3. ОСНОВЫ ЦИФРОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

3.1. Сигналы цифровых устройств

Структура цифрового сигнала. Цифровой сигнал представляется двоичными числами. Поэтому он состоит из элементов только двух различных значений. Одним из них представляется 1, а другим — 0. По установившейся терминологии эти элементы сигнала называют соответственно единицей и нулем. Цифровой сиг-

нал может быть потенциальным или импульсным.

Элементами потенциального цифрового сигнала являются потенциалы двух уровней. Каждый уровень остается неизменным в течение так называемого тактового интервала; на его границе уровень потенциала изменяется, если следующая цифра двоичного числа отличается от предыдущей. На рис. 3.1, а изображен потенциальный цифровой сигнал, представляющий написанное сверху число; высоким потенциалом отображается 1, а низким — 0.

Элементы импульсного цифрового сигнала — это импульсы неизменной амплитуды и отсутствие их фиксируется этими элементами в тактовые моменты (t0, t1...t8 на рис. 3.1, б), которымиразделяются тактовые интервалы. На рис. 3.1, б положительный импульс представляет 1, а отсутствие импульса в тактовый момент представляет 0 написанно-

госверхудвоичногочисла. Обоимицифровымисигнала-

ми (рис. 3.1) двоичное число 10011010 выражено в последовательной форме (последовательным кодом): разряды числа представляются последовательно, друг за другом. Потенциалы (импульсы), соответствующие

Рис. 3.1. Потенциальный цифровой сиг- разрядам числа, передаются по нал (а), импульсный цифровой сигнал (б) одной линии и обрабатываются

устройствомпоследовательно.

110

При представлении двоичного числа в параллельной форме (параллельным кодом) его разряды представляются одновременно; количество линий передачи, а также однотипных элементов устройства, обрабатывающих цифровой сигнал, должно быть равно количеству разрядов числа, т.е. существенно увеличивается. Такой цифровой сигнал значительно быстрее обрабатывается устройством.

На рис. 3.2 изображен потенциальный цифровой сигнал, выражающий двоичное число 10011010 в параллельной форме.

Кроме использованного соответствия (в цифровом сигнале элементом с большим значением представляется единица числа, а элементом с меньшим значением — нуль) применяется и обратное (элемент сигнала с большим значением представляет нуль, а элемент с меньшим значением — единица числа). Первое соответствие называется

классом положительной логики, а второе — классом отрицательной логики.

Цифровой сигнал может быть сформирован из непрерывного сигнала аналогоцифровым преобразователем (АЦП), неред-

ко называемым преобразователем «аналог-код» или «аналог-циф- ра». Такое преобразование сводится к тому, что из непрерывного сигнала периодически производятся выборки мгновенных значений. Каждая выборка округляется до ближайшего разрешенного уровня, а код этого уровня (двоичное число) представляется элементами цифрового сигнала. Совокупность таких двоичных чисел, выраженных элементами цифрового сигнала, — цифровой сигнал, соответствующий преобразуемому непрерывному сигналу.

Рассмотрим переход от дискретного сигнала к цифровому. Весь диапазон возможных изменений непрерывного сигнала разбивается на конечное число равноотстоящих уровней (называемых уровнями квантования), которые дискретный сигнал только и может принимать. Каждая выборка сигнала округляется до ближайшего разре-

111

шенногоуровня(рис. 3.3, а). Эта операция называется квантованием сигнала по уровню или просто квантованием.

Квантованный дискретный сигнал имеет конечное (счетное) количество значений. Благодаря этому, каждому из них может быть присвоен какой-то код (цифра). Эту операцию называют кодированием.

Если квантованные уровни (рис. 3.3, а) кодировать числами двоичной сис-

темы счисления, то последовательность их составит двоичный код сигнала: 0010, 0100, 0101, 0101,..., 1001, 1001, 1000, 0110. После кодиро-

вания операцию над непрерывным сигналом можно заменить соответствующей операцией над кодами его уровней.

Так, при передаче сигнала (см. рис. 3.3, а) надо последовательно, в моменты времени t1, t2, …, tn передавать информацию о записанных числах. Это осуществляется цифровым сигналом, один элемент которого представляет 1 каждого числа, а другой — 0.

На рис. 3.3, б изображен цифровой сигнал, соответствующий квантованному дискретному сигналу (рис. 3.3, а).

В отношении передаваемой информации цифровой сигнал эквивалентен непрерывному сигналу, из которого он сформирован, поэтому вместо операций над непрерывным сигналом (передачи, преобразования, хранения) можно производить операции над соответствующим ему цифровым сигналом. Во многих случаях это оказывается эффективнее.

Обратное преобразование цифрового сигнала в непрерывный осуществляется цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП). На его входы одновременно поступают потенциалы, представляющие разряды кода каждой выборки. Потенциалы, соответствующие единицам, открывают ключи, через которые на выход поступают напряжения, пропорциональные весам единиц разрядов.

112

Так, на выходе формируется напряжение, пропорциональное весу кода каждой выборки, т.е. пропорциональное ее амплитуде.

Устройства, в которых действуют цифровые сигналы, называют цифровыми. Цифровые сигналы используются в устройствах самого различного назначения. В электронных цифровых вычислительных машинах (ЭЦВМ) и в цифровой автоматике входная информация представляется цифровыми сигналами, над которыми эти устройства осуществляют необходимые действия.

В системах радиосвязи цифровыми сигналами передаются сообщения, имеющие разную форму: звуковую, печатную, форму изображения и т.д. Такая связь характеризуется помехоустойчивостью и скрытностью. В качестве примеров рассмотрим использование цифровых сигналов в так называемых логических устройствах (составляющих основу вычислительной техники и цифровой автоматики), а также в системах радиосвязи.

Существует широкий круг задач логического содержания, формальная особенность которых состоит в том, что их условия и решения на каждом этапе могут принимать одно из двух возможных значений. Одно выражает наступление того или иного события, а другое — ненаступление его. Наступление события кодируют единицей (логическая 1), а ненаступление — нулем (логический 0). Сказанное объясняет, почему информация в логических устройствах может выражаться двузначным цифровым сигналом. Устройства для решения логических задач называют логическими.

Условия логических задач сводятся к тому, что при одной ситуации надо предпринять определенное действие, а при другой — иное. Более того, реакция может зависеть от наличия или отсутствия дополнительных факторов, сопутствующих наступившей ситуации. Таким образом, выбор окончательного решения появляется в результате длинной цепи логических рассуждений.

Передача информации цифровым сигналом отличается значительной помехоустойчивостью, поскольку такой сигнал имеет только два различимых уровня. Поэтому когда значение сигнала попадает между ними, то это фиксируется как помеха. Если помеха меньше половины разностей уровней сигнала, то она легко различается и значения уровней просто восстанавливаются регенераторами.

113