Аналоговые, дискретные и цифровые сигналы

Любая физическая величина по характеру изменения ее значения может быть постоянной (если она имеет лишь одно фиксированное значение), дискретной (если она как правило имеет два или более фиксированных значений), или аналоговой (если она как правило имеет бесчисленное очень много значений). Эти все величины могут быть преобразованы в цифровую форму.

Аналоговым именуется такой сигнал, который вероятно будет представлен непрерывной линией из большинства значений, некоторых в любой момент времени относительно временной оси. Значения аналогового сигнала произвольны в любой момент времени, благодаря этому он может быть как правило представлен как определенная постоянная функция (зависящая от времени как от переменной) либо как кусочно-непрерывная функция времени.
Аналоговым сигналом можно назвать, к примеру, звуковой сигнал, генерируемый обмоткой электромагнитного микрофона или ламповым звуковым усилителем, так как такой сигнал непрерывен и его значения (напряжение или ток) намного разнятся друг от друга в любой момент времени.

На приведенном ниже рисунке изображен пример такого рода аналогового сигнала.

СРАВНЕНИЕ СКАНЕРОВ ЧАСТОТ! РАЦИЯ БАОФЕНГ.

СУБТОНЫ. ЦИФРОВЫЕ СИГНАЛЫ.

Цифровой сигнал

Аналоговые величины могу иметь безграничное очень много значений в некоторых пределах. Они непрерывны и их значения не могут изменяться скачками.

Пример аналогового сигнала: термопара передает в аналоговом виде значение температуры в программируемый закономерный контроллер, управляющий при помощи твердотельного реле температурой в электрической печи.

Цифровой сигнал

Если некий сигнал принимает произвольные значения лишь в отдельные моменты времени, то такой сигнал именуют дискретным. Очень часто в работе используются дискретные сигналы, распределенные по одинаковой временной решётке, шаг которой именуется интервалом дискретизации.

Дискретный сигнал принимает некоторые не нулевые значения лишь во времена дискретизации, другими словами он считается не непрерывным в отличии от аналогового сигнала. Если из звукового сигнала вырезать маленькие кусочки конкретного размера через равные интервалы, такой сигнал можно будет назвать дискретным.

Ниже приведен пример формирования аналогичного дискретного сигнала с интервалом дискретизации Т. Стоит обратить внимание, что квантуется лишь интервал дискретизации, однако не сами значения сигнала.

Цифровой сигнал

Дискретные сигналы имеют два и более фиксированных значений (кол-во их значений всегда выражается целыми числами).
Пример обычного дискретного сигнала на 2 значения: срабатывание путевого выключателя (переключение контактов выключателя в конкретном положении механизма).

Сигнал с путевого выключателя может быть получен только в 2-ух вариантах — контакт разомкнут (нет действия, нет напряжения) и контакт замкнут (есть действие, есть напряжение).

Цифровой сигнал

Когда дискретный сигнал принимает только какие-нибудь фиксированные значения (которые могут быть размещены по сетке с конкретным шагом), такие что они бывают представлены как кол-во квантовых величин, такой дискретный сигнал именуется цифровым. Другими словами цифровой сигнал — это такой дискретный сигнал, который квантован не только по промежуткам времени, но и по уровню.
Фактически дискретные и цифровые сигналы во многих задач отождествляются, и могут быть легко заданы в форме отсчетов при помощи вычислительного устройства.

На рисунке приведен пример формирования цифрового сигнала на базе аналогового. Стоит обратить внимание, что значения цифрового сигнала не могут принимать промежуточных значений, а исключительно некоторые — целое кол-во вертикальных шагов сетки.

Цифровой сигнал

Цифровой сигнал легко записывается и перезаписывается в память вычислительных устройств, просто считывается и копируется без потери точности, в то время как перезапись аналогового сигнала всегда сопряжена с утратой некоторой, пускай и маленькой, части информации.
Обработка цифровых сигналов дает возможность получать устройства с самыми высокими свойствами благодаря выполнению вычислительных операций абсолютно без потерь качества, либо с пренебрежимо малыми потерями.
В силу данных хороших качеств, собственно цифровые сигналы везде популярны сейчас в системах хранения и обработки данных.

Вся современная память — цифровая. Аналоговые носители информации (например пленочные кассеты и т.д.) давно канули в прошлое.

Аналоговый и цифровой приборы чтобы провести измерения напряжения:

Цифровой сигнал

Однако даже у цифровых сигналов есть собственные минусы. Их нереально передать напрямую как есть, потому что передача в большинстве случаев реализовывается при помощи непрерывных электро-магнитных волн. Благодаря этому при передаче и приеме цифровых сигналов нужно склоняться к добавочной модуляции и аналого-цифровому преобразованию.

Меньший динамический диапазон цифровых сигналов (отношение самого большего значения к наименьшему), обусловленный квантованностью значений по сетке, считается дополнительным их минусом.
Есть и такие области, где аналоговые сигналы незаменимы.

К примеру аналоговый звук никогда не идет в сравнение с цифровым, благодаря этому ламповые усилители и пластинки даже в наше время из моды не уходят, не обращая внимания на изобилие цифровых форматов записи звука с самой большой частотой дискретизации.

Цифровой и аналоговый сигнал – что это такое и какая между ними разница

Приветствую вас, мои дорогие подписчики и все желающие узнать разницу и что такое цифровой и аналоговый сигнал. Это один из самый часто задаваемых вопросов, благодаря этому я постараюсь создать собственный рассказ максимально доступным и понятным, если есть возможность исключив из него непростую научную терминологию.
Для начала давайте будем определяться с понятием и типом сигнала, ведь он может быть световой, звуковой, электрический.

Думаю, что последний удостаивается самого большего внимания в моем компьютерном блоге. О нем мы и будем беседовать, а прочие я также задействую как пример.
Многим довольно не просто представит себе электрический сигнал, поступающий по проводам, но благодаря данному устройству как осциллограф мы увидим, что это такое.

В случае с аналоговым мы будем наблюдать синусоиду, а цифровой будет представлен как с прямыми углами зубцы со стены крепостной стены. Почему так происходит, предлагаю разобраться.

Цифровой сигнал

Сигнал, создаваемый по образу и подобию

С аналоговыми сигналами мы встречаемся регулярно и наиболее великолепно их можно показать при помощи виниловой музыкальной пластинки. На ней звук записан в виде извилистой борозды.
Идущая по ней игла проигрывателя повторяет контур и передает собственные движения на устройство, издающее звук.

До недавнего времени, в граммофоне для этого применялся раструб, усиливавший амплитуду колебаний и превращавший их в звук.
Можно сказать, что на пластинке был записан собственно аналоговый сигнал в чистом виде.

И это подводит нас к мысли про то, что он собой представляет информацию о волновом процессе, параметрами которого считаются амплитуда (громкость) и частота (тональность звука).

Цифровой сигнал

Тут я хочу сделать научное отступление.
Получившиеся люди знают, что звук и свет, тепло и Ультрафиолетовое излучение и радиосигналы – это все волны конкретной частоты. Создавая такие же колебания, мы приобретаем их аналог (или аналоговый сигнал).

Продолжаем рассматривать нашу виниловую пластинку. Мы знаем что граммофон – это позапрошлый век, и по прошествии времени он превратился в электроаппаратуру.

Что добавилось?

Как правильно принимать сигнал цифрового телевидения DVB-T2

Возле иглы поставили пьезокристалл, который под действием механических колебаний выдавал переменный ток, который уже можно передавать. Его напряжение изменялось аналогичный частотой и амплитудой, как и звуковой дорожке пластинки.

Ток кристалла был ну мелкий и требовал усиления.
С подобной обработкой превосходно справлялся подходящий блок.

На выходе мы получали ток, с такой же частотной характеристикой, но пропорционально увеличенной амплитудой, которая отвечает большему напряжению.
Такое напряжение уже способно смещать сердечник в электромагнитной катушке динамика, вынуждая его мембранную ткань колебаться… Правильно, с подобной же частотой и амплитудой.

Цифровой сигнал

Выходит, сигнал именуется аналоговым, так как он точно повторяет параметры, которые необходимо передать. И с ним мы встречаемся везде:

  • вы в настоящий момент читаете тест. В нем есть буквы-сигналы, подобные конкретным звукам. А слова, которые вы мысленно произносите при этом – аналоги предметов или действий;
  • любая картина, рисунок или фотография – аналог того, что мы видим;
  • звук, которые преобразуется в радиоволны FM приемника также аналоговый сигнал.

Весь мир в 2-ух цифрах

Теперь пришло время разобраться с цифровым сигналом. И тут сразу стоит обговорить, о каких цифрах говорится.

Всего о 2-ух:

  • 0, или «ноль» это отсутствие сигнала (напряжения, Если же говорить о передаче по проводам);
  • 1, или «единица», сигнал подается (сетевое напряжение есть, причем значения не имеет какое оно);
Цифровой сигнал

Благодаря этому, анализируя цифровой сигнал на экране осциллографа, мы видим не медленно изменяющуюся линию, а иногда появляющиеся с прямыми углами «зубцы», верхняя линия которых отвечает значению подаваемого напряжения.
Это и есть «единица», или сигнал.

А в промежутке между ними линия находится на нуле, напряжения нет. Этот вид именуется дискретным, состоящим из индивидуальных элементов.

Цифровой сигнал

Самым обычным примером цифрового сигнала считается азбука Морзе. Закодированные с ее применением сообщения можно передавать по кабелю, звуком, светом или записав на ленте телеграфа.
Однако у нас в настоящий момент век цифровых технологий и даже ребенок знает, что при помощи нулей и единиц можно записать любую информацию, применяя двоичный код.

А как это можно создать, знают лишь профессионалы. Тут применяется непростая система кодов, описывающая, как необходимо читать очередность импульсов, и какая информация в них описана.

Цифровой сигнал

К примеру, когда говорим о музыке, аналоговая синусоида колебаний звука разбивается на отдельные временные участки и для любого из них определяется значение напряжения на сегодняшний день. Чем меньше такие промежутки (частота дискретизации), тем намного точнее можно описать исходную синусоиду, однако она уже выйдет в виде большинства ступенечек.

Оцифровка звука применяется везде (в компьютерах, в сотовой связи) благодаря этому для облегчения этой задачи есть два типа устройств:

  • аналогово-цифровой преобразователь (АЦП);
  • цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП).
Цифровой сигнал

Аналоговый сигнал

Пример со звуком наиболее ярко показывает, как можно превратить аналоговый сигнал в цифровой и наоборот.

Однако в реальности цифровой сигнал имеет намного больше шансов. Ведь цифрой можно описать и изображение, задав для любого отдельного пикселя значения насыщенности RGB составляющих.

Или передать подробную информацию о рабочих параметрах устройства.

Сравниваем сигналы

В работе разницу с цифровым и аналоговым сигналом можно почувствовать, сравнивая регулятор громкости в виде крутящейся ручки либо в виде сенсорных кнопок. В первом, аналоговом случае, мы сможем менять параметр более медленно, а в другом (цифровом) намного точнее.

Цифровой сигнал

Однако если увидеть глубже, то отличий между цифровым и аналоговым сигналом значительно больше. Сначала опишу характерности аналогового:

  • для передачи сигнала не нужны кодировщики, он идет напрямую;
  • разные помехи могут исказить сигнал;
  • на больших расстояниях происходит затухание сигнала.

Теперь выделю плюсы цифрового:

  • стабильный сигнал, который можно передавать на любые расстояния без потери качества;
  • довольно широкий «выбор» типов передаваемой информации (видео, фото, звук, команды управления);
  • большая пропускная способность и возможность передачи нескольких потоков информации по одному каналу;
  • возможность кодирования дает возможность увеличить уровень информационной безопасности;
  • разнообразие вариантов записи и хранения сигналов, компактность носителей;

Ясно, что цифра выигрывает, как более прекрасный способ передачи сигнала. Не зря такой способ изменения и трансляции информации на сейчас считается наиболее прогрессивным и популярным
На этом мое повествование про цифровой и аналоговый сигнал окончено.

Надеюсь, что теперь вы имеете максимально хорошее представление про них.
На этом все, до новых встреч на данном сайте и всем удачи.

Аналоговый и цифровой сигнал. Типы сигналов и как это действует

Сигналами именуют информационные коды, которые используются людьми для того, чтобы передавать сообщения в информационной системе. Сигнал подается, но его получение не обязательно.

В то время как сообщением можно считать только такой сигнал (или совокупность сигналов), который был принят и декодирован получателем (аналоговый и цифровой сигнал).
Одними из первых методов передачи информации без участия людей или других живых существ были сигнальные костры.

При появлении опасности постепенно разводились костры от одного поста к иному. Дальше мы будем рассматривать способ передачи информации с помощью электро-магнитных сигналов и детально остановимся на рассмотрении темы аналоговый и цифровой сигнал .

Цифровой сигнал

Любой сигнал может быть представлен в виде функции, которая описывает изменения его параметров. Такое представление комфортно для изучения устройств и систем радиотехники. Кроме сигнала в радиотехнике есть еще шум, являющийся его альтернативой.

Шум не несет ценной информации и искажает сигнал, взаимодействуя с ним.
Само понятие дает шанс отвлечься от определенных физических величин при рассмотрении явлений, которые связаны с кодированием и декодированием информации.

Математическая модель сигнала в исследованиях позволяет опираться на параметры функции времени.

Типы сигналов

Сигналы по физической обстановке носителя информации разделяют на электрические, оптические, звуковые и электромагнитные.
По методу задания сигнал может быть постоянным и нерегулярным.

Регулярный сигнал представляется детерминированной функцией времени. Нерегулярный сигнал в радиотехнике представлен хаотической функцией времени и анализируется вероятностным подходом.

Сигналы в зависимости от функции, которая описывает их параметры могут быть аналоговыми и дискретными. Дискретный сигнал, который был подвергнут квантованию именуется цифровым сигналом.

Обработка сигнала

Аналоговый и цифровой сигнал отделывается и направлен на то, чтобы передать и получить данные, закодированную в сигнале. После извлечения информации ее можно использовать для разных целей.

В приватных случаях информация подвергается форматированию.
Аналоговые сигналы подвержены усилению, фильтрации, модуляции и демодуляции.

Цифровые же плюс к этому еще могут подвергаться сжатию, обнаружению и др.

Аналоговый сигнал

Наши органы чувств воспринимают всю поступающую в них информацию в аналоговом виде. Например, если мы видим проезжающий мимо автомобиль, мы видим его движение постоянно. Если бы наш мозг мог получать информацию о его положении раз в 10 секунд, люди бы регулярно попадали под колеса.

Но мы можем оценивать расстояние куда быстрее и это расстояние в любой момент времени четко определено.

Цифровой сигнал

Полностью то же самое происходит и со второй информацией, мы можем оценивать громкость всегда, ощущать какое давление наши пальцы оказывают на предметы и т.п. Говоря иначе, фактически любая информация, которая может появляться в природе имеет аналоговый вид. Передавать аналогичную информацию легче всего аналоговыми сигналами, которые считаются непрерывными и установлены в любое время.

Чтобы понимать, как смотрится аналоговый электрический сигнал, можно вообразить для себя график, на котором будет отображена амплитуда по вертикальной оси и время по горизонтальной оси. Если мы, например, отмеряем температурное изменение, то на графике возникнет постоянная линия, отображающая ее значение в любой момент времени. Чтобы передать такой сигнал при помощи электротока, нам нужно сравнить значение температуры со значением напряжения.

Так, к примеру, 35.342 градуса по шкале Цельсия могут быть закодированы как напряжение 3.5342 В.
Аналоговые сигналы до недавнего времени применялись во всех разновидностях связи. Во избежание помех такой сигнал необходимо усиливать.

Чем выше параметр шума, другими словами помех, тем сильнее нужно усиливать сигнал, чтобы можно было его принять без искажения. Подобный вариант обработки сигнала затрачивает много энергии на тепловыделение. При этом очень сильный сигнал может сам оказаться причиной помех для остальных каналов связи.

В настоящий момент аналоговые сигналы еще используются в телевидении и радио, для изменения входного сигнала в микрофонах. Но, в общем, данный тип сигнала везде вытеснен или вытесняется цифровыми сигналами.

Цифровой сигнал

Цифровой сигнал представлен последовательностью цифровых значений. Очень часто сегодня используются двоичные цифровые сигналы, так как они применяются в двоичной электронике и легче кодируются.

Цифровой сигнал

В отличии от предыдущего типа сигнала цифровой сигнал имеет два значения «1» и «0». Если мы вспомним наш пример с измерением температуры, то здесь сигнал будет сформировался иначе.

Если напряжение, которое подается аналоговым сигналом отвечает значению измеряемой температуры, то в цифровом сигнале для любого температурные значения будет подаваться некоторое количество импульсов напряжения. Сам импульс напряжения здесь будет равным «1», а отсутствие напряжения – «0». Приемная аппаратура будет декодировать импульсы и вернёт исходники.

Представив, как станет смотреться цифровой сигнал на графике, мы увидим, что переход от нулевого значения к самому большому выполняется резко. Собственно эта характерность дает возможность принимающей аппаратуре более четко «видеть» сигнал.

Если появляются какие-нибудь помехи, приемнику легче декодировать сигнал, чем чем при аналоговой передаче.

Цифровой сигнал

Впрочем цифровой сигнал с очень высоким уровнем шума возобновить нереально, в то время как из аналогового типа при большом искажении еще существует возможность «выудить» информацию. Это связано с эффектом обрыва.

Суть эффекта в том, что цифровые сигналы могут передаваться на некоторые расстояния, а потом просто обрываются. Данный эффект появляется везде и решается простой регенерацией сигнала.

Там, где сигнал обрывается, необходимо вставить повторитель или сделать меньше длину линии связи. Повторитель не увеличивает сигнал, а распознает его изначальный вид и выдаёт его точную копию и может применяться сколь угодно в цепи. Эти методы повторения сигнала широко используются в сетевых технологиях.

Кроме этого аналоговый и цифровой сигнал отличается и возможность кодирования и шифрования информации. Это считается одной из причин перехода сотовой связи на «цифру».

Аналоговый и цифровой сигнал и цифро-аналоговое изменения

Следует еще немного сказать про то, как аналоговая информация подается по цифровым каналам связи. Вновь прибегнем к примерам.

Как мы говорили звук – это аналоговый сигнал.

Что происходит в сотовых телефонах, которые передают информацию по цифровым каналам

Звук, попадая в микрофон подвергается аналого-цифровому преобразованию (АЦП). Данный процесс состоит из 3 ступенек. Берутся отдельные значения сигнала через одинаковые отрезки времени, данный процесс именуется дискретизация.

По теореме Котельникова о пропускной способности каналов, частота взятия данных значений должна быть вдвое больше, чем очень высокая частота сигнала. Другими словами, если в нашем канале стоит ограничение на частоту в 4 кГц, то частота дискретизации как правило составит 8 кГц.
Дальше все подобранные значения сигнала округляются или, по другому, квантуются.

Чем больше уровней при этом будет создано, тем окажется больше точность восстановленного сигнала на приемнике. После все значения преобразовуются в двоичный код, который подается на базовую станцию и потом доходит до иного абонента, являющегося приемником. В телефоне приемника происходит процедура цифро-аналогового изменения (ЦАП).

Это обратная процедура, цель которой на выходе получить сигнал как можно более похожий исходному. Дальше уже аналоговый сигнал выходит в виде звука из динамика телефона.

Цифровой сигнал

цифровой сигналцифровой сигнал: По ГОСТ 22670. Источник: ГОСТ Р 51386 99: Аппаратура радиорелейная.

Цепи стыка. Методы измерений показателей … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

цифровой сигнал — данных цифровой сигнал Сигнал данных, у которого любой из представляющих показателей описывается функцией дискретного времени и конечным большим количеством вероятных значений. [ГОСТ 17657 79 ] цифровой сигнал Для того чтобы представить аналоговый сигнал… … Справочник технического переводчика
цифровой сигнал — данных цифровой сигнал Сигнал данных, у которого любой из представляющих показателей описывается функцией дискретного времени и конечным большим количеством вероятных значений. [ГОСТ 17657 79 ] цифровой сигнал Для того чтобы представить аналоговый сигнал… … Справочник технического переводчика
ЦИФРОВОЙ СИГНАЛЦИФРОВОЙ СИГНАЛ, группа электрических или других импульсов в компьютерной или коммуникационной системе.

Такие сигналы могут воссоздавать данные, звуки, изображения. Импульсы, построенные в ряд цифровых сигналов, воссоздаются с помощью… … Научно-технический энциклопедический словарь

цифровой сигнал — Digital Signal Цифровой сигнал Сигнал, относящийся к системам, которые для передачи информации применяют только квантованные (дискретные) состояния. См. аналоговый сигнал … Толковый англо-русский словарь по высокие технологии. — М.

цифровой сигнал — skaitmeninis signalas statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. digital signal vok. Digitalsignal, n rus.

цифровой сигнал, m pranc. signal numerique, m … Automatikos terminu zodynas
цифровой сигнал электросвязи — Сигнал электросвязи, у которого любой из представляющих показателей описывается функцией дискретного времени и конечным большим количеством вероятных значений. Примечание.

Детали структуры сети связи, которые применяются для операций исключительно с цифровыми… … Справочник технического переводчика
цифровой тревожный сигнал (SCADA) — цифровой тревожный сигнал дискретная тревога цифровой аларм [Интент] Стилистики автоматические системы Синонимы дискретная тревогацифровой аларм EN digital alarm … Справочник технического переводчика

Цифровой сигнал электросвязи — сигнал электросвязи, у которого любой из представляющих показателей (изменения которых отображают изменения передаваемого сообщения) описывается функцией дискретного времени и конечным большим количеством вероятных значений. Источник: ИЗМЕРИТЕЛИ… … Официальная терминология

цифровой сигнал уровня 0 — Обозначение цифрового канала со скоростью передачи 64 кбит/с, являющийся базовым при построении иерархических цифровых систем в самых различных регионах мира. В общем случае иерархический ряд цифровых каналов записывается в виде DS n, где n установленный … Справочник технического переводчика

alex-day › Блог › Понятие о сигналах

АНАЛОГОВЫЕ И ЦИФРОВЫЕ СИГНАЛЫ .
Аналоговые электрические сигналы — сигналы, изменяющиеся во времени постоянно и которые способны принимать любое значение в определенном диапазоне стрессов, тока, частоты либо других параметров (метрик). Аналоговая природа естественна для большинства физических процессов и сигналов — звука, перемещения, температурные изменения и т.п.

Благодаря этому метрики данных физических процессов/сигналов комфортно (и естественно) переводить в аналоговые электрические сигналы с целью последующей их изменения электронными схемами. К примеру, температура 25.256 градусов по Цельсию может быть закодирована как напряжение 2.5256 В. Самыми существенными проблемами применения аналоговых сигналов считаются:
— их чувствительность к помехам, приводящая к искажению значений (к примеру, в вышеприведенном примере преграда 0.1В приводит к ошибке температуры на 1 градус Цельсия);
— высокие неточности обработки каскадами электронных схем (усиления, интегрирования и т.п.), связанные с сложностью/невозможностью изготовления элементов электроники (резисторов, конденсаторов, транзисторов. микросхем) с параметрами (сопротивления, емкости, коэффициентами передачи и т.п.) высокой и очень высокой точности (до тысячных процента) и стабильности в температурном диапазоне, давлений и т.д.
Дискретные электрические сигналы — сигналы, для которых допускаются лишь значения из заблаговременно конкретного ограниченного большинства. Значения указываются с разрешенной ошибкой.

К примеру, дискретный электрический сигнал имеет три допустимых значения стрессов: 0В, 5В и 10В, с допуском ±1В. Дискретными могут быть физические процессы и сигналы. К примеру, состояние управляющей клавиши (вкл/выкл — 2 значения) или датчика установленной передачи в коробке передач автомобиля (кол-во дискретных значений равно числу передач) или импульсы в детекторе простых частиц (есть/нет).

Применение дискретных сигналов имеет главное преимущество — допустимость установки значения с некоторой существенной погрешностью, что резко увеличивает помехоустойчивость и понижает требования к точности показателей электронных каскадов.
Цифровые электрические сигналы — так как правило называют те дискретные сигналы, которые имеют всего лишь два допустимых состояния. Данные состояния (к примеру, уровни напряжения 0В и 5В) кодируют две цифры — «0» и «1».

Эти цифры эквивалентны допустимым значениям разрядов двоичного представления чисел (двоичный разряд -binary digits или bit), а еще допустимым значениям переменных в алгебре логики (булевой алгебре) — «Истина» (TRUE или «1») и «Обман» (FALSE или «0»), что дает возможность кодировать эти числа в виде цифровых электрических сигналов. При помощи простых транзисторных каскадов, работающих в самом обыкновенном — главном режиме (включен/выключен), можно осуществить главные функции алгебры логики (логические (булевы) функции) и, их (логических функций) при помощи, ключевые математические функции (сложение, вычитание, умножение, дробление) для чисел в двоичном представлении.

Есть самые разные варианты схем хранения (памяти) для двухярусных (цифровых) значений. Двухярусный цифровой сигнал легко передавать на большие расстояния при существенных помехах (к примеру, «1» — напряжение = 10±5В, «0» — напряжение = 1.5±1.5В), причем не только по электропроводам, но и по каналам иных типов, к примеру по оптоволоконному кабелю («свет» включен/выключен).
Отличают детали с разными спо¬собами электрического кодирования двоичной информации;
• потенциальные,
• импульсные,
• импульсно-потенциальные.
При потенциальном способе кодирования при положитель¬ной логике за единицу («1») принимается большой потенциал, за нуль («О») — невысокий потенциал. Сигнал сохраняется неизмен¬ным на определенный период времени не менее одного периода движения сигналов синхронизации (рис.

1, а).
При импульсном кодировании двоичной информации очень часто «1» отвечает импульс, синфазный с сигналом син¬хронизации, а «О» — отсутствие импульса; значение сигнала в паузе между сигналами синхронизации не рассматривается (рис. 1, б).
Одним из вариантов импульсного способа считается ди¬намическое кодирование сигналов, когда единице отвечает очередность импульсов между 2-мя импульсами син¬хронизации, а их отсутствие отвечает нулю (рис. 1, в).

Цифровой сигнал

Все данные показатели дали возможность уложить цифровые сигналы в основу современных вычислительных устройств, например, процессоров, и в основу систем хранения и передачи данных.
ЛОГИЧЕСКИЕ СОСТОЯНИЯ

Для кодирования значений логических переменных или двоичных разрядов (битов) в большинстве случаев применяется напряжение. Ток, частота и остальные характеристики сигнала тоже используются, но исключительно в специализированных случаях — как правило при передаче данных или как хороший вариант сопряжения электрических каскадов.
Допустимые уровни напряжения исходя из этого их значениям условно именуют ВЫСОКИМ (HIGH) и Невысоким (LOW). Как выше упоминалось, уровень отвечает не одному, а диапазону значений стрессов: к примеру, 2,5.5В — Большой уровень, 0.1 В — Невысокий уровень, однако для удобства указывают только «номинальный» (в большинстве случаев крайний по значению) уровень, к примеру, 5В и 0В.

Необходимо понимать, что Невысоким уровнем знают собственно невысокое значение напряжения, а не полное отсутствие сигнала, так как этот вариант может появиться при обрыве на линии.
Двум указанным уровням напряжения можно сравнить пару логических значений (логических состояний, двоичных цифр).
Если Большой уровень напряжения цифрового сигнала отвечает значению «1» или «ИСТИНА», а Невысокий уровень напряжения отвечает значению «0» или «Обман», то этот метод кодирования логической переменной именуется ПОЗИТИВНОЙ (ПОЛОЖИТЕЛЬНОЙ) ЛОГИКОЙ.
Если Большой уровень напряжения цифрового сигнала отвечает значению «0» или «Обман», а Невысокий уровень напряжения отвечает значению «1» или «ИСТИНА», то этот метод кодирования логической переменной именуется НЕГАТИВНОЙ (ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ) ЛОГИКОЙ.
Вид логики (Положительная или Отрицательная) считается не только характеристикой собственно цифрового сигнала, но еще и характеристикой цифрового элемента (блока, схемы), который обрабатывает данный сигнал исходя именно из подобного варианта его кодирования. К примеру, компонент распространенной логической микросхемы SN7408 в документации полностью называется «двухвходовой компонент «И» с положительным кодированием сигналов».

Если же применять негативное кодирование, то функция этого элемента изменится на «ИЛИ».
Современная элементная база и схемотехника в общем направлена на позитивную (положительную) логику. Впрочем в определенных случаях отрицательная (отрицательныя) логика оказаться может намного комфортнее способом кодирования цифровых или логических значений.

К примеру, схема определения нажатия кнопки на клавиатуре часто выстроена аналогичным образом, что Большой уровень вырабатывается, если кнопка не нажата, и Невысокий — если нажать на кнопку. Другими словами, если кодировать факт нажатия кнопки как «ИСТИНА» и при этом вырабатывается Невысокий уровень сигнала, то приобретаем негативное (отрицательное) кодирование.

Часто удобство негативной логики для сигналов цифровых элементов определяется характеристиками внутренней схемотехники таких элементов.
Чтобы не путаться с тем, какие детали в схеме применяют позитивное кодирование, а какие негативное, принято соглашение всеми элементами в схеме применяется один вид кодирования сигналов (к примеру, позитивное), а если при входе или выходе какого-либо элемента должен развиваться сигнал с отрицательным кодированием, то он превращается из/в положительный путем инвертирования. Такие инвертированные сигналы обозначаются на схемах чертой над наименованием сигнала (символ булевой операции «отрицание»), а вход или выход элемента, на котором делается инверсия сигнала (очень часто это мнимое инвертирование — схема применяет в середине себя конкретно плохо закодированный сигнал), отмечается кружочком.
Примечания:
1) В силу большей естественной воспринимаемости (принцип «большему отвечает большее») и популярности положительной логики на схемотехническом сленге иногда называют Большой уровень напряжения — «1», а Невысокий уровень напряжения — «0». Аналогичным образом, в случае применения отрицательной логики может появиться путаница: говоря о «единице на сигнальной линии», предполагают Большой уровень напряжения, который в действительности отвечает логическому значению «0».
2) Термины «положительная» логика и «положительная» логика, а еще «отрицательная» и «негативная» логика эквивалентны и в самых разных комбинациях встречаются в литературе. Источник — английские слова «positive» и «negative».

Также встречается вариант «прямая»-«инверсная» логика (имеется в виду. что сигнал с негативной логикой («инверсный») может быть получен путем инверсии сигнала с позитивной логикой («прямого»).
ПАРАМЕТРЫ ЦИФРОВЫХ СИГНАЛОВ
Параметрами настоящих цифровых сигналов, самыми основными для схемотехнического проектирования, считаются:
— Диапазон стрессов для логических «0» и «1», для выходов логических элементов/схем и для входов цифровых элементов/схем;
— Нагрузочная способность (показатель разветвления по выходу) выходов цифровой схемы — fanout;
— Продолжительность переключения состояния — время измерения состояния сигнала с Невысокого уровня на Большой и наоборот (перехода из логического «0» в «1» и наоборот) — transition time;
— Временная задержка цифрового сигнала при «прохождении» через закономерный компонент/схему — propagation delay.
Диапазоны стрессов для логических «0» и «1».
Так как собственно напряжение применяется для кодирования значений «0» и «1», то диапазон стрессов для логических «0» и «1» являются важным параметром цифровых схем. При этом любому из логических уровней «0» и «1» соответствуют не фиксированные значения напряжения, к примеру, 0В или 5В, а некоторый диапазон стрессов.

Допустим, для микросхем семейства ТТЛ логическому «0» будет отвечать напряжение, попадающее в диапазон от 0В до +0.8В, а логической «1» будет отвечать напряжение в диапазоне от +2В до +5В. Кодирование логических уровней диапазонами сделано так как:
1) Дает возможность применять цифровые детали/схемы с довольно существенными, допусками показателей входных и выходных каскадов, что сильно удешевляет их производство.
2) Позволяет колебание показателей элементов/схем и надлежащих цифровых сигналов за счёт изменения температур, электрической нагрузки и напряжения питания схем и т.п.
3) Позволяет пренебрегать влияние шумов — паразитных стрессов, которые прибавляются/вычитаются из рабочего напряжения при «прохождении» его через схему. Шумы появляются за счёт емкостных и индуктивных связей между сигналами в схеме, помех приходящих по подключенным внешним цепям и цепям питания, за счёт электро-магнитных наводок.
Диапазоны стрессов цифровых сигналов, генерируемые выходами цифровых схем и воспринимаемые входами схем, делают разнообразными. Диапазон, воспринимаемый входами довольно широкий если сравнивать с диапазоном выходных сигналов, и диапазон выходов полностью перекрывается диапазоном входов, оставляя запас по границе очень маленького и самого большого стрессов. Это гарантирует, что выходной сигнал вырабатываемый одной цифровой схемой и подаваемый на вход другой будет правильно приниматься даже в условиях помех.

К примеру, выход формирует Большой уровень в диапазоне 4.5В — 5В, а вход будет воспринимать Большой уровень в диапазоне 3.5В-5.5В. Благодаря этому, если к анодному напряжению Большого уровня равному 4.5В добавится преграда 1В, то суммарное напряжение будет 5.5В и будет воспринято входом правильно — как Большой уровень.
Между диапазонами Большого уровня и Невысокого уровня размещается говоря по другому «мертвая территория». В границах мертвой зоны изготовитель не гарантирует корректное восприятие уровня сигнала. Около середины мертвой зоны (однако не точно) размещается пороговый уровень Шх.п (Vin.t, threshold voltage), ниже которого уровень сигнала при входе воспринимается как Невысокий, а выше — как Большой.

Номинальное значение Цп определяется документацией на электронный элемент (микросхему), но реальное значение может смещаться в рамках мертвой зоны в зависимости от свойств определенного образца (микросхемы), от температуры, от старения компонента, от напряжения питания и остальных показателей.
В итоге: среди важных параметров цифровых схем обязаны быть заданы следующие напряжения цифровых сигналов:
— Для цифровых входов:
— ивх.О.мин. (VIL.min) — небольшое напряжение, воспринимаемое как «0»;
— Uвх.0.макс.(VIL.max) — максимальное напряжение, воспринимаемое как «0»;
— ивхЛ.мин.(Ущ.тт) — небольшое напряжение, воспринимаемое как «1»;
— ивхЛ.макс.(Ущ.тах) — максимальное напряжение, воспринимаемое как «1»;
— ивх.п (VIT) — напряжение переключения (threshold voltage), значения выше которого воспринимаются как «1», а ниже — как «0».
— Для цифровых выходов:
— ивых.0 (VoL.typ) — типовое напряжение, которое ставится при выводе «0»;
ивых.О.мин.(Усх.тт) — небольшое напряжение, какое может быть установлено при выводе «0»;
— ивых.0.макс.(\^Л.тах) — максимальное напряжение, какое может быть установлено при выводе «0»;
— ивыхЛ(УоШур) — типовое напряжение, которое ставится при выводе «1»;
— ивыхЛ.мин.(УОН.тт) — небольшое напряжение, какое может быть установлено при выводе «1»;
— ивых.1.макс. (VOH.max) — максимальное напряжение, какое может быть установлено при выводе «1».
Указанные напряжения зависят от схемотехники и показателей выходных и входных электрических каскадов цифровых схем.
Еще одна характерность/проблема — это применение цифровых микросхем с разными напряжениями питания. А дело все в том, что при перепаде напряжения питания микросхем, изменяются и уровни напряжения большого и невысокого уровня (см. рисунок ниже).

В наше время в цифровой технике самыми популярными считаются напряжения питания 5В, 3.3В, 2.5В, 1.8В. Необходимость снижения напряжения питания вызвана многими причинами, главными из которых являются снижение потребляемой и выделяемой мощности, увеличение быстродействия схем, уменьшение физических размеров транзисторов на кристалле интегральных микросхем.

Цифровой сигнал

Видно, что уровни схем с самым разнообразным питанием не совместимы между собой. При этом их часто необходимо применять вместе в единой схеме.

К примеру, электрическое питание процессора может быть 5В, а питание подключенных к нему микросхем — 3.3В. И заменителей с другим питанием не выполняется! В этом случае добавляют специализированные каскады/микросхемы изменения уровней напряжения цифровых сигналов.

Иногда эти каскады установлены в процессоры. Иногда получается достичь частичной совместимости уровней, к примеру, микросхема с питанием 3.3В позволяет подключение к ней входных сигналов с напряжением до 5В с корректным распознаванием БОЛЬШОГО и Невысокого уровней.

Обратного подсоединения может не допускаться, к примеру выходов «3.3В» ко входам «5В».
Стоит отметить, что так как любое совместное применение схем с разными уровнями стрессов это возможный источник ошибок и часто причина усложнения схемы, то, без особенной надобности, пытаются не делать смешанных схем.
Нагрузочная способность (показатель разветвления по выходу)
Нагрузочная способность выхода цифровой схемы показывает, какое кол-во входов цифровых схем может быть подключено к данному выходу без перегрузки выходных каскадов и без искажения уровней цифрового сигнала для входов. Нагрузочная способность зависит и ставится для пары типов «выход-вход».

Допустим, для выхода типа X ставится кол-во подключаемых входов типа У и кол-во подключаемых входов типа Z и т.п. Нагрузочная способность может отличаться для уровней Большой и Невысокий, но в большинстве случаев указывается лишь одно — меньшее значение.
Стандартная нагрузочная способность — 20 входов того же типа, что и выход. Если к выходу однотипны подключены входы иного типа, то соотношение меняется.
Ниже перечислены негативные результаты перегрузки выходов:
— Анодное напряжение Невысокого уровня превышает Ивх.О.макс. и Невысокий уровень будет найден как Большой;
— Анодное напряжение Большого уровня может быть ниже ИвхЛ.мин. и Большой уровень будет найден как Невысокий;
— Время изменения уровня с Невысокого на Большой и обратно превосходит значение, допустимое спецификацией этой схемы;
— Задержка распространения сигнала через схему превосходит значение, допустимое спецификацией этой схемы;
— Перегрев элементов схемы из-за очень высокого тепловыделения, появляющегося из-за перегрузки. В результате может появиться изменение показателей схемы (уровней напряжения, нагрузочных навыков, показателей быстродействия) или физическая порча перегретых элементов.
Продолжительность переключения состояния
В замечательном случае ВСЕ выходы цифровой схемы или ее элемента меняют собственное состояние быстро и в тоже время. Впрочем настоящие выходы не могут мгновенно переключиться с БОЛЬШОГО на Невысокий уровень и наоборот: нужно время на перезаряд паразитных емкостей элементов цифровой схемы или емкостей и индуктивностей проводников на плате.

В конце концов на рисунке замечательный сигнал (a) приобретает реальную форму (с). Относительное изображение на не постоянных диаграммах «постепенного перехода» выхода цифровой схемы из состояния в состояние показано на (b).
Время перехода с Невысокого уровня в Большой (Tr) именуют «продолжительностью позитивного фронта», иногда просто «продолжительность фронта», или rise time. Время перехода с Большого уровня в Невысокий (Tf) именуют «продолжительностью негативного фронта», или «продолжительностью спада», или fall time. Данные времена в большинстве случаев близкие по значению, но немного отличаются у выходов цифровых схем.

Для разных типов выходов (ТТЛ, КМОП и остальных) данные времена различаются в несколько раз. Продолжительности переходов становятся больше при подключении большего числа входов к выходу. Это можно объяснить, по большей части, ростом значения емкости, подключенной к выходу за счёт входных емкостей входов.

Для самых популярных на данное время типа КМОП продолжительности переходов находятся в границах 5-10 ns для стандартного числа подключенных входов. Для быстродействующих каскадов «в середине» СБИС процессоров, памяти и т.п.

данное время уменьшается до десятых — сотых наносекунды.

Цифровой сигнал

Будет ли ловить цифровой сигнал старая антенна

Задержка перехода считается негативным аргументом функционирования цифровых схем и, вместе с задержкой распространения сигнала, существенно затрудняет их разработку. Главные причины этого:
— нахождение выхода в неизвестном состоянии приводит к возможности некорректного срабатывания входа, причем неоднократного;
— рассинхронизация в работе элелементов/частей цифровых схем;
— очень высокое потребление энергии во время нахождения в неизвестном состоянии.

Задержка распространения сигналов.

Задержкой распространения сигнала через компонент (propagation delay, tp) именуют время между фронтом (перепадом) цифрового сигнала при входе элемента и вызванным им (входным фронтом) перепадом сигнала на выходе элемента. Задержка распространения вызвана временем срабатывания транзисторных ключей в середине элемента. Она будет побольше, чем больше кол-во подобных ключей по пути распространения сигнала в середине элемента, т.е. кол-во последовательных каскадов.

Задержка распространения может быть самой разной для перепада на выходе с Невысокого на Большой уровень (tpLH) и для перепада с БОЛЬШОГО в Невысокий уровень (tpHL).