Цифровая и аналоговая техника

  • Меню сайта
  • Организация эксплуатации
  • Электрические схемы
  • Турбогенераторы
  • Трансформаторы и автотрансформаторы
  • Распределительные устройства
  • Электродвигатели
  • Автоматика
  • Тепловая изоляция
  • Регулирование энергоблоков
  • Тяговые подстанции
  • Выпрямители и зарядные устройства
  • Проектирование электрических сетей и систем
  • Электрооборудование электротермических установок
  • Электрооборудование земснарядов
  • Цифровая электроника

Меню раздела

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

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

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.

Читайте также:  Стоимость проведения воды в дом

Бинарные и логические состояния

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 (— ).
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?

Читайте также:  Маникюрные салоны дизайн интерьера

Аналоговый сигнал непрерывен, информацию он несет за счет своего уровня.
Цифровой сигнал — дискретный сигнал.
Это чередующиеся импульсы, нули и единицы, ноль — это низкий уровень напряжения, а единица — высокий.
При переводе аналогового сигнала в цифровой происходят дискретные измерения уровня сигнала с определенной частотой (частота дискретизации) , и значение уровня сигнала в конкретный момент времени преобразуется в данные, в которые по двоичной системе записан уровень этого сигнала.

Далее процессор обрабатывает уже чисто математически этот цифровой сигнал (пучки нулей и единиц) по определенной программе.

Аналоговая электроника изучает устройства, формирующие и обрабатывающие непрерывные во времени сигналы.

Цифровая электроника использует дискретные во времени сигналы, выраженные чаще всего в цифровой форме.

Что же такое сигнал? Сигнал – это что-либо, несущее информацию. Свет, звук, температура, скорость — всё это физические величины, изменение которых имеет для нас определённое значение: либо как процесс жизнедеятельности, либо как технологический процесс.

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:

Читайте также:  Какой договор заключается при сдаче квартиры

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.

2) дискретная — импульсная и цифровая – сигнал представляет собой последовательность импульсов, в которых закодирована информация. При этом кодируются не все значения, а только в конкретные моменты времени – дискретизация сигнала.

Импульсный режим работы — кратковременное воздействие сигнала чередуется с паузой.

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;

— уменьшение влияния температур и разброса параметров приборов, так как работа осуществляется в двух режимах: «включено» — «выключено»;

— 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.

Амплитудно-импульсная модуляция (АИМ) — амплитуда импульсов пропорциональна входному сигналу.

Широтно-импульсная модуляция (ШИМ) — ширина импульсов tимп пропорциональна входному сигналу, амплитуда и частота импульсов постоянны.

Частотно-импульсная модуляция (ЧИМ) — входной сигнал определяет частоту следования импульсов, которые имеют постоянную длительность и амплитуду.

Рисунок 1 – а) Способы кодирования непрерывного сигнала прямоугольными импульсами, б) Основные параметры прямоугольных импульсов

Наиболее распространены импульсы прямоугольной формы. На рисунке 1, б приведена периодическая последовательность прямоугольных импульсов и их основные параметры. Импульсы характеризуются следующими параметрами: Um — амплитуда импульса; tимп — длительность импульса; tпаузы — длительность паузы между импульсами; Tп=tи + tп — период повторения импульсов; f=1/Tп — частота повторения импульсов; QH = Tп/tи — скважность импульсов.

Наряду с прямоугольными импульсами в электронной технике широко применяются импульсы пилообразной, экспоненциальной, трапециидальной и другой формы.

Цифровой режим работы — информация передается в виде числа, которому соответствует определенный набор импульсов (цифровой код), при этом существенно только наличие или отсутствие импульса.

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:

1) потенциальным — значениям «0» и «1» соответствуют низкий и высокий уровни напряжения.

2) импульсным — двоичным переменным соответствует наличие или отсутствие электрических импульсов в определённые моменты времени.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!:

Adblock detector