4. Цифровая электроника. Общие вопросы, терминология.

Цифровые схемы

-Логические элементы

-Триггеры

-Счётчики

-Регистры

-Буферные преобразователи

-Шифраторы

-Дешифраторы

-Цифровой компаратор

-Мультиплексоры

-Демультиплексоры

-Сумматоры

-Полусумматоры

-Ключи

-АЛУ

-Микроконтроллеры

-(Микро)процессоры (в том числе ЦП для компьютеров)

-Однокристальные микрокомпьютеры

-Микросхемы и модули памяти

-ПЛИС (программируемые логические интегральные схемы)

5. Классификация цифровых схем. Параметры цифровых сигналов и микросхем.

Параметры цифровых сигналов и микросхем.

Цифровые устройства могут основываться на комбинационной или секвенциальной логике.

У комбинационных устройств (устройств, осуществляющих функционирование на комбинационной логике) состояние выхода однозначно определяется набором входных сигналов. Секвенциальные же устройства отличаются от комбинационных тем, что в рамках секвенциальной логики выходное значение зависит не только от текущего входного воздействия, но и от предыстории функционирования цифрового устройства. Другими словами, секвенциальная логика предполагает наличие памяти, которая в комбинационной логике не предусмотрена.

Цифровой сигнал — сигнал данных, у которого каждый из представляющих параметров описывается функцией дискретного времени и конечным множеством возможных значений.

Сигналы представляют собой дискретные электрические или световые импульсы. При таком способе вся емкость коммуникационного канала используется для передачи одного сигнала. Цифровой сигнал использует всю полосу пропускания кабеля. Полоса пропускания — это разница между максимальной и минимальной частотой, которая может быть передана по кабелю. Каждое устройство в таких сетях посылает данные в обоих направлениях, а некоторые могут одновременно принимать и передавать. Узкополосные системы (baseband) передают данные в виде цифрового сигнала одной частоты.

Дискретный цифровой сигнал сложнее передавать на большие расстояния, чем аналоговый сигнал, поэтому его предварительно модулируют на стороне передатчика, и демодулируют на стороне приёмника информации. Использование в цифровых системах алгоритмов проверки и восстановления цифровой информации позволяет существенно увеличить надёжность передачи информации.

Замечание. Следует иметь в виду, что реальный цифровой сигнал по своей физической природе является аналоговым. Из-за шумов и изменения параметров линий передачи он имеет флуктуации по амплитуде, фазе/частоте (джиттер), поляризации. Но этот аналоговый сигнал (импульсный и дискретный) наделяется свойствами числа. В результате для его обработки становится возможным использование численных методов (компьютерная обработка).

Важным свойством цифрового сигнала, определившего его доминирование в современных системах связи, является его способность к полной регенерации вплоть до некоторого порогового отношения сигнал/шум, в то время как аналоговый сигнал удаётся лишь усилить вместе с наложившимися на него шумами. Здесь же кроется и недостаток цифрового сигнала: если цифровой сигнал утопает в шумах, восстановить его невозможно (эффект крутой скалы (англ.)), в то время как человек (не машина) может усвоить информацию из сильно зашумлённого сигнала на аналоговом радиоприёмнике, хотя и с трудом. Если сравнивать сотовую связь аналогового формата (AMPS, NMT) с цифровой связью (GSM, CDMA), то при помехах на цифровой линии из разговора выпадают порой целые слова, а на аналоговой можно вести разговор, хотя и с помехами. Выход из данной ситуации - почаще регенерировать цифровой сигнал, вставляя регенераторы в разрыв линии связи, или уменьшать длину линии связи (например, уменьшать расстояние от сотового телефона до базовой станции (БС), что достигается более частым расположением БС на местности).

-Цифровые интегральные микросхемы (ЦИМС) предназначены для преобразования и обработки дискретных сигналов.

При положительной логике высокому уровню напряжения ставится в соответствие логическая единица, а низкому - логический ноль. При отрицательной логике наоборот.Цифровые интегральные микросхемы выпускаются сериями. В состав каждой серии входят микросхемы, имеющие единое конструктивно - технологическое исполнение. В зависимости от схемотехнической реализации микросхемы делятся на следующие типы: транзисторная логика (ТЛ), диодно-транзисторная логика (ДТЛ), транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ), транзисторная логика на МОП - транзисторах (МОП ТЛ).Параметры ЦИМС подразделяются на статические и динамические.

-К статическим параметрам относятся:

- входное U0вх и выходное U0вых напряжения логического нуля;

- входное U1вх и выходное U1вых напряжения логической единицы;

- входной I0вх и выходной I0вых токи логического нуля;

- входной I1вх и выходной I1вых токи логической единицы;

- коэффициент разветвления по выходу Краз, определяющий число единичных нагрузок, которое можно одновременно подключить к выходу микросхемы (единичной нагрузкой является один вход логического элемента данной серии);

- коэффициент объединения по входу Kоб, определяющий число входов микросхемы, которые можно соединить вместе без потери ее работоспособности;

- допустимое напряжение статической помехи Uп.ст., характеризующее статическую помехоустойчивость микросхемы, т. е. ее способность противостоять воздействию мешающего сигнала, длительность которого превосходит время переключения микросхемы;

- средняя потребляемая мощность Pпот.ср.;Статические параметры потому и называются статическими, что определяются с помощью статических характеристик, которые снимаются при медленных изменениях токов и напряжений. Это обстоятельство позволяет пренебрегать переходными процессами. Влияние переходных процессов, имеющихся в любой реальной микросхеме учитывается при помощи динамических характеристик, которые мы рассмотрим позже. На следующем рисунке показан пример передаточной характеристики инвертирующих элементов (например, "И-НЕ", "ИЛИ-НЕ").

-К динамическим параметрам, характеризующим свойства микросхемы в режиме переключения, относятся:

- время задержки сигнала при включении t01зд.р - интервал времени между входным и выходным импульсами при переходе Uвх микросхемы от U1вых до U0вых, измеренный либо на уровне 0,5 амплитуды импульса, либо на уровне порога чувствительности;

- время задержки сигнала при выключении t10зд.р - интервал времени между входным и выходным импульсами при переходе Uвых микросхемы от U0вых до U1вых, измеренный либо на уровне 0,5 амплитуды импульса, либо на уровне порога чувствительности.

Иногда в качестве параметров приводятся длительности фронтов нарастания и спада выходного напряжения t01ф и t10ф.На следующих рисунках вы можете увидеть входной и выходной сигналы цифровой инвертирующей микросхемы. Из рисункв вы можете увидеть, как измеряются все основные динамические параметры.