книги из ГПНТБ / Преснухин, Л. Н. Цифровые вычислительные машины учебное пособие

Пусть имеется неинвертирующий электронный элемент, на входе и выходе которого сигналы имеют в общем виде форму, показанную на рис. 2.2. Тогда, среднее время задержки распространения сигналов

§ 2.4. ОСОБЕННОСТИ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИОННЫХ СИГНАЛОВ

ВЦЕПОЧКЕ ЛОГИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

Влогических схемах ЦВМ информационные сигналы, представ­ ляющие значения двоичной информации «1» и «О», многократно пре­ образуясь и разветвляясь, проходят по длинным цепочкам однотипных

иразнотипных логических элементов. Для нормального функциони­

рования таких сложных устройств необходимо, чтобы сигналы, про-

ходя через логические элементы, не изменяли своих основных пара­ метров: амплитуду, длительность сигнала, времена нарастания и спада и т. д.; иначе говоря, необходимо, чтобы логические элементы обладали формирующими свойствами. Рассмотрим амплитудные фор­ мирующие свойства электронного логического элемента, определяемые его амплитудной передаточной характеристикой.

Передаточной характеристикой электронного элемента называют зависимость амплитуды выходного сигнала от амплитуды входного сигнала при прочих постоянных параметрах передаваемых сигналов. На рис. 2.3 приведена амплитудная передаточная характеристика

60

неинвертирующего логического элемента, нулевое значение уровня сигналов которого совмещено с началом координат (точки 0 и Л соот­ ветствуют стандартным уровням выходных сигналов; величина сигнала в точке’Л — выходному сигналу логической «1», а величина выходного сигнала в точке 0 — логическому «О»). Проведем прямую UBb,x — UBX, соответствующую передаточной характеристике линейного элемента, и отметим точку В пересечения этой прямой с рассматриваемой переда­ точной характеристикой. Сигналы, амплитуды которых меньше, чем величина (/в в цепочке элементов с передаточной характеристикой рассматриваемого типа, будут стремиться к стандартному выходному уровню. Соответственно импульсные сигналы с амплитудой, большей величины Uв, постепенно нарастают и могут достичь уровня стандарт­ ного единичного сигнала. Изменение амплитуд сигналов в цепочке логических элементов показано на рис. 2.4.

Каждый логический элемент должен обладать помехоустойчивостью, т. е. нечувствительностью к действию сигналов помех определенного уровня при сохранении единичного или нулевого состояния. Это требование является абсолютным потому, что при работе любой элек­ тронной схемы наряду с полезными сигналами всегда из-за внешних и внутренних воздействий возникают паразитные сигналы (помехи).

Зная амплитудную передаточную характеристику логического элемента, можно оценить запас помехоустойчивости.

Если помеха не достигает порогового уровня UB (см. рис. 2.3), то на выходе логического элемента она имеет меньшую амплитуду, чем на входе. Таким образом, в цепочке элементов происходит затуха­ ние амплитуды помехи. Поэтому пороговое напряжение UB определяет запас помехоустойчивости логических элементов комбинационных схем, т. е. схем, в которых отсутствует обратная связь и не происходит запоминание информации.

Если же рассматривать схемы с обратной связью, то необходимо уровень сигналов помех на входе ограничить до уровня, при котором

Точки передаточной характеристики, где касательная проходит под углом 45°, соответствуют пороговым значениям сигналов «1» и «О», неискажающихся при передаче (рис. 2.5). Передаточная харак­ теристика снимается при одинаковых масштабах для входных и вы­ ходных напряжений.

Стедовательно, для логических элементов с обратной связью по напряжению запас помехоустойчивости определяется разностью между уровнем логического «О» или «1» и величиной сигналов, при которых Ки = Е Поэтому для надежного функционирования элек­ тронных систем, включающих в себя различные электронные эле­ менты, необходимо наложить ограничение на уровень помех по ампли­ туде A W для состояния логического «О» и h U B — логической «1». В общем виде сигнал логического «О» может отличаться от нулевого напряжения.

61

На характеристиках, показанных на рис. 2.5, а, б, отмечена поро­ говая точка В; входные сигналы, расположенные на оси входных напряжений с противоположных сторон относительно этой точки,

Рис. 2.5. Определение помехоустойчивости для схем с обратной связью: а — без инвентирования сигналов; б — с инвертированием сигналов

по мере распространения в цепочке логических элементов будут при­ обретать значения, близкие к уровням логического «О» и логической «1».

Рассмотренное явление стандартиза­ ции сигналов в цепочке элементов с формирующими характеристиками называют двоичным квантованием сиг­ налов.

Практически используемые элек­ тронные элементы не имеют идентич­ ных переходных характеристик, есть лишь определенный допуск на пара­ метры. С учетом этого допуска пере­ ходная характеристика группы ло­ гических элементов имеет вид, пока­ занный на рис. 2.6, где UB — поро­ говая зона, попадание амплитуд входных сигналов внутрь которой приводит к возможной неопределен­ ности выходных сигналов. Допуск на параметры схем исключает свойства

двоичного квантования сигналов в пределах пороговой зоны. Разброс сигналов логического «О» и логической «1» в этом случае занимает зоны ДU0 и ДUа- Зоны запаса помехоустойчивости состояний логи­ ческого «О» и логической «1» равны соответственно ДС/'п' и Д1ф“.

§ 2.5. ДИОДНО-РЕЗИСТИВНЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ

Логические элементы И и ИЛИ.

Предположим, ‘что диоды в схеме, приведенной на рис. 2.7, имеют идеальную вольт-амперную характеристику, т. е. сопротивление их

62

в прямом включении равно нулю, в обратном включении бесконечно велико.

Пусть в схеме входные сигналы А ъ А 2, .... А т соответствуют вход­ ным переменным и закодированы так, что «1» соответствует уровень —

входные сигналы соответствуют «О». Выходное напряжение в точке а равно —Uо, поскольку падение напряжения на диоде также равно нулю.

Таким образом, если все входные сигналы имеют значение «О», то и выходной сигнал равен «О».

Если при наличии (т — 1) сигналов, соответствующих логиче­ скому «О», на вход Ат подать сигнал логической «1», то диод Д т вклю­

ветствует значению логического «О», то и на ее выходе будет сигнал, соответствую­ щий логическому «О», поскольку все диоды, на которые подается сигнал логической «1», закрыты.

Следовательно, в рассматриваемой схе­ ме выходной сигнал соответствует логиче­ скому значению «О» во всех случаях, если хотя бы один входной сигнал соответст­ вует «О»; выходной сигнал соответствует «1» тогда и только тогда, когда все входные сигналы соответствуют «1».

Схему, показанную на рис. 2.7, исполь­ зуют для выполнения логической операции конъюнкции и называют логическим эле­

Изменим полярность входных сигналов на обратную, сохранив соотношение (Д > U0. В этом случае в схеме, показанной на рис. 2.7, при подаче всех входных сигналов, соответствующих значениям «О», выходной сигнал будет равен (У0, т. е. соответствует значению «О». Если же хотя бы на один вход подают сигнал Ult то соответствующий входной диод будет открыт и потенциал в точке а поднимается до зна­ чения и г. Все диоды, на вход которых подают сигналы, равные U0, будут смещены в обратном направлении. Следовательно, в данном случае выходной сигнал соответствует значению логического «О» лишь тогда, когда все входные сигналы равны «О», а выходная функция имеет вид:

F = А х+ А 2+ . . . -+- Ат-

63

Таким образом, логическая схема И для отрицательных сигналов является схемой ИЛИ для положительных сигналов и служит для выполнения операции дизъюнкции.

Если в схеме, показанной на рис. 2.7, изменить полярность источ­ ника питания и полярность включения входных диодов, то получится

В рассматриваемой схеме выходной сигнал соответствует высокому уровню потенциала, равную нулю, только в случае равенства нулю всех входных сигналов. Будем считать схему открытой, если все сигналы на входах имеют уровень

U! и закрытой—если хотя бы один

входной сигнал имеет уровень — U0 (схема может быть закрыта по одному или по всем входам).

Для частного случая, когда чис­ ло входов т — 3, при всех входных отрицательных сигналах через со­

Этот ток поровну делится между тремя входными источниками сиг­ налов. Когда источники на двух входах выдают сигнал — f/0, а на третьем входе сигнал Ui = 0 , то

диод Д 3 закрыт. При этом по каждой входной цепи протекают токи

■■(E + U0)/2RB

и половина обратного тока запертого диода (при Ro6p Ф 0). Следова­ тельно, в этом случае общий ток каждой входной цепи равен:

64

Если хотя бы на одном входе уровень сигнала —U0, обеспечивающий закрытое состояние схемы, то через источник сигнала проходит ток:

При N входах, минимальный и максимальный токи через источник сигнала закрытой схемы соответственно

Поскольку ток во входной цепи закрытой схемы создает падение напряжения на входном сопротивлении RBK, то необходимо параметры схемы выбирать так, чтобы колебания уровня входных сигналов при изменении величины входных токов находились в заданных пределах.

- В открытой схеме напряжение на выходе близко к нулю, все входные диоды открыты и каждый источник входного сигнала выдает

Ток на выходе открытой схемы, протекающий через сопротивле­ ние, RBblx,

I вых. о= £/#вых.

Образование положительного выходного сигнала при единичных значениях всех входных переменных, кроме одной, и переключении последнего входного сигнала в «1 » состояние происходит следующим образом. До начала переключения потенциал емкости нагрузки С„ равен —Uо- При подаче последнего единичного входного сигнала выходное напряжение не может измениться скачком, поэтому все входные диоды будут заперты. В этих условиях начнет заряжаться емкость С„ от источника Е через сопротивление R Bbix. Величина началь­ ного тока заряда емкости

Напряжение на емкости Сн стремится к величине Е, но как только оно достигнет значения 1/вык = 0 , входные диоды откроются и выход­ ное напряжение будет зафиксировано на уровне Ux 0 .

Постоянная времени образования переднего фронта сигнала

Переключение сигнала от уровня — Ux к уровню —U0 на одном 'входе (или на нескольких) приводит к образованию заднего фронта выходного сигнала. В этом случае имеет'место заряд емкости С„ от нулевого уровня до уровня —U0 через прямое сопротивление откры­ того диода и сопротивление источника сигнала:

При одновременном поступлении k входных сигналов, уровень которых —U„, постоянная т~ имеет значение %~ik.

Таким образом, в диодно-резистивных логических схемах выходные

ток, величина которого превосходит выходной ток открытой схемы. Отношение / 3 тах//Вых в общем случае определяет меру потерь и назы­ вается коэффициентом эффективности схемы И:

может быть более выгодным, чем использование мощных схем. Анализ работы логических элементов И дает возможность получить

рекомендации по выбору параметров схемы.

Пусть известен перепад входного напряжения U0, величина емкости нагрузки Сл, длительность переднего фронта сигнала тС

Ток заряда конденсатора С„

I3a p ^(C HU0)/T+.

Сопротивление

/?вых ~ Е// зар.

Напряжение источника питания Е при заданном UQ определяют из принятого в расчете коэффициента эффективности

5и = 1 /(1 + !/«/£).

Определение всех параметров схемы дает возможность реализовать поставленные требования, а задание коэффициента Ни и величины пере­

Эквивалентная схема диодного элемента ИЛИ приведена на рис. 2.11. Чтобы данная схема находилась в открытом состоянии, обеспечиваю-

66

щем выходное напряжение, равное нулю, в случае высокого потен­ циала только на одном входе, источник сигнала должен выдавать ток:

При большем количестве высоких входных сигналов от источников сигналов требуется меньший ток.

Когда все входные сигналы имеют уровень —U0, ток на выходе закры­ той схемы

,кого сигнала, если заданы величина перепада выходного напряже­ ния Uо и паразитная емкость С„.

Ток заряда емкости

■^зар ^ C oU q/ T ,

Величину напряжения источника питания Е можно определить, задав коэффициент эффективности §или-

Т огда сопротивление

R bbix — (Е Uо)//зар-

Рассмотрим схему формирования выходного сигнала в двухвходо­ вой схеме (рис. 2.13). При подаче положительного сигнала, например на вход UBXl диод Д х будет закрыт. Если подать одновременно два положительных сигнала на входы

Uзх1 и {Увх2, то выходной сигнал

—■—

где Д — входной ток на i-м входе.

Для каждого тока Д по аналогии с выведенным ранее справедливо

Принимая во внимание предположение об идентичности одноимен­ ных параметров схемы и считая, что прямое сопротивление гд ди­ одов Д 1— Д т равно нулю, получим следующее выражение

преобразовав которое имеем:

68

Таким образом, зависимость выходного сигнала Umx схемы ИЛИ от числа ее входов определяется функцией:

т. е. выходное напряжение равно части входного, как это имеет место

вобычном резистивном делителе напряжения. При т = 2 функция f (т). принимает вид

При реальных же значениях R BX и R Bhlx отношение а имеет доста­ точно большую величину, так что при этом значения / (т) очень близки к единице при конечных значениях т.

Если диоды имеют конечные значения обратных сопротивлений R a, то шунтирующее действие последних влияет на работу всей схемы ИЛИ: Очевидно, в худшем случае т — 1 обратное сопротивление запертых диодов плюс входные сопротивления источников сигналов

Таким образом, с увеличением т и соответственно (5 величина UBыХуменьшается.

Задав минимальное отношение UBaJ U BX = К тт и сделав соответствующие преобразования, определим, при каких значениях т

69