Презентация на тему: Лекция 1. Аналоговые и цифровые сигналы

Учебный курс Введение в цифровую электронику Лекция 1 Аналоговые и цифровые сигналы кандидат технических наук, доцент Новиков Юрий Витальевич

Содержание курса Общие представления о принципах цифровой электроники; Основные понятия, термины, определения; Особенности цифровых сигналов; Логика работы базовых элементов цифровой электроники; Способы взаимодействия элементов, узлов, устройств; Принципы организации микропроцессорных систем; Методы организации информационного обмена по шинам; Взаимодействие программных и аппаратных средств.

Задачи курса Освоение базовой терминологии цифровой электроники; Осознание преимуществ цифровой электроники; Понимание процессов, происходящих в цифровых устройствах; Понимание, от чего зависят основные характеристики цифрового устройства, и как их улучшить; Уяснение ограничений и недостатков цифровой электроники; Ознакомление с основными направлениями развития цифровой электроники.

Базовые определения Сигнал — любая физическая величина (температура, давление воздуха, интенсивность света, сила тока и т.д.), изменяющаяся со временем. Электрический сигнал — электрическая величина (например, напряжение, ток, мощность), изменяющаяся со временем. Аналоговый сигнал — может принимать любые значения в определенных пределах. Устройства, работающие с аналоговыми сигналами, — аналоговые устройства. Аналоговый сигнал изменяется аналогично физической величине, т. е. непрерывно. Цифровой сигнал — может принимать только два значения. Причём разрешены некоторые отклонения от этих значений Устройства, работающие с цифровыми сигналами, — цифровые устройства.

Аналоговый и цифровой сигналы

Электронное устройство

Причины искажений сигналов Несовершенство характеристик элементов аппаратуры; Шумы (слабые хаотические сигналы, вырабатываемые любым электронным компонентом); Наводки, помехи (сигналы, вызываемые внешними электромагнитными полями — радиопередача, трансформаторы, взаимовлияние цепей и т.д.); Старение элементов — изменение характеристик со временем; Внешние физические воздействия: температура, влажность, давление, вибрация и т.д. Паразитные эффекты (утечки, ёмкости, индуктивности, сопротивления).

Искажения сигналов шумами и наводками

Преимущества цифровых сигналов Более сложная и многоступенчатая обработка, чем в случае аналоговых сигналов; Длительное хранение без потерь с возможностью многократного копирования без искажений; Качественная передача на большие расстояния без искажений; Цифровые устройства проще отлаживать, они меньше подвержены старению; Поведение цифровых устройств всегда можно точно рассчитать и предсказать; Цифровые устройства проще проектировать, отлаживать, тестировать.

Недостатки цифровых сигналов Принципиально меньшее предельное быстродействие цифровых устройств по сравнению с аналоговыми; Информационная ёмкость цифрового сигнала гораздо меньше, чем аналогового, поэтому для замены одного аналогового сигнала требуется несколько цифровых сигналов (от 4 до16) — код; Для связи с реальным миром требуются преобразователи аналоговых сигналов в цифровые (на входе, АЦП) и цифровых сигналов в аналоговые (на выходе, ЦАП); При простом алгоритме обработки цифровые устройства гораздо сложнее аналоговых.

Включение цифрового устройства

Виды цифровых сигналов Одиночные цифровые сигналы: Разрешающие/запрещающие сигналы; Сигнализирующие сигналы (флаги); Синхронизирующие сигналы (определяющие момент времени выполнения операции). Сгруппированные (шинные) цифровые сигналы (коды): Коды выборок аналоговых сигналов; Коды адресации устройств (выбора нужного устройства); Коды команд (инструкций); Коды данных.

Двоичные числа

Понятия двоичной логики Код — двоичное число, а также метод представления двоичных чисел; Разрядность кода — количество двоичных разрядов кода (210 = 1 024, 220 = 1 048 576; 230 = 1 073 741 824); Бит — один разряд двоичного числа (от англ. binary digit); Байт — восемь двоичных разрядов (битов) — принимает 28 значений: от 0 до 255; Тетрада (полубайт, ниббл) — четыре двоичных разряда, половина байта — принимает 24 значений: от 0 до 15; Слово — код, состоящий из нескольких байтов (чаще всего 2 байта — 16 разрядов, 4 байта — 32 разряда, 8 байт — 64 разряда);

Шестнадцатеричные числа

Операции с двоичными числами

Элементы цифрового сигнала

Типы логики Положительная логика — логической единице соответствует высокий уровень напряжения, логическому нулю — низкий уровень напряжения; Отрицательная логика — логической единице соответствует низкий уровень напряжения, логическому нулю — высокий уровень напряжения. Типы логики относятся к шинам (кодам). Одиночные сигналы (импульсы) называются положительными (единичными) или отрицательными (нулевыми).