Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

Сибирский государственный индустриальный университет

А.С.ТИМОФЕЕВ

Основы теории цифровых устройств и цифровые интегральные схемы

Рекомендовано редакционно-издательским советом

университета в качестве учебного пособия для

студентов специальности 140601− Электромеханика,

специализации «Электромеханика

в горном производстве»

Новокузнецк

2007

УДК 539.107.5(075.8)

Т41

Рецензенты:

Начальник участка №14 ОАО «СШМНУ»

В.А. Шертухов

Зав. кафедрой механико-технических дисциплин ПФМГОУ

к.т.н. С.А. Толмачев

Тимофеев А.С.

Т41 Основы теории цифровых устройств и цифровые интегральные схемы по дисциплине “Микропроцессорные устройства”: учеб. пособие / А.С. Тимофеев; СибГИУ. – Новокузнецк, 2007. −290 c.

Рассмотрены арифметические и логические основы цифровой схемотехники, совре­менная элементарная база интегральных микросхем, основные устройства комбинацион­ного типа и последовательного действия, индикаторные устройства. Приводятся ос­новные характеристики и параметры интегральных микросхем и индикаторов, даются ре­комендации по применению.

Предназначено для студентов всех форм обучения специальности 140601 − Электромеханика, специальности

«Электромеханика в горном производстве».

УДК 539.107.5(075.8)

 Сибирский государственный

индустриальный университет, 2007

 Тимофеев А.С., 2007

Содержание

Сокращения и мнемонические обозначения . . .. …….. . . . . 7

Предисловие . . . . .. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ……… . .10

1 Основы теории цифровых устройств…………………….…11

1.1 Классификация . .. . . . . . ……………………………...11

1.2 Система обозначений ИС .. . . . ... ………………….... 12

1.3 Основные характеристики логических элементов. .....15

2 Арифметические основы цифровых устройств . . ….….. . 18

2.1 Позиционная система счисления . ……………..…… 18

2.2 Перевод чисел из одной системы счисления

в другую ………………………………………………………..….21

2.3 Формы представления чисел в цифровых.

устройствах….. …………………………………………………...28

2.4 Двоичная арифметика ……. ………………………... 30

2.5 Кодирование отрицательных чисел .. ………………. 34

2.6 Умножение и деление двоичных чисел …………… .38

3 Логические основы цифровых устройств …………. ….…40

3.1 Основные положения алгебры логики ……………... 40

3.2 Основные законы алгебры логики …………………... 42

3.3 Элементарные логические функции . …. …………...44

3.4 Представление переключательных функций ………. 49

3.5 Функционально полные системы переключательных

функций …………………………………………………………. 52

3.6 Минимизация переключательных функций ….. … 54

3.6.1 Минимизация логических функций методом

Квайна ………………………………………………………….. .56

3.6.2 Минимизация логических функций с помощью карт Карно ……………………………………………………………..58

4 Цифровые интегральные микросхемы….…………….……63

4.1 Базовый логический элемент ТТЛ . …………………..63

4.2 Логические элементы ИЛИ-НЕ …………………….. 69

4.3 Логические элементы с открытым коллектором и тремя состояниями выхода ……………………………………………...71

4.4 Разветвление и объединение выходов и входов

логических схем. …………………………………………………74

4.5 Триггер Шмитта ………...…………………………… .77

4.6 Рекомендации по применению логических элементов ТТЛ ……………………………………………………….……….79

5 Микросхемы ТТЛ с транзисторами Шоттки ……………. .81

5.1 Введение .. …………………………………………….81

5.2 Транзисторы с диодами Шоттки . ……………………82

5.3 Базовый логический элемент ИС К533 …………… 84

5.4 Быстродействующие ТТЛШ ИС К530 ………………85

5.5 Базовый логический элемент ИС К1533……………...87

6 Цифровые микросхемы с КМОП - транзисторами …… 89

6.1 Общие сведения . …………………………………….89

6.2 Инвертор КМОП . …………………………………….90

6.3 Буферный каскад . .. . ………………………………...92

6.4 Основные характеристики инвертора ……………… 94

6.5 Тактируемый двунаправленный ключ ………………97

6.6 Логические элементы КМОП типа И-НЕ, ИЛИ-НЕ ..98

6.7 Разновидности простых ЛЭ КМОП …………...…......99 6.8 Рекомендации по применению ИС КМОП …………103

7 Интегральные схемы ЭСЛ ……………………………...….104

7.1 Общие сведения…………………………………….....104

7.2 Базовый логический элемент ИС К1500 ……...……105 7.3 Особенности применения ЭСЛ …………………..….109

8 Интегральные схемы на основе арсенида галлия ……....111

8.1 Общие сведения……………………………...………..111

8.2 Базовый ЛЭ сверхбыстродействующих ИС К6500 ...112

8.3 Логические элементы, регистры, счетчики ………...114

9 Шифраторы . .. . . . …………………………………….……117

10 Дешифраторы . . . . . ……………………………………….122

10.1 Линейные дешифраторы .. . ……………………… 123

10.2 Ступенчатые дешифраторы ……………………… .125

10.3 Дешифраторы-демультиплексоры ТТЛ ………… . 128

11 Мультиплексоры . . …………………………………….. 133

11.1 Назначение и принцип работы ………………… . .133

11.2 Мультиплексоры ТТЛ . . ………………………….. 134

11.3 Наращивание разрядности мультиплексоров . ….. .137

11.4 Мультиплексоры КМОП …………………………. 138

11.5 Синтез комбинационных схем на

мультиплексорах ………………………………………………...141

12 Арифметические устройства …………………………... .146

12.1Комбинационные двоичные сумматоры ………... .146

13 Схемы сравнения цифровых кодов ………………….. . 150

13.1 Общие положения . ……………………………….. 150

13.2 Цифровые компараторы и их применение ……... .153

14 Преобразователи кодов . ………………………………... 158

14.1 Преобразователи двоично-десятичного кода в код

управления семисегментным индикатором …………………. 158

14.2 Преобразователи кода для неполных матричных

индикаторов .. . . ……………………………………………... .163

14.3 Преобразователи кода для шкальных индикаторов 164

15 Триггеры . .. . . . . …………………………………………. 166

15.1 Общие положения . . . . …………………………... .166

15.2 Классификация триггеров . ………………………. 168

15.3 Триггерная ячейка RS-типа ……………………... . .169

15.4 Асинхронные RS-триггер на логических элементах

И-НЕ . . .. ……………………………………………………….173

15.5 Синхронные одноступенчатые триггеры ……….. .176

15.6 D-триггеры . . .. . . ………………………………….178

15.7 D-триггеры, тактируемые фронтом ……………. ..182

15.8 Счетные триггеры …………………………….. . .. .184

15.9 Универсальные JK-триггеры ……………………. .188

16 Регистры …………………………………………… .. . . .191

16.1 Параллельные регистры ……………………….. . . 192

16.2 Сдвигающие регистры ………………………… . . .196

16.2.1 Последовательный регистр сдвига вправо …. . . .197

16.2.2 Реверсивный регистр ………………………... .. . .199

16.3 Кольцевые регистры-счетчики …………………. .. 201

16.3.1 Кольцевой регистр сдвига единицы ……………. 201

16.3.2 Кольцевой счетчик .. …………………………….203

17 Счетчики . . …………………………………………….….210

17.1 Двоичные суммирующие счетчики с последовательным переносом ……………………………………………. .... .211

17.2 Вычитающие двоичные счетчики .. ……………....215

17.3 Двоичные счетчики с параллельным переносом ….217

17.4 Реверсивный двоичный счетчик ……………….. .. 219

17.5 Десятичный счетчик …………………………….. . 221

17.6 Типовые счетчики ……………………………. . . . .223

17.6.1 Асинхронные счетчики с последовательным

переносом .. . ………………………………………………… 223

17.6.2 Синхронные счетчики ……………………….. . . .232

17.6.3 Реверсивные счетчики .. ……………………….. .236

18 Программируемые делители .. ……………………….. 240

18.1 Программируемые делители с предварительной

установкой . . . ………………………………………………… 241

18.2 Программируемый делитель на К561ИЕ15 ……. .. 244

19 Газоразрядные индикаторы …………………………. . . .248

20 Полупроводниковые индикаторы …………………….. .250

20.1 Общие сведения ……………………………... .. . . .250

20.2 Управление единичными и шкальными

индикаторами .. ……………………………………………..252

20.3 Одноразрядные знакосинтезирующие ндикаторы...256

20.4 Полупроводниковые многоразрядные индикаторы 259

20.4.1 Мультиплексная индикация…………………...….262

20.5 Матричные индикаторы…………………………..…264

20.5.1 Управление матричными индикаторами ……… 266

20.5.2 Блок формирования символов ………………... 269

21 Вакуумные люминесцентные индикаторы …………... 273

21.1 Введение ……………………………………….. .. .273

21.2 Одноразрядные ВЛИ . .. ……………………………275

21.3 Многоразрядные индикаторы .. ……………………279

21.4 Шкальные индикаторы . .. . …………………….…281

21.5 Матричные индикаторы ВЛИ . …………………... 283