Цифровая электроника что это
Цифровая электроника
Просто о цифровой электронике
На страницах раздела Цифровая электроника рассказывается о базовых принципах, на которых строится одна из самых развитых отраслей электроники.
Здесь Вы узнаете, что такое триггер, регистр, дешифратор, микроконтроллер…, а также познакомитесь с базовыми логическими элементами и не только. Для более наглядного изучения основ цифровой техники приводятся эксперименты с реальными цифровыми микросхемами, которые найдутся в запаснике любого начинающего радиолюбителя.
Цифровая электроника начинается с «0» и «1». Именно двоичная система исчисления и алгебра логики послужила тем фундаментом, на котором была выстроена цифровая подвижная радиосвязь, компьютеры и компьютерные сети, вычислительные системы и робототехника.
Для начала увлекательного пути в мире цифровой электроники, советуем познакомиться с базовыми логическими элементами.
Элементы цифровой электроники
С чего начинается цифровая электроника? С процессоров? С логических микросхем? С программируемой логики? Нет. Цифровая электроника начинается с двоичной системы исчисления. Это тот фундамент, на котором держится вся цифровая техника. Это статья является вводной частью в мир цифровой электроники.
Основу цифровой электроники составляют базовые логические элементы И, ИЛИ, НЕ. Как обозначаются на схеме логические элементы? Как они работают? Об этом вы узнаете из статьи «Базовые логические элементы».
Интегральные микросхемы. Начало пути.
Как и в освоении космоса, так и в радиоэлектронике между СССР и странами капиталистического мира шла постоянная гонка. Кто быстрее возьмёт новый рубеж? Как в космосе, так и в электронике мы взяли прекрасный старт, но потом резко затормозили и стали аутсайдерами. Микросхемы ТТЛ это более или менее удачный ответ Западу.
На вакуумных электронных лампах мы уверенно держали марку, на транзисторах споткнулись, а на интегральных схемах полностью потеряли темп. И когда на Западе уже занимались новыми разработками БИС и СБИС, у нас ещё широко применялись микросхемы малой степени интеграции.
Основные сведения о микросхемах серии К155, которые выполнены на базе технологии транзисторно-транзисторной логики, сокращённо называемой ТТЛ или на английский манер TTL.
Микросхемы КМОП выполнены на основе МОП-транзистора. Это придаёт микросхемам КМОП ряд отличительных свойств. Об этом и пойдёт речь в этой статье.
Одним из самых важных элементов в цифровой электронике является триггер. В этой статье вы познакомитесь с самым простым RS-триггером. Поняв устройство и принцип работы простейшего RS-триггера, в дальнейшем не составит особого труда изучить и более сложные триггеры.
Практическая статья о том, как можно собрать простейший RS-триггер на базе микросхем транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ). Одна из схем триггера выполнена на базе логических элементов 2И-НЕ микросхемы К155ЛА3, а вторая на базе микросхемы с двумя D-триггерами КМ555ТМ2.
Что такое JK-триггер? В чём особенность данного типа триггеров? Об этом вы узнаете из этой статьи.
Здесь вы узнаете о ещё одной разновидности триггера. Речь пойдёт о D-триггере. Обозначение и принцип работы D-триггера.
Что такое регистр? Возможно, вы уже слышали этот термин цифровой электроники, но мало себе представляли, какую функцию выполняет регистр в цифровых схемах. Более подробно о назначении, устройстве и применении регистров вы узнаете из предложенной статьи.
Шифраторы и дешифраторы активно применяются в цифровой электронике. Для чего они нужны и как работают? Об этом вы узнаете из предложенной статьи. Показан пример работы дешифратора и светодиодного семисегментного индикатора – «восьмёрки».
Самоделки на логических микросхемах
В статье представлена схема бегущих огней на светодиодах, которая реализована на микросхемах ТТЛ (155 серия). Подробно объясняется работа устройства и назначение микросхем.
Аналоговая и цифровая электроника
Аналоговая электроника изучает устройства, формирующие и обрабатывающие непрерывные во времени сигналы.
Цифровая электроника использует дискретные во времени сигналы, выраженные чаще всего в цифровой форме.
Многие физические величины человек способен воспринимать, как информацию. Для этого у него есть преобразователи – органы чувств, которые разнообразные внешние сигналы преобразуют в импульсы (имеющие, кстати, электрическую природу), поступающие в головной мозг. При этом все виды сигналов: и свет, и звук, и температура преобразуются в импульсы одной природы.
В электронных системах функции органов чувств выполняют датчики (сенсоры), которые преобразуют все физические величины в электрические сигналы. Для света – фотоэлементы, для звука – микрофоны, для температуры – терморезистор или термопара.
Почему именно в электрические сигналы? Ответ очевиден, электрические величины универсальны, так как любые другие величины могут быть преобразованы в электрические и наоборот; электрические сигналы удобно передавать и обрабатывать.
После поступления информации, человеческий мозг на основе обработки этой информации отдаёт управляющие воздействия мышцам и другим механизмам. Аналогично в электронных системах электрические сигналы управляют электрической, механической, тепловой и другими видами энергии, посредством электродвигателей, электромагнитов, электрических источников света.
И так, вывод. То, что раннее делал человек (или не мог делать), выполняют электронные системы: контролируют, управляют, регулируют, связывают на расстоянии и т.п.
Способы представления информации
При использовании в качестве носителя информации электрических сигналов возможны две её формы:
1) аналоговая – электрический сигнал аналогичен исходному в каждый момент времени, т.е. непрерывен во времени. Температура, давление, скорость изменяются по непрерывному закону – датчики преобразуют эти величины в электрический сигнал, который изменяется по такому же закону (аналогичен). Величины, представленные в такой форме, могут принимать бесконечно много значений в каком-то диапазоне.
По сравнению с непрерывным (аналоговым), импульсный режим работы имеет ряд преимуществ:
— большие значения выходной мощности на такой же объем электронного устройства и более высокий коэффициент полезного действия;
— повышение помехоустойчивости, точности и надежности электронных устройств;
— реализация импульсных устройств на однотипных элементах, легко выполняемых методом интегральной технологии (на микросхемах).
На рисунке 1, а представлены способы кодирования непрерывного сигнала прямоугольными импульсами – процесс модуляции.
Рисунок 1 – а) Способы кодирования непрерывного сигнала прямоугольными импульсами, б) Основные параметры прямоугольных импульсов
Наряду с прямоугольными импульсами в электронной технике широко применяются импульсы пилообразной, экспоненциальной, трапециидальной и другой формы.
Цифровые устройства чаще всего работают только с двумя значениями сигналов – нулём «0» (обычно низкий уровень напряжения или отсутствие импульса) и «1» (обычно высокий уровень напряжения или наличие прямоугольного импульса), т.е. информация представляется в двоичной системе счисления.
Это обусловлено удобством создания, обработки, хранения и передачи сигналов, представленных в двоичной системе: ключ замкнут – разомкнут, транзистор открыт – закрыт, конденсатор заряжен – разряжен, магнитный материал намагничен – размагничен и т.д.
Цифровая информация представляется двумя способами:
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Подписывайтесь на наш канал в Telegram!
Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
Что относится к цифровой технике?
Современная офисная техника позволяет сделать работу сотрудников коммерческого подразделения более лёгкой и эффективной. Кроме того, цифровая техника обеспечивает защиту коммерческой информации и материальных ценностей.
К цифровой техники можно отнести:
Сотрудникам офиса коммерческой компании приходится заниматься обработкой большого количества как бумажной, так и электронной документации. Разумеется, персональный компьютер является основным устройством, предназначенным для обработки данных, однако, он способен решить далеко не все производственные задачи. Офисная техника должна выполнять такую работу, как размножение, уничтожение и обрезка документации, ламинирование, сканирование и печать отчётов. Кроме того, информация должна передаваться по различным линиям связи.
Практически в каждом офисе можно встретить такую оргтехнику, как принтер (струйный либо лазерный). Принтер – это незаменимое устройство, позволяющее перенести цифровые данные на бумажный носитель. Полиграфические предприятия, занимающиеся печатью рекламных материалов, используют широкоформатные плоттеры.
Для записи деловых писем либо фиксации хода конференции многие современные руководители используют диктофоны цифровые, обладающие встроенной памятью. Эти устройства могут подключаться к компьютеру для обработки и передачи записанных данных. Дополнительными функциями диктофонов являются автостоп, автореверс, счётчик, активация записи по наличию голоса и т.п. Качество полученной записи зависит не только от характеристик самого аппарата, но и от способа кодирования сигнала.
Для получения дубликатов текстов и изображений используется копировальная машина. Выбирать данное устройство следует, исходя из предполагаемой частоты использования и количества копий материалов. Большой популярностью в офисах многих компаний пользуется факс – этот агрегат будет особенно полезен организациям, сотрудники которых часто рассылают коммерческие предложения.
Сохранность коммерческой документации и материальных ценностей является одной из наиболее важных задач, возлагаемых на руководителя предприятия. Обеспечить безопасность помогут GSM-системы, позволяющие выявить наличие возгорания, незаконное проникновение либо иную нештатную ситуацию.
Не следует также забывать о компьютерной безопасности – в противном случае конкуренты могут попытаться похитить ценную информацию (клиентские базы, отчётности и прочую документацию), хранящуюся в электронном виде. Своевременное обновление установленного ПО и антивирусных систем позволит избежать многих неприятностей.
СОДЕРЖАНИЕ
История
В то время как цифровые вычисления заменили аналоговые, чисто электронные элементы схемы вскоре заменили их механические и электромеханические эквиваленты. Джон Бардин и Уолтер Браттейн изобрели транзистор с точечным контактом в Bell Labs в 1947 году, а затем Уильям Шокли изобрел транзистор с биполярным переходом в Bell Labs в 1948 году.
Цифровая революция и цифровая эпоха
Характеристики
В цифровых системах с компьютерным управлением новые функции могут быть добавлены путем пересмотра программного обеспечения, и никаких изменений в аппаратном обеспечении не требуется. Часто это можно сделать за пределами завода, обновив программное обеспечение продукта. Таким образом, ошибки дизайна продукта могут быть исправлены даже после того, как продукт окажется в руках покупателя.
Хранение информации в цифровых системах может быть проще, чем в аналоговых. Помехозащищенность цифровых систем позволяет сохранять и извлекать данные без ухудшения качества. В аналоговой системе шум от старения и износа ухудшает хранимую информацию. В цифровой системе, пока общий шум ниже определенного уровня, информация может быть полностью восстановлена. Даже когда присутствует более значительный шум, использование избыточности позволяет восстановить исходные данные при условии, что не произойдет слишком много ошибок.
Строительство
Интегральные схемы состоят из нескольких транзисторов на одном кремниевом кристалле и являются наименее дорогостоящим способом создания большого количества взаимосвязанных логических вентилей. Интегральные схемы обычно соединяются между собой на печатной плате, которая представляет собой плату, которая содержит электрические компоненты и соединяет их вместе медными дорожками.
Дизайн
Представление
Представления имеют решающее значение для проектирования цифровых схем инженера. При выборе представлений инженеры рассматривают разные типы цифровых систем.
Для логического моделирования представления цифровых схем имеют форматы цифровых файлов, которые могут обрабатываться компьютерными программами.
Синхронные системы
Асинхронные системы
Большая часть цифровой логики является синхронной, потому что легче создать и проверить синхронный проект. Однако преимущество асинхронной логики состоит в том, что ее скорость не ограничивается произвольными часами; вместо этого он работает на максимальной скорости своих логических вентилей. Построение асинхронной системы с использованием более быстрых компонентов делает схему быстрее.
Компоненты асинхронной логики сложно спроектировать, потому что необходимо учитывать все возможные состояния во все возможные моменты времени. Обычный метод состоит в том, чтобы построить таблицу минимального и максимального времени, в течение которого каждое такое состояние может существовать, а затем настроить схему, чтобы минимизировать количество таких состояний. Разработчик должен заставить схему периодически ждать, пока все ее части войдут в совместимое состояние (это называется «самосинхронизация»). Без тщательного проектирования легко случайно создать нестабильную асинхронную логику, то есть реальная электроника будет давать непредсказуемые результаты из-за совокупных задержек, вызванных небольшими отклонениями в значениях электронных компонентов.
Зарегистрировать системы переводов
Компьютерный дизайн
Компьютерная архитектура
Проблемы проектирования в цифровых схемах
Цифровые схемы состоят из аналоговых компонентов. Конструкция должна гарантировать, что аналоговая природа компонентов не будет доминировать над желаемым цифровым поведением. Цифровые системы должны управлять запасами по шуму и синхронизации, паразитными индуктивностями и емкостями.
Кроме того, там, где синхронизированные цифровые системы взаимодействуют с аналоговыми системами или системами, которые управляются от других часов, цифровая система может быть подвержена метастабильности, когда изменение входа нарушает время установки защелки цифрового входа.
Поскольку цифровые схемы состоят из аналоговых компонентов, цифровые схемы вычисляют медленнее, чем аналоговые схемы с низкой точностью, которые используют такое же пространство и мощность. Однако цифровая схема будет производить вычисления с большей повторяемостью из-за ее высокой помехоустойчивости.
Инструменты автоматизированного проектирования
Большая часть усилий по проектированию больших логических машин была автоматизирована за счет применения автоматизации электронного проектирования (EDA).
Части потоков инструментов отлаживаются путем проверки выходных данных смоделированной логики по сравнению с ожидаемыми входными данными. Инструменты тестирования берут компьютерные файлы с наборами входных и выходных данных и выделяют несоответствия между моделируемым поведением и ожидаемым поведением. Если входные данные считаются правильными, сам проект все равно должен быть проверен на правильность. Некоторые потоки инструментов проверяют проекты, сначала создавая дизайн, а затем просматривая проект для получения совместимых входных данных для потока инструментов. Если отсканированные данные совпадают с входными данными, то, вероятно, поток инструмента не привел к ошибкам.
После того, как дизайн существует, и его можно проверить и протестировать, его часто необходимо обработать, чтобы его можно было изготовить. Характеристики современных интегральных схем меньше длины волны света, используемого для экспонирования фоторезиста. Программное обеспечение, разработанное с учетом технологичности, добавляет интерференционные узоры к маскам экспонирования, чтобы устранить разомкнутые цепи и улучшить контраст масок.
Дизайн для проверки
Есть несколько причин для тестирования логической схемы. При первой разработке схемы необходимо убедиться, что схема соответствует требуемым функциональным и временным характеристикам. Когда производится несколько копий правильно спроектированной схемы, важно тестировать каждую копию, чтобы убедиться, что производственный процесс не привнес каких-либо недостатков.
Большая логическая машина (скажем, с более чем сотней логических переменных) может иметь астрономическое количество возможных состояний. Очевидно, что заводское тестирование каждого состояния такой машины невозможно, поскольку даже если тестирование каждого состояния заняло всего микросекунду, возможных состояний больше, чем микросекунд с момента возникновения Вселенной!
Компромиссы
Несколько факторов определяют практичность системы цифровой логики: стоимость, надежность, разветвление и скорость. Инженеры исследовали множество электронных устройств, чтобы выяснить благоприятное сочетание этих факторов.
Расходы
Стоимость логического элемента имеет решающее значение, прежде всего потому, что для создания компьютера или другой продвинутой цифровой системы требуется очень много вентилей. Системы с большим количеством ворот более эффективны. Поскольку основная часть цифрового компьютера представляет собой просто взаимосвязанную сеть логических вентилей, общая стоимость создания компьютера сильно коррелирует со стоимостью логического вентиля. В 1930-х годах самые первые цифровые логические системы были построены из телефонных реле, поскольку они были недорогими и относительно надежными.
Самые ранние интегральные схемы были сконструированы, чтобы уменьшить вес и позволить компьютеру управления Apollo управлять инерциальной системой наведения для космического корабля. Первые логические вентили на интегральных схемах стоят почти 50 долларов США, что в 2020 году будет эквивалентно 437 долларам США. К большому удивлению многих участников, к тому времени, когда схемы начали массовое производство, они стали наименее дорогим методом построения цифровой логики. Усовершенствования в этой технологии повлекли за собой все последующие улучшения в стоимости.
Надежность
Еще одним важным мотивом сокращения количества компонентов на печатных платах является снижение уровня производственных дефектов из-за неисправных паяных соединений и повышение надежности. Количество дефектов и отказов имеет тенденцию увеличиваться вместе с общим количеством выводов компонентов.
Цифровые машины часто имеют миллионы логических вентилей. Большинство разработчиков цифровых машин оптимизируют работу, чтобы снизить их стоимость. В результате часто отказ одного логического элемента приводит к отказу цифровой машины. Можно спроектировать машины, которые будут более надежными, используя избыточную логику, которая не будет работать со сбоями в результате отказа любого отдельного вентиля, но это обязательно влечет за собой использование большего количества компонентов, что увеличивает стоимость, а также обычно увеличивает вес машины. и может увеличить потребляемую мощность.
Надежность из логического элемента может быть описана его среднее время наработки на отказ (MTBF). Впервые цифровые машины стали полезными, когда среднее время наработки на отказ для коммутатора превысило несколько сотен часов. Несмотря на это, у многих из этих машин были сложные, хорошо отрепетированные процедуры ремонта, и они не работали в течение нескольких часов из-за того, что перегорела лампа или моль застряла в реле. Современные транзисторные логические элементы на интегральных схемах имеют среднее время безотказной работы более 82 миллиардов часов ( 8,2 × 10 10 ч ). Такой уровень надежности необходим, потому что у интегральных схем очень много логических вентилей.
Fanout
Скорость
Семейства логики
Транзисторно-транзисторная логика (TTL) была большим улучшением по сравнению с ними. В ранних устройствах разветвление увеличивалось до 10, а в более поздних вариантах надежно достигало 20. TTL также был быстрым, с некоторыми вариациями, достигающими времени переключения до 20 нс. TTL все еще используется в некоторых проектах.
Связанная с эмиттером логика очень быстрая, но потребляет много энергии. Он широко использовался для высокопроизводительных компьютеров, состоящих из множества компонентов среднего размера (таких как Illiac IV ).
Недавние улучшения
Цифровая электроника. Введение
Цифры, цифры, цифры… нашу жизнь уже нельзя представить без цифр. Цены на продукты и бензин, температура воздуха на улице, номер в мобильном телефоне, время, и тд и тп. Везде уже абсолютно используются цифры. Мы к ним уже так привыкли, что даже и не замечаем их присутствия в нашем бесшабашном мире. В настоящее время мы используем арабские цифры
Но почему цифр именно десять? Связано это с тем, что у человека 10 пальцев на руках. В стародавние времена на вопрос:»Сколько врагов ты замочил?» человек просто показывал свои пальцы. Один враг — один палец и тд, но как показать одиннадцать врагов? Можно показать сразу десять пальчиков, потом убрать их и показать один пальчик 🙂 Так родилась десятичная система счисления. Конечно, чуточку не верно. По идее десятый палец мы должны обозначать также одним знаком, но человечество решило ввести знак «ноль», и поэтому число «десять» мы записываем двумя знаками — единичкой и нулем.
Давайте представим, что наш вояка одел теплые варежки из кожи мамонта. В одной руке он тащит корзиночку с ягодками и съедобными корешками, а другая рука у него свободна. Издалека он может похвастаться своему корешу лишь об одном убитом враге. Рука вверх » Да! Я его сделал!» и рука вниз » Нет, я его не замочил, он убежал от меня». Давайте жест «рука вниз» заменим числом «ноль», а жест «рука вверх» — «единичкой». 0 — враг убежал, 1 — враг замочен. Удобно, не правда ли? Это называется двоичной системой счисления, так как мы используем только два знака: 1 и 0. Мы даже не задумываемся об этой системе, но она работает во благо человечества : да или нет, лайк или дислайк, черное или белое, мужчина или женщина, истина или ложь. Все эти значения можно описать как раз двумя знаками: ЕДИНИЦЕЙ И НУЛЕМ. В электронике часто можно услышать такие понятия, как единица — это истина, ноль — это ложь.
Если вы заметили, на различных выключателях также присутствует двоичная система, 1 — это включено, 0 — выключено. Посмотрите на фото, видите единичку и ноль? Сейчас у меня этот тумблер поставлен на 1. Это значит, что аппаратура, в данном случае системный блок, включен.
Для того, чтобы сэкономить место и для удобства, сейчас все это делается с помощью одной кнопки. На такой кнопке единичка и нолик объединены. Это означает, что при одном нажатии кнопки у нас аппаратура включается, а при последующем нажатии — выключается, потом снова при последующем нажатии включается и так далее. Думаю теперь Вам понятно, что за интересный иероглиф на кнопке выключения и включения? 😉
Итак, мы поняли, что с помощью единички и нолика можно задать только два условия: да или нет.
Давайте предположим, что вас позвал на вечеринку друг. Он вас спрашивает: «Сегодня идем бухать в бар или ко мне домой, и что будем пить, водку или пиво? Сколько вариантов проведения вечера? Хм, давайте посчитаем.
1) Сидим в баре, пьем пиво
2) Сидим в баре, пьем водку
3) Сидим дома, пьем пиво
4) Сидим дома, пьем водку
Давайте сразу договоримся, бар — это 1, дом — 0, пиво — 1, водка — 0.
1) Сидим в баре, пьем пиво ( 11 )
2) Сидим в баре, пьем водку ( 10 )
3) Сидим дома, пьем пиво ( 01 )
4) Сидим дома, пьем водку ( 00 )
Итого, 4 варианта. Но вдруг нежданчик :-). Вован хочет идти с Вами. Берем Вована — это 1, шлём Вована на три буквы — это 0. Ну что, сколько вариантов насчитали? Я могу сходу ответить: будет 8 вариантов. Считаем:
1) Сидим в баре, пьем пиво без Вована ( 110 )
2) Сидим в баре, пьем водку без Вована ( 100 )
3) Сидим дома, пьем пиво без Вована ( 010 )
4) Сидим дома, пьем водку без Вована ( 000 )
5) Сидим в баре, пьем пиво с Вованом ( 111 )
6) Сидим в баре, пьем водку с Вованом ( 101 )
7) Сидим дома, пьем пиво с Вованом ( 011 )
8) Сидим дома, пьем водку с Вованом ( 001 )
Ладно все гуд. Вы заходите в инет, и видите, что вечером в одно и то же время играют ваши любимые хоккейная и футбольная команды. Вы же будете смотреть игру или хоккея или футбола от начала до конца, так ведь? Итак, хоккей отметим как 1, футбол — 0. Слабо посчитать все возможные варианты? На это раз будет 16 вариантов. Читать их необязательно, я просто приведу их для наглядности:
1) Сидим в баре, пьем пиво без Вована, смотрим хоккей ( 1101 )
2) Сидим в баре, пьем водку без Вована, смотрим хоккей ( 1001 )
3) Сидим дома, пьем пиво без Вована, смотрим хоккей ( 0101 )
4) Сидим дома, пьем водку без Вована, смотрим хоккей ( 0001 )
5) Сидим в баре, пьем пиво с Вованом, смотрим хоккей ( 1111 )
6) Сидим в баре, пьем водку с Вованом, смотрим хоккей ( 1011 )
7) Сидим дома, пьем пиво с Вованом, смотрим хоккей ( 0111 )
8) Сидим дома, пьем водку с Вованом, смотрим хоккей ( 0011 )
9) Сидим в баре, пьем пиво без Вована, смотрим футбол ( 1100 )
10) Сидим в баре, пьем водку без Вована, смотрим футбол ( 1000 )
11) Сидим дома, пьем пиво без Вована, смотрим футбол ( 0100 )
12) Сидим дома, пьем водку без Вована, смотрим футбол ( 0000 )
13) Сидим в баре, пьем пиво с Вованом, смотрим футбол ( 1110 )
14) Сидим в баре, пьем водку с Вованом, смотрим футбол ( 1010 )
15) Сидим дома, пьем пиво с Вованом, смотрим футболл ( 0110 )
16) Сидим дома, пьем водку с Вованом, смотрим футбол ( 0010 )
Таким образом можно описать любую ситуацию с помощью единиц и нулей. В электронике же все намного проще. Есть сигнал — это единичка, сигнала нет — это нолик. Один символ в двоичной системе называется битом. Например, в примере сидим в баре пьем пиво без Вована ( 110 ) младший бит равен 0, а самый старший (который левее всех) равен единичке. Каждая цифра в двоичном числе называется бит (или разряд). Четыре бита – это полубайт (или тетрада), 8 бит – байт, 16 бит – слово, 32 бита – двойное слово.
Еще если интересна формула напряжения, читай нашу статью.