3.Основы теории цифровых (релейных) схем атоматики и телемеханики
3.1. Цифровые сигналы
До сих пор мы рассматривали главным образом схемы, входные и выходные напряжения которых могли изменяться в определенном диапазоне значений: RС-цепи, интеграторы, дифференциаторы, усилители и т.п. Это естественно, когда сигналы, с которыми приходится иметь дело, либо являются непрерывными по самой своей природе (например, звуковые), либо представляют собой непрерывно меняющиеся напряжения, поступающие от измерительных приборов.
Однако входной сигнал по своей природе может быть и чисто дискретным, например импульсы поступающие с выхода компаратора, информация, поступающая от ключа, клавиатуры или ЭВМ. В подобных случаях естественно и удобно использовать цифровую (релейную) электронику, т.е. схемы, которые имеют дело с информацией, представленной в виде «единиц» или «нулей». Кроме того, для того чтобы непрерывную (аналоговую) информацию можно было обрабатывать на ЭВМ или хранить в виде чисел, её необходимо преобразовать в цифровую форму и наоборот [при помощи аналого-цифровых (АЦП) и цифро-аналоговых (ЦАП) преобразователей]. Характерным примером может служить ситуация, в которой микропроцессор или ЭВМ воспринимает сигналы от экспериментальной или промышленной установки, на основе полученных данных управляет параметрами процесса работы этой установки и хранит полученные результаты для последующего использования.
Под цифровой (релейной) электроникой будем иметь в виду такие схемы, для каждой точки которых можно определить, как правило, только два состояния. Эти два состояния могут представлять различные «биты» (binary digits — двоичные разряды) информации. Один бит числа можно представить следующим образом: ключ (контакт реле) замкнут или разомкнут, сигнал присутствует или отсутствует, уровень аналогового сигнала выше или ниже заданного предела, некоторое событие произошло или не произошло, требуется или не требуется выполнять некоторые действия и т.п.
Такие схемы могут строиться как на контактных, так и на бесконтактных элементах (полупроводниковых диодах, транзисторах, ферритах и т. д.).
Обычно в качестве параметра выбирают напряжение, уровень которого может быть ВЫСОКИМ или НИЗКИМ, или состояние контакта – ЗАМКНУТ или РАЗОМКНУТ.
Элементы релейных схем в зависимости от назначения делятся на три группы: 1) приёмные элементы, воспринимающие воздействие на схему извне; 2) промежуточные элементы, предназначенные для передачи этого воздействия и обеспечения заданной последовательности работы элементов схемы; 3) исполнительные элементы, выполняющие функции, для которых предназначена схема.
Приведённое разделение элементов релейной схемы по характеру выполняемых ими функций позволяет разделить сложную схему на отдельные участки и рассматривать каждый участок как самостоятельную схему, что существенно упрощает синтез и анализ схемы в целом.
3.2. Системы счисления
Десятичное (с основанием 10) число представляет собой просто строчку из цифр и (при этом) подразумевается, что они должны быть умножены на последовательные степени числа 10 для образования индивидуальных произведений, а затем сложены вместе. Например,
.
Для записи числа требуется десять символов (от 0 до 9), а степень числа 10, на которую должна быть умножена цифра, определяется её положением по отношению к десятичной запятой. Если мы захотим представить число, используя только два символа (0 и 1), то такая система счисления будет называться двоичной или системой с основанием 2. В этом случае каждая 1 или 0 будет умножаться на последовательные степени числа 2. Например,
.
Поскольку двоичные числа имеют большую длину, для их записи обычно используется шестнадцатеричное (с основанием 16) представление. Для записи двоичного числа в шестнадцатеричном коде его разбивают на группы по 4 бит, каждая из которых может принимать значения от 0 до 15. Поскольку для обозначения каждой шестнадцатеричной позиции мы хотим использовать один символ, величины от 10 до 15 будем обозначать с помощью букв латинского алфавита от А до F:
.
Шестнадцатеричное представление наилучшим образом соответствует байтовой (1 байт = 8 бит) структуре ЭВМ, которая чаще всего реализуется в виде 16- или 32- разрядных машинных «слов», при этом каждое слово состоит из 2 или 4 байтов. Буквенно-цифровые знаки (буквы, цифры или символы) представляются в виде одного байта. Таким образом, в шестнадцатеричной системе каждый байт состоит из двух шестнадцатеричных цифр, 16-разрядное машинное слово из 4-х шестнадцатеричных цифр и т.д.