KNOW INTUIT, Лекция, Основни понятия на цифровата електроника

Представителни слоеве на цифрови устройства

Всички цифрови устройства са изградени от логически схеми, всяка от които (фиг. 1.3) задължително има следните изводи (или, както се наричат на общ език, "крака"):

изходи на мощността: общо (или "маса") и захранващо напрежение (в повечето случаи - +5 V или +3,3 V), които обикновено не са показани на диаграмите;
изходи за входни сигнали (или "входове"), които приемат външни цифрови сигнали;
щифтове за изходни сигнали (или "изходи"), към които се подават цифрови сигнали от самата микросхема.

Всяка микросхема преобразува по един или друг начин последователност от входни сигнали в последователност от изходни сигнали. Методът на преобразуване най-често се описва или под формата на таблица (така наречената таблица на истината), или под формата на времеви диаграми, т.е. графики на времевата зависимост на всички сигнали.

Всички цифрови схеми работят с логически сигнали, които имат две разрешени нива на напрежение. Едно от тези нива се нарича ниво на логическа единица (или едно ниво), а другото се нарича ниво на логическа нула (или ниво на нула). Най-често логическата нула съответства на ниско ниво на напрежение, а логическа единица - на високо ниво на напрежение. В случая се казва, че е възприета „позитивната логика“. Въпреки това, при предаване на сигнали на дълги разстояния и в системните шини на микропроцесорни системи, понякога се използва и обратното представяне, когато високо ниво на напрежение съответства на логическа нула, а ниско ниво съответства на логическа. В този случай се говори за "негативна логика". Понякога логическата нула се кодира с положително ниво на напрежение (ток), а логическата единица се кодира с отрицателно ниво.ниво на напрежение (ток) или обратно. Има по-сложни методи за кодиране на логически нули и единици. Но ще говорим основно за позитивна логика.

За описание на работата на цифровите устройства се използват различни модели, които се различават един от друг по сложност, точност, по-голямо или по-малко отчитане на фините физически ефекти. По принцип тези модели се използват в компютърни изчисления на цифрови схеми. Понастоящем има компютърни програми, които не само изчисляват готови схеми, но също така са в състояние да проектират нови схеми според формализирани описания на функциите, които дадено устройство трябва да изпълнява. Това е доста удобно, но никоя програма не може да се сравни с човек. Наистина ефективни, минимизирани от хардуер и накрая красиви схеми могат да бъдат разработени само от човек, който винаги подхожда творчески към дизайна и използва оригинални идеи.

Дизайнерът на цифрово оборудване също използва особени модели или, както можете да кажете, различни нива на представяне на цифрови схеми. Но за разлика от компютъра, човек може гъвкаво да избере правилния модел - трябва само да погледне диаграмата, за да разбере къде е достатъчен най-простият модел и къде е необходим по-сложен. Тоест, човек никога няма да върши ненужна, излишна работа и следователно няма да въведе допълнителни грешки, присъщи на всеки, дори и на най-сложния модел. Вярно е, че простотата на цифровите устройства в сравнение с аналоговите обикновено не провокира твърде сериозни грешки.

В преобладаващата част от случаите три модела, три нива на разбиране на работата на цифровите устройства са достатъчни за разработчик на цифрови схеми:

логически модел.
Модел с времезакъснения.
Моделкато се вземат предвид електрическите ефекти (или електрически модел).

Опитът показва, че първият най-прост модел е достатъчен в около 20% от всички случаи. Приложим е за всички нискоскоростни цифрови схеми, където скоростта не е критична. Включването на втория модел, който отчита закъсненията на реакцията на логическите елементи, позволява да се покрият около 80% от всички възможни схеми. Използването му е необходимо за всички високоскоростни устройства и за случай на едновременни промени в няколко входни сигнала. И накрая, добавянето на трети модел, който взема предвид входните и изходните токове, входните и изходните съпротивления и капацитетите на елементите, прави възможно проектирането на почти 100% цифрови схеми. На първо място, този трети модел трябва да се използва при комбиниране на няколко входа и изхода, при предаване на сигнали на големи разстояния и при включване на логически елементи по нетрадиционен начин (с прехвърлянето им в аналогови или линейни режими).

За да илюстрирате работата на тези модели, разгледайте работата на най-простия логически елемент - инвертор. Инверторът променя (инвертира) логическото ниво на входния сигнал до противоположното ниво на изходния сигнал или, както се казва, обръща полярността на логическия сигнал. Неговата таблица на истината (Таблица 1.1) е елементарно проста, тъй като са възможни само две ситуации: нула на входа или единица на входа. На фиг. Фигура 1.4 показва как ще изглежда изходният сигнал на инвертора при използване на трите му модела (три нива на неговото представяне). Такива графики на логически сигнали се наричат времеви диаграми, те ви позволяват да разберете по-добре работата на цифровите схеми.

От фигурата се вижда, че в първия, логически модел се счита, че елементът се задейства моментално, всяка промяна в нивото на входния сигналведнага, без никакво забавяне, води до промяна в нивото на изходния сигнал. Във втория модел изходният сигнал се променя с известно закъснение спрямо входа. И накрая, в третия модел изходният сигнал не само се забавя в сравнение с входа, но и неговата промяна не се случва моментално - процесът на промяна на нивата на сигнала (или, както се казва, фронтът на сигнала) има крайна продължителност. В допълнение, третият модел отчита промяната в нивата на логическите сигнали.