книги из ГПНТБ / Филимонов Г.А. Основы цифровых устройств систем управления учебное пособие
.pdfГ Л А В А Ш
ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ СХЕМЫ ОСНОВНЫХ ЛОГИЧЕСКИХ
УСТРОЙСТВ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННЫХ ЭЦМ
§ 12. Представление и передача двоичных чисел в цифровых устройствах
Для изображения двоичных цифр обычно используется два электрических способа: статический и динамический. Эти спо собы иногда носят название статического и динамического ко дов.
При статическом способе двоичные цифры изображаются различными уровнями потенциала. Высокий уровень потенциала соответствует единице, низкий уровень - нулю. Эти уровни
сохраняются |
в |
течение |
всего времени представления данного |
|||
числа /р и с .45,а / . |
|
|
|
|
||
При динамическом способе двоичные цифры |
изображаются |
|||||
импульсами определенной длительности. Единица чаще |
всего |
|||||
изображается |
наличием |
импульса, а нуль - его |
отсутствием |
|||
/р и с .45,б /. |
В |
некоторых цифровых устройствах |
единицу |
и нуль |
||
изображают |
импульсами |
разной полярности |
/р и с .4 5 ,в /. |
|
||
В зависимости от |
способа передачи |
двоичных чисел |
в |
цифровых устройствах используются три основных кода: после довательный /время-импульсный/, параллельный /пространст
венно-позиционный/ |
и число - импульсный |
/унитарный/. |
В последовательном коде двоичное число передается по |
||
одной цепи /шине/ |
последовательно разряд |
за разрядом. Ес |
ли цифры при этом изображаются статическим способом,то при передаче нескольких одинаковых цифр подряд уровень напря
жения сохраняется неизменным /р и с .4 6 /. |
В случае, когда циф |
ры изображаются динамическим способом, |
для передачи чисел |
последовательным кодом их разряды должны поступать в стро го определенные моменты времени. Отметки времени прохожде ния каждого импульса /разряда/ создаются специальными син-
120
хронизирующими импульсами СИ /р и с .4 7 /. При изображении дво ичных цифр импульсами различной полярности можно обойтись без синхронизирующих импульсов.
При параллельном коде все разряды числа передаются од новременно, причем каждый из них поступает по своему кана лу /р и с .4 8 /.
Вслучае передачи число-импульсным кодом число пред ставляется серией импульсов высокой частоты. Количество им пульсов в серии равно или пропорционально значению переда ваемого числа. Следует отметить, что подобный код пригоден для любой системы счисления, так как это код с основанием "единица". Импульсы подсчитываются.счетчиками, работающими
всоответствующих системах счисления.
Взависимости от примененного способа передачи числа
цифровые устройства называются последовательными или |
па |
|
раллельными. |
|
|
Как уже |
отмечалось, сигналами на входах и выходах |
циф |
ровых устройств могут быть потенциалы или импульсы. В |
со |
|
ответствии с |
этим существуют три вида устройств: |
|
- потенциальные, в которых в качестве сигналов на |
вхо |
|
дах и выходах |
используются потенциалы* |
|
-потенциально-импульсные, в которых сигналами на вхо дах являются потенциалы и импульсы, а сигналами на выходе - импульсы, при этом управляющими сигналами чаще всего быва ют потенциалы*
-импульсные, в которых сигналами на входах и выходах являются импульсы.
§13. Основные логические элементы на полупровод никах и магнитных сердечниках
Воснове сложных логических устройств лежат элементар ные схемы, которые реализуют логические связи "НЕ", "И", "ИЛИ".
Рассмотрим принцип работы этих схем.
121
Схема инвертора, реализующая логическую операцию
"НЕ", показана на рис.49.
Нормально триод заперт напряжениями соответствующей величины и полярности, приложенными к коллектору и базе» При подаче на базу импульса отрицательной полярности три
од отпирается, и на |
его |
выходе появляется положительный |
|
импульс напряжения. |
|
|
|
Сопротивление |
RK служит для ограничения коллекторно |
||
го тока, а сопротивление |
- для |
ограничения напряжения |
|
между базой и эмиттером. |
Конденсатор |
С обеспечивает быст |
рое включение триода за счет емкостного тока при разряде.
Схема совпадения реализует логическую связь "И". Про
стейшая потенциально-импульсная схема совпадения на полу
проводниковом диоде |
/р и |
с .50/ |
работает следующим |
образом. |
Положительный импульс на |
входе А и высокий потенциал на |
|||
входе Б соответствуют |
сигналу |
"I" . При наличии на |
обоих |
входах сигнала "I" диод заперт высоким потенциалом и поло жительный импульс, поступающий на вход А через конденсато ры Сз , £ 2 , проходит на выход Р. Если же на входе В сиг нал низкого уровня, то диод замыкает цепь положительного
импульса, |
поступающего на |
вход А через Ст на |
землю. |
|||
|
Собирательная схема |
реализует логическую |
операцию |
|||
"ИЛИ". Одна из таких схем представлена на рис.51, |
|
работа |
||||
ее осуществляется следующим образом. |
|
|
|
|||
|
При отсутствии входных сигналов через сопротивление |
|||||
/?к |
течет |
очень малый коллекторный ток и выходное |
напряже |
|||
ние |
почти |
равно напряжению источника питания - |
Ек |
. |
При |
появлении на любом входе отрицательного импульса соответ ствующий триод отпирается и через R начинает протекать относительно большой ток. При этом на выходе возникает по ложительный импульс напряжения.
Различные варианты рассмотренных схем могут быть по строены также на феррит-диодных, феррит-транзисторных ячей ках и других элементах. Наибольшее распространение получи
122
ли схемы на феррит-транзисторных ячейках, и поэтому следу ет рассмотреть их несколько подробнее.
Работа феррит-транзисторной ячейки
Для создания феррит-транзисторной ячейки используются ферриты с петлей гистерезиса, весьма близкой к прямоуголь ной. В целях уяснения работы ячейки рассмотрим процесс на
магничивания |
ферромагнитного вещества. |
|
|
|
||||
Пусть первоначально вещество полностью размагничено, |
||||||||
т .е . его магнитное |
состояние характеризуется |
точкой |
О |
|||||
/ри с .5 2 /. |
С |
возрастанием напряженности внешнего |
поля Н |
|||||
магнитная |
индукция |
В |
увеличивается по кривой |
ОА, |
прибли |
|||
жаясь к насыщению. Эта кривая называется первоначальной |
||||||||
кривой намагничивания. Если напряженность внешнего |
|
поля |
||||||
доведена |
до |
величины Нт |
, |
то магнитная индукция |
равна |
&т |
||
/точка А /. |
|
|
|
|
|
|
|
|
При уменьшении величины Н магнитная индукция |
также |
|||||||
уменьшается, |
однако кривая |
располагается выше кри- |
||||||
вой ОА. При Н = О имеется |
остаточная индукция + В ^. |
В |
этом |
состоянии вещество может находиться сколь угодно долго,ес
ли на |
него не будет воздействовать внешнее магнитное поле. |
|
С |
изменением направления намагничивающего поля |
маг |
нитная |
индукция будет уменьшаться сначала постепенно, |
а |
затем |
при достижении полем некоторого значения, превышаю |
щего Нс , скачкообразно.
Величина Нс называется коэрцитивной силой и определя ет напряженность внешнего поля для перемагничивания ферро магнитного вещества. При достижении полем величины Нсзнак индукции изменится на противоположный. При дальнейшем уве личении Н индукция будет плавно увеличиваться до значения Вт , которое достигается при ~Нт. Если теперь уменьшать напряженность поля, то индукция также будет уменьшаться и при Нт = О наступит состояние остаточной магнитной ин дукции “ 5 ^ . Это второе устойчивое состояние ферромагнит
123
ного вещества. Если на ферромагнитное вещество, |
обладающее |
||||||||
остаточной |
индукцией |
—5 ^ , действует поле, напряженность ко |
|||||||
торого |
равна |
+ Нт |
, |
то |
магнитное |
состояние вещества |
изме |
||
няется |
от |
точки |
|
до |
точки А. |
Таким образом, получает |
|||
ся замкнутая петля гистерезиса. |
|
|
|
||||||
Феррит-транзисторная ячейка представляет собой магнит |
|||||||||
ный сердечник /феррит/ с четырьмя |
обмотками на |
нем и плос |
|||||||
костной |
триод |
с заземленным эмиттером /р и с .5 3 /. |
Для |
рассмот |
|||||
рения работы |
ячейки |
воспользуемся |
идеализированной |
петлей |
|||||
гистерезиса |
/р и с .5 2 ,б /. |
|
|
|
|
||||
Пусть начальное состояние феррита соответствует точке |
|||||||||
оС (+Ё>т ,0 ) |
на петле |
и пусть в одну из обмоток Фзррита по |
дается кратковременный импульс тока, который сс:.дает |
напря |
|||
женность |
магнитного |
поля |
~Нт , превышающую значение |
коэрци |
тивной силы Нс . В |
этом |
случае изменение индукции от |
+ В |
|
до - Вт |
вызовет изменение общего магнитного потока |
|
Ф=2ЙГО5 ,
где Е>т - значение индукции,
3 - площадь поперечного сечения феррита.
Изменение магнитного потока охватывает все обмотки фер рита и индуктирует в них ОЛС
Иф |
|
Итак, при поступлении в обмотку |
которая называ |
ется записывающей, импульса тока в начете этой обмотки воз никает положительный полюс ОДС, препятствующей протеканию пришедшего импульса тока. При одненаправленной намотке всех обмоток на началах будет положительный, а на концах отри цательный полюс индуктивной ЭДС /рис .51./.
|
При подключении |
к одной из обмоток полупроводникового |
|
триода на базе его |
появится положительг .и г- «улье напряже |
||
ния, |
поэтому триод |
будет заперт, и тс в цп-и коллектора |
|
будет |
отсутствовать. |
Следовательнс. иг-, --.ениси /так назыве- |
|
ется |
переход феррита |
из верхнего ус-у»г и <ого состояния - |
точка "а" |
в нижнее |
устойчивое состояние - точка d / на |
ба |
зе триода |
возникает |
положительный импульс напряжения, |
за |
пирающий триод. Обмотка феррита, включенная на вход триода,
называется базовой |
. |
Для того чтобы перевести феррит из нижнего устойчиво |
|
го состояния в верхнее, |
необходимо создать магнитное поле |
величиной -* Нт . Это |
поле создается кратковременным импуль |
|
сом тока, протекающим по обмотке |
феррита, которая называет |
|
ся тактовой \л^.?или |
считывающей. |
Изменение индукции от зна |
чения ~ Ь т до значения + Вт вызывает изменение магнитного потока. Изменяющийся магнитный поток индуктирует в обмотках
ЭДС, причем в этом |
случае на концах всех обмоток |
будет |
по |
|
ложительный полюс, |
а на началах - отрицательный. |
На |
базе |
|
триода |
возникнет |
нарастающий отрицательный импульс напря |
||
жения, |
отпирающий |
триод и вызывающий появление коллекторно |
||
го тока. |
|
|
|
|
Для ускорения |
процесса формирования импульса |
применя |
ется положительная обратная связь. Это достигается соответ ствующим включением одной из обмоток феррита в коллектор ную цепь триода /рис.5*»/. Нарастание тока коллектора вызывает дополнительное изменение магнитного потока, в ре зультате чего в базовой обмотке наводится дополнительная ЭДС, еще более отпирающая триод. Возникает лавинообразный процесс нарастания напряжения на входе триода, а поэтому и нарастание коллекторного тока. После того, как феррит пе ребросился в верхнее устойчивое состояние, импульс напряже ния на входе триода исчезнет и начнется уменьшение тока кол лектора. Импульс коллекторного тока феррит-транзисторной ячейки имеет передний фронт более крутой, чем задний/рис.5!У
Основным фактором, определяющим работу феррита, яв ляется время перемагничивания. При соответствующем числе витков записывающей и тактовой обмоток феррита время пе ремагничивания значительно меньше длительности импульса коллекторного тока триода. Следовательно, длительность им пульса тока, формируемого ячейкой, определяется в основ
125
ном поведением триода.
Итак, во входную обмотку /обмотку записи/ подаются им пульсы, устанавливающие феррит в положение кода "I" . Такто вая обмотка служит для переброса феррита из состояния "I" в состояние "О". В данном случае состоянию "I" отвечает на
магниченность |
сердечника, характеризуемая |
точкой —В пет |
|
ли гистерезиса, а состоянию |
"0" точка + |
. |
|
Феррит - |
транзисторная |
ячейка может |
быть использована |
для формирования импульсов заданной длительности и амплиту ды. В этом случае она называется формирующей ячейкой. Ам плитуда и длительность импульса на выходе такой ячейки ре гулируются подбором числа витков базовой обм отки ^.С уве личением числа витков амплитуда и длительность выходного импульса возрастают. Однако, когда "Wj имеет 8-12 витков, дальнейший рост амплитуды прекращается.
Иногда требуется, чтобы формирующая ячейка не задержи вала прохождение импульсов, если не считать время перебро
са феррита. С |
этой |
целью вместо |
тактовых импульсов |
в обмот |
ку ~WT подается |
ток |
постоянного |
подмагничивания, за |
счет че |
го после записи "I" в ячейку последняя немедленно переклю чается в положение "О". В связи с этим формирующая ячейка уподобляется ждущему мультивибратору, а длительность вы ходного импульса регулируется изменением ампервитков под магничивания.
На рис.56 представлены схемы последовательного вклю чения феррит-транзисторных ячеек при однотактном и двухтак
тном питании. При однотактном питании тактовые |
импульсы |
поступают на все ячейки одновременно /рис.5 6 ,а / . |
Под дей |
ствием тактового импульса все ячейки, находившиеся в состо янии п1", устанавливаются в состояние "О". При этом в вы
ходной обмотке возникает импульс, |
который, пройдя линию за |
||||
держки, устанавливает следующую ячейку в состояние "I" . |
|||||
При двухтактном питании |
тактовые импульсы |
подаются по |
|||
двум шинам - |
I |
и П, при этом |
все |
четные ячейки |
подключаются |
к одной шине, |
а |
нечетные к другой |
/р и с .5 6 ,6 /. Частота так- |
126
товых импульсов в обеих шинах одинакова, но импульсы в ши не П сдвинуты относительно импульсов шины I на половину пе риода следования их, т .е . Т = ^ + Т а.В этом случае при по ступлении тактового импульса в ячейку записанная ранее "I" одновременно считывается и записывается в следующую Ячейку.
Рассмотрим основные логические элементы на феррит-тран- зисторных ячейках при двухтактном питании.
Ячейка задержки
На рис.57 представлены функциональные и принципиаль
ные схемы ячейки задержки. |
|
|
Пунктир с обозначением t говорит о том, что |
импульс |
|
в тактовую обмотку подается в момент |
времени Ьп в |
этот же |
момент будет выдан сигнал на выходе, |
если в предыдущий мо |
|
мент существовал сигнал на входе. На |
электрических |
схемах |
эти моменты времени обозначены через |
и 7 ^ .Как правило, |
|
такая ячейка задерживает прохождение |
импульса на |
время, |
равное половине периода следования тактовых импульсов 1/2 Т.
Указанная ячейка может использоваться как запоминаю щая. В этом случае импульсы записи и считывания могут по даваться в различные моменты времени, но с тем условием, чтобы они совпадали с какими-либо из тактовых импульсов.
Из отдельных феррит-транзисторных ячеек обычно |
состав |
|
ляются линии задержки /р и с .5 6 ,6 /. В первую |
ячейку такой ли |
|
нии записывается единица и переписывается |
тактовыми |
импуль |
сами последовательно из ячейки в ячейку до тех пор, пока этот импульс не будет считан с последней ячейки. В зависи
мости от того, сколько ячеек прошел импульс, он будет |
за |
|
держан на определенное количество полутактов. Если в |
такую |
|
линию записать любой код, то она будет выполнять роль |
ре |
|
гистра. |
|
|
Разветвление /размножитель импульсов/ |
|
|
Разветвление представляет собой |
схему /ри с .5 8 /, |
в ко |
торой от одной ячейки /одного выхода/ |
подаются импульсы на |
|
|
|
127 |
несколько записывающих или тактовых обмоток
С оби р ател ьн ая сх ем а
На рис.59 представлена схема на два входа, реализую щая логическую операцию "ИЛИ". Схема выполняется либо пу тем объединения нескольких сигналов на входной обмотке ячейки задерхки, либо наличием нескольких входных обмоток. Подобное объединение сигналов из различных источников воз можно не только на входе ячейки задерхки, но и на каждом входе любой другой логической схемы.
Схема совпадения /вентиль, клапан/
На рис.60 представлены функциональная и электрические схемы, отвечающие логической операции "И". Электрическая схема состоит из двух феррит-транзисторных ячеек, транзис торы которых соединены последовательно. Таким образом, в этой схеме осуществлена коммутация по току, т .е . на выходе схемы будет сигнал только в том случае, когда оба транзи
стора открыты одновременно. Следовательно, |
если в |
один |
|||||
феррит |
записана |
" I й, а |
в другой |
не |
записана |
или будет за |
|
писана |
во время |
другого |
такта, |
то |
на выходе |
схемы |
сигнала |
не будет при условии, что считывающие импульсы тока будут проходить в каждый такт. Задержка в схеме равна 0,5 Т ,т .е .
при подаче на входы сигналов в момент |
времени Ь на |
выходе |
||||||
будет |
сигнал в момент времени |
Ь *■ 0,5 |
Т. |
|
|
|
|
|
|
С хема н есо в п а д ен и я |
/ з а п р е т / |
|
|
|
|
||
На выход схемы /р и с .6.1/ проходит |
входной |
сигнал |
А |
|||||
только |
в том случае, если на второй вход |
В не |
подан |
им |
||||
пульс |
запрета. Если сигнал на |
вход |
А |
подается |
в |
каждый |
||
так т , |
то выходной сигнал в этом случае будет иметь значе |
|||||||
ние В . При произвольных сигналах |
А |
и В |
результат |
на |
||||
выходе |
будет соответствовать |
логической |
формуле АлВ . |
J28
Схема запрета собрана на одной феррит-транзисторной ячейке, феррит которой имеет пять обмоток. Пятая обмотка носит название обмотки запрета и является компенсирущей. Импульс, поступающий на обмотку запрета, компенсирует им пульс записи, который приходит на входную обмотку и не за писывается. Компенсация происходит за счет того, что обе эти обмотки включены встречно. Такая схема носит название одновременного запрета.
На рис.62 показана схема запрета с компенсирующим фер ритом. Она состоит из схемы "И" и компенсирующего феррита. Схема совпадения необходима для того, чтобы на выходе за прета не могла возникнуть помеха в том случае, когда на фер ритах I и 2 ничего не записано, а в компенсирующий феррит
произведена запись. В запрете два входа схемы "И" соединены |
|
последовательно. Запрет работает следующим образом: если в |
|
ферриты I |
и 2 была произведена запись, то при считывании |
на выходе |
схемы будет импульс тока. Если импульсы были за |
писаны во |
все три феррита, то при считывании ЭДС, наводи |
мая на выходной обмотке 3-го феррита, компенсирует ЭДС на |
|
базовой обмотке 2-го феррита, и схема совпадения оказыает- |
|
ся закрытой. Таким образом, на выходе схемы запрета импуль |
са не будет. |
|
На рис.63 представлена схема запрета, состоящая |
из |
двух феррит-транзисторных ячеек. При считывании на сопро тивлении R создается падение напряжения за счет коллектор ного тока триода ячейки 2 . Положительный полюс этого напря жения прикладывается к базе триода ячейки, компенсируя тем самым ЭДС, наводимую в базовой обмотке.
Схема антисовпадений /исключительное "ИЛИ"/
На рис.64 показана схема, реализующая логическую опе рацию исключающего "ИЛИ", когда в зависимости от комбина ции входных сигналов на выходе будет либо сигнал А, либо сигнал В. Поскольку рассматриваемая схема состоит из двух
9 |
129 |