В настоящее время все, кто работает с электронными устройствами, должны понимать основные принципы работы цифровых электронных схем.

Аналоговые дискретные сигналы

Изучая электричество, вы не раз пользовались аналоговыми электрическими цепями.

A V

5

+ 4

V 3 Движок Движок

5B - 2 перемещ перемещ

1 вверх вниз

B 0 t

a) б)

Рис1. а) аналоговый сигнал с выхода потенциометра

б) форма аналогового сигнала.

Электрическая цепь, показанная на рис.1.а, вырабатывает на выходе аналоговый сигнал напряжения. Если движок потенциометра перемещать вверх, напряжение между точками А и В будет плавно увеличиваться. Когда движок потенциометра перемещается вниз, напряжение плавно уменьшается от 5В до 0В. График изменения напряжения, показанный на Рис.1.б, характеризует аналоговый выходной сигнал. В левой части графика напряжение между точками А и В постепенно возрастает до 5В, в правой части напряжение постепенно снижается до 0В. Останавливая движок где-нибудь в средней части потенциометра, мы можем получит на выходе любые напряжения между 0 и 5В. Таким образом, аналоговое устройство - это такое устройство в котором сигнал на выходе меняется непрерывно при постепенном изменении сигнала на входе.

Цифровые устройства оперируют с цифровыми сигналами. На Рис.2.а изображен генератор прямоугольных импульсов.

V

Генератор

прямоугольн Высокий уровень

импульсов +5 В

Осциллограф

0 А

а) б) Низкий уровень

Рис2. а)—цифровой сигнал, наблюдаемый на экране осциллографа.

б)—форма цифрового сигнала.

Генератор непрерывно выдаёт сигналы прямоугольной формы, которые можно наблюдать на экране осциллографа. Как показано на Ри.2.б в цифровом сигнале имеются только два уровня напряжения: +5 и 0В. В точке А напряжение возрастает от 0 до 5В. Далее оно в течении какого-то времени остается равным +5В. В точке В напряжение быстро падает от+5В до 0В, а затем некоторое время сохраняет величину 0В. Для цифровых электронных схем, таким образом существенны только два значения напряжения. На Рис 2.б показана форма цифрового сигнала, а эти значения напряжения названы высоким и низким уровнями. Первому соответствует напряжение +5В, второму 0В. Схемы, в которых применяются сигналы только двух типов – с высокими и низкими уровнями напряжения — называются цифровыми схемами, сигналы в них изменяются скачкообразно, т.е. дискретным образом. Следовательно, цифровая система может быть описана как двоичная, и двум используемым уровням напряжения можно поставить в соответствии двоичные значения 0 и 1. Два состояния, определённые таким образом, можно интерпретировать логически как наличие или отсутствие определённого условия.

В прошлом столетии (ХIХ вв.) английский математик Джордж Буль (1815—1864) разработал специальную алгебру, которая оказалась очень удобной для представления ситуации, описанной выше. Вследствие эта ветвь математики получила название булевой алгебры, которая оперирует с переменными, принимающими только два значения: 0 и 1.В ней существует множество правил и ряд теорем, которые дают возможность оперировать булевыми выражениями. Знания булевой алгебры необходимо для выполнения любой работы, связанной с проектированием цифровых систем.

Алгебра Буля была не востребована по следующие 100 лет лишь в 1938 —1940гг советский физик В.И. Шестаков, американский математик Клод Шеннон, японский ученый А. Накашима доказали возможность использования булевой алгебры при анализе и синтезе контактных схем (независимо друг от друга). Применение аппарата математической логики для решения задач дискретной техники получило существенное развитие в трудах М.А. Гаврилова, Д.А. Поспелова, В.Г. Лазарева, В.Н. Рогинского, А.Д. Закревского и др. ученых.

Большое влияние на развитие теории дискретных устройств оказало создание электронных вычислительных машин. Крупный вклад в указанную теорию и практику дискретной техники, особенно в применении к ЭВМ, внес академик В.М. Глушков, который в 1966 году возглавил 1-й в мире институт кибернетики.

Устройство ж.д. автоматики, телемеханики и связи в основном относятся к классу дискретных устройств. Первые релейные системы автоматики на транспорте появились в 30-х годах нашего столетия. На ж.д. эксплуатируется большое число разнообразных систем электрической централизации, автоматической блокировки, диспетчерской централизации систем горочной автоматики, устройств связи и др. Большинство систем имеют длительный срок службы, непрерывный характер работы и выполняют ответственные функции по обеспечению безопасности движения. Вследствие этого к ж.д. системам автоматики, телемеханики и связи предъявляют повышенные требования с точки зрения надежности, безопасности и устойчивости работы.

Некоторые определения:

1. Информация – совокупность сведений о событиях, объектах или явлениях.

2. Сообщения – совокупность знаков, содержащих ту или иную информацию.

3. Сигнал – средство перенесения информации в пространстве и времени.

4. Кодирование – построение сигнала по определенным правилам.

5. Дискретный сигнал – сигнал, представляющий собой функцию времени, принимающую только определенные дискретные значения (напр. 0 или 1).

6. Дискретное сообщение – сообщение, принимающее только некоторые определенные значения.

7. Аналоговый (непрерывный) сигнал (или сообщение) – может принимать любые значения в некотором интервале времени.

8. Алгоритм – конечный набор правил для элементарных действий в определенной последовательности над исходными данными в любой задаче при ее решении.

9. Дискретный элемент – некоторая минимальная совокупность деталей, объединенных в общую схему для выполнения какой-либо функции и имеющую релейную характеристику. У элемента с такой характеристикой и изменение входной величины х вызывает скачкообразное изменение выходной величины z, принимающей лишь два дискретных значения: 0 и 1.