Основы цифровой схемотехники. Система условных цифробуквенных обозначений ИМС логических элементов. Существует от аналитическ о го описания ЛЭ к его условному графическому обозначению либо к функци о нальной эквивалентной его схеме

„ ЦИФРОВАЯ СХЕМОТЕХНИКА ”

ХАРЬКОВ 2006

Предисловие

1 ЛОГИЧЕСКИЕ И СХЕМОТЕХНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЦИФРОВОЙ МИКРОСХЕМОТЕХНИКИ

1.2 Логические элементы

1.3 Основные законы алгебры логики

1.4 Дизъюнктивные нормальные формы

1.5 Минимизация логических функций

1.6 Синтез комбинационных логических схем

2 КОМБИНАЦИОННЫЕ СХЕМЫ

2.1 Основные положения

2.2 Дешифраторы

2.3 Шифраторы

2.4 Демультиплексоры

2.5 Мультиплексоры

2.6 Арифметические устройства

3 ТРИГГЕРНЫЕ УСТРОЙСТВА

3.1 Основные понятия

3.2 Асинхронный RS-триггер

3.3 Синхронные триггеры

4 РЕГИСТРЫ

4.1 Общие сведения о регистрах

4.2 Регистры памяти

4.3 Сдвигающие регистры

4.4 Реверсивные регистры

4.5 Универсальные регистры

5 СЧЕТЧИКИ

5.1 Общие сведения о счетчиках

5.2 Счетчики с последовательным переносом

5.3 Счетчики с параллельным переносом

5.4 Реверсивные счетчики

5.5 Счетчики с произвольным коэффициентом счета не равным 2n

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРИ

ПРЕДИСЛОВИЕ

Данное методическое пособие содержит информацию, которая обеспечивает изучение дисциплин:

- «Цифровая схемотехника» для студентов специальности 5.091504 (Обслуживание компьютерных и интеллектуальных систем и сетей);

- «Микросхемотехника» для студентов специальности 5.090805 (Конструирование, производство и техническое обслуживание изделий электронной техники);

- «Электронные приборы и микроэлектроника» для студентов специальности 5.090704 (Конструирование, производство и техническое обслуживание радиотехнических устройств).

Материал, который представлен в данной работе, предназначен для ознакомления студентов с основами современной цифровой микросхемотехники и включает основные виды цифровых устройств, которые широко используются и как самостоятельные изделия в виде микросхем малой и средней степени интеграции, и в составе микросхем высокой степени интеграции: микропроцессоров и микроконтроллеров.

Методическое пособие состоит из пяти разделов:

Логические и схемотехнические основы цифровой микросхемотехники,

Комбинационные схемы,

Триггерные устройства,

Регистры,

Счетчики.

Изложение материала построено таким образом, чтобы последовательно «от простого к сложному» представить основные теоретические принципы анализа и синтеза цифровых устройств. Каждый раздел содержит подразделы, в которых дается информация об условном графическом обозначении изучаемого устройства, приводится его таблица функционирования, функциональная или принципиальная схема и временные диаграммы работы там, где это требуется. Каждой из схем дается подробное описание логики ее работы с таким расчетом, чтобы каждый изучающий предмет освоил принципы анализа работы цифровых схем и приобрел необходимые навыки. Каждая из приведенных схем является типичной для данного устройства. При этом не исключается другая схемная реализация.

Основные понятия, определения, правила выделены «жирным» шрифтом, чтобы сделать освоение предмета более удобным и наглядным.

Учитывая, что изложение материала проводится в порядке возрастания сложности изучаемых цифровых устройств и при этом каждая последующая тема базируется на материале предыдущей, целесообразно пользоваться данным методическим пособием в той последовательности, в которой расположены соответствующие разделы.

Данное пособие полезно использовать не только при изучении теоретических основ цифровой микросхемотехники, но и при подготовке к выполнению лабораторных работ, целью которых является углубление знаний и приобретение практических навыков по сборке и отладке цифровых устройств. Пособием можно пользоваться для самостоятельного изучения, а также при курсовом и дипломном проектировании.

1 ЛОГИЧЕСКИЕ и схемотехнические ОСНОВЫ ЦИФРОВОЙ МИКРОСХЕМОТЕХНИКИ

1.1 Основные понятия алгебры логики

Логика - это наука о законах и формах мышления.

Математическая логика - наука о применении математических методов для решения логических задач.

Все цифровые вычислительные устройства построены на элементах, которые выполняют те или иные логические операции. Одни элементы обеспечивают переработку двоичных символов, представляющих цифровую или иную информацию, другие - коммутацию каналов, по которым передается информация, наконец, третьи - управление, активизируя различные действия и реализуя условия их выполнения.

Электрические сигналы, действующие на входах и выходах названных элементов, имеют, как правило, два различных уровня и, следовательно, могут быть представлены двоичными символами, например 1 или 0. Условимся обозначать свершение какого-либо события (например, наличие высокого уровня напряжения в какой-либо точке схемы) символом 1. Этот символ называют логической единицей. Отсутствие какого-либо события обозначим символом 0, называемым логическим нулем.

Таким образом, каждому сигналу на входе или выходе двоичного элемента ставится в соответствие логическая переменная, которая может принимать лишь два значения: состояние логической единицы (событие истинно) и состояние логического нуля (событие ложно). Эти переменные называют булевыми по имени английского математика Дж. Буля, который еще в девятнадцатом столетии разработал основные положения математической логики. Обозначим логическую переменную символом х.

Различные логические переменные могут быть связаны функциональными зависимостями. Например, выражение у = f (x1, х2) указывает на функциональную зависимость логической переменной у от логических переменных х1 и х2, называемых аргументами или входными переменными.

Любую логическую функцию всегда можно представить в виде совокупности простейших логических операций. К таким операциям относятся:

Отрицание (операция «НЕ»);

Логическое умножение (конъюнкция, операция «И»);

Логическое сложение (дизъюнкция, операция «ИЛИ»).

Отрицание (операция «НЕ») - это такая логическая связь между входной логической переменной х и выходной логической переменной у, при которой у истинно только тогда, когда х ложно, и, наоборот, у ложно только тогда, когда истинно х. Изобразим данную функциональную зависимость в виде таблицы 1.1, которая называется таблицей истинности.

Таблица истинности - это таблица, отображающая соответствие всех возможных комбинаций значений двоичных аргументов значениям логической функции.

Таблица 1.1- Таблица истинности операции «НЕ»

Логическая функция НЕ переменной у записывается как у =

Логическое умножение (конъюнкция, операция «И») - это такая функция, которая истинна только тогда, когда одновременно истинны все умножаемые переменные. Таблица истинности операции логического умножения соответствует таблице 1.2.

Таблица 1.2- Таблица истинности операции логического умножения

Операция «И» обозначается точкой ( ). Иногда точка подразумевается. Например, операция «И» между двумя переменными х1 и х2 обозначается как у = х1 х2.

Логическое сложение (дизъюнкция, операция «ИЛИ») – это такая функция, которая ложна только тогда, когда одновременно ложны все слагаемые переменные. Таблица истинности операции логического сложения соответствует таблице 1.3. Операция «ИЛИ» обозначается знаком V. Например, у = x1 V х2.

Таблица 1.3 - Таблица истинности операции логического сложения

Томский межвузовский центр дистанционного образования

А.В. Шарапов

МИКРОЭЛЕКТРОНИКА

ЦИФРОВАЯ СХЕМОТЕХНИКА

Учебное пособие

ТОМСК – 2007

Рецензент: зав. кафедрой промышленной и медицинской электроники Томского политехнического университета, д-р техн. наук, проф. Г.С. Евтушенко; начальник отдела ФГУП «НПЦ «Полюс», д-р техн. наук Ю.М. Казанцев

Корректор: Тарасова Л.К.

Шарапов А.В.

Микроэлектроника: Учебное пособие. - Томск: Томский межвузовский центр дистанционного образования, 2007. - 158 с.

Излагаются принципы построения и функционирования логических элементов, дешифраторов, мультиплексоров, сумматоров, цифровых компараторов, триггеров, счетчиков, регистров, микросхем памяти. Рассмотрены примеры синтеза цифровых устройств комбинационного типа и цифровых автоматов.

Пособие предназначено для студентов вузов радиоэлектронного профиля и содержит краткий конспект лекций, примеры решения задач и компьютерный лабораторный практикум по цифровой схемотехнике. Студенты дистанционной формы обучения выполняют две лабораторные работы, одну компьютерную контрольную работу и сдают компьютерный экзамен.

Шарапов А.В., 2007Томский межвузовский центр

дистанционного образования, 2007

1 ВВЕДЕНИЕ

Электроникой называют раздел науки и техники, занимающийся:

– исследованием физических явлений и разработкой приборов, действие которых основано на протекании электрического тока в твердом теле, вакууме или газе;

– изучением электрических свойств, характеристик и параметров названных приборов ;

– практическим применением этих приборов в различных устройствах и системах.

Первое из указанных направлений составляет область физической электроники . Второе и третье направления составляют областьтехнической электроники.

Схемотехника электронных устройств - это инженерное воплощение принципов электроники для практической реализации электронных схем, призванных выполнять конкретные функции генерирования, преобразования и хранения сигналов, несущих информацию в слаботочной электронике и функции преобразования энергии электрического тока в сильноточной электронике.

Исторически электроника явилась следствием возникновения и быстрого развития радиотехники . Радиотехнику определяют как область науки и техники, занимающуюся исследованиями, разработкой, изготовлением и применением устройств и систем, предназначенных для передачи информации по радиочастотным каналам связи.

В основе радиотехники лежат научные открытия XIX века: работы М. Фарадея (англ.), выяснившего закономерности взаимодействия электрического и магнитных полей; Дж. Максвелла (англ.), обобщившего элементарные законы электромагнетизма и создавшего систему уравнений, описывающих электромагнитное поле. Дж. Максвелл теоретически предсказал новый вид электромагнитных явлений - электромагнитные волны, распространяющиеся в пространстве со скоростью света. Г. Герц (нем.) экспериментально подтвердил существование электромагнитных волн.

Первый радиоприемник был изобретен, сконструирован и успешно испытан в 1895 г. А.С. Поповым (рус.). Годом позже радиосвязь осуществил Г. Маркони (итал.), запатентовавший свое изобретение и ставший Нобелевским лауреатом в 1909 году.

С этих пор развитие радиотехники определялось развитием

ее элементной базы, которая в основном определяется достижениями электроники. Интересно вкратце проследить за основными этапами развития ее элементной базы.

Простейший электронный прибор - вакуумный диод - был изобретен Т. Эдиссоном (амер.) в 1883 г., который вмонтировал металлический электрод в баллон электрической лампы накаливания и зарегистрировал ток одного направления во внешней цепи. В 1904 г. Дж. Флемминг (англ.) впервые применил вакуумный диод в качестве детектора в радиоприемнике. Усилительный электровакуумный прибор - триод - был изобретен Луи де Форестом (амер.) в 1906 г. С этих пор в течение первой четверти ХХ столетия в ряде научных лабораторий многих стран мира происходило медленное созревание технологий электровакуумных приборов. В России это направление возглавил руководитель нижегородской лаборатории М.А. Бонч-Бруевич. Уже в 1922 г. сотрудники этой лаборатории построили в Москве первую

в мире радиовещательную станцию им. Коминтерна мощностью 12 кВт. А к 1927 г. было построено 57 таких станций. В 1925 г. была создана генераторная лампа мощностью 100 кВт. В 1933 г. в России вступила в строй мощнейшая в мире (500 кВт) радиостанция. Первый телевизионный передатчик мощностью 15 кВт введен в строй в Москве в 1948 г. А.И. Берг в 1927–1929 гг. создал классическую теорию передатчиков. В.А. Котельниковым в период с 1933 по 1946 гг. доказана теорема квантования по времени, заложившая основу цифровых методов обработки сигналов, показана возможность радиосвязи на одной боковой полосе и опубликована теория потенциальной помехоустойчивости.

Период с 1920 по 1955 гг. был эрой ламповой электроники. Первый полупроводниковый триод - транзистор - создан

в 1948 г. Дж. Бардиным и У. Браттейном (амер.). С 1955 г. начинается эра полупроводниковой электроники. Первые интегральные схемы появились в 1960-е годы. Первый микропроцессор датируется 1971 г.

В 1998 году транзистор отметил свой полувековой юбилей:

в последний июньский день 1948 года американская фирма «Bell telephon laboratoris» продемонстрировала общественности только что изобретенный электронный прибор, о котором назавтра «НьюЙорк Таймс» сообщила буднично и без пафоса: «Рабочие элементы прибора состоят из двух тонких проволочек, прижатых к кусочку полупроводникового вещества... Вещество усиливает ток, подводимый к нему по одной проволочке, а другая проволочка отводит усиленный ток. Прибор под названием «транзистор» в некоторых случаях можно использовать вместо электронных ламп».

Да, именно так выглядел первый транзистор, и неудивительно, что даже специалисты не сразу смогли разглядеть его триумфальное будущее. А между тем представленный прибор мог усиливать и генерировать электрические сигналы, а также выполнять функцию ключа, по команде открывающего или запирающего электрическую цепь. И, что принципиально важно, все это осуществлялось внутри твердого кристалла, а не в вакууме, как это происходит в электронной лампе. Отсюда следовал целый набор потенциальных достоинств транзистора: малые габариты, механическая прочность, высокая надежность, принципиально неограниченная долговечность. Через три-четыре года, когда были разработаны значительно более совершенные конструкции транзисторов, все эти ожидаемые достоинства начали становиться реальностью.

Честь открытия транзисторного эффекта, за которое в 1956 году была присуждена Нобелевская премия по физике, принадлежит У. Шокли, Дж. Бардину, У. Браттейну. Характерно, что все трое были блистательными физиками, целенаправленно шедшими к этому открытию. Шокли, руководитель группы исследователей, еще в предвоенные годы читал лекции по квантовой теории полупроводников и подготовил фундаментальную монографию, которая надолго стала настольной книгой для специалистов в этой области. Высочайшая квалификация Бардина как физика-теоретика подтверждена не только изобретением транзистора и предсказанием ряда эффектов в поведении полупроводников, но и тем, что позднее, в 1972 году, совместно с двумя другими исследователями он был повторно удостоен Нобелевской премии - теперь за создание теории сверхпроводимости. Браттейн, самый старший в группе, к моменту изобретения

транзистора имел за плечами пятнадцатилетний опыт исследования поверхностных свойств полупроводников.

Хотя само открытие транзисторного эффекта явилось до некоторой степени счастливой случайностью (говоря сегодняшним языком, они пытались изготовить полевой транзистор, а изготовилибиполярный ), теоретическая подготовка исследователей позволила им практически мгновенно осознать открытое и предсказать целый ряд гораздо более совершенных устройств. Иными словами, создание транзистора оказалось под силу лишь физикам, которые по необходимости владели еще и минимумом изобретательских навыков.

У нас в стране транзистор был воспроизведен в 1949 году во фрязинской лаборатории, возглавляемой А.В. Красиловым, крупным ученым, обладающим широчайшей эрудицией.

Первые транзисторы изготавливались на основе полупроводника германия и допускали рабочую температуру лишь до 70 °С, а этого во многих прикладных задачах было недостаточно.

Во второй половине пятидесятых годов в развитии транзисторов произошел решающий качественный скачок: вместо германия стали использовать другой полупроводник - кремний. В итоге рабочая температура транзисторов выросла до 120–150 °С, при этом их характеристики сохраняли высокую стабильность, а срок службы приборов стал практически бесконечным. Но, пожалуй, главное заключалось в том, что в 1959 году американской фирмой «Firechild» применительно к кремнию была разработана так называемаяпланарная технология. Принципиальным здесь было то, что тончайшая пленка диоксида кремния, выращенная при высокой температуре на поверхности кристалла, надежно защищает кремний от агрессивных воздействий и является отличным изолятором. В этой пленке создают «окна», через которые, также при высокой температуре, в полупроводник вводят легирующие добавки, - так изготавливаются фрагменты будущего прибора. Затем на изолированную от объема поверхность напыляют тонкопленочные алюминиевые токоподводы к активным зонам - и транзистор готов. Особенностями процесса является то, что все воздействия на пластину осуществляются в одной плоскости и что обеспечивается одновременная обработка тысяч и миллионов

транзисторов на пластине, а это ведет к высочайшей степени воспроизводимости изделий и высокой производительности.

Методами планарной технологии легко обеспечить изоляцию транзисторов от подложки и друг от друга, а отсюда лишь шаг до создания интегральной схемы (микросхемы ), т. е. созда-

ния электронной схемы с активными и пассивными компонентами и их соединениями на едином кристалле в едином технологическом процессе. Этот шаг был сделан в том же 1959 году. Мир вступил в эру микроэлектроники .

Типичная микросхема представляет собой кремниевый кристаллик (чип), в приповерхностной области которого изготовлено множество транзисторов, соединенных между собой пленочными алюминиевыми дорожками в заданную электрическую схему. В первой микросхеме «множество» состояло всего лишь из 12 транзисторов, но уже через два года уровень интеграции превысил сто элементов на чипе, а к середине 60-х годов стали доминировать большие интегральные схемы (БИС), содержащие тысячи элементов, затем - сверхбольшие (СБИС) и т. д.

Микросхема обладает тем большей информационной мощностью, чем большее количество транзисторов она содержит, т. е. чем выше плотность интеграции (плотность упаковки активных элементов в кристалле). А она определяется минимальными размерами активного элемента и площадью кристалла, которые способна воспроизводить технология.

Изложенные в данном учебном пособии основы цифровой схемотехники формируют схемотехнические навыки построения цифровых устройств на базе интегральных микросхем. Изучается принцип работы простейших логических элементов и методы проектирования на их основе преобразователей кодов, сумматоров, цифровых коммутаторов, триггеров, регистров, счетчиков, микросхем памяти. Проверить работу многих устройств можно путем компьютерного моделирования с помощью пакета Electronics Workbench.

Рекомендуемый список литературы включает прежде всего справочники по цифровым интегральным микросхемам. Из других источников, используемых в данном учебном пособии, хочется отметить работы доцентов ТУСУРа Потехина В.А. и Шибаева А.А. , которым автор выражает искреннюю благодарность.

Я рассказывал о логических элементах – «кирпичиках» слагающих фундамент цифровой техники и об их назначениях. В этом посте я расскажу более подробно о применении цифровых микросхем содержащих логические элементы.

Простейшие схемы

Первая схема представляет собой простейший пробник для прозвонки электрических цепей. С помощью данного пробника можно определить надёжность электрического контакта, найти обрыв в цепи, проверить исправность резисторов и полупроводниковых диодов и транзисторов.

Схема пробника для прозвонки электрической цепи.

Опишем его работу. При разомкнутых щупах ХТ на входах логического элемента DD1 относительно общего провода устанавливается высокий логический уровень напряжения. Соответственно на выходе элемента DD1 будет низкий логический уровень, при этом светодиод VD1 не будет гореть. Если щупы замкнуть между собой, то на входе DD1 будет низкий логический уровень, а на выходе – высокий. Светящийся диод сообщит о том, что выходы замкнуты между собой. Таким образом, при подключении щупов к исправной цепи будет загораться светодиод, а если светодиод не горит – значит, в цепи имеется обрыв.

Следующая схема, представленная ниже, представляет собой логический пробник . Предназначенный он для определения логического уровня напряжения в электрических цепях цифровых устройств.

Схема логического пробника.

В исходном состоянии на входах логического элемента DD1 и выходе DD2 устанавливается высокий логический уровень, соответственно светодиод VD1 горит. При включении светодиодов в цепь с высоким логическим уровнем светодиод VD1 продолжает гореть, а когда на входе DD1 появится низкий логический уровень, то светодиод VD1 соответственно погаснет.

Дальнейшее повествование о применении цифровых микросхем не возможно без знания внутреннего устройства цифровых ТТЛ и КМОП микросхем и их передаточных характеристиках .

Внутреннее устройство цифровых микросхем ТТЛ

Все семейства цифровых микросхем, основываются на базовых логических элементах . Для всех микросхем семейства ТТЛ таким элементом является элемент 2И-НЕ , который имеет следующее внутреннее устройство. Ниже показано схема элемента 2И-НЕ и его переходная характеристика

Схема базового элемента ТТЛ 2И-НЕ и его переходная характеристика.

На входе элемента стоит многоэмиттерный транзистор VT1, затем усилительный каскад на транзисторе VT2 и двухтактный выходной каскада на транзисторах VT3, VT4.

Опишем работу логического элемента 2И-НЕ. В исходном состоянии входное напряжение не превышает 0,5 В, а эмиттерный переход транзистора VT1 открыт, данного напряжения не достаточно для перевода коллекторного перехода в открытое состояние, то же относится и к эмиттерным переходам транзисторов VT2, VT4. Поэтому данные транзисторы закрыты, а транзистор VT3 – открыт, напряжением, поступающим с R2. Диод VD3 оказывается открытым и на выходе элемента напряжение составляет примерно 3…4 В (точка А ). Когда начинается увеличиваться напряжение на эмиттерах VT1, то транзистор VT2 начинает открываться, а транзистор VT3 плавно закрываться (участок А – Б ). Дальнейшее увеличение напряжения на входном транзисторе приводит к тому, что транзистор VT2 ещё больше открывается, напряжение на R3 тоже возрастает и открывается транзистор VT4. В результате, эмиттерный переход транзистора VT4 шунтирует резистор R3, и транзистор VT2 резко открывается, а напряжение на выходе элемента уменьшается. В этот момент (участок Б – В ) все транзисторы открыты и находятся в активном режиме. Если продолжать увеличивать входное напряжение, то транзисторы VT2 и VT4 перейдут в режим насыщения (участок В – Г ), а транзистор VT3 закроется и значение выходного напряжения станет равным напряжению насыщения транзистора VT4, а ток будет ограничен резистором R4.

Участок Б – В переходной характеристики можно использовать для обработки аналоговых сигналов , в данном режиме переходная характеристика обладает высокой линейностью и максимальной потребляемой мощностью.

Внутреннее устройство цифровых микросхем КМОП

Так же как и в ТТЛ семействе, КМОП микросхемах базовым элементом является 2И-НЕ , внутреннее устройство которого показано ниже

Схема базового элемента КМОП 2И-НЕ и его переходная характеристика.

В данном логическом элементе работают комплементарные полевые транзисторы . Транзисторы с каналом р-типа (VT1, VT2) подключены к положительному проводнику источника питания, с каналом n-типа (VT3, VT4) соединены последовательно.

При входном напряжении 2 В и менее транзисторы VT1 и VT2 открыты, так как напряжение на участках затвор – исток (при напряжении питания 9 В) составляет не менее 7 В. Напряжение на таких же участках транзисторов VT3 и VT4 оказывается недостаточным для их открывания, поэтому на выходе элемента будет напряжение, почти равное напряжению питания, то есть около 9 В (точка А ). По мере увеличения входного напряжения транзисторы начинают открываться, а VT1 и VT2 закрываться. На участке А – Б этот процесс происходит сравнительно плавно, а на участке Б – В он ускоряется и наиболее линеен. В точке В транзисторы VT1 и VT2 почти полностью закрыты, а VT3 и VT4 открыты. Выходное напряжение в этом случае невелико и при дальнейшем увеличении входного напряжения до уровня источника питания оно стремиться к нулю (точка Г ).

Логический элемент в линейном режиме

Использование логических элементов цифровых микросхем для работы с аналоговыми сигналами возможно лишь в случае, если их режим выведен в линейный или близкий к нему. Так в линейном режиме ТТЛ элемент эквивалентен усилителю к коэффициентом усиления 10 … 15 (примерно 20 дБ), а элемент КМОП – усилителю с коэффициентом усиления 10 … 20 (20 … 26 дБ).

Вывод логического элемента в линейный режим: слева-направо током, напряжением, обратной связью.

Для вывода логического элемента на линейный участок применяют различные способы. Один из них основан на включении на входе элемента ТТЛ резистора R . Этот резистор вызовет ток, который будет протекать через эмиттерный переход входного транзистора элемента ТТЛ. Изменяя сопротивление внешнего резистора, можно изменять напряжение на выходе элемента, то есть изменять положение его рабочей точки на передаточной характеристике. Для элементов ТТЛ сопротивление такого внешнего резистора составляет от 1 кОм до 3 кОм. Однако такой способ не применим для КМОП микросхем , так как они работают без выходных токов (есть токи утечки, но они малы и нестабильны).

Второй способ вывода логического элемента на рабочий режим может быть подача на вход соответствующего напряжения , например с помощью резистивного делителя . Так, для элементов ТТЛ середина линейного участка передаточной характеристики соответствует входное напряжение 1,5…1,8 В , а для КМОП 3…6 В (при напряжении питания 9 В). Для разных логических элементов это напряжение не одинаково, поэтому его подбирают опытным путём. Номиналы входных резисторов выбирают таким образом, что бы входные токи элементов не влияли на напряжение, снимаемое с резистивного делителя.

Третий способ, является наиболее эффективным, для этого создают отрицательную обратную связь (ООС) по постоянному току между входом и выходом элемента, благодаря чему рабочая точка автоматически поддерживается на требуемом участке передаточной характеристики и не требуется тщательного подбора внешних резисторов. Этот способ реализуется для логических элементов с инверсией входного сигнала: НЕ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ.

Сопротивление резистора в цепи ООС выбирают исходя из обеспечения элементу необходимого входного тока. Для элементов КМОП оно составляет от нескольких килоом до десятков мегаом , а для ТТЛ – от десятков Ом до 1 кОм . Но применение ООС снижает коэффициент усиления элемента.

Усилители на логических элементах

Для использования логических элементов в качестве усилителей сигналов необходимо вывести рабочую точку на линейный участок передаточной характеристики. Основные характеристики таких усилителей приведены в таблице ниже.

Схема простейшего усилителя на элементе ТТЛ приведена ниже. Регулировка усилителя сводится к установке подстроечным резистором R1рабочей точки элемента на середине линейного участка передаточной характеристики.

Простейший усилитель на ТТЛ элементе

Недостатком простых усилителей является невысокое входное сопротивление , что ограничивает область их применения. К тому же коэффициент усиления небольшой. Устраняется данный недостаток использованием совместно с транзисторами. Коэффициент усиления повышается включением последовательно нескольких каскадов. Кроме того, цифровая микросхема содержит несколько идентичных элементов, это позволяет создавать многоканальные усилители. Примером может служить схема показанная ниже. Основные характеристики усилителя: коэффициент усиления – 50; выходное сопротивление 50 Ом, входное сопротивление 5 кОм, верхняя граничная частота 40 МГц.

Схема усилителя с транзистором на входе

Элементы КМОП также можно использовать для усилителей, схема одного из ни приведена ниже. Общий недостаток усилителей на элементах КМОП – высокое выходное сопротивление . Устранить его можно установкой на выходе логического элемента эмиттерного повторителя на транзисторе и включения его в цепь ООС.

Схемы усилителей на элементах КМОП.

Пороговые устройства на логических элементах

Пороговые устройства , называемые компараторами, предназначены для преобразования аналогового сигнала в цифровую информацию. Простейшим пороговым устройством является триггер Шмитта, который описан в этом . Кроме формирования импульсов и восстановлении цифровых сигналов, пороговые устройства применяют в аналогово – цифровых преобразователях, генераторах импульсов различной формы.

Схема порогового устройстван на логических элементах.

По большёму счёту логический элемент является сам пороговым устройствам, однако его передаточная характеристика не совсем линейна. Для повышения линейности передаточной характеристики логического элемента, его необходимо охватить положительной обратной связью (ПОС) по постоянному току через резистор R2. В таком случае он превращается в своеобразный триггер Шмитта с возможностью регулирования пороговых напряжений. Ширина петли гистерезиса (разность между пороговыми напряжениями) зависит от соотношения номиналов резисторов R1 и R2. От этих же резисторов зависит и чувствительность. При увеличении R2 и уменьшении R1 чувствительность повышается, а ширина петли гистерезиса уменьшается. Для микросхем ТТЛ сопротивление R1 = 0,1 … 2 кОм, а R2 = 2 … 10 кОм. Пороговые устройства на КМОП элементах отличаются высокой экономичностью, а недостатком является низкая чувствительность. Для КМОП микросхем R1 – несколько десятков килоом, а R2 – несколько сотен килоом.

Генераторы на логических элементах

Цифровые микросхемы нашли широкое применение в схемах различных генераторов с частотами от долей герца до десятков мегагерц и самой различной формой импульса. Вообще генераторы представляют собой усилительный каскад или несколько, который охвачен частотно-зависимой обратной связью . В качестве таких цепей используют RC-, LC-, RLC-цепи, а также пьезокерамические и кварцевые резонаторы.

Ниже показана схема генератора с RC частотно-зависимой цепью . Работа данного генератора связана с процессами зарядки-разрядки конденсатора С1 через резистор R1.

Схема RC-генератора

В данной схеме генератора через резистор R1 осуществляется ООС, которая выводит логический элемент в линейный режим, а через конденсатор С1 осуществляется частотно-зависимая ПОС. В таком генераторе используются как ТТЛ-элементы, так и КМОП. Сопротивление резистора R1 выбирается также как и для усилительного каскада с ООС, а емкость конденсатора – в зависимости от требуемой частоты колебаний. Частоту генерации можно определить по приближенной формуле

F \approx \frac{0,7}{RC}

При работе такой генератор вырабатывает прямоугольные импульсы со скважностью примерно равной 2. Максимальная частота генерации ограниченна величиной задержки переключения логических элементов, так для КМОП микросхем максимальная частота составляет 2 … 4 МГц , а для ТТЛ – несколько десятков МГц .

С помощью цифровых микросхем можно также получить генератор синусоидального сигнала , для этого в качестве частотно-задающей цепи необходимо использовать LC-контур . Схема такого генератора приведена ниже.

Схема LC-генератора

В качестве частотно-зависимой связи применяются как последовательный так и параллельный колебательный контур , но в любом случае частота колебаний будет соответствовать формуле Томпсона

F=\frac{1}{2 \pi \sqrt{LC}}

Сопротивление резистора R1 выбирается также как и для усилительного каскада .

Недостатком вышеописанных генераторов является невысокая стабильность генерируемой частоты. Для её повышения применяются пьезокерамические и кварцевые резонаторы, включая их в цепи обратной связи вместо конденсатора или колебательного контура.

Схема генератора с кварцевой стабилизацией частоты

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.

Изучение базовых элементов цифровой электроники мы начнем с наиболее простых, а затем будем рассматривать все более сложные. Примеры применения каждого следующего элемента будут опираться на все элементы, рассмотренные ранее. Таким образом, будут постепенно даны главные принципы построения довольно сложных цифровых устройств.

Логические элементы (или, как их еще называют, вентили, "gates") - это наиболее простые цифровые микросхемы. Именно в этой простоте и состоит их отличие от других микросхем. Как правило, в одном корпусе микросхемы может располагаться от одного до шести одинаковых логических элементов. Иногда в одном корпусе могут располагаться и разные логические элементы.

Обычно каждый логический элемент имеет несколько входов (от одного до двенадцати) и один выход. При этом связь между выходным сигналом и входными сигналами (таблица истинности) предельно проста. Каждой комбинации входных сигналов элемента соответствует уровень нуля или единицы на его выходе. Никакой внутренней памяти у логических элементов нет, поэтому они относятся к группе так называемых комбинационных микросхем. Но в отличие от более сложных комбинационных микросхем, рассматриваемых в следующей лекции, логические элементы имеют входы, которые не могут быть разделены на группы, различающиеся по выполняемым ими функциям.

Главные достоинства логических элементов, по сравнению с другими цифровыми микросхемами, - это их высокое быстродействие (малые времена задержек), а также малая потребляемая мощность (малый ток потребления). Поэтому в тех случаях, когда требуемую функцию можно реализовать исключительно на логических элементах, всегда имеет смысл проанализировать этот вариант. Недостаток же их состоит в том, что на их основе довольно трудно реализовать сколько-нибудь сложные функции. Поэтому чаще всего логические элементы используются только в качестве дополнения к более сложным, к более "умным" микросхемам. И любой разработчик обычно стремится использовать их как можно меньше и как можно реже. Существует даже мнение, что мастерство разработчика обратно пропорционально количеству используемых им логических элементов. Однако это верно далеко не всегда.

Инверторы

Самый простой логический элемент - это инвертор (логический элемент НЕ, "inverter"), уже упоминавшийся в первой лекции . Инвертор выполняет простейшую логическую функцию - инвертирование, то есть изменение уровня входного сигнала на противоположный. Он имеет всего один вход и один выход. Выход инвертора может быть типа 2С или типа ОК. На рис. 3.1 показаны условные обозначения инвертора, принятые у нас и за рубежом, а в табл. 3.1 представлена таблица истинности инвертора.

Рис. 3.1. Условные обозначения инверторов: зарубежные (слева) и отечественные (справа)

В одном корпусе микросхемы обычно бывает шесть инверторов. Отечественное обозначение микросхем инверторов - "ЛН". Примеры: КР1533ЛН1 (SN74ALS04) - шесть инверторов с выходом 2С, КР1533ЛН2 (SN74ALS05) - шесть инверторов с выходом ОК. Существуют также инверторы с выходом ОК и с повышенным выходным током (ЛН4), а также с повышенным выходным напряжением (ЛН3, ЛН5). Для инверторов с выходом ОК необходимо включение выходного нагрузочного резистора pull-up. Его минимальную величину можно рассчитать очень просто: R < U/I OL , где U - напряжение питания, к которому подключается резистор. Обычно величина резистора выбирается порядка сотен Ом - единиц кОм.

Две основные области применения инверторов - это изменение полярности сигнала и изменение полярности фронта сигнала (рис. 3.2) . То есть из положительного входного сигнала инвертор делает отрицательный выходной сигнал и наоборот, а из положительного фронта входного сигнала - отрицательный фронт выходного сигнала и наоборот. Еще одно важное применение инвертора - буферирование сигнала (с инверсией), то есть увеличение нагрузочной способности сигнала. Это бывает нужно в том случае, когда какой-то сигнал надо подать на много входов, а выходной ток источника сигнала недостаточен.

Рис. 3.2. Инверсия полярности сигнала и инверсия полярности фронта сигнала

Именно инвертор, как наиболее простой элемент, чаще других элементов используется в нестандартных включениях. Например, инверторы обычно применяются в схемах генераторов прямоугольных импульсов (рис. 3.3) , выходной сигнал которых периодически меняется с нулевого уровня на единичный и обратно. Все приведенные схемы, кроме схемы д, выполнены на элементах К155ЛН1, но могут быть реализованы и на инверторах других серий при соответствующем изменении номиналов резисторов. Например, для серии К555 номиналы резисторов увеличиваются примерно втрое. Схема д выполнена на элементах КР531ЛН1, так как она требует высокого быстродействия инверторов.

Рис. 3.3. Схемы генераторов импульсов на инверторах

Схемы а, б и в представляют собой обычные RC-генераторы, характеристики которых (выходную частоту, длительность импульса) можно рассчитать только приблизительно. Для схем а и б при указанных номиналах резистора и конденсатора частота генерации составит порядка 100 кГц, для схемы в - около 1 МГц. Эти схемы рекомендуется использовать только в тех случаях, когда частота не слишком важна, а важен сам факт генерации. Если же точное значение частоты принципиально, то рекомендуется применять схемы г и д, в которых частота выходного сигнала определяется только характеристиками кварцевого резонатора. Схема г используется для кварцевого резонатора, работающего на первой (основной) гармонике. Величину емкости можно оценить по формуле:

где F - частота генерации. Схема д применяется для гармониковых кварцевых резонаторов, которые работают на частоте, большей основной в 3, 5, 7 раз (это бывает нужно для частот генерации выше 20 МГц).

Рис. 3.4. Использование инверторов для задержки сигнала

Инверторы также применяются в тех случаях, когда необходимо получить задержку сигнала, правда, незначительную (от 5 до 100 нс). Для получения такой задержки последовательно включается нужное количество инверторов (рис. 3.4 , вверху). Суммарное время задержки, например, для четырех инверторов, можно оценить по формуле

tЗ = 2t PHL + 2t PLH

Правда, надо учитывать, что обычно реальные задержки элементов оказываются существенно ниже (иногда даже вдвое), чем табличные параметры t PHL и t PLH . То есть о точном значении получаемой задержки говорить не приходится, ее можно оценить только примерно.

Для задержки сигнала используются также конденсаторы (рис. 3.4, внизу) . При этом задержка возникает из-за медленного заряда и разряда конденсатора (напряжение на конденсаторе ­- UC). Схема без резистора (слева на рисунке) дает задержку около 100 нс. В схеме с резистором (справа на рисунке) номинал резистора должен быть порядка сотен Ом. Но при выборе таких схем с конденсаторами надо учитывать, что некоторые серии микросхем (например, КР1533) плохо работают с затянутыми фронтами входных сигналов. Кроме того, надо учитывать, что количество времязадающих конденсаторов в схеме обратно пропорционально уровню мастерства разработчика схемы.

Наконец, еще одно применение инверторов, но только с выходом ОК, состоит в построении на их основе так называемых элементов "Проводного ИЛИ". Для этого выходы нескольких инверторов с выходами ОК объединяются, и через резистор присоединяются к источнику питания (рис. 3.5) . Выходом схемы является объединенный выход всех элементов. Такая конструкция выполняет логическую функцию ИЛИ-НЕ, то есть на выходе будет сигнал логической единицы только при нулях на всех входах. Но о логических функциях подробнее будет рассказано далее.

Рис. 3.5. Объединение выходов инверторов с ОК для функции ИЛИ-НЕ

В заключение раздела надо отметить, что инверсия сигнала применяется и внутри более сложных логических элементов, а также внутри цифровых микросхем, выполняющих сложные функции.

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, которые будут рассмотрены в лекциях 5, 6.

Рис. 3.8. Объединение выходов буферов с ОК

Примером буферов с выходом ОК является микросхема ЛП17 (шесть буферов о 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.

Простейшим однонаправленным буфером без инверсии является микросхема ЛП8 (четыре буфера с выходами типа 3С и раздельным управлением). Каждый из четырех буферов имеет свой вход разрешения EZ. Таблица истинности буфера очень проста (табл. 3.2) : при нулевом сигнале на входе управления выход повторяет вход, а при единичном - выход отключен. Эту микросхему удобно применять для обработки одиночных сигналов, то есть для повторения входного сигнала с возможностью отключения выхода.

Рис. 3.9. Применение буфера с 3С в качестве буфера с ОК

Эти же буферы иногда удобно использовать для замещения буферов с выходом ОК (рис. 3.9) . В этом случае вход управления служит информационным входом. При нуле на входе мы получаем нуль на выходе, а при единице на входе - третье состояние на выходе.

Рис. 3.10. Мультиплексирование двух входных кодов с помощью буферов с 3С

Очень часто надо обрабатывать не одиночные сигналы, а группы сигналов, например, сигналы, передающие многоразрядные коды. В этом случае удобно применять буферы с групповым управлением, То есть имеющие один вход разрешения EZ для нескольких выходов. Примерами могут служить микросхемы ЛП11 (шесть буферов, разделенные на две группы: четыре и два буфера, для каждой из которых имеется свой вход управления) и АП5 (восемь буферов, разделенные на две группы по четыре буфера, каждая из которых имеет свой вход управления).

На рис. 3.10 показан пример мультиплексирования двух восьмиразрядных кодов с помощью двух микросхем АП5. Одноименные выходы обеих микросхем объединены между собой. Пропускание на выход каждого из двух входных кодов разрешается своим управляющим сигналом (Упр. 1 и Упр. 2), причем должен быть исключен одновременный приход этих двух сигналов, чтобы не было конфликтов на выходах.

Рис. 3.11. Включение двунаправленного буфера

Двунаправленные буферы, в отличие от однонаправленных, позволяют передавать сигналы в обоих направлениях. В зависимости от специального управляющего сигнала T (другое обозначение - BD), входы могут становиться выходами и наоборот: выходы - входами. Обязательно имеется и вход управления третьим состоянием EZ, который может отключить как входы, так и выходы.

На рис. 3.11 для примера показан двунаправленный буфер АП6, который может передавать данные между двумя двунаправленными шинами А и B в обоих направлениях. При единичном уровне на управляющем входе Т (сигнал Напр.) данные передаются из шины A в шину B, а при нулевом уровне - из шины B в шину A (табл. 3.3) . Единичный уровень на управляющем входе EZ (сигнал Откл.) отключает микросхему от обеих шин.

Двунаправленную передачу можно организовать и на основе однонаправленных буферов. На рис. 3.12 показано, как это можно сделать на двух микросхемах АП5. Здесь при нулевом сигнале Упр. 1 информация будет передаваться с шины А на шину В, а при нулевом сигнале на входе Упр. 2 - с шины В на шину А. Если оба входа Упр. 1 и Упр. 2 находятся в единичном состоянии, то шины A и В отключены друг от друга, а подача нулей на оба входа Упр. 1 и Упр. 2 должна быть исключена, иначе состояние обеих шин А и В будет не определено.

Рис. 3.12. Организация двунаправленной передачи с помощью однонаправленных буферов

Микросхемы буферов в отечественных сериях имеют разнообразные обозначения: ЛН, ЛП, АП, ИП, что порой затрудняет их выбор. Например, ЛН6, ЛП8, ЛП11, АП5, АП6, ИП5, ИП6. Буферы с буквами ЛН имеют инверсию, буферы АП и ИП могут быть с инверсией и без инверсии. Все параметры у буферов довольно близки, отличие - в инверсии, в количестве разрядов и в управляющих сигналах.

Временные параметры буферов включают помимо задержки сигнала от информационного входа до информационного выхода, также задержки перехода выхода в третье состояние и из третьего состояния в активное состояние (t PHZ , t PLZ и t PZH , t PZL). Величины этих задержек обычно примерно вдвое больше, чем величины задержек между информационным входом и выходом.

Отключаемый выход буферов (как ОК, так и 3С) требует применения нагрузочных резисторов. В противном случае вход, подключенный к отключенному выходу, оказывается подвешенным, в результате чего схема может работать неустойчиво, давать сбои. Подключение резистора в случае выхода ОК (pull-up) производится стандартным способом (см. рис. 3.8) . Точно так же может быть включен резистор между выходом 3С и напряжением питания (рис. 3.13) , тогда при отключенном выходе на вход будет поступать уровень логической единицы. Однако можно включить и резистор между выходом и землей, тогда при отключенном выходе на вход будет поступать сигнал логического нуля. Применяется также и включение двух резисторов (резистивного делителя), при этом величина верхнего резистора (присоединенного к шине питания) обычно выбирается в 2–3 раза меньше, чем нижнего резистора (присоединенного к "земле"), а величина параллельного соединенных двух резисторов выбирается равной примерно 100 Ом. Например, резисторы могут иметь номиналы 240 Ом и 120 Ом, 360 Ом и 130 Ом. Отключенный выход воспринимается в данном случае присоединенным к нему входом как единица.

Рис. 3.13. Включение резисторов на выходе буферов 3С

Иногда к выходам 3С резисторы не присоединяют вообще, но в этом случае надо обеспечить, чтобы последующий вход воспринимал сигнал с выхода 3С (то есть реагировал на него) только тогда, когда выход находится в активном состоянии. Иначе возможны сбои и отказы в работе устройства.

Рис. 3.14. Применение буферов для индикации

Еще одно типичное применение буферов, связанное с их большими выходными токами, - это светодиодная индикация. Светодиоды могут подключаться к выходу буферов двумя основными способами (рис. 3.14) . При первом из них (слева на рисунке) светодиод горит, когда на выходе 3С или 2С-сигнал логической единицы, а при втором (справа на рисунке) - когда на выходе ОК сигнал логического нуля. Величина резистора выбирается исходя из характеристик светодиода, но обычно составляет порядка 1 кОм.

Элементы И, И-НЕ, ИЛИ, ИЛИ-НЕ

Следующий шаг на пути усложнения компонентов цифровой электроники - это элементы, выполняющие простейшие логические функции. Объединяет все эти элементы то, что у них есть несколько равноправных входов (от 2 до 12) и один выход, сигнал на котором определяется комбинацией входных сигналов.

Самые распространенные логические функции - это И (в отечественной системе обозначений - ЛИ), И-НЕ (обозначается ЛА), ИЛИ (обозначается ЛЛ) и ИЛИ-НЕ (обозначается ЛЛ). Присутствие слова НЕ в названии элемента обозначает только одно - встроенную инверсию сигнала. В международной системе обозначений используются следующие сокращения: AND - функция И, NAND - функция И-НЕ, OR - функция ИЛИ, NOR - функция ИЛИ-НЕ.

Название самих функций И и ИЛИ говорит о том, при каком условии на входах появляется сигнал на выходе. При этом важно помнить, что речь в данном случае идет о положительной логике, о положительных, единичных сигналах на входах и на выходе.

Элемент И формирует на выходе единицу тогда и только тогда, если на всех его входах (и на первом, и на втором, и на третьем и т.д.) присутствуют единицы. Если речь идет об элементе И-НЕ, то на выходе формируется нуль, когда на всех входах - единицы (табл. 3.4) . Цифра перед названием функции говорит о количестве входов элемента. Например, 8И-НЕ - это восьмивходовой элемент И с инверсией на выходе.

Элемент ИЛИ формирует на выходе нуль тогда и только тогда, если на всех входах нуль. Элемент ИЛИ-НЕ дает на выходе нуль при наличии хотя бы на одном из входов единицы (табл. 3.4 ). Пример обозначения: 4ИЛИ-НЕ - четырехвходовой элемент ИЛИ с инверсией на выходе.

Рис. 3.15. Обозначения элементов И, И-НЕ, ИЛИ, ИЛИ-НЕ: зарубежные (слева) и отечественные (справа)

Отечественные и зарубежные обозначения на схемах двухвходовых элементов И, И-НЕ, ИЛИ, ИЛИ-НЕ показаны на рис. 3.15 . Все эти элементы бывают с выходами типа 2С, ОК и 3С. В последнем случае обязательно имеется вход разрешения –EZ.

Нетрудно заметить (см. табл. 3.4) , что в случае отрицательной логики, при нулевых входных и выходных сигналах, элемент И выполняет функцию ИЛИ, то есть на выходе будет нуль в случае, когда хотя бы на одном из входов нуль. А элемент ИЛИ при отрицательной логике выполняет функцию И, то есть на выходе будет нуль только тогда, когда на всех входах присутствуют нули. И так как в реальных электронных устройствах сигналы могут быть любой полярности (как положительные, так и отрицательные), то надо всегда очень аккуратно выбирать требуемый в каждом конкретном случае элемент. Особенно об этом важно помнить тогда, когда последовательно соединяются несколько разноименных логических элементов с инверсией и без нее для получения сложной функции.

Поэтому элементы И, И-НЕ, ИЛИ, ИЛИ-НЕ разработчику далеко не всегда удобно применять именно как выполняющие указанные в их названии логические функции. Иногда их удобнее использовать как элементы разрешения/запрещения или смешивания/совпадения. Но сначала мы рассмотрим случаи реализации именно логических функций на этих элементах.

На рис. 3.16 приведены примеры формирования элементами выходных сигналов на основании требуемых временных диаграмм входных и выходных сигналов. В случае а выходной сигнал должен быть равен единице при двух единичных входных сигналах, следовательно, достаточно элемента 2И. В случае б выходной сигнал должен быть равен нулю, когда хотя бы один из входных сигналов равен единице, следовательно, требуется элемент 2ИЛИ-НЕ. Наконец, в случае в выходной сигнал должен быть равен нулю при одновременном приходе единичного сигнала Вх. 1, нулевого сигнала Вх. 2 и единичного сигнала Вх. 3. Следовательно, требуется элемент 3И-НЕ, причем сигнал Вх. 2 надо предварительно проинвертировать.

Рис. 3.16. Примеры применения элементов И и ИЛИ

Любой из логических элементов рассматриваемой группы можно рассматривать как управляемый пропускатель входного сигнала (с инверсией или без нее).

Например, в случае элемента 2И-НЕ один из входов можно считать информационным, а другой - управляющим. В этом случае при единице на управляющем входе выходной сигнал будет равен проинвертированному входному сигналу, а при нуле на управляющем входе выходной сигнал будет постоянно равен единице, то есть прохождение входного сигнала будет запрещено. Элементы 2И-НЕ с выходом ОК часто используют именно в качестве управляемых буферов для работы на мультиплексированную или двунаправленную линию.

Точно так же в качестве элемента разрешения/запрещения могут применяться элементы И, ИЛИ, ИЛИ-НЕ (рис. 3.17) . Разница между элементами состоит только в полярности управляющего сигнала, в инверсии (или ее отсутствии) входного сигнала, а также в уровне выходного сигнала (нуль или единица) при запрещении прохождения входного сигнала.

Рис. 3.17. Разрешение/запрещение прохождения сигналов на элементах И, И-НЕ, ИЛИ, ИЛИ-НЕ

Рис. 3.18. Появление лишнего фронта при запрещении входного сигнала

При использовании элементов разрешения/запрещения могут возникнуть дополнительные проблемы в случае, когда сигнал с выхода элемента идет на вход, реагирующий на фронт сигнала. В момент перехода из состояния разрешения в состояние запрещения и из состояния запрещения в состояние разрешения в выходном сигнале может появиться дополнительный фронт, никак не связанный с входным сигналом (рис. 3.18). Чтобы этого не произошло, надо придерживаться следующего простого правила: если вход реагирует на положительный фронт, то в состоянии запрещения на выходе элемента должен быть нуль, и наоборот.

Иногда необходимо реализовать функцию смешивания двух сигналов той или иной полярности. То есть выходной сигнал должен вырабатываться как при приходе одного входного сигнала, так и при приходе другого входного сигнала. Если оба входных сигнала положительные и выходной сигнал положительный, то мы имеем в чистом виде функцию ИЛИ, и требуется элемент 2ИЛИ. Однако при отрицательных входных сигналах и отрицательном выходном сигнале для такого же смешивания понадобится уже элемент 2И. А если полярность входных сигналов не совпадает с нужной полярностью выходного сигнала, то нужны уже элементы с инверсией (И-НЕ при положительных выходных сигналах и ИЛИ-НЕ при отрицательных выходных сигналах). На рис. 3.19 показаны варианты смешивания на разных элементах.

Рис. 3.19. Реализация смешивания двух сигналов

Наконец, рассматриваемые элементы И, И-НЕ, ИЛИ, ИЛИ-НЕ иногда бывает удобно применять в качестве схем совпадения различных сигналов. То есть выходной сигнал должен вырабатываться тогда, когда сигналы на входах совпадают (приходят одновременно). Если же совпадения нет, то выходной сигнал должен отсутствовать. На рис. 3.20 показаны варианты таких схем совпадения на четырех разных элементах. Различаются они полярностями входных сигналов, а также наличием или отсутствием инверсии выходного сигнала.

Рис. 3.20. Схемы совпадения двух сигналов

Рассмотрим два примера совместного использования элементов И, И-НЕ, ИЛИ, ИЛИ-НЕ (рис. 3.21 ).

Рис. 3.21. Примеры совместного использования элементов

Пусть необходимо смешать два сигнала, каждый из которых может быть разрешен или запрещен. Пусть полярность входных сигналов и сигналов разрешения - положительная, а выходной сигнал должен быть отрицательным. В этом случае надо взять два двухвходовых элемента И и смешать их выходные сигналы с помощью двухвходового элемента ИЛИ-НЕ (а).

Пусть необходимо смешать два отрицательных сигнала и один положительный сигнал, причем результирующий сигнал может быть разрешен или запрещен. Полярность сигнала разрешения - отрицательная, полярность выходного сигнала - отрицательная. Для этого нужно взять трехвходовой элемент И, инвертор для отрицательного входного сигнала и двухвходовой элемент ИЛИ (б).

Элементы И, И-НЕ, ИЛИ, ИЛИ-НЕ могут использоваться также в качестве инверторов или повторителей (рис. 3.22) , для чего необходимо объединить входы или на неиспользуемые входы подать сигнал нужного уровня. Второе предпочтительнее, так как объединение входов не только увеличивает входной ток, но и несколько снижает быстродействие элементов.

Рис. 3.22. Инверторы и повторители

Рис. 3.23. Объединение по И входов микросхем

По функции И часто объединяются входы более сложных микросхем. Иначе говоря, какая-то функция выполняется только тогда, когда на все объединенные по И входы поступают сигналы нужной полярности. Чаще всего по И объединяются входы выбора микросхемы CS и входы управления третьим состоянием выхода микросхемы EZ. На рис. 3.23 показано три примера такого объединения по И. При этом надо учитывать, что на инверсные входы для выполнения функции должны поступать нулевые сигналы, а на прямые входы - единичные сигналы. Примерами могут служить микросхемы КР556РТ4, КР556РТ5, КР1533АП14, КР1533АП15.

До сих пор, рассматривая элементы И, И-НЕ, ИЛИ, ИЛИ-НЕ, мы не выходили за рамки первого уровня представления (логической модели). Это вполне допустимо в том случае, когда входные сигналы элементов не меняются одновременно или почти одновременно, когда их фронты разнесены во времени существенно (больше, чем на время задержки элемента). При одновременном изменении входных сигналов все будет гораздо сложнее необходимо привлекать второй и порой третий уровень представления. В момент изменения входных сигналов выходной сигнал становится неопределенным, нестабильным, непредсказуемым. В результате при неправильном проектировании может не работать вся сложная схема, целый прибор или даже большая система.

Например, возьмем логический элемент 2И-НЕ. Пусть на его входы приходят сигналы, изменяющиеся одновременно, причем в противофазе, то есть один переключается из нуля в единицу, а другой - из единицы в нуль. Пусть по тем или иным причинам (вследствие передачи по проводам, вследствие разных задержек элементов и т.д.) один из сигналов чуть-чуть сдвинулся во времени относительно другого (рис. 3.24) . При этом на двух входах в течение кратковременного периода будет присутствовать два единичных сигнала. В результате выход начнет переключаться из единицы в нуль. Он может успеть переключиться, и тогда сформируется короткий импульс. Он может не успеть переключиться, и тогда импульса не будет. Он может иногда успевать переключиться, а иногда не успевать, и тогда выходной импульс то будет появляться, то не будет. Здесь все зависит от быстродействия элемента и величины задержки. Последняя ситуация наиболее неприятна, так как может вызвать нестабильную неисправность, выявить которую крайне сложно.

Рис. 3.24. Короткий импульс на выходе элемента 2И-НЕ

В качестве примера возьмем одно из самых распространенных применений рассматриваемых элементов И, И-НЕ, ИЛИ, ИЛИ-НЕ - селектирование кодов. Суть селектирования сводится к следующему. Пусть имеется некоторая шина, по которой передаются коды. Необходимо выявить появление на этой шине какого-то определенного кода, то есть сформировать выходной сигнал, соответствующий требуемому входному коду.

Рис. 3.25. Селектирование кодов со стробированием

Схема, выполняющая такую функцию, довольно проста (рис. 3.25) . В ее основе - многовходовые элементы И-НЕ. При этом сигналы, соответствующие разрядам кода, на которых должны быть единицы, подаются непосредственно на входы элементов И-НЕ. А сигналы, соответствующие разрядам кода, на которых должны быть нули, подаются на входы элементов И-НЕ через инверторы. Выходные сигналы элементов И-НЕ объединяются с помощью элемента ИЛИ-НЕ. В результате на выходе элемента ИЛИ-НЕ формируется сигнал Вых. 1 в тот момент, когда на входе присутствует нужный код.

Подробнее о синхронизации будет рассказано в следующих лекциях.

Однако бывают случаи, когда указанная особенность элементов И, И-НЕ, ИЛИ, ИЛИ-НЕ формировать короткие импульсы при изменении входных сигналов оказывается очень полезной. Например, нам необходимо сформировать короткий импульс по положительному или отрицательному фронту имеющегося сигнала. Тогда этот сигнал инвертируют, специально задерживают с помощью цепочки элементов или емкости и подают исходный сигнал и задержанный сигнал на входы элемента (рис. 3.26) .

Рис. 3.26. Формирователи коротких импульсов по фронту входного сигнала

Импульс по положительному фронту входного сигнала формируется на элементе 2И или 2И-НЕ (а), а импульс по отрицательному фронту входного сигнала - на элементе 2ИЛИ или 2ИЛИ-НЕ (б). Если элемент с инверсией, то выходной импульс будет отрицательным, если без инверсии, то положительным. При указанной на схемах величине емкости длительность импульса получается около 50 нс. Для увеличения длительности импульса надо увеличивать величину емкости или же количество инверторов в цепи задержки (при этом коли­чество инверторов обязательно должно быть нечетным).

ЛЕКЦИИ

По дисциплине

"Организация и функционирование ЭВМ"

для учащихся

специальности 2-40 01 01«Программное обеспечение информационных технологий»

Ошмяны 2010 г.

АННОТАЦИЯ

На лекционный материал по дисциплине "Организация и функционирование ЭВМ" для учащихся специальности 2-40 01 01 «Программное обеспечение информационных технологий», разработанный преподавателем УО «Ошмянский государственный аграрно-экономический колледж» М.Г. Шаткевич.

Актуальность методического материала, его значение. Данный набор лекций представляет собой комплекс материалов, необходимых для качественной организации работы учащихся на практических занятиях по освоению дисциплины " Организация и функционирование ЭВМ" для учащихся специальности 2-40 01 01 «Программное обеспечение информационных технологий»,

Лекции разработаны в строгом соответствии с действующим в УО «Ошмянский государственный аграрно-экономический колледж» Положением об учебно-методических комплексах дисциплин. В состав комплекса вошли лекции по всем разделам дисциплины «Организация и функционирование ЭВМ».

Возможность практического применения. Комплекс лекций может быть рекомендован преподавателям при подготовке и проведении занятий по дисциплине "Организация и функционирование ЭВМ" для учащихся специальности 2-40 01 01 «Программное обеспечение информационных технологий», а также учащимся дневной формы обучения при самостоятельном изучении.

Заключение цикловой комиссии. Комплекс лекций рассмотрен на заседании цикловой комиссии юридических дисциплин и информационных технологий, рекомендован к внутриколледжскому использованию (протокол №___ от «____»______________________20___г.).

Введение. 4

Представление информации в ЭВМ... 5

Коды с выявлением ошибок. 9

Коды с исправлением ошибок. 10

Раздел 2. Алгебра логики и теоретические основы синтеза цифровых устройств . 11

Элементы математической логики. 11

Формы логических функций и их использование для синтеза логических схем.. 13

Логические элементы и схемы. Классификация логических устройств. 15

Методы минимизации логических функций. 17

Раздел 3. Синтез комбинационных схем .. 18

Этапы построения логической схемы.. 18

Мультиплексоры и демультиплексоры.. 20

Дешифраторы и шифраторы.. 22

Компараторы, сумматоры.. 24

Раздел 4. Триггерные элементы цифровых устройств . 25

Классификация триггеров и их общие характеристики. Асинхронный RS-триггер и его разновидности 25

Асинхронные триггеры с одним входом.. 27

Cинхронные триггеры.. 29

Раздел 5. Синтез цифровых автоматов . 31

Регистры. Регистр сдвига. 31

Счетчики по mod M. Реверсивные счетчики. Синтез последовательных схем.. 33

Раздел 6. Современное состояние и перспективы развития элементной базы и средств вычислительной техники . 35

Введение

Курс Организация и функционирование ЭВМ построен на фундаментальном утверждении о том, что: Компьютер можно рассматривать как иерархию структурных уровней организации.

Это утверждение в равной мере относится как к аппаратной организации, так и к структуре и организации программного обеспечения. На верхнем уровне иерархии находятся проблемно ориентированные программные средства, такие, как Mathcad (для решения математических задач), Visual Basic для офисных приложений, уровнем ниже расположены процедурно ориентированные языки (Си/Си++, Паскаль)..., самый нижний уровень это уровень физической реализации цифровых логических элементов.

Основная цель курса: знакомство с уровнем физической реализации и с некоторыми теоретическими основами, используемыми для описания нижних уровней организации:

ü принцип цифрового представления данных в технических устройствах;

ü основы алгебры логики и ее использование для описания функционирования цифровых устройств;

ü системы счисления;

ü некоторые основные понятия цифровой схемотехники: комбинационные логические устройства и устройства с памятью (триггеры, регистры, счетчики).

Значительная часть изучаемых вопросов носит прикладной характер, и существенно помогает в обоснованном выборе подходящих приемов в конкретных ситуациях, позволяя иной раз существенно повысить эксплуатационные характеристики программных модулей (уменьшить объем потребной памяти, либо время выполнения).

Целью преподавания дисциплины «Организация и функционирование ЭВМ» является изучение физических основ построения и функционирования современных средств вычислительной техники, принципов построения и работы элементов, узлов и устройств ЭВМ. Дисциплина включает сведения об арифметических, логических и схемотехнических основах построения ЭВМ и является базовой для последующего изучения дисциплины «Микропроцессорная техника».

Дисциплина базируется на знаниях, полученных учащимися при изучении дисциплин «Математика», «Информатика».

Для изучения учебного материала предусматриваются практические и лабораторные работы. Программа дисциплины рассчитана на 68 часов, из них 34 часа – лекции, 24 часа – практические занятия, 10 часов – лабораторные занятия.

Список литературы

1. Бабич Н. П., Жуков И. А. Компьютерная схемотехника. Методы построения и

2. проектирования: Учебное пособие. – К.: «МК-Пресс», 2004

3. Жмакин А. П. Архитектура ЭВМ. - СПб.: БХВ-Петербург, 2006

4. Лысиков Б.Г. Цифровая и вычислительная техника.- Мн.: УП Экоперспектива, 2002

5. Новиков Ю. В. Основы цифровой схемотехники. Базовые элементы и схемы. Методы проектирования. М.: Мир, 2001

6. Угрюмов Е.П. Цифровая схемотехника.- СПб.: БХВ-Петербург, 2004

7. Бойко В. И. Схемотехника электронных схем. Микропроцессоры и микроконтроллеры. - СПб.: БХВ-Петербург, 2004

8. Цилькер Б. Я., Орлов С.А. Организация ЭВМ и систем. – СПб.: Питер, 2004

9. Информатика: учебник/ Б.В. Соболь – Ростов н/Д: Феникс, 2006

Раздел 1. Математические основы цифровой схемотехники