Базовые понятия цифровой электроники доклад

Обновлено: 19.05.2024

В аналоговых электронных устройствах, рассматриваемых в предыдущих разделах, использовалось понятие аналоговых сигналов. По существу в большинстве своем физические величины, существующие в природе и используемые человеком в том или ином виде деятельности, являются аналоговыми величинами. В качестве примера аналоговых величин можно назвать температуру окружающей среды, атмосферное давление, напряжение в сети переменного тока, его частота (точнее – изменение частоты относительно номинального значения) и др. В общем случае аналоговые величины – это значения соответствующих физических величин, которые могут принимать любое значение в пределах допустимого диапазона.

При обработке аналоговой физической величины неэлектрической природы в электронных устройствах требуется ее представление аналогичной аналоговой физической величиной электрической природы. Такой аналогичной величиной является электрическое напряжение. Между уровнем (величиной) напряжения и числами можно установить некоторое соответствие. Так, например, числу 1 соответствует напряжение 1 В, числу 2 – напряжение 2 В и т. д. Тогда напряжение 1,4 В является представлением числа 1,4, напряжение 4,365 В – представлением десятичной дроби 4,365 и т. д.

Примерно такой подход используется в аналоговых вычислительных устройствах. Чтобы работать с большими числами, нужно выбрать другой порядок, то есть другой масштаб, например числу 1 соответствует напряжение 1 мВ. В противном случае будем иметь дело со слишком высокими уровнями напряжений.

Точность представления аналоговых величин зависит от точности, с которой могут быть измерены соответствующие им величины. На практике обычно сталкиваются с физическими ограничениями. Напряжение может быть измерено без применения специальных решений с точностью до ± 1%, с применением более дорогих решений – до ± 0,1%. При дальнейшем увеличении точности резко возрастает стоимость измерений. Другой физической границей точности измерений является зависимость параметров аналоговых электронных устройств от температуры. В общем случае аналоговые величины могут обычно быть представлены с точностью до третьего знака после запятой.

В настоящее время для обработки, хранения и преобразования информации, различных физических величин, выполнения расчетов широко применяют цифровые электронные устройства, имеющие ряд преимуществ перед аналоговыми. При этом используется цифровое представление информации (физических величин).

При цифровом представлении применяют элементы, которые можно сосчитать. Преимущество цифрового представления очевидно. Цифровые величины можно представлять с любой точностью, при этом точность представления не ограничивают физические эффекты. Она зависит только от количества используемых разрядов чисел.

Для представления информации (чисел) в цифровом виде применяют так называемые коды. В общем случае элементы цифровой величины (цифрового кода) могут иметь два, три и больше состояний. На рисунке 5.1, в качестве примера, изображен цифровой сигнал с тремя возможными состояниями: 10 В, 5 В и 0 В.

Рисунок 5.1 – Трехуровневое кодирование цифровой информации

Как видно из рисунка, заданный уровень цифрового сигнала поддерживается неизменным в течение некоторого интервала времени Dt, называемого тактом.

В частности, для цифровых микросхем серии ТТЛ (транзисторно-транзисторная логика), напряжение питания которых равно 5 В, напряжение сигнала U_с ≤ 0,4 В интерпретируется как логический 0, а U_с ≥ 2,4 В – как логическая 1.

В цифровых вычислительных устройствах нашли применение два способа физического представления информации: потенциальный и импульсный.

Рисунок 5.2 – Разделение диапазона напряжений при бинарном

Рисунок 5.3 – Потенциальный (а) и импульсный (б) способы

При импульсном кодировании (рисунок 5.3, б) единичное и нулевое логическое состояние отображаются, соответственно, наличием и отсутствием импульса напряжения в соответствующем такте.

Для того чтобы согласовать функционирование отдельных элементов и узлов цифровых устройств, обеспечить их переключения из одного состояния в другое только в строго фиксированные моменты дискретного времени (на границах тактов), цифровые устройства, как правило, содержат генератор тактовых импульсов (ГТИ), вырабатывающий синхронизирующие сигналы (СС) (или тактовые импульсы (ТИ)). Синхронизирующий сигнал представляет собой непрерывную последовательность коротких прямоугольных импульсов, как правило, с высокой стабильностью периода повторения.

Аннотация: В лекции рассказывается о базовых терминах цифровой электроники, о цифровых сигналах, об уровнях представления цифровых устройств, об их электрических и временных параметрах.

Аналог или цифра?

Для начала дадим несколько базовых определений.

Сигнал - это любая физическая величина (например, температура, давление воздуха, интенсивность света, сила тока и т.д.), изменяющаяся со временем. Именно благодаря этому изменению сигнал может нести в себе какую-то информацию.

Электрический сигнал - это электрическая величина (например, напряжение, ток, мощность), изменяющаяся со временем. Вся электроника в основном работает с электрическими сигналами, хотя сейчас все больше используются световые сигналы, которые представляют собой изменяющуюся во времени интенсивность света.

Аналоговый сигнал - это сигнал, который может принимать любые значения в определенных пределах (например, напряжение может плавно изменяться в пределах от нуля до десяти вольт). Устройства, работающие только с аналоговыми сигналами, называются аналоговыми устройствами. Название "аналоговый" подразумевает, что сигнал изменяется аналогично физической величине, то есть непрерывно.

Цифровой сигнал - это сигнал, который может принимать только два (иногда - три) значения, причем разрешены некоторые отклонения от этих значений (рис. 1.1). Например, напряжение может принимать два значения: от 0 до 0,5 В (уровень нуля) или от 2,5 до 5 В (уровень единицы). Устройства, работающие исключительно с цифровыми сигналами, называются цифровыми устройствами.

Можно сказать, что в природе практически все сигналы - аналоговые, то есть они изменяются непрерывно в каких-то пределах. Именно поэтому первые электронные устройства были аналоговыми. Они преобразовывали физические величины в пропорциональные им напряжение или ток, производили над ними какие-то операции и затем выполняли обратные преобразования в физические величины. Например, голос человека (колебания воздуха) с помощью микрофона преобразуется в электрические колебания, затем эти электрические сигналы усиливаются электронным усилителем и с помощью акустической системы снова преобразуются в колебания воздуха - в более сильный звук.

Однако аналоговые сигналы и работающая с ними аналоговая электроника имеют большие недостатки, связанные именно с природой аналоговых сигналов. Дело в том, что аналоговые сигналы чувствительны к действию всевозможных паразитных сигналов - шумов, наводок, помех. Шум - это внутренние хаотические слабые сигналы любого электронного устройства (микрофона, транзистора, резистора и т.д.). Наводки и помехи - это сигналы, приходящие на электронную систему извне и искажающие полезный сигнал (например, электромагнитные излучения от радиопередатчиков или от трансформаторов)

Все операции, производимые электронными устройствами над сигналами, можно условно разделить на три большие группы:

обработка (или преобразование);
передача;
хранение.

Во всех этих трех случаях полезные сигналы искажаются паразитными - шумами, помехами, наводками. Кроме того, при обработке сигналов (например, при усилении, фильтрации) еще и искажается их форма - из-за несовершенства, неидеальности электронных устройств. А при передаче на большие расстояния и при хранении сигналы к тому же ослабляются.

В случае аналоговых сигналов все это существенно ухудшает полезный сигнал, так как все его значения разрешены (рис. 1.2). Поэтому каждое преобразование, каждое промежуточное хранение, каждая передача по кабелю или эфиру ухудшает аналоговый сигнал , иногда вплоть до его полного уничтожения. Надо еще учесть, что все шумы, помехи и наводки принципиально не поддаются точному расчету, поэтому точно описать поведение любых аналоговых устройств абсолютно невозможно. К тому же со временем параметры всех аналоговых устройств изменяются из-за старения элементов, поэтому характеристики этих устройств не остаются постоянными.

В отличие от аналоговых, цифровые сигналы, имеющие всего два разрешенных значения, защищены от действия шумов, наводок и помех гораздо лучше. Небольшие отклонения от разрешенных значений никак не искажают цифровой сигнал , так как всегда существуют зоны допустимых отклонений (рис. 1.2). Именно поэтому цифровые сигналы допускают гораздо более сложную и многоступенчатую обработку, гораздо более длительное хранение без потерь и гораздо более качественную передачу, чем аналоговые. К тому же поведение цифровых устройств всегда можно абсолютно точно рассчитать и предсказать. Цифровые устройства гораздо меньше подвержены старению, так как небольшое изменение их параметров никак не отражается на их функционировании. Кроме того, цифровые устройства проще проектировать и отлаживать. Понятно, что все эти преимущества обеспечивают бурное развитие цифровой электроники.

Однако у цифровых сигналов есть и крупный недостаток. Дело в том, что на каждом из своих разрешенных уровней цифровой сигнал должен оставаться хотя бы в течение какого-то минимального временного интервала, иначе его невозможно будет распознать. А аналоговый сигнал может принимать любое свое значение бесконечно малое время. Можно сказать и иначе: аналоговый сигнал определен в непрерывном времени (то есть в любой момент времени), а цифровой - в дискретном (то есть только в выделенные моменты времени). Поэтому максимально достижимое быстродействие аналоговых устройств всегда принципиально больше, чем цифровых. Аналоговые устройства могут работать с более быстро меняющимися сигналами, чем цифровые. Скорость обработки и передачи информации аналоговым устройством всегда может быть выше, чем скорость обработки и передачи цифровым устройством.

Кроме того, цифровой сигнал передает информацию только двумя уровнями и изменением одного своего уровня на другой, а аналоговый - еще и каждым текущим значением своего уровня, то есть он более емкий с точки зрения передачи информации. Поэтому для передачи того объема информации, который содержится в одном аналоговом сигнале, чаще всего приходится использовать несколько цифровых (чаще всего от 4 до 16).

К тому же, как уже отмечалось, в природе все сигналы - аналоговые, то есть для преобразования их в цифровые и обратного преобразования требуется применение специальной аппаратуры (аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей). Так что ничто не дается даром, и плата за преимущества цифровых устройств может порой оказаться неприемлемо большой.

Дополнительный материал к лекции "Основные понятия цифровой электроники". Может быть полезна как преподавателям, так и студентам для самостоятельного изучения темы.

Базовые понятия цифровой электроники

Что такое сигнал?

Изучение цифровой схемотехники нужно начинать с теории автоматов.

Для начала дадим несколько базовых определений:

Типы сигналов

Цифровой сигнал - это сигнал, который может принимать только два (иногда - три) значения, причем разрешены некоторые отклонения от этих значений.

Например , напряжение может принимать два значения: от 0 до 0,5 В (уровень нуля) или от 2,5 до 5 В (уровень единицы). Устройства, работающие исключительно с цифровыми сигналами, называются цифровыми устройствами.

Рис. 1.1. Электрические сигналы: аналоговый (слева) и цифровой (справа)

Цифровой дискретный сигнал

Цифровой дискретный сигнал - это такой сигнал, который имеет несколько уровней.

Очевидно, что двоичный сигнал имеет два уровня — и их принимают за 0 и 1. Когда высокий уровень обозначается единицей, а низкий нулем — такая логика называется позитивной, иначе негативной.

Цифровой сигнал можно представить в виде временной диаграммы.

Аналоговый сигнал

В природе дискретных сигналов не существует, по этому их заменяют аналоговыми.

Аналоговый сигнал не может перейти из 0 в 1 мгновенно, поэтому такой сигнал обладает фронтом и срезом . Если рисовать упрощенно то это выглядит так:

1 — низкий уровень сигнала, 2 — высокий уровень сигнала, 3 — нарастание сигнала (фронт), 4 — спад сигнала (срез)

Аналоговый сигнал

Аналоговые сигналы изменяются непрерывно в каких-то пределах.

Первые электронные устройства были аналоговыми, которые:

преобразовывали физические величины в пропорциональные им напряжение или ток; производили над ними какие-то операции; затем выполняли обратные преобразования в физические величины.
преобразовывали физические величины в пропорциональные им напряжение или ток;
производили над ними какие-то операции;
затем выполняли обратные преобразования в физические величины.

Например, голос человека (колебания воздуха) с помощью микрофона преобразуется в электрические колебания, затем эти электрические сигналы усиливаются электронным усилителем и с помощью акустической системы снова преобразуются в колебания воздуха - в более сильный звук.

Аналоговый сигнал

Аналоговые сигналы и работающая с ними аналоговая электроника имеют большие недостатки, связанные именно с природой аналоговых сигналов.

Аналоговые сигналы чувствительны к действию всевозможных паразитных сигналов - шумов, наводок, помех.

Шум - это внутренние хаотические слабые сигналы любого электронного устройства (микрофона, транзистора, резистора и т.д.).

Наводки и помехи - это сигналы, приходящие на электронную систему извне и искажающие полезный сигнал (например, электромагнитные излучения от радиопередатчиков или от трансформаторов)

Операции над сигналами

Все операции , производимые электронными устройствами над сигналами, можно условно разделить на три большие группы:

обработка (или преобразование);передача;хранение.
обработка (или преобразование);
передача;
хранение.

Во всех этих трех случаях полезные сигналы искажаются паразитными - шумами, помехами, наводками.

Кроме того, при обработке сигналов (например, при усилении, фильтрации) еще и искажается их форма - из-за несовершенства электронных устройств.

А при передаче на большие расстояния и при хранении сигналы к тому же ослабляются.

Искажение сигналов

Каждое преобразование, каждое промежуточное хранение, каждая передача по кабелю или эфиру ухудшает аналоговый сигнал , иногда вплоть до его полного уничтожения.
Все шумы , помехи и наводки принципиально не поддаются точному расчету, поэтому точно описать поведение любых аналоговых устройств абсолютно невозможно.
Со временем параметры всех аналоговых устройств изменяются из-за старения элементов, поэтому характеристики этих устройств не остаются постоянными.
В отличие от аналоговых, цифровые сигналы, имеющие всего два разрешенных значения, защищены от действия шумов, наводок и помех гораздо лучше.

Искажение сигналов

Искажение шумами и наводками аналогового (слева) и цифрового (справа) сигналов

Преимущества цифровых сигналов

Небольшие отклонения от разрешенных значений никак не искажают цифровой сигнал , так как всегда существуют зоны допустимых отклонений.
Цифровые сигналы допускают гораздо более сложную и многоступенчатую обработку, гораздо более длительное хранение без потерь и гораздо более качественную передачу, чем аналоговые.
Поведение цифровых устройств всегда можно абсолютно точно рассчитать и предсказать.
Цифровые устройства гораздо меньше подвержены старению, так как небольшое изменение их параметров никак не отражается на их функционировании.
Цифровые устройства проще проектировать и отлаживать.

Все эти преимущества обеспечивают бурное развитие цифровой электроники.

Недостатки цифровых сигналов

У цифровых сигналов есть крупный недостаток - на каждом из своих разрешенных уровней цифровой сигнал должен оставаться хотя бы в течение какого-то минимального временного интервала, иначе его невозможно будет распознать.
Аналоговый сигнал может принимать любое свое значение бесконечно малое время.

Аналоговый сигнал определен в непрерывном времени

(то есть в любой момент времени),

Цифровой сигнал определен в дискретном времени (то есть только в выделенные моменты времени ).

Недостатки цифровых сигналов

Для передачи того объема информации, который содержится в одном аналоговом сигнале, чаще всего приходится использовать несколько цифровых (чаще всего от 4 до 16).
К тому же, как уже отмечалось, в природе все сигналы - аналоговые, то есть для преобразования их в цифровые и обратного преобразования требуется применение специальной аппаратуры ( аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей ).

Так что ничто не дается даром, и плата за преимущества цифровых устройств может порой оказаться неприемлемо большой .

Преобразование сигналов

Сигналы можно преобразовывать. Для этого на практике используются логические элементы, а чтобы это записать формально используются логические функции.

Преобразование сигналов

Логическое И и Логическое ИЛИ иметь отрицание на выходе (И-НЕ, ИЛИ-НЕ).

Значения их логических функций инвертируются, а на схеме выход рисуется кружочком.

Сводная таблица логических функций

Сводная таблица логических функций двух аргументов выглядит так:

Сводная таблица логических функций

Работа с логическими функциями основывается на законах алгебры логики

С самой глубокой древности, от начала цивилизации люди испытывали потребность в счёте. Ученые считают, что сначала возникли понятия характеризующие количество и лишь потом, возникли слова, обозначавшие качественные характеристики предметов. Постепенно возникли и сформировались различные системы счёта. Наиболее широкое распространение и в древности, и в настоящее время получила десятеричная система исчисления. Это объясняется просто: у человека на руках десять пальцев, то есть руки это счёты с ограниченными возможностями, но которые всегда с собой.

Систем исчисления существует много, в принципе любое число может быть основанием системы, но не все они удобны и применяются на практике. Широко распространены шестидесятеричная система, она применяется при счёте времени: 60 сек.= 1 мин. 60 мин.= 1 час и двенадцатеричная, когда счёт ведётся дюжинами и эта же система является денежной системой принятой в Великобритании.

Нас интересует самая простая и самая распространённая в наше время двоичная (бинарная) система исчисления. Все компьютеры от персональных, до суперкомпьютеров Cray-2, всё управление космическими объектами, бытовая электроника, радиовещание и телевидение работают в цифровом формате. Основой всей цифровой техники является именно двоичная система исчисления.

А началось всё ещё в XVII веке, когда талантливый математик Лейбниц впервые описал двоичную систему исчисления, которую, как считают, он позаимствовал из древних китайских математических трактатов. В середине IXX века математик Д. Буль написал и опубликовал работу, которая выводила уравнения алгебры на основе понятий формальной логики. Базовых понятия было всего два: высказывание истинно (true) и высказывание ложно (false). Эту работу принято называть алгеброй логики или Булевой алгеброй.

И наконец, в 30-е годы XX века Клод Шеннон защитил интересную диссертацию. Её темой было использование реле и переключателей для создания примитивного вычислителя-сумматора. Все принципы работы были реализованы на действиях двоичной арифметики и Булевой алгебры. По сути, на этой диссертации основана вся цифровая техника, то есть она послужила тем зёрнышком, из которого выросло и продолжает расти огромное дерево цифровой электроники.

Двоичная система исчисления.

Поначалу это может показаться неудобным, так как числа получаются слишком длинными, но учитывая скорость работы современных процессоров и число операций в секунду, которая у сверхмощных компьютеров может достигать фантастических величин достигающих 20 000 терафлоп, то разрядность представляемых чисел не играет практически никакой роли. 1 терафлоп это 1 триллион операций в секунду.

Двоичное число легко представить в виде последовательности прямоугольных импульсов.

На рисунке показано напряжение питания +5,0V. На таком напряжении питания работают интегральные микросхемы транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) с малой степенью интеграции, которые в своё время пользовались огромной популярностью у радиолюбителей. Их используют и сейчас в несложных самоделках. Это микросхемы серий К155, К133 и микросхемы высокого быстродействия и более высокой частоты КР1533 и К555. В них использовались диоды Шоттки.

а) неисправна данная микросхема;
в) эту микросхему подсаживает следующая за ней микросхема.

Поскольку микросхемы бывают с разным напряжением питания, то и уровни логического нуля и логической единицы будут иметь другие значения. Логику, где логическая единица положительна, принято называть позитивной логикой. Есть схемы, где логическая единица равна нулю, а логический ноль это импульс отрицательной полярности.

Теперь, когда вы знакомы с основой цифровой электроники, не поленитесь узнать, что такое базовые логические элементы и RS-триггер.

Читайте также: