Тема Математическое введение в цифровую технику. 1-1

Тема 4. Комбинационные цифровые устройства.


4-1. Понятие комбинационного цифрового устройства, микросхемы комбинационного типа малой степени интеграции.
Под комбинационным цифровым устройством (КЦУ) понимается цифровое устройство, обеспечивающее преобразование совокупности N входных цифровых сигналов в M выходных, при этом состояние выходных сигналов в данный момент времени определяется состоянием входных сигналов в этот же момент времени. Иными словами, КЦУ «не помнит» предыстории поступления сигналов на его входы. Правила функционирования КЦУ определяются реализуемыми ими функциями алгебры логики.
Реализация КЦУ предполагает выбор определенных логических элементов из заданного набора и их соединение таким образом, чтобы обеспечивалась зависимость цифровых выходных сигналов от входных с заданными правилами функционирования. При реализации КЦУ широко используются интегральные комбинационные логические микросхемы малой степени интеграции, образующие основу элементной базы цифровой электроники. В настоящее время, как в нашей стране, так и за рубежом, выпускается широкая номенклатура комбинационных микросхем малой степени интеграции ТТЛ-, ЭСЛ- и КМОП-типов. При выборе конкретной микросхемы необходимо руководствоваться видом реализуемой ею логической функции, быстродействием, нагрузочной способностью и возможностью совместимости электрических характеристик входных и выходных сигналов с остальными элементами схемы.
Перечислим в качестве примера некоторые стандартные буквенные обозначения, записываемые в маркировке микросхем комбинационного типа малой степени интеграции и определяющие выполняемые ими функции: ЛА обозначает функцию И-НЕ; ЛЕ - функцию ИЛИ-НЕ; ЛИ – функцию И; ЛЛ - функцию ИЛИ; ЛР – функцию И-ИЛИ-НЕ; ЛН – функцию НЕ; ЛП – функцию повторителя. Микросхемы со стандартными выходными электрическими параметрами не сопровождаются в своих условных графических обозначениях (УГО) какими-либо дополнительными признаками. Если выходы микросхем имеют повышенную нагрузочную способность, то в УГО таких микросхем рядом с соответствующими выводами или группой выводов проставляется знак « ». Часто выходы микросхем ТТЛ-типа выполняют с открытыми коллекторами, о чем свидетельствует обозначение « » в УГО микросхемы. Это позволяет задавать выходные напряжения логической единицы больше стандартных значений при помощи так называемых подтягивающих резисторов или иных цепей, подключающих выходы этих микросхем к источнику напряжения необходимого уровня. К таким выводам можно, например, напрямую подключать индикаторы различных типов или осуществлять преобразование уровней ТТЛ в иные.
Отдельно следует отметить класс микросхем, способных принимать третье пассивное Z-состояние или, как его еще называют, высокоимпедансное состояние. Такое состояние характеризуется высоким внутренним сопротивлением входов или выходов, благодаря которому они оказываются как бы отключенными от информационных цепей схемы. Признаком наличия Z-состояния является символ « » в УГО у соответствующего вывода микросхемы или группы выводов. Такие микросхемы всегда кроме информационных входов имеют входы, управляющие состоянием выходов. При подаче на эти входы активного логического уровня выходы микросхемы переключаются в высокоимпедансное состояние.
Как было отмечено раньше, при выборе цифровых микросхем необходимо учитывать возможность согласования энергетических уровней их входных и выходных сигналов. Одним из способов согласования уровней ТТЛ и КМОП является выбор микросхем ТТЛ-типа с открытыми коллекторами и подтягивание уровней логических единиц их выходов до логических единиц уровня КМОП с помощью подтягивающих резисторов. Существуют специально разработанные для этих целей микросхемы согласования уровней. Функция согласования логических уровней задается символами ПУ в маркировке микросхемы.
При формировании сигналов ТТЛ- или КМОП-уровней из аналогового сигнала, например из синусоиды, при обработке сигналов в условиях большого уровня помех, а также в генераторах импульсов широкое применение нашли цифровые триггеры Шмитта. Характерной особенность этих элементов является наличие гистерезиса на их передаточной характеристике (рис. 4.1). При плавном изменении входного сигнала у триггера Шмитта происходит скачкообразное изменение выходного, причем пороги срабатывания при переходе из нуля в единицу и из единицы в нуль отличаются.



Рис. 4.1. Передаточная характеристика триггера Шмитта ТТЛ-типа.

Из передаточной характеристики видно, что уровни выходных напряжений логической единицы и логического нуля соответствуют стандартным ТТЛ-уровням E₀0,2 В и E₁3,5 В. Однако значение порогового напряжения, которое у ТТЛ-элементов U_пор.1,5 В, отличается - у триггера Шмитта оно имеет два значения U_пор.1,01,65 В и U_пор.0,10,85 В. Признаком функции триггера Шмитта является символ « » в УГО и обозначение «ТЛ» в маркировке микросхемы. На рис. 4.2 представлен пример использования цифрового триггера Шмитта в качестве автоколебательного мультивибратора.

Рис. 4.2. Схема автоколебательного мультивибратора на базе цифрового триггера Шмитта.

В случаях, когда часть входов многовходовых элементов остается незадействованной, на неиспользуемые входы этих элементов необходимо подавать логические нули или логические единицы в зависимости от логики выполняемой операции. Так если неиспользуемыми являются отдельные входы элемента И, то, чтобы результат операции не исказился, на них необходимо подавать напряжения логической единицы. Сделать это можно, подключив неиспользуемые входы элемента И через ограничительный резистор к источнику питания. Если неиспользуемыми являются входы элемента ИЛИ, то их необходимо подключить через ограничительный резистор к нулевому потенциалу общего провода, подав на них, таким образом, уровень напряжения логического нуля. Неиспользуемые входы можно объединять с используемыми. Результаты операций И и ИЛИ в этом случае не изменятся, но входные токи объединенных выводов возрастут. Если же количества входов элемента наоборот недостаточно, то возможно наращивание входов схемы путем пирамидального объединения нескольких элементов. Пример подобных структур, позволяющих на базе двух четырехвходовых элементов осуществлять обработку восьми логических переменных, представлен на рис. 4.3. Первая структура реализует функцию логического умножения восьми переменных, а вторая – логического сложения.

Рис. 4.3. Наращивание входов для схем, реализующих функции И, ИЛИ.

В зарубежной литературе и многих компьютерных программах систем автоматизированного проектирования часто встречаются обозначения логических элементов, не соответствующие российским стандартам. На рис. 4.4 приведено соответствие функциональных обозначений некоторых базовых логических элементов согласно отечественным и зарубежным стандартам.

Рис. 4.4. Функциональные обозначения базовых логических элементов в отечественных и зарубежных стандартах.


4-2. Синтез комбинационного цифрового устройства.