write functions, interrupts

9.4. Communications. Synchronous data transfer

9.5. Laboratory examples

Section 10. PERIPHERAL DEVICES

4.4.Course planning and calendar

The distribution of the different activities will be given according to the academic schedule of the corresponding course. The evaluation sessions are those determined and published every year by the Faculty of Science.

Further information concerning the timetable, classroom, office hours, assessment dates and other details regarding this course will be provided on the first day of class or please refer to the ciencias.unizar.es webpage.

4.5.Bibliography and recommended resources