Bufor cyfrowy oddziela od siebie stopnie logiczne bez zmiany przesyłanej informacji, a jednocześnie zwiększa wydajność prądową sygnału. Dzięki temu słabe wyjście może sterować większą liczbą wejść lub bardziej wymagającym obciążeniem. Bufory stosuje się również do kontroli przepływu danych na magistralach. W tym poradniku wyjaśniamy ich działanie, podstawowe rodzaje oraz praktyczne zastosowania na PCB.
Bufor cyfrowy-Co to są bufory cyfrowe?
Symbol bufora cyfrowego.
Bufor cyfrowy jest elementem pośredniczącym między źródłem sygnału a obciążeniem. Jego wejście pobiera bardzo mały prąd, natomiast wyjście odtwarza odpowiadający mu stan logiczny i może dostarczyć lub odebrać większy prąd. Nie służy do odejmowania napięcia; zachowuje informację logiczną, ograniczając wpływ obciążenia na poprzedni stopień. W klasycznych układach logicznych poziomy te mogą odpowiadać napięciom 0V i 5V.
Przekaźnik jako przykład obciążenia wymagającego dodatkowego stopnia sterującego.
Bufor zapobiega nadmiernemu obciążeniu źródła sygnału. Lampy, przekaźniki i elektromagnesy zwykle wymagają jednak dodatkowego tranzystora mocy, ponieważ sama bramka logiczna nie powinna sterować nimi bezpośrednio. Bufory mogą także włączać i wyłączać transmisję danych w rejestrach, przerzutnikach i sterownikach magistrali. Na aktywnym wyjściu pojawia się stan wysoki lub niski zależny od wejścia.
Dlaczego powinniśmy używać bufora cyfrowego?
Bufor cyfrowy przekazuje stan logiczny między stopniami obwodu.
Bufor ma zwykle wysoką impedancję wejściową i niską impedancję wyjściową. Dzięki temu tylko nieznacznie obciąża źródło, a jednocześnie może skuteczniej sterować kolejnym stopniem. Zwiększona wydajność prądowa poprawia szybkość przełączania obciążeń pojemnościowych i umożliwia obsługę większej liczby wejść logicznych.
Bufor cyfrowy-Rodzaje buforów cyfrowych
Bufory cyfrowe można podzielić na układy ze stale aktywnym wyjściem oraz bufory trójstanowe, wyposażone w wejście zezwalające.
Pojedynczy bufor napięcia wejściowego
Bufor z pojedynczym wejściem przekazuje jeden sygnał na jedno wyjście. W wersji nieodwracającej zachowuje jego stan logiczny, natomiast wersja odwracająca działa zarazem jak inwerter.
Bufor cyfrowy-Bufor odwracający
Bufor odwracający ustawia na wyjściu stan przeciwny do wejściowego: dla wejścia wysokiego daje wyjście niskie i odwrotnie. Takie bramki stosuje się między innymi w automatach stanów, dekoderach i układach kształtowania sygnału.
Bufor nieodwracający
Bufor nieodwracający nie zmienia stanu logicznego. Gdy na wejściu występuje poziom HIGH, na wyjściu również pojawia się HIGH; dla poziomu LOW wyjście przyjmuje LOW. Różnica dotyczy przede wszystkim impedancji oraz dostępnego prądu wyjściowego.
Bufor cyfrowy-Trójstanowy bufor cyfrowy
Bufor trójstanowy ma dodatkowe wejście zezwalające, które elektronicznie dołącza lub odłącza wyjście. Zależnie od poziomu logicznego 0 albo 1 bufor pracuje normalnie lub przechodzi w stan, w którym nie wymusza żadnego poziomu na wspólnej linii.
Ten trzeci stan nazywa się wysoką impedancją, HIGH-Z lub HI-Z. Wyjście nie wymusza wtedy ani poziomu wysokiego, ani niskiego i zachowuje się w przybliżeniu jak odłączone od obwodu. Pozwala to wielu układom współdzielić jedną magistralę, o ile w danej chwili aktywny jest tylko właściwy nadajnik.
Poniżej opisujemy trzy często spotykane warianty buforów trójstanowych:
Aktywny wysoki bufor cyfrowy trójstanowy
W buforze aktywnym stanem wysokim podanie logicznej jedynki na pin enable uaktywnia wyjście i łączy tor sygnałowy wejścia z wyjściem.
Po podaniu logicznego zera na pin enable wyjście przechodzi w stan HI-Z i przestaje reagować na wejście. Nie należy utożsamiać tego poziomu logicznego z napięciem ujemnym.
Aktywny niski trójstanowy bufor cyfrowy
Bufor aktywny stanem niskim działa odwrotnie: logiczne zero na pinie enable uaktywnia tor, natomiast logiczna jedynka odłącza wyjście i przełącza je w stan HI-Z.
Bufor cyfrowy-Odwrócony trójstanowy bufor cyfrowy
Odwracający bufor trójstanowy po uaktywnieniu podaje na wyjście stan przeciwny do wejściowego. W przedstawionym wariancie wysoki poziom na pinie enable włącza bufor, natomiast niski przełącza jego wyjście w stan HI-Z.
Bufor cyfrowy-Jakie jest przeznaczenie bramki buforowej?
Symbol bramki buforowej.
Bramka buforowa zwiększa zdolność sygnału logicznego do sterowania obciążeniem i izoluje współpracujące stopnie. Jej symbol ma postać trójkąta bez kółka negacji na wyjściu. Istnieją również układy z wyjściem typu otwarty kolektor lub otwarty dren, lecz wymagają one rezystora podciągającego. Sygnał analogowy z czujnika można doprowadzić do wejścia cyfrowego dopiero po odpowiednim kondycjonowaniu i sprawdzeniu progów logicznych.
Jaka jest różnica między buforem a inwerterem
Przykład inwertera w układzie elektronicznym.
Inwerter odwraca stan logiczny: ustawia HIGH na wyjściu dla wejścia LOW oraz LOW dla wejścia HIGH. Bufor nieodwracający zachowuje stan wejściowy, a jego zadaniem jest przede wszystkim poprawa wydajności prądowej, odtworzenie poziomów logicznych i odseparowanie stopni.
Bufor cyfrowy-Zastosowania bufora cyfrowego
Obwody sterujące: bufory przekazują i rozdzielają sygnały logiczne w systemach transportowych, lotniczych i automatyce produkcyjnej.
Systemy sterowania metra wykorzystują liczne układy cyfrowe.
Obwody pomiaru temperatury: bufor cyfrowy może oddzielać część logiczną interfejsu czujnika w sterownikach kotłów i systemach lotniczych. Sam pomiar sygnału analogowego wymaga odpowiedniego toru pomiarowego.
Sterownik kotła może wykorzystywać bufor w cyfrowym torze pomiarowym.
Obwody tensometryczne: po wzmocnieniu i konwersji sygnału z mostka tensometrycznego bufory cyfrowe mogą przekazywać dane w systemach monitorujących skrzydła samolotów, mosty i belki konstrukcyjne.
Bufor może pracować w cyfrowej części systemu monitorowania konstrukcji.
Podsumowanie
Bufor cyfrowy pobiera niewielki prąd na wejściu, odtwarza stan logiczny i zapewnia na wyjściu większą zdolność sterowania obciążeniem. Izoluje dzięki temu poprzedni stopień od wpływu kolejnych układów. Wersje trójstanowe mogą dodatkowo odłączać wyjście, co umożliwia bezpieczne współdzielenie magistrali przez rejestry, pamięci i inne urządzenia cyfrowe.
Jeśli masz pytania dotyczące doboru bufora cyfrowego lub projektu płytki z układami logicznymi, skontaktuj się z nami.