Obecna technologia elektronowa umożliwia produkowanie obwodów, gdzie tysiące elektronicznych elementów mieści się na pojedynczej płytce krzemu o rozmiarach mniejszych od paznokcia. Taka płytka stanowi podłoże półprzewodnikowe i będąc specjalnie obrobiona, pozwala określonym częściom stać się tranzystorami, kondensatorami, diodami, rezystorami lub stanowić doprowadzenia prądu. W taki właśnie sposób tworzy się obwody scalone, czyli IC (ang. Intergrated Circuit). Układy te mają wiele zastosowań. Mogą być umieszczone w zegarkach elektronicznych, można je wykorzystać jako wzmacniacze w radioodbiornikach lub jako jednostki centralne w kalkulatorach. Najdoskonalszą odmianę obwodu scalonego stanowi mikroprocesor. Jest on podstawową częścią każdego komputera. Mikroprocesory mogą sterować silnikami samochodów, kierować pociągami, czuwać nad lotem samolotów lub kontrolować pracę robotów. Cały obwód umieszczony jest w obudowie, zaopatrzonej w specjalne metalowe wypustki łączące obwód z innymi. Obwody elektroniczne, gdzie stosuje się układy scalone, realizują cztery główne funkcje:

  • Przełączanie - w pewnych obwodach słabe sygnały elektryczne wyłączają oraz włączają inne obwody. Mechanizm ten działa jak automatycznie otwierane drzwi, które otwierane są, gdy czujnik podczerwieni wyśle do nich odpowiedni sygnał, gdy wyczuje kiedy ktoś się do nich zbliży.
  • Wzmacnianie - stosowane w celu wzmocnienia amplitudy sygnału. Docierające do anteny sygnały są bardzo słabe. Radioodbiornik wyposażony w wzmacniacz powoduje, że są one wzmacniane i umożliwiają nam słyszenie dźwięku przez pobudzanie membrany w głośniku.
  • Prostowanie - występują dwa zasadnicze rodzaje prądu elektrycznego. Prąd stały (ang. DC - Direct Current) który daje np. bateria, charakteryzujący się tym, że płynie zawsze w jednym kierunku, oraz prąd zmienny (ang. AC - Alternating Current) płynący w obu kierunkach (okresowo na przemian) znajdujący się w sieci elektrycznej. Obwody prostownicze działają na zasadzie drzwi obrotowych. Umożliwiają przepływ prądu w jednym kierunku, zamieniając (prostując) prąd zmienny na prąd stały. Przenośne radia działające na baterie mogą być zasilane z sieci elektrycznej pod warunkiem podłączenia ich poprzez prostownik.
  • Generacja sygnału - W pewnych układach elektronicznych wymagane są przebiegi zmienne charakteryzujące się różnymi częstotliwościami, które wytwarzane są przez obwody zwane generatorami. Używa się ich przykładowo w nadajniku radiowym lub telewizyjnym, gdzie wytwarzane są tak zwane fale nośne, umożliwiające przesyłanie sygnałów akustycznych i wizyjnych na długie dystanse.

Wzmacniacze operacyjne.

Wzmacniacze operacyjne pojawiły się w latach 60-tych XX wieku i od tamtego czasu trwa ich wszechstronny rozwój. Wzmacniacz najprościej można zdefiniować jako obwód posiadający dwa wejścia, nieodwracające (+) oraz odwracające (-). Różnica napięć pomiędzy tymi wejściami podlega wzmocnieniu. Aby uzyskać wymagane wartości wzmocnienia, używa się zewnętrznych obwodów ujemnego sprzężenia zwrotnego. Takie sprzężenie obniża wartości wzmocnienia lecz poszerza pasmo przenoszenia częstotliwości oraz poprawia liniowość. Sporo wzmacniaczy operacyjnych pracuje z taką wartością sprzężenia zwrotnego, gdzie wzmocnienie równa się jedności, przy jednoczesnej nienaruszalności stabilności wzmacniacza. Dla pewnych wzmacniaczy, które mają problemy z utrzymaniem stabilności w takich przypadkach, należy zastosować kompensację opóźniająca bądź przyspieszająca w formie zewnętrznych układów RC.

Maksymalna zmiana napięcia wyjściowego zależna jest od użytych napięć zasilających. Wartością występującą najczęściej jest 15 V. Szybkie wzmacniacze operacyjne zasilane się napięciem rzędu 5 V .Szybkość pracy takiego typu wzmacniaczy można uzyskać poprzez zastosowaniu wyższych prądów wysterowania, w celu przyspieszenia ładowania wewnętrznych pojemności. Napięcie musi zostać obniżone, aby zapobiegać wydzielaniu się nadmiernej mocy w strukturze krzemowej.

Pewne zastosowania wymagają bardzo niskiego wejściowego napięcia niezrównoważenia (tzw. napięcia offsetu), czyli napięcia, jakie musi być przyłożone pomiędzy wejściami, by zniwelować brak symetrii wejściowego stopnia wzmacniacza, oraz małą wartość współczynnika cieplnego wejściowego napięcia niezrównoważenia. W celu spełnienia tak rygorystycznych wymagań stworzono wzmacniacze z przetwarzaniem, gdzie napięcie wejścia zamieniane jest za pomocą przełącznika analogowego na ciąg impulsów o dużej częstotliwości, oraz podtrzymywane przez kondensator w chwilach pomiędzy próbkowaniami. Technika przetwarzania pozwala osiągać napięcie niezrównoważenia rzędu 1 uV. Bardzo niewielki jest także dryft temperaturowy napięcia i wynosi zaledwie 0,05uV / stopni C. Technika przetwarzania stosowana jest głównie w przypadku sygnałów stałoprądowych bądź wolnozmiennych.

Gdy sygnał podawany jest pomiędzy oba wejścia w układzie wejścia zrównoważonego, istotnym jest, by jednakowe sygnały posiadające tą samą fazę zostały zupełnie stłumione. Parametr ten opisywany jest w danych technicznych poprzez współczynnik tłumienia dla sygnału współbieżnego (ang. CMRR - Common Mode Rejection Ratio) przedstawiany w dB.

Szybkość wzmacniacza określona jest przez parametr szybkości zmian napięcia wyjściowego (ang. slew rate), który równa się maksymalnej pochodnej napięcia wyjściowego. Parametr ten mówi, o jaką wartość (w woltach) może wzrosnąć sygnał w czasie 1 ms. Duża szybkość zmian w napięciu wyjściowym odpowiada dużej szerokości pasma.

Szumy układów charakteryzowane są poprzez współczynnik szumu. Zwykle podaje się go w nV/Hz, co oznacza, że napięcie szumu rośnie wraz z kwadratem użytej szerokości pasma.

Często wymagana jest duża impedancja wejściowa. Należy wtedy zastosować wzmacniacze operacyjne, posiadające na wejściach tranzystory polowe typu FET bądź MOSFET. Wykorzystanie technologii Bi-FET umożliwiło umieszczenie na jednym podłożu układów bipolarnych oraz unipolarnych złączowych (FET). Wzmacniacze pracujące w oparciu o tranzystory MOSFET posiadają (przynajmniej w teorii) większą oporność wejściową, z uwagi na czysto pojemnościowy charakter wejść. W rzeczywistości ich oporność wejścia jest porównywalna z tranzystorami typu FET. Powodem tego jest fakt, iż wejścia w technologii MOSFET są chronione przez diody zabezpieczające, co przekłada się na zmniejszenie odporności wejściowej wzmacniacza.

Dwie szczególne odmiany wzmacniaczy operacyjnych to wzmacniacz Nortona oraz wzmacniacz o zmiennej transkonduktancji.

Wzmacniacz Nortona posiada małą oporność wejściową, natomiast sterowanie nim odbywa się prądowo. Wejścia można potraktować jak diodę. Innymi słowy działanie tego wzmacniacza oparte jest na odejmowaniu prądów wejściowych.

Wejście różnicowe we wzmacniaczu o zmiennej transkonduktancji charakteryzuje się dużą opornością. Charakterystycznym jest występowanie trzeciego wejścia, przez które można sterować wzmocnieniem prądowym i zmieniać wartość transkonduktancji.

Komparatory zbudowane są w zasadzie podobnie do wzmacniaczy operacyjnych. Ich optymalizacja polega na tym, że dla niewielkich zmian napięcia wejściowego, napięcie wejściowe może szybko przełączać się na pełną wartość ujemną z pełnej wartości dodatniej. W celu uzyskania histerezy przełączania wykorzystuje się dodatnie sprzężenie zwrotne. Zwykle umożliwia to pewniejsze przełączanie, zmniejszając ryzyko oscylacji, zakładając, że sygnał wejściowy nie ulega zbyt szybkiej zmianie.

Wzmacniacze pomiarowe są efektem ewolucji wzmacniaczy operacyjnych posiadających wewnętrzną pętlę sprzężenia zwrotnego. Posiadają one możliwość regulowania wzmocnienia przez jeden rezystor zewnętrzny. Ponieważ często są stosowane do wzmacniania małych sygnałów różnicowych, charakteryzują się dużym współczynnikiem tłumienia sygnałów współbieżnych (CM-RR). Wzmacniacze tego typu są bardzo często wysokoomowym obciążeniem dla źródeł sygnałów o niskim napięciu.

Wtórnik napięciowy to wzmacniacz operacyjny, gdzie wejście odwracające połączone jest z wyjściem. Ten typ wzmacniacza operacyjnego charakteryzuje się wzmocnieniem napięciowym równym 1, stąd nazywany jest czasem wzmacniaczem o jednostkowym wzmocnieniu. Podobnie jak w przypadku tranzystorowego wtórnika emiterowego, wzmacniacz ten używany jest do sterowania dużymi obciążeniami. Można go również zastosować w układach separujących.

Wzmacniacz izolacyjny przekazuje sygnał liniowo między układami posiadającymi rozdzielone masy. Wzmacniacz ten posiada wejście galwanicznie odizolowane od wyjścia. Sygnał może być przenoszony w sposób indukcyjny, pojemnościowy bądź optyczny. W takim wzmacniaczu może istnieć napięcie izolacji pomiędzy wejściami oraz wyjściami rzędu nawet tysięcy woltów, podczas oporności izolacji przekraczającej wartości 10 MW. W tego typu wzmacniaczach istnieje też możliwość tłumienia sygnałów współbieżnych o ponad 100 dB. Takie rozwiązanie umożliwia pracę z niewielkimi sygnałami, znajdującymi się na potencjale, który zmienia się w szerokim zakresie. Technologia ta znajduje zastosowanie np. w technice medycznej, gdzie w trakcie badania pacjenta musi być zaistnieć duża rezystancja pomiędzy nim a urządzeniem pomiarowym. Innym zastosowaniem może być gromadzenie danych pomiarowych w warunkach silnego pola zakłócającego.

Układy logiczne

Typowe układy logiczne podzielić można na dwie zasadnicze grupy: układy bipolarne oraz układy CMOS.

RODZINA LOGICZNYCH UKŁADÓW BIPOLARNYCH

Typowe układy TTL (54/74) zapoczątkowały powstanie całej rodziny układów TTL (ang. Transistor-Transistor Logic). Dziś stosowane są nowocześniejsze wersje, gdzie czasy propagacji sygnału przez jedną bramkę wynoszą ok. 10 ns, przy poborze mocy 10 mW.

Układy TTL Schottky'ego (74 S) stanowią pierwszą szybką serię w rodzinie układów TTL. W jej skład wchodzą m.in. diody Schottky'ego, które zapobiegają zjawisku nasycania się tranzystorów. W dzisiejszych czasach używana jest jeszcze szybsza seria AS. W Przypadku serii TTL-S okres propagacji sygnału poprzez jedną bramkę kształtuje się na poziomie 3 ns, przy poborze mocy 20 mW. Diody Schottky'ego składają się ze złącza metal-n, a nie jak to jest w typowej diodzie - złącza p-n. Diody Schottky'ego charakteryzują się małą pojemnością oraz mniejszym spadkiem napięcia w kierunku przewodzenia niż ma to miejsce w przypadku diody krzemowej. Takie diody są łatwe do wykonania podczas procesu produkcyjnego układów bipolarnych.

Układy TTL Schottky'ego pochodzące z serii bardzo szybkiej, charakteryzują się czasem propagacji poprzez jedną bramkę rzędu 1,5 ns i poborem mocy 22,5 mW.

Układy TTL Schottky'ego małej mocy używane są obecnie zamiast typowych układów TTL. Czasy propagacji sygnału poprzez jedną bramkę wynoszą około 9 ns, czyli nieco mniej, niż w przypadku standardowych układów TTL. Pobór mocy wynosi jednak tylko 2 mW.

Układy TTL Schottk'ego małej mocy z serii bardzo szybkiej stanowią połączenie dużej szybkości i niskiego poboru mocy. Czasy propagacji sygnałów poprzez jedną bramkę wynoszą ok. 4 ns, przy poborze mocy 1 nW.

Układy TTL z serii szybkiej charakteryzuje czas propagacji sygnału poprzez jedną bramkę wynoszący 3 ns oraz pobór mocy 4 mW.

Zaprezentowane powyżej układy TTL zasilane są napięciem 5V. Wartości napięcia zasilania są dosyć krytyczne. Powinny znajdować się w przedziale 4,75 - 5,25 V. Zasilanie powinno być dołączone do kilku punktów układu, na który składają się elementy TTL, w celu uniknięcia spadków napięcia, które mogą spowodować zmiany obciążenia ścieżki zasilającej, zależne od sygnałów wejściowych bramek. Kolejny problem stanowią piki prądu, które pojawiają się na szynie zasilania w momencie, gdy oba tranzystory stopnia wyjściowego typu "totem pole" przewodzą jednocześnie. W takich sytuacjach stosuje się kondensatory odsprzęgające o jak najkrótszych wyprowadzeniach. W celu osiągnięcia dużego marginesu odporności na zakłócenia oraz jednoczesnej zdolności do przenoszenia szybkich sygnałów, należy zapewnić stabilny potencjał masy.

Graniczny poziom napięcia wyjściowego w przypadku układów TTL w stanie "zerowym" to maksymalnie 0,4V, a w stanie "jedynkowym" minimalnie 2,4V (maksimum stanowi napięcie zasilające). Graniczny poziom wyjścia w stanie "jedynkowym" nie jest większy z uwagi na spadek napięcia na rezystorze 130 W, na tranzystorze oraz diodzie stopnia wyjściowego TTL. Maksymalne wartości napięcia na wejściu wynoszą 0,8V, natomiast minimalne 2,0V. W najgorszym wypadku margines zakłóceń dla "zera" i "jedynki" wynosi 0,4V. Dla "jedynki" zazwyczaj przyjmowana jest wartość 0,7 V.

Układy ECL (ang. Emitter Coupled Logic) stosowane są głównie tam, gdzie wymagana jest duża szybkość działania. Charakterystycznymi poziomami (w przypadku układów z serii MECL 10000) są: dla "jedynki" - -0,9 V, a dla "zera" - -1,75 V, czyli odstęp między dwoma poziomami logicznymi stanowi tylko 0,85 V. Sterowanie prądowe chroni przed nasycaniem się tranzystorów wyjściowych, co ma decydujący wpływ na szybkość pracy układu. Układy ECL pracują czasem z częstotliwościami zegarów rzędu GHz, pobierając ze źródeł zasilania dosyć dużą moc.

Układy RTL (ang. Resitor-Transistor Logic) stanowią jedną z najstarszych grup półprzewodnikowych układów logicznych. Posiadają one stosunkowo niewielka liczbę tranzystorów oraz połączenia rezystancyjne. Na wejście składa się pewna liczba rezystorów, które dołączone są do tranzystorowego stopnia wejściowego. Do wad tego typu układów należą: przesłuch pomiędzy poszczególnymi wejściami i niewielka szybkość działania. Układy RTL nigdy nie pojawiły się w scalonej postaci w przeciwieństwie do układów typu DCTL (ang. Direct-Coupled Transistor Ligic). Stanowią one wariant kategorii układów logicznych posiadających połączenia rezystancyjne. Układy te wyposażone są w tranzystor znajdujący się na każdym wejściu, co zapobiega powstawaniu przesłuchów. Czasy propagacji takiej bramki są jednak dość duże w porównaniu z dzisiejszymi wartościami i wynoszą między 50 - 100 ns. Wąski jest również margines zakłóceń, wynoszący tylko 0,2V. Takie układy znajdują zastosowanie jedynie jako części zamienne w urządzeniach starszego typu.

Układy DTL (ang. Diode-Transistor Logic) stanowiły pierwszą dużą rodzinę układów logicznych. Ich największa popularność przypada na połowę lat 60-tych, później szybko zostały zastąpione przez układy typu TTL. W tamtych czasach zdarzały się sytuacje, gdzie w obrębie tej samej konstrukcji stosowane były obok siebie układy TTL i DTL, gdyż poziomy ich pracy różniły się tylko nieznacznie. W tej grupie spora liczba oporników w układach RTL zastąpiona została diodami, zajmującymi dużo mniej miejsca na płytkach krzemowych. Bramka DTL zbudowana jest z diod znajdujących się na wejściach oraz tranzystora formującego sygnały wyjściowe. Wyjście z tranzystorem oraz opornikiem w kolektorze nie dawało najlepszej szybkości przełączania, szczególnie ze stanu "zero" do "jeden". Kolejnym problemem, który wymagał rozwiązania stanowiły prądy upływu diod znajdujących się na wejściach. Rozwiązanie stanowiła grupa układów TTL ze stopniem wyjściowym o typie "totem pole" i z tranzystorem wieloemiterowym na wejściu. Dzisiaj układy DTL stosuje się tylko jako podzespoły zamienne.

Układy DTLZ, HNIL oraz HLL stanowią przykład starszych logicznych układów bipolarnych, zaliczanych do grupy układów charakteryzujących się wysoką odpornością na zakłócenia. Układy te zasilane są napięciem 10 lub 15V. Układy te są stosunkowo wolne, lecz posiadają duży margines odporności na wszelkie zakłócenia. Czasami dołączane są dodatkowe kondensatory, które jeszcze bardziej spowalniają układ, lecz czynią je jeszcze bardziej odpornymi na zakłócenia.

Stopień wyjściowy

Wyjście z aktywnym obciążeniem ("totem pole") najczęściej spotykane jest w układach typu TTL. W określonych sytuacjach jest to jednak rozwiązanie niezbyt wygodne, dlatego stosuje się kilka alternatywnych typów stopni wyjściowych.

Wyjścia z kolektorem otwartym (ang. open collector) używa się, gdy istnieje potrzeba dołączenia kilku wyjść bramek do jednej szyny, by zrealizować sumę montażową (ang. wired-OR), lub w celu wykorzystania stopnia wyjściowego do sterowania obciążeń dołączonych do podwyższonego napięcia zasilania bądź wymagających wysterowania dużym prądem. By móc dalej podłączyć wyjście do innych układów, należy do kolektora dołączyć zewnętrzny rezystor.

Wyjście z otwartym kolektorem składa się tylko z kolektora tranzystora n-p-n. Wyjście może być podłączone do masy (tzw. pozycja załączona) lub całkowicie otwarte (tzw. pozycja odłączona).

Wyjścia trójstanowe (ang. TRI-STATE) używane są w celu dołączenia określonej liczby wyjść do pojedynczego wejścia (np. interfejs komputerowy). Stan specjalnego wejścia, które uaktywnia stopień wyjściowy określa, czy dane wyjście zachowuje się jak w przypadku zwykłego układu z aktywnym obciążeniem, czy zostaje wprowadzone w trzeci stan (tzw. rozwarcia).

RODZINA UKŁADÓW LOGICZNYCH CMOS

W grupie tej można wyróżnić dwa główne typy układów, działające z poziomami logicznymi CMOS i z poziomami TTL. Układy pracujące z poziomami TTL używa się razem z bipolarnymi układami TTL, gdy musi być zachowana jednolitość poziomów logicznych w złożonych układach cyfrowych. Nazwa całej rodziny wzięła się od komplementarnych tranzystorów MOS, które składają się na stopień wyjściowy. Pobór mocy w stanie statycznym jest niewielki i wynosi tylko 10 nW na bramkę. Ulega on zwiększeniu w chwili gdy wzrasta częstotliwość pracy, a przy kilku MHz jego wartość jest zbliżona do układów TTL-ALS.

Układy CMOS posiadają dużo większe marginesy zakłóceń. Dodatkowo można jes zwiększyć poprzez wzrost napięcia zasilającego. Cecha ta sprawiła, że układy typu CMOS przejęły rolę układów bipolarnych, które zaliczane są do układów o wysokiej odporności na zakłócenia, doskonale nadających się do zastosowań przemysłowych do pracy przy umiarkowanych częstotliwościach. Należy jedynie zwracać uwagę, by połączenie dużego napięcia zasilania i dużej częstotliwości zegara nie przyczyniały się do zbyt dużego wydzielania się mocy w układach.

Seria układów 4000 została stworzona końcem lat 60-tych i stanowi obecnie najczęściej używaną grupę. W porównaniu z rodziną TTL układy 4000 działają wolniej. Czasy propagacji sygnałów przez bramkę wynoszą w granicach 20 ns. Inny niż w przypadku TTL jest też rozkład wyprowadzeń. Napięcie zasilania osiąga wartości między 3 a 15V (w pewnych przypadkach 18V).

W grupie tej istnieje seria układów 4000-B z buforowanymi wyjściami. Układy te mają dłuższe czasy propagacji w porównaniu z układami bez buforowania, ale charakteryzują się większym marginesem zakłóceń, stałą impedancją wyjściową, a także wyższym wzmocnieniem oraz mniejszą pojemnością wejściową. Występuje jednak ryzyko zaistnienia oscylacji w przypadkach pracy z sygnałem o wolno narastających zboczach.

Układy 74-C stanowią wersję układów 4000, w których rozkład wyprowadzeń zgodnym jest z układami TTL, lecz pracującą z poziomami logicznymi CMOS.

Układy 74-HC oraz 74-HC-4000 to współcześni następcy układów 74-C i serii 4000. Rozkład wyprowadzeń pozostał tu niezmieniony. Są to jednak układy znacznie szybsze, posiadające czas propagacji jednej bramki wynoszący ok. 8 ns. Napięcie zasilające może przyjmować wartość między 2 a 6 V. Wielkość marginesu zakłóceń to 1,4 V dla stanu niskiego oraz wysokiego.

Układy 74-HCT stanowią wersję układów 74HC, która jest przystosowana do pracy z poziomami TTL. Charakteryzują się podobna prędkością pracy co układy HC. Napięcie zasilające może wynosić między 4,5 a 5,5 V. Margines zakłóceń wynosi 0,7 V dla niskiego oraz 2,4 V dla wysokiego poziomu, z założeniem, że układ HCT połączony jest z drugim takim układem. Z podłączonym do wyjścia układem TTL-LS margines zakłóceń będzie wynosić odpowiednio 0,47 V oraz 2,4 V, a z układem TTL-LS podłączonym do wejścia 0,4 V i 0,7 V, czyli będą takie same jak w przypadku układu TTL-LS, który połączony jest z innym tego typu układem.

Układy 74-LV stanowią rozwinięcie rodziny układów 74HC, gdzie zachowano taką samą szybkość działania oraz obciążalność wyjścia, pomimo obniżenia nominalnej wartości napięcia zasilającego do 3,3 V. Mniejsze napięcie wiąże się z niższym poborem mocy, a w przypadku urządzeń zasilanych z baterii - z mniejszą liczbą ogniw. Seria układów 74-LV posiada rozkład wyprowadzeń, który jest zgodny z układami 74-HC. Układy te mogą więc być zasilane napięciem wynoszącym 1,0 - 3,6 V. Rodzina 74-LV obejmuje sporą część funkcji wykonywanych przez układy 74-HC występując tylko jako układy przeznaczone do powierzchniowego montażu.

W przypadku połączeń z układami posiadającymi poziomy logiczne TTL, układami 74-LV można starować przy pomocy bipolarnych układów TTL ale nie przez 74HC(T). Natomiast 74-LV mogą sterować układami typu 74HCT oraz TTL. Podczas sterowania poprzez układ 74HC, układ sterowany może charakteryzować się większym poborem prądu niż w normalnej sytuacji.

Układy typu ACL w wariantach AC (poziomy CMOS) oraz ACT (poziomy TTL) zostały skonstruowane w 1985 roku. Układy te SA znacznie szybsze od wersji HC. Czasy propagacji sygnałów przez bramkę są krótsze od 3 ns. Pośród zalet wymienić można wysoką oraz symetryczną obciążalność wyjścia, która zarówno dla niskiego jak i wysokiego stanu wynosi 24 mA. Inne typy posiadają obciążalność +/- 48 mA bądź +/- 64 mA. Stopień wyjściowy umożliwia w bezpośredni sposób wysterowanie przewodów transmisyjnych. Może to być mikrolinia paskowa, kabel skrętkowy lub koncentryczny. Odbiornik musi być obciążony rezystorem o wartości 300 W, by uniknąć odbicia od wejścia o wysokiej impedancji (100000MW / 7,5 pF). W stanie statycznym układy typu AC/ACT pobierają prąd o wartości tylko 1mA, dla stanu niskiego oraz wysokiego.

Obciążalność wyjściowa oraz wejściowa stanowią istotne parametry, które należy uwzględnić przy projektowaniu układów cyfrowych. Bramki typu 7400 w standardzie TTL, posiadają obciążalność wyjściową rzędu 10, czyli mogą być obciążone 10 wejściami innych bramek typu TTL. Odpowiada to prądowi wejściowemu rzędu 0,4 mA dla "jedynki" bądź 16 mA dla "zera" na wyjściu.

Istnieje także możliwość sprzęgnięcia układów CMOS, które są przystosowane do poziomów logicznych TTL z typowymi układami TTL. Wyjścia układów HCT można przykładowo obciążać alternatywnie poprzez 2 standardowe bramki TTL, 2 bramki TTL-S, 2 bramki TTL-AS, 10 bramek TTL-LS, 20 bramek TTL-ALS bądź 6 bramek TTL-F.

Bardzo niski pobór prądu można uzyskać przez zastosowanie układów CMOS. W stanie spoczynku, statyczny prąd zasilania, który pobiera układ jest mały. Jego wartość wzrasta jednak, gdy wzrasta częstotliwość pracy. Powiązane to jest pojemnościowym obciążeniem wyjścia poprzez przewody połączeniowe oraz wejścia innych układów logicznych. Dlatego dla wysokich częstotliwości nie istnieje różnica między poborem dla układów bipolarnych i CMOS.

Odporność na zakłócenia jest kolejnym parametrem wymagającym uwzględnienia już w pierwszej fazie wykonywania projektów urządzeń cyfrowych. Zasadniczo układy CMOS wykazują większą odporność na zakłócenia od układów TTL, jednak nie należy decydować się na układy szybsze niż jest to wymagane. Szybkie układy stosuje się jedynie w sytuacjach, gdy jest to absolutnie niezbędne. Mniejsze napięcie zasilające układy CMOS powoduje obniżenie poziomu generowanych zakłóceń. Pomimo zmniejszenia się marginesu zakłóceń, są one mniejsze za sprawą wzrostu natężenia prądów. W celu zmniejszenia zakłóceń należy używać układów buforowych do sterowania przewodów transmisyjnych, które przenoszą szybkie sygnały na większych odległościach. Układy winny charakteryzować się jak najkrótszym doprowadzeniem do linii transmisyjnej. Linie masy oraz linie sygnałowe powinno prowadzić się wspólnie. Najlepszym rozwiązaniem jest umieszczenie ich na płytce drukowanej w taki sposób, że linie sygnałowe biegną z jednej strony , natomiast linie masy z drugiej. Trzeba zwracać uwagę na powstające pętle masy, które mogą wysyłać lub odbierać zakłócenia.

Programowalne układy logiczne coraz bardziej zastępują w nowszych konstrukcjach tradycyjne rodziny układów logicznych. Układy PAL (ang. Programmable Array Logic), zbudowane są z programowalnej matrycy z bramek typu AND i z dołączonej stałej matrycy z bramek typu OR. W skład matrycy może wchodzić nawet kilka tysięcy bramek. Układy te produkowane się w technologii CMOS jak i bipolarnej. Występują wersje kasowane elektrycznie lub za pomocą promieniowania ultrafioletowego. Układy PLA (ang. Programmable Logic Array) były pierwszym typem programowalnych układów logicznych, gdzie zaprogramować można było matryce z bramkami typu AND oraz matryce z bramkami typu OR. Dosyć długie drogi jakie pokonywały sygnały spowodowały, że były one dość powolne, a sama architektura była bardzo trudna w programowaniu.

Architektura PAL ma zastosowanie tylko w mniejszych układach. W układach złożonych z 1000 do 4000 bramek zastosowanie ma architektura EPLD (ang. Erasable Programmable Logic) bądź podobne rodziny układów. Układy te złożone są ze stosunkowo małej ilości programowalnych, dużych makrokomórek. Metoda połączeń pomiędzy nimi może być wybierana dowolnie. Większość układów tego typu kasowana jest promieniowaniem ultrafioletowym.

Układy LCA bądź FPGA to matryce, składające się z dużej liczby niewielkich makrokomórek, które mogą być konfigurowane podobnie do matryc bramkowych. Programowanie to przeprowadza się w tzw. komórkach SRAM, ładowanych są z zewnętrznej pamięci EPROM podczas startu systemu. Takie układy mogą zastąpić aż 9000 bramek. Istnieją także wersje z elementami typu "anti-fuze", czyli bezpiecznikami, stapiającymi się przy programowaniu.

Największa część programowalnych układów logicznych ma budowę bardzo zbliżoną do budowy matryc bramkowych. Układy typu ERA stanowią nową rodzinę, która w przeciągu kilku najbliższych lat, będzie realizowała układy równoważne 100000 bramek.

Układy typu FCT wykonane są w technologii CMOS, lecz mogą być także dołączone do wejść oraz wyjść układów TTL. W przypadku stanu niskiego na wyjściu pobierany jest prąd 64 mA, natomiast dla stanu wysokiego, prąd 15 mA. W układach typu FCT-T wysoki stan wyjścia odpowiada napięciu rzędu 3,3 V będąc równy stanowi wysokiemu w układach typu TTL. W układach FCT, przez zastosowanie komplementarnych tranzystorów CMOS, wyjście zachowuje się tak, jak rezystor dołączany do masy lub napięcia zasilania. Układy FCT-T charakteryzują się podobna prędkością co układy TTL-Fast, natomiast FCT są jeszcze szybsze.

RODZINA UKŁADÓW BiCMOS

Układy wykonane w technologii BiCMOS charakteryzują się tym, że zawierają zarówno komplementarne tranzystory MOS jak i tranzystory bipolarne. Tranzystory MOS stosuje się jako wejść o dużej impedancji oraz w stopniach pośrednich o niewielkim poborze prądu.

Układy BCT stanowią podrodzinę układów BiCMOS. Przeznaczone są głownie do sterowania interfejsów. Wyjścia umożliwiają wysterowanie 25-omowych przewodów transmisyjnych. W praktyce oznacza to, iż układ może chwilowo pobierać prąd 188 mA w stanie niskim. W chwili gdy odłączone zostanie napięcie zasilania, wejścia oraz wyjścia przechodzą w tryb dużej impedancji (tzw. rozwarcia). Wejście działające w technologii CMOS, charakteryzuje się napięciem progowym o wartości 1,5V i z tego względu jest dopasowane do układów TTL.

Układy ABT to szybka rodzina układów BiCMOS. Tranzystory bipolarne charakteryzują się częstotliwością graniczną rzędu 13 GHz, natomiast czasy propagacji sygnałów przez bramkę wynoszą 4,6 ns. Szczególne zastosowanie znajdują więc w układach dopasowujących do interfejsów, gdzie wymagana jest duża szybkość oraz duże możliwości wysterowania obciążeń. W trakcie zmiany wysokiego stanu wyjścia na niski, układ będzie pobierał prąd 64 mA i 32 mA w przypadku zmiany przeciwnej. Główną zaletą jest niezależność czasów propagacji od temperatury oraz fakt, że pobór prądu jest niewielki, a przy dużych częstotliwościach jest niższy niż w przypadku układów CMOS.

Pamięci półprzewodnikowe

Większość urządzeń cyfrowych posiada różne rodzaje elementów pamięciowych. Poniżej opisanych zostanie kilka najczęściej spotykanych typów pamięci półprzewodnikowych.

Pamięć RAM (ang. Random Access Memory) to pamięć, gdzie dane mogą być odczytywane jak i zapisywane. Występują dwa podstawowe typy pamięci służących do zapisu i odczytu: pamięć statyczna (tzw. SRAM) oraz pamięć dynamiczna (tzw. DRAM). Pamięci SRAM przechowują bity informacji w formie stanów przerzutników bistabilnych. W pamięciach DRAM informacje przechowywane są w formie ładunków, które gromadzą się w kondensatorach, i powstają między emiterami tranzystorów MOS oraz podłożem układu. Dane przechowywane w tych pamięciach wykazują tendencję do zanikania i wymagają odnawiania w sposób ciągły. Taki proces nazywany jest "odświeżaniem" i wymaga specjalnych układów do wytwarzania sygnałów odświeżających. Pomimo tej wady pamięci DRAM częściej występują w komputerach niż układy SRAM. Głównym powodem takiego stanu rzeczy jest bardzo niski koszt produkcji układów DRAM, z uwagi na małą powierzchnię jaką zajmują na płytkach krzemowych. Każda komórka pamięci DRAM posiada tylko jeden tranzystor typu MOS, natomiast w pamięci SRAM występuje ich od 4 do 6. W rozwiązaniach, które wymagają bardzo niskiego poboru mocy, (np. w systemach przenośnych, zasilanych z baterii), stosuje się układy SRAM w wersji CMOS. Pamięci SRAM posiadające wbudowane baterie litowe należą się do grupy pamięci nieulotych, to znaczy takich, które przechowują informacje nawet po wyłączeniu napięcia zasilającego. Pamięci SRAM pracujące w trybie podtrzymywania zawartości mogą charakteryzować się względnie niskim poborem prądu, lecz w trybie normalnej pracy pobór ten jest dość znaczny, dlatego wymagane jest dość sprawny system chłodzący. W przypadku układów SRAM wysoka moc przełączania może prowadzić do powstawania różnych zakłóceń radiowych na zewnątrz urządzeń, a także zakłóceń wewnętrznych, które wpływają na pracę elementów komputera, (np. na kable od dysków twardych). Jeden megabajt pamięci SRAM wymaga dość dużo miejsca, dlatego niemożliwe jest skonstruowanie kompletnej pamięci pierwotnej komputera osobistego z takich właśnie układów.

Pozostałe typy układów SRAM oraz DRAM należą do grupy pamięci ulotnych, które tracą przechowywaną informację w chwili wyłączenia napięcia zasilającego.

Adresowanie układów DRAM jest dość skomplikowane w porównaniu z adresowaniem innych typów pamięci. Układy te adresuje się jak macierz. Adresy dla poszczególnych rzędów oraz kolumn są multipleksowane, co umożliwia używanie wspólnych wyprowadzeń. Takie rozwiązanie eliminuje konieczność powiększania obudowy, lecz zastosowanie multipleksowania implikuje zastosowanie zewnętrznych układów sterowania. W celu odczytu/zapisu informacji do/z pamięci wpierw ustalany jest adres wiersza przez zmianę sygnału RAS (ang. Row Address Strobe). Następnie ustalany jest adres kolumny poprzez podanie sygnału CAS (ang. Column Address Strobe). O tym czy określone dane zostaną z pamięci odczytane lub do niej zapisane zależy od stanu linii kierunku (R/W) w momencie uaktywnienia sygnału CAS.

Odświeżanie (ang. refresh), to ponowne ładowanie, które wymagane jest do utrzymania stanu informacji w układach DRAM. Sama komórka pamięci jest kondensatorem, który z powodów prądów upływu przechowuje swój ładunek elektryczny przez zaledwie 20 do 30 ms. Podczas zapisu informacji kondensator ten zostaje naładowany.

Ładowanie komórki pamięci musi być później ciągle ponawiane z częstotliwością minimum kilkuset kHz. Proces odświeżania może być realizowany na różne sposoby. Najprostszą metodą jest wczytywanie, do pamięci adresów rzędów (podawane są tylko sygnały RAS). W niektórych układach odświeżanie dokonuje się poprzez zmianę kolejności występowania sygnałów CAS i RAS.

Odświeżanie układów DRAM może być realizowane przez procesor bądź też określone układy sterujące. Istnieją także pseudostatyczne układy RAM, posiadające ukrytą funkcję odświeżania (ang. hidden refresh).

Precharge to kolejna forma odświeżania. Podczas czytania z układu DRAM "opróżniane" są wszystkie ładunki w taki sposób, że "jedynki" stają się "zerami". Z tego powodu zanim nastąpi kolejny cykl dostępu do układu musi upłynąć okreśłony czas pozostawania linii RAS w nieaktywnym stanie (ang. precharge time). Stan ten jest równie długi, co zwykły cykl odczytu z pamięci. Czasu precharge nie wlicza się do podawanego w przypadku układów DRAM czasu dostępu (ang. access time), który wynosi od 60 - 80 ns. Precharge wymaga, podobnie jak odświeżanie, określonych zewnętrznych układów pomocniczych.

Jako bardzo szybkich pamięci typu cache, używa się układów SRAM. W sytuacjach, gdzie wymagane są bardzo krótkie czasy dostępu, układy DRAM są zbyt powolne z uwagi na utratę czasu, potrzebnego na odświeżanie oraz demultipleksowanie. Szybkie układy SRAM o czasach dostępu mniejszych niż 1 ns, produkowane są z arsenku galu (GaAs). Układy te znajdują zastosowanie w dużych komputerach oraz pamięci podręcznej typu cache.

VideoRAM to specjalny typ pamięci wielowejściowej. Występują tutaj dwa rodzaje portów równoległy oraz szeregowy. Port równoległy adresowany jest jak w przypadku zwykłego układu SRAM, natomiast port szeregowy wykorzystywany jest do przesyłania do monitora informacji dotyczących obrazu i kolorów.

Pamięci nieulotne.

Istnieje spora liczna pamięci nieulotnych. Poniżej zaprezentowanych zostało kilka typów.

Pamięć ROM (ang. Read Only Memory) wykorzystywana jest tylko i wyłącznie do odczytu. Informacje w pamięciach ROM zapisywane są w czasie produkcji w postaci maski, w oparciu o dostarczony wzorzec. Dla osoby zamawiającej taki typ pamięci oznacza to dość wysoki koszt jednostkowy. Układy ROM używane są jedynie w urządzeniach wytwarzanych w dosyć długich seriach.

Pamięci typu EPROM to układy programowane elektrycznie. Wytwarza się je jako układy standardowe, co powoduje obniżenie ich ceny. Użytkownicy sami programują swoje wzory informacji, które mają być zapisane. Kiedy układ posiada okienko wykonane ze szkła kwarcowego, oznacza to, że można go kasować oraz programować ponownie. Stanowi to dużą zaletę w fazie uruchamiania układów cyfrowych. Usuwanie informacji odbywa się z reguły za pomocą światła ultrafioletowego. W sytuacji, gdy pamięci EPROM stanowią część składową urządzeń produkowanych seryjnie, bardziej właściwym może wydawać się zastosowanie układów OTP (ang. One Time Programmable). W układach tych występuje taka sama płytka krzemowa, lecz obudowa wykonana jest z taniego tworzywa. Okienko szklane wymaga ceramicznej obudowy, co znacznie wpływa na wzrost ceny.

Komórki pamięci to tranzystory typu MOS posiadające pływające bramki. Są one programowane poprzez wstrzykiwanie elektronów o dużej energii. Komórki takie zawierają "zero", natomiast komórki nie zaprogramowane zawierają "jedynkę". Tak zaprogramowany tranzystor nie może być wprowadzony w stan przewodzenia co umożliwi usunięcie zgromadzonego w nim ładunku. Taka operacja możliwa jest jedynie przez użycie światła ultrafioletowego (UV). Promieniowanie UV dostarcza elektronom energii, która wystarcza do ponownego przekroczenia bariery energetycznej w warstwie izolacyjnej dwutlenku krzemu znajdującej się wokół pływającej bramki. Pamięci EPROM mogą zostać skasowane i zaprogramowane ponownie ok. 100 razy.

Pamięci PROM to poprzednicy pamięci EPROM. Układy PROM używane SA obecnie dosyć rzadko. Programowanie takich pamięci przebiega poprzez przepalanie wbudowanych połączeń bezpieczników, które wykonane są ze stopów niklowo-chromowych. Z tego powodu takie układy nie mogą być kasowane i programowane ponownie.

Układy EEPROM są pamięciami, w których oprócz elektrycznego programowania możliwe jest także elektrycznie kasowane. Znajdująca się w pamięciach EEPROM płytka półprzewodnikowa jest większa i co za tym idzie droższa w produkcji w porównaniu z płytkami w pamięciach EPROM, za to funkcja usuwania danych nie jest powiązana z technologią w jakiej wykonana została obudowa.

Układy EEPROM posiadają ograniczoną liczbę cykli programowania, które dla określonych typów wynoszą 10 tysięcy razy, dla jeszcze innych 100 tysięcy razy. Może to stanowić pewną przeszkodę w określonych zastosowaniach, gdzie wybiera się pamięci typu SRAM z podtrzymaniem bateryjnym. Występują również wersje pamięci EEPROM z szeregowym wyjściem i wejściem, co umożliwia umieszczanie ich w niewielkich obudowach, np. nadających się do montażu powierzchniowego. Komórka układu EEPROM zbudowana jest z tranzystora typu MNOS (ang. Metal Nitride Oxide Semiconductor). Do poszczególnych komórek można wprowadzić ładunki elektryczne, które przechowywany są w izolowanej warstwie azotku krzemu, zlokalizowanej pomiędzy bramką tranzystora i podłożem z tlenku krzemu. Ładowanie inicjowane jest przez efekt tunelowy. Efekt ten powstaje podczas przyłożenia wysokiego napięcia (rzędu 20 - 40 V) do bramki tranzystorowej. Poprzez zmianę polaryzacji takiego napięcia, układ może być programowany bądź też kasowany.

Płyty CD umożliwiają przechowywanie dużej ilości danych (ponad 600 MB). Na powierzchni jednej strony płyty CD wytrawiony jest wzór niewielkich zagłębień, które później odczytywane są za pomocą techniki laserowej. Z tych przyczyn do zapisywania informacji na płytach CD niezbędne jest specjalne wyposażenie.

Z uwagi na dość niskie koszty materiałów, płyty CD są tanie, pod warunkiem że zostaną wyprodukowane w odpowiednio dużej ilości sztuk. Krążków CD używa się z powodzeniem jako medium dystrybucyjnego (np. dla większych aplikacji lub baz danych). Wytwarzanych jest dużo różnych czytników CD. Prędkość odczytu danych wynosi 150 kB/s, co stanowi odpowiednik pojedynczej prędkości. Napędy CD-ROM mogą być dołączane do kart sterujących za pomocą interfejsu E-IDE, SCSI lub przy pomocy specyficznych interfejsów danego producenta (starsze modele Sony lub Panasonic). Napędy te różnią się sposobem fizycznego łączenia oraz sterownikami programowymi. Obecnie najpopularniejszym złączem, przy pomocy którego podłączane SA napędy CD-ROM jest IDE.

Pamięć błyskowa (Flash-ROM) to nowy typ pamięci elektronicznej elektrycznie kasowanej. Koszt produkcji takiej pamięci jest niższy niż układów EEPROM. Można liczyć, iż w niedalekiej przyszłości ceny pamięci błyskowych będą zbliżone do cen układów EPROM umieszczonych w obudowach zbudowanych z tworzywa sztucznego. Podobnie jak w przypadku innych typów pamięci nieulotnej, pamięci Flash-ROM zachowują dane po odłączeniu zasilania. Zawartość układów błyskowych może być łatwo modyfikowana za pomocą specjalnego oprogramowania. Obecnie stosuje się je jako układy pamięci (ROM) w komputerach oraz drukarkach laserowych, które służą do przechowywania definicji czcionek.

Zaletą elektrycznego usuwania danych z pamięci błyskowej oraz EEPROM jest nie tylko sam niższy koszt wytworzenia obudowy. Testowanie układów EPROM, czyli zapisanie programu, a następnie jego skasowanie, trwa podczas kilkukrotnych prób dość długo, gdyż kasowanie za pomocą promieniowania ultrafioletowego trwa około 20 min. Układy błyskowe oraz pamięci EEPROM mogą być kasowane w przeciągu kilku sekund, co znacznie ułatwia testowanie samych układów. Poza tym istnieje możliwość uaktualniania zapisanego w nich systemu za pomocą odpowiedniego oprogramowania, bez potrzeby wyciągania układu, czy w ogóle otwierania komputera.

Mikroprocesory

Mikroprocesory dzielą się na dwie zasadnicze grupy. Procesory oraz mikrokomputery jednoukładowe (ang. one-chip processor). Jednoukładowy mikrokomputer posiada zintegrowane w obrębie jednego układu scalonego procesor, pamięć a także układy peryferyjne.

Na skutek ciągłego rozwoju, jednoukładowe mikrokomputery posiadają coraz to więcej pamięci typu ROM, RAM, oraz EPROM (bądź EEPROM). Nowa generacja przystosowana jest do programowania w językach wysokiego poziomu, jak C, Forth czy Pascal.

Rozwój procesorów przebiega w dwóch kierunkach. Pierwszy to procesory posiadające złożona listę rozkazów - tzw. CISC, drugim typem są procesory posiadające zredukowaną listę rozkazów - tzw. RISC. Długo dominującą rolę odgrywały powstałe znacznie wcześniej procesory typu CISC (ang. Complex Instruction Set Computer). Procesory typu RISC (ang. Reduced Instruction Set Computer) stosowane są zwykle w stacjach roboczych oraz bardzo szybkich urządzeniach współpracujących z komputerami. Współczesne procesory CISC przejęły cały szereg właściwości, charakterystycznych dla procesorów RISC, np. oddzielne szyny dla rozkazów i danych, przetwarzanie potokowe, pamięć cache itp.

Przykłady procesorów RISC stanowią: MIPS R4000, DEC Alpha, Sun Sparc, AMD 29000, Power PC 601 oraz Intel i960. Procesor Power PC to wynik trwającej od niedługiego czasu współpracy po między firmami Motorola, Apple i IBM. Klasyczne procesory typu CISC to przede wszystkim układy z serii 80x86 firmy Intel, seria Motoroli 680x0 a także procesory firm Cyrix i AMD, które są właściwie klonami układów 80x86 i Cyrix. Nowoczesne procesory Pentium maja dużo wspólnego z procesorami RISC.

O wyborze procesora dla konkretnej aplikacji nie decyduje tylko najlepsza wydajność jeśli chodzi o przetwarzanie danych. W przypadku niektórych zastosowań decydujące znaczenie może mieć koszt, w innych zaś pobór prądu. Bardzo istotnym jest także istnienie systemów uruchomieniowych, zawierających emulatory oraz oprogramowanie przeznaczone dla procesorów bądź mikrokomputerów jednoukładowych.

Język wyższego poziomu oszczędza czas programistów. Obliczono, iż czas potrzebny do napisania oraz uruchomienia jednego wiersza kodu w języku wyższego poziomu, oraz w asemblerze jest tak samo długi, lecz liczba wierszy w przypadku konkretnego programu jest dużo większa w drugim przypadku. Jednak program stworzony przy użyciu języka wysokiego poziomu wykonywany jest znacznie wolniej. Układy, pracujące z dużą szybkością wymagają, aby program lub jego część napisana była w asemblerze. Szczególnie powoli programy wyższego poziomu wykonywane są na mikrokomputerach jednoukładowych, lecz nawet w tej dziedzinie można zauważyć zachodzące zmiany, mające na celu coraz lepsze dopasowanie do języków wyższego poziomu.

Mikrokomputery jednoukładowe występują również w wersjach posiadających wbudowany interpreter języka, np. Basic. Układy te wykorzystywane są do konstruowania urządzeń łatwych do zaprogramowania, ale od których nie jest wymagana wysoka wydajność.

Słowo stanowi porcję danych, na której dokonywane są obliczenia. Słowo może mieć długość 8 (1 bajt), 16 , 32 bitów bądź większą. Im większą długość ma słowo, tym szybciej następuje przetwarzanie danych. Układy peryferyjne zwykle przystosowane są do działania na słowach o długości 8 bitów, lecz mogą być używane razem z procesorami 16- bądź 32-bitowymi.

Możliwym jest zastosowanie procesorów oraz układów peryferyjnych wielu grup oraz pochodzących od różnych producentów. W pewnych przypadkach wymagane są tzw. układy dopasowujące. Istnieją dwa typy 8-bitowych układów peryferyjnych. Typ 68000, 6300, 6502 - bez multipleksowania danych i magistral adresowych, oraz typ 8086 - z multipleksowaną magistralą. Drugie rozwiązanie ma mniejszą liczbę wyprowadzeń w procesorach oraz innych układach podłączonych do magistrali, gdyż przenosi ona naprzemiennie adresy oraz dane. Z drugiej jednak strony zastosowanie przełączania magistrali implikuje zastosowanie dodatkowego sygnału zegarowego.

Do głównych zadań układów peryferyjnych należy pośredniczenie w przekazywaniu danych pomiędzy magistralą procesora i różnorodnymi urządzeniami wejścia/wyjścia (ang. Input/Output - I/O).

Układ czasowy (czasomierz, timer) to układ peryferyjny zbudowany z liczników. Liczniki te mają za zadanie odciążyć mikroprocesor od wykonywania operacji dotyczących mierzenia czasu. Takie układy mogą mierzyć interwały czasu wykorzystywane w układach przerwań lub służyć do pomiaru częstotliwości.

Koprocesory arytmetyczne odciążają główne procesory od wykonywania czasochłonnych obliczeń. Układy te najczęściej wykorzystywane są do wykonywania obliczeń zmiennoprzecinkowych. Zastosowanie koprocesorów w systemach komputerowych jest często niezbędne do efektywnej pracy z wykorzystaniem oprogramowania typu CAD.

Procesor graficzny stanowi kolejny typ procesora pomocniczego, do zadań którego należy przetwarzanie obrazów graficznych, wyświetlanych na ekranie monitora.

Cyfrowy procesor sygnałowy to specjalny typ procesora, przeznaczony do realizacji bardzo szybkich algorytmów. Przykład mogą stanowić operacje mnożenia, które w tradycyjnym mikroprocesorze wykonywane są przez sekwencję rozkazów, która wymaga dużej ilości cykli zegara, natomiast w procesorze sygnałowym całość realizowana jest w trakcie jednego cyklu zegarowego.

Cyfrowe procesory sygnałowe stosuje się głównie do obróbki sygnałów analogowych, przetwarzanych uprzednio na sygnały cyfrowe przy pomocy przetworników analogowo-cyfrowych. Wejście takich przetworników wyposażone jest zazwyczaj w układy próbkująco-pamiętające, oraz filtry, zapobiegające powstawaniu lustrzanych częstotliwości sygnału wokół częstotliwości próbkowania.

Do sterowania procesorami sygnałowymi wykorzystuje się programy, zawierające algorytmy decydujące o sposobie ich działania. W zależności od rodzaju zastosowanego algorytmu procesory sygnałowe pracują jako filtry rekursywne o nieskończonej odpowiedzi impulsowej (ang. IIR - Infinite Impuls Response), jako filtry nierekursywne o skończonej odpowiedzi impulsowej (ang. FIR - Finite Impuls Response) bądź jako analizatory wykorzystujące szybką transformatę Fouriera (ang. FFT - Fast Fourier Transform). Procesory sygnałowe wykorzystujące FFT przetwarzają sygnały zmienne w czasie na ich obrazy w skali częstotliwości, czyli są analizatorami widma. Mogą być również używane do przetwarzania DCT (ang. Discrete Cosinus Transform) wykorzystywanego do zakodowania obrazów przed ich skompresowaniem. Występują także specjalne cyfrowe procesory sygnałowe posiadające wbudowany program do filtrowania bądź FFT, wytwarzane do wykonywania konkretnych zadań.

Przetworniki cyfrowo-analogowe oraz analogowo-cyfrowe

Układy, które przetwarzają sygnały cyfrowe na analogowe i na odwrót, z każdym dniem staja się coraz bardziej powszechne. Wpływ na to ma wiele czynników. Mikroprocesory oraz układy cyfrowe są tanie w masowej produkcji, podczas gdy produkcja czysto analogowych układów jest skomplikowana, gdyż trzeba pokonać takie przeszkody jak szum, dryft napięcia, napięcie niezrównoważenia, charakterystyki częstotliwościowe itp.

Dzięki cyfrowej obróbce sygnałów analogowych, uzyskuje się lepsze panowanie nad parametrami systemowymi. Zmniejsza się konieczność wykonywania wszelkich operacji dostrajających w trakcie produkcji, a także pomiarów kontrolnych oraz regulacji serwisowych. Typowe układy analogowe, występujące przykładowo w komunikacyjnych odbiornikach radiowych, zastąpione zostały przez procesory sygnałowe. Wykorzystując algorytmy zawarte w oprogramowaniu sterującym, mogą one pracować w trybie filtrów (FIR lub IIP), detektorów, czy też modulatorów.

Przetworniki A/D - analogowo-cyfrowe

Układy te często wykorzystywane są w komputerach, np. do gromadzenia danych z pomiarów. Wartości sygnałów pomiarowych w postaci analogowej przetwarzane są do postaci cyfrowej za pomocą przetwornika analogowo-cyfrowego. Przetwornik A/D zazwyczaj jest poprzedzony multiplekserem, który umożliwia kolejne przetwarzanie wyników pochodzących z różnych czujników za pomocą tego samego przetwornika. Występują przetworniki A/D posiadające wbudowany multiplekser oraz układy dopasowujące, które służą do współpracy z mikroprocesorem. Rozwiązanie to znacznie usprawnia łączenie oraz zmniejsza liczbę dodatkowych układów. Czasem na wejściu przetworników A/D stosuje się układ próbkujący z pamięcią dla zapamiętania wartości sygnałów analogowych na czas niezbędny do przetwarzania.

Czasy przetwarzania zmieniają się w zależności od tego, jak działa dany przetwornik. Trzy podstawowe metody przetwarzania wykorzystywane w przetwornikach A/D to:

  • metoda kompensacyjne (z kolejnym porównywaniem)
  • metoda integracyjna
  • metoda bezpośredniego porównania

Najczęściej spotykanymi przetwornikami analogowo-cyfrowymi są układy z aproksymacją (kolejnym porównywaniem). Najpierw porównywany jest pierwszy bit (najbardziej znaczący), następnie drugi, itd. Przetwornik będzie kontynuował swą pracę do momentu, gdy wartość cyfrowa obecna na wyjściu odpowiadała będzie wartości sygnału analogowego obecnego na wejściu.

Multimetry zwykle korzystają z przetworników działających w oparciu o integracyjną metodę przetwarzania. Jeżeli chodzi o wysoce precyzyjne przyrządy pomiarowe, to korzystają one z przetworników pracujących z użyciem metody z kolejnym porównywaniem. W przypadku przetworników działających zgodnie z metodą integracyjną, przetwarzanie trwa dosyć długo, natomiast są one stosunkowo tanie w produkcji. Występuje wiele rodzajów przetworników tego typu. W cyfrowych multimetrach najczęściej używanym jest przetwornik wykorzystujący podwójne całkowanie. W stałym przedziale czasowym, określonym poprzez zliczenie przykładowo tysiąca impulsów zegarowych, na kondensatorze wzrasta napięcie, które jest proporcjonalne do napięcia wejściowego. W określonej chwili następuje odłączenie sygnału wejściowego, co powoduje rozładowanie się kondensatora, a czas w jakim następuje to rozładowanie określany jest poprzez zliczenie impulsów zegara. Ilość zliczonych impulsów jest bezpośrednio proporcjonalna do napięcia wejściowego.

Pewne zastosowania wymagają użycia bardzo szybkich przetworników analogowo-cyfrowych (np. oscyloskopy cyfrowe, cyfrowe analizatory widma). Stosuje się wówczas niezwykle szybkie przetworniki z bezpośrednim porównaniem (tzw. flash). Producenci oprzyrządowania pomiarowego, wytwarzają na własny użytek przetworniki pracujące z częstotliwością przetwarzania powyżej 1 GHz. Powszechnie dostępne układy standardowe pracują z częstotliwością rzędu setek MHz. Przetworniki z bezpośrednim porównaniem złożone są z drabinki komparatorów, które przełączając się jednocześnie, dają bezpośrednią wartość cyfrową.

Pewien rodzaj przetwornika flash stanowi przetwarzający sygnały dwuetapowo przetwornik z dwustopniowym bezpośrednim porównaniem (tzw. half-flash). Sposób ten jest dwukrotnie wolniejszy od stosowanego w przetwornikach flash, lecz przy tym samym koszcie, osiąga się wyższą rozdzielczość. Z racji tego, że przetworniki z bezpośrednim porównaniem posiadają dużą liczbę komparatorów na wejściu, ich impedancja zmienia się i jest niska, dlatego powinny one być poprzedzone stopniem sterującym posiadającym dobre parametry sygnału wyjściowego po to, by wahania impedancji nie skutkowały powstawaniem błędu nieliniowości.

Poprzez zastosowanie uśredniania możliwym jest zwiększenie rozdzielczości przetwarzania powyżej poziomu, jaki gwarantuje przetwornik w ciągu jednego cyklu przetwarzania (przykładowo 8-bitowy przetwornik daje 10-bitową rozdzielczość). Takie przetwarzanie na każdy pomiar wymaga określonej ilości cyfrowych słów żeby wygenerować wartość średnią, co powoduje znaczne wydłużenie czasu przetwarzania.

Szczególny typ przetworników uśredniających stanowią przetworniki delta-sigma, nazywane często przetwornikami ze strumieniem bitów. W zasadzie jest to 1-bitowy przetwornik, który przez uśrednianie może pracować z rozdzielczością sięgającą aż 20 bitów, lecz wówczas szerokość pasma znacznie się zmniejsza. Technika 1-bitowego przetwarzania wykorzystywana jest w odtwarzaczach płyt CD. Przetwornik delta-sigma posiada dobrą liniowość, pozbawiony jest również zakłóceń szpilkowych. Przetworniki te są tanie w produkcji dzięki temu, iż funkcje cyfrowe wykonywane są przez większą część układu.

Przetworniki D/A - cyfrowo-analogowe

Przetworniki D/A konstruowane mogą być przy zastosowaniu rezystorów o wartościach wagowych kolejno 1W, 2W, 4W, 8W, 16W itd., lub też z wykorzystaniem zasilanych prądowo bądź napięciowo rezystorowymi matrycami drabinkowymi. Występują też inne układy przetworników cyfrowo-analogowych używane do układów monolitycznych.

Dane techniczne przetworników cyfrowo-analogowych zawierają informacje dotyczące rozdzielczości (dokładność sygnałów wyjściowych, ilość bitów), czasie ustalania (ang. setting time), współczynniku maksymalnej zmiany napięcia wyjściowego oraz szybkości narastania (ang. slew rate). Sprzęt audio (np. odtwarzacze płyt CD), stawia dość wysokie wymagania dla przetworników D/A.