Цифровая электроника и её основные характеристики

Цифровые электронные устройства: история развития, классификация электронных, комбинационных и логических устройств. Классификация вентилей как энергопотребителей. Элементная база; энергетика и скорость производства и обработки цифровой информации.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Размещено на

Автономная некоммерческая организация высшего профессионального образования Центросоюза Российской Федерации

Российский университет кооперации

Казанский кооперативный институт (филиал)

Кафедра инженерно-технических дисциплин и сервиса

Специальность 100101 (СПО) «Сервис»

Курсовая работа

на тему

Цифровая электроника и её основные характеристики

дисциплина:

Основы функционирования систем сервиса

Выполнила студентка

3 курса группы 4812

Терентьева Наталья

Научный руководитель

к.т.н., доцент Хусаинов Р.Н.

Казань 2011



Содержание

Введение

1. История развития электроники и классификация электронных устройств

2. Цифровые электронные устройства

2.1 Системы счисления

2.2 Классификация логических устройств

2.3 Комбинационные цифровые устройства

3. Элементная база цифровых устройств

3.1 Энергетика обработки цифровой информации

3.2 Энергетика и скорость производства цифровой информации

3.3 Классификация вентилей как энергопотребителей

3.4 Скорость производства информации

4. Расчетная часть

Заключение

Список литературы

Приложения



Введение

В последние годы значение цифровой техники все более и более возрастает. Причина этого заключается в значительных преимуществах цифровой техники, при создании очень сложных систем. Это достигается путем представления сигнала двумя значениями, которые могут обрабатываться вентилями с сильно нелинейными передаточными характеристиками без сбоев, накопления и дальнейшего распространения искажений сигнала. Благодаря такому представлению сигналов удалось создать полупроводниковую технологию, позволяющую реализовать до 10 элементов на одном кристалле. Поскольку целью систем цифровой техники является обработка сигналов, следует несколько подробнее рассмотреть понятие «сигнал». Сигналы служат для переноса информации. Они описываются такими физическими величинами, как напряжение, ток, давление, сила и т. д. Амплитуды таких величин зависят от времени. Передаваемая информация заключается в изменяющихся амплитудных значениях. При цифровой передаче сигнал вначале должен быть переведен в цифровую форму. В этом случае амплитуда будет предъявляться с помощью последовательности цифр. Каждая цифра представляет собой сигнал с дискретным значением.

Цифровые системы имеют ряд преимуществ перед аналоговыми системами:

- При использовании цифровых сигналов не происходит воспроизведения их искажений, благодаря чему появляется возможность реализации систем любой степени сложности, например, микропроцессоров. Это свойство цифровых систем определяет их превосходство и при передаче на большие расстояния.

- Цифровые системы сравнительно легко проектировать, поскольку способ их описания представляющий собой булеву алгебру -- аппарат очень удобный для автоматизации. Сегодня разработка сложных цифровых систем автоматизирована посредством применения высокопроизводительных алгоритмов.

- Цифровые системы можно относительно просто тестировать.

Недостаток цифровых систем:

- Цифровые системы являются более медленными системами, чем аналоговые. Поэтому в области высоких частот доминирует аналоговая техника.



1. История развития электроники и классификация электронных устройств

Электроника охватывает обширный раздел науки и техники, связанный с изучением и использованием различных физических явлений, а также разработкой и применением устройств, основанных на протекании электрического тока в вакууме, газе и твердом теле при воздействии электрических или магнитных полей. В зависимости от применяемой элементной базы можно выделить четыре основных поколения развития электроники:

Первое поколение (1904-1950гг.) характеризуется тем, что основу элементной базы электронных устройств составляли электровакуумные и вакуумные трубки, газоразрядные индикаторы и др.

Второе поколение (1950- начало 60-х гг.) характеризуется применением дискретных полупроводниковых приборов (диодов, транзисторов, тиристоров и т.д.)

Третье поколение (1960-1980гг.) связано с бурным развитием микроэлектроники и с созданием интегральных схем различной степени интеграции, а также микросборок. На этом этапе электронные устройства характеризуются резким увеличением надежности, уменьшением габаритов, массы, энергопотребления.

Четвертое поколение (с 1980 гг. по настоящее время) характеризуется дальнейшей микроминиатюризацией электронных устройств с использованием больших и сверхбольших интегральных схем. Электронные устройства (ЭУ) по способу формирования и передачи сигналов управления подразделяются на два класса: аналоговые и дискретные.

Аналоговые электронные устройства предназначены для приема, преобразования и передачи сигналов, которые изменяются по закону непрерывной (аналоговой) функции. Аналоговые ЭУ отличаются простотой, быстродействием, однако имеют низкую помехоустойчивость и нестабильность параметров при воздействии внешних дестабилизирующих факторов, например температуры, влажности, времени и т.д.

Дискретные электронные устройства предназначены для приема, преобразования и передачи электрических сигналов, представленных в дискретной форме. Такие устройства отличаются высокой помехоустойчивостью, небольшой потребляемой мощностью и стоимостью. В свою очередь дискретные электронные устройства подразделяются на импульсные и цифровые. Импульсные электронные устройства формируют импульсную последовательность сигналов. Процесс преобразования аналоговой информации в последовательность импульсов носит название импульсной модуляции. На практике широко используется амплитудная, широтно-импульсная и фазоимпульсная модуляция.

В цифровых электронных устройствах происходит кодирование сигнала, т.е. преобразование его в определенную последовательность однотипных импульсов. Цифровые электронные устройства в настоящее время получили очень широкое распространение благодаря высокой надежности, высокой помехоустойчивости, возможности длительного хранения информации без ее потери; энергетической совместимости и интегральной технологичности элементной базы.

В ряде электронных устройств имеет место аналоговая и цифровая информация. Такие устройства относятся к комбинированным электронным устройствам. К аналоговым электронным устройствам относятся: электронные усилители, операционные усилители, коммутаторы, компараторы, стабилизаторы напряжения и т.д.

К импульсным электронным устройствам относятся: мультивибраторы, одновибраторы, триггеры, блокинг-генераторы, функциональные преобразователи, генераторы пилообразного напряжения, таймеры и т.д.

К цифровым электронным устройствам относятся: логические элементы, триггеры, регистры, счетчики, дешифраторы, шифраторы, мультиплексоры, демультиплексоры, сумматоры и т.д.

К комбинированным электронным устройствам относятся: аналого-цифровые преобразователи и цифро-аналоговые преобразователи.



2. Цифровые электронные устройства

2.1 Системы счисления

Способ записи чисел цифровыми знаками называется системой счисления. Они делятся на непозиционные, например, римская система счисления, и позиционные. Система называется позиционной, если значение каждой цифры, входящей в запись числа, определяется ее местоположением в числе. В цифровой технике нашли применение только позиционной системе счисления.

Любое число в позиционной системе счисления можно представить в виде суммы

Основанием системы счисления q называется общее количество цифр, используемых в данной позиционной системе для записи чисел. Если принять q = 10, 2, 8, 16 и т.д., то будем иметь соответственно десятичную, двоичную, восьмеричную, шестнадцатеричную системы счисления. В таблице 1 приведен натуральный ряд чисел в различных системах счисления.

Для перевода чисел из одной системы счисления в другую существуют свои правила. Например, для перевода числа Nq из десятичной системы счисления в систему счисления с основанием q необходимо осуществить последовательное деление этого числа и получающихся остатков на это основание. Остатки от деления представляют собой число в системе счисления с основанием q. Например, перевести число 54 в двоичную, восьмеричную, шестнадцатеричную системы счисления:

Обратный перевод чисел в десятичную систему производится вычислением суммы:

Применение двоичной системы счисления в цифровой электронике обеспечивает более высокую скорость выполнения операций и более высокую надежность электронной аппаратуры, т.к. элементной базой для ее построения служат элементы с двумя устойчивыми состояниями.

В ряде случаев в цифровой технике применяются двоично-десятичные

коды. Для преобразования чисел из десятичной системы в двоично-десятичные коды, необходимо каждую цифру в числе заменить соответствующей тетрадой (эквивалентом), а именно:

Над числами в двоичной с...