Представление информации в импульсном цифровом виде

Цифровые логические и арифметические устройства оперируют с импульсами напряжения, воспринимая положительное напряжение как логическую 1 а отсутствие напряжения как 0. Ввиду наличия в цепях наводок и колебаний напряжения важно определить, какому уровню напряжения соответствуют логические 0 и 1. Критерием для принятия решения является пороговое напряжение U _пор если уровень напряжения U выше порогового, то оно воспринимается как 1, если U<U _пор то оно воспринимается как 0. Сигнал, имеющий два уровня: 0 и 1, называется цифровым. Для транзисторно-транзисторных логических элементов U _пор=2 В, U ₀ =0 ±2 В, U ₁ =5 ±2 В.

Целое положительное число N можно представить в следующем двоичном виде:

N = a n -12 n -1+ ѕ + ai 2 i + ѕ + a 121+ a 020,

где i — номер разряда; ai — коэффициенты, принимающие значения логического 0 или 1.

Запишем число 5 в десятичном и двоичном виде: N 10= 5; N 2= 101.

Таким образом, для записи числа 5 в двоичной системе потребовалось три разряда. Всего в трехразрядном коде можно записать восемь чисел от 0 до 7. В табл. 2.1 приведены цифровые трехразрядные двоичные коды соответствующие десятичным числам. Если нужно записать число 8, то необходим четвертый разряд. В двоичной форме число 8 будет 1000, число 9 - 1001, 10 – 1010 и т.д.

Т а б л и ц а 2.1. Соответствие десятичных чисел двоичным

Для отображения двоичных чисел необходим набор устройств, имеющих два значения 0 или 1. Такими устройствами являются логические элементы и триггеры, рассмотренные далее в гл. 3. С помощью логических элементов можно осуществлять логические и математические операции над двоичными числами. Триггеры являются бистабильными элементами, сохраняющими двоичные коды. Устройство для выражения числа N в двоичном виде, состоящее и триггеров, называется регистром. Информация в регистре, построенном на триггерах, может храниться сколь угодно долго, т.е. регистр является элементом памяти (устройством хранения информации).

Представление информации в двоичных цифровых кодах используется в микропроцессорной технике и цифровых ЭВМ для проведения логических и арифметических операций. Передача информации в двоичных кодах повышает помехоустойчивость каналов связи и потому используется в спутниковых, сотовых, радиорелейных и волоконно-оптических системах связи.

В настоящее время в импульсных и цифровых устройствах часто используются очень короткие импульсы близкие к прямоугольным. У таких импульсов возникают отклонения от прямоугольной формы, связанные с влиянием индуктивностей и емкостей соединительных цепей. Обычно форма одиночного импульса хорошо просматривается на экране осциллографа и имеет вид, представленный на рис. 2.20, а.

Рис. 2.20.Формы импульсов, используемых в электронной технике: а - прямоугольный; 6— экспоненциальный; в — треугольный; г — колоколообраз­ный; д — радиоимпульс

Прямоугольные импульсы характеризуют следующими параметрами: U_max – амплитуда импульса, D U_m»0,1 U_max - величина спада вершины, t – длительность импульса, t _ф - длительность фронта, t _c – длительность среза.

Амплитудой импульса называют максимальное отклонение импульса или тока от начального уровня.

Длительность импульса измеряется, как правило, по уровню 0,7 от значения амплитуды.

Длительность переходного процесса (длительность фронта импульса) измеряют от 0 до достижения 0,9 U _max.

Длительность среза импульса измеряют от начала спада до достижения 0,1 U _max.

Чем выше быстродействие импульсных устройств, тем меньше длительности фронта и среза, а форма импульса ближе к прямоугольной. Обычно длительности фронта и среза составляют несколько процентов от длительности импульса. Иногда форму фронта (или среза) импульса характеризуют крутизной фронта (среза), т.е. отношением амплитуды к длительности фронта или среза. Спад напряжения на вершине импульса характеризуют коэффициентом спада: К_с = DU_m / U _max. Коэффициент спада импульса обычно не превышает 0,01 и характеризует качество формирующей импульсной системы.

В импульсных и цифровых электронных устройствах циркулируют электрические импульсы различной формы. В связи с их широким использованием рассмотрим их подробнее.

Импульс (электрический импульс напряжения или тока) – это изменение тока или напряжения, отличающееся от постоянного значения в течение некоторого промежутка времени.

Изменение тока или напряжения или тока от времени в течение импульса можно просмотреть на осциллографе. Формы импульсов могут быть разными. На рис. 2.20 показаны наиболее часто встречающиеся виды импульсов прямоугольной (а), экспоненциальной (б), треугольной (в) и колоколообразной (г). В радиотехнических системах часто используют импульсы колебаний электрического поля синусоидальной формы – радиоимпульсы (рис. 2.20, д).

Радиоимпульсы - кратковременные импульсы синусоидального изменения напряжения или тока радиочастотного диапазона.

Видеоимпульсы - кратковременные изменения напряжения или тока от нулевого значения в положительную или отрицательную сторону.

Одиночные импульсы используются редко. Как правило, в радиотехнике и электронике используются непрерывные последовательности импульсов или последовательность импульсов, следующих по определенному закону.

Импульсные устройства – это устройства, предназначенные для формирования (генерирования) электрических импульсов, их усиления, и преобразования.

К импульсным устройствам относятся генераторы одиночных импульсов различной формы и импульсных последовательностей; усилители по напряжению, току и мощности; преобразователи, инверторы, умножители и делители частоты импульсов, модуляторы, коммутирующие ключи.

Наиболее часто в радиотехнике и цифровых вычислительных устройствах используются прямоугольные импульсы. Такие импульсы формируются с помощью ключевых схем, триггеров и логических элементов, которые будут рассмотрены далее. В схемах развертки осциллографов и электронно-лучевых индикаторов часто используют импульсы линейно нарастающего напряжения.