Аналоговые и цифровые сигналы

Учебный курс Введение в цифровую электронику Лекция 1 Аналоговы е и цифровы е 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. 2 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. 3 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.  Аналоговы й 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. 4 Аналоговый и цифровой сигналы 5 Электронное устройство 6 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). 7 Искажения сигналов шумами и наводками 8 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. 9 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. 10 Включение цифрового устройства 11 Виды цифровых сигналов  Одиночны е цифровы е сигналы :  Разрешающие/запрещающие сигналы;  Сигнализирующие сигналы (флаги);  Синхронизирующие сигналы (определяющие момент времени выполнения операции).  Сгруппированны е (шинны е) цифровы е сигналы (коды ):  Коды выборок аналоговых сигналов;  Коды адресации устройств (выбора нужного устройства);  Коды команд (инструкций);  Коды данных. 12 Двоичные числа 10-число 1 2 3 4 5 6 7 2-число 1 10 11 100 101 110 111 10-число 8 9 10 11 12 13 14 15 2-число 1000 1001 1010 1011 1100 1101 1110 1111 13 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); 14 Шестнадцатеричные числа 10-число 1 2 3 4 5 6 7 8 16-число 0 (0) 1 (1) 2 (10) 3 (11) 4 (100) 5 (101) 6 (110) 7 (111) 8 (1000) 10-число 9 10 11 12 13 14 15 16 17 16-число 9 (1001) A (1010) B (1011) C (1100) D (1101) E (1110) F (1111) 10 (10000) 11 (10001) 15 Операции с двоичными числами 16 Элементы цифрового сигнала 17 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). 18