367

Основы цифровой схемотехники #0

Предисловие. Сижу я, значит, листаю пикабу, и понимаю, что завтра экзамен, а я мало того, что не готовился, так еще и всю ночь не спал. А уходить отсюда как-то и не хочется. Ну и вот решил я совместить приятное с полезным- написать пост по теме экзамена. На новизну и актуальность не претендую, пост этот скорее для меня, но вдруг кому-то будет интересно. Например, следующим поколениям в ночь перед экзаменом :)

Итак, сегодня речь пойдет о цифровой схемотехнике. Что вообще значит "цифровая"? Разберемся с базовыми понятиями.

Сигнал-это любая физическая величина, изменяющаяся во времени. Именно благодаря изменениям во времени сигнал несет в себе какую-либо информацию.


Электрический сигнал, соответственно,- электрическая величина(напряжение, ток, мощность), изменяющаяся во времени. Вся электроника работает именно с этими сигналами (хотя уже кое-где применяются световые сигналы, но это выходит за рамки поста)

Электрические сигналы, в свою очередь, делятся на аналоговые и цифровые.


Аналоговый сигнал может принимать любое значение в определенных пределах, и это значение обычно меняется достаточно плавно. Устройства, работающие только с аналоговыми сигналами, называются аналоговыми.


Цифровой сигнал может принимать только несколько значений (обычно два- логический 0 и логическая 1). Причем для каждого из этих значений допустимо некоторое отклонение (ну неидеальный у нас мир). 

Так в чем же преимущество цифровых сигналов? Давайте посмотрим на картинку.

Основы цифровой схемотехники #0 Схемотехника, Электроника, Логика, Микросхема, Сигнал, Длиннопост

А теперь пару слов о помехах. Они могут быть вызваны как внутри элементов (шумы являются внутренними хаотическими сигналами элементов, и полностью от них избавиться невозможно), так и извне (всякие наводки от трансформаторов, передатчиков..). Смотрим следующую картинку.

Основы цифровой схемотехники #0 Схемотехника, Электроника, Логика, Микросхема, Сигнал, Длиннопост

Теперь мы явно видим преимущества цифровых сигналов, да? Не видим? Ладно, поясню. Аналоговый сигнал очень сложно очистить от шумов- а значит, качество передаваемой информации падает (Помните, как слушали радио? А эти шипящие звуки? Вот они- и есть пример искажения сигнала).


В случае же с "цифрой" все проще- небольшие шумы вообще не играют роли, так как существуют допустимые отклонения сигналов от эталона. Но расплачиваться за это приходится количеством переданной информации в единицу времени. Ведь чтобы зарегистрировать изменение, скажем, "0" на "1", должно пройти какое-то время, тогда как непрерывный сигнал может изменяться в бесконечно малом промежутке. Опять же, у непрерывного сигнала бесконечность разных значений, а у цифрового- всего-то два. Не очень честно получается :) Но ничего, мы этот минус скоро превратим в огромный плюс.

Теперь поговорим немного о цифровых микросхемах. Они определенным образом преобразуют последовательность входных логических сигналов в последовательность выходных. Давайте определимся точнее с логическими сигналами. Они имеют два разрешенных уровня напряжения- логическая единица(чаще всего соответствует высокому напряжению) и логический ноль(низкий уровень напряжения). В этом случае говорят о "положительной логике". В случае же, когда логической единице соответствует низкое напряжение, а нулю-высокое, говорят об "отрицательной логике" (но этот случай встречается редко, и мы о нем много говорить не будем).

Все цифровые микросхемы имеют:


-выводы питания-общий(земля) и напряжения питания(обычно +3.3В или +5В)

-выводы для входных сигналов("входы")

-выводы для выходных сигналов("выходы")

Основы цифровой схемотехники #0 Схемотехника, Электроника, Логика, Микросхема, Сигнал, Длиннопост

Для простоты на схемах выводы питания иногда можно не указывать.

Существуют три уровня представления работы цифровых устройств:


1. Логическая модель

2. Модель с временными задержками

3. Электрическая модель(с учетом электрических эффектов)

Рассмотрим на примере инвертора.


Инвертор- простейший логический элемент, изменяющий логический уровень входного сигнала на противоположный.

Основы цифровой схемотехники #0 Схемотехника, Электроника, Логика, Микросхема, Сигнал, Длиннопост

На картинке мы видим сверху обозначение элемента на схеме, а также наблюдаем, что он делает с входным сигналом на разных уровнях представления. Немного поясню картинку.


1- чисто логически меняем все 1 на 0, а 0 на 1.


2- все из пункта 1, но с задержкой(т.к. на обработку сигнала микросхеме требуется время)


3- все из пункта 2, но с учетом того, что невозможно мгновенно поменять напряжение- в реальности у сигнала неизбежно появятся фронты (процесс перехода от одного напряжения к другому имеет длительность наносекунд, но иногда и этим временем пренебрегать не получается).

Основы цифровой схемотехники #0 Схемотехника, Электроника, Логика, Микросхема, Сигнал, Длиннопост

Сразу поясню, что tзад- это температура задницы время задержки :)

Думаю, настолько высокую математику объяснять не нужно. Пойдем дальше.

Порог срабатывания- напряжение на входе, выше которого сигнал расценивается как 1, а ниже- как 0. (Для ТТЛ микросхем эта цифра составляет порядка 1.3 В)


Помехозащищенность характеризует велинину напряжения помехи, которая не в состоянии изменить состояние выходных сигналов. (Разница напряжений любого логического уровня и порога срабатывания)


Нагрузочная способность- параметр, показывающий максимальную величину выходного тока, при котором микросхема все еще не сгорела работает без ошибок.

Все эти параметры зависят от технологии и внутренней схемотехники микросхем. Рассмотрим две самые популярные технологии.


ТТЛ - биполярная транзисторно-транзисторная логика (ТТЛШ- ТТЛ с диодами Шоттки);


КМОП - комплементарные МОП (металл-оксид-полупроводник) транзисторы.

Основы цифровой схемотехники #0 Схемотехника, Электроника, Логика, Микросхема, Сигнал, Длиннопост

О различиях биполярных и полевых транзисторов я тут писать не буду, это отдельная тема :)

Но стоит отметить, что КМОП микросхемы потребляют гораздо меньшие токи в статическом режиме или на невысоких частотах, чем ТТЛ.

Теперь о типах выводов. Сначала картинка:

Основы цифровой схемотехники #0 Схемотехника, Электроника, Логика, Микросхема, Сигнал, Длиннопост

2C (2S, TTL)- стандартный выход "2 состояния". Может быть подключен только с Ucc(питание) или GND(земля)


ОК (OC) - вывод с открытым коллектором (фактически, он или подключен к земле, или как бы отключен от схемы вообще, и чтоб использовать это состояние, как 1, нужно подтянуть вывод к питанию резистором R в несколько сотен Ом)


- это как 2С, но на этаж повыше с дополнительным высокоимпедансным Z-состоянием(когда вывод вообще полностью отключается от схемы). Для перевода в это состояние есть отдельный упраляющий вход Enable Z-state.

Зачем нам такой зоопарк типов выводов? А вот зачем.

Основы цифровой схемотехники #0 Схемотехника, Электроника, Логика, Микросхема, Сигнал, Длиннопост

Выводы 2С нескольких микросхем опасно объединять из-за возможного короткого замыкания. Зато при ОК "козы" быть в принципе не может. А вообще объединение выводов- штука удобная, и сейчас мы остановимся тут поподробнее. Сравните:

Основы цифровой схемотехники #0 Схемотехника, Электроника, Логика, Микросхема, Сигнал, Длиннопост
Основы цифровой схемотехники #0 Схемотехника, Электроника, Логика, Микросхема, Сигнал, Длиннопост

В первом случае у нас все линии связи независимы, но их дохрена довольно много, во втором же случае мы используем одни и те же линии (шину) для передачи сигналов с разных устройств (такой способ называется шинной организацией связи, и достигается временным мультиплексированием, т.е передачей сигналов с разных устройств в разные отрезки времени). Ну это как, например, когда звоните вы Лёхе чтоб позвать побухать, а трубку берет его девушка Катя. А вы ей сказали, что вам срочно нужно побухать поговорить с другом, и просите передать трубку. Она передает, и вы доносите свою мысль до Лёхи. И вот вроде телефонная линия одна, а поговорить вы можете все друг с другом по очереди. Ну так вот тут примерно та ж самая идея.

А на этом эту часть я, пожалуй, закончу :) А то Лёха звонит, видать, что-то важное хочет сообщить :)

Дубликаты не найдены

+19

Вторая статья должна быть про дискретизацию и квантование, а третья про прореживание по времени и по частоте.

раскрыть ветку 8
+1

Ух, как хорошо что я Радиотехнические цепи сигналы и Статистическую радиотехнику закрыл. Удачи на предмете Цифровая обработка сигналов, та еще задница:)

раскрыть ветку 1
0

Я ее уже сдал. Лет 10 назад в РГРТУ.

+1

А потом еще цифровые фильтры добавить.

раскрыть ветку 5
+7

А по окончанию серии постов выдавать диплом

+3

Цифровые фильтры же вроде в курсе цифровой обработки сигналов рассматриваются, а тут лигичкские элементы, карты корно, триггеры...

+3

А что после фильтров, я уже не помню. Надо найти лекции и почитать.

раскрыть ветку 1
0

Цифровые фильтры это уже ртцс или

+16
Где-то на четвертом слайде автор "нарисовал сову".
+8
Блядь я как будто в универ вернуться 😬
раскрыть ветку 1
0
Детство, детство ты куда ушло?

Изучал это лет 35 назад. Тогда это было только начало.

+5

Лучше «Цифровой схемотехники и архитектуры компьютера» никто не объяснит.

раскрыть ветку 1
+4

Вот и литература для интересующихся подъехала)

Значит, пост свою цель выполняет и информирует тех, кому данная тематика может быть интересна.

+3
Это очень интересно, но после "Для простоты на схемах выводы питания....." я перестал понимать.
+2

Азы, потом сразу процессоры. А типы логических элементов (дискретные) где?

раскрыть ветку 1
0

Это если параллельно и булевая алгебра читается, иначе в логику не особо углубляются.

+1

Ложись, четыре!

+1
3- все из пункта 2, но с учетом того, что невозможно мгновенно поменять напряжение- в реальности у сигнала неизбежно появятся фронты (процесс перехода от одного напряжения к другому имеет длительность наносекунд, но иногда и этим временем пренебрегать не получается).


3 - все из пункта 2, но с учетом нагрузочной емкости.

Стоит отметить, что диоды в входных и выходных каскадах КМОП схемы применяются для защиты от перенапряжения.

раскрыть ветку 3
0

Кроме выхода с открытым коллектором (стоком) есть еще и с открытым истоком, вместо pull-up резистора используется pull-down (подтягивающий к земле). =)

раскрыть ветку 2
+2

Я даже боюсь представить содержание постов для начинающих безо всяких упрощений и оговорок. У нас так преподавали некоторые предметы в вузе- очень подробно, с первой же лекции сразу в глубину и с кучей деталей. Если вкратце, то никто нихрена не понял, а экзамен списали.


Поэтому я не думаю, что стоит охватывать сразу все, и как по мне, лучше упрощенные примеры на пальцах и интересные картинки, чем тонны безусловно правильных и умных слов без малейшего понимания. Так, по крайней мере, можно ввести в курс дела, а те, кто реально заинтересуются, будут учить предмет все же по книгам, а не по постам с Пикабу :D

раскрыть ветку 1
0

Какая-то у Вас, автор, слишком низкоуровневая схемота. У самого послезавтра экзамен, но у нас больше упор сделан на элементы, их устройства, а также устройство разных БИС. Но пост отличный, всегда за в продвижении науки!

0

Хороший пост, полезен для несекущих в теме) но есть пару резких переходов в иерархии научного знания))

Пысы. Я бы добавил, что цифровые схемы в простое не просто "меньше потребляют", а почти не "кушают", ибо энергия тратится в моменты переключения транзисторов в схеме.

0
Комментарий удален. Причина: данный аккаунт был удалён
0

так продолжай, про цифру нам не читали особых лекций кроме логических элементов

раскрыть ветку 1
0

Так там все остальное - это цепи и сигналы, которые читаются на прошлых курсах.

0

ТС молодец! Удачи на экзамене!

0

Не, если бы мне так преподавали материал, я бы сейчас очень мало понимал

раскрыть ветку 5
+2

Ну так я и не преподаватель :) Это моя первая попытка как-то упростить и систематизировать то, что нам давали на парах. Для тех, кто вместо учебы листает пикабушечку.


А если есть пожелания и предложения- ну так я только за, говорите, что непонятно или просто не понравилось. Лучше всего, конечно, привести наглядный пример.

раскрыть ветку 4
+3

Не очень ясна цель, для чего вы это писали. Если тезисно для себя, то ещё ладно, не мне разбираться в том что вам важно. Если для простых читателей, которые не в теме (а мне показалось, что для этого), то очень резкие переходы, логику между которыми может найти только тот, кто читал подобные учебники или слушал лекции. Это как рассказывать сначала про днк и рнк, а потом сразу перепрыгнуть на уровень организма.

Имхо, конечно

Ни пуха на экзамене с интересным предметом :)

раскрыть ветку 2
0

Да, вы очень упрощаете то что для вас очевидно, а для других получается сова из двух овалов.

0

раз человек готовится к экзамену, значит следующий пост ждать не раньше следующей сессии)

условно в посте объём информации на 1-2 билета из 30?)

раскрыть ветку 1
+1

Один и самый первый - основы цифровой схемотехники.

0

Хорош. Подпишусь со следующего поста. Давно хочу почитать про устройства. Тут тебе ещё и разжовывают. Спасибо.

раскрыть ветку 1
0

Скачай учебник

0
Подпишусь - респект за такие вещи!
0
Как же ты вовремя товарисч! Благодарю, пиши исчо
0
А уходить отсюда как-то и не хочется. Ну и вот решил я совместить приятное с полезным- написать пост по теме экзамена.

А если бы захотел посрать, а с пикабу уходить не хочется.... страшно подумать, что бы выложил автор. Ждем гинекологов, стоматологов, лучше, конечно , стриптизерш с темой "пикабу во время учебы-работы."

раскрыть ветку 2
+2

стриптизерж да же нужно. И в фулл ХД формате

раскрыть ветку 1
0

Это вам уже на другие сайты нужно)

-1

Аналоговый сигнал от слова аналогичный. Т.е. он полностью повторяет пораждающий физ. процесс. Он не принимает значения в моменты времени, он течет как вода. Можно ли сказать, что вода течет резко или плавно? Или что огонь горит резко или плавно? Во времени определен дискретный сигнал. Вариант дискретного сигнала - цифровой. В нем для отсчетных значений используются цифры. Так исторически сложилось, что ОБЫЧНО используется двоичная система. Так проще. Но цифровой сигнал принимает не только значения 0 и 1. Ничего не мешает мне сделать устройство, формирующее десять разных импульсов, в итоге цифровой сигнал будет принимать значения от нуля до девяти. Другой вопрос, что зачем мне это надо...

раскрыть ветку 2
0

От слова "аналогичный"? Товарищ, вы перегрелись? "Исторически сложилось? А может потому что 2х уровней достаточно для передачи и кодирования? А больше используется для более компактного и сложного кодирования сигналов?)

0

Вопрос не зачем надо, такие схемы людям нужны, почему бы одним элементом, который может находиться в 16-ти дискретных значений не заменить четыре элемента, вопрос в том, что такие системы очень сложны и громоздки. Цифровой сигнал - частный случай аналогового и аналоговый сигнал принимает в каждый момент времени определенное значение, только изменяется непрерывно.

Похожие посты
Похожие посты закончились. Возможно, вас заинтересуют другие посты по тегам: