оп.04 электроника и схемотехника

Цифровые электронные устройства

Цифровые электронные устройства работают с дискретными сигналами. Как правило, такой цифровой сигнал состоит из последовательности импульсов, значений в которой всего два – «Ложь» или «Истина» (0 или 1). В целом цифровые устройства могут быть реализованы на различных элементных базах: на электромагнитных реле, на транзисторах, на оптоэлектронных элементах, или на микросхемах.

Главным образом, современные цифровые схемы строятся из логических элементов, и могут быть связанны между собой посредством триггеров и счетчиков. Они нашли широкое применение в системах автоматизации и робототехнике, измерительных приборах, а также в системах радио и телекоммуникации.

Цифровой сигнал устойчив к помехам, его легко обрабатывать и записывать, а также передавать без искажений, что и дает электронным устройствам на этой основе неоспоримое преимущество перед аналоговыми устройствами.

К цифровым устройствам относятся:

·         триггер,

·         логический элемент,

·         счетчик,

·         компаратор,

·         генератор тактовых импульсов,

·         дешифратор,

·         шифратор,

·         мультиплексор,

·         демультиплексор,

·         сумматор,

·         полусумматор,

·         регистр,

·         арифметическо-логическое устройство,

·         микропроцессор,

·         микрокомпьютер,

·         микроконтроллер,

·         память и т.д.

Подробнее про различные виды электронных цифровых устройств: Тригеры, компараторы и регистры, Счетчики импульсов, шифраторы, мультиплексоры

Однако и у цифровых устройств есть недостатки: иногда цифровое устройство имеет более высокое энергопотребление, чем аналоговое устройство соответствующего функционала, например, в сотовых телефонах зачастую используют аналоговый интерфейс малой мощности для усиления и настройки радио-сигналов базовой станции.

Некоторые цифровые устройства дороже аналоговых. Бывает, что порча лишь одного фрагмента данных, записанных цифровым способом, приводит к искажению всего блока информации.

Цифровые электронные устройства — это устройства, предназначенные для получения, хранения и преобразования средствами электронной техники дискретной информации, представляемой цифровыми кодами.

Системой счисления называется способ изображения произвольного числа ограниченным набором цифр. Наиболее привычной является для нас система счисления по основанию 10, в которой используется 10 цифр от 0 до 9. Как известно, в такой системе вес каждой цифры определяется ее положением в числе, т.е. десятичная система счисления является позиционной.

В цифровых электронных устройствах используются элементы с двумя устойчивыми состояниями, а именно, с наличием или отсутствием напряжения на выходе устройства. Поэтому в цифровой технике применяется двоичная система счисления. В каждом двоичном разряде может стоять одна из двух цифр — 1 или 0, сама же запись числа (двоичный код) — это последовательность единиц и нулей. Каждый символ в двоичном коде называют битом. Бит — это наименьшая единица информации.

Для указания того, что число записано в двоичном коде, рядом с записью числа указывается цифра 2: 10010101₂.

Для перевода числа, записанного в двоичной системе счисления, в привычную десятичную запись необходимо каждую цифру числа, начиная с младшего разряда, умножить на число 2, возведенное в степень, начиная с нулевой:

Обратное преобразование осуществляется последовательным делением числа, записанного в десятичной системе, на два, с записью остатка деления начиная с младшего разряда.

Помимо двоичной системы счисления в цифровых электронных устройствах используется шестнадцатеричная система. Она не связана с физическим представлением информации, а применяется для облегчения работы с данными, так как последовательность нулей и единиц двоичного кода не очень удобна для восприятия человеком. Основанием такой системы является число 16, т.е. в шестнадцатеричной системе счисления каждый разряд представлен одним из 16 символов. Для записи значений от 0 до 9 используются цифры, а для записи значений от 10 до 15 — буквы латинского алфавита от А до F (табл.1).

Таблица 1

Соответствие систем счисления

Двоичные числа	Десятичные числа	Шестнадцатеричные числа
0000	0	0
0001	1	1
0010	2	2
ООН	3	3
0100	4	4
0101	5	5
оно	6	6
0111	7	7
1000	8	8
1001	9	9
1010	10	А
1011	11	В
1100	12	С
1101	13	D
1110	14	Е
1111	15	F

Пример записи числа в шестнадцатеричной системе счисления: 5D3F8₁₆.

Выражение, записанное шестнадцатеричным кодом, можно перевести в десятичный код, умножая значение каждого разряда от младшего до старшего на 16 в соответствующей степени, начиная с нулевой:

Основание 16 удобно тем, что каждый символ шестнадцатеричной системы может быть представлен четырьмя символами двоичной системы счисления. Таким образом, нетрудно произвести переход от записи числа в двоичном коде к записи в шестнадцатеричной системе. Число, записанное в двоичной системе, разбивается на группы по четыре символа, начиная с младшего разряда, и каждая группа символов заменяется одним символом шестнадцатеричной системы:

В ЭВМ информация представлена в байтовой структуре. 1 байт — это 8 бит информации. Можно вычислить, что 1 байт информации — это две шестнадцатеричных цифры. Все буквенные, символьные и цифровые знаки записываются в ЭВМ с использованием одного байта информации. С помощью шестнадцатеричных чисел записываются команды машинного кода и обращения к ячейкам памяти при программировании.

При работе с большими объемами информации пользуются такими величинами, как килобайт (Кб), мегабайт (Мб), гигабайт (Гб), терабайт (Тб) и т.д.: 1 Кб = 1024 байт, 1 Мб = 1024 Кб, 1 Тб = 1024 Гб и т.д.

Для чисел, записанных в двоичном или шестнадцатеричном коде, справедливы те же арифметические операции (сложение, вычитание, умножение и деление), которые производятся над числами в десятичной системе счисления. Результатом выполнения этих операций будет код, записанный в том же виде, что и исходные значения величин.

Также широко распространено в цифровых устройствах преобразование в виде двоично-десятичного кода. В этом преобразовании каждая цифра десятичного кода представляется с помощью соответствующего числа, записанного в двоичном коде. Пример такого преобразования: 149₁₀ = 0001 0100 1001.

Дискретное представление информации открывает широкие возможности для ее обработки и хранения. Оно позволяет повысить помехоустойчивость, а значит, и точность при передаче информации. Это делает цифровые устройства все более распространенными в настоящее время. Аналоговые сигналы могут быть переведены в цифровую форму с помощью аналоговоцифровых преобразователей (АЦП). Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП) позволяют преобразовать цифровой сигнал обратно в аналоговый.