Лекции / СТКУ_какие_то_лекции

часть 2. Схемотехника цифровых устройств

Лекция 13

Тема: современные базовые элементы цифровой техники (введение в цифровую технику). Цифровые сигналы и цифровые схемы

Вряд ли сейчас можно найти сферу нашей жизни, в которую не проникли бы в том или ином виде современные устройства цифровой электроники. Их можно встретить на каждом шагу:

-электронный будильник;

-наручные часы;

-электронный замок (кодовый);

-компьютеры;

-DVD и др.

Основу всех устройств (от часов до ЭВМ) составляют цифровые схемы логических цепей, регистров, счетчиков, таймеров, коммутаторов, дешифраторов, сумматоров и других схем.

Цифровой электронике принадлежит важнейшая роль в деле обеспечения высокой надежности создаваемых автоматических систем, управляющих объектами, процессами, системами. Промышленность, медицина, космос, телевидение – все «пронизано» элементами цифровой техники.

Цифровая электроника – это мир ЭВМ, интегральных схем и двоичных чисел: 0 и 1.

В аналоговых устройствах напряжение на выходе изменяется непрерывно при непрерывном изменении напряжения на входе.

13.1. Цифровые сигналы и цифровые схемы

Цифровые устройства оперируют цифровыми сигналами. В точке A (рис.13.1) напряжение возрастает скачком с 0 до +5 В, в точке B – падает с +5 В до 0 В диапазоне A - B – сохраняется высокий уровень.

Высокий уровень называется логической единицей; низкий уровень – логическим нулем.

Схемы, в которых используются сигналы только двух типов (высокий и низкий уровень) называют цифровыми схемами.

UВЫХ .

B

Высокий уровень

+5В

Низкий уровень

0

рис.13.1

Цифровые схемы являются основой микроЭВМ (персональных компьютеров). Основой микроЭВМ являются сложные интегральные схемы (ИС), называемые микропроцессорами; кроме них в микроЭВМ входят большое количество запоминающих устройств (ЗУ) на ИС, блоки памяти, программные модули, решающие устройства и др. Уровни на рис.13.1 соответствующие +5 В (высокий) и 0 В (низкий) называют уровнями напряжения ТТЛ-схем (тран- зисторно-транзисторных схем) или ТТЛ уровни.

Цифровые ТТЛ сигналы можно получать с помощью переключателя (рис.13.2).

рис.13.2

Однако механический переключатель имеет недостаток – дребезг контакта (рис.13.3):

рис.13.3

Хотя этот процесс и быстротечен, но он неприемлем для работы конкретных систем. Для его исключения применяют противодребезговое устройство (рис.13.4):

рис.13.4

Это противодребезговое устройство называют фиксатором. Их иногда называют триггерами-защелками (подробности будут ниже).

Как видно из рис.13.4 на выходе триггера-защелки уровни слегка ниже +5 В и выше 0 В.

Цифровой сигнал можно получить с помощью кнопки

(рис. 13.5):

рис. 13.5

При нажатой кнопке на выходе будет высокий уровень. Но при отпущенной кнопке между источником и выходом образуется разрыв и напряжение на выходе будет неопределенным. Для однозначности решения применяют одновибратор (рис.13.6):

рис.13.6

Длительность импульса на выходе определяется параметрами одновибратора (независимо от того, на какое время будет нажата кнопка). И фиксатор-защелка (триггер) и одновибратор называют мультивибраторами (МВ):

Триггер (фиксатор) – это бистабильный мультивибратор; Одновибратор – моностабильный мультивибратор; Существует еще астабильный мультивибратор, или МВ, работающий в режиме свободных колебаний. Во многих устройствах он выполняет роль генератора тактовых импульсов – он генерирует непрерывную последовательность импульсов с ТТЛ уровнями (рис. 13.7):

рис.13.7

13.2. Современные базовые элементы цифровой техники

Цифровые схемы, электронные устройства работают в соответствии с четкими логическими законами. Основными составными частями любых цифровых схем являются логические элементы. Логические элементы оперируют с двоичными числами, поэтому их называют двоичными логическими элементами, которые составляют основу любой, самой сложной ЭВМ.

Для описания алгоритмов работы и структуры логических схем используют простую алгебру логики, или булеву алгебру, называемую по имени разработавшего ее в середине XIX века ирландского математика Д. Буля. В ее основе лежат три основные логические операции: логическое отрицание, или операция НЕ (инверсия), логическое сложение,

или операция ИЛИ (дизъюнкция) и логическое умножение, или операция И (конъюнкция). Операция НЕ над переменной х записывается в видеx .

Операция ИЛИ над двумя переменными х и у записывается в виде х + у, аоперация И — в виде х • у.

Фактически каждая логическая операция задает функцию своих аргументов (переменных). Поэтому можно говорить о функциях дизъюнкции, конъюнкции и инверсии.

Число аргументов функций дизъюнкции и конъюнкции может быть произвольным (больше двух).

Некоторая логическая функция может быть задана в алгебраической форме или в виде таблицы истинности. Алгебраическая форма,илибулево выражениепредставляетсобойформулу, состоящую из логическихпеременных, связанными операциямиИ,ИЛИиНЕ.

Таблицей истинности называется таблица, содержащая все возможные комбинации значений входных переменных и соответствующиеимзначениялогическойфункции.

Поскольку булево выражение и соответствующая ей таблица истинности описывают одну и ту же функцию, то можно переходитьотоднойформыописаниякдругой.

13.2.1. Логический элемент «И»

Принцип работы поясняется с помощью механических ключей (рис. 13.8):

Для загорания лампы необходимо замкнуть ключ A и ключ B (одновременно).

Условное обозначение логического элемента «И» (по стан-

дарту milspec - рис.13.9):

рис.13.9

Термин «логический» обычно применяют по отношению к процедуре принятия решения. В этой процедуре логический элемент - это такая схема, которая «решает», что ей ответить на выходе - «да» или «нет».

Другое обозначение (по стандарту МЭК и по ГОСТу -

рис.13.10):

рис.13.10

по стандарту DIN:

рис.13.11

Таблица истинности для логического элемента «И» -

табл.13.1:

Согласно строке 1, если на входы поданы двоичные нули, то на выходе логического элемента так же возникает двоичный нуль.

Двоичная единица на выходе возникает только в том случае, когда на оба входа поданы двоичные единицы (строка

4).

“Отличительное свойство логического элемента “И” состоит в том, что на его выходе появляется сигнал высокого логического уровня только тогда, когда на все его входы подаются также сигналы высокого уровня”.

Два возможных состояния выходного параметра могут быть представлены или двумя уровнями выходного напряжения или появлением выходных импульсов в определенные промежутки времени.

В первом случае имеет место потенциальный способ логических переменных, во втором – импульсный.

При потенциальном способе задания различают положительную и отрицательную логику.

При положительной логике высокий уровень выходного напряжения соответствует единице (1), а низкий - нулю

(0).

При отрицательной логике высокий уровень соответствует нулю (0), а низкий – единице (1).

В таблице истинности для логического элемента «И» указаны все возможные состояния по входу и соответствующие сигналы на выходе, т.е. таблица истинности дает исчерпывающею характеристику работы логического элемента, т.е. описывает логическую функцию.

Для схемы «И» можно сказать: входной сигнал A связан логической функцией «И» с входным сигналом B, в результате чего на выходе схемы появляется сигнал Y.

Сокращенный способ записи этого выражения называется булевым выражением (из булевой алгебры логики). Булевы выражения – основной язык, универсальный для цифровой техники.

Выше приведенная логическая функция для схемы может быть записана в виде выражения: A B Y , где знак - это символ «И».

Т.о., связь входа A, входа B и выхода Y может быть представлена четырьмя разными способами (табл.13.2):

Другие формы записи для логического элемента “И”:

-коньюнкция;

-логическое умножение;

-операция «И»;

-AND;

Все эти способы находят широкое применение в цифровой электронике.

В ряде случаев говорят, что схема «И» (логический элемент «И») реализует операцию логического умножения (или конъюнкции):

F XYZ или F X Y Z ,

(символ & - звучит как «энд», рис.13.10).

Логический элемент «И» часто называют схемой совпадений или конъюнктором.

13.2.2. Логический элемент «ИЛИ»

Работа этого элемента иллюстрируется на рис.13.12 с помощью переключателей:

Сигнал на выходе есть, если включен или A или B переключатель. Сигнал на выходе отсутствует, если оба переключателя выключены.

Таблица истинности для этого логического элемента – табл.13.3:

Таблица13.3 описывает логическую функцию включающее

«ИЛИ».