| Купить Matlab | Mathematica | Mathcad | Maple | Statistica | Другие пакеты |  |
| Internet-класс | Примеры | Методики | Форум | Download | |
|
|
| Купить Matlab | Mathematica | Mathcad | Maple | Statistica | Другие пакеты | |
| Internet-класс | Примеры | Методики | Форум | Download | |
|
|
|
Содержание:
Важной особенностью цифровой техники является однотипность элементов и узлов, из которых собираются самые различные устройства современной радиоэлектроники, автоматики и вычислительной техники. Подобный принцип построения сложных устройств из ограниченного числа простых элементов широко используется в технике. В цифровой технике любую сложную схему переработки информации, предназначенную, например, для вычисления или автоматического управления, можно составить всего из трех основных логических элементов И (операция логического умножения или конъюнкция), ИЛИ (операция логического сложения или дизъюнкция) и НЕ (логическая операция отрицания или инверсия), и триггера (состоит из логических элементов). Название "логические" элементы получили потому, что с их помощью моделируются правила формальной логики. Электрические цепи, моделирующие выполнение логических операций, обеспечивают появление выходного сигнала по определенным правилам в зависимости от наличия входных сигналов и их комбинаций. При этом истинному высказыванию соответствует сигнал, равный единице, а ложному высказыванию соответствует нулевой сигнал. Физическая природа сигнала может быть самой различной, например появление на выходе схемы напряжения или силы тока определенной величины, или какое-либо другое изменение в электрической цепи. Напряжение в пределах от 2,4 В до 5 В соответствует появлению единичного сигнала или напряжения высокого уровня, а если напряжение не превышает 0,4 В, то сигнал отсутствует или равен нулю, присутствует напряжение низкого уровня. При этом существенно, чтобы имелось два резко отличающихся состояния физических величин, моделирующих истинность (TRUE) или ложность (FALSE) логического высказывание. Этим двум отличающимся состояниям можно сопоставить наличие или отсутствия сигнала, который принимает два значения "1" и "0". Логические элементы, осуществляющие преобразование сигналов, широко применяются в автоматике и вычислительной технике. Например, при кодах 01, 10, 11, соответствующих простейшим комбинациям низкого и высокого напряжений, должны включаться три различные электрические цепи. Логические элементы могут состоять из самых различных деталей, например из электромагнитных реле, полупроводниковых диодов, транзисторов, электронных и неоновых ламп, но наибольшее распространение получили полупроводниковые логические элементы, изготовленные по интегральной технологии. 1. Цифровые интегральные микросхемы Интегральные микросхемы являются элементной базой современной радиоэлектроники, автоматики и электронно-вычислительной техники. Интегральные микросхемы могут быть аналоговыми и цифровыми. Цифровые микросхемы используются в современных ЭВМ, выполняющих миллионы операций в секунду. Интегральные микросхемы нельзя представлять как обычные схемы уменьшенные в тысячи раз, они имеют принципиальное отличие в способах изготовления и монтажа радиоэлементов. В зависимости от технологии изготовления интегральные микросхемы могут быть полупроводниковыми, пленочными и гибридными. В полупроводниковой микросхеме все элементы и межэлементные соединения выполнены на одном кристалле полупроводника. На пластинке 1 мм квадратный по единой технологии изготавливаются транзисторы, диоды и резисторы. В пленочных интегральных микросхемах элементы выполнены в виде различных пленок, нанесенных на изолирующую пластинку. Таким образом получают пассивные элементы, не усиливающие сигнала: конденсаторы, резисторы, катушки индуктивности. Гибридные интегральные микросхемы состоят из пленочных резисторов и конденсаторов, а также соединительных проводников и контактных площадок, к которым припаиваются миниатюрные радиодетали. Вся схема помещается в пластмассовый корпус и имеет большие размеры, чем размеры полупроводниковых и пленочных микросхем. Цифровые интегральные микросхемы предназначены для преобразования дискретных и импульсных сигналов. Основу их составляют транзисторные ключи, которые могут находиться в двух крайних положениях - открытом и закрытом. Интегральные микросхемы имеют особые обозначения, по которым можно. Пользуясь справочником, узнать их назначение и все электрические характеристики. Например, микросхемы имеют названия: К155ЛА3 и К155ТВ1. Буква Л обозначает, что микросхема предназначена для выполнения логических операций, а буква Т обозначает, что микросхема является триггером. На практике получили применение различные сочетания логических элементов: И-НЕ, ИЛИ-НЕ, И-ИЛИ-НЕ и др. Корпуса интегральных микросхем могут иметь различный вид. Но большинство микросхем выпускаются в прямоугольном пластмассовом или керамическом корпусе, с выводами, изогнутыми под прямым углом. На корпусе микросхемы всегда присутствует метка, обозначающая начало отсчета ног против часовой стрелки. (В нашем докладе мы рассмотрим цоколевку на примере микросхемы мультиплексора.) В данном докладе все разбираемые микросхемы только из серии ТТЛ (транзисторно-транзисторной логики). Сейчас в блоках аппаратуры можно встретить различные варианты микросхем ТТЛ. Напряжение питания у них одинаковые (5 В + 10%), а входные и выходные логические уровни совместимы. Микросхемы ТТЛ более новых серий имеют улучшенные электрические параметры, но их цоколевка остается прежней. Полная электрическая и конструктивная совместимость однотипных микросхем ТТЛ из разных серий стимулирует наращивание степени внутренней интеграции выпускаемых микросхем (на одном кристалле размещается все большее число функциональных узлов, многие из которых ранее были самостоятельными микросхемами). 2. Логические элементы И, ИЛИ и НЕ Логический элемент моделирует операцию логического сложения - операцию дизъюнкции. А+В=С или А\/В=С - алгебраическая запись операции, где А и В - простые высказывания или двоичные переменные, а С - сложное высказывание или переключательная функция. Зависимость между двоичными переменными А и В и переключательной функцией С может быть задана таблицей истинности: Электрическая цепь, реализующая эту функцию, должна иметь сигнал на выходе, если имеется сигнал хотя бы на одном из входов. Это можно сделать, соединив параллельно замыкающие контакты А и В. а) устройство дизъюнктора б) условное обозначение дизъюнктора Если параллельно включить дополнительные контакты, то можно получить элемент ИЛИ на любое число входов. Логический элемент И выполняет операцию логического умножения, или конъюнкции. Алгебраически эта операция записывается так: А*В=С или А/\В=С, при этом С=1, только тогда, когда А и В одновременно равны 1. Так выглядит таблица истинности для элемента И: Сравнив таблицы истинности логических элементов И и ИЛИ, легко заметить, что из одной таблицы легко получить другую, заменив единицы нулями и нули единицами. Электрическая цепь, соответствующая логической операции И, должна иметь сигнал на выходе только в том случае, если имеются сигналы одновременно на всех входах. Эта логическая операция легко моделируется при последовательном соединении. а) Устройство конъюнктора б) Условное обозначение конъюнктора Выходной сигнал появляется только в том случае, если на оба входа подаются единичные сигналы. Логический элемент НЕ выполняет операцию
отрицания, или инверсии. Алгебраическая запись
инверсии выглядит так: В электрических цепях эта операция реализуется только с помощью активных элементов, усиливающих сигнал, например транзисторов. Из полупроводниковых диодов ее составить нельзя. Для моделировании логической операции НЕ используется однокаскадный транзисторный усилитель, так как возрастание напряжения на его входе вызывает уменьшение выходного напряжения, снимаемого с коллектора, и наоборот. Триггерами называют электронные устройства с двумя устойчивыми электрическими состояниями. Переключение триггера из одного устойчивого состояния в другое происходит под воздействием входных импульсов. Название "триггер" происходит от английского слова "trigger", означающего "защелка" или "спусковой крючок". Иногда триггер называют спусковой схемой или бистабильной ячейкой, так как он имеет два устойчивых состояния. Механическим аналогом триггера является обычный выключатель или тумблер, который может находиться только в двух положениях - включенном или выключенном. Триггеры, наряду с логическими элементами, являются основными элементами цифровой техники. Их широко используют в качестве запоминающих ячеек автоматических и вычислительных устройств. Простейший триггер состоит из двух элементов НЕ, входы и выходы которых соединены кольцом: выход первого с входом второго и выход второго с входом первого. При этом получается система с двумя устойчивыми состояниями. Триггер является элементарной ячейкой, "запоминающей" поступление на ее вход единичного сигнала. С его помощью можно моделировать один разряд двоичного числа. Очевидно, что для записи N разрядного двоичного числа нужно N триггеров. Например, с помощью четырех триггеров можно записать числа от 0 до 15. В настоящее время в цифровой технике используются только триггеры в интегральном исполнении. Виды триггеров: RS-триггер
Условное графическое обозначение RS-триггера RS-триггер состоит из двух входов S (set - установка) и R (reset - сброс) и двух выходов Q и q. Входы и выходы в триггерах всегда находятся в противоположных состояниях. Т.е. если на выходе Q уровень логической единицы (Q=1), то на выходе q логического нуля (q=0), и наоборот. Условное обозначение RS-триггера Входы R и S рассматриваемого триггера называют соответственно входом установки 1 и входом установки 0. Принцип работы RS-триггера иллюстрирует его таблица истинности: При подаче на оба входа триггера уровня логического нуля (S=R=0) на обоих выходах устанавливается уровень логической единицы (Q=q=1). Это запрещенное состояние триггера; оно не используется. Согласно второй строке таблицы истинности, при S=0 и R=1 на выходе Q триггера устанавливается уровень логической единицы. В этом случае говорят, что триггер установлен в состояние 1. Согласно третьей строке, при R=0 и S=1 происходит сброс сигнала на выходе Q (очистка выхода Q) к уровню логического нуля. Это значит, что триггер установлен в состояние 0. Четвертая строка таблицы истинности соответствует S=R=1. В этом случае триггер находится в состоянии покоя: на выходах Q и q сохраняются прежние комплиментарные уровни сигнала. Это режим хранения. Из таблицы видно, что установку триггера в состояние 1 инициирует логический ноль на входе S. Точно так же установку триггера в состояние 0 инициирует логический ноль на входе R. RS-триггер на двух логических элементах И-НЕ Этот триггер работает в соответствии с таблицей истинности, приведенной выше. RS-триггеры можно приобрести в готовом виде (в виде однокорпусных микросхем).
Временные диаграммы сигналов показывают уровни напряжения, временные интервалы между входными и выходными сигналами и соответствуют той картине, которую вы наблюдали бы на экране осциллографа. По горизонтали откладывается время, по вертикали - уровень напряжения. Здесь приведены временные диаграммы для входов S, R и выходов Q, Q` RS-триггера. RS-триггер также называют RS-фиксатором или триггером с раздельными входами. На практическом примере разберем работу RS-триггера, который получается из микросхемы К155ЛА3 соединением входов: второго и шестого, третьего и четвертого.
Выходы Q и Q` соединим со светодиодами. На входы S и R подадим высокий(1) и низкий(0) уровень соответственно, что соответствует состоянию "Установка 0" (на выходе Q - единица, это показывает горящий светодиод Q). Затем подадим на входы S и R высокие уровни, т. е. они не заземлены ("висят в воздухе") - это состояние называется состоянием "Хранения" (светодиоды остаются в прежнем положении).Чтобы получить состояние "Установка 1", на вход S подадим напряжение низкого уровня, на R - высокого (горит светодиод Q`). Теперь на оба входа R и S подадим напряжение низкого уровня, что соответствует "Запрещенному состоянию" (горят оба светодиода). Тактируемый (синхронный) RS-триггер
Условное обозначение тактируемого RS-триггера. Отличие от RS-триггера состоит в появлении одного дополнительного, так называемого синхронизирующего входа, обозначаемого CLK. Таблица истинности для тактируемого RS-триггера приведена ниже: Три верхние строки таблицы истинности описывают реальные режимы работы этого триггера. Нижняя строка соответствует запрещенному состоянию, которое никогда не используется. Тактируемый RS-триггер на четырёх логических элементах И-НЕ. Чтобы получить тактируемый RS-триггер, в схему обычного RS-триггера нужно ввести два дополнительных логических элемента И - НЕ.
Отличие этого триггера в том, что у него имеется только один информационный вход D и синхронизирующий вход CLK. Вот как выглядит упрощенная таблица истинности для D-триггера: D-триггер часто называют триггером с задержкой. Слово "задержка" здесь характеризует то, что происходит с данными (информацией), поступающими на вход D. Информационный сигнал (О или 1), поступающий на этот вход, задерживается в триггере ровно на один такт, прежде чем появляется на выходе Q. Этот триггер имеет два дополнительных входа - предварительной установки (PS) и очистки (CLR). Сигнал на выходе Q в такте n + 1 повторяет сигнал, который был на входе D в предыдущем такте n. D-триггер можно получить из тактируемого RS-триггера, если к последнему добавить инвертор. Логический ноль на входе инициирует установку логической единицы на выходе Q. Логический ноль на входе CLR инициирует очистку выхода Q (установку логического нуля на выходе Q). В активных состояниях входы PS и CLR блокируют действие входов D и CLK; при разблокировании входы D и CLK действуют точно же, как в обычном D-триггере. Ниже представлена подробная таблица истинности для D-триггера входящего в состав интегральной ТТЛ-схемы 7474: Асинхронные (т.е. работающие не синхронно) входы PS и CLR в активных состояниях блокируют действие синхронных входов. Три первые строки таблицы истинности, описывают работу триггера. При этом синхронные входы (D и CLK) могут находиться в любых состояниях, что отмечено знаком x в таблице истинности. Если оба асинхронных входа приведены в неактивное состояние (PS=1 и CLR=1), D-триггер можно установить в состояние 1 или 0, используя CLK-входы. Две последние строки таблицы описывают передачу информационного сигнала с триггера на его выход Q с использованием тактового пульса. Поскольку эта операция осуществляется одновременно с приходом тактового импульса, она называется синхронной операцией. В данном триггере передачи сигнала с D-входа на выход Q используется положительный перепад напряжений (от низкого к высокому) на фронте тактового импульса. Соединяя D-триггеры друг с другом, получают сдвиговые регистры и регистры хранения. Эти регистры используются в цифровых системах. Чаще всего встречаются D-триггеры выполненные в виде монолитных ИС. JK-триггер - это наиболее широко используемый универсальный триггер, обладающий характеристиками всех других типов триггеров. Условное обозначение JK-триггера входящего в состав интегральной ТТЛ-схемы 7476. JK-триггер имеет два информационных входа J и К, синхронизирующий вход CLK и, как и все триггеры, два комплементарных выхода q и Q. Упрощенная таблица истинности для JK-триггера. Когда на оба входа J и К подается уровень логического нуля, триггер блокируется, и состояния его выходов не изменяются. В этом случае триггер находится в режиме хранения. Вторая и третья строки - установка триггера в состояния 0 и 1. Четвертая строка иллюстрирует очень важный переключательный режим работы JK-триггера. Если на обоих входах J и К установлен уровень логической единицы, то следующие друг за другом тактовые импульсы будут вызывать переключение уровней сигналов на выходах триггера от 1 к 0, от 0 к 1, основа от 1 к 0 и т.д. Такая работа триггера напоминает переключения тумблера, откуда и происходит название режима. Модификация JK-триггера. Данный триггер имеет два дополнительных асинхронных входа (вход предварительной установки и вход очистки). Синхронными входами являются информационные J и К и синхронизирующий вход CLK, а также, стандартные для любого триггера, выходы - прямой (Q) и инверсный(q). Подробная таблица истинности для данного JK-триггера. Асинхронные входы (PS и CLR) в активных состояниях блокируют действие синхронных входов. Активным состояниям асинхронных входов соответствуют три первых строки таблицы истинности. В режимах, описываемых этими строками таблицы истинности, синхронные входы блокированы и их состояния не влияют на состояние выходов триггера, поэтому для входов J, К, CLK в этих строках поставлен знак x - любое состояние. Одновременная подача на оба асинхронных входа активного уровня сигнала (логического нуля) соответствует запрещенному состоянию. Этот режим нужно исключить. При блокировании обоих асинхронных входов (РS и CLR) уровнем, логической единицей работу триггера контролируют синхронные входы. Четыре нижние строки таблицы истинности описывают синхронные работы JK-триггера микросхемы 7476: хранение, установку нуля, установку единицы и переключение. В микросхеме 7476 для передачи информационного сигнала с J- и К-входов триггера на выходы Q и q используется полный тактовый импульс. JK-триггеры широко применяются во многих схемах. Дешифраторы - микросхемы средней степени интеграции, предназначенные для преобразования двоичного кода в напряжение логического уровня, появляющееся в том выходном проводе, десятичный номер которого соответствует двоичному коду. Например, выходной код 1001 должен сделать активным провод с номером 9. Во всех остальных проводах дешифратора сигналы должны быть нулевыми. Дешифраторы различаются по емкости (2, 3 и 4 бита), по числу каналов (один или два), а также форматом входного кода (двоичный или двоично-десятичный). Шифраторы выполняют обратную операцию: переводят сигнал, поданный только в один входной провод (например, в провод 9), в выходной параллельный двоичный код (в данном случае 1001), который появится на выходах шифратора. Чтобы шифратор откликался на входной сигнал только одного провода, его схему делают приоритетной. Тогда выходной код должен соответствовать номеру "старшего" входа, получившего сигнал. Предположим, активные уровни поступили на входы 3, 4 и 9. Старший по номеру здесь 9, он обладает приоритетом, поэтому выходной код шифратора 1001. Многие дешифраторы можно применять как мультиплексоры. Шифраторы выполняют обратную операцию: переводят сигнал, поданный только в один входной провод (например, в провод 9), в выходной параллельный двоичный код (в данном случае 1001), который появится на выходах шифратора. Чтобы шифратор откликался на входной сигнал только одного провода, его схему делают приоритетной. Тогда выходной код должен соответствовать номеру "старшего" входа, получившего сигнал. Предположим, активные уровни поступили на входы 3, 4 и 9. Старший по номеру здесь 9, он обладает приоритетом, поэтому выходной код шифратора 1001. Многие дешифраторы можно применять как мультиплексоры. Микросхема К155ИД4 состоит из двух дешифраторов на 4 с объединенными адресными входами А0 и А1. (выводы 3 и 13) и раздельными входами стробирования. Стробированием называется выделение сигнала в определенный момент времени. В данном случае - это появление сигнала в моменты, когда на входах стробирования есть разрешающие уровни. Таблица истинности для дешифратора К155ИД4 серии ТТЛ. Если на обоих входах А0 и А1 будут низкие уровни, то на выходе У1 будет также низкий уровень, т. е. светодиод У1 гореть не будет. Подадим на вход А0 напряжение низкого уровня, а на вход А1 - высокого (погаснет светодиод У2) и т.д. Подавая на адресные входы А0 и А1 различные комбинации нуля и единицы, задается двоичный код, который преобразуется в десятичный код на выходах У1, У2, У3, У4. Мультиплексор - это узел ЭВМ, обеспечивающий коммутацию одного из нескольких входных сигналов на один выходной. Выбор входного сигнала осуществляется в соответствии с кодом, поступающим на адресный управляющий вход. У мультиплексора может быть, например, шестнадцать входов и один выход. Это означает, что если к этим 16 входам присоединены 16 источников цифровых сигналов - генераторов последовательных цифровых слов, то байты от любого из генераторов можно передавать в единственный выходной провод. Для этого нужный нам вход требуется выбрать, подав на четыре входа селекции двоичный код адреса. (Так, для передачи на выход данных от канала номер 9 следует установить код адреса - 1001.) В нашем докладе мы рассмотрим микросхему К531КП2 (западный аналог которой - 74153). Из справочника по цифровой электротехники (В. Л. Шило, 1988 год) возьмем таблицу значений: По данным таблицы составим формулу: Y=E`I1S1`S0`+E`I2S1`S0+E`I3S1S0`+E`I4S1S0 Теперь запишем эту формулу по правилам Electronics Workbench: Y=G`DE`F`+G`CE`F+G`BEF`+G`AEF Теперь, с помощью электронной лаборатории - Electronics Workbench Pro 5.12, - введем эту формулу в логический конвертер - Logic Converter. А чтобы это сделать, надо открыть меню Window, далее Description. Там напишем формулу, скопируем ее и вставим в логический конвертор. Затем, с помощью того же логического конвертора, по формуле воспроизведем таблицу значений, а уже по таблице EWB выдаст схему из логических элементов. Вот как она выглядит: Мы видим, что в этой схеме используются двухвходовые конъюнкторы. Для того чтобы уменьшить число используемых элементов и упростить микросхему, заменим двухвходовые конъюнкторы четырехвходовыми: Вот такой вид имеет микросхема 74153. Различие лишь в том, что в корпусе микросхемы два одинаковых блока. 1G`, 2G` - инверсный вход На этом чертеже показано, как устроена микросхема К531КП2 изнутри: Вот как должна выглядеть цепь мультиплексора с этой микросхемой в EWB: Разберем подробнее составляющие нашей цепи: 1) Логический анализатор (Logic Analyzer). Он показывает уровни до шестнадцати цифровых сигналов в схеме (цепи). Слева находятся клеммы. Когда схема активизирована, логический анализатор делает записи входных величин на этих клеммах. Также, изменения данных за некоторое время отображается в виде временных диаграмм. В свернутом виде он выглядит так: Открыв логический анализатор, мы можем проследить, как изменяются уровни на разных входах с течением времени по временной диаграмме: Черным цветом обозначены уровни, подающиеся на
входы. 2) Генератор слова (Word Generator). С левой стороны генератора слова ячейки для ввода шестнадцатеричных чисел с четырьмя цифрами. Они могут принимать значения от 0000 до FFFF (в десятичной системе отсчета от 0 до 65535). Каждая ячейка, слева, представляет собой двоичное шестнадцатиразрядное слово. При активизации генератора слов из ячеек посылаются значения соответственно на выходы генератора, которые находятся внизу прибора. 3) Индикатор уровня (Probe). Он нужен для определения уровня на различных проводах, входах, устройствах. Если на него попадает высокий уровень, то он загорается красным светом. Этот индикатор не требует внешнего резистора и заземления, но в практической схеме они должны присутствовать. Рассмотрим, как эта цепь работает: Если на вход G` подать напряжение высокого уровня, логический уровень на выходе Y станет низким независимо от сигнальных и адресных входов. Если вход G` активный (присутствует напряжение низкого уровня), на выходе Y отображается тот уровень, который присутствует на выбираемом входе. Разберем работу мультиплексора детально: I. На вход 2С0 подается высокий уровень (1)Это обозначает загорающийся индикатор уровня на первом входе: II. На выходе 2Y появляется высокий уровень - зажегся индикатор уровня.(На входе 2С0 высокий уровень сохраняется) III. На вход 2С1 подаем высокий уровень (На входе 2С0 высокий уровень сменяется низким, а на выходе 2Y - остается высокий) IV. На вход 2С2 подаем высокий уровень(На входе 2С1 высокий уровень сменяется низким, а на выходе 2Y - остается высокий) V. На вход 2С3 подаем высокий уровень (На входе 2С2 высокий уровень сменяется низким, а на выходе 2Y - остается высокий) VI. На выходе 2Y высокий уровень сменяется низким, на входе 2С3 индикатор уровня гаснет.(Цикл завершен) Эту же схему с мультиплексором можно смоделировать в Multisim 2001 Student (аналогичная электронная лаборатория): Единственное различие лишь в том, что инверсный вход обозначается треугольником, разрядностью Генератора слова (32 разряда) и приборы выглядят немного по-другому. Теперь рассмотрим микросхему К531КП2 на практическом примере (на "живой" микросхеме). Заметим, что результаты полученные в Electronics Workbench совпадают с результатами, полученными на стенде. Микроэлектроника, заявившая о себе в начале 60-х годов, сегодня оказывает решающее влияние на техническое перевооружение всех областей радиоэлектроники. Аналоговые интегральные микросхемы широко и прочно закрепились в радиовещательной, телевизионной, звукозаписывающей в воспроизводящей аппаратуре, а логические, или цифровые, заняли доминирующее положение в ЭВМ, в устройствах автоматического управления производственными процессами, движением транспорта, в аппаратуре сбора, переработки и хранения различной информации, в других устройствах и приборах цифровой техники. В этом докладе мы рассмотрели принципы действия основных элементов и цифровых интегральных микросхем, которые широко используются в различных устройствах цифровой техники. Доклад составлен с использованием программного обеспечения: Electronics Workbench 5.12 Pro, Multisim 6.25 Student, Microsoft Word 2000, Microsoft Excel 2000 учениками 11 "А" класса школы №1006 в 2001 году.
|
| | На первую страницу | Поиск | Купить Matlab | |
|
|
На выходе будет единица, если на входе
имеется 0 и, наоборот, выходной сигнал равен 0, при
входном сигнале 1. Таблица истинности для
элемента НЕ выглядит следующим образом:
