Układ cyfrowy

Z Wikipedii

Układy cyfrowe to rodzaj układów elektronicznych w których sygnały napięciowe przyjmują tylko określoną liczbę poziomów, którym przypisywane są wartości liczbowe. Najczęściej (choć nie zawsze) liczba poziomów napięć jest równa dwa, a poziomom przypisywane są cyfry 0 i 1, wówczas układy cyfrowe realizują operacje zgodnie z algebrą Boola i z tego powodu nazywane są też układami logicznymi. Obecnie układy cyfrowe budowane są w oparciu o bramki logiczne realizujące elementarne operacje znane z algebry Boola: iloczyn logiczny (AND, NAND), sumę logiczną (OR, NOR), negację NOT, różnicę symetryczną (XOR) itp. Ze względu na stopień skomplikowania współczesnych układów wykonuje się je w postaci układów scalonych.

Zalety układów cyfrowych:

• Możliwość bezstratnego kodowania i przesyłania informacji – jest to coś, czego w układach analogowych operujących na nieskończonej liczbie poziomów napięć nie sposób zrealizować.
• Zapis i przechowywanie informacji cyfrowej jest prostszy.
• Mniejsza wrażliwość na zakłócenia elektryczne.
• Możliwość tworzenia układów programowalnych, których działanie określa program komputerowy (patrz: mikroprocesor, koprocesor).

Wady układów cyfrowych:

• Są skomplikowane zarówno na poziomie elektrycznym, jak i logicznym i obecnie ich projektowanie wspomagają komputery (patrz: język opisu sprzętu).
• Chociaż są bardziej odporne na zakłócenia, to wykrywanie przekłamań stanów logicznych, np. pojawienie się liczby 0 zamiast spodziewanej 1, wymaga dodatkowych zabezpieczeń (patrz: kod korekcyjny) i też nie zawsze jest możliwe wykrycie błędu. Jeszcze większy problem stanowi ewentualne odtworzenie oryginalnej informacji.

[edytuj] Klasyfikacja układów cyfrowych

Ze względu na sposób przetwarzania informacji rozróżnia się dwie główne klasy układów logicznych:

• układy sekwencyjne – w których stan wyjść zależy od stanu wejść x oraz od poprzedniego stanu
• układy kombinacyjne – w których sygnały wyjściowe zmieniają się w chwili zmian sygnałów wejściowych

Ze względu na technologie w jakiej wykonano bramki logiczne:

• bipolarne,
  • TTL (ang. Transistor-Transistor Logic),
  • ECL (ang. Emitter Coupled Logic),
  • I²L (ang. Integrated Injection Logic),
• unipolarne,
  • NMOS i PMOS,
  • CMOS (ang. Complementary MOS).

Ostatnimi laty bardzo popularne stały się programowalne układy cyfrowe. W odróżnieniu od programowalnych mikroprocesorów, programowana jest fizyczna struktura układu oparta na:

• matrycach,
  • PLA,
  • PAL,
• komórkach,
  • SPLD,
  • CPLD,
  • FPGA.

[edytuj] Ograniczenia techniczne

Ze względu na różne czynniki, takie jak wahania napięcia zasilającego, zakłócenia zewnętrzne, rozrzut parametrów itp. sygnały przetwarzane w układach cyfrowych nie mają ściśle określonych wartości, stąd też liczby przypisuje się nie wartościom napięć, ale przedziałom napięć.

W układach logicznych, gdzie są zdefiniowane tylko dwie wartości liczbowe, rozróżnia się dwa przedziały napięć: wysoki (ozn. H, z ang. high) i niski (ozn. L, z ang. low); pomiędzy nimi jest przerwa, dla której nie określa się wartości liczbowej – jeśli napięcie przyjmie wartość z tego przedziału, to stan logiczny układu jest nieokreślony.

Jeśli do napięć wysokich zostanie przyporządkowana logiczna jedynka, a do niskich logiczne zero, wówczas mówi się, że układ pracuje w logice dodatniej (inaczej zwaną pozytywną), w przeciwnym razie mamy do czynienia z logiką ujemną (inaczej zwaną negatywną).