Рабочий стол / Alaev_A_N (1) / Алаев А.Н / DIGITAL_Konsp

1

А. Н. Алаев

ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА

Конспект лекций

2009

2

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. Аналоговыеи цифровыесигналы

Дляначалададимнесколькобазовыхопределений.

3

Сигнал— этолюбаяфизическаявеличина(например, температура, давление воздуха, интенсивность света, сила тока ит. д.), изменяющаясясо временем. Именноблагодаряэтомуизменениювовременисигналможетнестив себекакую-тоинформацию.

Электрическийсигнал— этоэлектрическаявеличина(например, напряжение, ток, мощность), изменяющаясясовременем. Всяэлектроникав основномработаетсэлектрическимисигналами, хотявпоследнеевремявсе большеиспользуютсясветовыесигналы, которыепредставляютсобой изменяющуюсяво времени интенсивность света.

Аналоговыйсигнал— этосигнал, которыйможетприниматьлюбые значениявопределенныхпределах(например, напряжениеможетплавно изменятьсявпределахотнулядодесятивольт). Устройства, работающиетолько саналоговымисигналами, называютсяаналоговымиустройствами.

Цифровойсигнал— этосигнал, которыйможетприниматьтолькодва значения(иногда— тризначения). Причемразрешенынекоторыеотклоненияот этихзначений(рис. 1.1). Например, напряжениеможетприниматьдвазначения: от0 до0,5 В(уровеньнуля) илиот2,5 до5 В(уровеньединицы). Устройства, работающиеисключительносцифровымисигналами, называются цифровыми устройствами.

Вприродепрактическивсесигналыаналоговые, тоестьониизменяются непрерывновнекоторыхпределах. Именнопоэтомупервыеэлектронные устройствабылианалоговыми. Онипреобразовывалифизическиевеличиныв пропорциональныеимнапряжениеилиток, выполнялинаднимикакие-то операцииизатемвыполнялиобратныепреобразованиявфизическиевеличины. Например, голосчеловека(колебаниявоздуха) спомощьюмикрофона преобразуетсявэлектрическиеколебания, затемэтиэлектрическиесигналы усиливаютсяэлектроннымусилителемиспомощьюакустическойсистемыснова преобразуютсявколебания воздуха, в более сильный звук.

4

Рис. 1.1. Электрическиесигналы: аналоговый(слева) ицифровой(справа).

Однакоаналоговыесигналыиработающаяснимианалоговаяэлектроника имеютбольшиенедостатки, связанныеименносприродойаналоговыхсигналов. Деловтом, чтоаналоговыесигналычувствительныкдействиювсевозможных паразитныхсигналов— шумов, наводок, помех. Шум— этовнутренние хаотическиеслабыесигналылюбогоэлектронногоустройства(микрофона, транзистора, резистора и т. д.). Наводки и помехи— этосигналы, приходящие наэлектроннуюсистемуизвнеиискажающиеполезныйсигнал(например, электромагнитныеизлученияотрадиопередатчиковилитрансформаторов).

Все операции, производимые электронными устройствами над сигналами, можно условно разделить на три большие группы:

•обработка(илипреобразование);

•передача;

•хранение.

Вовсехэтихслучаяхполезныесигналыискажаютсяпаразитными сигналами— шумами, помехами, наводками. Крометого, приобработке сигналов(например, приусилении, фильтрации) еще искажается и их форма из-за несовершенства, неидеальностиэлектронныхустройств. Априпередаче набольшиерасстоянияиприхранениисигналыктомужеослабляются.

5

Рис. 1.2. Искажение шумами и наводками аналогового сигнала (слева) и цифрового сигнала (справа).

Вслучае аналоговыхсигналов все это существенно ухудшает полезный сигнал, так как все его значения разрешены (рис. 1.2). Поэтомукаждое преобразование, каждоепромежуточноехранение, каждаяпередачапокабелю илиэфируухудшаетаналоговыйсигнал, иногдавплотьдоегополногоуничтожения. Надоещеучесть, чтовсешумы, помехиинаводкипринципиальноне поддаютсяточномурасчету, поэтомуточноописатьповедениелюбых аналоговыхустройствабсолютноневозможно. Ктомужесовременем параметрывсеханалоговыхустройствизменяютсяиз-застаренияэлементов, поэтомухарактеристикиэтихустройствнеостаютсяпостоянными.

Вотличиеотаналоговых, цифровыесигналы, имеющиевсегодваразрешенных значения, защищеныотдействияшумов, наводокипомехгораздолучше. Небольшиеотклоненияотразрешенных значений никак неискажают цифровойсигнал, так каквсегдасуществуютзоныдопустимыхотклонений(рис. 1.2). Именнопоэтомуцифровыесигналыдопускаютгораздоболеесложнуюи многоступенчатуюобработку, гораздоболеедлительноехранение без потерьи гораздо более качественную передачу, чеманалоговые. Ктомужеповедение цифровыхустройстввсегда можно абсолютно точно рассчитать и предсказать. Цифровыеустройства гораздоменьшеподвержены старению, так как небольшое изменение их параметров никак не отражается на их функционировании. Кроме того, цифровыеустройства прощепроектировать

6

и отлаживать. Понятно, чтовсеэтипреимуществаобеспечиваютбурное развитиецифровой электроники.

Однакоуцифровыхсигналовестьикрупныйнедостаток. Деловтом, что накаждомизсвоихразрешенныхуровнейцифровойсигналдолженоставаться хотябывтечениекакого-томинимального временного интервала, иначе его невозможно будетраспознать. Ааналоговыйсигналможетприниматьлюбое своезначениебесконечномалоевремя. Можносказатьииначе: аналоговый сигналопределенвнепрерывномвремени(тоестьвлюбоймоментвремени), а цифровой— вдискретномвремени(тоестьтольковвыделенныемоменты времени). Поэтомумаксимальнодостижимоебыстродействиеаналоговых устройстввсегдапринципиальнобольше, чемцифровыхустройств. Аналоговые устройствамогутработатьсболеебыстроменяющимисясигналами, чем цифровые. Скоростьобработкиипередачиинформациианалоговым устройствомвсегдаможетбытьсделанавыше, чемскоростьееобработкии передачицифровымустройством.

Крометого, цифровойсигналпередаетинформациютолькодвумя уровнямииизменениемодногосвоегоуровнянадругой, ааналоговыйпередает информациюещеикаждымтекущимзначениемсвоегоуровня, тоестьонболее емкийсточкизренияпередачиинформации. Поэтомудляпередачитогообъема полезнойинформации, которыйсодержитсяводноманалоговомсигнале, чаще всегоприходитсяиспользоватьнесколькоцифровых сигналов (обычно от 4 до

16).

Ктомуже, какужеотмечалось, вприродевсесигналыаналоговые, тоестьдля преобразованияихвцифровыесигналыидляобратногопреобразования требуетсяприменениеспециальнойаппаратуры(аналого-цифровыхицифро- аналоговыхпреобразователей). Такчтоничтонедаетсядаром, иплатазапреимуществацифровыхустройствможетпоройоказатьсянеприемлемо большой.

1.2. Моделииуровнипредставленияцифровых устройств

Всецифровыеустройствастроятсяизлогическихмикросхем, каждаяизкоторых (рис. 1.3) обязательноимеетследующиевыводы(или, какихещеназываютв просторечии, ножки):

7

•выводыпитания: общий(или«земля») инапряженияпитания(в большинствеслучаев+5 Вили+3,3 В), которыенасхемах обычно не показываются;

•выводыдлявходныхсигналов(или«входы»), накоторыепоступают внешние цифровые сигналы;

•выводыдлявыходныхсигналов(или«выходы»), накоторыевыдаются цифровыесигналыизсамоймикросхемы.

Рис. 1.3. Цифроваямикросхема.

Каждаямикросхемапреобразуеттемилиинымспособом последовательностьвходныхсигналоввпоследовательностьвыходных сигналов. Способпреобразованиячащевсегоописываетсяиливвидетаблицы (такназываемойтаблицыистинности) иливвидевременныхдиаграмм, тоесть графиковзависимости от времени всех сигналов.

Всецифровыемикросхемыработаютслогическимисигналами, имеющимидва разрешенныхуровнянапряжения. Одинизэтих уровней называется уровнем логической единицы (или единичным уровнем), а другой — уровнем логического нуля (илинулевымуровнем). Чащевсегологическомунулюсоответствуетнизкийуровеньнапряжения, алогическойединице— высокийуровень напряжения. Вэтомслучаеговорят, чтопринята«положительнаялогика». Однакоприпередачесигналовнабольшиерасстоянияивсистемныхшинах микропроцессорныхсистемпоройиспользуютиобратноепредставление, когда логическомунулюсоответствуетнизкийуровеньнапряжения, алогической единице— высокийуровень. Вэтомслучаеговорятоб«отрицательнойлогике». Иногдалогическийнулькодируетсяположительнымуровнемнапряжения(тока),

8

алогическаяединица— отрицательнымуровнемнапряжения(тока) илинаоборот. Естьиболеесложныеметодыкодированиялогическихнулейиединиц. Но мывосновномбудемговоритьоположительной логике.

Дляописанияработыцифровыхустройствиспользуютсамыеразличные модели, отличающиесядруготдругасложностью, точностью, большимили меньшимучетомтонкихфизическихэффектов. Восновномэтимодели используютсяприкомпьютерныхрасчетахцифровыхсхем. Внастоящеевремя существуюткомпьютерныепрограммы, которыенетолькорассчитываютготовые схемы, носпособныипроектироватьновыесхемыпоформализованным описаниямфункций, которыеданноеустройстводолжновыполнять. Это довольноудобно, нониоднапрограмманикогданеможетсравнитьсяс человеком. По-настоящемуэффективные, оптимизированныепочислуиспользуемыхаппаратурныхмодулей, наконец, красивыесхемыможетразрабатывать толькочеловек, которыйвсегдаподходиткпроектированиютворческии используеторигинальныеидеи.

Разработчикцифровойаппаратурытожеиспользуетсвоеобразныемодели или, какещеможносказать, различныеуровнипредставленияцифровыхсхем. Новотличиеоткомпьютерачеловекможетгибковыбиратьнужнуюмодель, ему надотольковзглянутьнасхему, чтобыпонять, гдедостаточнопростейшей модели, агдетребуетсяболеесложная. Тоестьчеловекникогданебудетделать лишней, избыточнойработыи, следовательно, небудетвносить дополнительныхошибок, свойственныхлюбой, дажесамойсложной, модели. Правда, простотацифровыхустройств по сравнению саналоговыми устройствами обычно недаетвозможностисделатьчересчурсерьезныеошибки.

Вподавляющембольшинствеслучаевразработчикицифровыхсхем используюттримодели, триуровняпредставленияоработе цифровых устройств.

1.Логическаямодель.

2.Модельсвременнымизадержками.

3.Модельсучетомэлектрическихэффектов(илиэлектрическая модель).

9

Опытпоказывает, чтопервая, простейшаямодельоказываетсядостаточной примернов20% всехслучаев. Онаприменимадлявсехцифровыхсхем, работающихснизкойскоростью, вкоторыхбыстродействиенепринципиально. Привлечениевтороймодели, учитывающейзадержкисрабатываниялогических элементов, позволяетохватитьоколо80% всехвозможныхсхем. Ееприменение необходимодлявсехбыстродействующихустройствивслучаеодновременного изменениянесколькихвходныхсигналов. Наконец, добавлениетретьеймодели, учитывающейвходныеивыходныетоки, входныеивыходныесопротивленияи емкости элементов, позволяет проектировать практически 100% цифровых схем. Впервуюочередьэтутретьюмодельнадоприменятьприобъединении несколькихвходовивыходов, припередачесигналовнабольшиерасстоянияи принетрадиционномвключениилогическихэлементов(спереводомихваналоговый, в линейный режим).

Таблица1.1. Таблицаистинностиинвертора

Дляиллюстрацииработыперечисленныхмоделейрассмотримработусамого простейшегологическогоэлемента— инвертора. Инверторизменяет (инвертирует) логическийуровеньвходногосигналанапротивоположный уровеньвыходногосигналаили, какещеговорят, изменяетполярность логическогосигнала. Таблицаистинностиинвертора(табл. 1.1) элементарно проста, таккаквозможнытолькодвеситуации: нульнавходеилиединицана входе. Нарис. 1.4 показано, какбудетвыглядетьвыходнойсигналинверторапри использованиитрех егомоделей(трехуровнейегопредставления). Такие графикилогическихсигналовназываютсявременнымидиаграммами, онипозволяют лучше понять работу цифровых схем.

10

Рис. 1.4. Триуровняпредставленияцифровыхустройств.

Изрисункавидно, чтовпервой, логической, моделисчитается, что элемент срабатывает мгновенно, любое изменение уровнявходногосигналасразуже, безвсякойзадержкиприводиткизменениюуровнявыходногосигнала. Во второймоделивыходнойсигнализменяетсяснекоторойзадержкойотносительно входного. Наконец, в третьей модели выходной сигнал нетолько задерживаетсяпосравнениюсвходным, ноиегоизменениепроисходитне мгновенно, процесссменыуровнейсигнала(или, какговорят, фронтсигнала) имеетконечнуюдлительность. Крометого, третьямодельучитываетизменение уровней логических сигналов.

Напрактикеразработчик, какправило, вначалепроектированияпользуется исключительнопервоймоделью, азатемдлянекоторыхузловприменяетвторую модельили(реже) ещеитретьюмодель. Приэтомперваямодельнетребует вообщеникакихцифровыхрасчетов, длянеедостаточнотолькознаниетаблиц истинностиилиалгоритмовфункционированиямикросхем. Втораямодель предполагаетрасчет(посути, суммирование) временныхзадержекэлементовна путипрохождениясигналов(рис. 1.5). Врезультатеэтогорасчетаможет выясниться, что в схему нужно внести изменения.

Расчетыпотретьеймоделимогутбытьразличными, втомчислеидовольно сложными, новбольшинствеслучаевонивсе-такисводятсявсеголишьк суммированиювходныхивыходных токов логических элементов расчетов можетвыясниться, чтотребуетсяприменениемикросхем сболее мощными выходами или включение дополнительных элементов.