Digitalna elektronika

Nastavno pismo – Digitalna elektronika

1. Uvod u elektroniku i njena uloga u ljudskoj Elektronika djelatnosti Elektronika je grana tehnike koja prou čava

i primjenjuje pojave pri gi-

banju nabijenih čestica kroz vakum, vodiče i poluvdiče. Kao dio elektrotehnike, elektronika prou čava

upravljanje tokom i pre -

tvorbom parametara električne energije (energetska ili učinska elek tronika) te dobivanjem, pretvorbom, prijenosom i obradom elektro-

magnetskih valova, električnih signala i informacija (informacijska elektronika). Informacijska elektronika sastoji se od više grana: tele komunikacija, radiokomunikacija, mjerne elektronike, biomedicinske elektronike, optoelektronike itd.

Telekomunikacije Radio.kom.

• Telekomunikacije se bave prijenosom informacija na daljinu. • Radiokomunikacije se bave prijenosom informacija na daljinu radio valovima.

Mjerna elektronika

• Mjerna elektronika bavi se postupcima i metodama mjerenja mjer nih veličina elektroničkim ureĎajima. • Biomedicinska elektronika bavi se primjenom elektroničkih ureĎaja u

Optoelektronika

medicini.

• Optoelektronika proučava pretvorbu električnog signala u svjetlos ni i obrnuto te prijenos informacija svjetlošću. Osim podjele elektronike na energetsku i informacijsku, elektronika se prema vrsti signala koji obraĎuje

može podijeliti i na analognu i digi - Analogna i

talnu elektroniku. Signali u analognoj elektronici mogu poprimiti bilo

digitalna elektronika

koju vrijednost izmeĎu najmanje i najveće vrijednosti, a digitalni signa li obično imaju samo jednu od dvije vrijednosti (slika 1.1). Digitalna elektronika je dio elektronike koji se bavi obradom digitalnog signala. Digitalna elektronika obuhva ća projektiranje

teoriju funkcioniranja te analizu,

i izgradnju elektroničkih digitalnih sklopova i složenijih 3


sustava. Ti se sklopovi sastoje od

osnovnih logičkih sklopova, al

obraĎuju podatke u binarnom obliku. Složeniji su digitalni sustavi brojilo, zbrajalo, dekoder,

multipleksor, aritmetičko-logička jedinica,

memorija, sekvencijskj sklop itd.

Slika 1.1. Analogni (gore) i digitalni (dolje) signal

Najsloženiji digitalni sustavi su elektronička računala, bilo da se radi

o osobnom računalu ili superračunalu . Godine 1958. Jack Kilby stvara prvi integrirani sklop,

što otvara novu Integrirani sklop

fazu razvoja elektronike - integriranu elektroniku. Integrirana elektronika omogućila

je nagli razvoj digitalne elektronike i

računalstva, tako da se danas digitalni ureĎaji primjenjuju u mnogim područjima ljudske djelatnosti. Mnogi imaju digitalne televizore, mobitele, digitalna računala, digitalne fotoaparate, kamere... Digitalna Primjena elektronika je posvuda. Današnja

industrijska proizvodnja nezamisliva je bez elektroničkih i

računalnih sustava koji povećavaju produktivnost i kvalitetu, a provo de nadzor procesa proizvodnje, pamćenje podataka te omogućuju automatsko voĎenje procesa. Proizvodnju sve više obavljaju roboti, koji se upravljaju elektroničko -računalnim ureĎajima. 4


U automobilima postoji mnogo sustava, kojima upravlja sredi šnje

računalo. Glavni alat autoelektričara postalo je računalo.

2. Analogni i digitalni signali Signal je informacija koja prolazi odreĎenim

medijem, a informacija je Signal podatak s točno odreĎenim značenjem. Podaci se prikazuju električnim Informacija signalima koji mogu biti naponski i strujni. Signali mogu biti analogni i

digitalni. Fizikalni procesi u velikoj većini slučajeva daju analog ne signale, a potreba za digitalnim signalima ukazala se kad su postignuti

uvjeti za računal nom obradom fizikalnih procesa. Kako bi se analogni signal mogao obraditi računalom, pretvaramo ga u digitalni. Analogni signal je vremenski neprekinut (kontinuiran) signal, pri

čemu Analogni signal

je informacija o fizikalnoj veličini koju prikazuje sadržana u amplitudi signala. Analogni naponski signal prikazuje slika 2.1. Napon u kontinuirano poprima različite

vrijednosti u vremenu t izmeĎu najveće i najmanje

vrijednosti. Na taj se način može promatrati i jakost struje. Elektronički sklopovi koji obraduju analogne signale nazivaju se analogni sklopovi.

Slika 2.1. Analogni naponski signal

Digitalni signal je vremenski prekinut (diskontinuiran) signal, pri je informacija o fizikalnoj veličini koju prikazuje

čemu

sadržana u postojanju Digitalni signal

5


ili nepostojanju impulsa u nekom trenutku. Podatak se digitalnim signalom predo čava impulsima koji predstavljaju binarne znamenke. Elektronički

sklopovi koji obraĎuju digitalne signale nazivaju se

Digitalni sklopovi

digitalni sklopovi. U digitalnoj elektronici koristi se binarni brojevni sustav zato

što su

digitalni ureĎaji graĎeni od sklopova koji imaju dva različita stanja, tj. rade kao sklopke. Jednoj znamenci odgovara jedan položaj sklopke, a drugoj znamenci drugi (slika 2.2). Znamenke binarnog brojevnog sustava 0 i 1 i mogu se prikazati niskom ili visokom razinom napona,

voĎenjem i nevoĎenjem struje i slično. Binarna znamenka

Slika 2.2. Predočavanje položaja sklopke binarnim znamenkama Osim oznaka binarnih znamenaka 0 i 1 koriste se i oznake L (engl. low nisko) i H (engl. high - visoko) ili istina i laž

(engl. true \false). S obzi- Oznake

rom na to da najčešće nemaju matematičko značenje, često ih se naziva logička nula (kraće 0) i logička jedinica (kraće 1). Slika 2.3 . prikazuje primjer digitalnog naponskog signala.

Slika 2.3. Digitalni naposnki signal

Binarnim znamenkama 0 i 1 dodjeljuje se odre Ďeno područje napona,

a izmeĎu njih je zabranjeno područje napona. Ukoliko je napon logičke 6


jedinice veći od napona logičke nule, riječ je o pozitivnoj logici (slika 2.4). U praktičnoj primjeni prevladava pozitivna logika. Stoga će svi sklopovi u ovom nastavnom pismu biti objašnjeni

primjenom pozitivne

logike. Pozitivna logika

Slika 2.4. Pozitivna logika

Vrijednost napona logi čke

jedinice ovisi o tipu digitalnih sklopova, a

napon logičke nule obično je približno 0 V. Ukoliko je napon logi čke jedinice niži od napona logičke nule, riječ je

o

negativnoj logici. Vrijednosti visoke i niske razine napona mogu se mijenjati u odre Ďenim

granicama, a da to ne utječe na binarno značenje koje im je dodijeljeno. Informacija o nekoj fizikalnoj veličini nije sadržana u amplitudi signala, Negativna logika nego u rasporedu niza impulsa jednake amplitude. Zbog toga su digitalni sklopovi pouzdaniji i manje osjetljivi na smetnje nego

analogni. Točnost digitalnih sustava ovisi samo o broju bitova koji se koriste za prikaz podataka. U digitalnim se sklopovima binarni brojevi predo čavaju

nizom

naponskih impulsa, pri čemu je na x -osi vrijeme, a na y-osi napon ili logička vrijednost (0 ili 1). Cesto se radi jednostavnosti prikaza izostavljaju oznake koordinatnih osi. Pri radu digitalnih sustava podaci se stalno prenose iz jednog dijela sustava u drugi. Podatak sastavljen od vi še

bitova može se prenos iti

serijski ili paralelno. Serijski prijenos podataka odvija se jednim vodi čem,

tako da impulsi

koji predstavljaju binarne znamenke slijede u vremenskim razmacima 7


jedan za drugim. Serijski prijenos može početi s najznačajnijim bitom ili s najmanje značaj nim bitom (slika 2.5.), a za ispravan prijenos potrebni su sinkronizacijski impulsi, koji sinkroniziraju predajnu i prijamnu Prijenos podatka

stranu.

Serijski

Slika 2.5. Serijski prijenos podataka

Kod paralelnog prijenosa podataka svi se bitovi jedne binarne rije či prenose

istovremeno, i to svaki svojim posebnim vodičem (slika 2.6).

Binarne

riječi prenose se jedna za drugom serijski. Na ovaj se način

prenose podaci po sabirnicama digitalnog računala.

Paralelni

Slika 2.6. Paralelni prijenos podataka

Logiĉki sklopovi 3. Logički sklopovi Logički

sklop je sklop koji izvodi neku logičku funkciju i može imati

jedan ili više ulaza i jedan ili više izlaza (slika 3.1 .).

8


Binarna logika

Slika 3.1. Blokovska shema logičkog sklopa Naponi na ulazima i izlazima logičkih

sklopova moraju odgovarati

području napona niske ili visoke razine, odnosno binarnim znamenkama 0 ili 1. Logički

sklopovi temelje svoje djelovanje na binarnoj logici, odnosn o Kombinacijski logiĉki sklopovi na logici koja koristi samo dva različita, i uz to stabilna stanja. Takv i logički sklopovi nazivaju se i binarni logički sklopovi.

Slijedni logiĉki

Razlikujemo kombinacijske logičke

sklopovi

logičke

sklopove i slijedne (sekvencijske)

sklopove.

Kombinacijski logički sklopovi su sklopovi kod kojih stanja izlaza ovi se o trenutačnim stanjima ulaza. Slijedni ili sekvencijski logički ovisi o trenutačnim

sklopovi su oni kojima stanje izlaza

stanjima ulaza, ali i o unutarnjem stanju sklopa.

Stanje izlaza prije nailaska ulaznih signala odre Ďeno stanjem sklopa. Slijedni sklopovi sadr že

je unutarnjim

jedan ili više sklopova za Boolova algebra

pamćenje. Djelovanje logičkih sklopova zasniva se na matematičkoj logici u kojoj

neka tvrdnja može biti istinita ili neistinita, kojoj se tada pridružuju binarna značenja. George Boole je u 19. stoljeću razvio takvu logiku pa se po njemu naziva Boolova algebra . Ona se koristi

u logičkoj algebri za

analizu i sintezu logičkih i digitalnih sklopova. Sve kombinacije ulaznih i izlaznih

signala logičkih sklopova moguće je prikazati tablicom

napona. Budući da u pozitivnoj logici napon nisk e razine odgovara logičkoj nuli, a napon visoke razine logičkoj jedinici prema tablici napona dobiva se tablica stanja ili tablica kombinacija logičkog sklopa. ProizvoĎači daju tablice stanja u kojima se za stanja ulaza izlaza 9


umjesto oznaka 0 i 1 koriste oznake L (engl. low - nisko) i H (engl high - visoko). Najjednostavniji logički

sklop je sklopka, koja može biti uključena il i

isključena (slika 3.2). • Ako je sklopka uključena, to odgovara stanju 1. Na trošilu postoj i napon i kroz sklopku teče struja. • Ako je sklopka isključena, to odgovara stanju 0. Na trošilu nem a napona i kroz sklopku ne teče struja. Sklopka može

biti mehanička, elektromehanička (relej) i elektronički

primjerice diodna, tranzistorska itd. Tri osnovna sklopa

Slika 3.2. Uključena ili isključena sklopka (logički I) Svi logički sklopovi temelje svoj na tri osnovna sklopa I, ILI i NE te na

složenim sklopovima NI, NILI, EX -ILI i EX-NILI. Logički

sklopovi se upotrebljavaju u industrijskim i komercijalnim I sklop

proizvodima, kao što su računala, upravljački skl opovi, roboti, digitalni instrumenti, kalkulatori, satovi i drugo.

3.1.

Logički I sklop

Logički sklop i obavlja logičku funkciju I. Logička

funkcija I daje pozitivan odgovor samo ako su ispunjeni svi

uvjeti. Serijski spoj sklopki jednostavan je sklop koji obavlja funkciju I (slika 3.1.1.). Svjetleća dioda svijetlit će

samo ako su sve sklopke uključene.

I sklop izveden

pomoću sklopki

10


Slika 3.1.1. Sklop I izveden pomoću sklopki Slika 3.1.2. prikazuje primjer diodnog sklopa I s dva ulaza A i B i jednim izlazom Y. Sastoji se od dvije diode D1 i D2 i otpornika R koji je

I sklop izveden

pomoću 2 diode

spojen na izvor istosmjernog napona U.

Slika 3.1.2. Diodni I sklop Na ulaze se spajaju naponi koji mogu odgovarati naponu visoke razine (U V ~ U), odnosno logi čkoj jedinici ili naponu niske razine (U N ~ 0), tj.

logičkoj nuli. Stanje izlaza ovisit će o kombinaciji stanja ulaza. • Ako je na bilo kojem ulazu napon niske razine, pripadajuća dioda vodi struju, a na izlazu je mali napon propusno polarizirane diode U D koji odgovara naponu niske razi ne, tj. logičkoj nuli (slika 3.1 .2a).

• Ako su na oba ulaza naponi visoke razine (logička jedinica), obje su diode isključene i na izlazu je napon visoke razine (U), što odgovara logičkoj jedinici (slika 3.1.2b).

11


Simbol I sklopa

Slika 3.1.2. Pojednostavljeni prikaz rada diodnog sklopa I

U elektroničkim shemama koriste se simboli sklopa I prema slici 3.1.3.

Logiĉki ILI sklop

Slika 3.1.3. Simbol I sklopa

3.2.

Logički ILI sklop

Logička

funkcija ILI daje pozitivan odgovor ako je ispunjen barem ILI sklop izveden jedan uvjet. Paralelni spoj sklopki jednostavan je sklop koji obavlja pomoću 2 sklopke funkciju ILI (slika 3.2.1.). Svjetle ća dioda svijetlit će ako je barem jedna

sklopka uključena.

Slika 3.2.1. Sklop ILI izveden pomoću sklopki Slika 3.2.2. prikazuje primjer diodnog sklopa ILI s dva ulaza A i B i

ILI sklop izveden

pomoću 2 diode

jednim izlazom Y. Sastoji se od dvije diode D1 i D 2 te otpornika R koji je spojen na masu.

12


Slika 3.2.2. Diodni sklop ILI s dva ulaza

Na ulaze se spajaju naponi koji mogu odgovarati naponu visoke razine (U v ~ U), odnosno logi čkoj

jedinici, ili naponu niske razine ( U N ~ 0),

odnosno logičkoj nuli. Stanje izlaza ovisi o kombinaciji stanja ulaza. • Ako su na oba ulaza naponi niske razine, tj. logička 0, diode ne vode struju i na izlazu je napon niske razine (logička 0). • Ako je na bilo kojem ili na oba ulaza napon visoke razine, odnosno logička jedinica, pripadajuća dioda vodi struju i na izlazu je napon visoke razine (logička jedinica). Izlazni napon manji je od ulaznog Simbol ILI sklopa napona U za mali napon na diodi U . Logički

sklop ILI (engl. OR) je sklop s dva ili više ulaza koji na svom

izlazu daje 1 ako je barem na jednom ulazu 1. Na izlazu će biti 0 jedino ako su svi ulazi u stanju 0.

U električkim shemama koriste se simboli ILI sklopa prema slici 3.2.3.

Logiĉki NE sklop

Slika 3.2.3. Simbol ILI sklopa s dva ulaza

3.3.

Logički sklop NE

NE sklop izveden

pomoću Logička funkcija NE daje pozitivan

odgovor ako uvjet nije ispunjen, a

tarnzistora

negativan ako je uvjet ispunjen. Logički sklop NE izvodi se aktivnim komponentama, primjerice tranzistorom (slika 3.3.1.).

13


Slika 3.3.1. Tranzistorska izvedba sklopa NE

Sklop ima jedan ulaz označen s A i jedan izlaz označen s Y. Stanje izlaza ovisi o stanju ulaza.

• Ako je na ulazu napon niske razine (logička nula), tranzistorska je sklopka isključena i na izlazu je napon visoke razine jednak U (logička jedinica).

•Ako je na ulazu napon visoke razine (logička jedinica), tranzistorska je sklopka uključena i na izlazu je napon niske razine jednak malom

Simbol NE sklopa

naponu UCEZAS (logička nula). Logički

sklop NE (engl. NOT) je sklop s jednim ulazom i jednim

izlazom, koji na svom izlazu daje 1 ako je ulaz u stanju 0, a ako je ulaz u stanju 1 na izlazu je 0.

U električnim shemama koriste se simboli sklopa I prema slici 3.3.2.

PrilagoĊavanje za spajanje Slika 3.3.2. Simbol NE sklopa

4. Skupine integriranih digitalnih sklopova Za gradnju složenijih

digitalnih ureĎaja potrebno je imati na Skupine

raspolaganju izvjestan broj osnovnih logičkih sklopova I, ILI, NE, NI i

integriranih sklopova

NILI. Svi sklopovi koje želimo spajati moraju biti prilagoĎeni za 14


meĎusobno spajanje, odnosno trebaju pripadati u istu skupinu logičkih sklopova. Skupine logičkih sklopova razvijale su se ovisno o napretku tehnologij e proizvodnje integriranih sklopova. S obzirom na vrstu aktivnih

RTL DTL

komponenata u integriranom sklopu, razlikuju se:

• skupine s bipolarnim tranzistorima: RTL, DTL, TTL, HTL, ECL i druge

• skupine s unipolarnim tranzistorima: PMOS, NMOS i CMOS

TTL, HTL

• skupina s bipolarnim i unipolarnim tranzistorima: BiCMOS. Skupina RTL (engl. resistor transistor logic),

graĎena od otpornika i tran zistora,

HTL

pojavila se 1961. godine. Primjenom dioda ostvarena je skupina DTL (engl.

diode

transistor

logic).

Kada

su

diode

zamijenjene

višeemiterskim tranzistorom na ulazu sklopa, skupina je nazvana ECL skupina TTL (engl. transistor transistor logic). Skupina HTL (engl. high treshold logic) je skupina integriranih

logičkih sklopova s visokim

pragom, odnosno s velikom granicom smetnji, koja uz napon napajanja 15 V iznosi oko 6 V. Zato je skupina HTL pogodna za primjenu u

industrijskom okruženju s visokom razinom smetnji. Skupina emiterski

CMOS

vezanih integriranih logičkih sklopova ECL (engl. emitter coupled BiCMOS logic)

općenito je najbrža skupina, zahvaljujući činjenici da tranzistori

ne idu u zasićenje. Skupinu TTL, koja je imala naj širu

primjenu, sve više zamjenjuju

skupine s unipolarnim tranzistorima zbog njihovih boljih svojstava.

Najvažnija skupina s unipolarnim tranzistorima je skupina CMOS. Skupina BiCMOS ujedinjuje dobra svojstva obiju skupina. Bitan podatak za svaku skupinu o kojoj ovisi prakti čna

realizacija nekog

digitalnog ureĎaja je temeljni sklop skupine i izbor logičkih sklopova u skupini te mogućnost prijelaza na sklopove drugih skupina. Za ostvarenje složenih

Podruĉja rada

logičkih funkcija obično se koristi jedan od integriranih

univerzalnih logičkih sklopova, i to sklop NI ili NILI.

sklopova

15


Sklopovi jedne skupine mogu se izravno spajati, a sklopovi razli čitih

skupina spajaju se preko meĎusklopova, koji prilagoĎavaju logičke razine te ulazne i izlazne struje. Integrirani logički

sklopovi obično se proizvode za dva temperaturna

područja rada: SSI

• od 0°C do +70°C - komercijalna primjena • od -55°C do +125°C - vojne i druge posebne primjene. Prošireno

temperaturno područje zahtijeva posebnu izvedbu sklopova,

MSI

što znači i njihovu veću cijenu. Integrirani logički sklopovi mogu se podijeliti prema stupnju integra cije,

LSI

pod čime se podrazumijeva broj osnovnih logičkih sklopova na jednoj VLSI

pločici silicija ili broj kom ponenata na njoj: • sklopovi niskog stupnja integracije - SSI (engl. small scale inte-

ULSI

gration) - osnovni logički sklopovi

• sklopovi srednjeg stupnja integracije - MSI (engl. medium scale integration) - npr. registri i brojila

Karakteristiĉne • sklopovi visokog stupnja integracije - LSI (engl. large scale inte- veliĉine gration) - npr. mikroprocesori i memorije

• sklopovi vrlo visokog stupnja integracije - VLSI (engl. very large scale integration) - npr. veći mikroprocesori i veće memorije

• sklopovi ultra visokog stupnja integracije - ULSI (engl. ultra large scale integration) - npr. mikroračunala. Sklopovi

svake

skupine

imaju

svoje

karakteristi čne

veličine.

Karakteristične veličine skupina integriranih digita lnih sklopova su:

Multivibratori

1. naponska i strujna podru čja 2. granice smetnji 3. faktori grananja 4. disipacija snage

Stabilno stanje

5. dinamička svojstva. Kvazistabilno stanje

16


5. Multivibratori Multivibratori su elektronički

Bistabil

impulsni sklopovi koji imaju dva stanja.

Promjena stanja je skokovita, pa je valni oblik promjene izlaznog na pona pravokutan. Stanje sklopa mo že

biti stabilno ili kvazistabilno, tj. Monostabil

nestabilno. Stabilno stanje je stanje u kojem sklop mo že

biti trajno, sve

do nailaska vanjske pobude, kad se prebacuje u drugo stanje. Kvazistabilno ili nestabilno stanje je stanje u kojem se sklop zadr žava

točno odreĎeno vrijeme, nakon čega se prebacuje u drugo stanje. Svaki Astabil multivibrator ima dva stanja pa, ovisno o vrsti stanja, razlikujemo bistabilni, monostabilni i astabilni multivibrator. Bistabilni multivibrator ili bistabil je sklop koji ima oba stanja stabilna, a promjena stanja nastupa pobudom izvana. Monostabilni multivibrator ili monostabil je sklop koji ima jedno stabilno stanje ijedno kvazistabilno stanje. U stabilnom stanju mo že

biti traj- Registri

no, a djelovanjem pobude prelazi u kvazistabilno stanje u kojem ostaje

odreĎeno vrijeme, nakon čega se vraća u stabilno stanje. Astabilni multivibrator ili astabil je sklop koji ima oba kvazistabilna stanja, koja se izmjenjuju, bez vanjske pobude.

Povezani bistabili

6. Registri i brojila 6.1.

Registri

Bistabil, kao osnovni element za pam ćenje,

može upamtiti samo jedan

bit. Digitalni podaci redovito su višebitni pa je za rad s njima potrebno Podjela registara povezati bistabile u nizove, pri čemu svaki bistabil pamti po jedan bit podatka. Niz poveznih bistabila koji privremeno pamte neki podatak

17


zove se registar. U registre se upisuju podaci, adrese podataka, instrukcije ili bitovi koji pokazuju stanje procesa. Registar je privremeni spremnik podataka. Ako podatak,

želimo trajnije pohraniti

služimo se memorijama. Osnovni elementi registra su bistabili

(B), kojih ima onoliko koliko bitova ima podatak. Podatak se može upisati (spremiti, pohraniti) te ispisati (čitati, dohva titi)

serijski ili paralelno. Prema načinu upisa i ispisa podatka, reg istri se dijele na:

• registre s paralelnim upisom i ispisom • registre sa serijskim upisom i ispisom • registre sa serijskim upisom i paralelnim ispisom • registre s paralelnim upisom i serijskim ispisom podataka. Načela rada navedenih registara prikazuje slika 6.1 redoslijedom kako je na slici. Univerzalni registri su registri s obje mogućnosti

upisa i ispisa

podataka. Brojila

Slika 6.1. Načelna shema reistara

6.2.

Brojila

U digitalnoj elektronici i ra čunalnoj tehnici mnogi sklopovi temelje svoj

Povezivanje bistabila

rad na brojanju impulsa ili na dijeljenju frekvencije. Mnogi digitalni

mjerni instrumenti rade na načelu pretvorbe mjerene veličine u vrijeme 18


ili frekvenciju i zatim brojanja impulsa tijekom odreĎenog vremena. Z a te namjene koriste se brojila. Brojila

su

slijedni

ponavljajućih

(sekvencijski)

sklopovi

koji

imaju

slijed

stanja, a služe za brojanje impulsa i za dijeljenje

Vrste brojila

frekvencije.

Uz drugačije povezivanje bistabila u odnosu na posmačne registre moguće je dobiti sklopove brojila s mnogo većim brojem različitih stanja uz jednaki broj bistabila. Bistabili se mogu povezati u sklop asinkronog ili sinkronog brojila. U sklopu asinkronog brojila stanja bistabila ne mijenjaju se istovremeno, nego se ulazna po buda brojilom

širi

poput rušenja domino pločica. U sklopu sinkronog brojila svi

bistabili koji to trebaju istovremeno mijenjaju stanja. Prstenasto i

Memorije

Johnsonovo brojilo takoĎer su sinkrona brojila, ali ona se obično navode posebno jer im se rad temelji na radu posmačnog registra. Prema načinu rada postoje sljedeće vrste brojila:

• prstenasto brojilo • Johnsonovo brojilo • asinkrono brojilo • sinkrono brojilo.

Osnovni dijelovi memorije

7. Memorije Rad imalo složenijih

digitalnih ureĎaja nezamisliv je bez elemenata sa

svojstvom pamćenja. Digitalna računala i digitalni ureĎaji temelje svoj rad na pamćenju digitalnih (binarnih) informacija. Memorija je sustav za pamćenje digitalnih informacija. Memorije osim podataka trebaju pamtiti i instrukcije, programe, meĎurezultate,

odreĎena stanja itd . Osim samog mjesta za pohranu

informacija, u memorijskim sustavima treba imati i dodatne sklopove za

19


odreĎivanje položaja pohranjene informacije te sklopove za zapisivanje

i čitanje tih informacija. Osnovni dijelovi memorija su (slika 7.1.): a) memorijsko polje (matrica) b) sklopovi za pristup podacima (adresni dekoder) c) meĎusklop za čitanje i

Memorijsko polje

pisanje.

Ćelije

Slika 7.1. Osnovni dijelovi memorije

Sklopovi za pristup podacima

a) Memorijsko polje

U memorijsko polje pohranjuju se podaci koji se pamte. Osnovne jedinice podataka u memoriji su memorijske riječi,

a one se pamte u

registrima. Za pamćenje odreĎenog broja n- bitnih riječi treba imati isto toliko n- bitnih

registara. Memorijske riječi sastoje se od memorijskih

elemenata (ćelija), koji su elementi za pamćenje jedn og bita. Svi memorijski elementi imaju dva različita stanja. Jedan memorijski element pamti jedan binarni podatak, odnosno bit. Memorijske riječi

mogu biti poslagane u ravnini, ako govorimo o

memorijama 2D ili u prostoru, ako govorimo o memorijama 3D. b) Sklopovi za pristup podacima

Pristup memorijskim riječima

može biti paralelni ili serijski. Pri 2D memorija

paralelnom pristupu vrijeme pristupa bilo kojoj memorijskoj riječi je jednako, odnosno može se reći da je pristup nasumičan, slučajan ili izravan. Sklop za paralelni pristup podacima je adresni dekoder. On

mora moći adresirati cijeli adresni prostor memorije, odnosno treba 3D memorija 20


imati onoliko različitih kombinacija koliko ima memorijskih lokacija. Na taj se način omogućuje pristup svim memorijskim lokacijama. S m adresnih bitova može se razlikovati 2 m adresa. Adrese su u rasponu od 0 do 2m - 1. Broj m

odreĎuje veličinu adresnog prostora. Sa 32 adresna

bita može se adresirati najviše 232 = 4 294 967 296 lokacija, odnosno četiri gigabajta. Za adresiranje memorije 2D koristi se jedan dekoder koji ima 2 m izlaza, pri

čemu je m broj adresnih bitova. Primjerice, ako se koristi

četverobitna adresna sabirnica i četverobitna podatkovna sabirnica, adresni dekoder ima 2 4 = 16 izlaza. Memorija je velika 16 x 4 b = 64 b (slika 7.2.). Mnogo je jednostavnije i učinkovitije multipleksirati adresu i koristiti memoriju 3D. Za vrijeme jednog takta na adresni se dekoder retka dovodi prvi dio adrese koji adresira redak, a za vrijeme drugog

Adresiranje memorije 2D

takta adresa se dovodi dekoderu stupca koji adresira stupac. U primjeru

četverobitne adrese, u prvom se taktu adresira jedan od 2 4 = 16 redaka, a drugi dio adrese adresira jedan od 24 = 16 stupaca. Memorija je u ovom

slučaju velika 16 x 16x4 bita, odnosno 256 riječi po četiri bita, što iznosi 1024 b = 1 kb (slika 7.3.). Memorija 3D ima dva adresna dekodera,

kojima je moguće adresirati mnogo veći broj memorijskih lokacija. Pri serijskom pristupu memorijske riječi

su u nizu, kao kod posmačnog

registra. Adresiranje memorije 3D

Slika 7.2. Adresiranje memorije 2D (16x4)

MeĊusklop za ĉitanje i pisanje 21


AD i DA pretvorba

Slika 7.3. Adresiranje memorije 3D(256x4)

c) MeĊusklop za ĉitanje i pisanje

Kod nekih memorija me Ďusklop

za čitanje i pisanje omogućuje samo

ispis (čitanje) informacije zapisane u odreĎenu memorijsku lokaciju, a kod nekih

taj meĎusklop omogućuje i ispis i upis informacije u

memoriju.

Upravljački ulaz R/W odreĎuje hoće li se obaviti upis ili ispis

podatka. Ako je taj ulaz u jedinici, obavlja se

čitanje (ispis), a ako je u

nuli, obavlja se ispis podatka. Ulaz E ili CS (engl. chip select) omogućuje rad s memorijom.

8. AD i DA pretvorba Veličine koje opisuju razne pojave u prirodi većinom su

analogne. Zbog

velikih mogućnosti obrade podataka, sve se češće za obradu analognih veličina koriste digitalni sustavi. Da bismo mogli upravljati analognim pojavama pomoću digitalnog sustava, analogne veličine koje ih opisuju moramo pretvoriti u digitalni oblik (slika 8.1.).

22


DA pretvorba

Slika 8.1. Digitalni sustav u analognom okruženju Analogno-digitalni pretvornik (engl. analog to digital converter, ADC) povezuje analogno okru ženje

i digitalni sustav, odnosno pretvara

analogne veličine u digitalne. Postupak pretvaranja analognih u digitalne veli čine

naziva se analogno - Shema AD pretvorbe

digitalna pretvorba (AD-pretvorba). Da bi digitalnom obradom dobiveni digitalni podaci bili uporabljivi u analognom okru ženju, potrebno ih je pretvoriti u analogni oblik. Digitalno-analogni pretvornik (engl. digital to analog converter, DAC) povezuje digitalni sustav i analogno okruženje,

odnosno pretvara digi -

talne veličine u analogne. Postupak pretvaranja digitalnih u analogne veli čine

naziva se digitalno -

analogna pretvorba (DA-pretvorba). Postupak pretvorbe analognog signala u digitalni temelji se na tri

Uzorkovanje

koraka: uzorkovanju, kvantiziranju i kodiranju (slika 8.2.).

Slika 8.2. Načelna shema AD pretvorbe

Sklop za uzorkovanje

a) Pri analogno-digitalnoj pretvorbi promatramo uzorke kontinuiranog

23


signala U u odreĎenim trenucima. Uzorkovanje je postupak uzimanja uzoraka ulaznog signala u

Kvantizacija

odreĎenim vremenskim razmacima. Ulazni analogni signal jednozna čno

je odreĎen ako je frekvencij a

uzorkovanja barem dva puta viša od najviše frekvencije u spektru analognog signala koji pretvaramo u digitalni oblik.

Kodiranje

f u=2 f max Prije uzorkovanja analogni se signal filtrira niskopropusnim filtrom, kako bi se ograni čila najviša frekvencija u

spektru analognog signala. U

suprotnom mogu nastati izobličenja signala (engl. aliasing - preklapanje). Postupak uzorkovanja izvodi sklop za uzorkovanje i zadržavanje. Sklop za uzorkovanje i zadr žavanje

(engl. sample & hold, S&H) je

sklop koji u odreĎenim trenucima uzima uzorak ulaznog napona i pamti ga do sljedećeg trenutka uzorkovanja. b) Nakon uzorkovanja signala, slijedi postupak kvantiziranja Kvantiziranje je postupakpridru živanjauzorkovaneanalogne

vrijednos ti

unutar odreĎenog raspona signala odgovarajućoj naponskoj razini. c)

Razmak dviju susjednih razina kvantizacije naziva se korakom

kvantizacije i odreĎen

je brojem bitova digitalnog signala n i najvećom

vrijednošću ulaznog analognog signala U M . S n bitova digitalnog signala postoji 2n

različitih kombinacija, odnosno toliko različitih mogućih

razina analognog signala. Raspon analognog signala mož e se podijeliti na razne načine. Ako se digitalni podaci prikazuju s tri bita, postoji osam različitih naponskih razina (2 n).

24


9. Pitanja za ponavljanje 1.

Što je digitalna elektronika i što obuhvaća ?

2. Skiciraj analogni i digitalni signal. 3. Gdje se primjenjuje digitalna elektronika ? 4.

Zašto je potrebno analogni signal pretvarati u digitalni ?

5.

Što je analogni a što digitalni signal ?

6.

Zašto su digitalni ureĎaji graĎeni od sklopova koji imaju dva različita stanja?

7. Skiciraj naponske razine pozitivne logike. 8.

O čem ovi točnost digitalnih podataka ?

9.

Koja je razlika izmeĎu serijskog i paralelnog prijenosa podataka ?

10. Što su logički sklopovi ? 11. Skiciraj I sklop izveden pomoću 2

sklopke, pomoću 2 diode i nacrtaj

njegov simbol. 12. Skiciraj ILI sklop izveden pomoću 2

sklopke, pomoću 2 diode i

nacrtaj njegov simbol. 13. Koja je zadaća NE sklopa, skiciraj NE

sklop izveden pomoću

tranzistora. 14. Koje su skupine integriranih digitalnih sklopova ? 15. Koje su k arakteristične veličine skupina integriranih digitalnih sklopova? 16. Što su multivibratori i kako se dijele ? 17. Što su registri i kako se dijele ? 18. Što su brojila i koje

su vrste brojila ?

19. Što je memorija i koji su osnovni dijelovi memorije ? 20. Što je DA pretvorba i koja su tri koraka (skica) ? 21. Što je uzorkovanje, kolika mora biti

frekvencija uzorkovanja ?

25


10.

Literatura

[1] Aleksandar Szabo, Damir Bošnjak, Nediljka Furčić-Digitalna elektronika [2] Marko Čupić – Digitalna elektronika i digitalna logika

26

Digitalna elektronika

Recommend Documents