Курс лекций схемотенхника. Курс лекций схемотехника. Курс лекций по дисциплине Цифровая схемотехника для специальности
 Скачать 0.83 Mb.
|
|
МИНОБРНАУКИ РОССИИ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пензенский государственный технологический университет» (ПензГТУ) Каменский технологический институт - филиал Пензенского государственного технологического университета Курс лекций по дисциплине: «Цифровая схемотехника» для специальности среднего профессионального образования технического профиля 09.02.01 «Компьютерные системы и комплексы» Рассмотрен Советом института Протокол № 10 от «24» мая 2018 года Председатель Совета института __________П.Д. Бочаров Составитель: Козина И.А. преподаватель КамТИ - филиала ПензГТУ Тема 1.1 Основные понятия цифровой техники Роль цифровой техники в современных электронных системах Сигналом называют физический процесс, несущий информацию. Сигналы могут быть звуковыми, световыми, электрическими. Информация сосредоточена в изменениях параметров физического процесса. Если параметры процесса не меняются, то он не является сигналом. Так, неизменные звук, световой поток, синусоидальное электрическое колебание никакого сообщения не содержат. Наоборот, в изменениях громкости и тона звука, яркости и цвета светового излучения, амплитуды, частоты и фазы электрического колебания запечатлена информация. Информативным является также появление или окончание, например, электрического колебания, т.е. его изменения. Сигналы на выходе микрофона, передающей телекамеры, различного рода датчиков аналогичны по своему «рисунку» воздействиям на эти устройства — звуковому давлению, распределению освещенности, температуре и т. д. Поэтому подобные сигналы называют аналоговыми. Между минимальным и максимальным значениями аналоговый сигнал может иметь любое значение. Обычно аналоговые сигналы являются непрерывными. Устройства в которых действуют такие сигналы, называют аналоговыми Расстояние, на которое передается электрический сигнал, может быть как весьма малым (в пределах устройства), так и чрезвычайно большим (например, при исследовании космического пространства). Скорость распространения электрических сигналов близка скорости света, что и обусловило их широкое применение в различных областях техники. По проводам электрические сигналы могут передаваться в том виде, в каком они снимаются с источника. При передаче сигнала через открытое пространство сигналом модулируют высокочастотное колебание, за счет чего обеспечиваются эффективные излучение и прием. Информация, которую переносит сигнал, может являться сообщением о событии, о режиме технологического процесса, представлять команду на включение или выключение какой-либо аппаратуры и т. д. Выражается информация различным образом, в частности, речью изображением, звуком, электрическим колебанием. Цифровые и импульсные сигналы, их параметры Под электрическим импульсом понимают отклонение напряжения или тока от некоторого постоянного уровня (в частности, от нулевого), наблюдаемое в течение времени, меньшего или сравнимого с длительностью переходных процессов в схеме. Существует два вида импульсов: видеоимпульсы и радиоимпульсы. Видеоимпульсы получают при коммутации цепи постоянного тока. Наиболее часто используют видеоимпульсы прямоугольной (рис. 1.1, а), трапецеидальной (рис. 1.1, б), экспоненциальной (остроконечной) (рис. 1.1, в), пилообразной (рис. 1.1, г) и треугольной (рис. 1.1, д) форм.  Рисунок 1.1. Различают видеоимпульсы положительной (рис. 1.1, а, б, г, д) и отрицательной рис. 1.1, в) полярности, а также двусторонние - разнополярные — импульсы (рис. 1.1, е). Следует иметь в виду, что реальные импульсы не имеют формы, строго соответствующей названию. Радиоимпульсы (рис. 1.2) представляют собой кратковременные синусоидального напряжения или тока. Они снимаются с высокочастотного генератора, который управляется (модулируется) видеоимпульсами. Поэтому форма огибающей радиоимпульсов соответствует форме модулирующих видеоимпульсов. Радиоимпульсы (рис. 1.2) — результат модуляции амплитуды высокочастотного колебания прямоугольными видеоимпульсами.  Рисунок 1.2 Импульсное колебание, параметры которого изменяются в соответствии с передаваемой информацией, является сигналом. Такой сигнал относят к аналоговым, так как в диапазоне своих изменений он может принимать любое значение. Устройства в которых действуют электрические импульсы, называются импульсными Параметры импульсов В  ведем понятие об основных параметрах импульсов на примере реального прямоугольного импульса (рис. 1.3). Рисунок 1.3. Длительность. За активную длительность импульса  принимают промежуток времени, измеренный на уровне, соответствуем половине амплитуды. Иногда длительность импульсов определяют на уровне 0,1 или по основанию импульса. В дальнейшем, если это не оговорено, длительность импульса будет определяться по основанию и обозначаться  (см. рис. 1.1, а).Длительность выражается в единицах времени: секундах, миллисекундах (мс), микросекундах (мкс) и наносекундах (не). Амплитуда. Наибольшее значение напряжения или тока импульса данной формы является его амплитудой. Амплитуда импульса U„ (1т) выражается в вольтах (В), киловольтах (кВ), милливольтах (мВ), микровольтах (мкВ) или амперах (А), миллиамперах (мА), микроамперах (мкА). Длительность и крутизна фронта импульса. Импульс имеет передний фронт и срез, последний также называют задним фронтом. Длительность переднего фронта импульса определяется временем нарастания импульса, а длительность среза — временем спада импульса. Наиболее часто пользуются понятием активной длительности фронта  , за которую принимают время нарастания импульса от 0,1 Um до 0,9 Umаналогично, длительность среза  , — время спада импульса от 0,9Umдо 0,1 Um(рис. 1.3).Обычно длительность и tcсоставляет единицы процентов от длительности импульса. Чем меньше и tc по сравнению с tПтем больше форма импульса приближается к прямоугольной. Иногда вместо и tc фронты импульса характеризуют скоростью нарастания (спада). Эту величину называют крутизной S фронта (среза) и выражают в вольтах в секунду (В/с) киловольтах в секунду (кВ/с) и т. д. Для прямоугольного импульса приближенно  Участок импульса (рис. 1.3) между фронтами называют плоской вершиной. На рисунке показан спад плоской вершины (  ), а также отрицательный выброс.Мощность в импульсе. Энергия Wимпульса, отнесенная к его длительности, определяет мощность в импульсе: Pa=W/tИ. Она выражается в ваттах (Вт), киловаттах (кВт). Период повторения импульсов. Импульсы, повторяются через разные промежутки времени, образуют периодическую последовательность. Промежуток времени между началом двух соседних однополярных импульсов (см. рис. 1.1) называют периодом повторения (следования) импульсов. Он выражается в единицах времени: с, мс, мкс. Величину, обратную периоду повторения, называют частотой повторения (следования) импульсов f. Она определяет количество периодов в течение 1с и выражается в герцах (Гц), килогерцах (кГц) и т. Устройства формирования цифровых сигналов Цифровым сигналом представляются двоичные числа, 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 сигнал 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. 1.4, а изображен потенциальный цифровой сигнал, представляющий написанное сверху число; высоким потенциалом отображается 1, а низким — 0.  Рисунок 1.4. Элементами импульсного цифрового сигнала являются импульсы неизменной амплитуды и их отсутствие. На рис. 1.4, бположительный импульс представляет 1, а отсутствие импульса представляет 0 написанного сверху двоичного числа. Обоими цифровыми сигналами (рис. 1.4) двоичное число 10011010 выражено в последовательной форме (последовательным кодом): разряды числа представляются последовательно, друг за другом. При этом потенциалы (импульсы), соответствующие разрядам числа, передаются по одной линии и обрабатываются устройством последовательно. При представлении двоичного числа в параллельной форме (параллельным кодом) его разряды представляются одновременно. t При этом 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. 1.5 изображен потенциальный цифровой сигнал, выражающий двоичное число 10011010 в параллельной форме.  Рисунок 1.5. Заметим, что 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 — единицу числа). Первое соответствие называется классом положительной, а второе — классом отрицательной логики. Цифровой сигнал может быть сформирован из непрерывного сигнала аналого-цифровым преобразователем (АЦП), который нередко называют преобразователем аналог — код или аналог — цифра. 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 (см. рис. 1.6) 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 разрешенного уровня (рис. 1.6, а).Эта операция называется квантованием сигнала по уровню или просто квантованием.  Рисунок 1.6 Тема 1.2 Системы счисления, используемые в компьютерах Двоичная, восьмеричная, шестнадцатеричная, системы счисления Выше отмечалось, что для представления чисел и оперирования с ними человечество за свою многовековую историю разработало большое количество специальных языков, которые называются числовыми языками Обычно, все такие языки, которые включают в себя приемы наименования и записи чисел, называют счислением а конкретно каждый из них называют системой счисления. Система счисления (СС) - это способ наименования и представления чисел с помощью некоторой совокупности символов, имеющих определенное количественное значение. Символы, которые используются в любой системе счисления, называются цифрами. В любой системе счисления числа записываются как некоторая последовательность цифр. Все системы счисления подразделяются на два класса: непозиционные и позиционные системы счисления. |