Цифровая электроника: шпаргалка-пакет

Листы формул, ключевые шаги методов по каждой теме и тренировочные задачи (6) с полными решениями в конце.

Новые задачиНазад к курсу

В окне печати выберите «Сохранить как PDF», чтобы сохранить копию на своём устройстве.

1Формулы и методы

Системы счисления

Веса разрядов
двоичная 2k, восьмеричная 8k, шестнадцатеричная 16k
В десятичную
Σ dk·bk
Из десятичной
делите на основание, остатки читайте снизу вверх
Шестнадцатеричная ↔ двоичная
одна шестнадцатеричная цифра = 4 бита
Дополнительный код
инвертируйте биты и прибавьте 1

Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггеры

Основные вентили
A·B, A + B, A′, (A·B)′, (A + B)′, A ⊕ B
Правила булевой алгебры
X + X′ = 1, X·X′ = 0, X + XY = X, XY + XY′ = X
Законы де Моргана
(X·Y)′ = X′ + Y′, (X + Y)′ = X′·Y′
Порядок на карте Карно
00, 01, 11, 10 (Gray code)
Группа из 2ᵏ клеток
теряет k переменных
Мультиплексор 4 в 1
F = A′B′I0 + A′BI1 + AB′I2 + ABI3
Триггеры
D: Q⁺ = D, T: Q⁺ = T ⊕ Q, JK: Q⁺ = JQ′ + K′Q
Счётчики
n-разрядный: 2ⁿ состояний; по модулю N: наименьшее n, при котором 2ⁿ ≥ N; fout = fclk/N
Асинхронный счётчик
fmax = 1/(n·tpd)
Кольцевой счётчик и счётчик Джонсона
n и 2n состояний

Метод

  1. Для схемы идите от входов к выходу вентиль за вентилем и записывайте значение на каждом проводе или запишите её выражение и заполните таблицу истинности.
  2. Для упрощения поставьте единицы (и безразличные состояния как X) на карту Карно со строками и столбцами в коде Грея: 00, 01, 11, 10.
  3. Покройте единицы как можно меньшим числом как можно больших групп по 1, 2, 4, 8 или 16 клеток, с переходом через края; каждая группа — один член-произведение из переменных, которые остаются постоянными. Для формы POS группируйте нули.
  4. Для триггеров и счётчиков считывайте входы на каждом активном фронте тактового сигнала, записывайте состояние после каждого фронта и помните, что n-разрядный счётчик возвращается к началу после 2ⁿ состояний.

Сбор данных и дискретизация

Критерий Найквиста
fs > 2·fmax, fN = fs/2
Ложная частота
fa = |f − k·fs|, k = round(f/fs)
Шаг квантования
1 LSB = VFSR/2ᴺ
Ошибка квантования (округление)
±½ LSB
АЦП с отбрасыванием остатка
D = ⌊Vin/LSB⌋
Число разрядов для разрешения r
2ᴺ ≥ span/r
Идеальное SQNR, синусоида на полной шкале
SQNR = 6,02·N + 1,76 dB
Скорость передачи данных
каналы × fs × N bit/s
АЦП с мультиплексором
fs = 1/(n·(tc + tset))
UART
Tb = 1/baud; 8N1 = 10 бит на байт; byte/s = baud/число бит в кадре
Делитель скорости передачи
baud = fclk/(16·D)

Метод

  1. Запишите, что дано: частоту дискретизации, частоты сигналов, число разрядов, диапазон входа, скорость в бодах.
  2. В задачах на дискретизацию сравнивайте каждую частоту с fs/2; более высокая частота появляется как fa = |f − k·fs| с ближайшим кратным fs.
  3. В задачах на разрешение найдите 1 LSB = VFSR/2ᴺ или наименьшее N, при котором 2ᴺ ≥ диапазон/разрешение.
  4. Для скоростей передачи данных и каналов UART считайте всё, что передаётся: каналы, отсчёты в секунду, биты или целые байты на отсчёт, а также стартовые, контрольные и стоповые биты каждого кадра.

2Тренировочные задачи

1.Системы счисленияСредняя
8-битный дополнительный код0−12806403201608040201

Установите биты так, чтобы они хранили −43 в 8-битном дополнительном коде. Чему равно значение комбинации U, если читать её как число без знака?

N = −438 bit
U =
2.Системы счисленияСложная
16 bit1 px640 px480 pxM = ? KiB

Несжатое изображение имеет размер 640 × 480 пикселей и 16 бит на пиксель. Сколько памяти M оно занимает, в KiB (1 KiB = 1024 байта)?

640 × 480 px16 bit/px1 KiB = 1024 B
M = KiB
3.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггерыСредняя
ABCD000111100001111000011302041517060120130151141809011110

С помощью карты Карно найдите минимальную форму «сумма произведений» (SOP) для F(A, B, C, D) = Σm(3, 5, 7, 8, 10, 14). Сколько всего литералов, L, она содержит (переменная со штрихом считается одним литералом)?

F(A, B, C, D) = Σm(3, 5, 7, 8, 10, 14)
L =
4.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггерыСложная
ABCD0001111000011110X0110302X4051706012113015X140809111010

Найдите минимальную форму SOP для F(A, B, C, D) = Σm(1, 7, 11, 13) + d(0, 4, 14), где d обозначает безразличные состояния. Сколько литералов, L, она содержит?

F(A, B, C, D) = Σm(1, 7, 11, 13) + d(0, 4, 14)
L =
5.Сбор данных и дискретизацияСредняя
Vin​N = 20VFSR​2ᴺ − 101 LSB

Найдите идеальное отношение сигнал/шум квантования SQNR 20-разрядного АЦП для синусоиды на полной шкале.

N = 20
SQNR = dB
6.Сбор данных и дискретизацияСложная
f0fs​/2fs​8 kHz3f₁?

Прямоугольный сигнал 8 kHz дискретизируется с частотой 20 kHz без антиэлайзингового фильтра. Прямоугольный сигнал содержит нечётные гармоники 3f₁, 5f₁, 7f₁, … На какой частоте fa его гармоника 3f₁ появится в дискретизированных данных? Дайте ответ в kHz.

f₁ = 8 kHzfs = 20 kHzгармоника: 3f₁
fa = kHz

3Растворы

1.Системы счисления

Ответ: U = 213

Установка битов: каждый бит стоит степень двойки (128, 64, …, 1). Одна шестнадцатеричная цифра — это ровно четыре бита, а в 8-битном дополнительном коде крайний левый бит стоит −128. Побитовые операции работают с каждой позицией бита отдельно.

Инвертируйте и прибавьте единицу

43 = 0010 1011
инвертировано: 1101 0100
+1 → 1101 0101

Прочитайте как беззнаковое

1101 0101₂ = 256 − 43 = 213

Ответ

U = 213
2.Системы счисления

Ответ: M = 600 KiB

Позиционные системы счисления: каждая цифра стоит своего значения, умноженного на степень основания. В двоичной системе разряды стоят 1, 2, 4, 8, 16, …, в шестнадцатеричной 1, 16, 256, …, а A–F обозначают 10–15. В 8-битном дополнительном коде крайний левый бит стоит −128 вместо +128; так хранятся отрицательные числа.

Биты и байты

640·480·16 = 4915200 bit = 614400 B

Переведите в KiB

614400/1024 = 600 KiB

Ответ

M = 600 KiB
3.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггеры

Ответ: L = 12

Карты Карно: клетки упорядочены по коду Грея (00, 01, 11, 10), поэтому соседние клетки, включая те, что через края, отличаются ровно одной переменной. Группируйте единицы в прямоугольники по 1, 2, 4, 8 или 16 клеток, как можно большие и в как можно меньшем числе, пока не будет покрыта каждая единица. Каждая группа — один член-произведение: переменные, которые внутри неё остаются постоянными. Группа из 2ᵏ клеток теряет k переменных. Безразличные состояния (X) можно использовать, чтобы увеличить группы, но покрывать их не обязательно. Если группировать нули, получится минимальная форма POS.

ABCD000111100001111000011302041517060120130151141809011110

Сгруппируйте единицы

Каждая группа — прямоугольник из 2ᵏ клеток; клетки на краю соседствуют с клетками на противоположном краю.

A′CD
ACD′
A′BD
AB′D′

Минимальная форма SOP

F = A′CD + ACD′ + A′BD + AB′D′
L = 12

Ответ

L = 12
4.Цифровая логика: вентили, карты Карно и триггеры

Ответ: L = 15

Карты Карно: клетки упорядочены по коду Грея (00, 01, 11, 10), поэтому соседние клетки, включая те, что через края, отличаются ровно одной переменной. Группируйте единицы в прямоугольники по 1, 2, 4, 8 или 16 клеток, как можно большие и в как можно меньшем числе, пока не будет покрыта каждая единица. Каждая группа — один член-произведение: переменные, которые внутри неё остаются постоянными. Группа из 2ᵏ клеток теряет k переменных. Безразличные состояния (X) можно использовать, чтобы увеличить группы, но покрывать их не обязательно. Если группировать нули, получится минимальная форма POS.

Простые импликанты

Самые большие группы, которые можно образовать из единиц и X.

A′B′C′, A′BCD, AB′CD, ABC′D
ABCD0001111000011110X0110302X4051706012113015X140809111010

Минимальное покрытие

F = A′B′C′ + A′BCD + AB′CD + ABC′D
L = 15

Ответ

L = 15
5.Сбор данных и дискретизация

Ответ: SQNR = 122,2 dB

Разрешение АЦП: N-разрядный преобразователь делит свой диапазон полной шкалы VFSR на 2ᴺ кодов, от 0 до 2ᴺ − 1. Один шаг равен 1 LSB = VFSR/2ᴺ: это наименьшее изменение, которое преобразователь может показать. АЦП с отбрасыванием остатка выдаёт код ⌊Vin/LSB⌋; АЦП с округлением никогда не отличается от истинного значения больше чем на ½ LSB, это его ошибка квантования. Каждый дополнительный разряд уменьшает LSB вдвое и добавляет примерно 6 dB к идеальному отношению сигнал/шум квантования SQNR = 6,02·N + 1,76 dB для синусоиды на полной шкале. Чтобы получить разрешение r в некотором диапазоне, выберите наименьшее N, для которого 2ᴺ ≥ диапазон/r.

Идеальное SQNR

SQNR = 6,02·20 + 1,76 = 122,2 dB

Ответ

SQNR = 122,2 dB
6.Сбор данных и дискретизация

Ответ: fa = 4 kHz

Дискретизация: АЦП измеряет сигнал fs раз в секунду. По теореме Найквиста–Шеннона частота f фиксируется правильно, только пока f < fs/2, то есть ниже частоты Найквиста (частоты свёртки), поэтому частота дискретизации должна превышать удвоенную наивысшую частоту сигнала. Более высокая частота не теряется: она проявляется как ложная частота fa = |f − k·fs|, где целое число k выбирается так, чтобы результат оказался между 0 и fs/2. Отсчёты не позволяют различить эти две частоты, поэтому аналоговый антиэлайзинговый фильтр должен удалить всё выше fs/2 до АЦП.

Частота гармоники

3f₁ = 3·8 kHz = 24 kHz

Ближайшее кратное частоты дискретизации

m = round(1,2) = 1

Ложная частота

fa = |24 − 1·20| = 4 kHz

Ответ

fa = 4 kHz

Ложная частота попадает внутрь полосы сигнала, где её не удалит ни один цифровой фильтр. Помогает только аналоговый фильтр перед АЦП.

ExamProblems · examproblems.com/courses/digital-electronics