- •Цифровые устройства
- •Введение.
- •1. Основные принципы цифровой электроники.
- •1.1. Аналоговые и цифровые сигналы
- •1.2. Модели и уровни представления цифровых устройств
- •1.3. Входы и выходы цифровых микросхем
- •1.4. Основные обозначения на схемах
- •1.5. Серии цифровых микросхем
- •1.6. Корпуса цифровых микросхем
- •2.1. Системы счисления.
- •2.2 Арифметические операции над двоичными числами.
- •2.3. Машинное представление информации
- •2.3.1 Формы представления чисел.
- •2.3.2. Буквенно-цифровой код
- •2.3.3 Восьмисегментный код
- •3. Логические основы цифровой техники
- •3.1 Основные законы алгебры логики
- •3.2 Формы описания логических функций и их использование для синтеза логических схем
- •3.3. Синтез комбинационных схем с несколькими выходами
- •3.4. Понятие логического базиса
- •4. Логические элементы цифровых устройств
- •4.1 Общие характеристики элементов цифровых устройств
- •4.2. Переходные процессы в логических схемах
- •4.3. Описание основных схемотехнических решений базовых логических элементов.
- •4.3.1. Интегральные схемы ттл и ттлш
- •4.3.2. Интегральные микросхемы на моп-структурах
- •4.3.3. Микросхемы эмиттерно-связанной транзисторной логики
- •4.3.4. Инжекционные интегральные логические схемы (и2л)
- •4.3.5. Схемные особенности логических элементов
- •4.4. Сложные комбинационные цифровые автоматы
- •4.4.1. Сумматор по модулю два
- •4.4.2. Мультиплексоры и демультиплексоры
- •4.4.3. Дешифраторы, дешифраторы-демультиплексоры, шифраторы
- •4.4.4. Преобразователи кодов
- •4.4.5. Сумматоры
- •4.5. Последовательностные схемы цифровых автоматов
- •4.5.1. Асинхронный r-s триггер
- •4.5.2. Синхронный r-s триггер
- •4.5.3. Синхронный d - триггер со статическим управлением
- •4.5.3. Синхронный d - триггер с динамическим управлением
- •4.5.4. Универсальный j-k триггер
- •4.5.6. Регистры
- •4.5.7. Счетчики
- •Полупроводниковые запоминающие устройства
- •5.1. Статические озу
- •5.2. Динамические озу
- •5.3. Однократно программируемые постоянные запоминающие устройства
- •5.4. Перепрограммируемые постоянные запоминающие устройства
- •Специальные элементы цифровых устройств
- •6.1. Автоколебательные генераторы на логических элементах
- •6.2. Формирователи сигналов
- •6.2.1. Укорачивающие формирователи
- •6.2.2. Расширяющие одновибраторы
- •6.2.3. Триггер Шмитта
- •6.2.4. Аналоговый компаратор
- •Преобразователи сигналов
- •7.1. Цифроаналоговые преобразователи
- •7.1.1. Цап с матрицей r-2r
- •7.1.2. Цап с матрицей звездообразного типа
- •7.2. Аналого-цифровые преобразователи
- •Ацп двойного интегрирования (интегрирующий ацп).
- •Сигма-дельта ацп.
- •Преобразователи напряжение-частота
- •8. Элементы цифровой индикации
- •Малогабаритные лампочки накаливания
- •Светодиодные индикаторы.
- •Жидкокристаллические индикаторы
- •Дисплеи на основе органических пленок (oled)
- •Динамическая индикация
- •Микропроцессоры Введение
- •1. Классификация микропроцессоров
- •2. Архитектура микроконтроллера
- •2.1 Основные характеристики микроконтроллера
- •2.2. Архитектура микроконтроллеров
- •2.2.1. Архитектура микроконтроллеров mcs-51
- •Альтернативные функции порта p3
- •2.2.2. Архитектура avr микроконтроллеров
- •3. Программирование микроконтроллеров
- •3.1 Языки программирования для микроконтроллеров
- •3.2. Виды компиляторов
- •3.3.1 Форматы и способы адресации данных
- •3.3.2. Форматы и способы адресации команд
- •3.3.3. Команды пересылки информации
- •3.3.4. Команды поразрядной обработки информации
- •3.3.5. Команды арифметических операций
- •3.3.6. Управляющие команды
- •3.3.7. Порядок выполнения прерываний в микроконтроллерах семейства mcs51.
- •3.3.8. Применение подпрограмм при программировании.
- •3.3.9. Директивы ассемблера для микроконтроллеров семейства mcs-51
- •3.3.10. Применение комментариев
- •3.3.11. Многофайловые программы.
- •3.3.12. Отладка программ.
- •3.3.13. Способы отладки программ.
- •Программируемые логические матрицы, программируемая матричная логика, базовые матричные кристаллы
- •4.1. Программируемые логические матрицы и программируема матричная логика
- •4.3. Базовые матричные кристаллы
- •4.4. Бис/сбис с программируемыми структурами (cpld, fpga, смешанные структуры)
- •Список использованной литературы
А. Н. Алаев
Цифровые устройства
Конспект лекций
2009
Введение.
Цифровая электроника в настоящее время все более и более вытесняет традиционную аналоговую. Ведущие фирмы, производящие самую разную электронную аппаратуру, все чаще заявляют о полном переходе на цифровую технологию.
Успехи в технологии производства электронных микросхем обеспечили бурное развитие цифровой техники и устройств. Использование цифровых методов обработки и передачи сигналов позволяет существенно повысить качество линий связи. Цифровые методы обработки и коммутации сигналов в телефонии позволяют в несколько раз сократить массогабаритные характеристики устройств коммутации, повысить надежность связи, ввести дополнительные функциональные возможности. Появление быстродействующих микропроцессоров, микросхем оперативной памяти больших объемов, малогабаритных устройств хранения информации на жестких носителях больших объемов позволило создать достаточно недорогие универсальные персональные электронные вычислительные машины (компьютеры), нашедшие очень широкое применение в быту и производстве. Цифровая техника незаменима в системах телесигнализации и телеуправления, применяемых в автоматизированных производствах, управлении удаленными объектами, например, космическими кораблями, газоперекачивающими станциями и т. п. Цифровая техника также заняла прочное место в электро-радиоизмерительных системах. Современные устройства регистрации и воспроизведения сигналов также немыслимы без применения цифровых устройств. Цифровые устройства широко используются для управления в бытовых приборах.
Очень вероятно, что в будущем цифровые устройства займут доминирующее положение на рынке электроники.
1. Основные принципы цифровой электроники.
1.1. Аналоговые и цифровые сигналы
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 во времени 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 в последнее время 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.
Цифровой сигнал — это сигнал, который может принимать только два значения (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.
В природе практически все сигналы аналоговые, то есть они изменяются непрерывно в некоторых пределах. Именно поэтому первые электронные устройства были аналоговыми. Они преобразовывали физические величины в пропорциональные им напряжение или ток, выполняли 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 громкий звук.
Рис. 1.1. Электрические сигналы: аналоговый (слева) и цифровой (справа).
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 трансформаторов).
Все операции, производимые электронными устройствами над сигналами, можно условно разделить на три большие группы:
обработка (или преобразование);
передача;
хранение.
Во всех этих случаях полезные сигналы искажаются паразитными сигналами — шумами, помехами, наводками. Кроме того, при обработке сигналов (например, при усилении, фильтрации) еще искажается и их форма из-за несовершенства, неидеальности электронных устройств. А при передаче на большие расстояния и при хранении сигналы к тому же ослабляются.
Рис. 1.2. Искажение шумами и наводками аналогового сигнала (слева) и цифрового сигнала (справа).
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 времени (то есть только в выделенные моменты времени). Поэтому максимально достижимое быстродействие аналоговых устройств всегда принципиально больше, чем цифровых устройств. Аналоговые устройства могут работать с более быстро меняющимися сигналами, чем цифровые. Скорость обработки и передачи информации аналоговым устройством всегда может быть сделана выше, чем скорость ее обработки и передачи цифровым устройством.
Кроме того, цифровой сигнал передает информацию только двумя уровнями и изменением одного своего уровня на другой, а аналоговый передает информацию еще и каждым текущим значением своего уровня, то есть он более емкий с точки зрения передачи информации. Поэтому для передачи того объема полезной информации, который содержится в одном аналоговом сигнале, чаще всего приходится использовать несколько цифровых сигналов
(обычно от 4 до 16).
К тому же, как уже отмечалось, в природе все сигналы аналоговые, то есть для преобразования их в цифровые сигналы и для 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.