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디지털 공학 개론

Digital Fundamentals. 디지털 공학 개론. 제 1 장 디지털 개념 ( 디지털 신호와 시스템 ). 교재 : Digital Fundamentals Tenth Edition Floyd. 1 장 디지털 개념 . 학습 목표. 디지털 양과 아날로그 양의 기본적인 차이점 . 전압 레벨이 어떻게 디지털 양으로 표현하는 방법 . 펄스 파형 . NOT, AND 와 OR 의 논리 연산 . 집적 회로의 패키지에 대해 IC 핀 번호를 정의 .

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디지털 공학 개론

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  1. Digital Fundamentals 디지털 공학 개론 제1장 디지털 개념 (디지털 신호와 시스템) 교재 : Digital Fundamentals Tenth Edition Floyd

  2. 1 장 디지털 개념 학습 목표 • 디지털 양과 아날로그 양의 기본적인 차이점. • 전압 레벨이 어떻게 디지털 양으로 표현하는 방법. • 펄스 파형. • NOT, AND와 OR의 논리 연산. • 집적 회로의 패키지에 대해 IC 핀 번호를 정의. • 다양한 종류의 계측기를 소개하고 이를 이용하여 디지털 회로와 시스템을 고장진단하기 위해 측정하는 방법. • 다양한 형태의 프로그램 가능한 논리 소자이해와 프로그램 과정.

  3. 1.1디지털 신호와 시스템 소개 • 정보 통신 • 정보통신 기기 • 제어시스템 • 군사적 전자장치 • 자이로스코프 • 항법 장치 • 센서 및 계측 • 제어시스템과 밀접한 연관 • 가전 제품 • 신가전 제1장 디지털 시스템과 신호

  4. 1.2디지털 신호 • 0, 1의 신호: 이산적인 신호 • 디지털 신호를 쓰는 이유(장점) • 대용량의 신호 전송 • Speed(빠른 전송) • 정확도 • 사용 예(온도계) • 보는 사람의 눈 높이, 각도에 따라 다름 • 소수점 자리를 보는데 있어서의 오차 • 디지털 - 분해능이 좋음 (소수점 이하 표기가 용이함) 정확도 • 오류 검출을 통해 정확도를 높임. 제1장 디지털 시스템과 신호

  5. 디지털 양과 아날로그 양 • 아날로그(analog) 양 : 연속적인 값을 가짐 • 디지털(digital) 양 : 이산 집합의 값을 가짐 • 디지털의 장점

  6. 음성 1.3아날로그 신호의 디지털 신호화 크기 시간 • 음성 샘플링 • Sampling(표본화) • 샘플링 시간이 길면  양자화 시간이 오래 걸림, 정확도 높음. • 샘플링 시간이 짧으면  양자화 시간이 빠름, 정확도는 떨어짐 • 양자화 : 신호의 크기에 대한 값을 부여 • 부호화(Encoder) : 0,1의 이산적인 신호로 부호화 제1장 디지털 시스템과 신호

  7. 연속성 이산성 (불연속성) 1.4디지털 신호의 개념 • 비유(춤) • 고유의 춤: 승무(연속성이 느껴지는 춤) • 로보트 춤: 브레이크 댄스(불연속성이 느껴지는 춤) 아나로그 신호 디지털 신호 제1장 디지털 개념

  8. 아나로그 신호  디지털 신호로 변환 Processing의 장점 대용량의 처리 정확성 A/D 변환 Processing D/A 변환 1.5디지털 시스템 Analog 제1장 디지털 개념

  9. 5V 5V 2.1디지털 신호와 논리 레벨(1) • 디지털: 두개의 신호 ‘1’ on 0V 0V 이상적인 신호 (구형파) 실제적인 신호 ‘0’ off 제1장 디지털 개념

  10. 주기적인 펄스 Duty rate = 50% → 이상적인 신호 비주기적인 펄스 Duty rate ≠ 50% 1 f T = 2.1디지털 신호와 논리 레벨(2) T(주기) T(주기) 제1장 디지털 개념

  11. 1-1 디지털 양과 아날로그 양 • 아날로그 전자시스템 : PA 시스템 • 디지털과 아날로그 방법을 이용한 시스템 : CD Player

  12. 1-2 2진 숫자, 논리레벨과 디지털 파형 • 디지털 전자공학에서는 두 가지의 상태만을 갖는 회로 및 시스템 다룸. • 두 상태는 HIGH(1)와 LOW(0) • 2진 숫자 : 두 개의 숫자인 1과 0이 사용 • 2진수 : 2진 자리수(binary digit) • 비트 : 한 개의 이진 숫자 • 양 논리(positive logic): 1을 HIGH로, 0을 LOW로 표현 • 논리 레벨 : 1과 0을 표현하기 위하여 사용되는 전압을 논리 디지털 회로에서 전압의 논리 레벨 범위

  13. 2진 숫자, 논리레벨과 디지털 파형 디지털 파형 • HIGH와 LOW 레벨 또는 상태를 반복하는 전압 레벨로 구성 • 양의 펄스, 음의 펄스 • 펄스 • 상승 시간(tr): 펄스 진폭이 10%에서 90% 레벨까지 증가하는데 걸리는 시간 • 하강 시간(tf) : 펄스 진폭이 90%에서 10% 레벨로 감소하는데 걸리는 시간 • 펄스 폭(tw) : 상승 에지와 하강 에지에서 50%인 두 점 사이의 시간

  14. 1-2 2진 숫자, 논리레벨과 디지털 파형 파형의 특성 • 주기 펄스 • 주기 펄스 : 일정한 간격으로 같은 파형이 반복 • 주파수 : 주기의 반복 율단위,hertz(Hz) • 주파수(f)와 주기 (T)사이의 관계 : f= 1/T • 듀티 사이클(duty cycle) = tw/T x 100% • 주기에 대한 펄스 폭(tw)의 비를 100 분율로 나타낸 것 Pulse width (tW) Amplitude (A) 주기적인 파형(구형파) Period, T 비주기적인 파형

  15. 1-2 2진 숫자, 논리레벨과 디지털 파형 2진 정보를 운반하는 디지털 파형 • 클록: 디지털 시스템에서 모든 파형은 기본 타이밍 파형과 동기 • 한 비트 시간과 동일한 펄스 간격을 갖는 주기적인 파형 비트열의 파형과 동기화된 클럭 파형의 예

  16. 1-2 2진 숫자, 논리레벨과 디지털 파형 타이밍 도(timing diagram) 여러 파형의 상호 시간 관계와 각 파형이 다른 파형들과 관련되어 어떻게 변하는지를 나타내는 디지털 파형의 그래프 타이밍 도의 예

  17. 1-2 2진 숫자, 논리레벨과 디지털 파형 데이터 전송 • 데이터란 어떤 형태의 정보를 전달하는 비트들의 그룹 컴퓨터로부터 모뎀으로 직렬 전송되는 8-비트의 2진 데이터 컴퓨터로부터 프린터로 병렬 전송되는 8-비트의 2진 데이터

  18. 1-3 기본 논리 연산 • 기본 논리 연산자 : NOT, AND, OR 모든 입력이 HIGH일때만 출력은 HIGH. AND OR 입력들 중 어느 하나라도 HIGH이면 출력은 HIGH NOT 입력의반대

  19. 3디지털 시스템의 특징 • 디지털 시스템은 설계하기 쉽다 • 아나로그(진공관) 신뢰성 나쁨, 시스템 설계가 어려움 • 부울 대수 및 K-map 이용  회로의 간략화 • 디지털 시스템의 회로 간략화의 의미 • 경제성 (부품수량 감소) • 시스템의 신뢰성 상승 • 시스템의 수명(life time) 연장 • 소비전력 감소 • Simple한 시스템 구성 제1장 디지털 개념

  20. 3디지털 시스템의 특징 • 정보 저장이 쉽다 • 대용량의 정보 저장 가능 • 정확도와 정밀도가 높다 • 동작은 프로그램화 될 수 있다 • 활용도가 높음 • 디지털 회로는 잡음(Noise)에 대한 영향이 적다 • 신호에 대한 오류가 감소 • 많은 디지털 회로 구성이 IC칩 상에서 제조될 수 있다 • 대량생산 가능 (경제성) 제1장 디지털 개념

  21. 4 디지털 논리의 주요 기능 소개 • 비교기 • 두 수의 대소(작다, 크다, 같다) 비교 • 연산기(가산, 감산, 곱셈) • Adder(가산기) : F•A[ Full Adder ], H•A[ Harf Adder ] • Encoder (부호기) • 10진수  2진수 : 디지털화 • Decoder (해독기) • 2진수  10진수 : 아나로그화 • Multiplexer (Mux) • 여러 개의 입력신호 중 어느 한 신호만 선택하여 보내거나 또 다른 프로세스로 넘기기 위한 선택기 • DeMultiplexer (DeMux) • 한 채널로 들어온 신호를 여러 군데에 브랜치로 뿌리기 위한 시스템 제1장 디지털 개념

  22. 5디지털 집적회로 • 집적회로의 장점 • 가격이 저렴하다 • 대량생산 가능하기 때문 • 크기가 작다 : 소형화 • 소비전력이 줄어든다 • 시스템의 크기가 작다 • 수명이 길고 고장률이 낮다 → 신뢰도 상승 • 타 시스템과 연결이 쉽다 : 인터페이스 용이 제1장 디지털 개념

  23. 시스템 개념 비교 기능 기본적인 크기 비교기 A가 B보다 작으면(2<5), 출력 A<B에 HIGH가 나타남. 산술 기능 기본적인 가산기 A+B(3+9=12)

  24. 시스템 개념 인코딩과디코딩 기능 • 계산기의 키 입력을 계산 또는 저장에 사용할 수 있도록 이진 코드로 변환시키는 인코더 • 2진 코드를 10진수 판독을 위해 7-세그먼트 표시기로 변환시키는 디코더

  25. 시스템 개념 데이터 선택 기능 • 멀티플렉서(multiplexer, MUX) • 디멀티플렉서(demultiplexer, DEMUX)

  26. 시스템 개념 저장기능 • 플립플롭 : 한번에 1이나 0중 한 비트만 저장할 수 있는 쌍안정(두 개의 안정상태)논리 회로. • 레지스터 : 몇 개의 플립플롭을 결합하여 구성한 것. • 반도체 메모리 : ROM, RAM 등 • 자기 메모리 : HDD, FDD 등 4-비트 직렬 시프트 레지스터의 동작 4-비트 병렬 시프트 레지스터의 동작

  27. 시스템 개념 계수 기능 • 디지털 카운터(counter) • 레벨 변화나 펄스로 표현되는 사건의 수를 계수 기본적인 카운터의 동작

  28. 1-5 집적회로 집적회로 • 모노리딕 집적회로(monolithic IC) : 한 개의 작은 실리콘 칩(chip)에 구현된 전자회로. 이 회로는 트랜지스터, 다이오드, 저항, 캐패시터 등으로 구성 • IC 패키지 ; PCB(printed circuit board)에 장착되는 방법에 따라 분류 • 쓰루-홀(through-hole) 삽입형 : DIP 패키지; • 표면 실장(surface mount)형 : 표면 실장 기술(surface-mount technology;SMT) - SOIC(small-outline IC), PLCC(plastic leaded chip carrier), LCCC(leadless ceramic chip carrier), FP(flat pack) Pin 1 Dual in-line package Small outline IC (SOIC)

  29. 1-5 집적회로 핀번호 SOIC PLCC LCCC

  30. 1-5 집적회로 고기능 IC의 집적도 분류 • IC는 집적도에 따라 SSI(small-scale integration), MSI(medium-scale integration), VLSI(veri large-scale integration), ULSI(ultra large-scale integration)등으로 분류 • 모든 집적회로는 바이폴라 접합 트랜지스터(bipolar junction transistor)와 MOSFET(metal-oxide semiconductor field-effect transistor)에 의해 구현. • SSI(Small Scale Integration) : 하나의 칩에 최고 12개까지의 등가 게이트 회로가 포함한 회로이며, 기본 게이트와 플립플롭 등이 이에 속한다. • MSI(Medium Scale Integration) : 하나의 칩에 12~100개까지의 등가 게이트가 포함된 회로이며, 인코더, 디코더, 카운터, 레지스터, 멀티플렉서, 산술 회로, 소형 메모리 등이 이에 속한다. • LSI(Large Scale Integration) : 하나의 칩에 100~10,000개까지의 등가 게이트를 포함하는 복잡한 회로이며, 메모리 등이 이에 속한다. • VLSI(Very Large Scale Integration) : 하나의 칩에 10,000~100,000개까지의 등가 게이트를 가지는 복잡한 집적 회로이다. • ULSI(Ultra Scale Integration) : 대용량의 메모리, 복잡한 마이크로프로세서, 복잡한 단일 칩 컴퓨터 등과 같이 하나의 칩에 100,000개 이상의 등가 게이트를 가진 복잡한 집적 회로이다.

  31. 1-6 시험 및 계측장비 오실로스코프

  32. 시험 및 계측장비 오실로스코프

  33. 시험 및 계측장비 디지털 멀티미터(DMM) 0.01 V 범용의 계측 장비로서 전압, 전류와 저항을 측정

  34. 프로그램가능한논리소자 개요 프로그램가능한 논리소자의 종류 • 종류 : • PLD(programmable logic device) • FPGA (field-programmable gate array) • PLD:SPLD(simple PLD),CPLD(complex PLD) • SPLD : 몇 개의 SSI 혹은 MSI 대신 사용,PAL, GAL, PLA, PROM 등 • CPLD : SPLD보다 집적도가 높음 • FPGA : 가장 집적도가 높으며, 프로그램 가능한 상호 연결, 입/출력 블록으로 구성 (a) PAL (b) GAL

  35. 논리 설계 (Logical Level) 시스템 설계 (Register Level) 물리적 설계 (Process Level) 기구 설계 5 디지털 회로의 설계과정 회로 설계 (Circuit Level) 트랜지스터, 다이오드, 저항, 콘텐서 등의 부품 선정 논리 게이트를 작성하고 플립플롭 등의 부품을 선정 가산기, 멀티플렉서, 디코더, 계수기, 레지스터의 부품 선정 CPU, IOP, 기억장치, 입출력 장치 등의 부품을 선정 자료를 입력시키려면 기억, 제어, 연산을 거쳐 일련의 결과를 출력하는 프로세스를 설계하는 것을 의미 제1장 디지털 개념

  36. 6 디지털 시스템 응용 7 8 77 9 디코더 DISPLAY A 4 5 6 인코더 DISPLAY 7-세그먼트 1 2 3 . 770 0 # 코드 변환기 레지스터 입력장치(keypad) A A 비교기 A 제어밸브 A=B B 코드 변환기 카운터 디코더 Adder 센서 B B A c B 레지스터 Out B Conveyor sys MUX 디코더 DEMUX 770 레지스터 C C 원격지 DISPLAY 제1장 디지털 개념

  37. 1장 요약 • 디지털과 아날로그 양, 기본적인 차이점 • 디지털 양이 전압 레벨로 표현하는 방법 • 펄스 파형에 관련한 정의 • 기본적인 논리 연산자와 기본적인 논리연산 • 논리 기능 • 집적회로, 기본적인 패키지와형태 • 계측기, 고장진단을 위한 측정 방법 • 프로그램 가능한 논리소자

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