Добавил:
КарГТУ, ФИТ, ИВС, ИС-16-1п Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Лабы / Лекций / ЛЕКЦИЯ 23

.pdf
Скачиваний:
42
Добавлен:
20.02.2018
Размер:
233.71 Кб
Скачать

ЛЕКЦИЯ 23

Логические сигналы и электрические уровни, кодирование цифровой

информации

Цель лекции:

изучение базовых терминов цифровой электроники, цифровых сигналов, уровней представления цифровых устройств, кодирования цифровой информации.

План лекции:

1.Аналоговые и цифровые сигналы.

2.Основные параметры логических элементов.

3.Способы кодирования информации.

Сигнал - это любая физическая величина (например, температура,

давление воздуха, интенсивность света, сила тока и т.д.), изменяющаяся со временем. Именно благодаря этому изменению сигнал может нести в себе какую-то информацию.

Сигналы, действующие в устройствах, и, соответственно сами устройства можно разделить на две большие группы: аналоговые и цифровые.

Аналоговый сигнал это сигнал, который может принимать любые значения в определенных пределах (например, напряжение может плавно изменяться в пределах от нуля до десяти вольт). Устройства, работающие только с аналоговыми сигналами, называются аналоговыми устройствами.

Название "аналоговый" подразумевает, что сигнал изменяется аналогично физической величине, то есть непрерывно.

Квантованный сигнал аналоговый сигнал, который может принимать только определенные (квантованные) значения, соответствующие

уровням квантования. Расстояние между двумя соседними уровнями - шаг

квантования.

Дискретизированный сигнал сигнал импульсный, значения которого

заданы только в определенные моменты времени, называемые моментами

дискретизации. Расстояние между соседними моментами дискретизации –

шаг дискретизации dT.

Цифровой сигнал это сигнал, который может принимать только два (иногда - три) значения, причем разрешены некоторые отклонения от этих значений (рис. 1). Например, напряжение может принимать два значения: от 0 до 0,5 В (уровень нуля) или от 2,5 до 5 В (уровень единицы). Устройства, работающие исключительно с цифровыми сигналами, называются

цифровыми устройствами.

Рис. 1. Электрические сигналы: аналоговый (слева) и цифровой (справа)

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.

Цифровые микросхемы работают с логическими сигналами,

имеющими два разрешенных уровня напряжения. Один из этих уровней называется уровнем логической единицы, а другой – уровнем логического нуля. В зависимости от вида управляющих сигналов цифровые логические микросхемы можно разделить на три группы: потенциальные, импульсные и импульсно-потенциальные.

Большинство логических элементов (ЛЭ) относится к потенциальным,

в них используются только потенциальные сигналы и не используются импульсные. Чаще всего логическому нулю соответствует низкий уровень напряжения, а логической единице – высокий уровень (положительная логика). При отрицательной логике логическому нулю соответствует высокий уровень напряжения, а логической единице – низкий уровень.

Вимпульсных цифровых устройствах используются только импульсные сигналы и не используются потенциальные, а управление осуществляется по перепаду потенциала во время импульса. При этом могут использоваться как положительные перепады, от меньшего к большему, так и отрицательные, от большего к меньшему.

Вимпульсно-потенциальных цифровых устройствах могут использоваться как потенциальные, так и импульсные сигналы. Импульсные

входы, управляемые перепадом напряжения, обозначают косой чертой,

указывающей направление перепада напряжения (/ или \).

Основные параметры и характеристики логических элементов

Косновным параметрам логических элементов относятся:

набор логических функций;

число входов по ИЛИ и по И;

коэффициент разветвления по выходу;

потребляемая мощность;

динамические параметры: задержка распространения сигнала и (или)

максимальная частота входного сигнала.

Основные параметры цифровых микросхем разделяют на статические и динамические.

К статическим параметрам относятся: U0вх, U1вх, I0вх, I1вх - входные напряжения и токи микросхем в состоянии логического 0 и 1; U0вых, U1вых, I0вых, I1вых - выходные напряжения и токи микросхемы в состоянии логического 0 и 1.

Iп - ток, потребляемый микросхемой от источника питания;

Рп – мощность, потребляемая микросхемой от источника питания.

Динамические параметры: t10зд, t01зд - время задержки распространения сигнала от ее входа к выходу в момент перемены логического состояния

(рис. 2).

На диаграмме обозначены: Uпор - порог переключения 0 и 1 – логические

0 и 1. Выделяют передний и задний фронт сигнала. Изменение напряжения от низкого уровня к высокому называют логическим перепадом выходных уровней.

Рис. 2. Диаграмма напряжений логических сигналов.

Быстродействие микросхем определяется временем задержки t10зд и t01зд.

Время задержки зависит от барьерных емкостей микросхемы и времени рассасывания заряда и равно полусумме t10зд и t01зд.

Мощность и ток, потребляемые микросхемой от источника питания,

зависят от ее логического состояния и определяется выражением Р = 0,5Е (I0п + I1п),

где I0п и I1п – ток, потребляемый в состоянии логического нуля и логической единицы; Е – напряжение источника питания.

Помехоустойчивость – это максимально допустимая величина потенциальной помехи, не вызывающая сбоя в цифровой схеме. Для повышения помехоустойчивости необходимо увеличивать логический перепад U1вх - U0вх (Рис3).

Максимальная величина логического перепада ограничивается

напряжением питания.

Температурный предел при котором параметры микросхем имеют заданные значения, является рабочим диапазоном.

Структура типового логического элемента (ЛЭ) показана на рис 3. Узел входной логики выполняет логические операции над входными сигналами.

Каждый входной логический сигнал I (Input) описывается набором параметров;

логические уровни входного/выходного напряжения Е0 и Е1,

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.

Рис. 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 3 условно изображен как механический ключ, управляется результирующим сигналом входной логики

иобычно выполняет две функции:

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

I0out
I1out

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 Iout ЛЭ к

входному Iin: n Iout Iin

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

Входной ток микросхемы при приходе на вход логического нуля (Iin0 ),

как правило, отличается от входного тока при приходе на вход логической

единицы (I1in ). Например, Iin0 = —0.4 мА, а I1in = 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 (I0out ) может отличаться (и обычно отличается) от

выходного тока при выдаче логической единицы (I1out ). 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 (U0out ) и единицы (U1out ) 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, U1out > 2,5 В (при I1out < - 0,4 мА), a U0out < 0,5 В (при I0out <8mA).

Задаются в справочниках также и допустимые уровни входных напряжений, которые микросхема еще воспринимает как правильные

логические уровни нуля и единицы. Например, U1out > 2,0 В, U0out < 0,8 В. Как правило, входные напряжения логических сигналов не должны выходить за пределы напряжения питания.

Цифровые устройства предназначены для получения, хранения и преобразования информации, представляемой цифровыми кодами. Основные элементы, из которых составляются различные схемные решения, можно разделить на логические, запоминающие и вспомогательные.

Логические элементы – это схемы, реализующие логические функции в виде определенных уровней напряжения на своем выходе. С их помощью осуществляется обработка поступающей информации в двоичной форме и выполнение предусмотренных логических операций.

Запоминающими называют элементы, которые сохраняют поступившую информацию без изменения её содержания.

Вспомогательными называют все прочие элементы, обеспечивающие надёжную связь между логическими и запоминающими схемными узлами.

При построении цифровых устройств используется специальный математический аппарат. Его составными частями служат представление о системах счисления и теория булевых функций.

Кодирование цифровой информации

Обозначение различной цифровой информации соответствующими символами называется кодированием, а состав символов для данной информации – алфавитом этого кода. Из множества возможных интерпретаций на практике используются только те, которые нужны для получения специальных средств кода в каждом конкретном случае. Код выбирают таким образом, чтобы дальнейшее преобразование информации выполнялось возможно проще, а именно – чтобы легче было реализовать арифметические операции, подсчет сигналов, расшифровку кода

(декодирование), обнаружение и исправление ошибок, приведение к виду,

удобному для использования внешними устройствами и т.д.

Известно большое количество кодов, систематизация и классификация которых из-за их многочисленных признаков является довольно затруднительной. Мы рассмотрим лишь некоторые разновидности кодов.

Классификация кодов.

Все коды можно разделить на две самостоятельные группы. К первой относятся коды, в которых используются все возможные комбинации – неизбыточные коды. В литературе их называют еще простыми и первичными. Ко второй относятся коды, в которых используется лишь часть всех возможных комбинаций. Такие коды называются избыточными.

Оставшаяся часть комбинаций не несет информации о числах, а служит для обнаружения ошибок, возникающих при передаче или обработке сообщений.

Те и другие коды, в свою очередь, подразделяются на равномерные и неравномерные. Равномерные коды – это коды, все комбинации которых содержат постоянное количество разрядов. Неравномерные коды содержат кодовые комбинации с различным числом разрядов. Типичным представителем неравномерных кодов является используемая в телеграфии азбука Морзе, в которой каждому символу соответствует разное общее количество тире и точек. Ввиду ограниченного применения неравномерных кодов в дальнейшем их рассматривать не будем.

Все коды, служащие для представления чисел, можно разбить на две группы – взвешенные и не взвешенные коды. Взвешенные коды – такие коды, в которых каждому разряду присваивается определенный вес.

Например, натуральный двоичный код является взвешенным кодом,

поскольку каждому разряду соответствует вес, равный степени числа 2.

Невзвешенные коды – это коды, разрядам которых нельзя присвоить веса, а

соответствие кода и числа устанавливается каким-либо иным способом.

Двоично-десятичные коды. Для выражения каждой десятичной цифры

(0, 1, 2, …, 9) нужны четыре двоичные цифры, то есть четыре бита, которые позволяют получить 24 = 16 комбинаций. Так как из 16 комбинаций 6

являются избыточными, то общее число всех возможных кодов из 4 бит равно 16!/6! ≈ 2,9 ∙ 1010. Однако на практике используются только такие коды, которые обеспечивают самую рациональную и простую обработку цифровой информации. Чаще всего используются взвешенные двоично-

десятичные коды, позволяющие достаточно просто переводить десятичные цифры (Х)10 в двоичные (Х)2 по формуле

(Х)10 = a3 x3 + a2 x2 + a1 x1 + a0 x0,

(1.1)

где символы a3 … a0

являются постоянными весовыми коэффициентами

соответствующего кода,

а символы x3 … x0 – двоичные цифры 1

или 0.

Существуют различные взвешенные двоично-десятичные коды a3

… a0 ,

например: 8421, 7421, 7321, 6421, 6321, 6311, 6221, 5421, 5311, 5221, 5211, 4421, 4321, 4311, 4221 и 3331. В коде 8421 a3 = 8, a2 = 4, a1 = 2, a0 = 1. Кодовые комбинации, соответствующие тем или иным символам, в различных кодах легко определяются из выражения (1.1). Например,

(7)10 = 8 ∙ 0 + 4 ∙ 1 + 2 ∙ 1 + 1 ∙ 1 = (0111)8421;

(7)10 = 5 ∙ 1 + 2 ∙ 1 + 1 ∙ 0 + 1 ∙ 0 = (1100)5211;

(7)10 = 5 ∙ 1 + 2 ∙ 0 + 1 ∙ 1 + 1 ∙ 1 = (1011)5211.

Как видно, представление числа в коде 5211 не является однозначным, т.е.

одному и тому же числу соответствуют две кодовых комбинаций.

Неоднозначность имеют все взвешенные двоично-десятичные коды, за исключением кода 8421. При использовании неоднозначных кодов

Соседние файлы в папке Лекций