Робота 4 Логічні елементи і комбінаційні пристрої Мета роботи
Вивчити роботу логічних елементів, їхні основні логічні функції і методи побудови цифрових комбінаційних пристроїв.
Збудувати по дослідним даним статичну характеристику, таблиці істинності і часові діаграми роботи логічних елементів.
Скласти таблицю істинності безконтактного комбінаційного пристрою і його еквівалентну схему заміщення на контактних елементах.
Найпростіші логічні операції над цифровою інформацією виконують логічні елементи ЛЕ – статичні дискретні пристрої, що складають з електронних компонентів. Для опису логічних операцій використовують алгебру логіки, де вивчають зв'язки між логічними перемінними, котрі прийнято зображувати двоїчними цифрами – відповідно логічною одиницею «1» і логічним нулем «0». Складну логічну перемінну розглядають як деяку логічну функцію від двоїчних аргументів, а функціональні логічні зв'язки представляють формулами, таблицями істинності або часовими діаграмами. Над логічними перемінними виконують математичні операції за допомогою ЛЕ.
ЛЕ збудовані на базі електронних пристроїв, що діють у ключовому режимі з вхідним хі і вихідним Fj сигналами, якім при високому рівні відповідає логічна одиниця «1», а при низькому рівні - логічний нуль «0». Це дозволяє використовувати цифрову інформацію в двоїчній формі і робити з нею логічні перетворення: логічне підсумовування або диз'юнкцію – операцію АБО, логічне множення або кон'юнкцію – операцію І, а також заперечення або інверсію – операцію НІ. Логічні елементи, що виконують ці операції, називають відповідно елементами АБО, І, НІ. Кожний логічний елемент позначають прямокутником із символом, що характеризує виконувану операцію. Символ «1» визначає функцію АБО, символ «&» - функцію І, а кружок на вході чи виході прямокутника – функцію НІ (рис. 4.1).
Для логічного елементу АБО достатньо одного з двох вхідних сигналів х1 = 1, х2 = 0 чи х1 = 0, х2 = 1 або обох одночасно х1 = х2 = 1, щоб на його виході з'явився сигнал F = 1. Це відповідає паралельному вмиканню замикаючих контактів х1 і х2 еквівалентної схеми заміщення ЛЕ і запалюванню індикаторної лампи HL (рис. 4.1, б).
Для логічного елемента І сигнал на виході F = 1 з'являється лише при одночасній подачі сигналів х1 = 1 і х2 = 1 на обидва входи, що відповідає послідовному вмиканню замикаючих контактів х1 і х2 еквівалентної ЛЕ схеми заміщення і запалюванню лампи НL.
Для логічного елемента НІ при наявності вхідного сигналу х1 = 1 вихідний сигнал дорівнює нулю F = 0, оскільки контакт х еквівалентної схеми заміщення ЛЕ розмикається, і лампа НL гасне.
x1
x2
F
0
0
0
1
0
1
0
1
1
1
1
1
x
F
0
1
1
0
x1
x2
F
0
0
0
1
0
0
0
1
0
1
1
1
а б в
Рис. 4.1. Логічні елементи АБО, І, НІ:
а – умовні позначення; б – еквівалентна контактна схема заміщення; в – таблиця істинності.
Логічний елемент допускає для вхідних і вихідних напруг два рівні: «високий» U1 – одиниці вольтів, що відповідає логічній «1», і «низький» U0 – десяті частки вольта, які відповідають логічному «0». Залежність вихідної напруги ЛЕ від вхідної Uвих(Uвх) характеризується статичною характеристикою чи функцією перемикання F(х) (рис. 4.2). У ідеального ЛЕ вхідний х і вихідний F сигнали змінюються стрибкоподібно, а для реального - петлеподібно, що створюють зону нечутливості або заборонену зону вхідних напруг сигналів, при яких вихідна напруга елемента знаходиться в невизначеному стані. Функція перемикання реального логічного елемента НІ визначається так
,
де
,
і
,
– відповідно вихідні і вхідні напруги
низького "0" і високого "1"
рівнів.
а б
Рис. 4.2. Статична характеристика логічного елемента НІ:
а – ідеального; б – реального елемента.
Набір з простих ЛЕ дозволяє реалізувати більш складні комбінаційні ЛЕ (рис. 4.3), що реалізуються кількома логічними функціями, утворюючими різноманітні серії, наприклад:
І – НІ: F = 
;
АБО – НІ: F = 
;
ЗАБОРОНА: F = 
.
І-НІ АБО-НІ ЗАБОРОНА
Рис. 4.3. Умовні позначення логічних елементів І–НІ, АБО–НІ, ЗАБОРОНА.
В основі кожної серії ІМС використовують універсальні базові елементи – АБО–НІ чи І–НІ, що являють собою електричні об'єднання елементів з однаковими видами міжелементних зв'язків, виконуючи як прості, так і складні логічні операції. Серія характеризується загальними електричними і технологічними параметрами. У залежності від використовуваних компонентів у ІМС розрізняють серії з діод-транзисторною логікою ДТЛ, транзисторно-тразисторною логікою ТТЛ, транзисторною логікою на МДП- і комплементарних МДП‑транзисторах МДПТЛ і КМДПТЛ, відповідно, а також з емітернозв'язаною транзисторною логікою ЕСТЛ і інтегральною інжекційною логікою І2Л.
В інтегральних мікросхемах ДТЛ серії базовим елементом є логічний елемент І–НІ, у якому операцію І виконує діодна частина схеми VD1, VD2 і резистор R1, а транзисторний каскад із загальним емітером є інвертором (рис. 4.4). Наявність високих позитивних рівнів сигналів «1» на входах х1 і х2 викликає вимикання діодів VD1, VD2 і вмикання транзистора VT1 через резистори R1, R2 і діоди VD3, VD4, формуючи на виході сигнал низького рівня F = 0.
а б
Рис. 4.4. Базовий логічний елемент І–НІ серії ДТЛ:
а – умовне позначення; б – схема.
Найпростіший базовий елемент ТТЛ логіки повторює структуру ДТЛ мікросхем, але за рахунок застосування багатоемітерного транзистора VT1, що поєднує властивості діода і транзисторного підсилювача, дозволяє збільшити швидкодію, знизити споживану потужність (рис. 4.5).
а б
Рис. 4.5. Схема логічного елемента І–НІ серії ТТЛ.
а – умовне позначення; б – схема.
Елементи МДПТЛ логіки використовують МДП-транзистори, що споживають малу потужність і мають великий вхідний опір.
На основі ЛЕ створюють комбінаційні логічні пристрої для виконання операцій будь-якої складності, у яких сигнал на виході F визначається комбінацією вхідних сигналів х1, х2, х3,…хn. Так, індикаторна лампа HL на пульті керування засвічується F = 1 при автоматичному вмиканні двигуна конвеєра х1 = 1 або по команді оператора х2 = 1 тільки при надходженні вантажу на його стрічки х3 = 1. Таким чином, схема розглянутого комбінаційного пристрою повинна мати три входи х1, х2, х3 і один вихід F. Високий рівень сигналу на виході F = 1 має місце тільки при наявності високих рівнів на одному з двох входах х1 або х2 і на вході х3, що описується логічною функцією F = (х1 + х2)х3. Цю функцію реалізує пристрій за допомогою двовходових логічних елементів 2-АБО і 2-І (рис. 4.6).
При великій кількості входів складають рівняння логічної функції і виконують наступну оптимізацію за правилами алгебри логіки.
Логічні схеми, що виконують різні по функціональній складності функції без оборотних зв'язків складають у виді самостійних комбінаційних пристроїв на ІМС. До цифрових пристроїв комбінаційного типу відносяться: шифратори, дешифратори, перетворювачі кодів, мультіплексори, демультіплексори, суматори та інші пристрої.
x1 |
x2 |
x3 |
F |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
а
б в
Рис. 4.6. Логічний комбінаційний пристрій функції F = (x1 + x2) x3:
а – схема на ЛЕ 2-АБО і 2-І; б – еквівалентна контактна схема; в – таблиця істинності.
Дешифратори - електронні пристрої, що розпізнають кодові комбінації вхідних сигналів і забезпечують їхню передачу на визначений вихід. Синтез або мінімізацію схем дешифраторів здійснюють за допомогою алгебри логіки. Дешифратори застосовують також для перетворення кодів двоїчного чи двоїчно-десяткового в десятковий.
Схема дешифратора на два входи і чотири виходи виконана на двох елементах 2-НІ – DD1, DD2 і чотирьох елементах 2-І –DD3…DD6, які розташовані в одній ІМС (рис. 4.7).
При комбінації вхідних сигналів х1 = 0 і х2 = 0 тільки на виході елемента DD3 сигнали мають значення F = 1. На входах елементів DD4, DD5, DD6 у цьому випадку комбінації сигналів відповідно наступні – 1,0; 0,1, 0,0 і тому вихідні сигнали F2 = F3 = F4 = 0. Аналогічно можна визначити рівні сигналів на виході і для інших комбінацій вхідних сигналів (рис. 4.7, б). Ріст кількості вхідних сигналів приводить до значного збільшення числа багатовходових елементів І та ускладненню схеми. Тому при значної кількості вхідних сигналів застосовують багатоступінчасті дешифратори, що виконуються також у виді ІМС.
х1
х2
F1
F2
F3
F4
0
0
1
0
0
0
0
1
0
1
0
0
1
0
0
0
1
0
1
1
0
0
0
1
б
a в
Рис. 4.7. Дешифратор:
а - функціональна схема; б – таблиця істинності, в – умовне позначення.
Шифратори - електронні пристрої, що виконують зворотну функцію дешифратора, коли при подачі сигналу на його визначений вхід одержують на виході відповідну кодову комбінацію. Так, у шифраторі, що перетворить однорозрядний десятковий код у двоїчний при надходженні сигналу логічної одиниці на один з його входів, номер якого відповідає заданому символу десяткового коду, на виході встановлюються сигнали, що відповідають аналогічним символам, записаних у двоїчному коді.
Суматори – функціональні вузли, що виконують операції підсумовування або віднімання двох чисел. Суматори бувають послідовні і рівнобіжні і випускають у виді самостійних ІМС.