Elektronika i techniki mikroprocesorowe Technika cyfrowa Podstawowy techniki cyfrowej Katedra Energoelektroniki, Napędu Elektrycznego i Robotyki Wydział Elektryczny, ul. Krzywoustego 2
trochę historii PLAN WYKŁADU technika cyfrowa - dlaczego?? Sygnały analogowy i cyfrowe podstawowe definicje podstawy matematyczne - algebra Boole a podstawowe elementy układów cyfrowych układy kombinacyjne W3: Technika cyfrowa 2
Trochę historii XVII w. - Gottfried Leibniz wprowadza system dwójkowy do zapisu liczb 87-847 Charles Babbage - projekt mechanicznej maszyny liczącej (zrealizowany w 99r. - waga 3 tony) 944 r. - komputer Mark I - oparty o lampy elektronowe i przekaźniki (rozmiary 7 2 m, 3 tys. mechanicznych przełączników, 75 tys. lamp elektronowych i 8 km przewodów elektrycznych), 3 dodawania na sekundę i dzielenie/2 sekund. 947 r. odkrycie tranzystora (William Shockley Bell Labs.) 959 r budowa pierwszego układu scalonego J. Kilby TI. 969 r. pierwszy mikroprocesor Intel 44 974 r. pierwszy mikrokomputer Alatir 88 (na bazie Intel 88, sprzedawany jako zestaw do składania przez hobbistów) W3: Technika cyfrowa 3
Dlaczego technika cyfrowa? Przykład sterowanie prostym procesem W3: Technika cyfrowa 4
Sygnał analogowy a cyfrowe temperatura[c] czas[min] W3: Technika cyfrowa 5
Dyskretyzacja - zamiana sygnału u ciągłego w cyfrowy próbkowanie - pomiar zmiennej wielkości analogowej w regularnych odstępach czasu kwantyzacja - zamiana wielkości analogowej w cyfrową polegający na podziale pewnego ciągłego obszaru zmienności tej wielkości na skończoną liczbę przedziałów W3: Technika cyfrowa 6
Podstawy techniki cyfrowej - Systemy pozycyjne system dziesiętny i = n a i i= k L = i a i - cyfry {..9} 573,25=5 2 +7 +3 +2 - +5-2 system dwójkowy i = n a i i= k L = 2 i 2 a i - cyfry {..} 573d = B W3: Technika cyfrowa 7
Podstawy techniki cyfrowej - Systemy pozycyjne system szesnastkowy (heksadecymalny) 573=B = 23dH =H =H =2H... =9H =ah =bh =ch =dh =eh =fh W3: Technika cyfrowa 8
Algebra Boole a - operacje logiczne operacje tylko na zmiennych dwuwartościowych: - suma logiczna (OR) - iloczyn logiczny (AND) - negacja (NOT) - suma modulo 2 (XOR) - a b=ab+ab a b a+b ab a a b W3: Technika cyfrowa 9
Algebra Boole a podstawowe prawa a+b=b+a a*(b+c)=a*b+a*c (a+b)+c=a+(b+c) a+=a a+= a+a= a*b=b*a a+b*c=(a+b)*(a+c) (a*b)*c=a*(b*c) a*=a a*= a*a= prawa de Morgana a + b=a*b a*b=a + b W3: Technika cyfrowa
Operacje logiczna na liczbach binarnych Przykład suma logiczna dwóch 8-8 bitowych liczb binarnych B OR B=B a= b= suma logiczna c= poszczególnych bitów c =a OR b... c 7 =a 7 OR b 7 W3: Technika cyfrowa
Układy kombinacyjne a sekwencyjne x x n układ kombinacyjny y y i =f i (x,x 2,..x n ) y m x x n układ sekwencyjny zegar y y m y i f i (x,x 2,..x n ) -występują elementy pamiętaj tające -moŝe e występowa pować sygnał zegarowy W3: Technika cyfrowa 2
Układy kombinacyjne - podział układy kombinacyjne bramki logiczne układy przetwarzania kodów układy artymetyczne enkodery dekodery transkodery multipleksery demultipleksery komparatory cyfrowe sumatory multiplikatory W3: Technika cyfrowa 3
Elementy układ adów w cyfrowych podstawowe bramki logiczne AND a b a*b OR a b a+b W3: Technika cyfrowa 4
Elementy układ adów w cyfrowych podstawowe bramki logiczne NOT a a XOR lub EXOR a b a b = W3: Technika cyfrowa 5
Elementy układ adów w cyfrowych bramki wielowejściowe Przykład trójwej jwejściowa bramka OR tablica prawdy a b c a+b+c d=a+b+c W3: Technika cyfrowa 6
Realizacja funkcji logicznej y=(a+b)(a+c) + ac y=(a+b)(a+c) + ac=a+bc+ac=a+ac+bc=a(+c)+bc=a+bc a b c W3: Technika cyfrowa 7 bc y
Elementy układ adów w cyfrowych bramki uniwersalne NAND a b ab a*b=a + b NOR a b a+b a + b=a*b W3: Technika cyfrowa 8
Realizacja funkcji logicznej bramki uniwersalne y=(a+b)*(a+c) ) + a*c = a+b*c = a+b*c = a * b*c a b c Dowolna funkcja logiczna moŝe zostać zrealizowana za pomocą jednego typu bramek uniwersalnych W3: Technika cyfrowa 9 y
Realizacja układ adów w cyfrowych poziomy sygnałów AND a b ab 5V U[V] logiczna V logiczne t[s] W3: Technika cyfrowa 2
Realizacja układ adów w cyfrowych budowa bramek CMOS i TTL Vdd we we2 wy Vss CMOS TTL W3: Technika cyfrowa 2
Realizacja układ adów w cyfrowych technologie produkcji W3: Technika cyfrowa 22
Realizacja układ adów w cyfrowych stan aktualny W3: Technika cyfrowa 23
Parametry układ adów w cyfrowych ObciąŜ ąŝalność maksymalny pr maksymalny prąd d wyjściowy jaki moŝe e być pobrany w stanie niskim I L A B Czas propagacji A B t t t plh W3: Technika cyfrowa 24
Realizacja układ adów w cyfrowych właściwości róŝnych r technologii W3: Technika cyfrowa 25
Oznaczanie układ adów w cyfrowych W3: Technika cyfrowa 26
Podstawowe braki w technologii HC AND 74HC8 OR NOT XOR NAND 74HC32 74HC4 74HC86 74HC NOR 74HC2 W3: Technika cyfrowa 27
Układy kombinacyjne - enkodery Enkodery uk układy słuŝąs Ŝące do zamiany wartości zapisanej w kodzie z n n na inny kod kod z n enkoder kod wyjściowy W3: Technika cyfrowa 28
Układy kombinacyjne - enkodery Enkoder kodu z na BCD kod BCD - 4 bity stanowią cyfrę..9: - -... - 8-9 np.. 76 -> > B 7 6 W3: Technika cyfrowa 29
Układy kombinacyjne - dekodery Dekoder Dekoder zamienia wartości zapisane w określonym kodzie na kod z n n W3: Technika cyfrowa 3
Układy kombinacyjne - transkodery Transkoder Transkoder zamienia wartości zapisane w określonym kodzie na inny kod (Ŝaden( z nich nie jest kodem z n n ) przykład ad: zamiana 4 bitowej liczby w kodzie BCD na kod wyświetlacza wietlacza 7-segmentowego 7 (74LS47( 74LS47) -> 2 -> W3: Technika cyfrowa 3
Układy kombinacyjne - multipleksery Multiplekser pod podłącza do wyjścia jeden z wielu kanałów wejściowych (zamiana informacji z równolegr wnoległej ej na szeregową) wejścia wyjście adres W3: Technika cyfrowa 32
Układy arytmetyczne - komparatory Komparator por porównuje dwie liczby zapisane binarnie i określa relacje miedzy nimi <>= a b a b a2 a=b b2 a3 b3 W3: Technika cyfrowa 33
Sumowanie liczb binarnych 77+5=82 + =B6H=82 W3: Technika cyfrowa 34
Układy arytmetyczne - sumatory Sumator dodaje dwie liczby zapisane binarnie A B C sumator -bitowy C A B S suma A B C S przeniesienie A B S C S W3: Technika cyfrowa 35
Układy arytmetyczne - sumatory Sumator pełny z przeniesieniem B 3 B 2 B B A 3 A 2 A A C 3 Σ Σ Σ Σ S 3 S 2 W3: Technika cyfrowa 36 S S
KONIEC WYKŁADU NR 4 W3: Technika cyfrowa 37