Вступ до цифрової електроніки

Будь-який символ інформації в цифрових пристроях кодують у двійковому коді, тому сигнали можуть приймати тільки два значення: високий або низький рівень напруги, наявність або відсутність імпульсу напруги і т. д. Обов'язковою умовою при цьому є можливість впевненого розпізнавання елементами цифрових схем двох значень сигналів, відповідних символам 0 і 1, в умовах зміни температури навколишнього середовища, напруги джерела живлення, впливу інших дестабілізуючих факторів.

Ми вже говорили, що значення рівнів сигналів (Uc) елементами цифрових пристроїв сприймаються не неперервно, а в дискретні моменти часу, інтервал між якими називають робочим тактом Т. Як правило, за один робочий такт у цифрових пристроях здійснюється одне елементарне перетворення надісланих на вхід кодових слів. Дискретизація часу забезпечується спеціальними пристроями управління, які виробляють синхронізуючі імпульси (СІ). В дискретних пристроях використовують два способи представлення інформації: потенційний і імпульсний. При потенційному способі значенням логічного 0 і логічної 1 відповідають напруги низького і високого рівня. Якщо логічному 0 відповідає напруга низького рівня, а логічній 1 - високого, то таку логіку називають позитивною, і навпаки, якщо за логічний 0 приймають напругу високого рівня, а за логічну 1 - напругу низького рівня, то таку логіку називають негативною або інверсною.

Далі в основному використовуються терміни "напруга високого і низького рівня" (сигнали високого і низького рівня), відповідні рівням логічної 1 і логічного 0.

Інформація в цифрових пристроях може бути представлена в послідовних і паралельних кодах. При використанні послідовного коду кожен такт відповідає одному розряду двійкового коду. Номер (розряду визначається номером такту, що відраховується від такту, що збігається з початком представлення коду. Графіки, показані на рисунку 1, ілюструють послідовний код байтового двійкового числа 10011011 при потенційному і імпульсному способах представлення інформації. При першому способі рисунок 1,а сигнал зберігає низькі або високі рівні протягом одного або кількох тактів. У моменти переходу сигналу від одного рівня до іншого його значення є невизначеним. При імпульсному способі представлення цифрової інформації рисунок 1,б одиничному і нульовому значенню двійкової змінної відповідає наявність або відсутність імпульсу кінцевої тривалості. При послідовному коді числа всі його розряди можуть бути зафіксовані на одному елементі і передані по одному каналу передачі інформації. Для передачі всього числа потрібно вісім тактів рисунок 1,в.

Паралельний код дозволяє суттєво скоротити час обробки для передачі інформації. Для прикладу рисунок 3 ілюструє паралельний код семиразрядного числа 1101101. У цьому випадку як при імпульсному рисунок 2,а, так і при потенційному рисунок 2,б способах представлення інформації всі розряди двійкового коду представлені в одному часовому такті, можуть фіксуватися окремими елементами і передаватися по роздільним каналам (розрядним шинам). Цифрові пристрої, що виконують обробку і перетворення надісланої на їх входи інформації, називають цифровими автоматами. Завдання побудови цифрового автомата, що виконує певні дії над двійковими сигналами, полягає у виборі елементів і способу їх з'єднання, що забезпечують задане перетворення. Ці задачі вирішує математична логіка або алгебра логіки (булева математика). Пристрої, що формують функції булевої математики, називають логічними або цифровими і класифікують за різними відмінними ознаками. Цифрові пристрої за характером інформації на входах і виходах підрозділяють на пристрої послідовного, паралельного і змішаного дії.

Для реалізації пристрою паралельного дії, що виконує аналогічну функцію, необхідні дві групи входів по вісім розрядів у кожній групі і вісім виходів (відповідно до розрядності вихідного слова). Відомі також пристрої змішаного типу, в яких, наприклад, вхідне слово представляється в паралельній формі, а вихідне - в послідовній (це перетворення коду).

За схемним рішенням і характером зв'язку між вхідними і вихідними змінними з урахуванням їх зміни по тактах роботи розрізняють комбінаційні і послідовні цифрові пристрої. У комбінаційних пристроях сукупність сигналів на входах і виходах у кожний конкретний момент часу повністю визначена вхідними сигналами, що діють у цей момент на його входах. Якщо вхідні і вихідні функції в n-такті позначити як Xⁿ і Yⁿ, то зв'язок між ними буде визначатися виразом

Yⁿ=L(Xⁿ),

де L - знак виконуваного пристроєм логічного перетворення. Цифрові пристрої, на відміну від аналогових, дозволяють реалізувати перетворення практично будь-якого виду. У цифрових пристроях послідовного типу значення вихідних змінних Yⁿ в n-такті визначається не тільки значенням вхідних змінних Xⁿ, що діють у даний момент часу, але й залежить від внутрішнього стану пристрою Cⁿ. У свою чергу, внутрішній стан пристрою залежить від значень змінних, що діяли на вході в попередні такти. Функціонування послідовного пристрою можна записати у вигляді

Yn=ƒ(Xⁿ,Cⁿ); Cⁿ=F(X^n-1,C^n-1),

де X^n-1 і C^n-1 - відповідно набір вхідних змінних і внутрішніх станів пристрою в попередній такт.

Прикладом послідовного пристрою може бути лічильник імпульсів, стан виходів якого залежить від загальної кількості надісланих на його вхід імпульсів.

Базові логічні елементи виконують такі логічні операції. "І" - логічне множення, "АБО" - логічне складання, "НЕ" - заперечення (інверсія). Докладніше буде розглянуто в наступному розділі.