Układ cyfrowy

Układy cyfrowe – rodzaj układów elektronicznych, w których sygnały napięciowe przyjmują tylko określoną liczbę poziomów, którym przypisywane są wartości liczbowe. Najczęściej (choć nie zawsze) liczba poziomów napięć jest równa dwa, a poziomom przypisywane są cyfry 0 i 1, wówczas układy cyfrowe realizują operacje zgodnie z algebrą Boole'a i z tego powodu nazywane są też układami logicznymi. Obecnie układy cyfrowe budowane są w oparciu o bramki logiczne realizujące elementarne operacje znane z algebry Boole'a: iloczyn logiczny (AND, NAND), sumę logiczną (OR, NOR), negację NOT, różnicę symetryczną (XOR) itp. Ze względu na stopień skomplikowania współczesnych układów cyfrowych wykonuje się je w postaci układów scalonych.

Zalety układów cyfrowych:

• Możliwość bezstratnego kodowania i przesyłania informacji.
• Uproszczony zapis i przechowywanie informacji cyfrowej.
• Mniejsza wrażliwość na zakłócenia elektryczne.
• Możliwość tworzenia układów programowalnych, których działanie określa program komputerowy (patrz: mikroprocesor, koprocesor).

Wady układów cyfrowych:

• Skomplikowanie zarówno na poziomie elektrycznym, jak i logicznym; obecnie ich projektowanie wspomagają komputery (patrz: język opisu sprzętu).
• Mimo większej odporności na zakłócenia, wykrywanie przekłamań stanów logicznych, np. pojawienie się wartości 0 zamiast spodziewanej 1, wymaga dodatkowych zabezpieczeń (patrz: kod korekcyjny) choć nie zawsze jest możliwe wykrycie błędu; jeszcze większy problem stanowi ewentualne odtworzenie oryginalnej informacji.

Klasyfikacja układów cyfrowych

Ze względu na sposób przetwarzania informacji rozróżnia się dwie główne klasy układów logicznych:

1. Układy kombinacyjne – układy „bez pamięci”, w których sygnały wyjściowe są zawsze takie same dla określonych sygnałów wejściowych;
2. Układy sekwencyjne – układy „z pamięcią”, w których stan wyjść zależy nie tylko od aktualnego stanu wejść, ale również od stanów poprzednich.

Ze względu na technologie w jakiej wykonano bramki logiczne:

• bipolarne:
  • TTL (ang. Transistor-Transistor Logic),
  • ECL (Emitter Coupled Logic),
  • I²L (Integrated Injection Logic).
• unipolarne:
  • NMOS i PMOS,
  • CMOS (Complementary MOS).

Ostatnimi laty bardzo popularne stały się programowalne układy cyfrowe. W odróżnieniu od programowalnych mikroprocesorów, w tym przypadku programowana jest fizyczna struktura układu oparta na:

• matrycach:
  • PLA,
  • PAL.
• komórkach:
  • SPLD,
  • CPLD,
  • FPGA.

Ograniczenia techniczne

Przedziały napięć w układzie logicznym

Ze względu na różne czynniki, takie jak wahania napięcia zasilającego, zakłócenia zewnętrzne, rozrzut parametrów itp., sygnały przetwarzane w układach cyfrowych nie mają ściśle określonych wartości, stąd też liczby przypisuje się nie wartościom napięć, ale przedziałom napięć.

W układach logicznych, gdzie są zdefiniowane tylko dwie wartości liczbowe, rozróżnia się dwa przedziały napięć: wysoki (ozn. H, z ang. high) i niski (ozn. L, z ang. low); pomiędzy nimi jest przerwa, dla której nie określa się wartości liczbowej – jeśli napięcie przyjmie wartość z tego przedziału, to stan logiczny układu jest nieokreślony.

Jeśli do napięć wysokich zostanie przyporządkowana logiczna jedynka, a do niskich logiczne zero, wówczas mówi się, że układ pracuje w logice dodatniej (inaczej zwanej pozytywną), w przeciwnym razie mamy do czynienia z logiką ujemną (lub negatywną).

Zobacz też

• język opisu sprzętu (HDL)