электрониак. цифровая электроника лекция 18. Цифровая электроника Виды электрических сигналов
 Скачать 127.02 Kb.
|
|
цифровая электроника: Виды электрических сигналов Постоянный ток Постоянный ток (напряжение), или постоянный сигнал –   сигнал, имеющий постоянное значение амплитуды электрической величины (ток, напряжение) во времени. Наиболее широко используется при организации питания низковольтных устройств, источники постоянного тока(напряжения) служат обычные батарейки, аккумуляторы а также вторичные источники питания – блоки питания. Схема питания постоянным током (Gb – источник питания, R – нагрузка) и временной график (показывает изменение / форму сигнала во времени).Кратковременный сигнал Импульс –   кратковременный сигнал, у которого меняется значение амплитуды электрической величины (ток, напряжение), а также может меняться длительность (Т) и форма сигнала. Для управления электронными устройствами наиболее широкое применение получили прямоугольные импульсы, форма одиночного импульса (временной график) и простейшая схема получения изображена на рисунке(Gb – источник питания, S – выключатель, R – нагрузка).Принцип получения одиночного прямоугольного импульса – описание соответствия участков графика с положением S выключателя: 1-2 участок: тока нет – выключатель S разомкнут (начальное положение на схеме). В цифровой электроники это состояние имеет значение сигнала «0» (ноль); 2-3 участок: в момент замыкания S – ток резко нарастает; 3-4 участок: ток имеет постоянную величину – S замкнут. В цифровой электроники это состояние имеет значение сигнала «1» (единица); 4-5 участок: в момент размыкания S – ток резко уменьшается; 5-6 участок: тока нет - S разомкнут, соответствует величине «0» -. Виды простых периодических сигналов 1. Переменный ток (напряжение) –   сигнал, имеющий изменяемое значение амплитуды электрической величины (ток, напряжение) во времени, помимо амплитуды характеризуется такими параметрами как период T и частота f, которые также могут изменяться. Чаще всего под переменным напряжением подразумевается напряжение бытовой сети имеющим в России следующие параметры: U = 220В, f = 50Гц. Форма сигнала синусоида на рисунке простейшая схема питания переменным током и его временной график.2. Периодический прямоугольный сигнал –  сигнал, который формируется подачей одинаковых импульсов прямоугольной формы с установленной частотой f следования. На рисунке временной график периодического прямоугольного сигнала. Широко применяется для синхронизации в микропроцессорной технике, получается с помощью генераторов прямоугольных импульсов.3. Пилообразный сигнал –  сигнал, пилообразной формы, характеризуется амплитудой и частотой следования импульсов. Широко применяется для синхронизации в различных электронных устройствах. На рисунке приведен временной график пилообразного сигнала.Системная синхронизация Системным генератором синхронизации Генератор прямоугольных импульсов управляет действиями всех компонентов цифровой техники. Производит синхронизацию работы микроконтроллера и остальных элементов вычислительной системы. Формируя базовый временной интервал, в течение которого может происходить событие, он тем самым участвует во всех операциях. Сбой в работе генератора приводит к выходу из строя всей системы, либо приводит к нестабильной работе отдельных компонентов – в общем, последствия непредсказуемы. Простейшие варианты генератора могут быть реализованы на простых RC-цепях. Для получения высокостабильных сигналов используют кварцевые генераторы. Основные элементы цифровой техники. Логические вентили - базовые элементы цифровой электроники, выполняющие простые логические функции такие как: НЕ, И, ИЛИ, НЕ-И или НЕ-ИЛИ. Принцип работы основан на преобразовании входных информационных сигналов в выходные логические сигналы в соответствии с логикой работы элемента. Для их идентификации применяются логические символы, приведенные ниже совместно с таблицами истинности, которые отражают логику работы соответствующих элементов. В таблице истинности 0 означает низкий уровень напряжения LOW, 1 - высокий HIGH.
  Инвертор (булева операция NOT(не)) - основная задача обеспечить на выходе сигнал противоположный входному. Для обозначения операции NOT используется верхнее подчеркивание " ", таким образом если на входе мы имеем сигнал "А" то на выходе " А " (читается: "не А"). Понятия "отрицание", "инверсия" и "дополнение" обозначают одно и тоже. На рисунке приведены два способа схематичного обозначения элемента, а также таблица истинности.
  Логический элемент И (булева операция AND(И)) - принцип работы элемента выглядит как "все или ничего", вход А связан с входом В булевой операцией И, то есть логическая единица на выходе получиться только если оба входных сигнала будут высокого уровня. На рисунке приведены два способа схематичного обозначения элемента, а также таблица истинности.
  Логический элемент ИЛИ (булвая операция OR(ИЛИ)) - принцип работы элемента выглядит как "что-нибудь или все", вход А связан с входом В булевой операцией ИЛИ, то есть логическая единица на выходе получиться только если хотя бы один входной сигнал будет высокого уровня. На рисунке приведены два способа схематичного обозначения элемента, а также таблица истинности. Комбинации логических элементов. Цифровые системы строятся на основе комбинаций логических элементов. Такие комбинации могут быть описаны таблицей истинности, булевой функцией или логической схемой. В практике наиболее часто встречаются более сложные логические элементы, такие как И-НЕ или ИЛИ-НЕ, то есть производится сначала операция OR или AND, а результат инвертируется. Тем не менее, эти элементы также относятся к основным элементам цифровой техники. Таблица истинности легко получить, инвертировав выходные сигналы соответствующих элементов. Для простоты обозначения инверсные входа или выхода обозначаются кружками инверсии, смотри рисунок ниже.
Триггеры и защелки. Используя только базовые элементы, приведенные выше, можно получать сложные схемы управления автоматики - такие схемы называются цепями комбинационной логики. Для получения более сложных функциональных устройств используют элементы называемее триггерами. Их применяют в устройствах с целью образования последовательных логических цепей. Основной особенностью триггеров является возможность запоминания входных сигналов даже если они сняты. Эта особенность позволяет строить устройства для хранения цифровых данных, вычислений и их преобразований. Очень часто используются для формирования временных задержек. Начальный запуск (установка начальног значения) триггера является важным этапом его работы. По способу запуска триггеры могут быть активизированы фронтом импульса или уровнем. Участок 2-3 - положительный фронт; участок 4-5 графика - отрицательный фронт; участок 3-4 высокий уровень описания; 1-2 или 5-6 низкий уровень... На графике прямоугольного импульса. Не менее важным является синхронизация всех устройств цифровой схемы во времени для решения этой задачи используют синхроимпульсы (тактовые импульсы), которые подаются на входа синхронизации.  D-триггер (называемого также триггером данных). Описание графического символа: Входа: - D (для данных); - С (сигнал синхронизации или тактовый вход). Графическое обозначение «> - положительный фронт импульса» на входе С логической схемы означает, что данные передаются со входа на выход при изменении тактового сигнала с низкого уровня на высокий (участок 2-3 графика описания прямоугольного импульса). Примером тактовых импульсов может быть Периодический прямоугольный сигнал. Выхода: - Q и Q обычно имеет два взаимоинверсных выхода, обозначенных Q и Q (HE-Q) Выход Q называется нормальным, а выход Q имеет противоположное значение и называется дополнительным или инверсным выходом триггера.
Таблица истинности D-триггера: Установка и сброс триггера рассматриваются по отношению к выходу Q. D-триггер может находиться в трех состояниях: Установить (или активизировать) триггер означает, что на выходе Q устанавливается 1. Это происходит при подачи 1 на вход D триггера и при смене тактового импульса С на положительный сигнал. Сброс (установке в нуль) триггера. Сбросить триггер означает вернуть выход Q в состояние 0. Установить состояние ожидания режим хранения данных полученных в предыдущем цикле. В этом состояние изменение данных на входе не приводит к потере предыдущих данных, то есть состояние выходов остается неизменным (сигнал запомнен).  JK-триггер (называемого также триггером данных). Описание графического символа: Входа: - J и K два входа данных; - С (сигнал синхронизации или тактовый вход). Графическое обозначение «кружками инверсии и > - отрицательный фронт импульса» на входе С логической схемы означает, что данные передаются со входа на выход при изменении тактового сигнала с высокого уровня на низкий (участок 4-5 графика описания прямоугольного импульса). Примером тактовых импульсов может быть Периодический прямоугольный сигнал. Выхода: - Q и Q обычно имеет два взаимоинверсных выхода, обозначенных Q и Q (HE-Q) Выход Q называется нормальным, а выход Q имеет противоположное значение и называется дополнительным или инверсным выходом триггера.
Таблица истинности JK-триггера: JK-триггер может находиться в четырех состояниях: Триггер когда входа J и К получат Н-уровень при каждом тактовом импульсе выходные уровни меняются последовательно - HIGH-LOW-HIGH-LOW и т. д. (т.е. работать в счетном режиме). Установить / активизировать триггер означает, что при наличии на входах J = 1 и K = 0 и при переходе тактовых импульсов от Н- к L-состоянию выход Q переходит в состояние HIGH. Сброс (установка в нуль) триггера - триггер получает на выход Q состояние LOW. Установить состояние ожидания - отсутствие действия у триггера. Входа J и К имеют LOW состояние, вход синхронизации С не оказывает влияния на выходные сигналы. Базой для освоения электроники является умение читать принципиальные схемы. Разбор приведенных ниже схем позволит лучше понять принцип построения цифровых устройств. Совместно со схемами внимательно изучайте диаграммы сигналов и таблицы истинности. Примеры реализации цифровых схем: Четырех разрядный асинхронный счетчик   С помощью последовательного соединения JK-триггеров (выход Q каждого триггера подключен к тактирующему входу следующего) легко получить «делитель 2n», или двоичный счетчик. Заметим, что непосредственное действие выхода Q каждого триггера на тактовый вход последующего происходит только по спаду (заднему фронту) сигнала на тактовом входе. Делитель 2n - При каскадном включении четырех JK-триггеров мы получаем счетчик-делитель на 16, то есть на выходе последнего триггера формируются прямоугольные импульсы, следующие с частотой, равной 1/16 частоты входного тактового сигнала. На каждом каскаде (триггере) происходит деление частоты на 2, итого делитель для 4 каскадов будет 2 в степени 4 (2х2х2х2 = 16). Счетчик - Каждый тактовый импульс ведет к изменению состояния выходных сигналов Q, при этом эти изменения соответствуют правилам двоичного счета, где выход первого триггера соответствует младшему значащему разряду (на графике МРЗ), а последний выход (четвертого триггера) – старшему значащему разряду (на графике СЗР). Рассматривая временную диаграмму для всех четырех выходов Q мы видим увеличение значения с каждым тактом от 0 до 15 (в двоичном представлении). Подавая содержимое выходов на индикаторы (например, светодиодные) можно строить схемы позволяющие представлять данные подсчета в понятной форме для человека. Этот счетчик имеет очень широкое применение в промышленности, поэтому выпускаются различные модификации в виде однокристальных микросхем, для различных форматов счета, такие как 4-разрядные, двоично-десятичные и много цифровые счетчики. | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
