Рис. 14.39. Обозначение и внутренняя структура часто используемых коммутаторов из серии 561

* * *

Мы не будем рассматривать большой класс логических элементов, называемых арифметическими устройствами. Сюда входят: полусумматоры, полные сумматоры, полувычитатели, полные вычитатели, интегральные сумматоры, двоичные умножители и некоторые другие устройства. В радиолюбительском творчестве они встречаются крайне редко, и в последнее время, когда стали доступны дешевые микроконтроллеры, необходимость в этих устройствах практически отпала.

Сегодня большое распространение получили цифровые измерительные приборы, которые показывают на дисплее значения напряжения, тока, частоты, сопротивления и так далее — в цифровом виде. Информация сразу выдается в нужных единицах, например в микровольтах или килоомах. Не нужно задумываться о коэффициентах пересчета показаний, о цене деления шкалы. Все эти операции выполняются цифровым прибором автоматически. Удобно? Кто бы сомневался, что цифровая техника может творить чудеса!

Но возникает важный вопрос: если аналоговая и цифровая техника столь далеко отстоят друг от друга по принципам построения, то каким образом с помощью всего двух уровней электрического сигнала можно измерять аналоговые величины? Очевидно, необходимо осуществить преобразование одного сигнала в другой.

Представим, что в нашем арсенале есть «черный ящик», называемый аналого-цифровым преобразователем. (АЦП), имеющий один вход и несколько выходов, как показано на рис. 14.40, а. При подаче на вход определенного уровня сигнала на выходных контактах появится двоичный код. «Ящик» устроен так, что при подаче на вход сигнала от нулевого уровня до максимально оговоренного, будет меняться выходной двоичный код, причем в комбинациях кода отсутствует повторение. Процедура преобразования аналогового сигнала в двоичный цифровой код имеет одну важную особенность, о которой надо сразу упомянуть. Вдумайтесь: число кодовых комбинаций ограничено, а входной сигнал имеет бесконечное множество возможных значений. Договорились разбить диапазон, на котором происходит преобразование, на участки, количество которых равно числу возможных кодовых комбинаций, и считать измеренным значение, занимающее середину этого малого отрезка. Сигнал приобретет ступенчатый вид, и эта ступенчатая кривая будет тем больше приближаться к исходной непрерывной кривой, чем больше отрезков удастся набрать. Графически это «ступенчатое» преобразование изображено на рис. 14.40, б.

Рис. 14.40. Аналого-цифровой преобразователь (а) и график, поясняющий его работу (б)

Полученный код можно занести в память компьютера, преобразовать его в десятичные цифры и выводить на индикатор. Достоинство такого способа заключается в возможности запоминания не только однократного измерения, но и серии измерений, скажем, зафиксировать изменение сопротивления в течение суточных колебаний температуры.

А возможно ли обратное преобразование цифрового сигнала в аналоговый?

Да, и оно встречается очень часто. Вспомните хотя бы музыкальные компакт-диски, отличающиеся потрясающим качеством звуковоспроизведения, отсутствием «старения» с течением времени, которое наблюдается у «аналоговых» виниловых дисков и магнитной ленты. Сигнал хранится на компакт-диске в виде кодовой последовательности и, поданный на цифроаналоговый преобразователь (ЦАП), превращается в звуковые колебания (рис. 14.41).

Рис. 14.41. Цифроаналоговый преобразователь

Выходной сигнал ЦАП, в соответствии с законом конечности кодовых комбинаций, имеет ступенчатую форму, но в случае с компакт-диском количество кодовых комбинаций выбирается таким, чтобы эти «ступеньки» не были заметны на слух.

Внешне ЦАП и АЦП выглядят как обычные микросхемы, их даже можно спутать друг с другом по изображению на принципиальных схемах, настолько они похожи! Различать эти микросхемы можно, как всегда, по маркировке на корпусе и по надписям на графических изображениях в принципиальных схемах: D/А (ЦАП), А/D (АЦП).

Преобразователи, отличаются друг от друга по скорости преобразования сигнала в код и кода в сигнал, точности преобразования, температурной стабильности. В настоящее время разработаны АЦП, способные преобразовать в коды сигнал с частотой в сотни МГц.

Преобразователи с высокой степенью стабильности и точности считаются уникальными, дорогостоящими элементами, поэтому перед созданием конкретного устройства с применением преобразователей надо прежде всего оценить требования к точности и по возможности использовать не высокоточные элементы, а стандартные.

Важным параметром ЦАП и АЦП является их разрядность — количество бит цифрового кода, выдаваемого на выходе ЦАП или получаемого со входа АЦП. Чем выше разрядность, тем с более высокой точностью можно осуществлять преобразования сигналов. Широко распространены 8- и 10-разрядные преобразователи. ЦАП и АЦП с разрядностью более 12 бит считаются высокоточными, а следовательно, дорогостоящими.

В последнее время преобразователи ЦАП и АЦП, встроенные в специальное устройство — цифровой сигнальный процессор (DSP), — стали широко применяться в устройствах фильтрации и обработки аналоговых сигналов (рис. 14.42).

Рис. 14.42. Канал цифровой фильтрации

Преобразовав с помощью АЦП сигнал в цифровой код, можно подвергнуть его обработке по определенным правилам, например, «завысить» высокие частоты или убрать помехи, трески, шумы. Общее название этих операций — цифровая фильтрация. Затем, после фильтрации, с помощью ЦАП восстановить аналоговый сигнал.

Где находит широкое применение цифровая фильтрация? Подавляющее большинство систем сотовой связи оснащено такими фильтрами, поскольку намного проще изготовить цифровой фильтр с высокой стабильностью параметров фильтрации, чем проектировать аналоговые фильтры, требующие серьезной настройки. Цифровые фильтры, кроме того, оказываются намного компактнее аналоговых.

Сегодня, если мы скажем, что миниатюрный программируемый вычислитель — микропроцессор или микроконтроллер — занимает в современной аппаратуре центральное место, то не слишком отклонимся от истинного положения вещей. Речь идет именно о программируемых вычислителях, а не об устройствах типа электронных калькуляторов. Своему современному виду, структуре и принципам действия компьютерная техника во многом обязана Джону фон Нейману, который разработал концепцию хранения программы, исходных данных, промежуточных и окончательных результатов непосредственно внутри компьютера.

Давайте рассмотрим классическую фон неймановскую структуру, изображенную на рис. 14.43.