Введение в цифровую технику

Системная синхронизация

Системным генератором синхронизации

Генератор управляет действиями всех компонентов цифровой техники. Производит синхронизацию работы микроконтроллера и остальных элементов вычислительной системы. Формируя базовый временной
интервал, в течение которого может происходить событие, он тем самым участвует во всех операциях. Сбой в работе генератора приводит к выходу из строя всей системы, либо приводит к нестабильной работе отдельных компонентов – в общем, последствия непредсказуемы.

Простейшие варианты генератора могут быть реализованы на простых RC-цепях. Для получения высокостабильных сигналов используют кварцевые генераторы.

Примеры реализации цифровых схем:

Четырех разрядный асинхронный счетчик

Введение в цифровую техникуВведение в цифровую технику

С помощью последовательного соединения JK-триггеров (выход Q каждого триггера подключен к тактирующему входу следующего) легко получить «делитель 2n», или двоичный счетчик. Заметим, что непосредственное действие выхода Q каждого триггера на тактовый вход последующего происходит только по спаду (заднему фронту) сигнала на тактовом входе.

Делитель 2n —
При каскадном включении четырех JK-триггеров мы получаем счетчик-делитель на 16, то есть на выходе последнего триггера формируются прямоугольные импульсы, следующие с частотой, равной 1/16 частоты входного тактового сигнала. На каждом каскаде (триггере) происходит деление частоты на 2, итого делитель для 4 каскадов будет 2 в степени 4 (2х2х2х2 = 16).

Счетчик —
Каждый тактовый импульс ведет к изменению состояния выходных сигналов Q, при этом эти изменения соответствуют правилам двоичного счета, где выход первого триггера соответствует младшему значащему разряду (на графике МРЗ), а последний выход (четвертого триггера) – старшему значащему разряду (на графике СЗР). Рассматривая временную диаграмму для всех четырех выходов Q мы видим увеличение значения с каждым тактом от 0 до 15 (в двоичном представлении). Подавая содержимое выходов на индикаторы (например, светодиодные) можно строить схемы позволяющие представлять данные подсчета в понятной форме для человека.
Этот счетчик имеет очень широкое применение в промышленности, поэтому выпускаются различные модификации в виде однокристальных микросхем, для различных форматов счета, такие как 4-разрядные, двоично-десятичные и много цифровые счетчики.

Достоинство и недостатки аналоговых и цифровых устройств

Изначально все электронные устройства были только лишь аналоговыми, но со временем, когда требования к электронным устройствам выросли, начали проявляться недостатки аналоговой электроники. Всё дело в том, что аналоговые сигналы чувствительны к всяким паразитным воздействиям — шумам, наводкам, помехам, которые искажают полезный сигнал, а при передаче сигнала на большие расстояния они ослабляются.

В отличие от аналоговых сигналов, цифровые, имеющие всего два уровня разрешённых значений, защищены от воздействия шумов, наводок и помех гораздо лучше. Имеющиеся небольшие отклонения от разрешённых значений никак не искажают цифровой сигнал, так как всегда существуют зоны допустимых отклонений. Однако у цифровых устройств имеется крупный недостаток. Дело в том, что для распознавания уровня сигнала необходимо, чтобы этот уровень поддерживался в течении определённого интервала. А аналоговый сигнал может принимать любое значение в течении любого, даже самого минимального, периода времени. Поэтому часто аналоговые сигналы называют непрерывными во времени, а цифровые — дискретные по времени сигналы. Отсюда можно сделать вывод, что максимально достижимое быстродействие аналоговых устройств всегда принципиально выше, чём цифровых.

Общие сведения об информации

Цифровые устройства являются составной частью всех ЭВМ, систем
автоматического управления, автоматизированного управления и
предназначены для обработки, хранения и передачи дискретной
(цифровой) информации.

В узком смысле слова информация — отражение реального мира.

С точки зрения связистов и электронщиков – информация — это любые
сведения, являющиеся объектом хранения, передачи и преобразования.

Информацию, воплощенную и зафиксированную в некоторой материальной форме, называют сообщением и передают с помощью сигналов.

Сигналом могут служить любые физические явления или объекты, изменение параметров которых во времени несет
информацию в прямом или закодированном виде (свет, звук, напряжение, ток, давление, и т.д.).

В общем случае информационное сообщение может быть
представлено в виде функции . Причем эта функция может
принимать любые вещественные значения в диапазоне изменения
аргумента . Например, изменение температуры во времени.

Введение в цифровую технику

Рис.1 — Графическое представление непрерывного (а) и дискретного (б) сигнала

Информационное сообщение может иметь как непрерывный, так и
дискретный характер (рис. 1). В
автоматизированных системах управления (АСУ) и в технике связи для
преобразования аналоговых сигналов в цифровую форму используются
аналого-цифровые преобразователи (АЦП) различных типов,
дельта-модуляторы.

Зачем использовать цифровую обработку сигналов?

Чтобы понять, как цифровая обработка сигналов, или DSP, сопоставляется с аналоговой схемотехникой, можно сравнить две системы с назначением какого-либо фильтра. В то время как аналоговый фильтр будет использовать усилители, конденсаторы, индуктивности или резисторы и будет доступным и простым в сборке, будет довольно сложно его настроить, или изменить его порядок. Однако, то же самое можно сделать с помощью DSP системы, просто упростив проектирование и модификацию. Работа фильтра на DSP системе основана на программном обеспечении, поэтому можно выбрать из нескольких фильтров. Кроме того, для создания гибких и регулируемых фильтров с характеристиками высокого порядка требуется только программное обеспечение DSP, тогда как для аналогового решения требуется дополнительное аппаратное обеспечение.

Например, практический полосовой фильтр с заданной частотной характеристикой должен иметь управление частотой среза, настройку полосы пропускания, управление шириной полосы пропускания, бесконечное затухание в полосе задерживания и характеристику в полосе пропускания, которая является полностью плоской с нулевым фазовым сдвигом. Если использовать аналоговые методы, фильтры второго порядка потребуют много звеньев с высоким уровнем добротности, что в конечном итоге означает, что его будет очень сложно отрегулировать и подстроить. Подходя к этой задаче с помощью программного обеспечения DSP, возможно использование конечной импульсной характеристики (КИХ, FIR, finite impulse response), т.е. временной отклик фильтра на импульс представляет собой взвешенную сумму текущего и конечного количества предыдущих входных значений. Обратной связи нет, реакция фильтра на полученный отсчет заканчивается, когда этот отсчет достигает «конца линии». С учетом этих различий в проектировании, программное обеспечение DSP выбирается из-за его гибкости и простоты по сравнению с проектами аналоговых схем фильтров.

Популярные статьи  Делаем креативный подстаканник из старой клавиатуры

Использование DSP при создании этого полосового фильтра не является чересчур страшной задачей. Реализация DSP и изготовление фильтров становятся намного проще, так как вам нужно просто одинаково запрограммировать каждый DSP чип, состоящий в устройстве. Однако, используя аналоговые компоненты, вы рискуете натолкнуться на неисправные компоненты, на необходимость настройки схемы и «программирования» фильтра для каждой отдельной аналоговой схемы. DSP создает доступный и менее утомительный способ создания фильтра для обработки сигналов и повышает точность настройки и регулировки фильтров в целом.

Операции над числами

Как уже упоминалось выше цифровые устройства должно иметь возможность считывать число, запоминать и демонстрировать его. Но для выполнения этих функций не нужно было бы такое разнообразие цифровых устройств. Самое главное что должно уметь выполнять цифровое устройство — это выполнять операции над числами, которые оно принимает на свой вход и на выходе получать какой то результат.

Существует великое множество операций над числами, но в цифровой электронике этих основных операций всего три — это логическое умножение, логическое сложение и логическое отрицание.

1. Логическое умножение (функция «И»). Как же будет зависеть результат на выходе от входных данных? Мы привыкли употреблять союз И так, что слова которые он объединяет понимаются, как неразрывное целое. Например, пусть даны два простых выражения.Володя принёс молотокА;Володя принёс стамескуВ.
Составим их логическое произведение.Володя принёс молоток И Володя принёс стамеску — (АВ).
Истинным такое высказывание будет только при условии, что Володя принёс оба предмета (А = 1, В = 1). Зависимость истинности логического произведения от сомножителей можно задать таблицей, называемой таблицей истинности:

A B AB
1 1 1
1
1

2. Логическое сложение (функция «ИЛИ»). Воспользовавшись нашими высказываниями:
Володя принёс молоток — А;Володя принёс стамескуВ.
Составим их логическую сумму.Володя принёс молоток ИЛИ Володя принёс стамеску — (А + В).

Ясно, что ложным такое высказывание будет при условии, что Володя не принёс ни одного из предметов, а истинным когда есть хотя бы один из них. Таблица истинности в таком случае будет следующей:

A B A + B
1 1 1
1 1
1 1

3. Логическое отрицание (функция «НЕ»). Указание совершить операцию отрицания на высказыванием А записывается так: А. Ясно, что если данное высказывание истинно, то его отрицание ложно и наоборот.

Солнце всходит на востоке (А = 1); Солнце не всходит на востоке (А = 0).

Таблица истинности будет такой:

A А
1
1

Простейшие логические схемы

Реализацию логических выражений можно осуществить с помощью простых электронных схем, на входы которых поступают электрические входные сигналы, а на выходе формируется выходной сигнал, который соответствует логической функции.

1. Логический элемент И. Представляет собой схему, в которой сигнал 1 на выходе появляется только тогда, когда на входе А и входе В совпадают сигналы 1. Простейший логический элемент И может быть реализован на последовательно включённых контактах реле, управляемых с помощью кнопок.


Введение в цифровую технику
Релейно-контактная схема элемента И

Условное обозначение логического элемента И с двумя входами показано ниже. На выходе логического элемента И сигнал 1 появится только тогда, когда на всех входах совпадут сигналы 1.

Условное графическое изображение логического элемента И

2. Логический элемент ИЛИ. Представляет собой схему, на выходе которой появляется сигнал 1, если на входе А или входе В или на обоих входах присутствует сигнал 1. Простейший логический элемент ИЛИ может быть реализован на параллельно включённых контактах реле, управляемых с помощью кнопок.


Введение в цифровую технику
Релейно-контактная схема элемента ИЛИ

Условное обозначение логического элемента ИЛИ с двумя входами показано ниже. На выходе логического элемента ИЛИ сигнал 1 появится в случае появления хотя бы на одном из входов сигнала 1.

Условное графическое изображение логического элемента ИЛИ

3. Логический элемент НЕ. Представляет собой схему, на выходе А которой появляется сигнал 1 при отсутствии на входе А сигнала 1. Простейший логический элемент НЕ реализован на реле с нормально замкнутыми контактами.

Релейно-контактная схема элемента НЕ

Условное обозначение логического элемента НЕ показано ниже. На выходе логического элемента НЕ сигнал 1 появится в случае отсутствия сигнала 1 на входе

Условное графическое изображение логического элемента НЕ

Логические элементы И, ИЛИ и не предназначены для выполнения трёх основных операций цифровой логики над дискретными сигналами. С помощью этих элементов можно реализовать логические операции любой сложности. Поэтому эти элементы называются основными.

Теория это хорошо, но необходимо отрабатывать это всё практически ПОПРОБЫВАТЬ МОЖНО ЗДЕСЬ

Виды электрических сигналов

Постоянный ток

Постоянный ток (напряжение), или постоянный сигнал –

сигнал, имеющий постоянное значение амплитуды электрической величины (ток, напряжение) во времени. Наиболее широко используется при организации питания низковольтных устройств, источники постоянного тока(напряжения) служат обычные батарейки, аккумуляторы а также вторичные источники питания – блоки питания. Схема питания постоянным током (Gb – источник питания, R – нагрузка) и временной график (показывает изменение / форму сигнала во времени).

Кратковременный сигнал

Импульс –

кратковременный сигнал, у которого меняется значение амплитуды электрической величины (ток, напряжение), а также может меняться длительность (Т) и форма сигнала. Для управления электронными устройствами наиболее широкое применение получили прямоугольные импульсы, форма одиночного импульса (временной график) и простейшая схема получения изображена на рисунке(Gb – источник питания, S – выключатель, R – нагрузка).
Принцип получения одиночного прямоугольного импульса – описание соответствия участков графика с положением S выключателя:
    1-2 участок: тока нет – выключатель S разомкнут (начальное положение на схеме). В цифровой электроники это состояние имеет значение сигнала «0» (ноль);
    2-3 участок: в момент замыкания S – ток резко нарастает;
    3-4 участок: ток имеет постоянную величину – S замкнут. В цифровой электроники это состояние имеет значение сигнала «1» (единица);
    4-5 участок: в момент размыкания S – ток резко уменьшается;
    5-6 участок: тока нет — S разомкнут, соответствует величине «0» -.

Виды простых периодических сигналов

1. Переменный ток (напряжение) –

сигнал, имеющий изменяемое значение амплитуды электрической величины (ток, напряжение) во времени, помимо амплитуды характеризуется такими параметрами как период T и частота f, которые также могут изменяться. Чаще всего под переменным напряжением подразумевается напряжение бытовой сети имеющим в России следующие параметры: U = 220В, f = 50Гц. Форма сигнала синусоида на рисунке простейшая схема питания переменным током и его временной график.

2. Периодический прямоугольный сигнал –

сигнал, который формируется подачей одинаковых с установленной частотой f следования. На рисунке временной график периодического прямоугольного сигнала. Широко применяется для синхронизации в микропроцессорной технике, получается с помощью .

3. Пилообразный сигнал –

сигнал, пилообразной формы, характеризуется амплитудой и частотой следования . Широко применяется для синхронизации в различных электронных устройствах. На рисунке приведен временной график пилообразного сигнала.

Применения DSP

Существует множество вариантов цифровых сигнальных процессоров, которые могут выполнять разные вещи в зависимости от выполняемого приложения. Некоторые из этих вариантов: обработка аудиосигнала, сжатие аудио и видео, обработка и распознавание речи, цифровая обработка изображений, радиолокационные приложения. Разница между каждым из этих приложений заключается в том, как цифровой сигнальный процессор может обрабатывать каждый вход. Существует пять различных аспектов, которые варьируются для каждого DSP: тактовая частота, размер ОЗУ, ширина шины данных, размер ПЗУ и напряжение входа/выхода. Все эти компоненты действительно будут влиять на формат вычислений, скорость, организацию памяти и ширину данных процессора.

Одной из известных архитектурных схем является гарвардская архитектура. Эта конструкция позволяет процессору одновременно обращаться к двум банкам памяти с помощью двух независимых наборов шин. Данная архитектура может выполнять математические операции, одновременно получая дополнительные инструкции. Другая архитектура – архитектура памяти фон Неймана. Так как в ней есть только одна шина данных, инструкции не могут быть загружены во время выполнения команд. Это создает пробку, которая, в конечном счете, замедляет выполнение приложений DSP. Хотя эти процессоры похожи на процессор, используемый в обычном компьютере, эти цифровые сигнальные процессоры являются специализированными. Это часто означает, что для выполнения задач DSP процессоры требуют использовать арифметику с фиксированной точкой.

Другим аспектом является дискретизация, т.е. преобразование непрерывного сигнала в дискретный сигнал. Одним из основных ее приложений является преобразование звуковых сигналов. Дискретизация аудиосигналов использует цифровые сигналы и импульсно-кодовую модуляцию для воспроизведения звука. Необходимо, чтобы люди слышали звук от 20 Гц до 20 кГц. Частоты дискретизации выше, чем около 50-60 кГц, не могут предоставить человеческому уху больше информации. При помощи этой технологии дискретные отсчеты аудиосигналов могут быть воспроизведены, используя различные фильтры с программным обеспечением DSP, АЦП и ЦАП.

Цифровая обработка сигналов широко используется в повседневных операциях и имеет важное значение для преобразования аналоговых сигналов в цифровые для многих целей. Я надеюсь, что эта статья предоставила информацию, достаточную, чтобы получить общее представление о том, что такое DSP процессоры, как они работают, и что они используются во множестве областей

Если у вас есть какие-либо вопросы или мысли, пожалуйста, оставляйте комментарии ниже!

Я надеюсь, что эта статья предоставила информацию, достаточную, чтобы получить общее представление о том, что такое DSP процессоры, как они работают, и что они используются во множестве областей. Если у вас есть какие-либо вопросы или мысли, пожалуйста, оставляйте комментарии ниже!

Что такое цифровая обработка сигналов?

DSP манипулирует различными типами сигналов с целью фильтрации, измерения или сжатия и создания аналоговых сигналов. Аналоговые сигналы отличаются приемом информации и переводом ее в электрические импульсы разной амплитуды, тогда как информация цифрового сигнала преобразуется в двоичный формат, где каждый бит данных представлен двумя различимыми амплитудами. Еще одна заметная разница заключается в том, что аналоговые сигналы могут быть представлены как синусоидальные волны, а цифровые сигналы представлены как прямоугольные волны. ЦОС можно найти практически в любой области, будь то обработка нефти, воспроизведение звука, радар и гидролокатор, обработка медицинских изображений или телекоммуникации – по сути, любое приложение, в котором сигналы сжимаются и воспроизводятся.

Аналоговый и цифровой сигналы

Так что же такое цифровая обработка сигналов? Цифровая обработка сигналов принимает сигналы, такие как звук, голос, видео, температура или давление, которые уже оцифрованы, а затем математически управляет ими. Затем эта информация может быть представлена как дискретное время, дискретная частота или другие дискретные формы, чтобы эта информация могла обрабатываться в цифровом виде. В реальном мире для приема аналоговых сигналов (звука, света, давления или температуры) и преобразования их в нули и единицы для цифрового формата необходим аналого-цифровой преобразователь.

DSP содержит четыре ключевых компонента:

  • Вычислительная система: математические манипуляции, вычисления и процессы путем организации связи программы, или задачи, из памяти программ и информации, хранящейся в памяти данных.
  • Память данных: хранит информацию, подлежащую обработке, и работает совместно с памятью программ.
  • Память программ: в ней хранятся программы, или задачи, которые DSP будет использовать для обработки, сжатия или управления данными.
  • Ввод/вывод: он может зависеть от различных вещей, в зависимости от области, в которой используется DSP, т.е. внешних портов, последовательных портов, таймеров и подключения к внешнему миру.

Ниже приведено представление о том, как выглядят эти четыре компонента цифровой обработки сигналов в общей конфигурации системы.

Ключевые компоненты цифоровой обработки сигналов (ЦОС)

DSP фильтры

Фильтр Чебышева – это цифровой фильтр, который может использоваться для разделения одной полосы частот от другой. Эти фильтры известны своим основным атрибутом, скоростью, и хотя они не являются лучшими в категории производительности, они более чем достаточны для большинства приложений. Конструкция фильтра Чебышева была спроектирована вокруг математической методики, известной как z-преобразование. В принципе, z-преобразование преобразует дискретный во времени сигнал, состоящий из последовательности действительных или комплексных чисел, в представление в частотной области. Отклик фильтра Чебышева обычно используется для достижения более быстрого спада, допуская волнистость на частотной характеристике. Эти фильтры называются фильтрами 1 рода, что означает, что пульсации на частотной характеристике допускаются только в полосе пропускания. Это обеспечивает наилучшее приближение к идеальному отклику любого фильтра для заданных порядка и пульсаций. Он был разработан, чтобы подавлять определенные частоты и позволить другим частотам проходить через фильтр. Фильтр Чебышева, как правило, является линейным по своей характеристике, а нелинейный фильтр может привести к появлению в выходном сигнале частотных составляющих, отсутствующих во входном сигнале.

Представление чисел в цифровых устройствах

Системы счисления

Система счисления — это код, в котором использованы
специальные символы для обозначения количества каких либо объектов.
Количество символов в системе счисления носит название его
основания. Например, система счисления с основанием 10 имеет десять
символов от 0 до 9. Система счисления с основанием два содержит
всего два символа, эта система называется двоичной системой
счисления. В шестнадцатеричной системе используется 16 символов и
т.д.

Чем меньше основание системы счисления, тем больше разрядов требуется
для представления одного и того же количества объектов.
Количественное значение символа определяется его номером разряда,
т.е. местом расположения этого символа в числовом ряду.

Десятичная система счисления.

Основание этой системы счисления Р=10, так как для
записи цифр разрядов используется десять символов. В качестве
примера возьмем десятичное число 523.0. Здесь цифра 5 обозначает
число 500, так как оно занимает по порядку 3-й разряд слева от
десятичной точки.

523 = 5•102+ 2•101 + 3•10 — отсюда следует, что
каждый разряд имеет свой “вес”. В зависимости от номера разряда
(т.е. от номера позиции символов) разряды имеют следующие весовые
коэффициенты

Таким
образом, весовой коэффициент разряда в общем случае определяется как
Рn-1, где n-порядковый номер разряда после точки (для
целых чисел обычно точка не указывается, но подразумевается).
Разряды справа после точки имеют следующие веса: Р-1,
Р-2, и т.д.

Шестнадцатеричная система
счисления

Основание этой системы Р = 16 и для записи цифр
разрядов используются 16 символов 0, 1, 2,  . . . 9, А, В, С, D, Е, F.
Весовые коэффициенты определяются как Рn-1, т.е. имеют
значения 1, 16, 256, 4096, и т.д.

Двоичная система счисления

Понятие весовых коэффициентов сохраняется и для чисел двоичной
системы счисления (основание Р = 2). Рассмотрим пример, где число
представлено в двоичной системе счисления и имеет вид
11011012 (индекс «2» в конце числа показывает, что число
представлено в двоичной системе счисления). Десятичный эквивалент
этого числа, т.е. значение числа в привычной для нас системе
счисления, определим, используя весовые коэффициенты разрядов
символов

11011012=1·26 + 1·25 + 0·24 + 1·23 + 1·22 + 0·21 + 1·2 =
= 1·64 + 1·32 + 0·16 + 1·8 + 1·4 + 0·2 + 1·1 = 10910.

Таким образом, десятичный эквивалент двоичного
числа определяется как сумма весовых коэффициентов разрядов, имеющих
единичный сомножитель.

В цифровой технике часто используется и двоично-десятичная
система счисления. При этом каждый разряд десятичного числа представляется четырьмя
разрядами двоичного числа. Очевидно, что при этом используются не
все значения четырехразрядного двоичного числа, т.к. оно может
реализовать числа от 0 до 15, а в двоично-десятичной системе
используется лишь значения от 0 до 9.

Классы сигналов

Среди множества сигналов можно выделить два типа сигналов,
используемых для передачи, обработки и хранения информации. Это аналоговый и дискретный сигналы.

Аналоговым называется сигнал, определенный для любого момента времени.

Дискретным называется сигнал, определенный только в дискретные моменты времени,
например, через одну мсек. и т.д. Каждое значение дискретного
сигнала может быть представлено числом любой приемлемой системы
счисления. В цифровых системах представление дискретных значений
сигнала числом, называется кодированием.

Кодирование чаще всего производится числами двоичной системы счисления.

Введение в цифровую технику

Рис. 2 — Процесс квантования аналогового сигнала
nT=1; T=t2-t1; n — количество отсчетов за единицу времени;
Т — интервал времени между двумя отсчетами;
Kn— десятичный эквивалент количества шагов квантования;
Δкв— шаг квантования;

Значение кодированного числа, представленное в привычной для
нас десятичной системе счисления, определяет число уровней
() квантования, т.е. дискретизации (рис. 2).

Шаг квантования (дискретизации) Δкв определяется как

Число разрядов двоичного числа m, соответствующего , определяется как

т.е. как целая часть логарифма максимального значения числа ,
дополненного единицей.

Оцените статью
Денис Серебряков
Добавить комментарии

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!:

Введение в цифровую технику
Деревянная подставка-органайзер для цветных карандашей своими руками