Три закона робототехники
(А. Азимов)
введение в цифровую электронику
В этом разделе мы рассмотрим базовые элементы для построения цифровых устройств на базе которых строится все разнообразие электронных устройств.
|
Ремонт,
|
ООО "Инекскон"
|
Три закона робототехники
(А. Азимов)
В этом разделе мы рассмотрим базовые элементы для построения цифровых устройств на базе которых строится все разнообразие электронных устройств.
сигнал, имеющий постоянное значение амплитуды электрической величины (ток, напряжение) во времени. Наиболее широко используется при организации питания низковольтных устройств, источники постоянного тока(напряжения) служат обычные батарейки, аккумуляторы а также вторичные источники питания – блоки питания. Схема питания постоянным током (Gb – источник питания, R – нагрузка) и временной график (показывает изменение / форму сигнала во времени).
кратковременный сигнал, у которого меняется значение амплитуды электрической величины (ток, напряжение), а также может меняться длительность (Т) и форма сигнала. Для управления электронными устройствами наиболее широкое применение получили прямоугольные импульсы, форма одиночного импульса (временной график) и простейшая схема получения изображена на рисунке(Gb – источник питания, S – выключатель, R – нагрузка).
сигнал, имеющий изменяемое значение амплитуды электрической величины (ток, напряжение) во времени, помимо амплитуды характеризуется такими параметрами как период T и частота f, которые также могут изменяться. Чаще всего под переменным напряжением подразумевается напряжение бытовой сети имеющим в России следующие параметры: U = 220В, f = 50Гц. Форма сигнала синусоида на рисунке простейшая схема питания переменным током и его временной график.
сигнал, который формируется подачей одинаковых импульсов прямоугольной формы с установленной частотой f следования. На рисунке временной график периодического прямоугольного сигнала. Широко применяется для синхронизации в микропроцессорной технике, получается с помощью генераторов прямоугольных импульсов.
сигнал, пилообразной формы, характеризуется амплитудой и частотой следования импульсов. Широко применяется для синхронизации в различных электронных устройствах. На рисунке приведен временной график пилообразного сигнала.
Генератор прямоугольных импульсов управляет действиями всех компонентов цифровой техники. Производит синхронизацию работы микроконтроллера и остальных элементов вычислительной системы. Формируя базовый временной интервал, в течение которого может происходить событие, он тем самым участвует во всех операциях. Сбой в работе генератора приводит к выходу из строя всей системы, либо приводит к нестабильной работе отдельных компонентов – в общем, последствия непредсказуемы.
Простейшие варианты генератора могут быть реализованы на простых RC-цепях. Для получения высокостабильных сигналов используют кварцевые генераторы.
базовые элементы цифровой электроники, выполняющие простые логические функции такие как: НЕ, И, ИЛИ, НЕ-И или НЕ-ИЛИ. Принцип работы основан на преобразовании входных информационных сигналов в выходные логические сигналы в соответствии с логикой работы элемента. Для их идентификации применяются логические символы, приведенные ниже совместно с таблицами истинности, которые отражают логику работы соответствующих элементов. В таблице истинности 0 означает низкий уровень напряжения LOW, 1 - высокий HIGH.
| ВХОД | ВЫХОД |
|---|---|
| A | А |
| 0 | 1 |
| 1 | 0 |
| ВХОД | ВЫХОД | |
|---|---|---|
| A | B | A AND B |
| 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 0 |
| 1 | 1 | 1 |
| ВХОД | ВЫХОД | |
|---|---|---|
| A | B | A OR B |
| 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 1 |
| 1 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 1 |
Цифровые системы строятся на основе комбинаций логических элементов. Такие комбинации могут быть описаны таблицей истинности, булевой функцией или логической схемой.
В практике наиболее часто встречаются более сложные логические элементы, такие как И-НЕ или ИЛИ-НЕ, то есть производится сначала операция OR или AND, а результат инвертируется. Тем не менее, эти элементы также относятся к основным элементам цифровой техники. Таблица истинности легко получить, инвертировав выходные сигналы соответствующих элементов.
Для простоты обозначения инверсные входа или выхода обозначаются кружками инверсии, смотри рисунок ниже.
|
|
|---|
Используя только базовые элементы, приведенные выше, можно получать сложные схемы управления автоматики - такие схемы называются цепями комбинационной логики.
Для получения более сложных функциональных устройств используют элементы называемее триггерами. Их применяют в устройствах с целью образования последовательных логических цепей. Основной особенностью триггеров является возможность запоминания входных сигналов даже если они сняты. Эта особенность позволяет строить устройства для хранения цифровых данных, вычислений и их преобразований. Очень часто используются для формирования временных задержек.
Начальный запуск (установка начальног значения) триггера является важным этапом его работы. По способу запуска триггеры могут быть активизированы фронтом импульса или уровнем. Участок 2-3 - положительный фронт; участок 4-5 графика - отрицательный фронт; участок 3-4 высокий уровень описания; 1-2 или 5-6 низкий уровень... На графике прямоугольного импульса.
Не менее важным является синхронизация всех устройств цифровой схемы во времени для решения этой задачи используют синхроимпульсы (тактовые импульсы), которые подаются на входа синхронизации.
| Таблица истинности статических состояний D-триггера | ||||
|---|---|---|---|---|
| Операционные состояния | ВХОД | ВЫХОД | ||
| D | C | Q | Q | |
| Активизация | 1 | ↑ | 1 | 0 |
| Сброс | 0 | ↑ | 0 | 1 |
| Ожидание | * | Отсут- ствие | Предыдущее состояние | |
| Примечание: 0 — LOW; 1 — HIGH; * - не имеет значения; ↑ — переход от LOW к HIGH тактового импульса. | ||||
| Таблица истинности статических состояний JK-триггера | |||||
|---|---|---|---|---|---|
| Операционные состояния | ВХОД | ВЫХОД | |||
| J | K | C | Q | Q | |
| Триггер | 1 | 1 | ↓ | противоположный предидущему | |
| Активизация | 1 | 0 | ↓ | 1 | 0 |
| Сброс | 0 | 1 | ↓ | 0 | 1 |
| Ожидание | 0 | 0 | ↓ | Предыдущее состояние | |
| Примечание: 0 — LOW; 1 — HIGH; * - не имеет значения; ↓ — переход от HIGH к LOW тактовому импульсу. | |||||
Базой для освоения электроники является умение читать принципиальные схемы. Разбор приведенных ниже схем позволит лучше понять принцип построения цифровых устройств. Совместно со схемами внимательно изучайте диаграммы сигналов и таблицы истинности.
С помощью последовательного соединения JK-триггеров (выход Q каждого триггера подключен к тактирующему входу следующего) легко получить «делитель 2n», или двоичный счетчик. Заметим, что непосредственное действие выхода Q каждого триггера на тактовый вход последующего происходит только по спаду (заднему фронту) сигнала на тактовом входе.
Делитель 2n -
При каскадном включении четырех JK-триггеров мы получаем счетчик-делитель на 16, то есть на выходе последнего триггера формируются прямоугольные импульсы, следующие с частотой, равной 1/16 частоты входного тактового сигнала. На каждом каскаде (триггере) происходит деление частоты на 2, итого делитель для 4 каскадов будет 2 в степени 4 (2х2х2х2 = 16).
Счетчик -
Каждый тактовый импульс ведет к изменению состояния выходных сигналов Q, при этом эти изменения соответствуют правилам двоичного счета, где выход первого триггера соответствует младшему значащему разряду (на графике МРЗ), а последний выход (четвертого триггера) – старшему значащему разряду (на графике СЗР). Рассматривая временную диаграмму для всех четырех выходов Q мы видим увеличение значения с каждым тактом от 0 до 15 (в двоичном представлении). Подавая содержимое выходов на индикаторы (например, светодиодные) можно строить схемы позволяющие представлять данные подсчета в понятной форме для человека.
Этот счетчик имеет очень широкое применение в промышленности, поэтому выпускаются различные модификации в виде однокристальных микросхем, для различных форматов счета, такие как 4-разрядные, двоично-десятичные и много цифровые счетчики.