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Las áreas académicas vinculadas a la electrónica y la computación se encuentran en constante demanda de recursos educativos de hardware y software en virtud de potenciar los conocimientos de los estudiantes. En el caso de las tecnologías con poca difusión o implementación en la industria regional, la principal opción es la importación de plataformas educativas adquiridas a empresas destinadas a la manufacturación de sistemas embebidos. Estas plataformas comerciales se clasifican según su implementación por lo que no siempre cubren los requerimientos académicos. Por ejemplo, en el área de las técnicas digitales, los requerimientos de hardware para las cátedras iniciales difieren de las cátedras avanzadas. Esta situación presenta la oportunidad de desarrollar una plataforma a la medida de las necesidades de las instituciones académicas. Si se dispone de las especificaciones por parte de los docentes y la articulación de laboratorios y grupos de investigación, es posible obtener un desarrollo que cubra las expectativas y aliente a la producción regional de plataformas educativas en un marco de transferencia de tecnología.
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Las áreas académicas vinculadas a la electrónica y la computación se encuentran en constante demanda de recursos educativos de hardware y software en virtud de potenciar los conocimientos de los estudiantes. En el caso de las tecnologías con poca difusión o implementación en la industria regional, la principal opción es la importación de plataformas educativas adquiridas a empresas destinadas a la manufacturación de sistemas embebidos. Estas plataformas comerciales se clasifican según su implementación por lo que no siempre cubren los requerimientos académicos. Por ejemplo, en el área de las técnicas digitales, los requerimientos de hardware para las cátedras iniciales difieren de las cátedras avanzadas. Esta situación presenta la oportunidad de desarrollar una plataforma a la medida de las necesidades de las instituciones académicas. Si se dispone de las especificaciones por parte de los docentes y la articulación de laboratorios y grupos de investigación, es posible obtener un desarrollo que cubra las expectativas y aliente a la producción regional de plataformas educativas en un marco de transferencia de tecnología.
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En el proceso de aprendizaje de las Técnicas Digitales necesariamente se deben implementar los diseños digitales. Desde el Álgebra de Bool, con operaciones digitales simples, hasta la implementación de un microprocesador son prácticas comunes de los sistemas digitales lógicos y resulta fundamental su ejercitación para concluir el ciclo de enseñanza.
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En el proceso de aprendizaje de las Técnicas Digitales necesariamente se deben implementar los diseños digitales. Desde el Álgebra de Bool, con operaciones digitales simples, hasta la implementación de un microprocesador son prácticas comunes de los sistemas digitales lógicos y resulta fundamental su ejercitación para concluir el ciclo de enseñanza.
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Al comienzo de la década de los 90s surgieron varios trabajos donde se planteaba la necesidad de una plataforma educativa orientada a la implementación de diseños lógicos digitales basados en PLDs. Los principales demandantes eran diseñadores de arquitecturas de microprocesadores \cite{ASArev.1}, desarrollos que años anteriores resultaban dificultoso por el costo de la implementación en hardware. El avance en el proceso de integración de los circuitos integrados han llevado a que se desarrollen plataformas más complejas que ofrecen una gran cantidad de recursos de hardware. Al día de hoy se han generado varios proyectos desarrollados por instituciones académicas \cite{FPGA-platform-CPU-design}\cite{Low-Cost-Interactive-Rapid-Prototyping}\cite{FPGA-Based-Experiment-Platform-for-Multi-Core-System}, otras con especificaciones abiertas \cite{Building-an-Evolvable-Low-Cost-HWSW-Platform}\cite{NetFPGA} y también con fines comerciales \cite{Port-Emb-Linux-XUP-Virtex-II.Dev-Board}. Todos estos trabajos tienen algunas características en común\footnote{La caracterización anterior no es un intento de generalizar a todas las plataformas educativas basadas en PLDs, pero sí resulta útil para definir el perfil de la plataforma que se describe en este trabajo.}:
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Al comienzo de la década de los 90s surgieron varios trabajos donde se planteaba la necesidad de una plataforma educativa orientada a la implementación de diseños lógicos digitales basados en PLDs. Los principales demandantes eran diseñadores de arquitecturas de microprocesadores \cite{ASArev.1}, desarrollos que años anteriores resultaban dificultosos por el costo de la implementación en hardware. El avance en el proceso de integración de los circuitos integrados ha llevado a que se desarrollen plataformas más complejas que ofrecen una gran cantidad de recursos de hardware. Al día de hoy se han generado varios proyectos desarrollados por instituciones académicas \cite{FPGA-platform-CPU-design}\cite{Low-Cost-Interactive-Rapid-Prototyping}\cite{FPGA-Based-Experiment-Platform-for-Multi-Core-System}, otras con especificaciones abiertas \cite{Building-an-Evolvable-Low-Cost-HWSW-Platform}\cite{NetFPGA} y también con fines comerciales \cite{Port-Emb-Linux-XUP-Virtex-II.Dev-Board}. Todos estos trabajos tienen algunas características en común\footnote{La caracterización anterior no es un intento de generalizar a todas las plataformas educativas basadas en PLDs, pero sí resulta útil para definir el perfil de la plataforma que se describe en este trabajo.}:
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\begin{itemize}
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\item El dispositivo lógico programable central es una FPGA
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\item El dispositivo lógico programable central es una FPGA
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\item Poseen Memoria de configuración de la FPGA
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\item Poseen Memoria de configuración de la FPGA
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\item El acceso al dispositivo es a través de JTAG
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\item El acceso al dispositivo es a través de JTAG
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\item Para la implementación de sistemas lógicos generales
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\item Para la implementación de sistemas lógicos generales
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\item Orientado a un área específica
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\item Orientado a un área específica
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\end{itemize}
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En función del perfil del usuario de la plataforma se definen los dispositivos que se utilizarán. La Tabla \ref{tab:rec-plataforma} ilustra una clasificación de los recursos que ofrecen diferentes plataformas basada en dispositivos PLDs. A niveles iniciales en el estudio de la lógica digital se requieren periféricos básicos como ser llaves conmutadoras de estados lógicos, pulsadores, dispositivos indicadores como diodos LED, etc. A un nivel medio se manejan controladores para display gráficos LCD/LED, comunicaciones entre varios dispositivos mediante SPI, I2C, entre otros. Y por último, en la formación de especialistas de sistemas embebidos, requieren recursos como interfaces físicos para ethernet, controladores HDMI, USB, y otros más.
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En función del perfil del usuario de la plataforma se definen los dispositivos que se utilizarán. La Tabla \ref{tab:rec-plataforma} ilustra una clasificación de los recursos que ofrecen diferentes plataformas basada en dispositivos PLDs. A niveles iniciales en el estudio de la lógica digital se requieren periféricos básicos como ser llaves conmutadoras de estados lógicos, pulsadores, dispositivos indicadores como diodos LED, etc. A un nivel medio se manejan controladores para display gráficos LCD/LED, comunicaciones entre varios dispositivos mediante SPI, I2C, etc. Y por último, en la formación de especialistas de sistemas embebidos, se requieren recursos como interfaces físicos para ethernet, controladores HDMI, USB, y otros más.
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\begin{table}[!t]
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\begin{table}[!t]
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\renewcommand{\arraystretch}{1.3}
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\caption{Recursos de hardware en función de los niveles de aprendizaje}
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\caption{Recursos de hardware en función de los niveles de aprendizaje}
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\label{tab:rec-plataforma}
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\label{tab:rec-plataforma}
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Avanzado & $\checkmark$ & $\checkmark$ & $\checkmark$ \\
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Avanzado & $\checkmark$ & $\checkmark$ & $\checkmark$ \\
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\end{tabular}
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Las principales empresas fabricantes de sistemas embebidos basados en dispositivos PLDs son Xilix, Altera y Digilent. Estos desarrollos se encuentran orientados a,
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Las principales empresas fabricantes de sistemas embebidos basados en dispositivos PLDs son Xilinx, Altera y Digilent. Estos desarrollos se encuentran orientados a,
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\begin{itemize}
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\item Sistemas de comunicaciones
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\item Sistemas de comunicaciones
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\item Procesamiento de Señales Digitales (DSP)
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\item Procesamiento de Señales Digitales (DSP)
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\item Automoción
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\item Automoción
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\item Memoria de configuración de la FPGA
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\item Memoria de configuración de la FPGA
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\item Periféricos básicos (LEDs, display, pulsadores, llaves, etc.)
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\item Periféricos básicos (LEDs, display, pulsadores, llaves, etc.)
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\item Puerto USB
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\item Puerto USB
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\item Puerto para módulos externos
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\item Puerto para módulos externos
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\item Puerto para propósitos generales
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\item Puerto para propósitos generales
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\item Varias señales de reloj (clok)
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\item Varias señales de reloj (clock)
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\item VGA
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\item VGA
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\item PS/2
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\item PS/2
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\item Memorias ROM/RAM
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\item Memorias ROM/RAM
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\item ADC/DAC
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\item ADC/DAC
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\end{itemize}
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\label{fig:xilinx-board}}
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\label{fig:xilinx-board}}
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\caption{Plataformas comerciales de desarrollo educativas basadas en FPGAs.}
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\caption{Plataformas comerciales de desarrollo educativas basadas en FPGAs.}
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\label{fig:board-fpga}
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\label{fig:board-fpga}
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\end{figure}
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En nuestra región la tecnología PLDs se encuentran integradas en varias lineas de investigación y desarrollos hace algunos años. Instituciones gubernamentales de defensa \cite{citedef-ref}, aeroespaciales, comunicaciones \cite{paper-dta-conae} están implementando dispositivos como FPGAs y CPLDs en sus sistemas electrónicos. Además existe una constante actualización por parte de las instituciones académicas en los programas analíticos de las carreras relacionadas a los sistemas embebidos \cite{act-curricula}.
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En nuestra región las tecnologías PLD se encuentran integradas en varias lineas de investigación y desarrollos hace algunos años. Instituciones gubernamentales de defensa \cite{citedef-ref}, aeroespaciales, comunicaciones \cite{paper-dta-conae} están implementando dispositivos como FPGAs y CPLDs en sus sistemas electrónicos. Además existe una constante actualización por parte de las instituciones académicas en los programas analíticos de las carreras relacionadas a los sistemas embebidos \cite{act-curricula}.
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Se obtuvo una primera experiencia sobre el desarrollo de una plataforma orientada a la enseñanza de lógica programable ha sido realizada en el año 2006 \cite{paper-cudar}. En esta versión se trabajó con un CPLD de Xilinx, a éste se conectaron algunos periféricos simples necesarios para las cátedras de Técnicas Digitales.
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Se obtuvo una primera experiencia sobre el desarrollo de una plataforma orientada a la enseñanza de lógica programable ha sido realizada en el año 2006 \cite{paper-cudar}. En esta versión se trabajó con un CPLD de Xilinx, a éste se conectaron algunos periféricos simples necesarios para las cátedras de Técnicas Digitales.
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El Instituto Nacional de Tecnología Industria impulsa un proyecto denominado FPGALibre \cite{fpgalibre}. Este proyecto busca desarrollar y brindar herramientas de software libre y diseños de hardware abiertos para trabajar con tecnologías FPGA \cite{fpgalibre-paper}. Dentro de este proyecto se destaca el desarrollo de una plataforma basada en una FPGA orientada a las áreas de educación y desarrollo de prototipos \cite{s3proto-mini}.
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El Instituto Nacional de Tecnología Industria impulsa un proyecto denominado FPGALibre \cite{fpgalibre}. Este proyecto busca desarrollar y brindar herramientas de software libre y diseños de hardware abiertos para trabajar con tecnologías FPGA \cite{fpgalibre-paper}. Dentro de este proyecto se destaca el desarrollo de una plataforma basada en una FPGA orientada a las áreas de educación y desarrollo de prototipos \cite{s3proto-mini}.
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Las plataformas anteriormente nombradas son referencias de desarrollos nacionales usados en laboratorios universitarios. Sin embargo, la mayoría de las plataformas de evaluación comerciales son fabricadas en el exterior del país.
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Las plataformas anteriormente nombradas son referencias de desarrollos nacionales usados en laboratorios universitarios. Sin embargo, la mayoría de las plataformas de evaluación comerciales son fabricadas en el exterior del país.
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Considerando la situación expuesta es que se impulsa el desarrollo de la Plataforma de Hardware Reconfigurable (PHR). Esta plataforma es un proyecto a medida de las necesidades en la enseñanza de los sistemas digitales lógicos en las cátedras iniciales. Ofrece recursos básicos para que los estudiantes interactúen con la tecnología de los dispositivos PLDs, pero también dispone de puertos para conectar otros recursos físicos permitiendo que estudiantes avanzados puedan hacer uso de ellas sin limitaciones. Al ser publicado bajo licencia libre/abierta permitirá que el diseño, o parte de él, sirva como referencias a otras instituciones académicas que se encuentren en búsqueda de una plataforma para implementar en sus diferentes cátedras.
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Considerando la situación expuesta es que se impulsa el desarrollo de la Plataforma de Hardware Reconfigurable (PHR). Esta plataforma es un proyecto a medida de las necesidades en la enseñanza de los sistemas digitales lógicos en las cátedras iniciales. Ofrece recursos básicos para que los estudiantes interactúen con la tecnología de los dispositivos PLDs, pero también dispone de puertos para conectar otros recursos físicos permitiendo que estudiantes avanzados puedan hacer uso de ellas sin limitaciones. Al ser publicado bajo licencia libre/abierta permitirá que el diseño, o parte de él, sirva como referencia a otras instituciones académicas que se encuentren en búsqueda de una plataforma para implementar en sus diferentes cátedras.
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\section{Dispositivos principales}
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\section{Dispositivos principales}
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Son varios los dispositivos principales que se deben definir antes de comenzar a conectar algún componente electrónico. En función de estos dispositivos es que se deben seleccionar los restantes. Se podrían listar:
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Son varios los dispositivos principales que se deben definir antes de comenzar a conectar algún componente electrónico. En función de estos dispositivos es que se deben seleccionar los restantes. Se podrían listar:
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Tanto la FPGA como la memoria de configuración Flash PROM se encuentran conectadas en cadena a través de una interfaz JTAG Boundary-Scan (IEEE 1149.1) que Xilinx Inc. implementa en sus dispositivos FPGAs, CPLDs y memorias Flash PROM para transferir los diseños sintetizados.
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Tanto la FPGA como la memoria de configuración Flash PROM se encuentran conectadas en cadena a través de una interfaz JTAG Boundary-Scan (IEEE 1149.1) que Xilinx Inc. implementa en sus dispositivos FPGAs, CPLDs y memorias Flash PROM para transferir los diseños sintetizados.
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\section{Sistema de alimentación}
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\section{Sistema de alimentación}
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\label{sec:sist-power}
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\label{sec:sist-power}
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Por su arquitectura interna y la gran densidad de recursos lógicos que ofrecen, la necesidad de alimentar estos dispositivos en forma eficiente es de significancia en el diseño de la plataforma. Los sistemas complejos como las FPGAs requieren minimizar los ruidos presentes en las fuentes de alimentación y es aquí donde las fuentes de alimentación lineales son las ideales. Pero la desventaja de estos circuitos radica en la baja eficiencia que presentan (menor que 50\%). Las fuentes de alimentación conmutadas (Switch-Mode) tienen una eficiencia mayor (al rededor del 90\%) pero son mas ruidosas en comparación con las lineales \cite{Power-Supply-Soluc-4-Xilinx-FPGAs}. Con esta primera observación sobre los dos principales tipos de fuentes de alimentación, se debe considerar otros aspectos sobre el tipo de regulador a utilizar,
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Por su arquitectura interna y la gran densidad de recursos lógicos que ofrecen, la necesidad de alimentar estos dispositivos en forma eficiente es de significancia en el diseño de la plataforma. Los sistemas complejos como las FPGAs requieren minimizar los ruidos presentes en las fuentes de alimentación y es aquí donde las fuentes de alimentación lineales son las ideales. Pero la desventaja de estos circuitos radica en la baja eficiencia que presentan (menor que 50\%). Las fuentes de alimentación conmutadas (Switch-Mode) tienen una eficiencia mayor (alrededor del 90\%) pero son mas ruidosas en comparación con las lineales \cite{Power-Supply-Soluc-4-Xilinx-FPGAs}. Con esta primera observación sobre los dos principales tipos de fuentes de alimentación, se deben considerar otros aspectos sobre el tipo de regulador a utilizar,
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\begin{itemize}
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\item Secuencia de arranque
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\item Secuencia de arranque
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\item Inicio monotónico de la rampa de tensión
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\item Inicio monotónico de la rampa de tensión
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\item Arranque suave
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\item Arranque suave
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\item Encapsulado y diseño del PCB
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\item Encapsulado y diseño del PCB
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\end{itemize}
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El TPS75003, fabricado por Texas Instruments, es un dispositivo que integra tres reguladores de tensión en una sola pastilla. Este integrado fue diseñado para aplicaciones donde se deben alimentar a FPGAs y DSPs. En especial, el TPS75003 fue testeado con las familias Spartan-3 de Xilinx proporcionando las tensiones necesarias para estas FPGAs. Esta compuesto por dos contradores buck que logran una gran eficiencia y un regulador lineal LDO (Low-Dropout).
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El TPS75003, fabricado por Texas Instruments, es un dispositivo que integra tres reguladores de tensión en una sola pastilla. Este integrado fue diseñado para aplicaciones donde se deben alimentar a FPGAs y DSPs. En especial, el TPS75003 fue testeado con las familias Spartan-3 de Xilinx proporcionando las tensiones necesarias para estas FPGAs. Esta compuesto por dos contradores Buck que logran una gran eficiencia y un regulador lineal LDO (Low-Dropout).
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El Laboratorio de Desarrollo Electrónico con Software Libre, perteneciente al Instituto Nacional de Tecnología Industrial (INTI), ha realizado la implementación de un módulo de alimentación para placas con dispositivos FPGA \cite{s3power-paper}. En este desarrollo se utiliza el TPS75003 como dispositivo central y fue probado con una FPGA de la familia Spartan-3E. El diseño se encuentra disponible bajo una licencia de libre uso y modificación. Esta última aclaración no resulta un dato menor, pues la plataforma PHR persigue el mismo fin que el desarrollo realizado por el INTI. La idea de compartir y transferir desarrollos a la comunidad. Para la plataforma PHR se utiliza el módulo desarrollado por el INTI.
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El Laboratorio de Desarrollo Electrónico con Software Libre, perteneciente al Instituto Nacional de Tecnología Industrial (INTI), ha realizado la implementación de un módulo de alimentación para placas con dispositivos FPGA \cite{s3power-paper}. En este desarrollo se utiliza el TPS75003 como dispositivo central y fue probado con una FPGA de la familia Spartan-3E. El diseño se encuentra disponible bajo una licencia de libre uso y modificación. Esta última aclaración no resulta un dato menor, pues la plataforma PHR persigue el mismo fin que el desarrollo realizado por el INTI. La idea de compartir y transferir desarrollos a la comunidad. Para la plataforma PHR se utiliza el módulo desarrollado por el INTI.
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\section{Placa PHR}
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\section{Placa PHR}
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\label{sec:placa-phr}
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\label{sec:placa-phr}
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