Цифровые буферы: подробное руководство по изоляции и усилению сигналов

Иногда цепь может потребовать изоляции логических элементов без использования инвертора. Именно здесь цифровой буфер предоставляет преимущества. Он не только обладает возможностями изоляции, но и усиливает силу сигнала цепи. Это эффективный подход, поскольку обеспечивает оптимальную производительность цепи. Как правило, они также передают напряжение из одной цепи в другую. Понимание назначения и функциональности цифрового буфера может показаться сложным. Мы проведем вас в правильном направлении к пониманию цифровых буферов. Начнем!

Что такое цифровые буферы?

(Символ цифрового буфера)

Источник: Wikimedia Commons

Цифровой буфер, также называемый буфером напряжения, служит элементом электронной цепи. Обычно он изолирует входные и выходные источники друг от друга. В процессе изоляции буфер напряжения подает напряжение, соответствующее его входному напряжению. Он также может вычитать напряжение из цепи. В результате через него течет минимальный ток без вмешательства в основную цепь, сохраняя её в безопасности от повреждений. Обычно они требуют низкий уровень напряжения, идеально 0В или 5В.

(Изображение реле)

Кроме того, это помогает предотвратить изменение источника сигнала через нагрузки, такие как лампы, реле и соленоиды. Цифровые буферы также обеспечивают возможности управления передачей данных вкл/выкл для распространенных приложений, таких как регистры, триггеры и драйверы шины, что делает их крайне важными. Они состоят из выходных контактов, выдающих высокий или низкий сигнал, в зависимости от входного значения.

Зачем использовать цифровой буфер?

 
(Цифровой буфер передает напряжение из одной цепи в другую.)

Цифровые буферы передают напряжение от выхода с высоким выходным импедансом во вторую цепь с низким входным импедансом. Это предотвращает нарушение работы основной цепи высоким импедансом. Кроме того, они увеличивают токовую способность, заставляя ключевые транзисторы работать более эффективно.

Типы цифровых буферов

В настоящее время существуют два основных типа цифровых буферов: одновходовой буфер напряжения и трехсостояний (tri-state) цифровой буфер.

Одновходовой буфер напряжения

Одновходовые буферы напряжения не выполняют инверсию или модификацию входного сигнала. Существует два типа: инвертирующий буфер и неинвертирующий буфер.

Инвертирующий буфер

Инвертирующий буфер настраивается на состояние, противоположное источнику входа. Например, он установит вход в высокое состояние, если выход установлен в низкое. Типичные применения инвертора включают конечные автоматы, декодеры и различные другие цифровые устройства.

Неинвертирующий буфер

Как следует из названия, неинвертирующий буфер не выполняет инверсию. В этом случае его вход принимает ВЫСОКОЕ или НИЗКОЕ напряжение и выдает его значение. Вход определяет, выдаст ли выходной контакт ВЫСОКОЕ или НИЗКОЕ значение. В этом состоянии выход устанавливается в высокое до тех пор, пока вход установлен в высокое.

Трехсостояний цифровой буфер (Tri-State Digital Buffer)

Трехсостояний буфер, служащий входным управляющим переключателем, электронно отключает выход от входной цепи. Это происходит через его входной контакт разрешения (enable) или внешнее управление. В результате управляющий сигнал действует как логический 0 или логический 1, переводя трехсостояний буфер в состояние, где выход работает нормально. Он также может войти в другое состояние, которое отключает или блокирует свой выход.

Тогда выход отключается в третьем состоянии, вызывая размыкание цепи. В результате выход не устанавливается ни в высокое, ни в низкое состояние. Вместо этого он производит высокий импеданс, называемый HIGH-Z или HI-Z, нечувствительный к входному сигналу. В результате ток от источника питания остается заблокированным.

Ниже подробно описаны три типа трехсостояний цифровых буферов:

Активный высокий трехсостояний цифровой буфер (Active High Tri-State Digital Buffer)

Выходной контакт соединится с входным после подачи высокого положительного сигнала на контакт разрешения. Это активирует активный высокий трехсостояний буфер. Подача низкого или отрицательного сигнала на контакт разрешения вызывает отключение выхода от входа. После этого он переходит в состояние HI-Z, заставляя выход оставаться нечувствительным к входу. При этом выход настраивается в состояние разомкнутой цепи.

Активный низкий трехсостояний цифровой буфер (Active Low Tri-State Digital Buffer)

В активном низком трехсостояний буфере выход соединяется с входом. Это происходит после подачи низкого или отрицательного сигнала на контакт разрешения. Однако подача высокого или положительного сигнала на контакт разрешения оказывает другой эффект. Она вызывает отключение выхода от входа. Затем выход входит в состояние разомкнутой цепи, оставаясь в состоянии HI-Z.

Инвертирующий трехсостояний цифровой буфер (Inverting Tri-State Digital Buffer)

Во время активного трехсостояний буфера вход разрешения и контакт разрешения функционируют как логический элемент NOT. Подача высокого или положительного сигнала на контакт разрешения вызывает его активацию. С этого момента он работает аналогично обычному логическому элементу. Это условие вызывает инверсию выхода относительно входа. Если контакт разрешения получает низкий или отрицательный сигнал, выход настраивается в состояние разомкнутой цепи или HI-Z.

Какова цель буферного элемента (Buffer Gate)?

 (Изображение символа буферного элемента)

Источник: Wikimedia Commons

Роль буферного элемента заключается в выполнении усиления сигнала в цепи. Он достигает этого, улучшая токовую способность слабого сигнала, предоставляя ему возможности управления нагрузкой. Обычно схемы буферов содержат треугольник без пузырька инвертора на выходном контакте. Буферы также могут формироваться на выходе с открытым коллектором. Аналоговые сигналы, такие как датчики, могут подключаться к цифровым входам через его элемент.

В чем разница между буфером и инвертором

(Изображение примера инвертора на схеме)

Источник: Wikimedia Commons

Инвертор выполняет процесс инверсии входного сигнала цепи с выходом. Например, он устанавливает выход в ВЫСОКОЕ, когда вход настроен на НИЗКОЕ. И он заставит выход в НИЗКОЕ, когда вход установлен в ВЫСОКОЕ. В то же время буфер слегка улучшает силу сигнала.

Применение цифровых буферов

Управляющие цепи: полезны для метро, самолетов и производственных процессов.

(Цифровые буферы часто используются в метро)

Цепи измерения температуры: примеры включают котлы и самолеты, летящие в холодных районах.

(Котлы содержат цифровой буфер для измерения температур)

Цепи тензометрические: измеряют дефекты в крыльях самолетов, мостах и балках здания.

(Цифровой буфер может помочь измерить дефекты в крыльях самолетов.)

Резюме

В целом, буфер напряжения передает напряжение от высокого импеданса в другую цепь с низким импедансом. Кроме того, он усилит сигнал цепи через усиление. Одной из главных целей является изоляция входных и выходных источников цепи друг от друга. В результате напряжение уменьшается или соответствует входному. Достижение этого позволяет минимальному току течь через буфер, защищая основную цепь. Кроме того, цифровые буферы критически важны для регистров, поскольку они обеспечивают возможности управления передачей данных вкл/выкл.

Есть вопросы по цифровым буферам? Свободно обращайтесь к нам!