electronicsafterhours.com
1 czerwca 2021

Elektronika analogowa wstępem do elektroniki cyfrowej

Współczesna elektronika jest światem ewidentnie zdominowanym przez zera i jedynki. Wraz z procesorami i układami logicznymi często współpracują układy analogowe, które dały początek elektronice cyfrowej.

Układ elektroniki analogowej a cyfrowej

W tym artykule opisano korelację pomiędzy układami elektroniki analogowej i cyfrowej.

Analogowe elementy półprzewodnikowe

Układy analogowe działają na sygnałach ciągłych, tj. ich parametry, częstotliwość i amplituda zmieniają się w sposób ciągły. Do najważniejszych elementów półprzewodnikowych wykorzystywanych w technice analogowej należą tranzystory bipolarne i unipolarne, diody oraz wzmacniacze operacyjne. Co ciekawe, ten ostatni jest zwykle wykonywany jako układ scalony, a jego strukturę wewnętrzną stanowi głównie sieć tranzystorów. Łącząc odpowiednie elementy z wyprowadzeniami wzmacniacza operacyjnego, możemy tworzyć różne jego konfigurację, za pomocą których można m.in. porównywać ze sobą napięcia sygnałów wejściowych, wzmacniać sygnał wejściowy, odwracać jego fazę, sumować wiele sygnałów w jeden, a także wykonywać logarytmowanie, różniczkowanie i całkowanie sygnałów. Tak szeroki zakres możliwości konfiguracji takiego pojedynczego elementu umożliwia jego wykorzystanie w wielu aplikacjach, m.in. w układach pomiarowych, systemach łączności i wzmacniaczach elektroakustycznych.

Cyfrowe elementy półprzewodnikowe

Elektronika analogowa dała początek elektronice cyfrowej. Można to zaobserwować choćby po tym, że elementy półprzewodnikowe techniki cyfrowej, podobnie jak elementy półprzewodnikowe techniki analogowej, są wykonane także z tranzystorów. Różnice pomiędzy nimi pojawiają się w strukturze połączeń oraz zasadzie działania. Komponenty cyfrowe działają według logiki binarnej. Do najbardziej popularnych układów cyfrowych zaliczamy bramki logiczne, które stanowią elektroniczną realizację funkcji logicznych, takich jak np. negacja, iloczyn, alternatywa wykluczająca czy suma. Ponadto, stosuje się także przerzutniki, multipleksery, konwertery kodów, (np. z binarnego na dziesiętny), liczniki, dekodery i inne. Takie elementy są także podzespołami procesorów i mikrokontrolerów.

Zderzenie dwóch światów

Współcześnie coraz częściej do pomiaru wielkości fizycznych, zarówno elektrycznych, jak i nieelektrycznych, korzysta się z przyrządów pomiarowych, które jednocześnie wykorzystują układy elektroniki analogowej i cyfrowej. Aby połączyć je ze sobą, wystarczy skorzystać z przetwornika analogowo-cyfrowego. Przetwornik ADC może występować w formie osobnego układu scalonego, a także może stanowić jeden z układów peryferyjnych wbudowanych w mikrokontroler. Przetwornik ADC można także zbudować, wykorzystując podstawowe układy scalone techniki analogowej i cyfrowej, co dobrze widać na schemacie 2-bitowego przetwornika analogowo-cyfrowego typu FLASH, zbudowanego na podstawie wzmacniacza operacyjnego i bramki logicznej. Rzeczywiste przetworniki ADC typu FLASH mają znacznie wyższą rozdzielczość bitową, ale ich zasada działania jest taka sama. Wzmacniacze operacyjne w takim przetworniku pracują w układzie komparatorów. Do wejść nieodwracających komparatorów są podłączone napięcia referencyjne, których wartości zostały dostrojone potencjometrami tak, aby zmniejszyć nieliniowości. Natomiast do wejść odwracających komparatorów jest podłączone środkowe wyprowadzenie potencjometru o maksymalnej rezystancji 100k i charakterystyce liniowej.

Wyjścia komparatorów są odpowiednio połączone z bramkami logicznymi typu NOT (negacja) oraz NAND (negacja iloczynu). Natomiast do wyjść bramek NAND na końcu układu, są podłączone czerwone diody LED poprzez rezystory ograniczające prąd do masy. Dolna dioda odpowiada za sygnalizację stanu logicznego dla bitu o wadze 0, a górna dioda odpowiada za sygnalizację stanu logicznego dla bitu o wadze 1. Komparatory i bramki logiczne są zasilane ze źródła napięcia stałego 5 V. Jeśli Napięcie na wejściu odwracającym komparatora przybierze wartość niższą, niż jest na wejściu odwracającym, to na wyjściu komparatora pojawi się napięcie bliskie wartości napięcia zasilania. Natomiast gdy wartość napięcia na wejściu odwracającym będzie wyższa niż wartość napięcia na wejściu nieodwracającym, wówczas komparator wystawi na wyjściu napięcie o wartości bliskiej zeru (potencjałowi masy źródła zasilania). Wyjścia komparatorów są połączone z wejściami bramek logicznych NOT i AND. Przesuwając wodzik potencjometru VIN, regulujemy napięcie doprowadzone do wejść odwracających komparatorów. Każda zmiana położenia wodzika potencjometru o kolejne ⅓ długości jego ścieżki powoduje zmianę stanów logicznych na wyjściach z podłączonymi diodami LED. W położeniu zerowym potencjometru, na obu wyjściach przetwornika jest stan logiczny niski, co w systemie dziesiętnym będzie odpowiadało liczbie zero. Po przesunięciu potencjometru o pierwszą ⅓ część jego ścieżki uzyskamy zaświecenie diody LED „BIT0” (najmłodszy bit w stanie wysokim), co w kodzie dziesiętnym będzie odpowiadało liczbie jeden. Gdy przesuniemy potencjometr o kolejną ⅓ ścieżki, dioda LED odpowiadająca za sygnalizację bitu o wadze „0” zgaśnie, a zaświeci się dioda odpowiadająca za sygnalizację bitu o wadze „1”, co w systemie dziesiętnym będzie odpowiadało liczbie dwa. Natomiast gdy wodzik potencjometru będzie przesunięty pod koniec długości ścieżki, zaświecą się obie diody LED, co będzie równoznaczne z osiągnięciem wartości „3” w systemie dziesiętnym. W praktyce zaawansowane układy cyfrowego przetwarzania sygnałów są wyposażone także w układ próbkująco-pamiętający (sample/hold), filtr antyaliasingowy, dekoder oraz inne układy niezbędne do przetworzenia analogowych wartości napięć na postać cyfrową — również w celu przedstawienia rzeczywistej wartości napięcia na wyświetlaczu cyfrowym.

Czy warto nauczyć się podstaw elektroniki analogowej na rzecz późniejszej nauki elektroniki cyfrowej?

Elektronika jest bardzo szeroką dziedziną, która w dalszym ciągu jest rozwijana i to w bardzo szybkim tempie. Zrozumienie zjawisk zachodzących w układach elektronicznych urządzeń takich jak przyrządy pomiarowe, zasilacze impulsowe, urządzenia RTV i inne, wymaga znajomości zarówno układów elektroniki analogowej, jak i elektroniki cyfrowej. Świat sygnałów o ciągłym zakresie zmian parametrów wraz ze światem wartości dwustanowych po dziś dzień bardzo ściśle ze sobą współpracuje. Zatem jeśli chcesz dogłębnie poznać zasady, na jakich działają układy elektroniczne w otaczających nas urządzeniach, warto w tym celu zgłębiać także wiedzę z zakresu przetwarzania sygnałów z postaci analogowej na cyfrową, jak i na odwrót. Prawidłowe zrozumienie zjawisk zachodzących w takich układach ułatwi proces projektowania urządzeń łączących w sobie elementy techniki analogowej i cyfrowej.

Jak oceniasz ten wpis blogowy?

Kliknij gwiazdkę, aby go ocenić!

Średnia ocena: 5 / 5. Liczba głosów: 5

Jak dotąd brak głosów! Bądź pierwszą osobą, która oceni ten wpis.