Цифровая электроника. Основы цифровой электроники: от логических элементов до микропроцессоров

alexxlabРазное
Что такое цифровая электроника. Как работают логические элементы. Для чего нужны комбинационные и последовательностные схемы. Как устроены современные микропроцессоры. Какие инструменты используются для проектирования цифровых систем.

Содержание

Что такое цифровая электроника и где она применяется

Цифровая электроника — это раздел электроники, который работает с дискретными сигналами, принимающими только два значения — 0 и 1. В отличие от аналоговой электроники, где сигналы могут принимать любые промежуточные значения, цифровые схемы оперируют только двумя логическими уровнями.

Основные области применения цифровой электроники:

  • Вычислительная техника (процессоры, память, логика управления)
  • Системы связи и передачи данных
  • Цифровая обработка сигналов
  • Автоматизированные системы управления
  • Бытовая электроника
  • Измерительные приборы

Преимущества цифровых схем перед аналоговыми:

  • Высокая помехоустойчивость
  • Возможность хранения и обработки информации без искажений
  • Простота интеграции с компьютерными системами
  • Легкая масштабируемость

Базовые логические элементы

Логические элементы — это простейшие электронные схемы, реализующие базовые логические операции. К основным логическим элементам относятся:


  • НЕ (инвертор) — инвертирует входной сигнал
  • И (конъюнктор) — выход равен 1, только если все входы равны 1
  • ИЛИ (дизъюнктор) — выход равен 1, если хотя бы один вход равен 1
  • И-НЕ — инвертированный выход элемента И
  • ИЛИ-НЕ — инвертированный выход элемента ИЛИ

Как работает логический элемент И.

  • Имеет два или более входа и один выход
  • Выход равен 1 только когда все входы равны 1
  • В остальных случаях выход равен 0

Комбинационные логические схемы

Комбинационные схемы — это цифровые устройства, выходные сигналы которых в любой момент времени однозначно определяются комбинацией входных сигналов. Они не имеют памяти и обратных связей.

Основные типы комбинационных схем:

  • Шифраторы и дешифраторы
  • Мультиплексоры и демультиплексоры
  • Сумматоры
  • Компараторы
  • Преобразователи кодов

Как работает дешифратор.

  • Преобразует двоичный код на входе в сигнал на одном из выходов
  • Количество выходов равно 2^n, где n — число входов
  • Активируется только один выход, соответствующий входному коду

Последовательностные логические схемы

Последовательностные схемы — это цифровые устройства, выходные сигналы которых зависят не только от текущих входных сигналов, но и от предыдущих состояний схемы. Они обладают памятью и могут хранить информацию.


Основные типы последовательностных схем:

  • Триггеры
  • Регистры
  • Счетчики
  • Конечные автоматы

Как работает D-триггер.

  • Имеет информационный вход D и вход синхронизации C
  • При поступлении сигнала на вход C, значение с входа D записывается в триггер
  • Это значение хранится до следующего сигнала синхронизации

Цифро-аналоговые и аналого-цифровые преобразователи

ЦАП и АЦП — это устройства, обеспечивающие связь между цифровыми и аналоговыми сигналами.

Цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП):

  • Преобразует цифровой код в аналоговый сигнал
  • Используется в звуковых картах, видеокартах, системах управления
  • Основные характеристики: разрядность, быстродействие, линейность

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП):

  • Преобразует аналоговый сигнал в цифровой код
  • Применяется в измерительных приборах, системах сбора данных
  • Ключевые параметры: разрядность, частота дискретизации, нелинейность

Микропроцессоры и микроконтроллеры

Микропроцессор — это программируемое цифровое устройство, предназначенное для обработки информации и управления. Он является «мозгом» любого современного компьютера.


Основные компоненты микропроцессора:

  • Арифметико-логическое устройство (АЛУ)
  • Устройство управления
  • Регистры общего назначения
  • Кэш-память

Микроконтроллер — это микропроцессор, интегрированный с периферийными устройствами на одном кристалле. Он содержит:

  • Процессорное ядро
  • Память (ОЗУ и ПЗУ)
  • Порты ввода-вывода
  • Таймеры
  • АЦП и ЦАП

Программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС)

ПЛИС — это интегральные микросхемы, логика работы которых определяется не при изготовлении, а программируется пользователем. Это позволяет создавать специализированные цифровые устройства без производства заказных микросхем.

Преимущества ПЛИС:

  • Гибкость и возможность перепрограммирования
  • Быстрая разработка прототипов
  • Низкая стоимость при мелкосерийном производстве
  • Высокое быстродействие

Области применения ПЛИС:

  • Телекоммуникационное оборудование
  • Системы цифровой обработки сигналов
  • Прототипирование ASIC
  • Высокопроизводительные вычислительные системы

Системы автоматизированного проектирования цифровых устройств

САПР для цифровой электроники — это программные инструменты, используемые для проектирования, моделирования и отладки цифровых схем. Они значительно ускоряют процесс разработки и позволяют создавать сложные системы.


Основные функции САПР:

  • Ввод схемы (графический или текстовый)
  • Моделирование работы схемы
  • Синтез логики для ПЛИС
  • Трассировка печатных плат
  • Генерация файлов для производства

Популярные САПР для цифровой электроники:

  • Quartus Prime (Intel)
  • Vivado (Xilinx)
  • ISE (Xilinx)
  • ModelSim (Mentor Graphics)
  • Altium Designer

Цифровая электроника — это быстро развивающаяся область, которая лежит в основе современных компьютерных и коммуникационных систем. Понимание принципов работы цифровых устройств и владение инструментами их проектирования открывает широкие возможности для создания инновационных технологических решений.


Цифровая электроника для начинающих | Издательство БХВ

Кириченко Павел Григорьевич

Артикул2649
ISBN 978-5-9775-4010-0
Количество страниц 176
Формат издания 165 x 233 мм
Печать Черно-белая
Серия Электроника

409 ₽
307 ₽

# для начинающих# электроника и схемотехника

  • Описание
  • Детали
  • Отзывы (0)

Описание

Основы цифровой электроники изложены простым и доступным для начинающих способом — путем создания на макетной плате забавных и познавательных устройств на транзисторах и микросхемах, которые сразу после сборки начинают работать, не требуя пайки, наладки и программирования.

Набор необходимых деталей сведен к минимуму как по количеству наименований, так и по стоимости. По ходу изложения даются вопросы для самопроверки и закрепления материала, а также творческие задания на самостоятельную разработку схем. Рассмотрены цифровые сигналы и двоичная система счисления, простейшие схемы на МОП-транзисторах, устройства цифровой логики на транзисторах и микросхемах, комбинационные и последовательностные схемы, сдвиговые регистры и счетчики. Книга дает необходимые и достаточные знания о работе аппаратной части современных микропроцессоров и микроконтроллеров….  

Кириченко Павел Григорьевич, кандидат технических наук, инженер-схемотехник, занимающийся разработкой микропроцессоров различного назначения – от высокопроизводительных серверных до радиационно-стойких космических. Несколько лет проработал в корпорации Intel. Автор ряда статей в рецензируемых научных журналах, а также патентов и патентных заявок в области микроэлектроники. С 2014 года регулярно проводит теоретические и практические занятия в детских образовательных лагерях по направлениям «Информационные технологии» и «Робототехника».

Детали

Артикул2649
ISBN978-5-9775-4010-0
Количество страниц176
Серия Электроника
ПереплетМягкая обложка
Печать Черно-белая
Год2020
Габариты, мм233 × 165 × 10
Вес, кг0.245

Дополнительные файлы скачать: Зеркало1Дополнительные файлы скачать (Chrome): Зеркало2

  • ✓ Новинки на 2 недели раньше магазинов
  • ✓ Цены от издательства ниже до 30%
  • ✓ Акции и скидки только для подписчиков
  • ✓ Важные новости БХВ

ПОЛЕЗНАЯ РАССЫЛКА КНИЖНЫХ НОВОСТЕЙ

Подписываясь на рассылку, вы соглашаетесь с политикой конфиденциальности и обработкой своих персональных данных.


Рекомендуем также

  •  

    Электроника: логические микросхемы, усилители и датчики для начинающих. – Бумажная книга

    1068₽
  •  

    Электроника для начинающих, 2-е изд. – Бумажная книга

    1169₽ 877₽
  •  

    Электроника для начинающих 2.0. МАЛЫЙ НАБОР + книга – Бумажная книга

    8400₽
     7140₽
  •  

    Электроника для начинающих 2.0. БОЛЬШОЙ НАБОР + книга – Бумажная книга

    15904₽ 13518₽
  •  

    Занимательная электроника, 5-е изд. – Бумажная книга

    948₽

ЦИФРОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА | EDIBON ®

ПРОДУКТЫ ЦИФРОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА

2.- ЭЛЕКТРОНИКА