Что такое цифровой буфер
Перейти к содержимому

Что такое цифровой буфер

  • автор:

Цифровые микросхемы. Буферные элементы

Доброго всем времени суток! Сегодня продолжаю свой рассказ о цифровых логических микросхемах. В прошлой статье были рассмотрены логические элементы НЕ (инверторы), сегодня рассмотрим, похожие на инверторы, буферные микросхемы и повторители (Buffers).

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Отличительной особенностью буферных элементов и повторителей от инверторов является то, что они не изменяют уровень сигнала (хотя есть буферы с инверсией входного сигнала). Второй особенностью буферных микросхем является то, что они на выходе выдают ток больше, чем обычные логические элементы, это позволяет с выхода буфера направлять сигнал на множество других микросхем, для этого большинство буферных элементов имеют выход с общим коллектором (ОК). Ещё одним сектором применения буферов является создание двунаправленных линий и мультиплексирование сигналов, для этого буферные микросхемы делают выходы с Z-состоянием (3С).

Двунаправленные линии представляют собой линии, по которым сигналы могут распространяться в двух противоположных направлениях. При использовании однонаправленных линий сигналы исходят от одного выхода к одному или нескольким входам, а двунаправленные линии соединяют между собой несколько выходов и входов, что позволяет более эффективно обмениваться информацией при меньшем количестве электрических соединений. Для таких линий используются элементы, у которых выход с открытым коллектором или с Z-состоянием.

Мультиплексирование – это передача разных сигналов в разные моменты времени по одним и тем же линиям. Мультиплексирование применяется для сокращения общего числа соединительных линий. При мультиплексировании выходов много, но активное состояние в данный момент времени поддерживается только на одином, а остальные выходы отключаются, поэтому для мультиплексирования подходят лишь микросхемы, у которых выход с открытым коллектором или с Z-состоянием.

Микросхемы повторители

Микросхемы повторителей сигналов имеют в своём обозначении суффикс ЛП (например, К155ЛП8, КР1533ЛП16), они имеют нагрузочную способность в несколько раз больше стандартных микросхем.

Обычно в микросхемах повторителей содержится несколько элементов, которые имеют следующее обозначение

Условное графическое обозначение элементов повторителей

Условное графическое обозначение элементов повторителей: повторитель с увеличенной нагрузочной способностью и Z-состоянием (слева); повторитель с открытым коллектором (справа).

На рисунке с левой сторона показан один элемент микросхемы типа ЛП8 (К155ЛП8, К555ЛП8). В данной микросхеме содержится 4 повторителя входного сигнала с высокоимпендансным состоянием. При лог. 0 на управляющем входе Е сигналы с входа D свободно поступают на выход элемента, а если на управляющем выводе высокий логический уровень, то выход переходит в высокоимпендансное состояние. Справа показан элемент микросхемы типа ЛП9 (К155ЛП8, К555ЛП8), которая имеет в своём составе шесть повторителей с выходом ОК.

Микросхемы повторители входных сигналов, имеющие высокую нагрузочную способность, позволяют подключать их к магистралям, которые имеют большую емкость и большое число нагрузочных элементов. Эти микросхемы находят широкое применение в качестве буферных элементов в микропроцессорных системах.

Буферные элементы

Микросхемы буферных элементов имеют более широкое количество наименований и содержат в своём обозначении суффиксы АП и ИП (например, К555АП3, КР1533ИП6).

В микросхемах буферов содержится несколько элементов (обычно 1 или 2 элемента), обозначения некоторых из них приведены ниже.

Условное графическое обозначение буферов

Условное графическое обозначение буферов: однонаправленный буфер с высокоимпендансным состоянием выходов (слева); двунаправленный буфер с высокоимпендансным состоянием (справа).

На рисунке слева показана группа из четырёх элементов микросхемы типа АП5 (К555АП5, КР1533АП5). В данной микросхеме содержится восемь буферных элементов объединённых в две группы, которые имеют инверсные входы управления Е. Вход управления предназначен для включения элементов и перевода их выходов в третье состояние. При подаче низкого логического уровня на вход управления происходит включение элементов каждой группы, а переход в высокоимпендансное состояние происходит при подаче лог. 1 на управляющий вход. Справой стороны рисунка показаны четыре элемента микросхемы типа ИП7 (К555ИП7, КР1533ИП7). Данная микросхема содержит четыре двунаправленных буферных элемента с двумя управляющими входами Е1 и Е2. Входы управления работают следующим образом: при низких логических уровнях на обоих входах передача сигнала происходит от выводов А1 – А4 к выводам В1 – В4, при высоком управляющем напряжении – от В1 – В4 к А1 – А4. Когда на выводе Е1 присутствует лог. 1, а на Е2 – лог. 0, то все выводы переходят в Z-состояние. Подача же лог. 0 на Е1 и лог. 1 на Е2 одновременно не допустима.

Буферные микросхемы более распространены, чем повторители особенно в микропроцессорных системах, так как большинство микросхем буферов имеют восемь буферных элементов, что позволяет реализовать мультиплексирование восьмиразрядных кодов, или кодов кратных восьми – 16-ти, 32-х. Также в составе буферных микросхем есть двунаправленные буферные элементы (К555АП6, КР1533АП16) и буферы, выходы которых позволяют передавать сигналы с инверсией (К555АП3, КР1533ИП6).

Особенности применения

Кроме уже упоминавшихся особенностей буферных элементов и повторителей, в виде увеличенной нагрузочной способности выходов, необходимо сказать, что временные параметры данных типов микросхем имеют в качестве параметра задержки при переходе в высокоимпендансное состояние и из высокоимпендансного состояния в активное (tPHZ, tPZH и tPLZ, tPZL). Данные типы временных задержек имеют примерно вдвое большую величину, чем обычные задержки.

Так же следует напомнить, что отключаемые выходы (ОК и 3С) требует применение нагрузочных резисторов, что бы не возникал так называемый висячий вывод. Подключение и величина pull-up резисторов определяется так же как и для логических элементов НЕ выходом ОК.

Одно из применений буферных элементов и повторителей это светодиодная индикация. Светодиоды могут подключаться двумя способами: через общий провод, в этом случае на выходе должен быть высокий логический уровень, и через нагрузочный резистор, когда на выходе низкий логический уровень.

Подключение светодиода к выходам буферных элементов

Подключение светодиода к выходам буферных элементов: к нулевому проводу (слева) и к выводу питания (справа).

Теория это хорошо, но необходимо отрабатывать это всё практически ПОПРОБОВАТЬ МОЖНО ЗДЕСЬ

Цифровой буфер — Digital buffer

A цифрового буфера (или буфера напряжения ) — это элемент электронной схемы, который используется для изоляции входа от выхода, обеспечивая либо нет напряжения или напряжение такое же, как на входе. Он потребляет очень мало тока и не будет мешать б исходная схема. Его также называют буфером с единичным усилением, потому что он обеспечивает коэффициент усиления 1, что означает, что он обеспечивает самое большее напряжение, равное входному напряжению, и не выполняет функцию усиления.

Буфер напряжения имеет очень высокий входной импеданс (противодействие протеканию тока со стороны нагрузки). Высокое входное сопротивление является причиной использования буфера напряжения. Схема с буфером напряжения всегда будет потреблять небольшое количество тока из-за высокого входного сопротивления буфера. В результате это не повлияет на источник питания.

Цифровой буфер важен, потому что он может управлять включением и выключением передачи данных, которая широко используется в мире регистров (сложное устройство хранения данных) и шин (устройство передачи данных). Типичным цифровым буфером, который используется для управления множеством входов данных, записываемых на шину, является цифровой буфер с тремя состояниями, который управляет потоком данных с помощью выводов с тремя состояниями.

Содержание

  • 1 Функциональность
  • 2 Категория
    • 2.1 Буфер с одним входным напряжением
      • 2.1.1 Инвертирующий буфер
      • 2.1.2 Неинвертирующий буфер
      • 2.2.1 Цифровой буфер с тремя состояниями с активным высоким значением
      • 2.2.2 Цифровой буфер с тремя состояниями с активным низким уровнем
      • 2.2.3 Инвертирование цифрового буфера с тремя состояниями

      Функциональные возможности

      Цифровой буфер служит для передачи напряжения от цепи с высоким уровнем выходного импеданса во вторую цепь с низким уровнем входного импеданса. Если у нас есть источник питания и нагрузка с низким импедансом (резистор) без буфера, согласно закону Ома (напряжение равно току, умноженному на сопротивление), от источника потребляется огромное количество тока. В результате источник питания потребляет огромное количество энергии, что вызывает большие помехи. Буфер напряжения всегда имеет очень высокий входной импеданс, приближающийся к бесконечности; в результате, независимо от того, какое значение имеет импеданс нагрузки, напряжение источника будет полностью зависеть от импеданса буфера (из-за закона Ома); напряжение на импедансе буфера является входным напряжением. Поскольку сопротивление бесконечно, схема будет потреблять очень небольшой ток и не будет мешать исходной схеме. Поскольку выходной ток генерируется источником напряжения через буфер, буфер действует как барьер между источником и нагрузкой, тем самым предотвращая влияние сопротивления нагрузки на сеть источника.

      Категория

      Буфер одиночного входного напряжения

      Инвертирующий буфер

      Этот вид буфера создает состояние, противоположное входному. Если вход высокий, выход низкий, и наоборот. Графически его часто представляют в виде треугольника с маленьким кружком на кончике. Инвертор — это основной строительный блок цифровой электроники. Декодеры, конечные автоматы и другие сложные цифровые устройства могут использовать инверторы.

      Неинвертирующий буфер

      Этот вид буфера не выполняет инверсию или возможности принятия решений. Цифровой буфер с одним входом отличается от инвертора. Он никоим образом не инвертирует и не изменяет свой входной сигнал. Он считывает ввод и выводит значение. Обычно сторона ввода считывает вход HIGH или LOW и выводит значение HIGH или LOW соответственно. Отправляет ли выходной терминал сигнал HIGH или LOW, определяется его входным значением. Выходное значение будет высоким тогда и только тогда, когда входное значение будет высоким. Другими словами, Q будет высоким тогда и только тогда, когда A будет HIGH.

      Цифровой буфер с тремя состояниями

      В отличие от цифрового буфера с одним входом, который имеет только один вход, цифровой буфер с тремя состояниями имеет два входа: вход данных и вход управления. (Управляющий вход аналогичен клапану, который управляет потоком данных.) Когда управляющий вход активен, выходное значение является входным значением, а буфер не отличается от цифрового буфера с одним входом.

      Цифровой буфер с активным высоким уровнем с тремя состояниями

      Цифровой буфер с активным высоким уровнем с тремя состояниями — это буфер с высоким уровнем управляющего входа в качестве активного состояния. Когда управляющий вход равен 1, происходит передача данных. Когда управляющий вход равен 0,

      неинвертирующий, активный высокий

      ввод данных управляющий вход выход
      0 0 Hi-Z
      1 0 Hi-Z
      0 1 0
      1 1 1

      «Hi-Z» указывает на отсутствие тока и высокий импеданс, как если бы деталь была удалена из цепи. Когда управляющий вход равен 0, выход находится в состоянии «Hi-Z». Когда управляющий вход равен 1, входные данные передаются на выход.

      Цифровой буфер активного низкого уровня с тремя состояниями

      Он в основном аналогичен активному цифровому буферу высокого уровня, за исключением того факта, что буфер активен, когда управляющий вход находится в состоянии низкого уровня.

      Неинвертирующий, активный низкий

      Ввод данных Управляющий вход Выход
      0 0 0
      1 0 1
      0 1 Hi-Z
      1 1 Hi-Z
      Инвертирующий цифровой буфер с тремя состояниями

      Цифровые буферы с тремя состояниями также имеют инвертирующие разновидности, в которых выходной сигнал является обратным входному.

      Инвертирование, активный высокий уровень

      Вход данных Управляющий вход Выход
      0 0 Hi-Z
      1 0 Hi-Z
      0 1 1
      1 1 0
      Инвертирование, активный низкий

      Данные Вход Управляющий вход Выход
      0 0 1
      1 0 0
      0 1 Hi-Z
      1 1 Hi-Z

      Приложение

      Буферы одиночного входного напряжения используются во многих местах для измерений, включая :

      • В тензометрических схемах для измерения деформаций в таких конструкциях, как мосты, крылья самолетов и двутавровые балки в зданиях.
      • В схемах измерения температуры для котлов и в высотных самолетах в холодная среда.
      • В схемах управления для самолетов, людей, перевозящих пассажиров в аэропортах, метро и во многих различных производственных операциях.

      Буферы напряжения с тремя состояниями широко используются в автобусах, что позволяет несколько устройств взаимодействуют друг с другом. Шина может одновременно считывать только один ввод данных с устройства, и это когда применяется буфер с тремя состояниями. Буфер с тремя состояниями с его управляющим входом может предотвратить чтение шиной избыточного ввода.

      3.1.2. Повторители и буферы

      Повторители и буферы отличаются от инверторов прежде всего тем, что они не инвертируют сигнал (правда, существуют и инвертирующие буферы). Зачем же тогда они нужны? Во-первых, они выполняют функцию увеличения нагрузочной способности сигнала, то есть позволяют подавать один сигнал на много входов. Для этого имеются буферы с повышенным выходным током и выходом 2С, например, ЛП16 (шесть буферных повторителей). Во-вторых, большинство буферов имеют выход ОК или 3С, что позволяет использовать их для получения двунаправленных линий или для мультиплексирования сигналов. Поясним подробнее эти термины.

      Рис. 3.6. Двунаправленная линия

      Под двунаправленными линиями понимаются такие линии (провода), сигналы по которым могут распространяться в двух противоположных направлениях. В отличие от однонаправленных линий, которые идут от одного выхода к одному или нескольким входам, к двунаправленной линии могут одновременно подключаться несколько выходов и несколько входов (рис. 3.6). Понятно, что двунаправленные линии могут организовываться только на основе выходов ОК или 3С. Поэтому почти все буферы имеют именно такие выходы.

      Рис. 3.7. Однонаправленная мультиплексированная линия на основе буферов

      Мультиплексированием называется передача разных сигналов по одним и тем же линиям в разные моменты времени. Основная цель мультиплексирования состоит в сокращении общего количества соединительных линий. Двунаправленная линия обязательно является мультиплексированной, а мультиплексированная линия может быть как однонаправленной, так и двунаправленной. Но в любом случае к ней присоединяется несколько выходов, только один из которых в каждый момент времени находится в активном состоянии. Остальные выходы в это время отключаются (переводятся в пассивное состояние). В отличие от двунаправленной линии, к мультиплексированной линии, построенной на основе буферов, может быть подключен всего лишь один вход, но обязательно несколько выходов с ОК или 3С (рис. 3.7). Мультиплексированные линии могут строиться не только на буферах, но и на микросхемах мультиплексоров.

      Рис. 3.8. Объединение выходов буферов с ОК

      Примером буферов с выходом ОК является микросхема ЛП17 (шесть буферов с ОК). Точно так же, как и в случае инверторов с ОК (см. рис. 3.5), выходы нескольких буферов с ОК могут объединяться для получения функции «Монтажное И», то есть на выходе будет сигнал логической единицы только при единицах на всех входах (рис. 3.8). То есть реализуется многовходовой элемент И.

      Буферы с выходом 3С представлены гораздо большим количеством микросхем, например, ЛП8, ЛП11, АП5, АП6, АП14. Эти буферы обязательно имеют управляющий вход EZ (или OE), переводящий выходы в третье, пассивное состояние. Как правило, третьему состоянию соответствует единица на этом входе, а активному состоянию выходов — нуль, то есть сигнал EZ имеет отрицательную полярность.

      Буферы бывают однонаправленные или двунаправленные, с инверсией или без инверсии сигналов, с управлением всеми выходами одновременно или с управлением группами выходов. Всем этим и определяется большое разнообразие микросхем буферов.

      Что такое цифровой буфер

      Цифровой буфер (или буфер напряжения ) — это элемент электронной схемы , используемый для изоляции входа от выхода. Выходное состояние буфера отражает входное состояние. Входное сопротивление буфера высокое. Он потребляет небольшой ток, чтобы не мешать входной цепи. Цифровой буфер, также называемый буфером единичного усиления, не усиливает или не ослабляет входной сигнал намеренно.

      Цифровой буфер важен при передаче данных, переводя импульсы напряжения между подключенными системами. Буферы используются в регистрах (устройство хранения данных) и шинах (устройство передачи данных). Цифровой буфер с тремя состояниями может подключать устройство к цифровой шине. Выходной сигнал буфера с тремя состояниями либо высокий, либо низкий, либо отключен.

      Функционал

      Цифровой буфер передает напряжение от цепи с высоким выходным сопротивлением ко второй цепи с низким входным сопротивлением. Прямое подключение нагрузки с низким импедансом к источнику питания приводит к потреблению тока в соответствии с законом Ома . Высокий ток воздействует на источник. Цифровые буферные входы имеют высокий импеданс. Буферизованная нагрузка практически не влияет на схему источника. Выходной ток буфера генерируется внутри буфера. Таким образом, буфер обеспечивает изоляцию между источником питания и входом с низким импедансом.

      Категория

      Буфер напряжения с одним входом
      Инвертирующий буфер

      Выходное состояние этого буфера противоположно входному состоянию. Если вход высокий, выход низкий, и наоборот. Графически инвертирующий буфер изображается треугольником с маленьким кружком на выходе, где кружок обозначает инверсию. Инвертор является основным строительным блоком цифровой электроники. Декодеры, конечные автоматы и другие сложные цифровые устройства часто содержат инверторы.

      Неинвертирующий буфер

      Этот тип буфера не выполняет инверсию или возможность принятия решения. Цифровой буфер с одним входом отличается от инвертора. Он никоим образом не инвертирует и не изменяет входной сигнал. Он считывает ввод и выводит значение. Обычно входная сторона считывает либо ВЫСОКИЙ, либо НИЗКИЙ вход и выводит ВЫСОКОЕ или НИЗКОЕ значение соответственно. Посылает ли выходной терминал ВЫСОКИЙ или НИЗКИЙ сигнал, определяется его входным значением. Выходное значение будет высоким тогда и только тогда, когда входное значение высокое. Другими словами, Q будет высоким тогда и только тогда, когда A ВЫСОКИЙ.

      с тремя

      В отличие от цифрового буфера с одним входом, который имеет только один вход, цифровой буфер с тремя состояниями имеет два входа: вход данных и вход управления. (Управляющий вход аналогичен клапану, который управляет потоком данных.) Когда управляющий вход активен, выходным значением является входное значение, а буфер не отличается от цифрового буфера с одним входом.

      уровня с тремя

      Активный цифровой буфер с тремя состояниями высокого уровня представляет собой буфер с управляющим входом высокого уровня в активном состоянии. [1] Когда управляющий вход равен 1, происходит передача данных. Когда управляющий вход равен 0,

      Неинвертирующий, активный высокий

      «Hi-Z» указывает на отсутствие тока и высокое сопротивление, как если бы деталь была удалена из цепи. Когда управляющий вход равен 0, выход находится в состоянии «Hi-Z». Когда управляющий вход равен 1, ввод данных передается на выход.

      с тремя состояниями

      В основном это то же самое, что и активный высокий цифровой буфер, за исключением того факта, что буфер активен, когда управляющий вход находится в низком состоянии.

      Неинвертирующий, активный низкий уровень

      с тремя состояниями

      Цифровые буферы с тремя состояниями также имеют инвертирующие разновидности, в которых выход является обратным по отношению к входу.

      Инвертирующий, активный высокий

      Приложение

      Буферы напряжения с одним входом используются во многих местах для измерений, включая:

      • В схемах тензодатчиков для измерения деформации таких конструкций, как мосты, крылья самолетов и двутавровые балки в зданиях.
      • В схемах измерения температуры котлов и высотных самолетов в холодных условиях.
      • В схемах управления самолетами, пассажирскими перевозками в аэропортах, метро и во многих других производственных операциях.

      Буферы напряжения с тремя состояниями широко используются на шинах , что позволяет нескольким устройствам взаимодействовать друг с другом. Шина может одновременно считывать только один вход данных с устройства, и это когда применяется буфер с тремя состояниями. Буфер с тремя состояниями с управляющим входом может предотвратить считывание шиной избыточного ввода.

      Цифровые микросхемы. Буферные элементы

      Доброго всем времени суток! Сегодня продолжаю свой рассказ о цифровых логических микросхемах. В прошлой статье были рассмотрены логические элементы НЕ (инверторы), сегодня рассмотрим, похожие на инверторы, буферные микросхемы и повторители (Buffers).

      Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

      Отличительной особенностью буферных элементов и повторителей от инверторов является то, что они не изменяют уровень сигнала (хотя есть буферы с инверсией входного сигнала). Второй особенностью буферных микросхем является то, что они на выходе выдают ток больше, чем обычные логические элементы, это позволяет с выхода буфера направлять сигнал на множество других микросхем, для этого большинство буферных элементов имеют выход с общим коллектором (ОК). Ещё одним сектором применения буферов является создание двунаправленных линий и мультиплексирование сигналов, для этого буферные микросхемы делают выходы с Z-состоянием (3С).

      Двунаправленные линии представляют собой линии, по которым сигналы могут распространяться в двух противоположных направлениях. При использовании однонаправленных линий сигналы исходят от одного выхода к одному или нескольким входам, а двунаправленные линии соединяют между собой несколько выходов и входов, что позволяет более эффективно обмениваться информацией при меньшем количестве электрических соединений. Для таких линий используются элементы, у которых выход с открытым коллектором или с Z-состоянием.

      Мультиплексирование – это передача разных сигналов в разные моменты времени по одним и тем же линиям. Мультиплексирование применяется для сокращения общего числа соединительных линий. При мультиплексировании выходов много, но активное состояние в данный момент времени поддерживается только на одином, а остальные выходы отключаются, поэтому для мультиплексирования подходят лишь микросхемы, у которых выход с открытым коллектором или с Z-состоянием.

      Микросхемы повторители

      Микросхемы повторителей сигналов имеют в своём обозначении суффикс ЛП (например, К155ЛП8, КР1533ЛП16), они имеют нагрузочную способность в несколько раз больше стандартных микросхем.

      Обычно в микросхемах повторителей содержится несколько элементов, которые имеют следующее обозначение

      Условное графическое обозначение элементов повторителей

      Условное графическое обозначение элементов повторителей: повторитель с увеличенной нагрузочной способностью и Z-состоянием (слева); повторитель с открытым коллектором (справа).

      На рисунке с левой сторона показан один элемент микросхемы типа ЛП8 (К155ЛП8, К555ЛП8). В данной микросхеме содержится 4 повторителя входного сигнала с высокоимпендансным состоянием. При лог. 0 на управляющем входе Е сигналы с входа D свободно поступают на выход элемента, а если на управляющем выводе высокий логический уровень, то выход переходит в высокоимпендансное состояние. Справа показан элемент микросхемы типа ЛП9 (К155ЛП8, К555ЛП8), которая имеет в своём составе шесть повторителей с выходом ОК.

      Микросхемы повторители входных сигналов, имеющие высокую нагрузочную способность, позволяют подключать их к магистралям, которые имеют большую емкость и большое число нагрузочных элементов. Эти микросхемы находят широкое применение в качестве буферных элементов в микропроцессорных системах.

      Буферные элементы

      Микросхемы буферных элементов имеют более широкое количество наименований и содержат в своём обозначении суффиксы АП и ИП (например, К555АП3, КР1533ИП6).

      В микросхемах буферов содержится несколько элементов (обычно 1 или 2 элемента), обозначения некоторых из них приведены ниже.

      Условное графическое обозначение буферов

      Условное графическое обозначение буферов: однонаправленный буфер с высокоимпендансным состоянием выходов (слева); двунаправленный буфер с высокоимпендансным состоянием (справа).

      На рисунке слева показана группа из четырёх элементов микросхемы типа АП5 (К555АП5, КР1533АП5). В данной микросхеме содержится восемь буферных элементов объединённых в две группы, которые имеют инверсные входы управления Е. Вход управления предназначен для включения элементов и перевода их выходов в третье состояние. При подаче низкого логического уровня на вход управления происходит включение элементов каждой группы, а переход в высокоимпендансное состояние происходит при подаче лог. 1 на управляющий вход. Справой стороны рисунка показаны четыре элемента микросхемы типа ИП7 (К555ИП7, КР1533ИП7). Данная микросхема содержит четыре двунаправленных буферных элемента с двумя управляющими входами Е1 и Е2. Входы управления работают следующим образом: при низких логических уровнях на обоих входах передача сигнала происходит от выводов А1 – А4 к выводам В1 – В4, при высоком управляющем напряжении – от В1 – В4 к А1 – А4. Когда на выводе Е1 присутствует лог. 1, а на Е2 – лог. 0, то все выводы переходят в Z-состояние. Подача же лог. 0 на Е1 и лог. 1 на Е2 одновременно не допустима.

      Буферные микросхемы более распространены, чем повторители особенно в микропроцессорных системах, так как большинство микросхем буферов имеют восемь буферных элементов, что позволяет реализовать мультиплексирование восьмиразрядных кодов, или кодов кратных восьми – 16-ти, 32-х. Также в составе буферных микросхем есть двунаправленные буферные элементы (К555АП6, КР1533АП16) и буферы, выходы которых позволяют передавать сигналы с инверсией (К555АП3, КР1533ИП6).

      Особенности применения

      Кроме уже упоминавшихся особенностей буферных элементов и повторителей, в виде увеличенной нагрузочной способности выходов, необходимо сказать, что временные параметры данных типов микросхем имеют в качестве параметра задержки при переходе в высокоимпендансное состояние и из высокоимпендансного состояния в активное (tPHZ, tPZH и tPLZ, tPZL). Данные типы временных задержек имеют примерно вдвое большую величину, чем обычные задержки.

      Так же следует напомнить, что отключаемые выходы (ОК и 3С) требует применение нагрузочных резисторов, что бы не возникал так называемый висячий вывод. Подключение и величина pull-up резисторов определяется так же как и для логических элементов НЕ выходом ОК.

      Одно из применений буферных элементов и повторителей это светодиодная индикация. Светодиоды могут подключаться двумя способами: через общий провод, в этом случае на выходе должен быть высокий логический уровень, и через нагрузочный резистор, когда на выходе низкий логический уровень.

      Подключение светодиода к выходам буферных элементов

      Подключение светодиода к выходам буферных элементов: к нулевому проводу (слева) и к выводу питания (справа).

      Теория это хорошо, но необходимо отрабатывать это всё практически ПОПРОБЫВАТЬ МОЖНО ЗДЕСЬ

      Использование недорогих быстродействующих ОУ в качестве тактовых буферов

      В приложениях потребительской электроники, работающих на относительно невысоких частотах и менее критичных к качеству синхронизации, чем типичные системы, требующие буферизации тактовых сигналов, недорогой быстродействующий операционный усилитель (ОУ) с полосой порядка 100 МГц может служить привлекательной заменой традиционных тактовых буферов. Быстродействующие усилители могут оказаться более дешевым решением, чем классические тактовые буферы, и при этом их можно адаптировать к широкому спектру различных конфигураций.

      HRP/N3 от MEAN WELL – ИП с 350% перегрузкой для промышленных приложений

      Например, хорошей альтернативой для недорогих тактовых буферов являются выпускаемые Analog Devices ОУ с однополярным питанием типа AD8061, а также микросхемы семейства ADA485X. Все эти усилители питаются от низких напряжений, потребляют небольшие токи, имеют режимы пониженного расхода энергии для маломощных приложений и rail-to-rail выходы, обеспечивающие широкий динамический диапазон.

      Одним из существенных преимуществ ОУ перед традиционными буферами синхронизации является гибкость. Операционные усилители дают возможность буферизовать, усиливать, смещать по уровню, инвертировать, суммировать, вычитать или фильтровать сигналы. Они обеспечивают высокий входной импеданс, малые входные токи, низкий ток потребления, независимые режимы пониженной мощности (для нескольких ОУ в корпусе), низкий выходной импеданс и малую задержку распространения.

      При использовании ОУ в приложениях тактовых буферов разработчики должны знать и соблюдать некоторые ограничения. Например, для усилителей с обратной связью по напряжению произведение усиления на полосу пропускания является фиксированной величиной. Поэтому с увеличением коэффициента усиления с обратной связью их полоса пропускания уменьшается. Каскадирование нескольких ОУ с небольшими коэффициентами усиления позволяет расширить полосу пропускания, сохраняя общее усиление и быстродействие схемы.

      Для портативных электронных устройств важно однополярное питание. Диапазон синфазных напряжений ОУ с однополярным питанием по определению включает уровень отрицательной шины (земли). Большинство из них может работать с входными напряжениями, уровни которых на 200 мВ ниже земли. Но это не означает, что ниже земли может опускаться и выходное напряжение. В выходных каскадах типичных rail-to-rail биполярных усилителей используется конфигурация с общим эмиттером. Соответственно, выходное напряжение всегда будет больше уровня шины земли на величину напряжения насыщения, которое в зависимости от выходной нагрузки может варьироваться от десятков до сотен милливольт.

      По счастью, в этих приложениях выходному сигналу обычно не нужно опускаться до самой земли. Когда выходной сигнал подходит слишком близко к земле (примерно от 100 мВ до 200 мВ), выходной каскад может входить в насыщение, что приводит к искажению и длительному времени восстановления. В системах со связью по постоянному току следите за тем, чтобы низкий уровень сигнала был выше 200 мВ, или используйте источник отрицательного напряжения –200 мВ. При любом методе это защитит выходной каскад от насыщения.

      Кроме того, в технической документации на усилители указывается необходимый запас верхнего уровня выходного сигнала относительно положительного напряжения питания, так что все сказанное относительно отрицательной шины питания точно так же относится и к положительной. Если входное напряжение слишком велико, выходной каскад будет искажать и обрезать сигнал.

      На Рисунке 1а изображен неинвертирующий тактовый буфер на основе ОУ с коэффициентом усиления +2, а на Рисунке 1б показана переходная характеристика этой схемы. В данной конфигурации верхняя граница рабочих частот AD8061 находится примерно на уровне 33 МГц. Равная 2 нс задержка распространения этого усилителя соизмерима с задержками специализированных тактовых буферов.

      В некоторых приложениях допустима развязка по постоянному току, что позволяет расширить полосу частот, используя более быстродействующие усилители. В схемах с одним источником напряжения входы и выходы этих усилителей смещают, подключая к средней точке питания.

      Схема тактового буфера на быстродействующем усилителе AD8057 компании Analog Devices, включенном в конфигурации с единичным усилением, изображена на Рисунке 2а. Полоса пропускания этого ОУ равна 325 МГц, а скорость нарастания выходного напряжения – 1150 В/мкс. Резистор нагрузки подключен к напряжению, равному среднему уровню входного сигнала. Это дает гарантию, что уровень выходного напряжения будет привязан к земле. Верхняя рабочая частота схемы равна примерно 100 МГц. Вы можете судить об этом по хорошему качеству сигнала при частоте импульсов 90 МГц (Рисунок 2б).

      Таким образом, когда в схеме требуется буферизация тактового сигнала, быстродействующий усилитель зачастую может обеспечить бóльшую гибкость при меньших затратах, конкурируя с традиционными тактовыми буферами во многих приложениях. В зависимости от конкретного устройства, могут использоваться усилители либо с одно-, либо с двуполярным питанием.

      Правда о цифровой задержке в музыке. ⁠ ⁠

      Оригинал материалов для этого поста можно найти в следующей статье:

      Я не стану прямо переводить, но постараюсь кратко и понятно изложить русским языком все что вам нужно о цифровой задержке в музыке.

      Много картинок не ждите, ждите много текста, и помните у птиц беда с пунктуацией.

      В английском языке слова Latency и Delay на русский переводятся одинаково, и означают задержку. Хотя latency в основном употребляют, когда говорят об аудио задержке. Под аудио задержкой понимают промежуток времени между тем как звук был извлечен и тем моментом в который он попал к вам в уши. Обычно задержка измеряется в миллисекундах (мс).

      Если говорить о природной/физической задержке, то вот её пример: Представьте что сидите за пианино и хотите извлечь звук нажатием его клавиши. Что произойдет когда вы её нажмете? Ваш палец нажимает на клавишу, клавиша приводит в движение молоток, молоток бьет по струне, звук от струны путешествует к вашим ушам. Вот промежуток между тем как вы нажали на клавишу и тем как вы услышали ноту и есть задержка.

      Эхо — также является природной задержкой звука, с ним чуть посложнее поскольку вы слышите и «исходный» сигнал и задержанный. Ученые, проведя опыты, подсчитали, что задержка менее

      10 мс не воспринимается человеческим ухом. В промежутке между 12 и 15 мс вы начнете «чувствовать» эффект задержанного сигнала, и только задержка от 20мс заставит ваш мозг разделить между собой исходный и задержанный сигнал.

      Теперь подойдем к цифровой записи, представим что мы пишем злой такой, мощный соляк, на компьютере. В аудиостанции(аудиохост, DAW) играет минусовка, стучит метроном, гитара подключена к интерфейсу и включен мониторинг (прослушка) сигнала через аудиостанцию. Но вот беда, мы играем как будто с каким то эхом, звук который мы слышим сильно запаздывает от наших пальцев, как правило исполнителя это сильно дизориентирует и записать партию в таких условиях практически невозможно. Мы кидаемся к настройкам нашего аудио интерфейса, видим загадочное значение какого то буфера в 128 семплов, и подпись в 2.9 мс задержки.

      Но постойте, стоя на сцене в метре от усилителя, при скорости звука 340 м/с, мы будем слышать наш звук с задержкой минимум 3мс! Так почему на сцене 3 мс мы не замечаем, а в студии 2.9 мешают нам нормально работать?

      Все не так как кажется

      Для того чтобы разобраться в проблеме нам нужно несколько углубится в физику процесса и разобрать, каким именно образом звук путешествует у нас в компьютере.

      Мы начинаем с того момента как звук нашей гитары или вокала например, оказывается на аналоговых входах нашего интерфейса.

      Далее наш сигнал попадает в аналого-цифровой преобразователь (АЦП) аудио интерфейса, который занимается тем что преобразовывает непрерывную звуковую волну в массив битов и байтов. Процесс невероятно сложен, но занимает немногим более половины миллисекунды. Забегая вперед скажу,что на другом конце всей этой цепочки звук будет поступать на цифро-аналоговый преобразователь вашего интерфейса (ЦАП), который в свою очередь будет преобразовывать дискретный сигнал в электрические импульсы, для того чтобы вы могли услышать его на своих динамиках или наушниках. Ещё пол миллисекунды или типа того.

      Далее за дело берется ваш ASIO (в случае windows) или CoreAudio (Mac) драйвер. Он осуществляет «доставку» сигнала со входа USB в ваш аудиохост и обратно.

      Все это «расстояние» сигнал преодолевает путешествуя из одного буфера в другой.

      Буфер — это участок компьютерной памяти, выделенный для временного хранения данных, пока те двигаются с одного места на другое. Всего в нашей цепочке четыре вида таких буферов.

      *Входной буфер USB шины

      *Входной буфер ASIO драйвера

      *Выходной буфер ASIO драйвера

      *Выходной буфер USB шины

      Здесь нам придется ещё раз прерваться, и кратко объяснить зачем вообще эти буферы нужны.

      Зачем нужны буферы

      Дело в том что «многозадачность» компьютера это всего лишь иллюзия, процессор в один момент времени работает только с какой-то одной задачей, но за счет того что он очень (ОЧЕНЬ) быстро переключается между ними, выполняя то часть одной, то часть другой, кажется что процессы протекают одновременно.

      В нашем случае процессор по большей части выполняет задачу по переносу данных с нашего интерфейса в аудиостанцию, и обратно. Так как он не может постоянно этим заниматься, он делает это кусками. Отправил кусок, занялся делом, ещё отправил кусок, ещё чем то занялся. Чем больше размер буфера, тем больше мы можем позволить процессору тратить времени на системные задачи, но вместе с тем мы будем задерживать сигнал. Чем буфер меньше, тем ближе к «реальному времени» будут выполнятся задачи, но это может отрицательно сказаться на стабильности всей системы. А кто, спросите вы, устанавливает размер этих буферов? -драйверы, поговорим о них!

      ASIO и CoreAudio драйверы

      Ни одно устройство просто так работать с вашим ПК не будет, для него необходим драйвер. Драйвер это специальная программа которая позволяет другим программам на вашем компьютере «общаться» с железом. Например без драйвера для принтера, вы бы не смогли послать ему команду на распечатку текста.

      И звук с вашего интерфейса ваш хост принимает также посредством драйвера. Все эти драйверы пишут инженеры фирмы, которая ваш аудио интерфейс выпустила. Различают два «слоя» таких драйверов. Первый «слой» взаимодействует с USB шиной, второй — с вашим хостом. Давайте начнем с простого и поговорим для начала о втором. Подробнее о различиях ASIO и Core Aduio, зачем вообще ASIO нужен на Windows мы поговорим в другом посте.

      Задержка декодирования

      Итак, ваш сигнал преодолел USB шину, и вам нужно направить его на вход к вашему хосту. Здесь на сцену выходит входной ASIO буфер. Это и есть тот самый буфер, размер которого вам позволено менять, и задержку на котором вам так радостно отображает контрольная панель интерфейса, и ничуть не врет. Если разделить 441000 Герц (частота дискретизации) на 128 семплов (размер буфера), то получим как раз 2.9 мс задержки. Но мы то теперь знаем, этот буфер не один! С другой стороны хоста стоит ещё один, выходной ASIO буфер, размер которого как правило выставляется равным входному. Итого мы имеем 2.9 + 2.9 = 5.8 мс задержки, в лучшем случае. И лучший случай это только на бумаге. На практике в самом хосте и на пути к выходу происходят и другие процессы, которые в целом могут увеличить выходную задержку до 256 семлов, что в целом сложится в 384 семпла, и на частоте 44100 Гц будут давать задержку в 8.7 мс. Добавьте сюда ещё 1 мс которую мы посчитали для работы преобразователей и получим 9.7 мс. Но 9.7 мс это все ещё слишком мало чтобы человек различал разницу.

      Откуда берется дополнительная задержка

      Сейчас то вы уже наверное догадались, потому что Я решил не путать ваш лишний раз, но на самом деле об этом виновнике редко где встретишь разговоры. А речь конечно о буфере USB шины. USB шина работает на основе миллисекундного таймера, как только таймер отсчитывает определенный интервал, происходит остановка и все что было записано в буфер отправляется на аудио процессинг. Точная настройка этого буфера под характеристики вашего компьютера могла бы дать возможность значительно ускорить процесс работы с аудио, но инженеры умышленно прячут её от вас, а все дело в том что, если пользователь случайно поставит достаточно малое значение этого драйвера, он рискует «уронить» драйвер (при чем как пишут в presonus «crash the driver—a lot.») Как правило большинство (но не все!) производителей значение этого драйвера устанавливают в безопасное для большинства компьютеров значение, которое на деле приводит к лишним 6 мс на входе и выходе. (Также часто можно встретить и 4 мс) Теперь когда мы знаем все этапы цепочки, сложим наши найденные 12 мс с прежде посчитанными 9.7 мс (помните что все значение мы брали в среднем, но результаты на практике сильно не отличаются) и получим 21.7 мс задержки, и вот это уже реальная помеха.

      Заключение. Как жить и что делать

      Во первых справедливости ради надо заметить, что не все аудио интерфейсы скрывают факты о задержке аудио. Карточки Steinberg UR например в этом плане сразу суммируют значения задержке с двух слоев, и высчитывает различные значения для входного и выходного потока, выдавая вам:

      Правда о цифровой задержке в музыке. Музыка, Теория, Физика, Длиннопост, Текст

      Значение хоть и приблизительное, но по нему действительно можно ориентироваться. При 64 семплах получим задержку

      10 мс, что для большинства инструментов не должно стать помехой. И нет, это — не реклама, хотя это явно камень в огород всяким фокусрайтам.

      На этом фоне выделяется вокал. Все дело в том что обычно игру на музыкальных инструментах «вживую» сопровождает естественная задержка, а вот вокал мы чувствуем «на себе» сразу. Поэтому многим вокалистам задержка и в 10мс может мешать комфортно исполнять партии.

      В большинстве дейвайсов сейчас предусмотрена функция Direct Monitoring, которая пробрасывает сигнал с АЦП сразу к ЦАП. В результате мы все равно имеем около 1мс задержки, но её пока никто «прочувствовать» не смог. Ественно в этом случае мы лишаемся возможности обрабатывать сигнал на хосте.

      Кроме этого есть ветвители сигналов, например большинство DI-боксов для гитар выдают балансный сигнал который можно направить в интерфейс и небалансный который можно воткнуть в усилитель.

      Вы можете экспериментировать с ещё меньшей задержкой на Windows приобретя например RME Hammerfall, которая позволяет работать под ASIO с буфером в 32 семпла. А на Mac тот же Ur22 будет работать в 32 семпла в силу иной природы устройства их CoreAudio.

      Также некоторые карточки, например из линейки presonus AVL позволяют таки изменять размер USB буфера, выбирая между 6, 4 и даже 2 мс. Ещё часть их карточек имеет на борту DSP процессор который позволит проводить direct monitoring с небольшой обработкой для вашего комфорта.

      Постскриптум

      Как видите зверь не так страшен, если с ним разобраться. И Я надеюсь, что мир цифровой аудиозаписи стал на миг прозрачней и понятней.

      Павлин рад тратить свое время на помощь вам, и готов отвечать на ваши вопросы. Свои вопросы задавайте в комментариях.

      Павлин не просит ничего взамен, но это не значит что ему не нужна ваша помощь. Если у вас найдется 20 минут свободного времени, вы можете здорово помочь пройдя анкету на тему современной западной поп музыки.

      Свои замечания по поводу анкеты вы можете оставлять под предыдущим постом.

      Добавить комментарий

      Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *