Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

САРАТОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИМЕНИ Н.Г.ЧЕРНЫШЕВСКОГО

Н.Б.Ковылов

ЭЛЕКТРОНИКА ДЛЯ КОМПЬЮТЕРЩИКОВ

Конспект лекций

Учебное издание.

Саратов 2009

Н.Б.Ковылов. Электроника для компьютерщиков. Конспект лекций. Саратов. Факультет нелинейных процессов СГУ. Препринт. 2009 г.

Данное учебное пособие содержит сведения об основах теории обработки аналоговых и цифровых сигналов в аппаратуре для телекоммуникаций и вычислительных операций.

Рассмотрение ведётся на уровне тех «кирпичиков», которые позволяют реализовать все основные арифметические и логические функции. Изложение ведется на таком уровне, который не требует глубокого проникновения в физические процессы в полупроводниковых приборах и других элементов схемотехники. Пособие предназначено для студентов очного и заочного отелений факультета компьютерных наук и информационных технологий СГУ. Однако оно может заинтересовать студентов физических направлений, специализирующихся в области натурного эксперимента при проектировании измерительных комплексов для разнообразных исследований.

© Н.Б.Ковылов, 2009

Учебное издание.

Ковылов Николай Борисович

ЭЛЕКТРОНИКА ДЛЯ КОМПЬЮТЕРЩИКОВ

В современную жизнь всюду вошли приборы и устройства, на первый взгляд разнородные и несравнимые: вот на работу спешит молодая бизнесвумен и на ходу бросает несколько фраз по сотовому телефону, садится в автомобиль, открыв с расстояния около десяти метров его замки. Заведя мотор, простым нажатием кнопки включает FM приемник и, двигаясь в потоке машин, слушает последние новости. Если дорога предстоит длинная, в машине раздается музыка из CD плеера.

Придя в офис, наша героиня включает компьютер, и просматривает электронную почту. Один из клиентов конторы обращается в своем послании с просьбой предоставить информацию о новом проекте жилого дома. Дама вызывает менеджера и спрашиает, готов ли DVD с рекламой этого проекта. Выясняется, что диск не готов и что дежурный оператор немедленно едет на объект и снимет с помощью цифровой камеры интересующие заказчика интерьеры. Присутствующий при разговоре руководитель строительного подразделения вносит предложение ускорить работу, поскольку находящийся на объекте прораб имеет телефонный аппарат с функцией фотокамеры, а через Интернет его картинки можно передать прямо заказчику буквально в считанные минуты. Через десять минут собравшимся сообщили, что по третьему каналу телевидения идет передача об их фирме. Некоторые огорчились, что в кабинете нет телевизора, однако через мгновение на мониторе компьютера засветился логотип нужного канала.

А теперь вернитесь к прочитанному тексту и ответьте себе на два вопроса: сколько упомянутых приборов вам знакомо и что общего у них вы можете обнаружить?

Очевидно, большинство приборов и систем вам знакомы, и их объединяет то обстоятельство, что они являются частью глобальных информационных технологий.

Итак, по телефону мы слышим голос собеседника, обмениваемся с ним сообщениями голосом, либо посылаем SMS, либо пользуемся другими сервисными услугами телефонных операторов. Телевизор позволяет выбрать один из TV каналов и смотреть любимую передачу. Факс способен передавать по каналам связи изображения подлинных документов, что позволяет заключать сделки коммерсантов без личной встречи. Современный фотоаппарат не требует сложной процедуры проявления негативной пленки и изготовления с нее отпечатков. Сразу - куда угодно: на экран телевизора через DVD плеер, через Интернет на монитор компьютера друзьям и знакомым. Звук, картинка, бумажный документ, карта погоды - все эти понятия имеют разную природу: колебания воздуха, система световых лучей, комплект показаний датчиков температуры и влажности. Что же объединяет их и дает возможность выполнять разнообразные функции в персональном компьютере? Ответ и прост и сложен одновременно: это общее - информация и информационные технологии.

Отличительная черта современного высокотехнологичного оборудования разного назначения - это способность вырабатывать, хранить и использовать информацию в унифицированной форме.

ЧТО ТАКОЕ ИНФОРМАЦИЯ ?

Энциклопедические справочники 80-х годов ХХ века дают скудное определение понятия информации: "это - сведения, передаваемые людьми устным, письменным и другими способами".

Сегодня информация является общенаучным понятием, включающим обмен сведениями

-между людьми

-между людьми и автоматом

-между автоматом и автоматом

-передачу признаков от живого организма к другому организму, от клетки к клетке.

Информация может происходить от природных (естественных) источников, так и носить виртуальный характер, например, понятие корня квадратного из числа.

-

АНАЛОГОВАЯ ИЛИ ЦИФРОВАЯ?

Любая информация для обмена или передачи должна превратиться в сигнал, представляющий собой поток энергии от источника информации к ее потребителю. Типовая структура системы, в которой циркулирует информация, показана на рисунке.

Несмотря на универсальность структуры информационных систем, имеется один важный отличительный признак информации и сигналов.

Органы чувств живых организмов способны воспринимать информацию из окружающей природы только в форме, называемой аналоговой. Математически эту форму можно определить как непрерывную функцию пространства и времени. Соответственно и сигналы как переносчики аналоговой информации являются непрерывными и ограниченными функциями.

Прогресс современной информационной техники получил ускорение благодаря открытию, закрепленному в теореме, сформулированной независимо друг от друга В.А.Котельниковым и Найквистом и носящей их имена. Суть ее кратко можно изложить следующим образом: Любая непрерывная функция времени может быть восстановлена по ее значениям, отсчитанным через достаточно малые равные промежутки времени ( Рис.1 ).

Форма представления информации (сигналов) в виде последовательности двоичных чисел называется цифровой, а устройства для ее обработки, хранения и передачи - цифровыми устройствами. Цифровая техника имеет техногенное происхождение и в неживой природе не встречается.

Важной задачей в производстве информации является преобразование ее из природной аналоговой формы в цифровую. Задача отображения информации чаще всего требует обратного преобразования из цифровой формы в аналоговую.

В целом современные информационные системы являются комбинированными аналого-цифровыми системами и содержат аналого-цифровые преобразователи (АЦП), средства обработки, хранения и передачи информации, цифро-аналоговые преобразователи и средства отображения информации.

"Ну вот, - сказал, прочитав этот раздел, Петя Фарятьев, - все понятно, но где ваши понятия в процессе разглядывания мной зверей в зоопарке? "

Смотри, Петя, вот один из источников информации: огромный лось. Окружающая среда делает информацию о нем сигналом благодаря освещению солнечным или искусственным светом. Отраженные от лося лучи распространяются в свободном пространстве (эфире) - вот тебе, Петя, и канал передачи информации! Далее своеобразный винегрет из лучей попадает в твой глаз, в котором законы оптики и свойства хрусталика наводят порядок, и на сетчатке возникает изображение зверя. Значит, можно сказать, что глаз - это средство преобразования информации для передачи по нейронным сетям в мозг.

Подобным способом можно привести к типовой схеме любые информационные системы.

Техногенные ИС много сложнее, и информация проходит несколько стадий обработки и преобразования как на входе канала связи, так и на выходе. Подробно эти вопросы рассматриваются в теории информации, являющейся частью кибернетики. Наша же задача - всемерно упростить рассказ об информационных системах, показав, как используются известные физические явления и процессы для их построения.

При передаче информации используется понятие «сигнал», исторически пришедшее из проводной телефонии и радиосвязи. Что же понимать под термином «сигнал»?

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 0 до 10 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. Например, напряжение может принимать два значения: от 0 до 0.5В (уровень нуля) или от 2.5 до 5В (уровень единицы). Другие значения, лежащие между указанными, образуют запретную зону, значительно повышающую помехоустойчивость. Устройства, работающие исключительно с цифровыми сигналами называются цифровыми устройствами.

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

В случае аналоговых сигналов все это существенно ухудшает полезный сигнал, так как все его значения разрешены. 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.

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

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. 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 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 течении какого-то минимального 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 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 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 преобразователей).

Теория информации позволяет увязать свойства канала передачи данных с параметрами сигнала, который предстоит транспортировать.

Графическая интерпретация объёма канала и объёма сигнала позволяют выбрать подходящую дисциплину передачи данных, включая способ кодирования информации.

Рисунок, позволяющий оценить возможность передачи

сигнала (розовый) с возможностями канала.

Основные аналоговые функции

Аналоговые процессы окружают нас повсюду. Разнообразные проявления этих процессов воспринимаются или реализуются техническими системами. Можно говорить о том что аналоговый мир подарен нам природой в отличие от созданного человеком мира цифр и иных символов.

Автоматизация цикла создания аналоговой аппаратуры может моделироваться на концепции идеализации подсхем, которая является средством блочного проектирования их композиций. Любая аппаратура создается для вполне определенной цели и эта цель допускает декомпозицию на подцели. Подцели последовательно расчленяются на еще более простые подцели, которые допускают реализацию с помощью процедур. Функции(операции), формирующие процедуры, записываются в виде формул. Эти формулы реализуются с помощью так называемых аналоговых функций (АФ), воплощаемых в виде подсхем аналоговых интегральных схем (АИС).

В данной работе будут рассмотрены основные аналоговые функции.

1. Основные аналоговые функции

Аналоговые устройства по сравнению с цифровыми характерны гораздо большим разнообразием по виду сигналов, по выполняемым функциям, а также по назначению и внутренней структуре. Поэтому унификация элементной базы в области аналоговых устройств возможна только на основе многофункциональных узлов.

В настоящее время основными аналоговыми функциями принято считать:

• Усиление;

• Сравнение;

• Ограничение;

• Перемножение;

• Частотную фильтрацию сигналов.

Каждая из этих функций, вообще говоря, выполняется особым классом аналоговых интегральных схем (ИС). Однако все эти специализированные ИС, как правило, происходят от основного, наиболее универсального и многофункционального узла - операционного усилителя (ОУ).

2. Основная аналоговая функция усиления.

Под ОАФ усиления будем понимать увеличение напряжения или тока точно в k раз в неограниченной полосе частот без нелинейных искажений сигнала. Такую функцию приближенно реализует Операционный усилитель (ОУ).

О перационным усилителем принято называть усилитель постоянного тока с дифференциальным входом и однотактным выходом, характерный высоким коэффициентом усиления, а также большим входным и малым выходным сопротивлениями. Условное обозначение ОУ показано на рис.1.

Рис. 1 Операционный усилитель

1. U _{1 -} неинвертирующий вход

2. U₂ - инвертирующий вход

3. +U_вых - выход

4. +U_пит - положительный вывод питания

5. - U_пит - отрицательный вывод питания

Условное обозначение

Сигнал не обязательно должен быть дифференциальным, его можно подавать на один из входов ОУ, заземляя второй. В зависимости от полярности сигналов на выходе и входе один из входов называют инвертирующим, а другой неинвертирующим. Иногда инвертирующий вход обозначается кружком, как и в логических вентилях (рис. 1.). Выходное напряжение операционного усилителя U_вых определяется разностью напряжений на неинвертирующем и инвертирующем входах, умноженной на положительный коэффициент усиления k.

U_вых=k(U₁-U₂)

Усиление сигнала.

Двуполярное питание обеспечивает возможность инверсии знака напряжения на инвертирующем входе U₂, т.е. при подаче на вход U₂ положительного сигнала на выходе сигнал будет отрицательным. Напряжение питания ОУ обычно +15 В/-15В, но иногда может варьирироваться от +5/-5 до +18/-18.

Идеальный ОУ чувствителен к дифференциальному (разностному) сигналу U_вх=U₁-U₂ и нечувствителен к синфазному сигналу U_син=(U₁+U₂)/2. Последнее обстоятельство позволяет использовать ОУ в схемах с длинными линиями. Действительно, сигналы помехи будут одинаковы на обоих входах, но на выходе они сложатся с разными знаками и дадут нуль. Источник сигнала (например датчик) должен иметь дифференциальный выход (полезные сигналы равные по величине, но разные по знаку), как показано на рисунке ниже.