Преобразователем кодов
Преобразователем кодов называется цифровое устройство, осуществляющее преобра-зование слов входного алфавита (x1, х2,..., хn) в слова выходного алфавита (y1, y2, ..., yk). Соотношения между числами пик могут быть любыми: n = к, n > к, n < к. Преобразователи кодов можно разделить на два типа:
с весовым преобразователем кодов;
с невесовым преобразователем кодов
Примером преобразователей первого типа являются преобразователи десятичных кодов в двоичные, двоично-десятичных кодов в двоичные, двоичных кодов в десятичные и двоично-десятичных в двоичные, и другие. Преобразователи второго типа используются для преобразования двоично-десятичного кода в код семисегментного индикатора десятичных цифр, двоичного кода в код Грея и другие. Эти задачи решаются разными путями. Одним из таких путей является применение комбинационных узлов, называемых преобразователями кодов. Вариант условного обозначения преобразователя кода приведен на рис. 2.34.
|
|
|
|
Рисунок 2.34 - Условное графическое обозначение преобразователя кода
Одним из весьма распространенных путей реализации преобразователей кодов является метод последовательного соединения дешифратора и шифратора (рис. 2.35).
|
|
|
|
Рисунок 2.35 - Схема преобразователя кода на основе дешифратора и шифратора
Дешифратор преобразовывает входной код (X1, X2, Х3) в некоторую пространственную позицию, которая затем вновь кодируется шифратором в соответствии с заданием в код (Y1, Y2, Y3). Такой путь чрезвычайно прост и, гибок в реализации (поскольку изменение способа кодирования может быть достигнуто простой перепайкой шин, соединяющих дешифратор и шифратор). Однако здесь неизбежна аппаратурная избыточность схем, и, как правило, увеличивается задержка сигналов по сравнению с минимально достижимой в оптимальных схемах. Такие оптимальные схемы могут быть синтезированы на основе таблиц истинности показывающих соответствие исходных и преобразованных кодов.
Рассмотрим преобразование двоичного кода в код Грея, у которого переход к соседнему числу сопровождается изменением только в одном разряде. Так, в технике аналого-цифрового преобразования и пересчетных устройствах широко используется код Грея. Он позволяет существенно сократить время преобразования и повысить эффективность защиты от нежелательных сбоев при переходах выходного кода. Недостатком кода Грея является то, что в нем затруднено выполнение арифметических операций и цифрой налоговое преобразование. Поэтому при необходимости код Грея преобразуется в обычный двоичный код. Переход от двоичного кода к коду Грея осуществляется следующим образом: старшие разряды совпадают, а любой следующий разряд Yk кода Грея равен сумме по модулю два соответствующего Хк и предыдущего Хк + 1 разрядов двоичного кода, т.е. Yk = Xk + Xk + 1. При обратном переходе старшие разряды также совпадают, но каждый следующий разряд получается в результате суммирования по модулю два полученного разряда двоичного кода и соответствующего разряда кода Грея, т.е. Хк - 1 = Yk - 1 + Хк.
Преобразователи кодов служат для перевода одной формы числа в другую. Их входные и выходные переменные однозначно связаны между собой. Эту связь можно задать таблицами переключений или логическими функциями.
Шифратор преобразует одиночный сигнал в n-разряднь двоичный код. Наибольшее применение он находит в устройствах ввода информации (пультах управления) для преобразования десятичных чисел двоичную систему счисления. Предположим, на пульте десять клавишей с гравировкой от 0 до 9. При нажатии любой из них на вход шифратора подаётся единичный сигнал (ХО-Х9). На выходе шифратора должен появиться двоичный код (Y1, Y2,...) этого десятичного числа. Как видно из таблиц переключений, в этом случае нужен преобразователь с десятью входами и четырьмя выходами.
Двоичное число |
Y8 |
Y4 |
Y2 |
Y1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
2 |
0 |
0 |
1 |
0 |
3 |
0 |
0 |
1 |
1 |
4 |
0 |
1 |
0 |
0 |
5 |
0 |
1 |
0 |
1 |
6 |
0 |
1 |
1 |
0 |
7 |
0 |
1 |
1 |
1 |
8 |
1 |
0 |
0 |
0 |
9 |
1 |
0 |
0 |
1 |
На выходе Y1 единица появляется при нажатии любой нечетной клавиши X1, ХЗ, Х5. Х7. Х9, т. е. Y1=Х1\/ХЗ\/Х5\/Х7\/Х9. Для остальных выходов логические выражения имеют вид: Y2=Х2\/ХЗ\/Х6\/Х7; Y4==Х4\/Х5\/Х6\/Х7; Y8=Х8\/Х9. Следовательно, для шифратора понадобятся четыре элемента ИЛИ: пятивходовый, два четырехвходовых и двухвходовый рисунок 1.
Рисунок
1
Дешифратор преобразует код, поступающий на его входы, в сигнал только на одном из его выходов. Дешифраторы широко применяются в устройствах управления, в системах цифровой индикации, для построения распределителей импульсов по различным цепям и т. д. Условное обозначение дешифратора на микросхеме К155ИД1 с десятью выходами для дешифрования одного разряда двоично-десятичного кода 8421 и часть его принципиальной схемы приведены на рисунке 2. Любому входному двоичному коду соответствует низкий уровень только на одном выходе, а на всех остальных сохраняется высокий уровень. Дешифраторы входят во все серии микросхем ТТЛ и КМДП. Например, дешифратор К155ИД4 (два дешифратора в корпусе) преобразует двоичный код в код «1 из 4», К155ИД1 и К176ИД1 в код «1 из 10», К155ИДЗ—В код «1 из 16». Цоколёвка этих микросхем приведена на рисунке 2 и 3.
Дешифратор
на микросхеме К155ИД1 предназначен для
работы с декадными газоразрядными
индикаторами. Его выходы подключают
непосредственно к катодам (имеющим
форму десятичных цифр) газоразрядного
индикатора анод которого через резистор
подключен к источнику питания напряжением
200—250 В. Выходные сигналы этой микросхемы
отличаются от ТТЛ уровней и поэтому
для подключения к ней других микросхем
приходится применять дополнительные
устройства согласования.
Рисунок
3
Микросхема К155ИД4 состоит из двух дешифраторов на 4 с объединенными адресными входами (выводы 3 и 13) и раздельными входами стробирования. Стробированием называется выделение сигнала в определенный момент времени. В данном случае - это появление выходного сигнала в момент, когда на входах стробирования есть разрешающие уровни. Если на обоих входах А1 и А2 будут низкие уровни, то на выходе верхнего по схеме дешифратора, номер которого соответствует эквиваленту входного кода, будет низкий уровень. Для нижнего (по схеме) дешифратора необходимо необходимо условий: А3==1 и А4==0. На рисунке 3,б показано, как эту микросхему можно использовать в качестве дешифратора на восемь выходов со входом стробирования.
Дешифратор на микросхеме К155ИДЗ имеет четыре входа для приема чисел в коде 8421 и 16 выходов. Два входа стробирования (для передачи сигнала на А1 и А2 необходимо подать низкие уровни) позволяют объединить микросхемы для получения дешифраторов на 32 выхода рисунок 4, 64 выхода (потребуется четыре микросхемы) и т. д.
Рисунок
4
Преобразователь двоично-десятичного кода в код семисегментного индикатора. Числа на табло и пультах индицируются, как правило, в десятичном коде. Для этого можно использовать дешифратор на микросхеме К155ИД1 совместно с газоразрядным индикатором, Однако применение таких индикаторов в радиолюбительской практике нежелательно из-за сравнительно высокого напряжения источника питания (200 В). Сейчас широкое распространение получили так называемые семи сегментные светодиодные и жидкокристаллические индикаторы, которые работают при тех же напряжениях, что и микросхемы. В них индикация осуществляется семью элементами, как показано на рисунке 5. Подавая управляющее напряжение на отдельные элементы индикатора и вызывая его свечение (светодиодные индикаторы) или изменяя его окраску (жидкокристаллические индикаторы), можно получить изображение десятичных цифр 0, 1,..., 9. О конкретных типах семисегментных индикаторов я расскажу дальше. Преобразование двоично-десятичного кода в код семисегментного индиктора показано в таблице. Цоколёвка некоторых микросхем – преобразователей кода 8421 в семисегментный показана на рисунок.
Рисунок
5
Не микросхемы серии К514 поступают входные сигналы уровней ТТЛ. Сигнал Г служит для гашения индикации напряжением низкого уровн. При нормальной работе уровень сигнала Г=1. Дешифратор на микросхеме К514 работает со светодиодными индикаторами, имеющими раздельные аноды, на К514ИД2 - с раздельными катодами. Дешифратор К514ИД2, подключают к индикаторам через токоограничительные резисторы (200-500 Ом) в первый имеет такие резисторы в своем корпусе.
Цифра |
8 |
4 |
2 |
1 |
a |
b |
c |
d |
e |
f |
g |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
2 |
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
3 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
1 |
4 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
5 |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
6 |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
7 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
8 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
9 |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
Микросхемы К176ИД2 и К176ИДЗ являются преобразователями кода с выходным регистром памяти. Запись информации в память происходит по фронту тактого сигнала, подаваемого на вход S (при этом сигнал на входе К=0). Если К=1, дешифратор блокируется. Выходной код этих дешифраторов прямой при М=0 и обратный при М=1. Дешифраторы предназначен для работы с жидкокристаллическими и люминесцентными индикаторами. Они могут работать и со светодиодными индикаторами при напряжении источника питания 9 – 12V с пониженной яркостью свечения (из-за ограничения тока до 2-3 мА).
Мультиплексор узел, осуществляющий преобразование параллельных цифровых кодов в последовательные. Его применяют для последовательного опроса заданного числа информационных сигналов и передачи их на один выход.
Рисунок
6
Условное обозначение мультиплексора с четырьмя информационными входами и его принципиальная схема показана на рисунке 6. На выход Q такого устройства передаётся логический уровень того информационного входа Di, номер которого i d двоичном коде задан на адресных входах A1 A2. Из принципиальной схемы следует что: Q=D0(-A1)(-A2)\/D1A1(-A2)\/D2(-A1)A2\/D3A1A2. Число информационных входов может быть увеличено, но при этом увеличится и разрядность адреса.
Цифровые компараторы
Цифровые компараторы выполняют сравнение двух чисел, заданных в двоичном коде. Они могут определять равенство двух двоичных чисел А и В с одинаковым количеством разрядов либо вид неравенства А>В или А<В. Цифровые компараторы имеют три выхода.
Схема одноразрядного компаратора представляет собой структуру логического элемента «исключающее ИЛИ–НЕ» (рис. 1.23).
Рис. 1.23. Одноразрядный компаратор
Из анализа схемы следует, что если А = В, то F = 1, в противном случае, т. е. при А ≠ В, F = 0. Если А > В, т. е. А = 1, В = 0, то С = 1, а если А < В, т. е. А = 0, В = 1, то D = 1.
|
Если попарно равны между собой все разряды двух n-разрядных двоичных чисел, то равны и эти два числа А и В. Применяя цифровой компаратор для каждого разряда, например, четырехзначных чисел, и определяя значения F1, F2, F3, F4 логических переменных на выходах компараторов, факт равенства А = В установим в случае, когда F = F1 · F2 · F3 · F4 = 1. Если же F = 0, то А ≠ В. Неравенство А> В обеспечивается (для четырехразрядного числа) в четырех случаях: или А4 > В4, или А4= В4 И А3 > В3, или А4 = В4, А3 = В3 и А2 > В2, или А4 = В4, А3 = В3, А2 = В2 и А1 > В1, где А4 и В4 – старшие разряды чисел А и В). Очевидно, что если поменять местами Ai и Bi то будет выполняться неравенство А < В. Цифровые компараторы выпускают, как правило, в виде самостоятельных микросхем. Так, микросхема К564ИП2 (рис. 1.24) является четырехразрядным компаратором, в котором каждый из одноразрядных компараторов аналогичен рассмотренной ранее схеме. Данная микросхема имеет расширяющие входы А<В, А=В, А>В, что позволяет наращивать разрядность обоих чисел. Для этого компараторы соединяют каскадно или параллельно (пирамидально ). |
Рассмотрим каскадное соединение компараторов К564ИП2 для сравнения двух восьмиразрядных чисел (рис. 1.25). При этом соединении выходы А = В и А < В предыдущей микросхемы (младшие разряды) подключают к соответствующим входам последующей. На входы А < В, А = В, А > В микросхемы младших разрядов подают соответственно потенциалы U0, U1 и U1 (U0 соответствует логическому 0, а U1 – «1»). В последующих микросхемах на входах А > В поддерживают потенциал логической единицы U1.
Рис. 1.25. Каскадное соединение компараторов КП564ИП2
Мультиплексор - это устройство, которое осуществляет выборку одного из нескольких входов и подключает его к своему выходу, в зависимости от состояния двоичного кода. Другими словами, мультиплексор - переключатель сигналов, управляемый двоичным кодом и имеющий несколько входов и один выход. К выходу подключается тот вход, чей номер соответствует двоичному коду. Ну и навороченное определение: мультиплексор - это устройство, преобразующее параллельный код в последовательный.
Структуру мультиплексора можно представить различными схемами, но более понятна, на мой взгляд, вот эта:
Рис. 1 - Структура мультиплексора
Самая большая хренотень есть не что иное, как элемент И-ИЛИ. Конкретно здесь элемент 4-х входовый. Ну а квадратики с единичками внутри, если кто не помнит, инверторы. Разберем выводы. Те, что слева, а именно D0-D3, называются информационными входами. На них чего-нибудь подают. Входы посередке, а именно А0-А1, называются адресными входами. Вот сюда именно и подается двоичный код, от которого зависит, какой из входов D0-D3 будет подключен к выходу, на этой схеме обозначенному как Y. Вход С, черт его знает, нафига он здесь. Вроде бы как разрешение работы, а может просто для понта. Ну его в баню. На схеме еще есть входы адреса с инверсией. Так вот они тоже показаны здесь для понта. На этом рисунке показан четырехвходовой, или как еще его называют, 4Х1 мультиплексор. Потому и адресных входов всего 2. Как нам известно, максимальное число переменных определяется как 2n, где n - разряд кода. Здесь мы видим, что переменных четыре штуки, а значит разряд будет равен 2 (22 = 4). Для пояснения принципа работы этой схемы посмотрим на табличку истинности:
A1 |
A0 |
Y |
0 |
0 |
D0 |
0 |
1 |
D1 |
1 |
0 |
D2 |
1 |
1 |
D3 |
Вот так двоичный код выбирает нужный вход. Т. е., если имеем четыре объекта, ну, скажем, они пуляют сигналы, а устройство отображения у нас одно. Берем мультик (мультиплексор) и втуляем его в схему. В зависимости от двоичного кода к устройству отображения подключается сигнал от нужного объекта. Такой вот, дохленький пример.
Микросхемой мультик обозначается вот так:
Рис. 2 - Мультиплексор
Вообще, мультиплексоров всяких дофига. Есть и сдвоенные четырехвходовые, восьмивходовые, 16-ти входовые, счетверенные двухвходовые и пр. Тот, что на рисунке сделан от фонаря.
Демультиплексор. Демультиплексор - устройство, обратное мультиплексору. Т. е., у демультиплексора один вход и куча выходов. Двоичный код определяет, какой выход будет подключен ко входу. Другими словами, демультиплексор - это устройство, которое осуществляет выборку одного из нескольких выходов и подключает его к своему входу или, это переключатель сигналов, управляемый двоичным кодом и имеющий один вход и несколько выходов. Ко входу подключается тот выход, чей номер соответствует состоянию двоичного кода. И навороченное определение: демультиплексор - это устройство, которое преобразует последовательный код в параллельный.
Обычно в качестве демультиплексора используют дешифраторы двоичного кода в позиционный, в которых вводят дополнительный вход стробирования. Из-за схожести структур мультиплексора и демультиплексора в КМОП сериях есть микросхемы, которые одновременно являются мультиплексорром и демультиплексором, смотря с какой стороны подавать сигналы, например, К561КП1, работающая как переключатель 8х1 и переключатель 1х8 (то бишь, как мультиплексор и демультиплексор с восемью входами или выходами). Кроме того, в КМОП микросхемах помимо переключения цифровых сигналов (лог. 0 или 1) существует возможность переключения аналоговых. Другими словами, это переключатель аналоговых сигналов, управляемый цифровым кодом. Такие микросхемы называются коммутаторами. К примеру, с помощью коммутатора можно переключать сигналы, поступающие на вход усилителя (селектор входов). Вот напоследок простенькую схемку селектора входов УМЗЧ мы и рассмотрим. Построим ее, ну скажем, с использованием триггеров и мультиплексора.
Рис. 3 - Селектор входных сигналов
Вот такая нехитрая схемка. Итак, разберем работу и деталюшки. На триггерах микросхемы DD1 собран кольцевой счетчикнажатий кнопки разрядностью 2 (два триггера - 2 разряда). Двухразрядный двоичный код поступает на адресные входы D0-D1 микросхемы DD2. Микросхема DD2 представляет собой сдвоенный четырехканальный коммутатор. В соответствии с двоичным кодом к выходам микросхемы А и В подключаются входы А0-А3 и В0-В3 соответственно. Элементы R1, R2, C1 устраняют дребезг контактов кнопки. Дифференцирующая цепь R3C2 устанавливает триггеры в нулевое состояние при включении питания, при этом к выходу подключается первый вход. При нажатии на кнопку триггер DD1.1 переключается в состояние лог. 1 и к выходу подключается второй вход и т. д. Перебор входов идет по кольцу, начиная с первого.