Параметры импульсных и цифровых устройств

Все электронные устройства имеют дело с электрическими сигналами, изменяющимися во времени. Именно благодаря этому изменению во времени сигнал может нести в себе какую-то информацию. По характеру изменения различают сигналы аналоговые импульсные и цифровые.

Аналоговый сигнал может принимать любые значения в определенных пределах. В любой момент времени математически может быть представлен аналитической функцией без разрывов (рис 1.1а).

Рис 1.1. Электрические сигналы; а) аналоговый, б) импульсный, в) цифровой

Устройства, работающие только с аналоговыми сигналами, называются аналоговыми устройствами.

Цифровой сигнал может принимать только два значения высокое/низкое или 0/1 (иногда третье значение - «нет сигнала»). Допускаются некоторые отклонения от этих значений (рис 1.1в). Устройства, работающие исключительно с цифровыми сигналами, называются цифровыми устройствами.

Импульсный сигнал, как и аналоговый, может иметь любые значения в определенном диапазоне. В некоторые моменты времени его поведение резко изменяется и он не может быть описан единой аналитической функцией без разрывов (рис 1.1б). В современной электронике иногда импульсные сигналы формируются цифровыми методами (цифроаналоговый преобразователь, аналоговые коммутаторы и т.д.). Такие устройства принято называть аналого-цифровыми. Таким образом, понятие импульсный сигнал является обобщающим. Цифровые и аналого-цифровые устройства являются частным случаем импульсных устройств.

Информация о состоянии внешней среды (свет, звук, температура, давление и т.д.), создаваемая различными датчиками, обычно носит аналоговый характер. Однако аналоговые сигналы и, работающая с ними, аналоговая электроника чувствительна к действию паразитных сигналов – шумов, наводок, помех. Аналоговые сигналы искажаются при усилении, фильтрации, при передаче на расстояние, при хранении. Сказывается влияние внешних условий на стабильность характеристик аналоговых устройств (изменение температуры, напряжения питания, временного старения элементов).

Цифровые сигналы защищены гораздо лучше аналоговых от действия шумов, наводок и помех. Небольшие отклонения от разрешенных значений не искажают цифровой сигнал, так как всегда существуют зоны допустимых отклонений. В определенных пределах на них не влияет изменение температуры, напряжения питания, разброс параметров элементов, допускают длительное хранение без потерь, качественную передачу по каналам связи.

Особенностью цифровых сигналов, чтобы его можно было распознать, является то, что он должен оставаться в каждом из своих разрешенных уровней хотя бы в течение какого-то минимального временного интервала. Аналоговый сигнал может принимать любое свое значение бесконечно малое время. Поэтому максимально достижимое быстродействие аналоговых устройств принципиально больше, чем цифровых.

Аналоговый сигнал более емкий с точки зрения передачи информации, так как передает информацию каждым текущим значением своего уровня в отличие от цифрового, у которого всего лишь два уровня. Для передачи того же объема полезной информации, который содержится в одном аналоговом сигнале, приходиться использовать многоразрядные цифровые сигналы (8, 16 разрядов, иногда и более).

Аналоговые устройства, как правило, требуют значительной трудоемкости на индивидуальную настройку и регулировку. Цифровые устройства проще проектировать и налаживать.

Взаимное преобразование аналоговых и цифровых сигналов требует применение специальной аппаратуры – аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразователей. Так, чтобы реализовать преимущества цифровой обработки сигналов зачастую требуется значительные затраты.

Современные электронные устройства содержат обычно и аналоговую и цифровую часть. Аналоговая электроника чаще используется для предварительной обработки сигналов в реальном времени, когда на первый план выдвигается быстродействие, а требования к точности преобразования предъявляются умеренные. Цифровую обработку обычно используется на следующем этапе, когда требуется высокая точность преобразования сигналов, надежное долговременное хранение информации, передача по каналам связи в условиях помех. Однозначного рецепта нет, когда применять аналоговую и когда цифровую обработку сигналов. Граница зависит от уровня элементной базы и квалификации разработчика.

Рис. 1.2. Параметры импульсного сигнала

Импульсный сигнал, показанный на рис. 1.2, характеризуется следующими параметрами:

U_m – амплитуда импульса – наибольшее отклонение напряжения Umax от исходного уровня Umin;

Если импульсы следуют через равные промежутки, то говорят о периодической последовательности импульсов с периодом повторения

T_и = t_и + t_п,

где t_и и t_п – соответственно длительность импульса и паузы между импульсами; обычно определяются по уровню 0,5 от амплитуды импульса;

Участок импульса, на котором происходит отклонение напряжения от исходного уровня, называется фронтом, а участок, где напряжение возвращается к исходному уровню – спадом (срезом). В реальном импульсе бывает трудно указать границы фронта и спада, и их длительность t_ф и t_ср рассчитываются на уровне 0.1 Um и 0.9U_m. Уровень обычно по умолчанию считается равным 10% (0.1) от амплитуды, хотя иногда встречается 5% (0.05), но обязательно с оговоркой.

Число импульсов, следующих в течении одной секунды называется частотой повторения импульса Fи ;

Для описания периодической последовательности импульсов используется параметр скважность импульсов x, который представляет собой отношение интервала между импульсами (паузы) к длительности самого импульса ;

В тех случаях, когда обычно имеют дело с короткими периодическими импульсами (большой скважности), например, радиолокации, когда tи <<Tи, полагают .

Частным случаем периодической последовательности импульсов, у которых длительность импульса равна длительности паузы, является меандр, для которого скважность x=1.

Цифровые сигналы являются частным случаем импульсных, имеют два разрешенных уровня напряжения. Для удобства формального математического описания один из этих уровней называется уровнем логической единицы (единичным уровнем), а другой – уровнем логического нуля (нулевым уровнем). Чаще всего уровню логического нуля соответствует низкий уровень напряжения, а логической единице – высокий уровень напряжения. Принято называть такую логику положительной. Иногда в системных шинах микропроцессоров, при передаче сигналов через каналы связи используют обратное представление, называемой отрицательной логикой; логический нуль – высокий уровень, а логическая единица – низкий уровень. Есть и более сложные методы кодирования. Но мы в основном будем использовать понятия положительной логики. Структура типового логического элемента (ЛЭ) показана на Рис 1.3. Узел входной логики выполняет логические операции над входными сигналами. Каждый входной логический сигнал I (Input) описывается набором параметров;

¾ логические уровни входного/выходного напряжения Е⁰ и Е¹,

¾ входные токи I⁰ и I¹, соответствующие входным уровням.

Каждый входной сигнал должен подаваться на отдельный вход ЛЭ. Иначе подаче нескольких входных сигналов на один вход ЛЭ возможна конкуренция сигналов и, как следствие, неопределенность уровня напряжения на входе, что конечно не допустимо.

Количество входов m называется коэффициентом объединения по входу m и может быть 1 £ m £1.

Рис. 1.3. Структура типового логического элемента.

Максимальное m=8 обусловлено тем, что единица информации - байт содержит 8 бит (может принимать 2⁸=256 состояний, что считается достаточным для кодирования любого символа информации – чисел от 0 до 9, букв алфавита и т.д.). В редких случаях, когда требуется ЛЭ с большим количеством входов, к входу ЛЭ подключают специальную ИС – логический расширитель.

Транзисторный ключ, который на рис 1.3 условно изображен как механический ключ, управляется результирующим сигналом входной логики и обычно выполняет две функции:

¾ логическую операцию отрицания «НЕ» (при высоком уровне на входе, ключ замыкается, и уровень сигнала на выходе становиться низким);

¾ обеспечивает требуемую нагрузочную способность ЛЭ, чтобы иметь возможность управлять последующими несколькими ЛЭ. Нагрузочная способность n (коэффициент разветвления) – число входов, которое может быть подключено к данному выходу без нарушения работы. Этот параметр определяется отношением выходного тока I_out ЛЭ к входному I_in

. Стандартная величина n =10 при использовании микросхем одного типа (одной серии).

Входной ток микросхемы при приходе на вход логического нуля ( ), как правило, отличается от входного тока при приходе на вход логической единицы ( ). Например, = —0.4 мА, а = 20 мкА (считается, что положительный ток втекает во вход микросхемы, а отрицательный — вытекает из него). Точно так же выходной ток микросхемы при выдаче логического нуля ( ) может отличаться (и обычно отличается) от выходного то­ка при выдаче логической единицы ( ). Например, для одной и той же микросхемы < —0,4 мА, a < 8 мА (считается, что положительный ток втекает в выход микросхемы, а отрицатель­ный — вытекает из него). Надо также учитывать, что разные входы и выходы одной и той же микросхемы могут иметь раз­личные входные и выходные токи.

Для выходных напряжений логического нуля ( ) и едини­цы ( ) в справочниках обычно задаются предельно допусти­мые значения при заданной величине выходного тока. При этом, чем больше выходной ток, тем меньше напряжение логической единицы и тем больше напряжение логического нуля. Напри­мер, > 2,5 В (при < - 0,4 мА), a < 0,5 В (при <8mA).

Задаются в справочниках также и допустимые уровни вход­ных напряжений, которые микросхема еще воспринимает как правильные логические уровни нуля и единицы. Например, > 2,0 В, < 0,8 В. Как правило, входные напряжения логи­ческих сигналов не должны выходить за пределы напряжения питания.

Входная логика выполняет базовые булевы операции, логическое уравнение, таблица состояния и условное обозначение ЛЭ приведены в таблице ниже: в верхней строке таблицы прямоугольники – обозначение по ГОСТ, под ними - обозначение, принятое в США.

Таблица 1.1.

Логические операции без инверсии
Неинвертирующий буфер y=x	Операция «И» y=x1×x2	Операция «ИЛИ» y=x1 Ú x2
x	y	x1	x2	y	x1	x2	y

Таблица 1.2.

Логические операции с инверсией
Операция «НЕ» y=x	Операция «И-НЕ» y=x1×x2	Операция «ИЛИ-НЕ» y=x1 Ú x2
x	y	x1	x2	y	x1	x2	y

Согласно ГОСТ, элементы цифровой техники изображаются прямоугольником (так называемое основное поле), в верхней части которого указывают символ функции. Входы показывают с левой стороны прямоугольника, выходы – справа. Допускается другая ориентация прямоугольника, при которой входы располагаются сверху, а выходы – снизу. Инверсные входы и выходы выделяются индикатором – небольшим кружком. Выводы питания и общий обычно не показывают.

Для обозначения инверсного сигнала перед его названием ставиться знак минус; например –WR или –OE. Реже над названием сигнала ставится черта. Для названия сигнала обычно используются латинские буквы, представляющие сокращения английских слов (WR - Write – писать).