1.6 Контрольные вопросы

1.6.1 Как работает ТТЛ элемент со сложным инвертором?

1.6.2 Какой из логических элементов:2ИЛИ-НЕ, 2ИЛИ, 4И, 4И-НЕ, 4И-2ИЛИ-НЕ наиболее просто реализовать в схемотехнике ТТЛ?

1.6.3 Перечислите основные статические и динамические параметры и характеристики элементов ТТЛ.

1.6.4 Перечислите варианты модификаций элементов ТТЛ (ТТЛШ) и их особенности.

2 Исследование передачи сигналов в цифровых устройствах

2.1 Описание работы с кратким изложением теории

Цель работы - получить практические навыки исследования процессов передачи сигналов в цифровых устройствах. Экспериментально определить условия неискаженной передачи сигналов.

Передача сигналов между элементами, узлами и блоками цифровых устройств, а также между цифровыми устройствами происходит по линиям связи. Линии связи могут быть физически реализованы в виде витой пары, печатных проводников, радиочастотного кабеля. При прохождении по линиям связи сигналы задерживаются, при этом скорость распространения сигнала в линии равна v = v_c /, где v_c - ско­рость света в вакууме (30 см/нc);  - диэлектрическая постоянная среды, в которой распространяется сигнал. Практически v = 15...20 см/нc. Если задержка распространения соизмерима с длительностью фронта сигнала, то такие линии называют электрически длинными. Причем речь не идет об абсолютных значениях длины, при передаче сигналов с длительностью фронта 0.1 нс длинной будет являться отрезок линии 15–20 мм.

Поведе­ние длинной линии резко отличается от поведения короткой. Схему замещения длинной линии без потерь можно представить в виде цепочки LC-звеньев, где L и С — погонные параметры индуктивности и емкости (т. е. приходящиеся на единицу длины). Такая линия имеет волно­вое сопротивление Z₀ = (L/C), величина которого зависит от конструкции линии. Физически волновое сопротивление соответствует отношению на­пряжения к току в точке линии, которой достигает распространяющаяся волна. Пока волна распространяется в линии, отношение u/i = Z₀ остается неизменным. В конце линии ситуация зависит от подключенного к линии сопротивления. Если в конце линии подключено сопротивление R_n= Z₀ (рисунок 2.1), то отношение u/i сохраняется, падающая волна не встречает неоднородности и целиком поглощается нагрузкой. Если в конце линии R_n  Z₀, то отношение u/i сохраниться не может, и должно произойти искажение волны. Оно трактуется как появление отра­женной волны, параметры которой таковы, что сумма падающей и отражен­ной волн соответствует условиям в конце линии. Отношение амплитуд от­раженной и падающей волн равно коэффициенту отражения

 = (R_n – Z₀)/(R_n + Z₀).

Рисунок 2.1

Отраженная волна распространяется обратно к началу линии. Если в начале линии подключено сопротивление R_g, равное Z₀, то отраженная волна погло­щается целиком, и режим линии устанавливается окончательно. В против­ном случае в начале линии также происходит отражение волны, которая вновь пойдет по линии от ее начала к концу. Возможное многократное от­ражение способно затянуть переходные процессы в линии на время, равное десяткам Т₀ , где Т₀ - время распространения сигнала по линии.

Для устранения паразитных колебаний в длинной линии используют параллельное или последовательное согласование волновых сопротивлений. При параллельном согласовании в конце линии включают резистор (терминатор), чтобы сделать сопротивление нагрузки линии равным волновому. Это дает полное устранение паразитных колебаний, и время передачи сигнала становится равным Т₀. Недостаток способа — потреб­ление значительных токов от источника сигнала. После завершения переход­ных процессов на выходе линии должно установиться напряжение U¹ или U⁰, в зависимости от логического состояния элемента — источника сигнала. Под этим напряжением находится резистор-терминатор, сопротивление которого мало (типичные значения волновых сопротивлений линий передачи сигналов 50... 150 Ом). Ток через резистор-терминатор может оказаться неприемлемо большим.

При последовательном согласовании в начале линии последовательно вклю­чается резистор R_доп, сопротивление которого совместно с выходным сопро­тивлением источника сигнала R_g дает величину Z₀ . При этом на выходе линии действует высокое входное сопротивление элемента-приемника, следовательно, там коэффициент отражения приблизительно равен единице, и амплитуда отраженной волны приблизительно равна ам­плитуде падающей. Переходный процесс в этом случае протекает следующим образом. Ступенчатое изменение напряжения источника сигнала U создает на входе линии перепад напряжения U/2 (т. к. R_g + R_доп = Z₀). Перепад половин­ной амплитуды распространяется по линии и через время Т₀ достигает ее конца. Коэффициент отражения в конце линии равен единице. Амплитуда отраженной волны равна также U/2, в итоге в конце линии устанавливается напряжение U. Отраженная волна возвращается к началу линии, где поглощается. Таким образом, на выходе линии процесс заканчивается через время Т₀, а на входе через 2Т₀. При последовательном согласовании отсутствуют токи нагрузки от источ­ника сигнала, характерные для параллельного согласования.

Реальное положение в технике борьбы с отражениями в длинных линиях несколько сложнее, т. к. выходные сопротивления цифровых элементов зависят от логического состояния элемента и нагрузки. Для работы на длинную линию используют специальные элементы ТТЛ – передатчики, которые имеют выход с открытым коллектором (рисунок 2.2).

Указанное включение позволяет обеспечить полное согласование линии при R1=R2=Z0. Передатчик должен иметь соответствующую нагрузочную способность

I⁰_{вых max}  Vcc/(R1 R2).

Рисунок 2.2