ОСНОВЫ ЦИФРОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ

Сигнал - это любая физическая величина (температура, давление воздуха, интенсивность света, сила тока и т.д.), изменяющаяся со временем. Благодаря такому изменению сигнал может нести в себе какую-то информацию.

Все операции, производимые электронными устройствами над сигналами, можно условно разделить на три большие группы:

· обработка (или преобразование);

· передача;

· хранение.

Аналоговый сигнал - это непрерывно меняющийся сигнал, который может принимать любые значения в определенных пределах (например, напряжение может плавно изменяться в пределах от нуля до десяти вольт). Аналоговые сигналы и работающая с ними аналоговая электроника имеют большие недостатки, связанные с природой аналоговых сигналов: аналоговые сигналы чувствительны к действию всевозможных паразитных сигналов - шумов, наводок, помех. Со временем параметры всех аналоговых устройств изменяются из-за старения элементов, поэтому характеристики этих устройств не остаются постоянными.

Шум - это внутренние хаотические слабые сигналы любого электронного устройства (микрофона, транзистора, резистора и т.д.).

Наводки и помехи - это сигналы, приходящие на электронную систему извне и искажающие полезный сигнал.

Цифровой сигнал - это сигнал, который может принимать значение 0 (низкое) или 1 (высокое) значения (Рис.1.1.).

За 0 принимается некоторый интервал значений напряжений от U0min (например, 0 В) до U0max (например, 0,8В).

За 1 принимается некоторый интервал значений напряжений от U1min (например, 2,4 В) до U1max (например, 5В).

Устройства, работающие исключительно с цифровыми сигналами, называются цифровыми устройствами.

Интервал значений от U0max до U1min является неопределенным, т.к. невозможно предсказать, как поведет себя схема при подаче на ее вход значений напряжений из этого диапазона: будут ли они восприняты как значение 0 или как значение 1. Неопределенный уровень доставляет много неприятностей при работе с электронными схемами.

В отличие от аналоговых, цифровые сигналы, имеющие всего два разрешенных значения (0 и 1), защищены от действия шумов, наводок и помех гораздо лучше. Небольшие отклонения от разрешенных значений никак не искажают цифровой сигнал, так как всегда существуют зоны допустимых отклонений (Рис. 1.2). Именно поэтому цифровые сигналы допускают гораздо более сложную и многоступенчатую обработку, гораздо более длительное хранение без потерь и гораздо более качественную передачу, чем аналоговые. К тому же поведение цифровых устройств всегда можно абсолютно точно рассчитать и предсказать.

Цифровые устройства гораздо меньше подвержены старению, так как небольшое изменение их параметров никак не отражается на их функционировании. Кроме того, цифровые устройства проще проектировать и отлаживать.

Однако у цифровых сигналов есть и крупный недостаток: на каждом из своих разрешенных уровней (0 или 1) цифровой сигнал должен оставаться хотя бы в течение какого-то минимального временного интервала, иначе его невозможно будет распознать.

Аналоговый сигнал может принимать любое свое значение бесконечно малое время. Можно сказать и иначе: аналоговый сигнал определен в непрерывном времени (то есть в любой момент времени), а цифровой - в дискретном (то есть только в выделенные моменты времени).

Рис.1.2. . Искажение шумами и наводками аналогового (слева)

и цифрового (справа) сигналов

Поэтому максимально достижимое быстродействие аналоговых устройств всегда принципиально больше, чем цифровых. Аналоговые устройства могут работать с более быстро меняющимися сигналами, чем цифровые. Скорость обработки и передачи информации аналоговым устройством всегда может быть выше, чем скорость обработки и передачи цифровым устройством.

Кроме того, цифровой сигнал передает информацию только двумя уровнями и изменением одного своего уровня на другой, а аналоговый - еще и каждым текущим значением своего уровня, то есть он более емкий с точки зрения передачи информации. Поэтому для передачи того объема информации, который содержится в одном аналоговом сигнале, чаще всего приходится использовать несколько цифровых сигналов(чаще всего от 4 до 16).

Надо учитывать и то, что в природе все сигналы аналоговые, то есть для преобразования их в цифровые сигналы и обратного преобразования, требуется применение специальной аппаратуры (аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей).