Логикалық элементтер жүйесі

Цифрлық ЭЕМ –нің элементтері деп логикалық жобалау мен техникалық іске асыруда машинада ұсақтанып пайда болатын функционалдық бөліктер. Цифрлық құрылғылардың элементтері және ЭЕМ түрлі функцияларды орындауға қызмет етеді: логикалық операциялар, информация саұтау, күщейту, қалпына келтіру және екілік сандық жүйесінде көрсетілеген сигналдар құру.

Қазіргі уақытта элементтер, интегралдық схемалар (ИС) ЕЭМ –ның болктарын жіне түйіндерін құруға мүмкіндік береді. Электрондық өндірісте қазіргі интегралдық схемалар базасында белгілі бір логиканы іске асыратын кішкене габаритті және өте сенімді мамандарылған цифрлық құрылғылар мен автоматтар пайда болады. Интегралдық схемала конструкталы– технологиялық қолдануына байланысты үшке бөлінеді: жартылай өткізгіштік, гибридты әжне басқалары. Соңғы топқа пленкалы ИС, ж»не де вакуумды және кермикалық ИС жатады. Гибридті ИС, аналогты аппаратураны шығарғанда негізгі қолданыста болады. Әсіресе оны үлкен көлемді конденсаторлар, жоғары омды, жоғары тұрақты және прецизионды резисторларды қажет ететін стандартты емес функцияларды іске асыруда қолдану тиім. Алайда, гибридті технолгияның жоғары икемділігне қарамастан, бұл ИС сенімділігінен, орналастыру тығыздығынан және өзіндік құнынан жартылай өткізгіштік ИС–терден қалып барады. Жартылай өткізгіштік ИС–терді мақсатқа лайықты цифрлық ЭЕМ мен жоғары сенімділігімен және орналастыру тығыздығымен құрылғыларды құруға,және де стандартты аналогты функцияларды орналастыруда қолданған жөн.

Ары қарай, ең алдымен, жартылай өткізгіштік цифрлық ИС қарастырылады. Интегралық схемаларды жүйе немесе сериялар ретінде өңделіп шығарылады. Интегралдық схемалардың элементтер жүйесі деп түрлі функцияларды орындайтын,бірақ ортақ конструкталы–технологиялық атқару және жалпы электрикалық параметрлері бар.

Өндірісте шығарылатын сериялық ИС әріптер мен цифрлардың шартты байланыстыруын айтады. ИС бірінші белгілеуінде конструкталы–технология тобына сәйкес цифраны көрсетеді: 1,5,7 – жартылай өткізгіштік ИС, 2,4,6,8 – егибридті ИС, 3–қалғандары. Ары қарай екі цифра кетеді, өңдеудің реттік номері ретінде ИС сериясын қолданады. Сонымен, бастапқы үш цифра ИС сериясының толық номерін анықтайды. Номер сериясынан кейін топ бөлігіне және ИС түріне байланысты екі әріп жазылады. Соңғы элемент белгілеуіне байланысты серияның функционалды белгісіне ИС өңделудің реттік номерін анықтайды. Кейде шартты белгі ретінде әріп қосады, ол электрлік параметрлердің технологиялық тарқауын және ИС корпус түрін анықтайды. Кең қолданысты болатын ИС үшін алдында «К» әрпін жазады. Мысалы, К155ЛА1 кең қолданымды жартылай өткізгішті ИС– логикалық схеманы білдіретін, ЖӘНЕ–ЕМЕС логикалық элементтерден тұратын, әрбіреуі төрт кірісті болады.

Қазіргі цифрлық құрылғылардың құрамына көбінесе логикалық эелементтер (ЛЭ) кіреді. бар логикалық элементтер ішінде ең көп тараған потенциалды ЛЭ, айырмашылығы кіріс пен шығысындағы схемаларда тұрақты ток арқылы байланыс бар болуы. Цифрлық ИС потенциалдық типінің әр түрлілігі схематехникалық іске асырылуы үлігіл базалық қатар негізінде жүзеге асады. Көптеген өазіргі цифрлық ИС–тың құрамына функционалдық элементтердің логикалық эдементтері жатады, ЕМЕС, ЖӘНЕ–ЕМЕС, НЕМЕСЕ–ЕМЕС, ЖӘНЕ–НЕМЕСЕ–ЕМЕС және т.б. логикалық функцияларды орындайды. Олардың негізгі электрлік параметрі серияға кіретін барлық ИС–тың сипаттамасын анықтайды. Осы параметрлер аппаратура құрамындағы әр түрлі сериялардың ИС бірігіп жұмысын анықтайды.Барлық фирлық ИС типіне негізгі электрлік параметрлер қатары ортақ болып келеді және оларды өзара салыстыруға мүмкіндік береді. Ондай параметрлерге жатады: кірісіндегі біріктіру коэффиценті(К_об), шығысындағы торап коэффиценті (жүктік қабілеттілігі (К_раз), бөгет тұрақтылығы (U_n), тез әрекеттілігі, пайдалану қуаты(P)).

Кірісіндегі біріктіру коэффиценті ИС–тың ЛЭ максималды кіріс санын анықтайды. Шығысындағы торап коэффиценті берілген серияның элементтер санын сипаттайды, оларды бір уақытта ЛЭ шығысына қосуға болады және де жұмысқа қабілеттілігі бұзылмайды. К_об және К_раз коэффицентері артқанымен ЛЭ қолдану мүмкіндіктері кеңейеді, цифрлық құрылғыда пайда болатын корпустар саны азаяды. Алайда, кіріс саны мен жүктеме көбейгенде ЛЭ параметрлері нашарлайды: тез әрекеттіліге мен бөгет тұрақтылығы азайып, пайдалану қуаты көбейеді. Сондықтан негізгі ЛЭ–мен қатар ИС серияның құрамында, «кеңейткіштермен» қоса және қуатты буферлік элементтері бар.

Потенциалды ЛЭ цифрлық құрылғылардың құрамындағы жұмыста екіден бір(«0» немес «1») жағдайды сипаттайтын не статикалық режимде болады, не ауыстыру сатысында болады. ЛЭ қуатына байланысты әр жағдайға әр түрлі. Логикалық элементтер статикалық режимде үлкен қуат қолданатын(ал кішкене қуатты динамикалық режимде), орташа жұмсайтын қуатымен сипаттайды:

Р_пот.ср=0,5(Р⁰_пот+ Р¹_пот),

мұнда Р⁰_пот–«0» жағдайында схемада қолданатын қуат, Р¹_пот– бұл «1» жағдайында. Логикалық элементтер динамикалық режимде қуаттың үлкен тұтынуымен, статикалықтан басқа Р_пот.ср көз тізбегінде ток кенеттен өскенде, ауыстырудағы максималды жиіліктегі қуатпен сипатталады.

Бөгет тұрақтылық. ЛЭ статикалық және динамикалық режимде қарастырылады. ЛЭ статикалық бөгет тұрақтылығы U_n кернеудің көлемін (сигналдың деңгейін өздігінен өзгерткенде болатын бөгеттер) анықтайды, олар логикалық «0» және логикалық «1» деңгейін салыстыра кірісіне берілу мүмкін, ЛЭ жалған қосылуын шақыртпайды. Бөгет тұрақтылықты «0»( U⁰_n) және «1» (U¹_n)деңгейіне байланысты өзгешелейді. U⁰_n және U¹_n өлшемін өткізетін сипаттама көмегімен анықтайды. ЛЭ толық бөгет тұрақтылығына баға ьеру үшін статикалықпен қатар динамикалық бөгет тұрақтылығын еске алу қажет. Динамикалық режимде бөгет тұрақтылығы ұзақтыққа, бөгеттің амплитудасымен сигнал формасына, және де статикалық бөгет тұрақтылығының деңгейіне және ЛЭ тез әрекеттелігіне тәуелді.

Тез әрекеттілік. ЛЭ келесі динамикалық параметрлермен анықталады: t^0.1- «0» деңгейінен «1» деңгейіне өту уақыты; t^1.0-«1» деңгейінен «0» деңгейіне өту уақыты; t^0.1_зд- қосылуда тоқтау уақыты; t^1.0_зд- өшіруде тоқтау уақыты; t^1.0_здр – қосылуда болатын таратудың тоқтау уақыты; t^0.1_здр – өшіруде болатын таратудың тоқтау уақыты; t^0.1_здр.ср–таратудың орташа тоқтау уақыты;t_n- импульс ұзақтығы; t_р– жұмыс жиілігі. ЛЭ сигналының таратудың орташа тоқтау уақыты былай анықталады:

T_здр.ср=0,5(t^0.1_здр+ t^1.0_здр).

Уақыттық диаграммаларда t^1.0, t^0.1, t^1.0_здр санау нүктелері сигналдардың шығу және кіру номиналды мағынасының 0,1және 0,9 деңгейінде орналасады. t^0.1_здр және t^1.0_здр кірістегі және шығыстағы логикалық айырмасын 0,5 деңгейінде өлшейді.

Жоғарыда қарастырылған негізгі электрлік параметрлерден басқа ЛЭ әрбір жүйесі қоректену кернеуінің номиналымен, сол кернеудің өлшемдеріне рұқсатымен, кірістің және шығыстың деңгейінің қарама қарсылығымен сипатталады. Айта кету керек, цифрлық есептеу техникасының қазіргі интегралдық схемалардың сапасы жалғыз жалпыланған параметрмен төзімділік параметрімен сипатталады, бір ЛЭ ауыстыру уақытында қолданатын орташа қуаттың көбейтіндісімен анықталады. Цифрлық ИС активті компонент ретінде биополярлы және униполярлы интегралды транзисторларды қолданады. Биополярлы транзисторлы ИС жоғары тез әрекеттілігімен және жақсы жүктік қабілеттілігімен айырылады. Униполярлы транзисторлы ИС ерекше жоғары интеграция деңгейімен, қолданатын қуатына байланысты үлкен экономдылығымен және біршама кішкене жасау бағасымен айрықша бөліктенеді.

Бақылау сұрақтары:

1. Есептеу техникасының құралдары структуралы схемалары неде құрылады?

2. Есептеу техникасының құралдары тағайындауына байланысты қалай классификацияланады?

3. Логикалық элементтердің тағайындауы?

4. Жады элементтерінің тағайындауы?

5. Қосымша элементтердің тағайындауы?

6. Арнайы элементтердің тағайындауы?

7. Элементтер жүйесіне қойылған талаптар.

Дәріс №5.

Функционалды түйіндер.

ЭЕМ түйіні – машиналық операцияның біпеуін орындайтын ЭЕМ бөлігі. ЭЕМ түйіндері ЭЕМ элементтінің бірлік сериялар негізінде орындалады. Өндіріс элемент серияларын шығарады, оның негізінде ЭЕМ онда орналасқан түрлі функцияларды іске асыры мүмкін.

Элементтердің интегралдық комплексінің мысалы: К580,КР580, К1810, К1801.

ЭЕМ түйіндер классификациясы:

• Триггерлер;

• Регистрлер;

• Санауыштар;

• Шифраторлар;

• Дешифраторлар;

• Мультиплексорлар;

• Демультиплексорлар;

• Жылжытқыштар;

• Үлестіруші аспап (деңгей мен импульстер) және т.б.

Триггерлер

Триггер – құрамында жады элементін және басқару схемасы бар ЭЕМ функционалды түйіні. Триггерлер классификациясы:

1. Сигнал түсу уақытына қарай:

• асинхронды

• синхронды

• біртактілі, бір сатылы, екі сатылы;

• көп тактілі

2. құрастыру типіне қарай триггер схемалары:

• ЖӘНЕ–НЕМЕСЕ базисінде

• НЕМЕСЕ–ЕМЕС базисінде

• Аралас базисте.

3. Типке қарай: PS,D,JK,T,DV,DT,RST және т.б.

Асихронды триггерлер

Тек RS типінде болады.

		Q
0	0	1(3)	1(3)
0	1	1	1
1	0	0	1
1	1	0*(x)	1*(x)

		Q
0	0	Xp	Xp
0	1	1	0
1	0	0	1
1	1	0(3)	0(3)

2.3. сурет. ЖӘНЕ–ЕМЕС базисіндегі асинхронды RS триггері.

		Q
0	0	1(3)	1(3)
0	1	1	1
1	0	0	1
1	1	0*(x)	1*(x)

2.4.сурет. НЕМЕСЕ–ЕМЕС базисіндегі асинхронды PS триггері.

Синхронды триггерлер.

Синхронды біртактілі бір сатылы триггерлер.

С	S	R	Q
0	0	0	Xp	Xp
0	0	1	Xp	Xp
0	1	0	Xp	Xp
0	1	1	Xp	Xp
1	0	0	Xp	Xp
1	0	1	0	1
1	1	0	1	0
1	1	1	3	3

2.5.сурет. НЕМЕСЕ–ЕМЕС базисіндегі синхронды RS триггері.

D	S	Q
0	0	Xp	Xp
1	0	0	1
0	1	0	1
1	1	1	0

2.6.сурет. НЕМЕСЕ–ЕМЕС базисіндегі синхронды D триггері.

Синхронды біртактілі екі сатылы триггерлер.

J	C	K	Q1		Q
0	0	0	Xp	Xp	Xp	Xp
1	0	0	Xp	Xp	Xp	Xp
1	0	1	0	1	Xp	Xp
0	0	1	0	1	0	1
1	1	0	1	0	0	1
0	1	0	1	0	1	0
1	1	1	0	1	1	0
0	1	1	0	1	0	1
1	1	1	1	0	0	1
0	1	1	1	0	1	0

2.7.сурет. ЖӘНЕ–ЕМЕС базисіндегі синхронды JK триггері, рұқсатсыз байланыстар схемасымен салынған.

2.8.сурет. ЖӘНЕ–ЕМЕС базисіндегі синхронды D триггері, инверторы бар схемасымен салынған.

Триггерлер атауында V әрпі бар болса, онда V атымен қосымша синхрокіріс бар. RST, DVT триггерлері комбинациялық функцияларды орындайды.

RST–RS және T триггерлерінің функцияларын орындайды.

DVT– V қосымша синхрокірісі бар, D және T функцияларын орындайды.