цифровая электроника:

Виды электрических сигналов

Постоянный ток

Постоянный ток (напряжение), или постоянный сигнал –

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

Импульс –

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).
Принцип получения одиночного прямоугольного импульса – описание соответствия участков графика с положением S выключателя:
    1-2 участок: тока нет – выключатель S разомкнут (начальное положение на схеме). В цифровой электроники это состояние имеет значение сигнала «0» (ноль);
    2-3 участок: в момент замыкания S – ток резко нарастает;
    3-4 участок: ток имеет постоянную величину – S замкнут. В цифровой электроники это состояние имеет значение сигнала «1» (единица);
    4-5 участок: в момент размыкания S – ток резко уменьшается;
    5-6 участок: тока нет - S разомкнут, соответствует величине «0» -.

Виды простых периодических сигналов

1. Переменный ток (напряжение) –

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.

2. Периодический прямоугольный сигнал –

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.

3. Пилообразный сигнал –

сигнал, пилообразной формы, характеризуется амплитудой и частотой следования импульсов. Широко применяется для синхронизации в различных электронных устройствах. На рисунке приведен временной график пилообразного сигнала.

Системная синхронизация

Системным генератором синхронизации

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.

---

Основные элементы цифровой техники.

Логические вентили -

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

Инвертор (булева операция NOT(не)) -

основная задача обеспечить на выходе сигнал противоположный входному. Для обозначения операции NOT используется верхнее подчеркивание "   ", таким образом если на входе мы имеем сигнал "А" то на выходе " А " (читается: "не А"). Понятия "отрицание", "инверсия" и "дополнение" обозначают одно и тоже. На рисунке приведены два способа схематичного обозначения элемента, а также таблица истинности.

ВХОД		ВЫХОД
A	B	A AND B
0	0	0
0	1	0
1	0	0
1	1	1

Логический элемент И (булева операция AND(И)) -

принцип работы элемента выглядит как "все или ничего", вход А связан с входом В булевой операцией И, то есть логическая единица на выходе получиться только если оба входных сигнала будут высокого уровня. На рисунке приведены два способа схематичного обозначения элемента, а также таблица истинности.

ВХОД		ВЫХОД
A	B	A OR B
0	0	0
0	1	1
1	0	1
1	1	1

Логический элемент ИЛИ (булвая операция OR(ИЛИ)) -

принцип работы элемента выглядит как "что-нибудь или все", вход А связан с входом В булевой операцией ИЛИ, то есть логическая единица на выходе получиться только если хотя бы один входной сигнал будет высокого уровня. На рисунке приведены два способа схематичного обозначения элемента, а также таблица истинности.

---

Комбинации логических элементов.

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.

---

Триггеры и защелки.

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.

D-триггер (называемого также триггером данных).

Описание графического символа:

Входа:
- D (для данных);
- С (сигнал синхронизации или тактовый вход). Графическое обозначение «> - положительный фронт импульса» на входе С логической схемы означает, что данные передаются со входа на выход при изменении тактового сигнала с низкого уровня на высокий (участок 2-3 графика описания прямоугольного импульса). Примером тактовых импульсов может быть Периодический прямоугольный сигнал.
Выхода:
- Q и  Q обычно имеет два взаимоинверсных выхода, обозначенных Q и  Q (HE-Q) Выход Q называется нормальным, а выход Q имеет противоположное значение и называется дополнительным или инверсным выходом триггера.

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 D-триггера:

Установка и сброс триггера рассматриваются по отношению к выходу Q. D-триггер может находиться в трех состояниях:
Установить (или активизировать) триггер означает, что на выходе Q устанавливается 1. Это происходит при подачи 1 на вход D триггера и при смене тактового импульса С на положительный сигнал.
Сброс (установке в нуль) триггера. Сбросить триггер означает вернуть выход Q в состояние 0.
Установить состояние ожидания режим хранения данных полученных в предыдущем цикле. В этом состояние изменение данных на входе не приводит к потере предыдущих данных, то есть состояние выходов остается неизменным (сигнал запомнен).

JK-триггер (называемого также триггером данных).

Описание графического символа:

Входа:
- J и K два входа данных;
- С (сигнал синхронизации или тактовый вход). Графическое обозначение «кружками инверсии и > - отрицательный фронт импульса» на входе С логической схемы означает, что данные передаются со входа на выход при изменении тактового сигнала с высокого уровня на низкий (участок 4-5 графика описания прямоугольного импульса). Примером тактовых импульсов может быть Периодический прямоугольный сигнал.
Выхода:
- Q и  Q обычно имеет два взаимоинверсных выхода, обозначенных Q и  Q (HE-Q) Выход Q называется нормальным, а выход Q имеет противоположное значение и называется дополнительным или инверсным выходом триггера.

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.

Таблица истинности JK-триггера:

JK-триггер может находиться в четырех состояниях:
Триггер когда входа J и К получат Н-уровень при каждом тактовом импульсе выходные уровни меняются последовательно - HIGH-LOW-HIGH-LOW и т. д. (т.е. работать в счетном режиме).
Установить / активизировать триггер означает, что при наличии на входах J = 1 и K = 0 и при переходе тактовых импульсов от Н- к L-состоянию выход Q переходит в состояние HIGH.
Сброс (установка в нуль) триггера - триггер получает на выход Q состояние LOW.
Установить состояние ожидания - отсутствие действия у триггера. Входа J и К имеют LOW состояние, вход синхронизации С не оказывает влияния на выходные сигналы.

---

Примеры реализации цифровых схем:

Четырех разрядный асинхронный счетчик

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.

---