Search
środa 14 Listopad 2018
  • :
  • :

Elektroniczne układy cyfrowe

Układem cyfrowym nazywamy taki układ, który przekształca sygnały cyfrowe. Dla wyjaśnienia określenia układu cyfrowego zdefiniujemy pojęcia:

  • sygnału cyfrowego,
  • kwantu,
  • kwantowania.

Sygnałem cyfrowym (lub wielkością cyfrową) nazywamy taki sygnał (lub wielkość), którego wartość jest podana w postaci liczby,

Kwantem nazywamy najmniejszą — niepodzielną, lub przyjętą za nie-podzielną, część sygnału lub wielkości.

Wyznaczanie liczby kwantów, z której składa się dana wielkość lub sygnał, nazywamy kwantowaniem.

W celu dokładniejszego wyjaśnienia tych pojęć, posłużymy się przykładami.

Ludność składa się na przykład z kwantów w postaci poszczególnych ludzi. W tym przypadku liczba ludzi jest z natury skwantowana — podzielona na kwanty i dlatego mówimy, że jest nieciągła.

Natomiast czas, ciągły z natury, jest kwantowany w razie potrzeby, np. przez zegary dworcowe. Wskazówka zegara dworcowego przesuwa się skokami co minutę, nie pokazuje wartości pośrednich, a zatem kwantem czasu jest w tym przypadku jedna minuta. Takie skwantowanie czasu upraszcza znacznie konstrukcję zegarów dworcowych i dlatego stosuje się je. Znajomość czasu z dokładnością do jednej minuty jest wystarczająca dla podróżnego.

W życiu codziennym mamy do czynienia z kwantowaniem, a więc przekształcaniem różnych wartości analogowych w postać cyfrową, np.:

  1. Sklepy sprzedają towary w opakowaniach firmowych — najmniejsze opakowanie danego towaru jest kwantem tego towaru.
  2. Człowiek odczytujący wskazanie miernika wychyłowego, np. woltomierza, dokonuje kwantownia wyniku – przekształca sygnał analogowy, którym jest położenie wskazówki, na sygnał cyfrowy — liczbę – w przybliżeniu odpowiadającą wskazaniu miernika. Kwant napięcia w tym przypadku odpowiada 1/5 działki miernika, ponieważ taka jest rozdzielczość oka.
  3. Liczniki zużycia energii elektrycznej mają wskaźniki cyfrowe pokazujące zużycie energii z dokładnością do 0,1 kW • h. Kwantem energii w tym przypadku jest 0,1 kW h, mimo że przecież zużycie energii elektrycznej ma charakter ciągły.
  4. Pieniądze mają strukturę kwantową, np. w Polsce kwantem pieniądza obiegowego jest obecnie 10 groszy — najmniejsza moneta.

Z tych kilku przykładów wynika, że operowanie sygnałami cyfrowymi upraszcza wiele czynników i urządzeń do przekształcania sygnałów. Dlatego kwantowanie, czyli przekształcanie sygnałów analogowych w postać cyfrową jest bardzo często stosowane.

W technice wiele sygnałów ma od razu postać cyfrową, np. sygnały z łączników drogowych, przełączników sterujących (włączone — wyłączone) impulsowych czujników prędkości itp. Sygnały te należy przekształcić (pod względem cyfrowym) i przesłać w celu załączania i wyłączania silników, ustawiania semaforów (w kolejnictwie), wskaźników cyfrowych, silników skokowych (krokowych) i innych urządzeń działających na zasadzie cyfrowej.

Sygnały analogowe w technice są przekształcane w razie potrzeby w postać cyfrową za pomocą urządzeń zwanych przetwornikami analogowo-cyfrowymi. Dokładność takiego przetwarzania jest związana z wartością założonego kwantu, a więc praktycznie może być bardzo duża.

Przetworniki analogowo-cyfrowe wchodzą w skład wszystkich cyfrowych przyrządów pomiarowych mierzących wielkości analogowe w sposób cyfrowy. Przetworniki dobrej klasy możemy kupić w tym sklepie. Przyrządy takie ułatwiają odczyt wyniku pomiaru^ który jest wyświetlany na wskaźniku przyrządu w postaci cyfrowej, a ponadto znacznie zwiększają dokładność pomiaru dzięki cyfrowej zasadzie podania wyniku.

Działanie technicznych układów cyfrowych opiera się na wykorzystaniu dwójkowego (binarnego) systemu liczenia. Powszechnie jest stosowany — zwłaszcza na co dzień — dziesiętny system liczenia. System ten funkcjonuje opierając się na dziesięciu różnych stanach (cyfr) — od 0 do 9. Liczby w systemie dziesiętnym są kombinacjami tych dziesięciu cyfr. Zasady obliczeń na liczbach dziesiętnych ustala algebra liczb dziesiętnych. Jest możliwe budowanie urządzeń cyfrowych liczących w systemie dziesiętnym, lecz urządzenia te byłyby bardzo skomplikowane i kosztowne, ponieważ należałoby w nich rozróżniać dziesięć różnych stanów stabilnych. Komplikowałoby to budowę elementów i układów cyfrowych liczących w systemie dziesiętnym.

Z technicznego punktu widzenia najłatwiej jest budować dwustanowe elementy cyfrowe. Mają one tylko dwa stany stabilne (np. przerzutnik bistabilny). Stany te odpowiadają dwóm skrajnym wartościom wybranego parametru, np. napięcia w układach elektronicznych. Wartości te mogą być od siebie znacznie oddalone (np. 0 V i 5 V), dzięki czemu wpływ zakłóceń na stan elementów dwustanowych jest ograniczony.

Dwóm stanom stabilnym można przypisać tylko dwie cyfry: 0 i 1, dlatego system liczenia wykorzystywany w dwustanowych urządzeniach cyfrowych nazywamy systemem dwójkowym. Algebrę liczb dwójkowych nazywamy algebrą logiki, ponieważ w logice matematycznej operuje się dwoma stwierdzeniami: „TAK” albo „NIE” (czyli „prawda” albo „fałsz”). Stwierdzenia te mają swe odpowiedniki w dwójkowym systemie liczenia, w postaci liczb: 1 i 0. Z tego też względu układy cyfrowe oparte na dwójkowym systemie liczenia nazywamy układami o działaniu logicznym albo krócej — układami logicznymi.

Każda liczba w systemie dwójkowym ma swój odpowiednik w systemie dziesiętnym i odwrotnie.




Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *