Digital elektronik. I Båda fallen gäller förstås att tidsförloppet måste bevaras.

Transkript

1 Digital elektronik Den digitala elektroniken behöver bara kunna skilja mellan två tillstånd (spänningsnivåer), etta eller nolla. Normalt representeras logisk etta med den positiva matningsspänningen t.ex. +5V och logisk nolla med jord dvs V. Som jämförelse kan vi notera att analog elektronik, som ibland kallas linjär, bevarar spänningsinformationen på millivolt när dvs på utgången av en analog krets eftersträvar man en linjär avildning (t.ex. förstärkt) av det som matas in. I Båda fallen gäller förstås att tidsförloppet måste bevaras. Även om grunderna till digital elektronik använts i mer än 5 år dvs ända sedan de första datorerna har väldigt mycket skett under de senaste -5 åren. Miniatyriseringen av elektroniken har ju lett till en revolution vad gäller minne Snabbhet och beräkningskapacitet hos det mest uppenbara digitala systemet nämligen datorn. Dock måste man Också peka på den kraftigt förbättrade omvandlingen från analog till digital information (AD-omvandling) och dess motsats, digital till analog omvandlin (DA.omv.) dvs förbättringen av gränssnitten till vår analoga (mänskliga) värld.

2 Logiska funktioner Dessa är de officiella Symbolerna som används av ingenjörer

3 Transistor Switch I digital elektronik är transistorns huvudsakliga funktion att fungera som en strömbrytare, Sk. transistor switch. Tänk på följande koppling där switchen styrs av en spänning Uin som kan vara antingen V (logisk nolla, öppen switch) eller 5V (logisk etta, sluten switch). Vi ser att om Uin= blir Uut= 5V. Kresten fungerar alltså som en inverterare 5V 5V Om switchen realiseras med En npn transistor som bara Är i tillstånden icke ledande respektive ledande får vi följande Uut U ut

4 TTL, CMOS Den digitala elektroniken måste alltså kunna skilja på logisk etta och logisk nolla. Gränsdragningen mellan de båda tillstånden skiljer sig mellan olika familjer av digitala kretsar. I grunden härrör Skillnaderna från de transistorkopplingar som utgör input respektive output till kretsen i fråga. De viktgaste logikfamiljerna heter TTL (transistor-transistor logik) och CMOS. Tabellen jämför de båda. Oftast finns chips av TTL resp CMOS typ med samma funktion att köpa, Förmodligen t.o.m benkompatibla med varandra. egenskap matspänning VDD Logisk utgång, ingång Logisk utgång, ingång Effekt per grind Fanout ( signal kan delas til) Drivförmåga hos utgång TTL V Vut <.4V, Vin<.8V Vut > 2.4V, Vin > 2.V 5mW Ca ingångar Tiotals ma CMOS Stor variation Vut < VDD/2 Nivå > VDD/2 nw till mw(frekv. Ber.) Ca 5 ingångar Enstaka ma

5 Utsignalalternativ Som framgår av tabellen kan en och samma insignal skickas till många ingångar. Utsignaler kan inte utan vidare kopplas ihop utan man måste se till att dom bara försöker skicka ut signaler, en i Taget. Följande varianter på output kan vara bra att känna till. Ofta kan det vara rätt summariskt Uttryckt i databladet vilken typ av utgång ett visst chip har. (jag ritar switchar i tället för transistorer) En ledare som har flera inputs eller outputs anlsutna kallas en buss.. 5V Typiska motstånd -kohm 5V 5V Extern Pullup resistor S Ut S Ut Ut S2 S2 S2 Totem pole. S och S2 Alltid motsatt tillstånd. Normalt ej hopkopplad med andra Tri state. Om s,s2 öppna, frikopplad från bussen De tre tiilstånden:,,fri Open Collector. Bussen Hög tills något chips drar Ner.

6 ADC och DAC gränssnitten U (volt) Man har en analog vågform tid Med en ADC (Analog to Digital converter), mäts spänningen vid fixa tidpunkter. Antal mätningar ( digitaliseringar)per sekund benämns antal samples per sekund (t.ex.ms/s megasamples per sek). Man behöver förstås sampla med en frekvens som är betydligt högre än frekvensen på de förlopp man vill mäta upp. Vid musikinspelning handlar det om att sampla med 4KS/s. I ett digitalt oscilloskop kan det vara GS/s dvs miljard digitaliseringar per sek. Med upplösningen avses hur noggrant spänningen i ett sample kan anges. Detta begränsas av hur många bitar ADCn aarbetar med. Vanligen arbetar man med 8 bitar, bitars eller 6 bitars. Ju fler bitars noggrannhet desto längre tid per mätning. Därför har ett digitalt osc. Sällan fler än 8 bitar medan musikinspelning ofta har 6 bitars upplösning. 8 bitar innebär 2 8 = 256 olika värden. Om inspänningarna varierar mellan och 2.56V får vi en mätning med noggrannheten mv per digitalt steg. 6 bitar innebär 2 6 = olika värden. Med en Maxamplitud på några tiotal volt får vi en noggrannhet på ca.5mv per digitalt steg vilket Är ungefär det som behövs för finare musik. Rappare skulle kanske med fördel digitaliseras med 8 bitars upplösning och kräva extra hög samplingsfrekvens. De digitala värdena kan nu lagras binärt på något medium, skickas via nätet ellet via GSM. När informationen skall användas igen (uppspelning) räcker det att ettor och nollor fortfarande kan särskiljas. Om vi jämför med den analoga vinylinspelningen skulle det som var en mv Amplitudändring, lagras så att det käns igen som en mv ändring Av uppspelningselektroniken

7 Flash ADC principles Up to 255 for 8bit ADC 3.3V.k 3mV 25mV 2mV 5mV mv 5mV.k 75mv mV Den snabbaste ADC kallas flash ADC. Man har lika många komparatorer som det antal bitar som man eftersträvar. Komparatorernas referensspänningar skapas med en spänningsdelare. Om alla motstånd har samma värde blir referesnnivåerna ekvidistanta (det normala). Spänningen man vill mäta skickas till samtliga komapartorer. Om spänningen är högre än ref. nivån ger komparatorn :a ut. En kodningskrets kollar vilken av de 256 komparatorerna som är den första som producerat en etta. Komparatorns ordningsnummer är mätresultatet och representars med ett 8- bitars tal. Normalt är allt inbyggt i en IC krets. Maxspänningen I spänningsdelaren matas in på ett ben, spänningen Som ska mätas på ett annat och de 8 bitarna kommer ut på en port

8 DAC principles Ref. Spänning Vid återskapande av den analoga vågformen. Interfacet till oss t.ex. Svängningen hos membranet I högtalaren är ju forfarande analogt. Den digitala människan, som kan njuta av strömmen av ettor och nollor finns fortfarande bara i enstaka exemplar. Så vi står inför uppgiften att ta de lagrade digitala Mätresultaten (amplituderna) och med samma frekvens som sampling gjordes, generera analoga spänningar som är proportionella mot mätresultatet. Proceduren, DAC (Digital to Analog Conversion) kan realiseras På många olika sätt. Låt oss jobba igenom ett sätt. Vi orkar bara en 3-bitars DAC. R 2R 4R Switcharna styrs av den digitaka koden Beroende på switcharnas lägen har vi en Spänningsdelare med två motstånd där utspänningen tas ut mellan motstånden. R eller R2 utgörs av parallelkopplingar av 2 av motstånden. R U ut Utspänning U ut U ut = (R 2 /R +R 2 ) R 2

9 DAC principles Låt oss tröska igenom värdena Ref. Spänning kod U ut = R 2 /(R +R 2 ) R 2R R *2/4 * 4/4 4R R 2 U ut * 6/4 * 8/4 Utspänning U ut * /4 * 2/4

10 Succesiv approximations ADC Flash ADCn var mycket snabb. Väsentligen tar ju AD-omvandligen bara transittiden genom komparatorerna och kodningskretsen. Nackdelen är ju att det behövs lika många komparatorer Som det antal bitars upplösning man vill ha. En 6 bitars ADC som arbetar efter denna princip Skulle behöva komparatorer. Med modern IC-teknologi är väl det i princip möjligt men kostsamt. Om man inte eftersträvar högsta möjliga samplings rate kan man göra en elegant Kompromiss, med metoden succesiv approximation. På nästa slide illustreras principen hur en 4bitars ADC baserad på denna princip fungerar. Man har bara en komparator vars referensnivå genereras av en DAC. Det korrekta mätvärdet gafflas In med binär sökning. Logiska kretsar bestämmer, baserat på komparatorns utslag, vilka referenspänningar som ska genereras till nästa klockpuls. Referensspänning läggs alltid i mitten på det spänningsintervall där man funnit attinspänningen ligger. Intervallet minskar med en faktor 2 för varje klockcykel. Som ni ser ger jämförelsen på första klockpusen den mest signifikanta biten i det digitaliserade Spänningsresultatet osv..

11 The PIC ADC principle Succesive approximation principle Voltage to measure 4-bit succ. Approx Takes 4 repetitions

12 Sekventiella nät set-reset Vippa En enkel minnescell S R Q N+ Q N+?? set reset memory Q N Q N

13 JK-vippa För förklaringen av den klockade JK vippan får ni köra animeringarna som finns på sajten till kapitlet. Det digra arbetet gjorde Evert Stenlund, en kollega. Han hade så roligt ävenom det blev lite mycket till slut. Därför delar vi upp det på separata PPT presentationer.