Элементы схемотехники цифровых устройств обработки информации

Екатеринбург 2008

Введение

Электронные вычислительные машины выполняют арифметические и логические операции, при этом используется два класса переменных: числа и логические переменные.

Числа несут информацию о количественных характеристиках системы; над ними производятся арифметические действия.

Логические переменные  определяют состояние системы или принадлежность её к определённому классу состояний (коммутация каналов, управление работой ЭВМ по программе и т.п.).

Логические переменные могут принимать только два значения: истина и ложь. В устройствах цифровой обработки информации этим двум значениям переменных ставится в соответствие два уровня напряжения: высокий — (логическая «1») и низкий — (логический 0»). Однако в эти значения не вкладывается смысл количества.

Элементы, осуществляющие простейшие операции над такими двоичными сигналами, называют логическими. На основе логических элементов разрабатываются устройства, выполняющие и арифметические, и логические операции.

В настоящее время логические элементы (ЛЭ) выполняются с помощью различных технологий, которые определяют численные значения основных параметров ЛЭ и, как следствие, качественные показатели цифровых устройств обработки информации, разработанных на их основе. Поэтому в данном пособии схемотехнике и параметрам ЛЭ различных технологий уделено должное внимание.

1 Арифметические и логические основы ЭВМ

1.1  Арифметические  основы  ЭВМ

В настоящее время в обыденной жизни для кодирования числовой информации используется десятичная система счисления с основанием 10, в которой используется 10 элементов обозначения: числа 0, 1, 2, … 8, 9. В первом (младшем) разряде указывается число единиц, во втором — десятков, в третьем — сотен и т.д.; иными словами, в каждом следующем разряде вес разрядного коэффициента увеличивается в 10 раз.

В цифровых устройствах обработки информации используется двоичная система счисления с основанием 2, в которой используется два элемента обозначения: 0 и 1. Веса разрядов слева направо от младших разрядов к старшим увеличиваются в 2 раза, то есть имеют такую последовательность: 8421. В общем виде эта последовательность имеет вид:

…2^52^42^32^22^12^0,2-12-22-3…

и используется для перевода двоичного числа в десятичное. Например, двоичное число 101011 эквивалентно десятичному числу 43:

2^5·1+2^4·0+2^3·1+2^2·0+2^1·1+2^0·1=43

В цифровых устройствах используются специальные термины для обозначения различных по объёму единиц информации: бит, байт, килобайт, мегабайт и т.д.

Бит или двоичный разряд определяет значение одного какого-либо знака в двоичном числе. Например, двоичное число 101 имеет три бита или три разряда. Крайний справа разряд, с наименьшим весом, называется младшим, а крайний слева, с наибольшим весом, — старшим.

Байт определяет 8-разрядную единицу информацию, 1 байт=23 бит, например, 10110011 или 01010111 и т.д., 1 кбайт = 2^10 байт, 1 Мбайт = 2^10 кбайт = 2^20 байт.

Для представления многоразрядных чисел в двоичной системе счисления требуется большое число двоичных разрядов. Запись облегчается, если использовать шестнадцатеричную систему счисления.

Основанием шестнадцатеричной системы счисления является число 16=2^4, в которой используется 16 элементов обозначения: числа от 0 до 9 и буквы A, B, C, D, E, F. Для перевода двоичного  числа в шестнадцатеричное достаточно двоичное число разделить на четырёхбитовые группы: целую часть справа налево, дробную — слева направо от запятой. Крайние группы могут быть неполными.

Каждая двоичная группа представляется соответствующим шестнадцатеричным символом (таблица 1). Например, двоичное число 0101110000111001 в шестнадцатеричной системе выражается числом 5C39.

Пользователю наиболее удобна десятичная система счисления. Поэтому многие цифровые устройства, работая с двоичными числами, осуществляют приём и выдачу пользователю десятичных чисел. При этом применяется двоично-десятичный код.

Двоично-десятичный код образуется заменой каждой десятичной цифры числа четырёхразрядным двоичным представлением этой цифры в двоичном коде (См. таблицу 1). Например, число 15 представляется как 00010101 BCD (Binary Coded Decimal). При этом в каждом байте располагаются две десятичные цифры. Заметим, что двоично-десятичный код при таком преобразовании не является двоичным числом, эквивалентным десятичному числу.

1.2  Логические  основы  ЭВМ

Раздел математической логики, изучающий связи между логическими переменными, имеющими только два значения, называется алгеброй логики. Алгебра логики разработана английским математиком Дж. Булем и часто называется булевой алгеброй. Алгебра логики является теоретической базой для построения систем цифровой обработки информации. Вначале на основе законов алгебры логики разрабатывается логическое уравнение устройства, которое позволяет соединить логические элементы таким образом, чтобы схема выполняла заданную логическую функцию.

Таблица 1 – Коды чисел от 0 до 15

Десятичное число

Коды

Двоичный

16-ричный

Двоично-десятичный

0

0000

0

000

1

0001

1

0001

2

0010

2

0010

3

0011

3

0011

4

0100

4

0100

5

0101

5

0101

6

0110

6

0110

7

0111

7

0111

8

1000

8

1000

9

1001

9

1001

10

1010

A

00010000

11

1011

B

00010001

12

1100

C

00010010

13

1101

D

00010011

14

1110

E

00010100

15

1111

F

00010101

1.2.1 Основные положения алгебры логики

Различные логические переменные могут быть связаны функциональными зависимостями. Функциональные зависимости между логическими переменными могут быть описаны логическими формулами или таблицами истинности.

В общем виде логическая формула функции двух переменных записывается в виде: y=f(X_1, X_2), где X_1, X_2 — входные переменные.

В таблице истинности отображаются  все возможные сочетания (комбинации) входных переменных и соответствующие им значения функции y, получающиеся в результате выполнения какой-либо логической операции. При одной переменной полный набор состоит из четырёх функций, которые приведены в таблице 2.

Таблица 2 – Полный набор функций одной переменной

X

Y1

Y2

Y3

Y4

0

1

0

1

0

1

0

1

1

0

Y1 — Инверсия, Y2 — Тождественная функция, Y3 — Абсолютно истинная функция и Y4 – Абсолютно ложная функция.

Инверсия (отрицание) является одной из основных логических функций, используемых в устройствах цифровой обработки информации.

При двух переменных полный набор состоит из 16 функций, однако в цифровых устройствах используются далеко не все.

Основными логическими функциями двух переменных, используемыми в устройствах цифровой обработки информации являются: дизъюнкция (логическое сложение), конъюнкция (логическое умножение), сумма по модулю 2 (неравнозначность), стрелка Пирса и штрих Шеффера. Условные обозначения логических операций, реализующих указанные выше логические функции одной и двух переменных, приведены в таблице 3.

Таблица 3 Названия и обозначения логических операций

Операцию инверсии можно выполнить чисто арифметически:   и алгебраически:   Из этих выражений следует, что инверсия x, т.е.  дополняет x до 1. Отсюда и возникло ещё одно название этой операции — дополнение. Отсюда же можно сделать вывод, что двойная инверсия приводит к исходному аргументу, т.е.   и это называется законом двойного отрицания.

Таблица 4 – Таблицы истинности основных функций двух переменных

Дизъюнкция

Конъюнкция

Исключающее ИЛИ

Стрелка Пирса

Штрих Шеффера

X1

X2

Y

X1

X2

Y

X1

X2

Y

X1

X2

Y

X1

X2

Y

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

1

0

1

1

0

1

0

0

1

1

0

1

0

0

1

1

1

0

1

1

0

0

1

0

1

1

0

0

1

0

1

1

1

1

1

1

1

1

1

0

1

1

0

1

1

0

Дизъюнкция. В отличие от обычного арифметического или алгебраического суммирования здесь наличие двух единиц даёт в результате единицу. Поэтому при обозначении логического суммирования предпочтение следует отдать знаку (∨) вместо знака (+) [1].

Первые две строчки таблицы истинности операции дизъюнкции (x_1=0) определяют закон сложения с нулём: x ∨ 0 = x, а вторые две строчки (x_1 = 1) — закон сложения с единицей: x ∨ 1 = 1.

Конъюнкция. Таблица 4 убедительно показывает тождественность операций обычного и логическог  умножений. Поэтому в качестве знака логического умножения возможно использование привычного знака обычного умножения в виде точки [1].

Первые две строчки таблицы истинности операции конъюнкции определяют закон умножения на ноль: x·0 = 0, а вторые две — закон умножения на единицу: x·1 = x.

Исключающее ИЛИ. Под функцией «Исключающее ИЛИ» понимают следующее: единица на выходе появляется тогда, когда только на одном входе присутствует единица. Если единиц на входах две или больше, или если на всех входах нули, то на выходе будет нуль.

Надпись на обозначении элемента ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ «=1» (Рисунок 1, г) как раз и обозначает, что выделяется ситуация, когда на входах одна и только одна единица.

Эта операция аналогична операции арифметического суммирования, но, как и другие логические операции, без образования переноса. Поэтому она имеет другое название сумма по модулю 2 и обозначение ⊕, сходное с обозначением арифметического суммирования.

Стрелка Пирса и  штрих Шеффера. Эти операции являются инверсиями операций дизъюнкции и конъюнкции и специального обозначения не имеют.

Рассмотренные логические функции являются простыми или элементарными, так как значение их истинности не зависит от истинности других каких либо функций, а зависит только от независимых переменных, называемых аргументами.

В цифровых вычислительных устройствах используются сложные логические функции, которые разрабатываются на основе элементарных функций.

Сложной  является логическая функция, значение истинности которой зависит от истинности других функций. Эти функции являются аргументами данной сложной функции.

Например, в сложной логической функции   аргументами являются X_1∨X_2 и .

1.2.2 Логические элементы

Для реализации логических функций в устройствах цифровой обработки информации используются логические элементы. Условные графические обозначения (УГО) логических элементов, реализующих рассмотренные выше функции, приведены на рисунке 1.

Рисунок 1 – УГО логических элементов: а) Инвертор, б) ИЛИ, в) И, г) Исключающее ИЛИ, д) ИЛИ-НЕ, е) И-НЕ.

Сложные логические функции реализуются на основе простых логических элементов, путём их соответствующего соединения для реализации конкретной аналитической функции. Функциональная схема логического устройства, реализующего сложную функцию, , приведённую в предыдущем параграфе, приведена на рисунке 2.

Рисунок 2 – Пример реализации сложной логической функции

Как видно из рисунка 2, логическое уравнение показывает, из каких ЛЭ и какими соединениями можно создать заданное логическое устройство.

Поскольку логическое уравнение и функциональная схема имеют однозначное соответствие, то целесообразно упростить логическую функцию, используя законы алгебры логики и, следовательно, сократить количество или изменить номенклатуру ЛЭ при её реализации.

1.2.3 Законы и тождества алгебры логики

Математический аппарат алгебры логики позволяет преобразовать логическое выражение, заменив его равносильным с целью упрощения, сокращения числа элементов или замены элементной базы.

Законы:

1 Переместительный: X ∨ Y = Y ∨ X; X · Y = Y · X.

2 Cочетательный: X ∨ Y ∨ Z = (X ∨ Y) ∨ Z = X ∨(Y ∨ Z);  X · Y · Z = (X · Y) · Z = X· (Y· Z).

3 Идемпотентности: X ∨ X = X; X · X = X.

4 Распределительный: (X ∨ Y)· Z = X· Z ∨ Y· Z.

5 Двойное отрицание: .

6 Закон двойственности (Правило де Моргана):

Для преобразования структурных формул применяется ряд тождеств:

X ∨ X · Y = X; X(X ∨ Y) = X — Правила поглощения.

X· Y ∨ X·  = X, (X ∨ Y)·(X ∨ ) = X – Правила склеивания.

Правила старшинства логических операций.

1 Отрицание — логическое действие первой ступени.

2 Конъюнкция — логическое действие второй ступени.

3 Дизъюнкция — логическое действие третьей ступени.

Если в логическом выражении встречаются действия различных ступеней, то сначала выполняются первой ступени, затем второй и только после этого третьей ступени. Всякое отклонение от этого порядка должно быть обозначено скобками.

2 Основы синтеза цифровых устройств

2.1 Последовательность операций при синтезе цифровых устройств комбинационного типа

1 Составление таблицы истинности комбинационного цифрового устройства (КЦУ) согласно его определения, назначения, словесного описания принципа работы.

2 Составление логической формулы согласно таблицы истинности.

3 Анализ полученной формулы с целью построения различных вариантов и нахождения наилучшего из них по тем или иным критериям.

4 Составление функциональной схемы КЦУ из элементов И, ИЛИ, НЕ.

2.2 Аналитическая запись логической формулы КЦУ

Запись в форме СДНФ (Совершенная дизъюнктивная нормальная форма).

В СДНФ логическая формула представляет собой логическую сумму нескольких логических произведений, в каждое из которых входят все независимые переменные с отрицанием или без него.

Формула получается в два этапа:

а) Записывается логическая сумма произведений, в каждое из которых входят все независимые переменные. Количество слагаемых равно  числу наборов таблицы истинности, на которых логическая функция равна «1»;

б) ставится знак инверсии над теми независимыми переменными, которые равны «0» в рассматриваемом наборе.

Запись в форме СКНФ (Совершенная конъюнктивная нормальная форма).

В СКНФ формула представляет собой логическое произведение нескольких логических сумм, в каждую из которых все независимые переменные с отрицанием или без него.

Как и в предыдущем случае, формула получается в два этапа:

а) Записывается логическое произведение всех сомножителей; количество сомножителей равно числу наборов таблицы истинности, на которых логическая функция равна «0»;

б) ставится знак инверсии над теми независимыми переменными, которые равны «1» в рассматриваемом наборе.

Структурные формулы в виде СДНФ и СКНФ эквивалентны и, с помощью законов алгебры, логики могут быть преобразованы одна в другую.

Пример: Синтезировать мажоритарный логический элемент на три входа.

Мажоритарным называется логический элемент, выходное состояние которого совпадает с большинством входных сигналов.

На основании данного словесного описания мажоритарного элемента составлена его таблица истинности (Таблица 5).

Таблица 5 - Таблица истинности мажоритарного элемента

X1

X2

X3

Y

0

0

0

0

0

0

1

0

0

1

0

0

0

1

1

1

1

0

0

0

1

0

1

1

1

1

0

1

1

1

1

1

На основе таблицы истинности записывается СДНФ или СКНФ функции, а затем составляется функциональная схема элемента.

СДНФ:

СКНФ:

Рисунок 3 Функциональная схема мажоритарного элемента

Функциональная схема элемента, составленная на основе функции СДНФ мажоритарного элемента, приведена на рисунке 3. Схема  состоит из 8 элементов, имеющих общее количество входов 19. Количество входов характеризует сложность схемы и называется «Число по Квайну». Схема составленная на основе функции СКНФ, также будет иметь 19 входов.

2.3 Понятие базиса

Любая, сколь угодно сложная логическая функция, представленная таблицей истинности, может быть представлена в форме СДНФ или СКНФ. Каждая из этих формул записана с помощью логического сложения, умножения и отрицания. Поэтому для реализации логических устройств, предназначенных для обработки цифровых сигналов, в общем случае необходимо иметь элементы, выполняющие операции И, ИЛИ, НЕ. Такой набор элементов называется функционально полной системой логических элементов  или логическим базисом. Это означает, что из комбинации логических элементов И, ИЛИ, НЕ, взятых в достаточном количестве, можно построить сколь угодно сложное цифровое устройство. Базис из элементов: И, ИЛИ, НЕ называется основным.

Однако, число необходимых элементов в такой системе можно уменьшить, исключив из неё либо элемент ИЛИ, либо элемент И. Например, в соответствии с теоремой де Моргана, имеем . Отсюда следует, что операцию логического ИЛИ можно заменить операцией И над инверсными значениями переменных, , а затем к результату применить операцию инверсии   и тем самым исключить элемент ИЛИ (Рисунок 4).

Рисунок 4 Реализация элемента ИЛИ на элементах НЕ, И

Аналогично можно исключить элемент И, заменив его операцией логической суммы над инверсными значениями переменных с последующим применением операции инверсии  Следовательно, системы, состоящие из двух элементов(ИЛИ, НЕ либо И, НЕ), также являются функционально полными системами и содержат минимальный логический базис.

При схемной реализации функционально полных систем с минимальным логическим базисом идут по пути использования универсальных логических элементов: ИЛИ-НЕ, И-НЕ и И-ИЛИ-НЕ (Рисунок 5).

Рисунок 5 Универсальные логические элементы

Элемент ИЛИ-НЕ Рисунок 5,а) осуществляет логическую операцию , называемую также стрелкой Пирса. Элемент И-НЕ (Рисунок 5,б) осуществляет логическую операцию   и называется штрих Шеффера. Элемент И-ИЛИ-НЕ (Рисунок 5,в) осуществляет операцию   и является элементом сложного базиса.

Элементы универсальных базисов позволяют реализовать все три основные логические операции (Рисунок 6). Например, для осуществления операции НЕ с помощью элемента И-НЕ достаточно объединить входы   (рисунок 6,а). Аналогично и для элемента ИЛИ-НЕ.

Рисунок 6 Реализация функций НЕ, И и ИЛИ на элементах И-НЕ

При последовательном соединении элемента И-НЕ и инвертора осуществляется операция логического умножения:   (рисунок 6,б). Такое же соединение элементов ИЛИ-НЕ реализует операцию логического сложения:

Применение трёх элементов И-НЕ, два из которых работают в режиме инвертирования с объединёнными входами (рисунок 6,в), позволяют реализовать операцию логического сложения . Соединение трёх логических элементов ИЛИ-НЕ позволяет реализовать операцию логического умножения

В общем случае логическая функция Y может зависеть от нескольких переменных X_1,X_2,…,Xn. Говорят, что функция Y определена, если известны её значения для всех возможных наборов переменных. Функция Y не определена, когда некоторые сочетания переменных по условию задачи невозможны. В этом случае её можно доопределить, приписав ей значение «1» либо «0» по соображениям удобства реализации.

2.4 Минимизация логических формул

Однозначная зависимость сложности логической формулы и функциональной схемы логического устройства приводят к выводу   необходимости минимизации структурной формулы логического устройства. Минимизация осуществляется с использованием основных  соотношений, законов и теорем алгебры логики.

2.4.1 Расчётный метод минимизации

Применение этого метода состоит в последовательном применении к некоторой формуле законов и правил тождественных  преобразований алгебры логики. При этом широко используют следующие приёмы: прибавление одного или нескольких членов, входящих в СДНФ, поскольку X ∨ X ∨ X = X; выделение членов, содержащих множитель ; использование правила склеивания и др. Получающаяся в результате минимизации алгебраическая формула называется тупиковой. Функция может иметь несколько тупиковых форм.

Пример: Минимизировать функцию СДНФ мажоритарного элемента (См. п.2.2) и реализовать его схему на элементах основного базиса.

Склеивая первые три минтерма с четвёртым, получаем ДНФ функции мажоритарного элемента, которая проще СДНФ:

Y = X_1·X_2 ∨ X_1·X_3 ∨ X_2·X_3

Минимизированная функциональная схема мажоритарного элемента приведена на рисунке 7.

Рисунок 7 Функциональная схема мажоритарного элемента, реализованная на основе минимизированной функции ДНФ

Из сравнения схем, приведённых на рисунках 3 и 7 следует, что в минимизированной схеме число по Квайну уменьшилось с 19 до 9.

Метод минимизирующих карт Карно

Карты Карно — это графическое представление таблиц истинности логических функций. Они содержат по 2n ячеек, где n — число логических переменных. Например, карта Карно для функции трёх переменных содержит 2n=2^3=8 ячеек, для четырёх переменных — 2^4=16 ячеек.

Карта размечается системой координат, соответствующих значениям входных переменных. Обратим особое внимание на то, что координаты столбцов (а также и строк, если n>3), следуют не в естественном порядке возрастания двоичных кодов, а так: 00 01 11 10. Это делается для того, чтобы соседние наборы (в том числе и столбцов 1 и 4) отличались лишь одной цифрой в каком-либо разряде.

Процесс минимизации заключается в формировании правильных прямоугольников, содержащих по 2k ячеек, где k — целое число. В прямоугольники объединяются соседние ячейки, которые соответствуют соседним элементарным произведениям (т. е. отличаются только в одном разряде).

Несмотря на то, что карты Карно изображаются на плоскости, соседство квадратов устанавливается на поверхности тора. Верхняя и нижняя границы карты как бы склеиваются, образуя поверхность цилиндра. При склеивании боковых границ получается поверхность тора.

Пример: Минимизировать функцию трёх переменных, заданную таблицей истинности (таблица 6).

Таблица 6 Таблица истинности функции трёх переменных

X1

X2

X3

Y

0

0

0

0

0

0

1

1

0

1

0

0

0

1

1

1

1

0

0

0

1

0

1

1

1

1

0

0

1

1

1

0

СДНФ функции:

Составляем карту Карно и производим разметку её сторон:

Рисунок 8 Карта Карно функции 3-х переменных.

На карте Карно формируем два прямоугольника. Первый из них объединяет (как бы заключает в скобки) два первых минтерма (слагаемых), а второй — первое и третье слагаемые СДНФ минимизируемой функции, приведённой выше. Минтермы, объединённые в прямоугольники, отличаются только в одном разряде. Их неизменяемая часть, которая при минимизации расчётным методом выносится за скобки, и является минимизированным значением функции:

Таким образом, карта Карно позволяет поместить рядом, то есть в соседних ячейках, соседние элементарные произведения, отличающиеся только одним сомножителем.

Последовательность действий при минимизации:

1 Изображается карта Карно и производится разметка её сторон.

2 Ячейки карты Карно, соответствующие наборам переменных, обращающих функцию в «1», заполняются единицами, остальные — нулями.

3 Выбирается наилучшее покрытие карты прямоугольниками. Наилучшим считается покрытие, образованное минимальным числом прямоугольников, а если таких вариантов несколько, то выбирается тот, который даёт максимальную площадь прямоугольников.

Пример: Минимизировать функцию четырёх переменных, представленную картой Карно: (Рисунок 9).

Рисунок 9 Карта Карно функции 4-х переменных

Из карты Карно записываем минимизированное значение функции:

2.4.2 Минимизация неопределённых логических функций

Если функция имеет запрещённые наборы входных переменных, при которых функция может иметь произвольное значение (0 либо 1), то такая функция называется неопределённой. Для удобства минимизации её следует доопределить, то есть неопределённые значения карты Карно произвольным образом заменить «1» либо «0». Если функция имеет m запрещённых наборов, то может быть 2m вариантов доопределения. Следует выбрать тот вариант, при котором минимизированная функция будет более простой.

2.5 Запись структурных формул в универсальных базисах

Запись в базисе И-НЕ производится в два этапа:

а) Логическая формула, минимизированная в основном базисе, представляется в форме ДНФ.

б) Над правой частью полученной формулы ставится два знака инверсии   и с помощью формул де Моргана осуществляется переход в базис И-НЕ.

Пример. Записать в базисе И-НЕ минимизированную функцию мажоритарного логического элемента:также производится в два этапа:

Запись в базисе ИЛИ-НЕ

а) Логическая функция, минимизированная в основном базисе, представляется в форме КНФ.

б) Над правой частью полученной формулы ставятся два знака инверсии, и с помощью формул де Моргана производится переход в базис ИЛИ-НЕ.

Пример:

Запись в базисе И-ИЛИ-НЕ производится также в два этапа:

а) Логическая формула для инверсного значения функции   минимизируется в основном базисе и представляется в форме ДНФ.

б) Для перехода к базису И-ИЛИ-НЕ над обеими частями формулы ставится один знак инверсии, и с помощью формул де Моргана производится переход в базис И-ИЛИ-НЕ.

3 Логические элементы

3.1 Основные параметры логических элементов

— Коэффициент объединения по входу Коб — число входов, с помощью которых реализуется логическая функция.

— Коэффициент разветвления по выходу Краз показывает, какое число логических входов устройств этой же серии может быть одновременно присоединено к выходу данного логического элемента.

— Быстродействие характеризуется временем задержки распространения сигналов через ЛЭ и определяется из графиков зависимости от времени входного и выходного сигналов (Рисунок 10). Различают время  задержки распространения сигнала при включенииЛЭ t1,0зд.р, время задержки сигнала при выключении t0,1зд.р и среднее время задержки распространения t1,0зд.р ср.

Рисунок 10 К определению времени задержки распространения сигнала ЛЭ

Средним временем задержки распространения сигнала называют интервал времени, равный полусумме времён задержки распространения сигнала при включении и выключении логического элемента:

tзд.р ср = (t1,0зд.р + t0,1зд.р)/2

— Напряжение высокого U^1 и низкого U^0 уровней (входные U^1вх и выходные U^0вых) и их допустимая нестабильность. Под U^1 и U^0 понимают номинальные значения напряжений «Лог.1» и «Лог.0»; нестабильность выражается в относительных единицах или в процентах.

— Пороговые напряжения высокого U^1пор  и низкого U^0пор уровней. Под пороговым напряжением понимают наименьшее (U^1пор) или наибольшее (U^0пор) значение соответствующих уровней, при котором начинается переход логического элемента в другое состояние. Эти параметры определяются с учётом разброса параметров соответствующей серии в рабочем диапазоне температур; в справочниках часто приводится одно усреднённое значение UПОР.

— Входные токи I^0вх, I^1вх соответственно при входных напряжениях низкого и высокого уровней.

— Помехоустойчивость. Статическая помехоустойчивость оценивается по передаточным характеристикам логического элемента как минимальная разность между значениями выходного и входного сигналов относительно порогового значения с учётом разброса параметров в диапазоне рабочих температур:

U-ПОМ = U^1вых.min – UПОР

U+ПОМ = UПОР – U^0вых.min

В справочных данных обычно приводится одно допустимое значение помехи, которое не переключает ЛЭ при допустимых условиях эксплуатации.

— Потребляемая мощность Pпот или ток потребления Iпот.

— Энергия переключения — работа, затрачиваемая на выполнение единичного переключения. Это интегральный параметр, используемый для сравнения между собой микросхем различных серий и технологий. Он находится как произведение потребляемой мощности  и среднего времени задержки распространения сигнала.

3.2 Транзисторно-транзисторная логика

Элементы транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) составляют базу микросхем среднего и высокого быстродействия. Разработано и используется несколько вариантов схем, имеющих различные параметры.

Рисунок 11 Логические элементы И-НЕ с простым а) и сложным б) инвертором

3.2.1 ТТЛ элемент И-НЕ с простым инвертором

В состав такого элемента входит многоэмиттерный транзистор VT1 (рисунок 11,а), осуществляющий логическую операцию И и транзистор VT2, реализующий операцию НЕ.

Многоэмиттерный транзистор (МЭТ) является основой ТТЛ. При наличии на входах схемы  т.е. эмиттерах МЭТ сигнала U^0=UКЭ.нас эмиттерные переходы смещены в прямом направлении и через VT1 протекает значительный базовый ток IБ_1=(E–UБЭ.нас–UКЭ.нас)/RБ, достаточный для того, чтобы транзистор находился в режиме насыщения. При этом напряжение коллектор-эмиттер VT_1 UКЭ.нас=0,2 В. Напряжение на базе транзистора VT2, равное U^0+UКЭ.нас=2UКЭ.нас<UБЭ.нас и транзистор VT2 закрыт. Напряжение на выходе схемы соответствует уровню логической «1». В таком состоянии схема будет находиться, пока хотя бы на одном из входов сигнал равен U^0.

Если входное напряжение повышать от уровня U^0 на всех входах одновременно, или на одном из входов при условии, что на остальные входы подан сигнал логической «1», то входное напряжение на базе повышается и при Uб=Uвх+UКЭ.нас=UБЭ.нас и транзистор VT2 откроется. В результате увеличится ток базы VT2, который будет протекать от источника питания через резистор Rб и коллекторный переход VT1, и транзистор VT2 перейдёт в режим насыщения. Дальнейшее повышение UВХ приведёт к запиранию эмиттерных переходов транзистора VT1, и в результате он перейдёт в режим, при котором коллекторный переход смещён в прямом направлении, а эмиттерные — в обратном (Инверсный режим включения). Напряжение на выходе схемы UВЫХ=UКЭ.нас=U^0 (транзистор VT2 в насыщении).

Таким образом, рассмотренный элемент осуществляет логическую операцию И-НЕ.

Простейшая схема элемента ТТЛ имеет ряд недостатков. При последовательном включении таких элементов, когда к выходу элемента подключаются эмиттеры других таких же элементов, ток, потребляемый от ЛЭ, увеличивается, уменьшается напряжение высокого уровня (лог. «1»). Поэтому элемент обладает низкой нагрузочной способностью. Это обусловлено наличием больших эмиттерных токов многоэмиттерного транзистора в инверсном режиме, которые потребляются от ЛЭ транзисторами-нагрузками.

Кроме того, эта схема имеет малую помехоустойчивость по отношению к уровню положительной помехи: U+ПОМ=UБЭ.нас–U^0=UБЭ.нас–2UКЭ.нас. Для устранения указанных недостатков используют схемы ТТЛ со сложным инвертором (Рисунок 11,б).

3.2.2 ТТЛ элемент со сложным инвертором

Схема ТТЛ со сложным инвертором (рисунок 11,б) также, как и схема с простым инвертором, осуществляет логическую операцию И-НЕ. При наличии на входах напряжения лог. «0» многоэмиттерный транзистор VT1 находится в режиме насыщения, а транзистор VT2 закрыт. Следовательно, закрыт и транзистор VT4, поскольку ток через резистор R4 не протекает и напряжение на базе VT4 Uбэ_4="0". Транзистор VT3 открыт, так как его база подключена к источнику питания E через резистор R2. Сопротивление резистора R3 невелико, поэтому VT3 работает как эмиттерный повторитель. Через транзистор VT3 и открытый диод VD протекает ток нагрузки логического элемента и выходное напряжение, соответствующее уровню лог. «1», равно напряжению питания за минусом падения напряжения UБЭ.нас, падения напряжения на открытом диоде Uд=UБЭ.нас и небольшого падения напряжения на сопротивлении R_2 от тока базы VT2: U¹=E–2UКЭ.нас – R_2IБ_2 = Un–2UБЭ.нас.

Рассмотренному режиму соответствует участок 1 передаточной характеристики логического элемента ТТЛ (рисунок 12.а)

Рисунок 12 Характеристики базового ЛЭ серии 155:

а – передаточная, б – входная.

При увеличении напряжения на всех входах потенциал базы VT2 возрастает и при UВХ=U^0пор транзистор VT2 открывается, начинает протекать коллекторный ток IK_2 через резисторы R2 и R4. В результате базовый ток VT3 уменьшается, падение напряжения на нём увеличивается и выходное напряжение снижается (участок 2 на рисунке 12). Пока на резисторе R4падение напряжения UR_4<UБЭ.нас  транзистор VT4 закрыт. Когда UВХ=U¹пор=2UБЭ.нас–UКЭ.нас открывается транзистор VT4. Дальнейшее увеличение входного напряжения приводит к насыщению VT2 и VT4 и переходу VT1 в инверсный режим (участок 3 на рисунке 12). При этом потенциал точки «а» (см. рисунок 11,б) равен Ua=UБЭ.нас+UКЭ.нас, а точки «б» — Uб=UКЭ.нас, следовательно, Uаб=Uа–Uб=UБЭ.нас. Для отпирания транзистора VT3 и диода VD1 требуется Uаб≥2UБЭ.нас. Так как это условие не выполняется, то VT3 и VD1 оказываются закрытыми и напряжение на входе схемы равно UКЭ.нас=U^0 (участок 4 на рисунке 12).

При переключении имеются промежутки времени, когда оба транзистора VT3 и VT4 открыты и возникают броски тока. Для ограничения амплитуды этого тока в схему включают резистор с небольшим сопротивлением (R_3=100–160 Ом).

При отрицательном напряжении на эмиттерах МЭТ большем 2 В развивается туннельный пробой и входной ток резко увеличивается. Для защиты ЛЭ от воздействия отрицательной помехи в схему введены диоды VD2, VD3, которые ограничивают её на уровне 0,5–0,6В.

При положительном напряжении больше (4–4,5) В входной ток также увеличивается, поэтому для подачи на входы ЛЭ лог. «1» нельзя подключать входы к напряжению питания +5 В.

При практическом применении ЛЭ ТТЛ неиспользованные входы можно оставлять свободными. Однако при этом снижается помехоустойчивость из-за воздействия наводок на свободные выводы. Поэтому их обычно или объединяют между собой, если это не ведёт к превышению для предшествующего ЛЭ, или подключают к источнику питания +5 В через резистор R=1 кОм, ограничивающий входной ток. К каждому резистору можно подключать до 20 входов. Таким методом уровень лог. «1» создаётся искусственно.

Помехоустойчивость элемента ТТЛ со сложным инвертором:

U+пом = U^1пор – U^0 = 2UБЭ.нас – 2UКЭ.нас

U–пом = U^1 – U^1пор = E – 4UБЭ.нас + UКЭ.нас

Быстродействие элементов ТТЛ, определяемое временем задержки распространения сигнала при включении t1,0зад.р и выключении t0,1зад.р, зависит от длительности процессов накопления и рассасывания неосновных носителей в базах транзисторов, перезарядки емкостей коллекторных СК и эмиттерных СЭ ёмкостей переходов. Поскольку при работе элемента ТТЛ открытые транзисторы находятся в состоянии насыщения, то существенный вклад в увеличение инерционности ТТЛ вносит время рассасывания неосновных носителей при запирании транзисторов.

Элементы ТТЛ со сложным инвертором имеют большой логический перепад, малую потребляемую мощность, высокое быстродействие и помехоустойчивость. Типичные значения параметров ТТЛ следующие: Uпит=5 В; U^1≥2,8 В; U^0≤0,5 В; tзд.ср=10…20 нс; Pпот.ср=10…20 мВт; Kраз=10.

При практическом применении ЛЭ ТТЛ неиспользованные входы можно оставлять свободными. Однако при этом снижается помехоустойчивость из-за воздействия наводок на свободные выводы. Поэтому их обычно или объединяют между собой, если это не ведёт к превышению для предшествующего ЛЭ, или подключают к источнику питания +5 В через резистор R=1 кОм, ограничивающий входной ток. К каждому резистору можно подключать до 20 входов.

3.2.3 Элементы ТТЛШ

С целью увеличения быстродействия элементов ТТЛ, в элементах ТТЛШ используются транзисторы Шотки, представляющие собой сочетание обычного транзистора и диода Шотки, включённого между базой и коллектором транзистора. Поскольку падение напряжения на диоде Шотки в открытом состоянии меньше, чем на обычном p-n-переходе, то большая часть входного тока протекает через диод и только его малая доля втекает в базу. Поэтому транзистор не входит в режим глубокого насыщения.

Следовательно, накопление носителей в базе из-за их инжекции через коллекторный переход практически не происходит. В связи с этим имеет место увеличение быстродействия транзисторного ключа с барьером Шотки в результате уменьшения времени нарастания тока коллектора при включении и времени рассасывания при выключении.

Среднее время задержки распространения сигнала элементов ТТЛ с диодами Шотки (ТТЛШ) примерно в два раза меньше по сравнению с аналогичными элементами ТТЛ. Недостатком ТТЛШ является меньшая по сравнению с аналогичными элементами ТТЛ помехоустойчивость U+пом из-за большего значения U^0 и меньшего Uпор.

3.2.4 Элементы ТТЛ с тремя выходными состояниями —

имеют дополнительный вход V — вход разрешения (рисунок 13,а). При подаче на этот вход напряжения U^0 транзистор VT5 открыт и насыщен, а транзисторы VT6 и VT7 закрыты и поэтому не влияют на работу логического элемента. В зависимости от комбинации сигналов на информационных входах на выходе ЛЭ может быть сигнал с уровнем «лог. 0» или «лог. 1». При подаче на вход V напряжения с уровнем «лог. 1» транзистор VT5 закрывается, а транзисторы VT6 и VT7 открываются, напряжение на базе транзистора VT3 уменьшается до уровня UБЭ.нас+Uд, транзисторы VT2, VT3, VT4 закрываются и ЛЭ переходит в высокоимпедансное (третье) состояние, то есть отключается от нагрузки.

На рисунке 13,б показано УГО этого элемента. Значок ∇ указывает на то, что выход имеет три состояния. Значок E∇ «Разрешение третьего состояния» указывает, что сигналом =0 ЛЭ переводится в третье (высокоомное) состояние.

Для уменьшения помех по цепи питания в точках подключения к шинам групп ЛЭ устанавливают развязывающие керамические конденсаторы ёмкостью порядка 0,1 мкФ на один корпус. На каждой плате между цепью питания и общей шиной 1–2 электролитических конденсатора ёмкостью 4,7–10 мкФ.

Рисунок 13 Логический элемент ТТЛ И-НЕ с тремя выходными состояниями а) и его УГО б).

В таблице 7 приведены параметры некоторых серий ЛЭ ТТЛ.

Таблица 7 Параметры некоторых серий логических элементов ТТЛ

ПАРАМЕТРЫ

СЕРИИ

Универсальные

Высокого быстродействия

Микромощные

133, 155

К531

КР1531

К555

Кр1533

Входной ток I^0ВХ, мА

-1,6

-2,0

-0,6

-0,36

-0,2

Входной ток I^1ВХ, мА

0,04

0,05

0,02

0,02

0,02

Выходное напряжение U^0ВЫХ, В

0,4

0,5

0,5

0,5

0,4

Выходное напряжение U^1ВЫХ, В

2,4

2,7

2,7

2,7

2,5

Коэффициент разветвления по выходу KРАЗ

10

10

10

20

20

Коэффициент объединения по входу KОБ

8

10

—

20

—

Время задержки распространения сигнала tЗАД.ср

19

4,8

3,8

20

20

Потребляемый ток, мА:

I^0ПОТ (при U^0ВЫХ)

22

36

10,2

4,4

3

I^1ПОТ (при U^1ВЫХ)

8

16

2,8

1,6

0,85

Допустимое напряжение помехи, В

0,4

0,3

0,3

0,3

0,4

Напряжение питания, В

5

5

5

5

5

Выходные токи, мА:

I^0ВЫХ

16

20

20

8

4

I^1ВЫХ

-0,4

-1

-1

-0,4

-0,4

Средняя потребляемая мощность на элемент, мВт

10

19

4

2

1,2

3.3 Эмиттерно-связанная логика

Основой эмиттерно-связанной логики (ЭСЛ) является быстродействующий переключатель тока (Рисунок 14,а). Он состоит из двух транзисторов, в коллекторную цепь которых включены резисторы нагрузки RК, а в цепь эмиттеров обоих транзисторов — общий резистор Rэ, по величине значительно больший Rк. На вход одного из транзисторов подаётся входной сигнал Uвх, а на вход другого — опорное напряжение Uоп. Схема симметрична, поэтому в исходном состоянии (Uвх=Uоп) и через оба транзистора протекают одинаковые токи. Через сопротивление Rэ протекает общий ток IО.

Рисунок 14 Эмиттерно-связанная логика: а) переключатель тока;

б) упрощенная принципиальная схема

При увеличении Uвх ток через транзистор VT1 увеличивается, возрастает падение напряжения на сопротивлении Rэ, транзистор VT2 подзакрывается и ток через него уменьшается. При входном напряжении, равном уровню лог «1» (Uвх=U^1), транзистор VT2 закрывается и весь ток протекает через транзистор VT1. Параметры схемы и ток I_0 выбираются таким образом, чтобы транзистор VT1 в открытом состоянии работал в линейном режиме на границе области насыщения.

При уменьшении Uвх до уровня лог. «0» (Uвх=U^0), наоборот, транзистор VT1 закрыт, а транзистор VT2 находится в линейном режиме на границе с областью насыщения.

В схеме ЭСЛ (Рисунок 14,б) параллельно транзистору VT1 включается ещё один или несколько транзисторов (в зависимости от коэффициента объединения по входу), которые составляют одно из плеч переключателя тока. К выходам ЛЭ для повышения нагрузочной способности подключены два эмиттерных повторителя VT4 и VT5.

При подаче на все входы или на один из них, например, первый, сигнала UВХ_1=U^1, транзистор VT1 открывается и через него протекает ток I_0, а транзистор VT3 закрывается.

UВЫХ_1 = U^1 – UБЭ.нас = U^0

UВЫХ_2 = UПИТ – UБЭ.нас = U^1

Таким образом, по первому выходу данная схема реализует логическую операцию ИЛИ-НЕ, а по второму — операцию ИЛИ. Нетрудно видеть, что пороговое напряжение UПОР=UОП, логический перепад ΔU=U^1-U^0=UБЭ.нас и помехоустойчивость схемы U+ПОМ=U-ПОМ=0,5UБЭ.нас.

Входные токи элемента, а следовательно, и токи нагрузки ЭСЛ малы: I^0ВХ≈0, ток I^1ВХ равен базовому току транзистора, работающего на границе области насыщения, а не в области насыщения. Поэтому нагрузочная способность элемента велика и коэффициент разветвления достигает 20 и более.

Поскольку логический перепад невелик, то нестабильность напряжения источника питания существенно влияет на помехоустойчивость ЭСЛ. Для повышения помехоустойчивости в схемах ЭСЛ заземляют не отрицательный полюс источника питания, а положительный. Это делается для того, чтобы большая доля напряжения помехи падала на большом сопротивлении Rэ и только малая её доля попадала на входы схемы.

При совместном использовании ЛЭ ЭСЛ и ТТЛ между ними приходится включать специальные микросхемы, которые согласуют уровни логических сигналов. Их называют преобразователями уровней (ПУ).

Высокое быстродействие ЭСЛ обусловлено следующими основными факторами:

1 Открытые транзисторы не находятся в насыщении, поэтому исключается этап рассасывания неосновных носителей в базах.

2 Управление входными транзисторами осуществляется от эмиттерных повторителей предшествующих элементов, которые, имея малое выходное сопротивление, обеспечивают большой базовый ток и, следовательно, малое время открывания и закрывания входных и опорного транзисторов.

3 Малый логический перепад сокращает до минимума время перезарядки паразитных емкостей элемента.

Все эти факторы в комплексе обеспечивают малое время фронта и среза выходного напряжения элементов ЭСЛ.

Для ЭСЛ характерны следующие средние параметры: Uпит=–5В; U^1=–(0,7–0,9)В; U^0=–(1,5–2)В; tЗД.ср=3–7 нс; Pпот=10–20 мВт.

Перспективными считаются серии К500 и К1500, причём серия К1500 относится к числу субнаносекундных и имеет время задержки распространения менее 1 нс. (Таблица 8).

Таблица 8 Параметры основных серий ЛЭ ЭСЛ

Параметры

Серии

К500

К1500

Входной ток I^0ВХ,мА

0,265

0,35

Входной ток I^1ВХ, мА

0,0005

0,0005

Выходное напряжение U^0ВЫХ, В

-1,85…-1,65

-1,81…-1,62

Выходное напряжение U^1ВЫХ, В

-0,96…-0,81

-1,025…-0,88

Выходное пороговое напряжение, В:

U^0ВЫХ.пор

-1,63

-1,61

U^1ВЫХ.пор

-0,98

-1,035

Время задержки распространения, нс

2,9

1,5

Допустимое напряжение помехи, В

0,125

0,125

Коэффициент разветвления KРАЗ

15

—

Напряжение питания, В

-5,2; -2,0

-4,5; -2,0

Потребляемая мощность на элемент, мВт

8…25

40

3.4 Транзисторная логика с непосредственными связями (ТЛНС)

В схеме элемента ТЛНС сопротивление нагрузки включено в цепь соединенных коллекторов двух транзисторов (Рисунок 15,а). Входные сигналы X1 и X2 подаются на базы этих транзисторов. Если X1 и X2 одновременно равны «лог 0», то оба транзистора закрыты и на выходе схемы будет высокий потенциал Y=1. Если хотя бы на один, или на оба входа, подать высокий потенциал «лог 1», то один или оба транзистора открыты и на выходе схемы будет низкий потенциал Y=0. Таким образом, схема выполняет операцию ИЛИ-НЕ.

Рисунок 15 ЛЭ НСТЛ а) и входные характеристики транзисторов нагрузки б).

Как видно, схема элемента НСТЛ предельно проста, однако у неё есть существенный недостаток. Когда на выходе элемента установлен потенциал лог. «1», на базы транзисторов нагрузок, как показано на рисунке 15,а пунктиром, подаётся постоянный потенциал U¹. Из-за разброса параметров транзисторов (см. рисунок 15,б), токи баз транзисторов могут существенно различаться. В результате один из транзисторов может войти в глубокое насыщение, а другой — находиться в линейном режиме. При этом уровни «лог.1» будут существенно различаться, что неизменно приведёт к сбоям в работе устройства в целом. Поэтому схема ЛЭ НСТЛ применяется только на транзисторах, управляемых напряжением.

3.5 Интегральная инжекционная логика

Элементы интегральной инжекционной логики (И²Л) не имеют аналогов в дискретной схемотехнике и могут быть реализованы только в интегральном исполнении (рисунок 16,а). Элемент И²Л состоит из двух транзисторов: горизонтальный p-n-p-транзистор выполняет роль инжектора, а вертикальный многоколлекторный n-p-n-транзистор работает в режиме инвертора. Общая область n-типа служит базой p-n-p-транзистора, а также эмиттером n-p-n-транзистора и подключается к «заземлённой» точке. Коллектор p-n-p-транзистора и база n-p-n-транзистора также являются общей областью. Эквивалентная схема приведена на рисунке 16,б.

Рисунок 16 Транзистор с инжекционным питанием: а — структурная схема, б — эквивалентная схема, в — эквивалентная схема с генератором тока.

В цепь эмиттер-база инжектора подаётся напряжение питания UПИТ. Минимальное напряжение источника определяется падением напряжения на эмиттерном переходе: UКЭ.нас=0,7 В. Но для стабилизации тока эмиттера I^0 последовательно с источником включается резистор R и берут напряжение источника питания UПИТ=1…1,2 В. При этом p-n-переход эмиттер-база VT1 открыт и имеет место диффузия дырок к коллекторному переходу. По мере движения к коллектору часть дырок рекомбинируют с электронами, но их значительная часть достигает коллекторного перехода и, пройдя через него, попадают в p-базу инвертора (транзистора VT2). Этот процесс диффузии, т.е. инжекции дырок в базу идёт постоянно, независимо от входного воздействия.

Если напряжение на базе VT2 Uвх=U^0, что соответствует замкнутому состоянию ключа S, дырки, попадающие в p-базу инвертора, беспрепятственно стекают к отрицательному полюсу источника питания. В цепи коллектора транзистора VT2 ток не протекает и это эквивалентно разомкнутому состоянию коллекторной цепи VT2. Такое состояние выходной цепи соответствует напряжению лог. «1».

При Uвх=U^1 (ключ S разомкнут) дырки в p-базе инвертора накапливаются. Потенциал базы начинает повышаться и соответственно понижаются напряжения на переходах VT2 до тех пор, пока эти переходы не откроются. Тогда в коллекторной цепи транзистора VT2 будет протекать ток и разность потенциалов между эмиттером и коллектором инвертора (транзистора VT2) будет близка к нулю, т.е. этот транзистор представляет собой короткозамкнутый участок цепи, и это состояние будет соответствовать уровню лог. «0». Таким образом, рассмотренный элемент выполняет роль ключа.

Как известно, коллекторный ток транзистора, включённого в схему с общей базой, не зависит от изменения напряжения на коллекторе в широких пределах. Транзистор VT1 включён в схему с ОБ. Из теории работы биполярного транзистора известно, что его выходная характеристика, снятая при постоянном токе эмиттера, почти горизонтальна, то есть ток коллектора не зависит от напряжения на коллекторе. Поэтому он может быть заменён эквивалентным генератором тока. В соответствии с теоремой об эквивалентном генераторе тока, прибавление или вычитание от  источника тока постоянного напряжения не влияет на величину тока этого генератора. В соответствии с этим схема транзистора с инжекционным питанием представляется более простой эквивалентной схемой, приведённой на рисунке 16,в.

Если Uвх=U^1, то ток I^0 от генератора тока втекает в базу VT2, открывая его. При этом Uвх=U^0. Если Uвх=U^0, то ток I^0 замыкается на «землю», транзистор VT2 закрыт и Uвых=U^1.

Сила тока инжекции I^0 невелика (10 нА…100 мкА), поэтому транзистор работает в активном режиме. Среднее время задержки распространения сигнала определяется лишь длительностью процесса рассасывания избыточных зарядов в базе инвертора и временем перезарядки паразитных емкостей, поэтому ключ является быстродействующим. Быстродействие ключа возрастает в при увеличении тока инжекции.

Рисунок 17 Интегральная инжекционная логика (И²Л): схема элемента ИЛИ-НЕ а) и реализация логической функции И б).

Применение многоколлекторного транзистора позволяет поделить общий коллекторный ток VT2 на несколько одинаковых порций, достаточных для управления входом одного аналогичного элемента. Благодаря этому становится возможным применение простейшей схемы логического элемента ИЛИ-НЕ, приведённой на рисунке 17,а. Эта схема подобна схеме элемента НСТЛ (см. рисунок 15,а). В отличие от схемы элемента ИЛИ-НЕ НСТЛ, в элементе ИЛИ-НЕ И²Л не требуется даже резистор в цепи объединённых коллекторов, поскольку питание коллекторная цепь получает от генератора тока последующего каскада.

На рисунке 17,б приведена схема, реализующая логическую функцию И. При подаче на оба входа (X1 и X2) сигнала лог. «0» на объединённых коллекторах инверторов (VT3 и VT4) будет уровень лог. «1». Когда на один из входов, или на оба входа одновременно, подаётся сигнал лог. «1», на выходе схемы имеем сигнал лог. «0», что соответствует выполнению логической операции И.

Элементы И²Л занимают малую площадь на подложке, имеют незначительные потребляемую мощность и энергию переключения. Для них характерны следующие параметры: UПИТ=1 В; tзад.ср=10…100 нс; Kраз=3,5; Kоб=1.

3.6 Логические элементы на МОП-транзисторах

В логических элементах на МОП-транзисторах используется два типа транзисторов: управляющие и нагрузочные. Управляющие — имеют короткий, но достаточно широкий канал и поэтому имеют высокое значение крутизны и управляются малым напряжением. Нагрузочные, наоборот, имеют более длинный, но узкий канал, поэтому имеют более высокое выходное сопротивление и выполняют роль большого активного сопротивления.

Существенным преимуществом логических элементов на МОП-транзисторах перед логическими элементами на биполярных транзисторах является малая мощность, потребляемая входной цепью. Однако по быстродействию они уступают схемам на биполярных транзисторах. Это обусловлено тем, что у них имеются сравнительно большие паразитные ёмкости CЗИ и CСИ, на перезарядку которых затрачивается определённое время. Кроме того, выходное сопротивление у открытого МОП-транзистора больше, чем у биполярного, что увеличивает время заряда конденсаторов нагрузки и ограничивает нагрузочную способность ЛЭ.

3.6.1 Логические элементы на ключах с динамической нагрузкой

Логические элементы на ключах с динамической нагрузкой состоят из одного нагрузочного и нескольких управляющих транзисторов. Если управляющие транзисторы включены параллельно, то, как и в НСТЛ (см. рисунок 15,а), элемент осуществляет логическую операцию ИЛИ-НЕ, а при последовательном соединении — операцию И-НЕ (рисунок 18,а,б).

Рисунок 18 Схемы элементов МОП ТЛ: а) – ИЛИ-НЕ, б) – И-НЕ.

При наличии на входах X1 и X2 напряжения UВХ=U^0<UЗИ.пор управляющие транзисторы VT1 и VT2 закрыты. При этом напряжение на выходе соответствует уровню лог. «1». Когда на одном или на обоих входах элемента действует напряжение UВХ=U^1>UЗИ.пор, то на выходе имеем лог. «0», что соответствует выполнению логической операции ИЛИ-НЕ.

В схеме элемента И-НЕ управляющие транзисторы включены последовательно, поэтому уровень лог. «0» на выходе схемы имеет место только при единичных сигналах на обоих входах.

Элементы МОП ТЛ имеют высокую помехоустойчивость, большой логический перепад, малую потребляемую мощность и сравнительно низкое быстродействие. Для элементов на низкопороговых МОП-транзисторах обычно UПИТ=5…9 В, а на высокопороговых UПИТ=12,6…27 В. Основные параметры МОП ТЛ: Pпот=0,4…5 мВт, tЗД.ср=20…200 нс; U^0≤1 В; U^1≈7 В.

3.6.2 Логические элементы на комплементарных ключах

Комплементарный ключ состоит из двух МОП-транзисторов с каналами разного типа проводимости, входы которых соединены параллельно, а выходы последовательно (рисунок 19,а). При напряжении на затворах, больших порогового, для транзистора с каналом определённого типа соответствующий транзистор открыт, а другой закрыт. При напряжении противоположной полярности, открытый и закрытый транзисторы меняются местами.

ЛЭ на комплементарных ключах (КМОП) имеют ряд неоспоримых достоинств.

Они успешно работают при изменении в широких пределах напряжения источника питания (от 3 до 15 В), что недостижимо для ЛЭ, в состав которых входят резисторы.

В статическом режиме при большом сопротивлении нагрузки ЛЭ КМОП практически не потребляют мощности.

Для них также характерны: стабильность уровней выходного сигнала и малое его отличие от напряжения источника питания; высокое входное и малое выходное сопротивления; лёгкость согласования с микросхемами других технологий.

Рисунок 19 Схемы логических элементов КМОП ТЛ: а) инвертор, б) ИЛИ-НЕ, в) И-НЕ.

Схема ЛЭ КМОП, выполняющего функцию 2ИЛИ-НЕ, приведена на рисунке 19,б. Транзисторы VT1 и VT3 имеют канал р-типа и открыты при напряжениях на затворах, близких к нулю. Транзисторы VT2 и VT4 имеют канал n-типа и открыты при напряжениях на затворах, больших порогового значения. Если на обоих или на одном из входов действует уровень лог. «1», то на выходе схемы будет сигнал лог. «0», что соответствует выполнению логической операции ИЛИ-НЕ.

Если группы ярусно и параллельно включённых транзисторов поменять местами, то будет реализован элемент, выполняющий функцию И-НЕ (рисунок 19,в). Он работает аналогично предыдущему. Транзисторы VT1 и VT3 имеют канал p-типа и открыты при напряжении на затворах, близких к нулю. Транзисторы VT2 и VT4 имеют канал n-типа и открыты при напряжениях на затворах, больших порогового значения. Если открыты оба эти транзистора, то на выходе будет установлен сигнал «лог. 0».

Таким образом, сочетание параллельного включения транзисторов с каналами p-типа электропроводности, и ярусного соединения транзисторов с каналами n-типа позволили реализовать функцию И-НЕ.

В ЛЭ КМОП очень просто реализуют элементы с тремя устойчивыми состояниями. Для этого последовательно с транзисторами инвертора включают два комплементарных транзистора VT1, VT4 (рисунок 20,а), управляемых инверсными сигналами

Рисунок 20 Инвертор с тремя выходными состояниями а); согласование ЛЭ ТТЛ с ЛЭ КМОП б).

Согласование ЛЭ ТТЛ с ЛЭ КМОП можно выполнить несколькими способами:

1) Питать ЛЭ КМОП малым напряжением (+5 В), при которых сигналы ЛЭ ТТЛ переключают транзисторы ЛЭ КМОП;

2) Использовать ЛЭ ТТЛ с открытым коллектором, в цепь выхода которых включён резистор, подключенный к дополнительному источнику напряжения (рисунок 20,б).

При хранении и монтаже следует опасаться статического электричества. Поэтому при хранении выводы микросхем электрически замыкают между собой. Монтаж их производится при выключенном напряжении питания, причём обязательно использование браслетов, с помощью которых тело электромонтажников соединяется с землёй.

ЛЭ КМОП-серий широко применяются при построении экономичных цифровых устройств малого и среднего быстродействия. Параметры некоторых серий ЛЭ КМОП типа приведены в таблице 8.

Таблица 8 Параметры некоторых серий ЛЭ КМОП типа

Параметры

серия

176, 561, 564

1554

Напряжение питания UПИТ, В

3…15

2…6

Выходные напряжения, В:

низкого уровня U^0ВЫХ

<0,05

<0,1

высокого уровня U^1ВЫХ

UПИТ–0,05

UПИТ–0,01

Среднее время задержки сигнала, нс:

для UПИТ=5 В

60

3,5

для UПИТ=10 В

20

—

Допустимое напряжение помехи, В

0,3 UПИТ

—

Мощность, потребляемая в статическом режиме, мВт/корпус

0,1

0,1…0,5

Входное напряжение, В

0,5…(UПИТ+0,5 В)

0,5…(UПИТ+0,5 В)

Выходные токи, мА

1…2,6

>2,4

Мощность, потребляемая при частоте переключения f=1 МГц, UПИТ=10 В, Cн=50 пф, мВт/корпус

20

—

Тактовая частота, МГц

—

150

4 Цифровые устройства комбинационного типа

Цифровыми устройствами комбинационного типа или цифровыми автоматами без памяти называются цифровые устройства, логические значения на выходе которых однозначно определяются совокупностью или комбинацией сигналов на входах в данный момент времени. К ним относятся суммирующие схемы, шифраторы и дешифраторы, мультиплексоры и демультиплексоры, цифровые компараторы и другие устройства. Цифровые устройства комбинационного типа выпускаются в виде интегральных микросхем или входят в состав больших интегральных микросхем, таких как процессоры, запоминающие и другие устройства.

4.1 Двоичные сумматоры

4.1.1 Одноразрядные сумматоры

В цифровой вычислительной технике используются одноразрядные суммирующие схемы с двумя и тремя входами, причём первые называются полусумматорами, а вторые — полными одноразрядными сумматорами. Полусумматоры могут использоваться только для суммирования младших разрядов чисел. Полные одноразрядные сумматоры имеют дополнительный третий вход, на который подаётся перенос из предыдущего разряда при суммировании многоразрядных чисел.

На рисунке 21, а) приведена таблица истинности полусумматора, на основании которой составлена его структурная формула в виде СДНФ (Рисунок 21, б). Функциональная схема, составленная на элементах основного базиса в соответствии с этой структурной формулой, приведена на рисунке 21, в).

Рисунок 21 Одноразрядный полусумматор: а) таблица истинности, б) структурная формула, в) функциональная схема.

Основными параметрами, характеризующими качественные показатели логических схем, являются быстродействие и количество элементов, определяющее сложность схемы.

Быстродействие определяется суммарным временем задержки сигнала при прохождении элементов схемы. В приведённой выше схеме быстродействие определяется задержкой в трёх логических элементах.

Кроме количества элементов сложность схемы, как было отмечено выше, определяется количеством входов элементов, по которым выполняются логические операции. Этот параметр называется «Число по Квайну». Приведённая выше схема содержит 6 элементов и имеет 10 входов (Число по Квайну равно 10).

Недостатком схемы рисунок 21, в) является то, что на её входы необходимо подавать и прямые и инверсные значения операндов. Применяя законы алгебры логики схему можно преобразовать, исключив инверсии над отдельными операндами. Порядок минимизации показан на рисунке 22, а), функциональная схема — на рисунке 22, б), а её УГО — на рисунке 22, в).

Рисунок 22 Пример минимизации а), функциональная схема б) и УГО одноразрядного полусумматора в).

Минимизированная схема является более быстродействующей, так как вместо 6 содержит 3 элемента, а число по Квайну уменьшилось с 10 до 7. Учитывая огромное количество используемых суммирующих схем, выигрыш можно считать весьма ощутимым.

Схему полного одноразрядного сумматора можно получить на основе двух схем полусумматоров и схемы «ИЛИ», как показано на рисунке 23,а).

Рисунок 23 Одноразрядный полный сумматор: а) — функциональная схема на двух полусумматорах; б) — УГО; в) — таблица истинности: г) — минимизированная схема.

Из рассмотрения принципа работы функциональной схемы рисунок 23,а) составлена её таблица истинности, анализ которой показывает, что данная схема выполняет функции полного одноразрядного сумматора. Однако схема не является оптимальной по быстродействию, поскольку в ней сигнал проходит последовательно через две схемы полусумматоров и схему ИЛИ.

Представляется целесообразным разработка сумматора как устройства, имеющего три входа и два выхода. СДНФ такой функции записывается в виде:

Минимизированные значения, используемые в интегральной схемотехнике:

PI+1 = PIa + PIb + ab

Первое из уравнений минимизируется аналитическим методом, используя законы алгебры логики, а второе — методом минимизирующих карт Карно.

Функциональная схема, составленная по этим уравнениям, приведена на рисунке 23, г). По сравнению со схемой рисунок 23, а) эта схема является более быстродействующей. Условное графическое обозначение (УГО) схемы полного одноразрядного сумматора приведено на рисунке 23, б).

4.1.2 Многоразрядные сумматоры

Методы построения многоразрядных сумматоров:

- Последовательное суммирование;

- Параллельное суммирование с последовательным переносом;

- Параллельное суммирование с параллельным переносом.

Рисунок 24 Суммирование многоразрядных чисел: а) — Последовательное; б) — Параллельное с последовательным переносом

При последовательном суммировании используется один сумматор, общий для всех разрядов (Рисунок 24, а). Операнды должны вводиться в сумматор через входы аI и bI синхронно, начиная с младших разрядов. Цепь задержки обеспечивает хранение импульса переноса PI+1 на время одного такта, то есть до прихода пары слагаемых следующего разряда, с которыми он будет просуммирован. Задержку выполняет D-триггер. Результаты суммирования также считываются последовательно, начиная с младших разрядов. Для хранения и ввода операндов на входы сумматора, а также для записи результата суммирования обычно используются регистры сдвига.

Достоинство этого метода — малые аппаратные затраты.

Недостаток — невысокое быстродействие, так как одновременно суммируются только пара слагаемых.

Схема параллельного сумматора с последовательным переносом приведена на рисунке 24, б). Количество сумматоров равно числу разрядов чисел. Выход переноса PI+1 каждого сумматора соединяется со входом переноса PI следующего более старшего разряда. На входе переноса младшего разряда устанавливается потенциал «0», так как сигнал переноса сюда не поступает. Слагаемые aI и bI суммируются во всех разрядах одновременно, а перенос PI поступает с окончанием операции сложения в предыдущем разряде.

Быстродействие таких сумматоров ограничено задержкой переноса, так как формирование переноса на выходе старшего разряда не может произойти до тех пор, пока сигнал переноса не распространится по всей цепочке сумматоров.

Параллельные сумматоры с параллельным переносом

Для организации параллельного переноса применяются специальные узлы — блоки ускоренного переноса.

Принцип ускоренного переноса заключается в том, что для каждого двоичного разряда дополнительно находятся два сигнала:

G — образование переноса и H — распространение переноса.

GI = aI·bI

HI = aI + bI

В случае GI=1, то есть aI=bI=1, в данном i-разряде формируется сигнал переноса PI+1 в следующий высший разряд независимо от формирования функций суммы в предыдущих разрядах.

Если хотя бы одно из слагаемых aI или bI равно «1», то есть HI=1, то перенос в последующий разряд производится при наличии сигнала переноса из предыдущего разряда.

Если HI=HI–1=1 и при этом существует сигнал переноса PI из предыдущего в i-й разряд, то перенос производится сразу в i+2 разряд.

В общем случае процесс формирования ускоренного переноса описывается следующим уравнением:

PI+1 = GI + HI·GI–1 + HI·HI–1·GI–2 + … + HI·HI–1·…·H_2·H_1·P_1

Блоки ускоренного переноса выпускаются в интегральном исполнении в виде отдельных микросхем или непосредственно со схемой сумматора или арифметико-логического устройства в одной микросхеме.

4.1.3 Арифметико-логические устройства

Основными арифметическими операциями являются сложение и вычитание. Разработаны коды дополнительный и обратный, которые позволяют выполнять операцию вычитания методом суммирования. Для выполнения операции вычитания, при использовании дополнительного кода, вычитаемое следует перевести в дополнительный код и просуммировать с первым слагаемым. Полученный результат (разность) будет представлен в дополнительном коде. Затем его следует перевести в прямой код.

Прямой и дополнительный код положительных чисел совпадают. При преобразовании отрицательного числа в дополнительный код все разряды прямого кода следует проинвертировать и к младшему разряду добавить единицу. При обратном преобразовании дополнительного кода в прямой результат следует также проинвертировать и к младшему разряду добавить единицу.

Таким образом, выполнение операции вычитания методом суммирования требует дополнительных затрат времени и снижает быстродействие вычислительных средств.

Для повышения быстродействия ЭВМ разработаны и используются комбинированные арифметико-логические устройства, которые обеспечивают выполнение ряда арифметических и логических операций над прямыми кодами чисел без их преобразования.

Методика построения одноразрядного арифметического устройства для выполнения операций суммирования и вычитания показана на рисунке 25. Из сравнения логических выражений операций суммирования (Рисунок 25, а) и вычитания (Рисунок 25, б) следует, что выражения для суммы и разности совпадают, а выражение для заёма является частью операции суммирования или вычитания.

Рисунок 25 Таблицы истинности и структурные формулы операции суммирования а), вычитания б) и схема одноразрядного АЛУ в).

Таким образом, для выполнения операции вычитания не требуется получение дополнительных сигналов, поэтому и не требуются дополнительные аппаратные затраты. Необходимо лишь обеспечить коммутацию сигналов переноса и заёма в соответствии с кодом операции.

На рисунке 25, в) приведена схема простейшего АЛУ, на которой роль устройства управления выполняют два клапана, управляемые разнополярными сигналами от управляющего напряжения U. Эта часть схемы на рисунке 25,в выделена пунктирной линией. При U=0 выполняется операция вычитания, а при U=1 — операция суммирования.

Многоразрядные АЛУ выпускаются в виде интегральных микросхем или входят в состав процессоров, являясь их основой.

МС 564ИП3 (Рисунок 26,а) — это 4-разрядное параллельное АЛУ, выполняющая 16 арифметических и 16 логических операций.

Рисунок 26 Схема 4-разрядного АЛУ 564ИП3 а) и схема ускоренного переноса 564ИП4 б).

A(а_0–а_3) — первый операнд,

B(b_0–b_3) — второй операнд,

S(s_0–s_3) — код операции — 4 разряда.

Если M=0, то выполняются арифметические операции: 2^4=16, при M=1 выполняются логические операции: 2^4=16. Итого 16+16=32 операции.

F(f_0–f3) — результат операции. На выходе A=B появляется «1», если при выполнении операции вычитания результат операции будет равен «0», то есть A=B. Поскольку АЛУ параллельного типа, то имеются выходы генерации G и распространения переноса H. Pn и Рn+4 — входной и выходной переносы.

Для увеличения разрядности обрабатываемых слов МС АЛУ можно соединять последовательно, как и в параллельных сумматорах с последовательным переносом. При этом, конечно, увеличивается время выполнения операций.

Уменьшить это время и, следовательно, увеличить быстродействие АЛУ можно применением  схемы ускоренного переноса 564ИП4, рисунок 26, б). Используя четыре МС АЛУ и одну МС ускоренного переноса можно получить 16-разрядное полностью параллельное АЛУ, время суммирования которого равно времени суммирования одной микросхемы.

4.2 Кодирующие и декодирующие устройства

4.2.1 Шифраторы

Шифратор (кодер) — это функциональный узел, предназначенный для преобразования поступающих на его входы управляющих сигналов (команд) в n-разрядный двоичный код. В частности, такими сигналами или командами могут быть десятичные числа, например, номер команды, который с помощью шифратора преобразуется в двоичный код.

В качестве примера разработаем схему 3-разрядного шифратора. Вначале следует построить таблицу кодов (таблицу истинности), в которой код номера сигнала представим, например, двоичным кодом (Рисунок 27,а). Схема, реализованная на элементах ИЛИ, приведена на рисунке 27,б.

Рисунок 27 Таблица кодов 3-разрядного шифратора а), его функциональная схема б) и УГО в).

В общем случае, при использовании двоичного кода, можно закодировать 2n входных сигналов. В рассмотренной выше схеме выходной код «000» будет присутствовать на выходе при подаче сигнала на вход X0 и в случае, если входной сигнал вообще не подаётся ни на один из входов. Для однозначной идентификации сигнала X0 в интегральных схемах формируется ещё один выходной сигнал — признак подачи входного сигнала, который используется и для других целей.

На рисунке 28 приведено УГО схемы 3-х разрядного приоритетного шифратора на 8 входов.

Рисунок 28 3-разрядный приоритетный шифратор К555ИВ1 а) и соединение двух МС б)

При подаче сигнала на любой из входов, устанавливается G=1, P=0, а на цифровых выходах — двоичный код номера входа, на который подан входной сигнал. Если сигнал подан одновременно на два или несколько входов, то на выходе установится код входа с большим номером. Отсюда название шифратора «приоритетный».

Если сигнал (лог.«0») подан на один из входов 0…7, то на выходах DD3 появятся младшие разряды прямого кода, на выходе G DD1 — лог. «0», определяющий разряд с весовым коэффициентом 8 выходного кода, на выходе P — лог. «1».

Если лог.«0» подан на один из входов 8…15, то сигнал лог. «1» с выхода P DD2 запретит работу DD1. При этом младшие разряды на выходах DD3 определяются уже микросхемой DD2, а на выходе 8 выходного кода будет лог. «1».

Таким образом, с выходов 1, 2, 4, 8 можно снять прямой код, соответствующий номеру входа, на который подан входной сигнал.

4.2.2 Дешифраторы (декодеры)

Дешифратор — функциональный узел, вырабатывающий сигнал «лог. 1» (дешифратор высокого уровня) или сигнал «лог. 0» (дешифратор низкого уровня) только на одном из своих 2n выходах в зависимости от кода двоичного числа на n входах.

Рисунок 29 Дешифратор: а) – таблица истинности; б) – функциональная схема

Дешифраторы широко используются в устройствах управления, где они формируют управляющий сигнал в соответствии с входным кодом, который воздействует на какое-либо исполнительное устройство.

Интегральные микросхемы дешифраторов изготавливаются с дополнительными входами, например, с входом разрешения (стробирования). Стробирование позволяет исключить появление на входах дешифратора ложных сигналов, запрещая его работу в интервале времени переходного процесса при изменении цифрового кода на входе.

Микросхема ИД3 (рисунок 30) имеет четыре адресных входа с весовыми коэффициентами двоичного кода 1, 2, 4, 8, два инверсных входа стробирования S, объединённых по И, и 16 инверсных выходов 0–15. Если на обоих входах стробирования «лог. 0», то на том из выходов, номер которого соответствует десятичному эквиваленту входного кода, будет «лог. 0». Если хотя бы на одном из входов стробирования S «лог. 1», то независимо от состояния входов на всех выходах микросхемы формируется «лог. 1».

Наличие двух входов стробирования существенно расширяет возможности использования микросхем. Из двух микросхем ИД3, дополненных одним инвертором, можно собрать дешифратор на 32 выхода (рисунок 31), а из 17 микросхем — дешифратор на 256 выходов (рисунок 32).

Рисунок 32 Дешифратор на 256 выходов

4.3 Коммутаторы цифровых сигналов

4.3.1 Мультиплексоры

Мультиплексор — функциональный узел, который имеет n адресных входов, N=2n информационных входов, один выход и осуществляет управляемую коммутацию информации, поступающей по N входным линиям, на одну выходную линию. Коммутация определённой входной линии происходит в соответствии с двоичным адресным кодом an-1,…a_2,a_1,a_0.

Если адресный код имеет n разрядов, то можно осуществить N=2n комбинаций адресных сигналов, каждая из которых обеспечит подключение одной из N входных линий к выходной линии. Такой мультиплексор называют «из N в одну». При наличии избыточных комбинаций адресных сигналов можно спроектировать мультиплексор с любым числом входных линий N≤2n.

В простейшем случае при двухразрядном адресном коде (n=2) максимальное число входных адресных линий равно N=2n=4. Таблица истинности такого мультиплексора приведена на рисунке 33,а.

Рисунок 33 Мультиплексор 4:1 а) — Таблица истинности;

б) — Функциональная схема; в) — Условное графическое обозначение.

Характеристическое уравнение такого мультиплексора, записанное в соответствии с таблицей истинности, имеет вид:

Из полученного уравнения следует, что в состав функциональной схемы мультиплексора входят два инвертора, четыре схемы «И» и одна схема «ИЛИ» (Рисунок 33,б). Здесь адресными (управляющими) входами являются а_1, а_0, а информационными — Х0, Х1, Х2, Х3.

Условное графическое обозначение мультиплексора, в соответствии с ГОСТ 2.743-91, приведено на рисунке 33,в.

В настоящее время промышленность выпускает МС, в серии которых входят мультиплексоры с n=2, 3 и 4 адресными входами. При n=2 выпускаются сдвоенные четырёхканальные (2n=4) мультиплексоры, число входных информационных сигналов которых равно 2n+2n=8.

УГО сдвоенного 4-канального мультиплексора со стробированием К555КП12 приведено на рисунке 34,а.

Рисунок 34 Сдвоенный 4-канальный мультиплексор К555КП12 а) и 8-канальный мультиплексор на его основе б).

Входы стробирования используются для построения мультиплексоров (коммутаторов) с k2n-информационными входами, k=2, 3, 4…

Схема мультиплексора 8:1 на основе сдвоенного 4-канального мультиплексора со стробированием приведена на рисунке 34,б.

Если подавать на информационные входы Xi постоянные уровни, соответствующие лог. «0» или лог. «1», то на выходе мультиплексора можно получить любую желаемую функцию переменных управляющего кода. При этом число переменных в реализуемой выходной функции будет равно разрядности управляющего кода.

В общем случае на информационные входы можно подавать не постоянные логические уровни, тогда на выходе мультиплексора реализуется логическая функция с большим числом переменных.

4.3.2 Дешифраторы-демультиплексоры

Демультиплексор — это функциональный узел, осуществляющий управляемую коммутацию информацию, поступающую по одному входу, на N выходов. Таким образом, демультиплексор реализует операцию, противоположную той, которую выполняет мультиплексор.

Обобщённая схема демультиплексора приведена на рисунке 35. В общем случае число выходных линий N определяется количеством адресных входов n и равно N=2n.

Для случая n=2 функционирование демультиплексора осуществляется в соответствии с таблицей истинности, приведённой на рисунке 36,а.

Рисунок 35 Обобщённая схема демультиплексора

Рисунок 36 Таблица истинности — а) и функциональная схема 4-канального демультиплексора — б)

Из таблицы истинности записываем характеристические уравнения демультиплексора:

Соответствующая этим уравнениям функциональная схема демультиплексора приведена на рисунке 36,б. Она имеет в своём составе два инвертора и четыре элемента «И».

Сравнивая таблицы истинности и функциональные схемы демультиплексора и дешифратора, легко увидеть схожесть их функций. Если функция X=1 постоянно, то демультиплексор выполняет функции дешифратора. Учитывая схожесть выполняемых функций, микросхемы дешифраторов и демультиплексоров имеют одинаковое условное обозначение — ИЕ, называются «Дешифратор-демультиплексор» и могут выполнять функции и дешифратора и демультиплексора.

В качестве примера рассмотрим микросхему К155ИД4, УГО которой приведено на рисунке 37,а. Это сдвоенный 4-канальный дешифратор-демультиплексор. Каждая секция имеет один информационный вход (D и Ē), один вход разрешения , четыре выхода  и два общих адресных входа (a_1, a_0). Возможные способы включения и режимы работы показаны на рисунке 36,б.

Рисунок 37 Микросхема К155ИД4 а) и возможные режимы её работы б).

Наличие у МС прямого и инверсного информационных входов позволяет простым их объединением получить третий адресный разряд а_2, а двух инверсных  входов разрешения — общий вход разрешения дешифратора 3:8 или информационный вход демультиплексора 1:8.

Рассмотренную выше микросхему дешифратора К155ИД3 можно использовать в качестве демультиплексора с форматом 1:16. При этом входы разрешения дешифрации используются в качестве основного информационного входа X, а адресные входы и выходы используются по прямому назначению.

4.4 Устройства сравнения кодов. Цифровые компараторы

Устройства сравнения кодов предназначены для выработки выходного сигнала в случае, когда поступающие на их входы коды двух чисел оказываются одинаковыми.

Числа A и B считаются равными, если разрядные коэффициенты чисел A и B оказываются одинаковыми, то есть, если ai=bi=1 или ai=bi=0. Эти равенства можно привести к одному: . Поскольку это равенство выполняется для каждого разряда, то выходной сигнал Y можно представить в виде логической функции:

где n — число разрядов.

Рисунок 38 Устройства сравнения кодов: а) — структурная схема; б) — минимизированный вариант схемы сравнения в одном разряде; в) — одноразрядный компаратор; г) — УГО 4-разрядного компаратора.

Структурная схема устройства сравнения кодов, составленная на основании приведённого выше уравнения приведена на рисунке 38,а. Выходной сигнал Y=1 будет иметь место только при условии, если будут единичными результаты сравнения во всех разрядах сравниваемых чисел.

Недостатком рассмотренной схемы является большое число входов, так как для работы устройства требуются не только прямые, но и инверсные коды чисел A и В.

На основе законов алгебры логики разработаны устройства сравнения, работающие только с прямыми кодами.

Схема одноразрядного элемента сравнения, построенная на основании этого уравнения, приведена на рисунке 38,б. Функциональная схема, построенная на этих элементах, будет иметь вдвое меньшее число входов.

Цифровые компараторы  являются универсальными элементами сравнения, которые помимо констатации равенства двух чисел, могут установить какое из них больше.

Простейшая задача состоит в сравнении двух одноразрядных чисел. Схема одноразрядного компаратора приведена на рисунке 38,в. При рассмотрении принципа работы схемы следует иметь в виду, что если ai < bi, то ai = 0, а bi = 1 и наоборот.

Для сравнения многоразрядных чисел используется следующий алгоритм. Сначала сравниваются значения старших разрядов. Если они различны, то эти разряды и определяют результат сравнения. Если они равны, то необходимо сравнивать следующие за ними младшие разряды, и т. д.

Цифровые компараторы выпускают в виде отдельных микросхем. Например, К561ИП2 позволяет сравнивать два 4-разрядных числа с определением знака неравенства. УГО этой МС приведено на рисунке 38,г.

Устройство обладает свойством наращиваемости разрядности сравниваемых чисел. Для сравнения, например, 8-разрядных чисел можно применить две четырёхразрядные микросхемы. Для этой цели в МС К561ИП2 предусмотрены три дополнительных входа: A > B, A = B и A > B, к которым подводятся соответствующие выходы микросхемы, выполняющей сравнение младших разрядов. Если используется только одна микросхема, то на вход A = B надо подать лог. «1», а на входы A < B и A > B — дог. «0».

4.5 Преобразователи кодов. Индикаторы

Операция изменения кода числа называется его преобразованием. Интегральные микросхемы, выполняющие эти операции, называются преобразователями кодов. Интегральные микросхемы преобразователей кодов выпускаются только  для наиболее распространённых операций таких как преобразователи двоичного кода в десятичный, двоично-десятичный, шестнадцатеричный, код Грея или обратных, указанным выше, преобразований.

По своей структуре преобразователи  кодов являются дешифраторами, только они преобразуют двоичный код в сигналы не только на одном, но и на нескольких выходах.

В качестве примера рассмотрим преобразователь двоичного кода в код управления 7-сегментным цифровым индикатором. На рисунке 39,а приведена схема подключения индикатора. Индикатор представляет собой полупроводниковый прибор, в котором имеется восемь сегментов, выполненных из светодиодов. Включением и  выключением отдельных сегментов можно получить светящееся изображение отдельных цифр или знаков.

Конфигурация и расположение сегментов индикатора показаны на рисунке 39,а. Каждой цифре соответствует свой набор включения определённых сегментов индикатора. Соответствующая таблица отображения цифр и десятичной разделительной точки приведена на рисунке 39,б.

Рисунок 39 Преобразователь двоичного кода в код 7 – сегментного индикатора:

а) — Схема подключения индикатора; б) — Таблица состояний.

По внутренней схеме включения  индикаторы подразделяются на индикаторы с общим катодом и с общим анодом. Схемы обоих видов индикаторов приведены на рисунке 40,а и 40,б соответственно.

Существует широкая гамма различных модификаций семисегментных индикаторов. Они отличаются друг от друга размерами, цветом свечения, яркостью, расположением выводов.

Рисунок 40 Схемы индикаторов: а) — с общим катодом; б) — с общим анодом.

Для управления индикатором с общим катодом используется, например, дешифратор К514ИД1, а с общим катодом — К514ИД2. Используются микросхемы дешифраторов и других серий, например, 176ИД2, 176ИД3, 564ИД4, 564ИД5, К133ПП1 и др.

Шкальные индикаторы (светящиеся столбики) представляют собой линейку светодиодов с одним общим анодом или катодом. Они являются аналогами щитовых измерительных приборов и служат для отображения непрерывно изменяющейся информации.

Светящиеся шкалы могут быть установлены на приборном щитке автомобиля или самолёта для индикации уровня горючего в баке, скорости движения и других параметров. Удобна конструкция в виде расположенных рядом столбиков для индикации величин с целью их сравнения.

Преобразователи двоичного кода в код управления шкальным индикатором обеспечивают перемещение светящегося пятна, определяемое двоичным кодом на адресном входе.

Матричные индикаторы представляют собой наборы светодиодов, расположенных по строкам и столбцам. Наиболее распространённые матричные индикаторы имеют 5 столбцов и 7 строк (формат 5×7). Количество светодиодов таких индикаторов равно 35. Для управления матричными индикаторами выпускаются микросхемы, в которых положение светодиода задаётся номерами строки и столбца, причём не все комбинации используются. Такие преобразователи кодов называются неполными. К ним относятся, например, микросхемы К155ИД8 и К155ИД9.

5 Цифровые устройства последовательностного типа

Цифровые устройства последовательностного типа или цифровые автоматы с памятью — это электронные цифровые устройства, логические значения на выходах которых определяются не только совокупностью логических сигналов на входах в данный момент времени, но и состоянием внутренних элементов памяти по результатам его предшествующей работы. Запоминание предшествующих состояний выполняется при помощи триггеров и регистров памяти.

Типичными примерами логических автоматов с памятью являются счётчики импульсов и сдвиговые регистры.

5.1 Триггеры

Триггеры — это электронные устройства, обладающие двумя устойчивыми состояниями равновесия и способные скачком переходить из одного устойчивого состояния в другое под воздействием внешних управляющих сигналов.

Состояние называется устойчивым, если слабое внешнее воздействие не нарушает этого состояния. Для перехода триггера из одного состояния в другое необходимо, чтобы входной сигнал превысил пороговое значение.

Триггер Тр (Рисунок 41) в общем случае можно представить как устройство, состоящее из ячейки памяти ЯП и логического устройства (ЛУ) управления, преобразующего входную информацию в комбинацию сигналов, под воздействием которых ЯП принимает одно из двух устойчивых состояний.

Рисунок 41 Обобщённое устройство триггера а):

RS-триггеры с прямыми б) и инверсными статическими входами в).

Информационные сигналы поступают на входы A и В ЛУ и преобразуются в сигналы, поступающие на внутренние входы S и R ЯП. Процесс преобразования информационных сигналов осуществляется под воздействием сигналов, подаваемых на вход V разрешения приёма информации и вход C синхронизации, обеспечивающей тактируемый приём информации.

При наличии входа C триггер называют синхронным, а при его отсутствии — асинхронным. Управляющие сигналы на асинхронный триггер воздействуют непосредственно с началом своего появления на их входах, а в синхронных — только с приходом сигнала на входе C.

Триггеры могут иметь статические или динамические входы. Как статические, так и динамические входы могут быть прямыми или инверсными.

Входы называются статическими, если они имеют непосредственную связь с источником входных сигналов. Сигналом для управления статическим триггером с прямыми статическими входами является уровень лог. «1», а для управления триггером с инверсными входами — уровень лог «0».

Входы называются динамическими, если они соединены с источником входных сигналов через развязывающие цепи: магнитные, электронные или RC-цепи. Они реагируют только на перепады входных сигналов. Если срабатывание триггера происходит при изменении входного сигнала от «0» к «1», то входы называются прямыми, а если при изменении сигнала от «1» к «0», то — инверсными.

Входы Ś и Ŕ называются входами асинхронной установки триггера. Они предназначены для подачи приоритетных сигналов установки триггера в исходное состояние (0 или 1) в начале цикла работы независимо от воздействия информационных сигналов, то есть в обход схемы управления.

5.1.1 RS-триггеры

Наибольшее применение находят триггеры с раздельным запуском, которые называются RS-триггерами. Их условное графическое обозначение приведено на рисунке 41. В простейшем RS-триггере информационные сигналы подаются непосредственно на входы S и R  ячейки памяти.

Входы, на которые подаются запускающие импульсы, называются установочными. Буквой S (Set — установка) обозначают вход, на который подаётся сигнал, устанавливающий триггер в единичное состояние (Q=1, ). Буквой R (Reset — сброс) обозначают вход, на который подаётся сигнал сброса, переводящий триггер в состояние «0» . Буквой Q обозначается прямой выход, а   — инверсный.

RS-триггеры применяются как самостоятельно, так и в составе других более сложных триггеров, а также входят в состав регистров и счётчиков.

RS-триггеры на логических элементах

Функционирование логических устройств последовательностного типа описывается таблицами переходов, которые отличаются от таблиц истинности тем, что в них учитываются только результативные переходы, когда изменение комбинации сигналов на входе приводит к изменению выходного состояния. Однако таблица переходов может быть сведена к таблице истинности, если состояние внутренних элементов памяти считать входными сигналами.

Полная таблица функционирования (таблица истинности) приведена на рисунке 42,а, в которой предыдущее состояние триггера Qn до подачи входных сигналов является одним из входных сигналов. Выходное состояние триггера после подачи входных сигналов обозначено символом Qn+1. Таблица переходов триггера приведена на рисунке 42,б.

Qn

S

R

Qn+1

Режим работы

0

0

0

0

Хранение «0»

0

0

1

0

Подтверждение «0»

0

1

0

1

Установка в «1»

0

1

1

ф

Запрещённое состояние

1

0

0

1

Хранение «1»

1

0

1

0

Сброс в «0»

1

1

0

1

Подтверждение «1»

1

1

1

ф

Запрещённое состояние

а)

S

R

Qn+1

0

0

Qn

0

1

0

1

0

1

1

1

ф

б)

Рисунок 42 Таблица истинности а) и таблица переключений RS-триггера б)

Таблица истинности позволяет применить рассмотренную выше методику синтеза логических устройств комбинационного типа для синтеза устройств последовательностного типа, в том числе и RS-триггеров.

Для минимизации структурной формулы RS-триггера заполним карту Карно, приведённую на рисунке 43,а.

Рисунок 43 Карты Карно для минимизации структурной формулы RS-триггера

В соответствии с теорией минимизации неопределённых логических функций, для определения прямого значения функции Qn+1 неопределённые значения карты Карно «ф» (Рисунок 43,а) заменим «1» (Рисунок 43,б), а для определения инверсного значения   — заменим «0» (Рисунок 43,в). Для получения функции   минимизация производится по нулям.

Минимизированные значения функций Qn+1 и   на элементах основного базиса имеют вид:

Рисунок 44 RS-триггеры: а), б) — на логических элементах ИЛИ-НЕ,

в), г) — на логических элементах И-НЕ.

Для реализации триггера на элементах ИЛИ-НЕ проинвертируем функцию : .

Структурная схема триггера, полученная в соответствии с этим выражением, приведена на рисунке 44,а. В структурной формуле установочные сигналы S и R представлены в прямом коде, следовательно исполнительными значениями сигналов являются уровни лог. «1», то есть триггер на элементах ИЛИ-НЕ имеет прямые статические входы.

Для реализации триггера на элементах И-НЕ дважды проинвертируем функцию Qn+1:

Как следует из полученного выражения, исполнительными значениями сигналов здесь являются лог. «0», поэтому RS-триггер на элементах И-НЕ имеет инверсные статические входы. Структурная схема триггера и его УГО приведены на рисунках 44,в,г.

При разработке цифровых схем, в которые входят RS-триггеры, необходимо учитывать наличие запрещённого состояния входных сигналов для RS-триггеров на элементах ИЛИ-НЕ S=R=1, а для RS-триггеров на элементах И-НЕ  Условие нормального функционирования для обеих схем RS-триггеров можно записать в следующем виде:

SR ≠ 1

Если в разрабатываемой схеме такое сочетание входных сигналов в принципе возможно, то эту ситуацию необходимо исключить путём включения во входную цепь дополнительных логических элементов, или использовать другие типы триггеров, не имеющих запрещённого состояния.

Рассмотренные RS-триггеры являются асинхронными поскольку управляющие сигналы воздействуют на триггер непосредственно с началом своего появления на их входах.

Синхронные RS-триггеры

В устройствах современной цифровой техники, для исключения опасных состязаний входных сигналов, срабатывание всех узлов и элементов в каждом такте должно происходить строго одновременно. Для достижения этой цели применяется жёсткая синхронизация с помощью специальных синхроимпульсов. Для работы в схемах с синхронизацией режима разработаны синхронные RS-триггеры.

Рисунок 45 Синхронные RS-триггеры: — а) на элементах ИЛИ-НЕ, — в) на элементах И-НЕ и их УГО б), и г).

Особенностью синхронного триггера является то, что ввиду наличия в схеме управления инвертирующих элементов, происходит изменение исполнительного значения управляющих сигналов по сравнению с асинхронными.

Синхронные RS-триггеры имеют три входа: S, R и C. Применение синхронизации не устраняет неопределённое состояние триггера, возникающее при одновременной подаче единичных сигналов на все три входа. Поэтому условием нормального функционирования является следующее неравенство:

SRC ≠ 1

Кроме трёх основных входов, синхронные RS-триггеры снабжаются ещё входами асинхронной установки состояния триггера — Ś и Ŕ. Они предназначены для подачи приоритетных сигналов установки триггера в исходное состояние (0 или  1) в начале цикла работы независимо от воздействия сигналов на входах S и R, то есть в обход схемы управления.

По своему воздействию на состояние триггера входы Ś и Ŕ являются самыми главными и поэтому на УГО отделяются от остальных сигналов горизонтальной линией.

RS-триггеры S, R и E-типов

В отличие от обычных RS-триггеров у триггеров S, R и E-типов комбинация сигналов S=R=1 не является запрещённой. При разнополярных сигналах алгоритм работы триггеров S, R и E-типов такой же, как и у обычных RS-триггеров, но при S=R=1 триггер S-типа переключается в «1», триггер R-типа в «0», а триггер E-типа не изменяет своего состояния (Рисунок 45).

Рисунок 46 RS-триггер Е-типа

Схема работает как обычный RS-триггер, но при подаче сигналов S=R=1 вентили D5 и D6 обеспечивают закрытое состояние элементов D1 и D2, поэтому выходное состояние триггера Q остаётся без изменения.

Если исключить из схемы Рисунок 46 элемент D6, то при подаче на вход сигналов S=R=1 блокируется только элемент D2, на выходе которого устанавливается «1», а на выходе D1 формируется «0». Эти сигналы устанавливают триггер в состояние Q=1, или подтверждают его, если до подачи сигналов S=R=1 триггер находился в состоянии Q=1. Такой триггер называется RS-триггером S-типа.

Если исключить из схемы Рисунок 46 элемент D5, оставив элемент D6, то при подаче на вход сигналов S=R=1  блокируется только элемент D1, поэтому триггер устанавливается в состояние Q=0 или подтверждают его, если до подачи сигналов S=R=1 триггер находился в состоянии Q=0. Такой триггер называется RS-триггером R-типа.

5.1.2 D-триггеры (триггеры задержки)

D-триггеры — это электронные устройства с двумя устойчивыми выходными состояниями и одним информационным входом D.

Характеристическое уравнение триггера: Qn+1=Dn. Оно означает, что логический сигнал Qn+1 повторяет значение сигнала, установленное на входе триггера в предшествующий момент времени.

Благодаря включению элемента D1 на входы RS-триггера поступают разнополярные сигналы (Рисунок 47,а), поэтому запрещённое состояние входных сигналов исключено  но время задержки распространения сигнала элемента D1 должно быть меньше, чем у элементов D2 и D3 (tзд.р_1<tзд.р_2=tзд.р_3).

В приведённой выше схеме D-триггера вследствие задержки распространения сигналов сигнал на выходе Q появляется с определённой задержкой, как показано на рисунке 47,б. Таким образом, в асинхронном D-триггере задержка определяется параметрами элементов схемы.

Условное графическое изображение асинхронного D-триггера приведено на рисунке 47,в.

Рисунок 47 Асинхронный D-триггер

Тактируемые D-триггеры. DV-триггеры

Тактируемый D-триггер состоит из ЯП и ЛУ на двух логических  элементах И-НЕ, как показано на рисунке 48,а. Триггер устанавливается в состояние Qn+1=Dn только с приходом тактирующего импульса C=1, поэтому задержка тактируемого D-триггера определяется временем прихода тактового импульса. УГО тактируемого D-триггера приведено на рисунке 48,б.

Рисунок 48 Тактируемый D-триггер — а) и его УГО — б);

DV-триггер — в) и его УГО — г).

В схеме D-триггера часто параллельно входу C изготавливается ещё один вход V, как показано на рисунке 48,в. Такой триггер называется DV-триггером. При V=1 DV-триггер работает как обычный D-триггер, а при V=0 как бы защёлкивается и хранит ранее записанную информацию. Отсюда его второе название «триггер-защёлка», его УГО показано на рисунке 48,г.

D-триггер, тактируемый фронтом, построен по схеме «мастер-помощник» на двух триггерах D1 и D2, тактируемых импульсом и одном инверторе D3 (Рисунок 49,а). Такие схемы называются двухступенчатыми. Из схемы видно, что информационный вход D второго триггера соединён с выходом Q1, то есть триггеры по сигналу соединены последовательно. Инвертор является элементом развязки этих двух триггеров. Триггер D1 «мастер» тактируется прямым уровнем синхросигнала, а «помощник» D2-инверсным. При C=1 информация с входа D записывается на выход Q1, триггер D2 при этом закрыт. При переходе тактового сигнала C из 1 в 0 на тактовом входе триггера D2 формируется сигнал , триггер D2 открывается и записывает на основной выход Q информацию с выхода Q1. Таким образом, двухступенчатый триггер тактируется задним фронтом сигнала C, что и отмечается косой чертой на входе C УГО (Рисунок 49,б).

Рисунок 49 D-триггер, тактируемый фронтом, — а) и его УГО — б).

5.1.3 Триггер Т-типа (Счётный триггер)

Т-триггер или счётный триггер, имеет один счётный вход Т и два выхода (Рисунок 50,а). Функционирование триггера определяется уравнением:

Из уравнения следует, что Т-триггер каждый раз изменяет своё состояние на противоположное с приходом на счётный вход Т очередного тактирующего импульса длительностью tи. Этому способствует наличие перекрёстных обратных связей с выходов триггера на входы элементов D1 и D2. Для надёжной работы триггера, с целью сохранения информации о предыдущем состоянии триггера в момент его переключения, в схему вводят элементы задержки, имеющие время задержки tз>tи.

Рисунок 50 Т-триггеры: — а) структурная схема, б) УГО TV-триггера,

в) Т-триггер на основе D-триггера.

По окончании действия тактирующего импульса.

Пусть в исходном состоянии Q=1. Сигнал T=1 откроет элемент D2, так как на втором входе D2 имеется сигнал лог «1» с выхода Q, а элемент D1 будет закрыт. Триггер переходит в состояние Q=0. Вентиль D2 остаётся открытым в течение времени  tи, т.к. сигнал Q=1 будет задержан ЛЗ_1 на время τз>tи. В то же время сигнал   не попадёт на вентиль D1 из-за временной задержки  ЛЗ_2. При  отсутствии элементов задержки возможно неоднократное переключение триггера при условии, если длительность импульса tи значительно превышает время переключения триггера.

По окончании действия тактирующего импульса элементы D1 и D2 закроются, так как потенциал входа T=0. После чего на вход элемента D1 через ЛЗ_2 поступит сигнал . В результате с приходом второго импульса T=1 откроется элемент D1 и триггер переключится в состояние Q=1 и т. д.

Роль ЛЗ в Т-триггерах выполняют логические элементы с большим временем задержки tзд.р или специальные компоненты электронных схем, например, диоды с накоплением заряда.

Кроме счётного входа Т-триггер может иметь вход разрешения V (Рисунок 50,б). Сигнал на этом входе разрешает (при V=1) или запрещает (при V=0) срабатывание триггера от поступающих на вход T сигналов. Т-триггеры, имеющие дополнительный вход V, называются TV-триггерами. Наличие входа V позволяет организовать счёт в заданном временном интервале, что существенно расширяет функциональные возможности Т-триггера.

Счётный Т-триггер может быть построен на основе D-триггера, соединив инверсный выход D-триггера со входом D, как показано на рисунке 50,в. В такой схеме каждый переход 1/0 на входе C будет приводить к переходу триггера в противоположное состояние. Например, если Qn=1, то , и поэтому очередной тактовый импульс переведёт триггер в новое состояние, т.е. установит Qn+1=Dn=0. Для правильной работы Т-триггера тактовый импульс должен быть коротким, а наличие элемента задержки ЛЗ ослабляет требование к длительности тактового импульса.

Таким образом, из рассмотрения принципа работы Т-триггера следует, что при Т=1 спадающий фронт сигнала на входе C переводит триггер в противоположное состояние. Частота изменения потенциала на выходе Т-триггера в два раза меньше частоты импульсов на входе C. Это свойство Т-триггеров позволяет строить на их основе двоичные счётчики. Поэтому эти триггеры и называют счётными.

5.1.4 JK-триггеры

JK-триггер — это схема с двумя устойчивыми выходными состояниями и двумя входами J и K (Рисунок 51.а). Подобно RS-триггеру, в JK-триггере входы J и K — это входы установки выхода Q триггера в состояние 1 или 0. Однако, в отличие от RS-триггера, в JK-триггере наличие J=K=1 приводит к переходу выхода Q триггера в противоположное состояние. Условие функционирования JK-триггера описывается функцией:

Рисунок 51 JK-триггеры: а) асинхронные; б) тактируемые фронтом.

Триггер JK-типа называют универсальным потому, что на его основе с помощью несложных коммутационных преобразований можно получить RS и Т-триггеры, а если между входами J и K включить инвертор, то получится схема D-триггера.

Недостатком этой схемы является зависимость работы схемы от длительности тактового импульса. Импульс должен быть коротким и должен закончиться до завершения процесса переключения триггера. Для ослабления требования к длительности тактового импульса в цепи обратных связей можно включить элементы задержки, как показано на рисунке 51,а пунктиром. Однако этот путь не всегда является целесообразным.

Разработаны и применяются в основном в интегральном исполнении JK-триггеры, тактируемые фронтом тактовых импульсов, которые не чувствительны к длительности тактовых импульсов.

JK-триггеры, тактируемые фронтом, строятся по схеме MS (master-slave то есть мастер-помощник). В схеме имеется два триггера: основной D1…D4, помощник D5…D8 и цепь, разделяющая их — D9 (Рисунок 51,б).

Триггер работает следующим образом. Пусть в исходном состоянии Q=0, а . При отсутствии тактового импульса (C=0), вентили D1 и D2 закрыты вне зависимости от  сигналов на остальных входах.

Пусть J=1, тогда с приходом тактового импульса C=1, D1 откроется, а D2 останется закрытым. Элементы D5 и D6 закроются сигналом   с выхода элемента D9. Сигнал лог. «0», снимаемый с открытого вентиля D1, записывает в основной триггер информацию, устанавливая его в состояние «1» (P=1,

Несмотря на то, что на одном из входов D5 действует сигнал «1», а на одном из входов D6 — «0», они не изменят состояние вспомогательного триггера, так как на других входах элементов D5 и D6 действует сигнал лог. «0» с инвертора D9.

По окончании действия тактового импульса, появится сигнал лог. «1» на вторых входах вентилей D5, D6, а вентили D1 и D2 закроются. Так как основной триггер находится в состоянии «1», то откроется D5 и информация запишется во вспомогательный триггер (Q=1, ).

Совершенно аналогично сигнал «1», поданный на вход K, установит триггер в состояние «0».

Таким образом, в триггере данного типа изменение выходного сигнала происходит только в моменты, когда потенциал «C» переходит из «1» в «0». Поэтому говорят, что эти триггеры тактируются срезом (или фронтом) в отличие от триггеров, тактируемых потенциалом.

Условное графическое обозначение триггера приведено на рисунке 51,в.

Если соединить вместе входы J и K, то JK-триггер превратится в Т-триггер. Пусть триггер находится в исходном состоянии (). При подаче J=K=1 и C=1, вентиль D1 будет закрыт сигналом «0» с выхода . Так как открывается только вентиль D2, то триггер установится в нулевое состояние . При этом выходной потенциал Q=0 блокирует вентиль D2. Поэтому следующая комбинация J=K=1 и C=1 переводит триггер в состояние Q=1 и т.д.

5.1.5 Несимметричные триггеры

Несимметричный триггер (триггер Шмита) имеет два устойчивых состояния, однако, в отличие от симметричного триггера, нахождение его в том или ином устойчивом состоянии зависит от величины входного сигнала.

Несимметричный триггер на дискретных элементах состоит из двух транзисторов, в эмиттерную цепь которых включён резистор RЭ (Рисунок 52). При таком включении напряжение на базе транзистора VT1 зависит от значения коллекторного тока IК2 транзистора VT2. В свою очередь, базовая цепь VT2 через делитель R1/R2 соединена с коллекторной цепью транзистора VT1. Эти цепи создают замкнутую петлю положительной обратной связи, которая, как и в симметричном триггере, обеспечивает быстрое переключение триггера Шмита из одного устойчивого состояния в другое, когда оба транзистора работают в активном режиме.

Рисунок 52 Триггер Шмита на транзисторах

В отсутствие входного напряжения (Uвх=0) триггер находится в устойчивом состоянии. При этом транзистор VT2 открыт и насыщен, так как на его базу через резисторы Rк1, R1 подаётся положительное напряжение, а транзистор VT1 закрыт. За счёт протекающего коллекторного тока IК2=E/(RК2+RЭ) на резисторе RЭ создаётся падение напряжения и на базе VT1 относительно эмиттера действует запирающее напряжение UБЭ1=–RЭIК2. В таком состоянии триггера напряжение на выходе UВЫХ=U^0=RЭIК2+UКЭнас.

Если увеличивать входное напряжение, то пока Uвх<RЭIК2+UБЭнас триггер находится в исходном состоянии. Когда Uвх достигнет напряжения срабатывания UСРБ=RЭI_2+UБЭнас, открывается транзистор VT1, снижается его коллекторный потенциал, а следовательно и базовый ток VT2. В результате транзистор VT2 переходит в активный режим и в схеме развивается регенеративный процесс, приводящий к быстрому закрыванию транзистора VT2 и отпиранию VT1.

(5.1)

Параметры схемы несимметричного триггера рассчитываются таким образом, чтобы при уменьшении входного напряжения транзистор VT2 открывался и триггер переходил в исходное устойчивое состояние при напряжении отпускания UВХ=UОТП<UСРБ. При таком условии амплитудная передаточная характеристика имеет петлю гистерезиса (Рисунок 52,б).

Для открывания транзистора VT2 и перехода триггера в исходное устойчивое состояние необходимо уменьшить Uвх, чтобы транзистор VT1 перешёл из режима насыщения в активный режим работы. Только при этом условии напряжение на базе транзистора VT2 увеличится до UБЭнас.

(5.2)

Из соотношений (5.1) и (5.2) следует, что для обеспечения принятого условия UСРБ>UОТП, необходимо, чтобы RК1>RК2.

Конденсатор C1 на устойчивые состояния триггера влияния не оказывает. Он выполняет функцию форсирующего конденсатора во время во время включения и выключения транзистора VT2 и тем самым способствует сокращению времени переключения триггера из одного устойчивого состояния в другое.

Несимметричный триггер может быть реализован на логических элементах. Для этого достаточно включить последовательно чётное число элементов НЕ и выход этой цепочки соединить со входом цепью обратной связи, образуемой резисторами R1 и R2 (Рисунок 53,а).

В отсутствие входного сигнала (Uвх=0) напряжение на выходе (Uвых=0). Если пренебречь входным током ЛЭ, то при Uвх>0 напряжение на входе D1 UВХ=UВХ–R_1I, где I=(UВХ_1–UВЫХ)/R_2.

Таким образом,

UВХ_1 = UВХ + (UВЫХ – UВХ_1)R_1/R_2  (5.3)

Рисунок 53 Триггер Шмита на логических элементах

С ростом Uвх повышается напряжение Uвх1,  но пока Uвх1<Uпор логические элементы остаются в исходном состоянии и на выходе сохраняется сигнал U^0. Когда Uвх1=Uпор, происходит переключение логических элементов и на выходе возникает сигнал UВЫХ=U¹. В результате схема переходит в другое устойчивое состояние. Напряжение срабатывания можно определить из приведённого выше выражения (5.3), если принять Uвх1=Uпор, UВЫХ=U¹, Uвх=Uсрб:

UСРБ = UПОР + (UПОР  – U^0)R_1/R_2  (5.4)

Естественно, что при Uвх1>Uсрб на выходе схемы сохраняется состояние лог. «1».

При уменьшении Uвх триггер переходит в исходное состояние, когда Uвх=Uотп. Значение Uотп определяется из соотношения (5.3), если положить Uвх1=Uпор, Uвых=U^1, Uвх=Uотп.

UОТП= UПОР + (U^1 – UПОР)R_1/R_2 (5.5)

Из соотношений (5.4) и (5.5) следует, что Uсрб>Uотп и, таким образом, амплитудная передаточная характеристика несимметричного триггера на ЛЭ имеет петлю гистерезиса. Вычитая (5.5) из (5.4), получаем

UСРБ  – UОТП = (U^1 – U^0)R_1/R_2

Откуда видно, ширина петли гистерезиса пропорциональна логическому перепаду ∆UЛ.

Несимметричные триггеры применяют в качестве формирователей импульсов прямоугольной формы при воздействии на вход, например, синусоидального напряжения (Рисунок 53,б).

Поскольку выходное напряжение резко возрастает при UВХ=UСРБ, то такие триггеры используют и в качестве компаратора напряжения — устройства, которое позволяет зафиксировать момент достижения сигналом некоторого заданного уровня.

5.2 Регистры

Регистры — это функциональные узлы на основе триггеров, предназначенные для приёма, кратковременного хранения (на один или несколько циклов работы данного устройства), передачи и преобразования многоразрядной цифровой информации.

В зависимости от способа записи информации (кода числа) различают параллельные, последовательные и параллельно — последовательные регистры.

5.2.1 Параллельные регистры (регистры памяти)

Запись кода в параллельные регистры осуществляется параллельным кодом, то есть во все разряды регистра одновременно. Их функция сводится только к приёму, хранению и передаче информации. В связи с этим параллельные регистры называют регистрами памяти.

Параллельный N-разрядный состоит из N триггеров, объединённых общими цепями управления.

В качестве примера на рисунке 54,а приведена схема 4-разрядного параллельного регистра, построенного на RS-триггерах D5…D8. Элементы D1…D4 образуют цепь управления записью, а элементы D9…D12 — цепь управления чтением.

Рисунок 54 Функциональная схема а) и УГО б) параллельного регистра.

Перед записью информации все триггеры регистра устанавливают в состояние «0» путём подачи импульса «1» на их R-входы.

Записываемая информация подаётся на входы DI_1…DI_4. Для записи информации подаётся импульс «Зп», открывающий входные элементы «И». Код входного числа записывается в регистр. По окончании импульса «Зп» элементы D1…D4 закрываются, а информация, записанная в регистр, сохраняется несмотря на то, что входная информация может изменяться.

Для считывания информации подают сигнал «1» на вход «Чт». По этому сигналу на выходные шины регистра на время действия сигнала передаётся код числа, записанный в регистр. По окончанию операции чтения выходные ключи закрываются, а информация, записанная в регистр, сохраняется. То есть возможно многократное считывание информации. Условное графическое обозначение параллельного регистра приведено на рисунке 54,б.

5.2.2 Регистры сдвига

Регистры сдвига представляют собой цепочку последовательно включённых D-триггеров или RS- и JK-триггеров, включённых в режим D-триггера. Появление импульса на тактовом входе регистра сдвига вызывает перемещение записанной в нём информации на один разряд вправо или влево. Как и другие регистры, регистры сдвига используются для записи, хранения и выдачи информации, но основным их назначением является преобразование последовательного кода в параллельный или параллельного в последовательный.

Схема 4-разрядного регистра сдвига приведена на рисунке 55. Схема работает следующим образом. Благодаря тому, что выход предыдущего разряда соединён со входом «D» последующего, каждый тактовый импульс устанавливает последующий триггер в состояние, в котором до этого находился предыдущий. Так осуществляется сдвиг информации вправо.

Рисунок 54 4-разрядный регистр сдвига

Вход «D» первого триггера служит для приёма в регистр входной информации DI в виде последовательного кода. С каждым тактовым импульсом на этот вход должен подаваться код нового разряда входной информации.

Запись параллельного кода  информации может быть произведена через нетактируемые установочные входы   триггеров (на рисунке 55 не показаны).

С выхода «Q4» последнего триггера снимается последовательный выходной код. Код на этом выходе регистра появляется с задержкой относительно входного последовательного кода на число периодов тактовых импульсов, равное числу разрядов регистра.

Параллельный выходной код можно снять с выходов Q1…Q4 всех триггеров регистра сдвига, снабдив их выходными ключами, подобными выходным ключам параллельного регистра (См. рисунок 54,а).

5.2.3 Реверсивные регистры сдвига

Реверсивные регистры сдвига обеспечивают возможность сдвига информации как вправо, так и влево. Они имеют специальный вход управления направлением сдвига.

Поскольку транзисторы и логические элементы способны передавать сигналы только в одном направлении с входа на выход (слева направо), то, для сдвига информации влево, необходимо информацию с выхода последующих триггеров по специально созданным цепям подавать на входы предыдущих триггеров и записывать их следующим тактовым сигналом. Это эквивалентно сдвигу информации влево.

Фрагмент функциональной схемы реверсивного регистра сдвига приведён на рисунке 56.

Рисунок 56 Реверсивный регистр сдвига

Если сигнал на входе направления сдвига N=1, то потенциал на входе «Di» триггера определяется выходом Q триггера, стоящего слева от него. Если N=0, то выходом триггера, стоящего справа.

Таким образом, при N=1 тактовые импульсы производят сдвиг информации вправо, а при N=0 –— сдвиг информации влево.

5.2.4. Интегральные микросхемы регистров (примеры)

Интегральные микросхемы регистров, как и другие микросхемы, имеют дополнительные управляющие входы, расширяющие их функциональные возможности и делающие их универсальными. В качестве примера рассмотрим микросхему К155ИР13.

К155ИР13 — это 8-разрядный реверсивный регистр сдвига с возможностью параллельной записи информации. УГО этого регистра приведено на рисунке 57. Изучив назначение входных и выходных сигналов, легко усвоить функциональные возможности микросхемы и особенности её применения.

Рисунок 57 Реверсивный регистр сдвига и записи информации К155ИР13

Буферный регистр КР580ИР82, входящий в состав МП-комплекта КР580, построен на D-триггерах и предназначен для записи и сохранения 8-разрядных данных в течение заданного промежутка времени. Этот регистр называют также регистром-защёлкой. Например, в МП-системах на МР КР580 он используется сохранения в течение машинного цикла байта состояния, а на МП1810 — адреса, поступающего по мультиплексированной шине адреса-данных. Его функциональная схема и условное графическое обозначение приведены на рисунке 58,а,б.

Рисунок 58 Буферный регистр КР580ИР82:

а) — функциональная схема, б) — УГО

Регистр состоит из 8-и D-триггеров, тактируемых фронтом, и 8-и элементов с тремя выходными состояниями. Схема управления построена на двух элементах ИЛИ-НЕ.

Если на вход   поступит разрешающий сигнал низкого уровня, а на вход STB — сигнал высокого уровня, то информация с входов передаётся на выходы. После перехода сигнала на входе STB с высокого уровня на низкий, информация, записанная в регистр, сохраняется до появления следующего разрешающего сигнала на входе STB. Сигнал высокого уровня   переводит выводы DO0–DO7 в 3-е (высокоомное) состояние.

Таким образом, микросхема может работать в трёх режимах:

- =0, STB=1 — режим шинного формирователя;

- =0, STB=0 — режим защёлки:

- =1 — 3-е состояние (режим отключения от нагрузки).

Многорежимный буферный регистр (МБР) К589ИР12 является универсальным 8-и разрядным регистром, состоящим из D-триггеров и выходных буферных схем с 3-мя устойчивыми состояниями. МБР имеет также встроенную селективную логику: «Схема управления режимами» и отдельный D-триггер для формирования запроса на прерывание центрального процессора.

МБР предназначен для использования в качестве портов ввода информации в МП от внешних устройств, или портов вывода информации из МП во внешние устройства.

Функциональная схема МБР и его УГО приведены на рисунке 59,а,б.

Рисунок 59 МБР К589ИР12: а) Функциональная схема, б) УГО.

Схема управления режимами (D1, D2, D4) в зависимости от сочетания управляющих сигналов C, ВР,   обеспечивает:

- Запись входной информации от внешнего устройства по сигналам , или выходной информации по сигналам ;

- Хранение информации по сигналам ;

- Выдачу информации по сигналам ;

- Передачу входной информации на выход (режим шинного формирователя) по сигналам .

Схема управления прерываниями (D3, D5, D6) формирует запрос на прерывание для МП по окончании сигнала записи информации в МБР от внешнего устройства по спаду сигнала «C». Сброс сигнала   осуществляется по входу   триггером D5 при выборе кристалла микропроцессором для считывания информации, а также при начальной установке МБР сигналом «R».

5.3 Счётчики импульсов

5.3.1 Требования, предъявляемые к счётчикам

В устройствах цифровой обработки информации измеряемый  параметр (угол поворота, скорость, давление и т. п.) преобразуются в импульсы напряжения, число которых в соответствующем масштабе характеризует значение данного параметра. Эти импульсы подсчитываются счётчиками импульсов и выражаются в виде цифр.

Основными показателями счётчиков являются ёмкость и быстродействие.

Ёмкость, численно равная  КСЧ, характеризует число импульсов, доступное счёту за один цикл. Как уже было показано выше, ёмкость определяется количеством разрядов счётчика.

Быстродействие или максимально возможная скорость работы оценивается двумя параметрами:

– Разрешающая способность tраз.сч — минимальное время между двумя входными сигналами, в течение которого ещё не возникают сбои в работе счётчика. Величина, обратная разрешающей способности, называется максимальной частотой счёта fmax. fmax  определяет количество импульсов, которое может подсчитать счётчик за 1 сек.

fmax = 1/tраз.сч

– Время установки кода счётчика tуст — это время между моментом прихода входного сигнала и переходом счётчика в новое устойчивое состояние.

Для удовлетворения потребностей разработчиков цифровых электронных устройств различного назначения разработаны интегральные микросхемы счётчиков с широким спектром параметров. Всё многообразие счётчиков можно классифицировать по следующим признакам.

1 По направлению счёта:

• Суммирующие,

• Вычитающие,

• Реверсивные.

2 По коэффициенту счёта:

• Двоичные,

• Двоично-десятичные (декадные),

• С постоянным произвольным коэффициентом счёта,

• С переменным коэффициентом счёта.

3 По способу организации внутренних связей:

• С последовательным переносом,

• С параллельным переносом,

• С комбинированным переносом,

• Кольцевые.

Классификационные признаки независимы и могут встречаться в разных сочетаниях. Например, суммирующие счётчики могут быть как с последовательным, так и с параллельным переносом и могут иметь двоичный или десятичный коэффициент счёта.

5.3.2 Суммирующие счётчики

Простейшим счётчиком является Т-триггер, считающий до 2-х, то есть осуществляющий счёт и хранение не более 2-х сигналов.

Счётчик, образованный цепочкой из n триггеров сможет подсчитать в двоичном коде 2n импульсов. Число n определяет количество разрядов двоичного числа, которое может быть записано в счётчик. Число 2n называется модулем или коэффициентом счёта:

KСЧ  = 2n

Схема простейшего 4-х разрядного счётчика приведена на рисунке 60,а. Принцип работы счётчика проиллюстрирован временными диаграммами, приведёнными на рисунке 60,б.

Рисунок 60 Схема двоичного суммирующего счётчика а)

и временные диаграммы его работы б).

Первый разряд счётчика переключается с приходом каждого входного импульса, что соответствует алгоритму работы Т-триггера. На каждые два входных импульса Т-триггер формирует один выходной импульс.

Второй разряд переключается в состояние «1» после прихода каждого 2-го импульса.

Третий разряд — после прихода каждого 4-го импульса.

Четвёртый разряд — после прихода каждого 8-го импульса.

Таким образом, единичные значения сигналов на выходах триггеров регистра появляются с приходом 1, 2, 4, 8 импульсов, что соответствует весовым коэффициентам двоичного кода. Поэтому с выходов триггеров регистра можно прочитать параллельный двоичный код числа импульсов, поступивших на его вход. Например, после прихода 5 импульсов единичные значения установятся на выходах Q_1 и Q_3 (см. пунктирную линию на рисунке 60,б), что соответствует коду числа 5: 0101B. Аналогично, после прихода 13-и импульсов на выходах триггеров установится код 1101B.

Если число входных импульсов NВХ>KСЧ, то при NВХ=KСЧ происходит переполнение счётчика, после чего счётчик возвращается в нулевое состояние и повторяет цикл работы.

После каждого цикла счёта на выходе последнего триггера возникают перепады напряжения, то есть формируется один импульс. Это свойство определяет второе назначение счётчиков — деление числа входных импульсов.

Если входные сигналы периодичны и следуют с частотой fВХ, то частота fВЫХ:

fВЫХ = fВХ / KСЧ

В этом случае коэффициент счёта определяется как коэффициент деления и обозначается KДЕЛ.

У счётчика в режиме деления частоты используется сигнал только последнего триггера, а промежуточные состояния остальных триггеров не учитываются.

Всякий счётчик может быть использован как делитель частоты.

5.3.3 Вычитающие и реверсивные счётчики

Реверсивный счётчик может работать в качестве суммирующего и вычитающего.

Суммирующий счётчик, как было показано выше, получается при подсоединении к входу последующего каскада прямого выхода предыдущего.

Каждый входной импульс увеличивает число, записанное в счётчик, на 1. Перенос информации из предыдущего разряда в последующий происходит при смене состояния предыдущего разряда (триггера) с 1 на 0.

Вычитающий счётчик получается при подсоединении к входу последующего каскада инверсного выхода предыдущего. Он действует обратным образом: двоичное число, хранящееся в счётчике, с каждым поступающим импульсом уменьшается на 1.

Перенос из младшего разряда в старший имеет место при смене состояния младшего разряда с 0 на 1.

Переполнение происходит после достижения счётчиком нулевого состояния, при  этом в счётчик записывается максимально возможное значение, т.е. во все разряды — единицы.

Путём включения в схему двоичного суммирующего счётчика (рисунок 60), дополнительных ЛЭ, переключающих на вход последующего триггера прямого и инверсного выходов предыдущего, получается схема реверсивного счётчика. Фрагмент схемы реверсивного счётчика приведён на рисунке 61.

Рисунок 61 Фрагмент схемы реверсивного счётчика

Схема имеет два входа для подачи входных сигналов: +1 — при работе в режиме суммирования, -1 — при работе в режиме вычитания. Дополнительный управляющий вход N задаёт направление счёта. При N=0 схема (рисунок 61) работает как суммирующий счётчик, а при N=1 — как вычитающий.

5.3.4 Счётчики с произвольным коэффициентом счёта

В двоичных счётчиках коэффициент счёта KСЧ=2n и может быть равен 2, 4, 8, 16, 32 и т.д. На практике требуются счётчики с коэффициентом счёта не равным 2n, например, 3, 6, 10, 12, 24 и др.

Они выполняются на основе двоичных счётчиков путём исключения у счётчиков с KСЧ=2n соответствующего числа «избыточных» состояний S:

S = 2n – KСЧ

Например, двоично-десятичный (декадный) счётчик получают из 4-х разрядного, имеющего KСЧ=16, исключая 6 состояний.

Возможны 2 варианта построения схем:

а) Счёт циклически идёт от 0000 до 1001, а следующим импульсом обнуляется;

б) Исходным состоянием служит код 0110 числа 6 и счёт происходит до 1111_2=15, а следующим импульсом обнуляется.

Рисунок 62 Схема счётчика с Ксч =10

Схема счётчика с KСЧ=10, реализованная по первому варианту, приведена на рисунке 62. По сравнению со схемой двоичного счётчика (Рисунок 60), имеющего KСЧ=24=16, в схему дополнительно введён элемент D5, обнуляющий счётчик при совпадении двух «1» с весовыми коэффициентами 2 и 8. Использование приведённой выше схемы и ЛЭ D5 с 4-мя входами, позволит получить счётчик с любым коэффициентом счёта от 2-х до 15-и.

Для реализации схемы по второму варианту используются триггеры, имеющие входы асинхронной установки триггера .

5.3.5 Счётчики с последовательно-параллельным переносом

Все рассмотренные выше схемы счётчиков представляют собой счётчики с последовательным переносом. В этих счётчиках импульсы, подлежащие счёту, поступают на вход только одного первого триггера, а сигнал переноса передаётся последовательно от одного разряда к другому. Такие счётчики отличаются простотой схемы, но имеют невысокое быстродействие.

Счётчики с параллельным переносом строятся на синхронных триггерах.

Счётные импульсы подаются одновременно на тактовые входы всех триггеров, а каждый из триггеров цепочки служит по отношению к последующим только источником сигналов. Срабатывание триггеров параллельного счётчика происходит синхронно, и задержка переключения всего счётчика равна задержке для одного триггера. Следовательно, такие счётчики более быстродействующие. Их основным недостатком является большая мощность, потребляемая от источника входных сигналов, так как входные импульсы подаются на тактовые входы всех триггеров.

Для устранения недостатков рассмотренных выше счётчиков разработаны и используются счётчики с последовательно-параллельным переносом.

В счётчиках с последовательно-параллельным переносом триггеры объединены в группы так, что отдельные группы образуют счётчики с параллельным переносом, а группы соединяются с последовательным переносом. В роли групп могут быть и готовые счётчики.

Общий коэффициент счёта таких счётчиков равен произведению коэффициентов счёта всех групп.

В качестве примера рассмотрим счётную декаду на JK-триггерах, приведённую на рисунке 63.

Рисунок 63 Счётная декада на JK-триггерах

Схема состоит из двух групп. Первая группа — это триггер DD1.

Вторая группа, состоящая из трёх триггеров DD2–DD4, представляет собой счётчик с параллельным переносом и тактируется выходным сигналом первого триггера. Группы соединены между собой последовательно.

Схема работает следующим образом.

При подаче на вход импульсов с 1-го по 8-ой декада работает как обычный двоичный счётчик импульсов.

К моменту прихода 8-го импульса на двух входах J 4-го триггера формируется уровень лог. «1». 8-ым импульсом этот триггер переключается в состояние лог. «1», а уровень лог. «0» с его инверсного выхода, подаваемый на вход «J» второго триггера, запрещает его переключение в единичное состояние под действием 10-го импульса.

10-ый импульс восстанавливает нулевое состояние 4-го триггера и цикл работы счётчика повторяется.

5.3.6 Универсальные счётчики в интегральном исполнении (Примеры)

Микросхемы счётчиков К155ИЕ2, К155ИЕ4 и К155ИЕ5,

УГО которых приведены на рисунке 64 а, б, в представляют собой счётчики с последовательно-параллельным переносом, структурные схемы которых подобны схеме, приведённой на рисунке 63.

Рисунок 64 Микросхемы счётчиков К155ИЕ2, К155ИЕ4 и К155ИЕ5

Структурные схемы счётчиков содержат по 4-е JK-триггера в счётном режиме. Первый триггер имеет отдельный вход C1 и прямой выход — 1, три оставшиеся триггера соединены между собой так, что образуют параллельные счётчики с коэффициентами счёта равными 5 (К15ИЕ2), 6 (К155ИЕ4) и 8 (К1ИЕ5).

При соединении выхода первого триггера со входом C2 цепочки из 3-х триггеров образуются счётчики с коэффициентами счёта 10, 12 и 16 соответственно.

Микросхемы имеют по два входа R, объединённые по «И». Микросхема К155ИЕ2 имеет кроме того входы установки в состояние 9, при котором первый и последний разряды устанавливаются в «1», а остальные в «0», то есть 1001_2=9.

Наличие входов установки, например, в «0», позволяет строить делители частоты (счётчики) с различными коэффициентами деления (счёта) в пределах 2–16 без использования дополнительных логических элементов.

На рисунке 61,г показано преобразование счётчика, имеющего KСЧ=12, в десятичный.

До прихода 10-го импульса схема работает как делитель частоты на 12. Десятый импульс переводит триггеры МС в состояние, при котором на выходах 4 и 6 МС формируются лог. «1».

Эти уровни, поступая на входы R, объединённые по «И», переводят МС в состояние «0»; в результате чего KСЧ (KДЕЛ) становится равным 10.

Реверсивные счётчики К155ИЕ6 и К155ИЕ7 (Рисунок 65)

Прямой счёт осуществляется при подаче отрицательных импульсов на вход +1, при этом на входах –1 и C должна быть лог. «1», а на входе R — лог. «0». Переключение триггеров происходит по спадам входных импульсов.

Рисунок 65 Реверсивные счётчики К155ИЕ6 а) и К15ИЕ7 б).

Уровни на выходах 1–2–4–8 соответствуют состоянию счёта в данный момент времени.

Отрицательный импульс на выходе ≥9 (≥15) формируется одновременно с 10 (или 16) импульсом на входе +1. Этот импульс может подаваться на вход +1 следующей МС многоразрядного счётчика. При обратном счёте входные импульсы подаются на вход –1, выходные импульсы снимаются с выхода ≤0.

Счётчик-делитель частоты с переменным коэффициентом деления К155ИЕ8 (Рисунок 66).

Микросхема содержит 6-разрядный двоичный счётчик, элементы совпадения и элемент собирания. Элементы совпадения блокируют прохождение импульсов, не совпадающих с запрограммированным кодом, а элемент собирания позволяет передавать на выход только выделенные импульсы.

Рисунок 66 Счётчик – делитель частоты К155ИЕ8

В результате средняя частота выходных импульсов может изменяться от 1/64 до 63/64 частоты входных импульсов.

Число импульсов на выходе   за период счёта (до 64) подсчитывается по формуле: N=32·x32+16·x16+8·x8+4·x4+2·x2+1·x1, где x1–x32 принимают значения соответственно 0 или 1 в зависимости от того подан или нет уровень лог. «1» на соответствующий вход.

6 Запоминающие устройства

6.1 Иерархия запоминающих устройств ЭВМ

Запоминающие устройства (ЗУ) служат для хранения информации и обмена ею с другими устройствами. Микросхемы и системы памяти постоянно совершенствуются как в области схемотехнологии, так и в области развития новых архитектур.

Важнейшие параметры ЗУ находятся в противоречии. Так, например, большая информационная ёмкость не сочетается с высоким быстродействием, а быстродействие в свою очередь не сочетается с низкой стоимостью. Поэтому в ЗУ используется многоступенчатая иерархическая структура.

В наиболее развитой иерархии памяти ЭВМ можно выделить следующие уровни.

Регистровые ЗУ — находятся внутри процессора. Благодаря им уменьшается число обращений к другим уровням памяти, находящимся вне процессора и требующим большего времени для операции обмена.

Кэш-память — быстродействующая память, которая может находиться внутри или вне процессора. Она предназначена для хранения копий информации, находящейся в более медленной основной памяти.

Оперативная память (RAM — Read Access Memory) или оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) — часть основной памяти ЭВМ, предназначенной для хранения быстро изменяемой информации. В ОЗУ хранятся программы пользователей промежуточные результаты вычислений.

Постоянная память (ROM — Read Only Memory — память только для чтения) или постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) — это вторая часть основной памяти ЭВМ, предназначенной для хранения редко меняемой информации, например, кодов команд, тестовых программ.

Специализированные виды памяти, например, видеопамять, предназначенная для хранения информации, отображаемой на экране дисплея и др.

Внешняя память — магнитные и оптические диски, FLASH-память, предназначенные для хранения больших объёмов информации.

6.2 Структурные схемы ЗУ

ЗУ адресного типа состоят из трёх основных блоков:

- Массив элементов памяти,

- Блок адресной выборки,

- Блок управления.

Многочисленные варианты ЗУ имеют много общего с точки зрения структурных схем. Общность структур особенно проявляется для статических ОЗУ и памяти ROM; для них характерны структуры 2D, 3D и 2DM.

Структура 2D

В ЗУ, с информационной ёмкостью M, запоминающие элементы организованы в матрицу размерностью k·m:

M = k·m,

где k — количество хранимых слов,

m — их разрядность.

Дешифратор адресного кода имеет k выходов и активизирует одну из выходных линий, разрешая одновременный доступ ко всем элементам выбранной строки, хранящей слово.

Элементы каждого из столбцов соединены вертикальными разрядными линиями и хранят одноимённые биты всех слов.

Таким образом, при наличии разрешающего сигнала CS, выбранная дешифратором ячейка памяти подключается к разрядным шинам, по которым производится запись или считывание адресованного слова.

Структура 3D

Структура типа 2D применяется лишь в ЗУ с малой информационной ёмкостью, т.к. при росте ёмкости усложняется дешифратор адреса. Например, при коде разрядностью n=8 дешифратор должен иметь 2n=256 выходов.

В структуре типа 3D выборка элемента памяти из массива производится по двум координатам. Код адреса разрядностью n делится на две половины и используются два дешифратора: по строкам и по столбцам. При этом число выходов двух дешифраторов равно 2n/2+2n/2=2n/2+1. Если n=8, то число выходов дешифраторов равно 2^4+2^4=32, а количество элементов памяти равно 2n/2·2n/2=2n=256. В структуре 2D-типа, как уже было отмечено выше, потребовался бы более сложный дешифратор на 256 выходов.

Таким образом, с помощью двух дешифраторов, имеющих небольшое число выходов, осуществляется доступ ко всем элементам памяти микросхемы.

Структура 3D может применяться и в ЗУ с многоразрядной организацией, принимая при этом «трёхмерный» характер. В этом случае несколько матриц управляются от двух дешифраторов, относительно которых матрицы включены параллельно.

Структура 2DM (Рисунок 67)

состоит из дешифратора, который выбирает целую строку. Однако, в отличие от структуры 2D, длина строки многократно превышает разрядность хранимых слов. При этом число строк уменьшается и, следовательно, уменьшается число выводов дешифратора.

Выбор строк матрицы памяти производится с помощью старших разрядов адреса An-1…Ak. Остальные k разрядов используются для выбора необходимого m-разрядного слова из множества слов, содержащихся в строке.

Рисунок 66 Структура ЗУ типа 2DM для ROM

Это выполняется с  помощью мультиплексоров, на адресные входы которых подаются коды Ak-1…A_0. Длина строки равна m·2k, где m — разрядность слов.

Из каждого отрезка строки, длиной 2k, мультиплексор выбирает один бит. На выходах m мультиплексоров формируется выходное m-разрядное слово. По разрешению сигнала CS, поступающего на входы OE управляемых буферов с тремя выходными состояниями, выходное слово передаётся на внешнюю шину.

6.3 Оперативные запоминающие устройства

6.3.1 Типы оперативных запоминающих устройств

В зависимости от способа хранения информации оперативные запоминающие устройства (ОЗУ) подразделяются на статические и динамические. В статических ОЗУ (Static RAM — SRAM) запоминающими элементами являются триггеры, сохраняющие своё состояние, пока схема находится под питанием и нет новой записи данных.

В динамических ОЗУ (Dynamic RAM — DRAM) данные хранятся в виде зарядов конденсаторов, образуемых элементами МОП-структур. Саморазряд конденсаторов ведёт к разрушению данных, поэтому они должны периодически (каждые несколько миллисекунд) регенерироваться. В то же время плотность упаковки динамических элементов памяти в несколько раз превышает плотность упаковки достижимую в статических RAM.

Регенерация данных в статических ЗУ осуществляется с помощью специальных контроллеров. Разработаны также ЗУ с динамическими запоминающими элементами, имеющие внутреннюю встроенную систему регенерации, у которых внешнее поведение относительно управляющих сигналов становится аналогичным поведению статических ЗУ. Такие ЗУ называются квазистатическими.

В целом динамические ЗУ характеризуются наибольшей информационной ёмкостью и невысокой стоимостью, поэтому именно они используются как основная память ЭВМ.

Статические ОЗУ делятся на асинхронные и тактируемые.

В асинхронных ЗУ сигналы управления могут задаваться как импульсами, так и уровнями. Например, сигнал разрешения работы   может оставаться неизменным и разрешающим на протяжении многих циклов обращения к памяти.

В тактируемых ЗУ некоторые сигналы обязательно должны быть импульсными. Например, сигнал разрешения работы   в каждом цикле обращения должен переходить из пассивного состояния в активное, то есть должен формироваться фронт этого сигнала в каждом цикле. Асинхронные ЗУ могут использоваться в качестве тактируемых.

Статические ЗУ в 4…5 раз дороже динамических и приблизительно во столько же раз  меньше по информационной ёмкости. Их достоинством является высокое быстродействие. Область применения относительно дорогостоящих статических ОЗУ в системах обработки информации определяется именно их высоким быстродействием. Типичной областью применения статических ОЗУ в ЭВМ являются схемы КЭШ-памяти.

Запоминающими элементами статических ОЗУ служат триггеры с цепями установки и сброса. Триггеры можно реализовать по любой схемотехнологии (ТТЛШ, И²Л, n-МОП, КМОП и др.), в соответствии с которой разработаны разнообразные схемы ЗУ с различными параметрами.

6.3.2 Основные параметры ЗУ

Важнейшими параметрами ЗУ являются информационная ёмкость и быстродействие.

Информационная ёмкость — максимально возможный объём хранимой информации. Выражается в битах или словах (в частности, в байтах). Бит хранится запоминающим элементом (ЗЭ), а слово — запоминающей ячейкой (ЗЯ), т.е. группой ЗЭ, к которой возможно лишь одновременное обращение.

Быстродействие (производительность) ЗУ оценивают временами записи, считывания и длительностями циклов записи/чтения.

Время записи — интервал после появления сигнала записи и установлением ЗЯ в состояние, задаваемое входным словом.

Время считывания — интервал между моментами появления сигнала чтения и слова на выходе ЗУ. Циклы записи и чтения — это время между двумя последовательностями записи или чтения. Длительности циклов могут превышать времена записи и чтения, так как после этих операций может потребоваться время для восстановления начального состояния ЗУ.

Кроме основных (эксплуатационных или измеряемых) параметров, ЗУ характеризуются рядом режимных параметров, обеспечение которых необходимо для нормального функционирования ЗУ. Поскольку ЗУ имеют несколько управляющих сигналов, то для них задаются не только длительности, но и взаимное положение во времени.

6.3.3 Внешняя организация и временные диаграммы статических ОЗУ

В номенклатуре статических ЗУ представлены микросхемы с одноразрядной и словарной организацией. Внешняя организация статического ЗУ ёмкостью 64 Кбита (8К×8) показана на рисунке 68.

Один из возможных наборов сигналов ЗУ.

Рисунок 68 Пример внешней организации статического ЗУ

A — адрес. Разрядность n определяется числом ячеек ЗУ, т.е. максимально возможным числом хранимых в ЗУ слов N=2n, а n=log_2N. Например, ЗУ с ёмкостью 8К слов имеет 13-разрядные адреса, выражаемые словами A=a_12a_11a_10…a_0, а с ёмкостью 64К слов — 16-разрядные адреса: A=a_15a_14a_13…a_0.

DI и DO — шины входных и выходных данных; m — их разрядность. В рассматриваемом примере DI и DO объединены в общую шину DIO.

CS — выбор кристалла разрешает или запрещает работу данной микросхемы.

R/W — чтение или запись. R/W=1 — «Чтение», R/W=0 — «Запись».

CE — Chip Enable — разрешение по выходу, пассивное состояние которого  переводит выходы в третье состояние. Работа ЗУ отображается таблицей (таблица 9).

Таблица 9 Задание режимов работы микросхемы ЗУ

R/W

A

DIO

Режим

1

X

X

X

Z

Хранение

0

X

0

A

DI

Запись

0

0

1

A

DO

Чтение

Рисунок 69 Временные диаграммы процессов

записи а) и чтения б) в статическом ЗУ

Функционирование ЗУ во времени регламентируется временными диаграммами, устанавливаемые изготовителями. В основу кладутся определённые требования. Например, чтобы исключить возможность обращения к другой ячейке, рекомендуется подавать адрес раньше, чем другие сигналы, с опережением на время его декодирования. Адрес должен держаться в течение всего цикла обращения к памяти.

Затем следует подать сигналы, определяющие направление передачи данных и, если предполагается запись, то записываемые данные, а также сигнал выборки кристалла. Среди этих сигналов будет и стробирующий, т.е. выделяющий временной интервал непосредственного выполнения действия. Таким сигналом для разных ЗУ может служить как сигнал R/W, так и сигнал .

Если задана операция чтения, то дополнительно подаётся сигнал разрешения выхода. После подачи указанных выше сигналов ЗУ готовит данные для чтения, что требует определённого времени. По заднему фронту сигнала R, положение которого должно обеспечивать установление правильных данных на выходе ЗУ, данные считываются из ЗУ.

Требования к взаимному расположению двух сигналов (например, A и B) задаётся временами предустановки, доступа, удержания и сохранения.

Время предустановки сигнала A относительно сигнала B: tSU(A–B) — это интервал между началами обоих сигналов.

На рисунке 69 а, б обозначено tSU(A–CS) и tSU(A–WR). Это времена предустановки сигналов CS и WR относительно адреса.

Время доступа обозначается символом A (от слова Access) — интервал времени от появления того или иного управляющего сигнала до появления информационного сигнала на выходе. Время доступа относительно адреса tA(A) часто обозначается просто tA. Аналогично этому, время доступа относительно сигнала CS, т.е. tA(CS) обозначают tCS.

Время удержания — интервал между началом сигнала A и концом сигнала B tH(A–B). На рисунке 69,б время tH(A–DI) удержания адреса относительно снятия входных данных представляет собой «цикл чтения», а tH(DI–CS) — время подготовки входных данных.

Время сохранения tV(A–B) — интервал между окончанием сигнала A и окончанием сигнала B. На рисунке 69,б интервал tV(RD–CS) означает время сохранения данных относительно сигнала «Выбор кристалла» (или сигнала чтения). Этот интервал необходимо обеспечить для уменьшения вероятности появления ошибки при чтении «неустановившейся» информации. Длительность сигнала обозначается tW (индекс от слова Width — ширина).

6.3.4 Микросхемы ОЗУ

В последнее время наиболее интенсивно развиваются статические ОЗУ  выполненные по технологии КМОП, которые по мере уменьшения топологических норм технологического процесса приобретают всё более высокое быстродействие при сохранении своих традиционных преимуществ.

МС К155РУ2 — представляет собой ОЗУ со структурой 2D и с организацией 16×4=64 (Рисунок 70,а). МС изготовлена по технологии ТТЛ.

Массив ЭП представляет собой матрицу, состоящую из 16 строк и 4 столбцов. Элементы каждого из столбцов соединены внутренней разрядной линией данных и хранят одноимённые биты всех слов.

Ячейка памяти состоит из 4-х триггеров, управляемых общим сигналом.

При CS=0 одна из ячеек, соответствующая выставленному адресу, переходит в рабочее состояние, её сигналы поступают на входы элементов И(7…10).

При CS=1 на всех выходах дешифратора низкие уровни и, следовательно, все триггеры отключены от входных шин накопителя.

При CS=0 и W=0 на выбранную ячейку поступают информационные сигналы с входов D1…D4 и элементом И_1 вырабатывается сигнал «Запись». Входная информация со входов D1…D4 записывается в ячейку.

При CS=0 и W=1 формируется сигнал «Чтение» и информация из выбранной ячейки читается с выходов Q1…Q4.

Рисунок 70 МС К155РУ2: а) Структурная схема, б) Условное обозначение

Микросхемы К176РУ2, К561РУ2 с организацией 256×1 изготовлены по технологии КМОП и представляют собой ЗУ со структурой 3D (Рисунок 71,а).

Рисунок 71 Микросхема К176РУ2: а) Структурная схема; б) Элемент памяти.

Структурная схема МС К176РУ2 приведена на рисунке 71,а. Схема содержит два дешифратора: DC столбцов и DC строк. Дешифраторы имеют по 4 входа, на которые подаётся по 4 разряда из общего 8-разрядного адреса, и по 16 выходов. Каждая ячейка памяти находится на пересечении строки и столбца, поэтому два дешифратора обеспечивают обращение к 16×16=256 элементам памяти.

Каждый элемент памяти представляет собой статический RS-триггер (рисунок 71,б). Триггер имеет два парафазных входа/выхода. С разрядными шинами РШ0 и РШ1 триггер соединён через ключи VT5 и VT6. По разрядным шинам к триггеру подводится при записи и отводится при считывании информация в парафазной форме представления по РШ1 своим прямым значением, а по РШ0 — инверсным.

В режимах «Запись» и «Чтение» при возбуждении строки сигналом выборки Xi=1, снимаемым с дешифратора адреса строк, ключи VT5 и VT6 открываются и подключают триггер к разрядным шинам.

При Xi=0 ключи закрыты и триггер отключён (изолирован) шин, а информация в них хранится.

При считывании информации ключи подключают элемент памяти к разрядным шинам, они принимают потенциалы выходов  триггера и через устройство ввода/вывода передают их на выход микросхемы.

РШ охватывают все элементы одного столбца, а переходит в активное состояние только один ЭП, соответствующий выбранной строке. Из него и считывается информация.

Среди отечественных серий микросхем хорошо развитыми являются серии К537 технологии КМОП с информационной ёмкостью от 1024×1 (К537РУ1) до 8192×8 (К537РУ17) и К132 технологии n-МОП с информационной ёмкостью от 1024×1 (К132РУ2) до 65536×1 (К132РУ10).

Ориентировочные значения основных параметров ОЗУ различных технологий приведены в таблице 10.

Таблица 10 Значения основных параметров ОЗУ

Информационная ёмкость, кбит

Время выборки, нс

Потребляемая мощность в режиме обращения, мкВт/бит

Технология

64

2.7–15

0.02–0.5

ЭСТЛ

16

35–100

0.05–0.1

ТТЛ

16

100–200

0.03–0.05

И²Л

64

25–300

0.01–0.2

n-МОП

256

25–200

0.005–0.02

КМОП

16

1.7–4.5

0.1–0.2

GaAs

Список использованных источников

1 Быстров Ю.А. Электронные цепи и микросхемотехника: Учебник. – М.: Высш, шк., 2002. – 384 с.

2 Гусев В. Г. Электротехника и микропроцессорная техника: Учебник для вузов. – М.: Высшая школа, 2006. – 800 с.

3 Нарышкин А. К. Цифровые устройства и микропроцессоры: Учеб. пособие для студ. Высш. Учеб. Заведений – М.: Издательский центр «Академия» , 2006. – 320 с.

4 Новиков Ю. В. Введение в цифровую схемотехнику – М.: Интернет – Университет Информационных Технологий; БИНОМ. Лаборатория знаний, 2007. – 373 с.

5 Угрюмов Е. П. Цифровая схемотехника. – СПб. : БХВ – Петербург, 2001. - 528 с.

6 Цифровые и аналоговые интегральные микросхемы: Справочник / С. В. Якубовский, Л. И. Ниссельсон, В. И. Кулешова и др.; Под редакцией С. В. Якубовского, — М. : Радио и связь, 1989. – 496 с.

Content

Элементы схемотехники цифровых устройств обработки информации
Екатеринбург 2008

Введение

1 Арифметические и логические основы ЭВМ

1.1  Арифметические  основы  ЭВМ

1.2  Логические  основы  ЭВМ

1.2.1 Основные положения алгебры логики

1.2.2 Логические элементы

1.2.3 Законы и тождества алгебры логики

2 Основы синтеза цифровых устройств

2.1 Последовательность операций при синтезе цифровых устройств комбинационного типа

2.2 Аналитическая запись логической формулы КЦУ

2.3 Понятие базиса

2.4 Минимизация логических формул

2.4.1 Расчётный метод минимизации

2.4.2 Минимизация неопределённых логических функций

2.5 Запись структурных формул в универсальных базисах

3 Логические элементы

3.1 Основные параметры логических элементов

3.2 Транзисторно-транзисторная логика

3.2.1 ТТЛ элемент И-НЕ с простым инвертором

3.2.2 ТТЛ элемент со сложным инвертором

3.2.3 Элементы ТТЛШ

3.2.4 Элементы ТТЛ с тремя выходными состояниями —

3.3 Эмиттерно-связанная логика

3.4 Транзисторная логика с непосредственными связями (ТЛНС)

3.5 Интегральная инжекционная логика

3.6 Логические элементы на МОП-транзисторах

3.6.1 Логические элементы на ключах с динамической нагрузкой

3.6.2 Логические элементы на комплементарных ключах

4 Цифровые устройства комбинационного типа

4.1 Двоичные сумматоры

4.1.1 Одноразрядные сумматоры

4.1.2 Многоразрядные сумматоры

4.1.3 Арифметико-логические устройства

4.2 Кодирующие и декодирующие устройства

4.2.1 Шифраторы

4.2.2 Дешифраторы (декодеры)

4.3 Коммутаторы цифровых сигналов

4.3.1 Мультиплексоры

4.3.2 Дешифраторы-демультиплексоры

4.4 Устройства сравнения кодов. Цифровые компараторы

4.5 Преобразователи кодов. Индикаторы

5 Цифровые устройства последовательностного типа

5.1 Триггеры

5.1.1 RS-триггеры

5.1.2 D-триггеры (триггеры задержки)

5.1.3 Триггер Т-типа (Счётный триггер)

5.1.4 JK-триггеры

5.1.5 Несимметричные триггеры

5.2 Регистры

5.2.1 Параллельные регистры (регистры памяти)

5.2.2 Регистры сдвига

5.2.3 Реверсивные регистры сдвига

5.2.4. Интегральные микросхемы регистров (примеры)

5.3 Счётчики импульсов

5.3.1 Требования, предъявляемые к счётчикам

5.3.2 Суммирующие счётчики

5.3.3 Вычитающие и реверсивные счётчики

5.3.4 Счётчики с произвольным коэффициентом счёта

5.3.5 Счётчики с последовательно-параллельным переносом

5.3.6 Универсальные счётчики в интегральном исполнении (Примеры)

6 Запоминающие устройства

6.1 Иерархия запоминающих устройств ЭВМ

6.2 Структурные схемы ЗУ

6.3 Оперативные запоминающие устройства

6.3.1 Типы оперативных запоминающих устройств

6.3.2 Основные параметры ЗУ

6.3.3 Внешняя организация и временные диаграммы статических ОЗУ

6.3.4 Микросхемы ОЗУ

Список использованных источников