Цифровая электроника

Цифровая электроника является интереснейшей, стремительно развивающейся в последние годы областью современной электроники. Не только инженеры-электронщики, но и специалисты других дисциплин стремятся расширить познания в этой новой области техники.
Предполагается, что читатель знаком с основами электротехники и электроники, которые необходимы для понимания некоторых статей этого раздела. Большинство статей доступны без специальных предварительных знаний. Читателю придется привыкнуть к принятому в данной области электроники «цифровому мышлению».
Особое внимание уделяется ясному и исчерпывающему изложению материала. Последовательно раскрывается мир цифровой электроники, ее взаимосвязь с другими областями техники. При этом использован опыт длительной преподавательской деятельности автора учебника.
Раздел может использоваться как в качестве основного учебника для курсов по специальности, так и для самостоятельного обучения. Контрольные тесты с вопросами и задачами в конце каждой главы позволяют проверить понимание пройденного материала. Решения приведены в конце учебника.
Раздел предназначен для студентов электротехнических и машиностроительных специальностей, инженеров-практиков, техников, а также всех, кто интересуется современной цифровой техникой.

Основные понятия

Аналоговое и цифровое представление величин

Понятия «аналоговый» и «цифровой» пришли из вычислительной техники и стали общепринятыми для всей электротехники, включая разделы измерительной техники (метрологии).
Аналоговое представление величин
Для представления величины в аналоговой форме требуется аналогичная, то есть «соответствующая» физическая величина. Для аналоговых вычислительных машин такой аналогичной величиной является электрическое напряжение. Так, например, число можно представить следующим образом:
Числу 1 соответствует значение напряжения в 1 вольт (В).
1 = 1 В
(= означает «соответствует»).
Далее 2 вольта соответствуют числу 2 и 3,6 вольта — числу 3,6. Для представления числа 4,365, таким образом, необходимо напряжение 4,365 В. Чтобы работать с большими числами, нужно выбрать другой порядок, т. е. другой масштаб, например 1 = 1 мВ. Иначе мы будем иметь дело со слишком высоким напряжением.
Аналоговые величины — это значения соответствующих физических величин, которые могут принимать любое значение в пределах допустимого диапазона.
Точность представления аналоговых величин зависит от точности, с которой могут быть измерены соответствующие им величины. Здесь мы быстро сталкиваемся с физическими ограничениями. Напряжение может быть измерено без применения специальных решений с точностью до +1 %, с применением более дорогих решений — до ± 0,1 %о. При дальнейшем увеличении точности резко возрастает стоимость измерений. Другой физической границей является зависимость от температуры.
Аналоговые величины могут обычно быть представлены с точностью до третьего десятичного знака.
Простой аналоговой вычислительной машиной является давно известная логарифмическая линейка. В качестве соответствующей величины используется длина. Длина соответствует численным значениям в логарифмическом масштабе.

Рис. 1.1. Аналоговое представление измеряемой величины

Рис. 1.2. Аналоговые часы

Таким образом, зависимость между аналоговой величиной и соответствующими ей величинами также должна быть нелинейной. Точность логарифмической линейки зависит от возможности точно рассмотреть ее показания.
В измерительной технике аналоговое представление величин имеет особенно большое значение. Стрелочные измерительные приборы представляют измеряемые величины в аналоговом виде (рис. 1.1). Аналоговая величина — это угол, который стрелка образует со своей нулевой линией или соответствующий участок шкалы. Стрелка прибора может показать любое значение в пределах шкалы.
Стрелочные часы на рис. 1.2 показывают время в аналоговой форме. Аналоговой величиной является угол или дуга. Допустимым диапазоном в данном случае будут 360 градусов, т. е. полный оборот стрелки.
Диаграммы на рис. 1.3 также являются аналоговыми представлениями величин. Аналоговой величиной в данном случае является высота столбика.
Осциллограмма переменного напряжения на рис. 1.4 также является аналоговой величиной. Напряжение может принимать любые значения внутри допустимого диапазона.
При аналоговом представлении величин можно делать выводы о тренде (тенденции развития) процесса.

Рис. 1.3. Аналоговое представление, например, заработная плата различных профессий

Рис. 1.4. Аналоговое представление напряжения
               

Цифровое представление величин

При цифровом представлении применяют элементы, которые можно сосчитать. Понятие «цифровой» происходит от латинского слова digitus (палец). Число можно представить, например, количеством пальцев. Простым цифровым счетчиком являются всем известные счеты (рис. 1.5). Число представляется количеством костяшек.
Цифровые величины состоят из элементов, которые можно сосчитать.
Преимущество цифрового представления очевидно. Точность представления не ограничивают физические эффекты. Если увеличить число костяшек на счетах, увеличится и точность.
Цифровые величины можно представлять с любой точностью.
В электронных калькуляторах вместо костяшек применяют электрические импульсы. Число 3 можно представить тремя импульсами, а число 37 — соответственно 37. Однако такое представление нерационально и не применяется. Ведь для числа 100 ООО было бы необходимо использовать 100 ООО импульсов, а это почти нереально.
Для представления чисел в цифровом виде применяют так называемые коды. На рис. 1.6 показана диаграмма цифрового сигнала.

Рис. 1.5. Счеты как пример простого цифрового счетчика

Рис. 1.6. Временная диаграмма цифрового сигнала
               
Так как цифровые величины состоят из элементов, которые можно сосчитать, то для наглядности применяют представление величин в виде чисел.
Отображение информации с помощью цифр называется цифровой индикацией.
Измерительные приборы с цифровой индикацией называются цифровыми приборами (рис. 1.7). Часы с цифровой индикацией называются цифровыми часами.

Бинарные и логические состояния

Цифровая величина состоит, как было установлено в предыдущем разделе, из элементов, которые можно сосчитать. Эти элементы могут иметь два, три или больше состояний. На рис. 1.8 изображен сигнал с тремя возможными состояниями: 10 В, 5 В и О В.

Рис. 1.8. Цифровой сигнал с тремя возможными состояниями

Цифровые сигналы могут иметь два, три или больше значений, т. е, два, три или больше фиксированных состояний.
Однако в цифровой электронике элементы почти всегда имеют только два состояния. Транзистор может быть либо закрыт, либо насыщен. Электрический импульс или существует, или нет. Есть только два возможных состояния цифрового элемента. Напряжение имеет согласованное верхнее значение или согласованное нижнее значение (с определенным допуском).
Обычные цифровые элементы являются «двузначными», т. е. имеют два возможных состояния.
Свойство двузначности элементов выражают термином «бинарность» (от латинского слова bin — дважды). Применяемые в цифровой электронике элементы являются бинарными элементами.
Так как цифровая электроника использует только бинарные элементы, более точно ее следовало бы называть «бинарная цифровая электроника».
Соответственно для цифровых микросхем также должно было бы использоваться обозначение «бинарные цифровые микросхемы». Но так как в настоящее время не имеется — по крайней мере в технической области — никакой другой цифровой техники, то дополнительное слово «бинарная» можно не использовать. Совсем недавно узнали, что существует четырехзначная «цифровая техника» в мире живых существ. Она используется прежде всего для кодирования, сохранения, выборки и передачи наследственной информации. Результаты дальнейших исследований покажут, превосходит ли цифровая техника природы придуманную людьми.
Бинарные состояния в цифровой технике также называют цифровыми.

Примеры бинарных состояний:

               
Так как в цифровой электронике работают с микросхемами, то прежде всего бинарными являются уровни напряжения. Производители указывают для цифровых микросхем бинарные состояния напряжения в инструкциях по эксплуатации.

Типичные бинарные состояния напряжения:

Для бинарных состояний напряжения имеются определенные допуски (рис. 1.9). Например, напряжение может иметь одно бинарное состояние в пределах от 4 до 5,5 В. Напряжение другого бинарного состояния может быть между О В и +0,8 В. НИЗКИЙ уровень напряжения обозначается символом L (от английского low — низкий), ВЫСОКИЙ уровень напряжения символом Н (от английского high — высокий).
L = Low = НИЗКИЙ уровень.
Уровень, стремящийся к минус бесконечности (—<»).
L = High = ВЫСОКИЙ уровень.
Уровень, стремящийся к плюс бесконечности (+ <*>).
Бинарные состояния сами по себе ничего не выражают. Им должны быть поставлены в соответствие так называемые логические состояния.
Логическое состояние 1 в алгебре логики называют «верно» или «истинно». Логическое состояние 0 значит «неверно» или соответственно «ложно».

Рис. 1.9. Допуски бинарных уровней напряжения

Присваивание бинарного состояния логическому производится произвольно.
Принятое соответствие бинарных и логических состояний должно соблюдаться для всего проекта. Типичный пример:
0 = L = 0 В (заземление)
1 = Н = +5 В
или еще такой вариант:
0 4 Я= +5 В
1 = L = 0 В (заземление).

В системах, в которых логические состояния эквивалентны каким-либо сигналам или физическим величинам, например положительным или отрицательным импульсам, наличию или отсутствию импульсов, двум различным частотам и т. д. — для представления этих сигналов и величин можно применять термины ВЫСОКИЙ уровень (символ Н) и НИЗКИЙ уровень (символ L). При этом требуется соблюдать однозначность присвоения.
Не следует путать между собой понятия бинарных состояний (например ВЫСОКИЙ и НИЗКИЙ уровни) и логических состояний. Логические состояния в алгебре логики называют также величинами. Подробнее о разнице в этих понятиях можно прочитать в DIN 40900, часть 12 (Обозначения условные графические на электрических схемах).
Контрольный тест
1. Чем отличается цифровая величина от аналоговой?
2. Назовите преимущества и недостатки аналогового представления данных.
3. Что понимают под бинарной величиной?
4. Какая точность возможна при цифровом представлении данных?
5. В инструкциях производители цифровых схем часто указывают обо значения L и Н. Что означают эти символы?
6. Что такое логические состояния и какими символами они обозначаются?
7. Как представляются данные
а) аналоговым измерительным прибором;
б) цифровым измерительным прибором?

Похожие статьи