Аналоговые и цифровые сигналы

Содержание курса
Общие представления о принципах цифровой электроники;
Основные понятия, термины, определения;
Особенности цифровых сигналов;
Логика работы базовых элементов цифровой электроники;
Способы взаимодействия элементов, узлов, устройств;
Принципы организации микропроцессорных систем;
Методы организации информационного обмена по шинам;
Взаимодействие программных и аппаратных средств.

Задачи курса
Освоение базовой терминологии цифровой электроники;
Осознание преимуществ цифровой электроники;
Понимание процессов, происходящих в цифровых устройствах;
Понимание, от чего зависят основные характеристики цифрового устройства, и как их улучшить;
Уяснение ограничений и недостатков цифровой электроники;
Ознакомление с основными направлениями развития цифровой электроники.

Базовые определения
Сигнал — любая физическая величина (температура, давление воздуха, интенсивность света, сила тока и т.д.), изменяющаяся со временем.
Электрический сигнал — электрическая величина (например, напряжение, ток, мощность), изменяющаяся со временем.
Аналоговый сигнал — может принимать любые значения в определенных пределах. Устройства, работающие с аналоговыми сигналами, — аналоговые устройства. Аналоговый сигнал изменяется аналогично физической величине, т. е. непрерывно.
Цифровой сигнал — может принимать только два значения. Причём разрешены некоторые отклонения от этих значений Устройства, работающие с цифровыми сигналами, — цифровые устройства.

Аналоговый и цифровой сигналы

Электронное устройство

Причины искажений сигналов
Несовершенство характеристик элементов аппаратуры;
Шумы (слабые хаотические сигналы, вырабатываемые любым электронным компонентом);
Наводки, помехи (сигналы, вызываемые внешними электромагнитными полями — радиопередача, трансформаторы, взаимовлияние цепей и т.д.);
Старение элементов — изменение характеристик со временем;
Внешние физические воздействия: температура, влажность, давление, вибрация и т.д.
Паразитные эффекты (утечки, ёмкости, индуктивности, сопротивления).

Искажения сигналов шумами и наводками

Преимущества цифровых сигналов
Более сложная и многоступенчатая обработка, чем в случае аналоговых сигналов;
Длительное хранение без потерь с возможностью многократного копирования без искажений;
Качественная передача на большие расстояния без искажений;
Цифровые устройства проще отлаживать, они меньше подвержены старению;
Поведение цифровых устройств всегда можно точно рассчитать и предсказать;
Цифровые устройства проще проектировать, отлаживать, тестировать.

Недостатки цифровых сигналов
Принципиально меньшее предельное быстродействие цифровых устройств по сравнению с аналоговыми;
Информационная ёмкость цифрового сигнала гораздо меньше, чем аналогового, поэтому для замены одного аналогового сигнала требуется несколько цифровых сигналов (от 4 до16) — код;
Для связи с реальным миром требуются преобразователи аналоговых сигналов в цифровые (на входе, АЦП) и цифровых сигналов в аналоговые (на выходе, ЦАП);
При простом алгоритме обработки цифровые устройства гораздо сложнее аналоговых.

Включение цифрового устройства

Виды цифровых сигналов
Одиночные цифровые сигналы:
Разрешающие/запрещающие сигналы;
Сигнализирующие сигналы (флаги);
Синхронизирующие сигналы (определяющие момент времени выполнения операции).
Сгруппированные (шинные) цифровые сигналы (коды):
Коды выборок аналоговых сигналов;
Коды адресации устройств (выбора нужного устройства);
Коды команд (инструкций);
Коды данных.

Двоичные числа

Понятия двоичной логики
Код — двоичное число, а также метод представления двоичных чисел;
Разрядность кода — количество двоичных разрядов кода (210 = 1 024, 220 = 1 048 576; 230 = 1 073 741 824);
Бит — один разряд двоичного числа (от англ. binary digit);
Байт — восемь двоичных разрядов (битов) — принимает 28 значений: от 0 до 255;
Тетрада (полубайт, ниббл) — четыре двоичных разряда, половина байта — принимает 24 значений: от 0 до 15;
Слово — код, состоящий из нескольких байтов (чаще всего 2 байта — 16 разрядов, 4 байта — 32 разряда, 8 байт — 64 разряда);

Шестнадцатеричные числа

Операции с двоичными числами

Элементы цифрового сигнала