КУРС лекций Электротехника, электронное / Курс лекций. Электротехника и электроника. РАЗДЕЛ 4. Электроника

где n – число входов; m – число выходов.

Так, для преобразования кода кнопочного пульта в четырехразряд- ное двоичное число достаточно использовать лишь 10 входов, в то время как полное число возможных входов будет равно 16 (n = 24 = 16), поэтому шифратор из 10 в 4 будет неполным.

Рассмотрим пример построения шифратора для преобразования де- сятиразрядного единичного кода (десятичных чисел от 0 до 9) в двоичный код. На рисунке 4, а представлена внутренняя схема такого шифратора.

а б Рисунок 4 – Шифратор из 10 в 4: а - схема; б – условное обозначение

Таблица 1 – Таблица истинности десятичного шифратора

374

При этом предполагается, что сигнал, соответствующий логической единице, в каждый момент времени подается только на один вход. Услов- ное обозначение такого шифратора приведено на рисунке 4, б. Таблица 1 отражает работу шифратора.

Дешифратор (декодер) – логическое устройство, которое позволяет преобразовывать n-разрядный двоичный код в другие коды. Например, преобразовывать позиционный двоичный код в линейный десятичный.

Преобразование производится по правилам, описанным в таблицах истинности, поэтому построение дешифраторов не представляет трудно- стей.

Например, десятичным дешифратором называется комбинационное устройство, преобразующее n-разрядный двоичный код в логический сиг- нал, появляющийся на том выходе, десятичный номер которого соответст- вует двоичному коду.

Число входов и выходов в так называемом полном дешифраторе свя- зано соотношением

тот выход, номер которого равен десятичному числу, определяемому дво- ичным числом на входе. Например, если на всех входах – логические нули, то на выходе Y 0 – логический ноль, а на остальных выходах – логическая единица. Если на входе А2 – логическая единица, а на остальных входах – логический ноль, то на выходе Y 2 – логический ноль, а на остальных вы- ходах – логическая единица. Если на входе – двоичное число, превышаю- щее 9 (например, на всех входах единицы, что соответствует двоичному числу 1111 и десятичному числу 15), то на всех выходах – логическая еди- ница.

376

Вариант – а, обеспечивает коммутацию информационных цепей с по- мощью механических устройств (переключателей, реле и т. п.) без вмеша- тельства в управляемые цепи. Переключатель S играет роль адресного уст- ройства, положение контактов которого определяет, какие входные сигналы, х1 или х2, будут поступать на выход. Добавлением логических элементов И можно увеличить число входных информационных шин.

В варианте б для переключения входных цепей используется один внешний сигнал. Когда А = 1, F = x1; при А = 0, F = x2.

Эти же принципы положены в основу построения и более сложных схем мультиплексоров.

Примером мультиплексора является микросхема ТТЛ К155КП5. Это мультиплексор - коммутатор с восьми входов на один (8:1), рисунок 6, в.

Цифровая комбинация на управляющих входах (А , В, С) определяет, с какого из информационных входов сигналы на выходы будут переданы в на выход (вывод 6).

Демультиплексоры

Демультиплексоры в функциональном отношении противоположны мультиплексорам. Здесь сигналы с одного информационного входа распреде- ляются в желаемой последовательности по нескольким выходам. Выбор нуж- ной выходной шины, как и в мультиплексоре, обеспечивается кодом на ад- ресных входах. При п адресных входах демультиплексор может иметь в зави-

симости от конструкции до 2n выходов.

Идею работы демультиплексора поясняет рисунок 7.

Рисунок 7 – Принцип работы демультиплексора

Вход х - информационный, вход А - адресный, потенциал на этом входе определяет, на каком из выходов будут формироваться сигналы, повторяю- щие х.

Когда А = 1, верхний элемент И заперт и на выходе его F0 = 0; нижний элемент, напротив, открыт и работает как повторитель информационных сиг- налов F1 = х. При А = 0 заперт нижний элемент F1 = 0, а верхний пропускает входную информацию F0 = х.

Демультиплексоры с большим числом выходов работают по тому же принципу, только имеют более сложную схему.

377

4.8.4 Ключи КМОП

Как известно, полевой транзистор в области малых напряжений сток-исток ведет себя как резистор, сопротивление которого может изме- няться во много раз при изменении управляющего напряжения затвор- исток Uзи. Но при использовании ПТ с управляющим переходом такие коммутаторы трудно реализовать по схемным соображениям.

Проблемы подобного рода не возникают, если в качестве ключа ис- пользовать полевой транзистор с изолированным затвором (МОП транзи- стор).

МОП транзисторы можно переводить в открытое состояние, подавая управляющее напряжение большее, чем максимальное входное положи- тельное напряжение, причем в таком режиме работы ток затвора будет ра- вен нулю. Схема ключа на МОП транзисторе приведена на рисунке 8, а. Здесь ключом является n-канальный МОП транзистор обогащенного типа, не проводящий ток при Uзи ≤ 0 .

VT1

VT2

а б Рисунок 8 - Последовательные коммутаторы на МОП транзисторах; а –

ключ на МОП транзисторе; б – ключ на комплементарных МОП

транзисторах

В этом состоянии сопротивление канала, как правило, достигает единиц или даже десятков ГОм, и сигнал не проходит через ключ. Подача на затвор относительно истока значительного положительного напряжения приводит канал в проводящее состояние с типичным сопротивлением от 20 до 200 Ом для транзисторов, используемых в качестве аналоговых ключей.

Приведенная на рисунке 8,а схема будет работать при положитель- ных входных сигналах, которые по крайней мере на 5 В меньше, чем Uупр.

При более высоком уровне сигнала напряжение затвор-исток будет недостаточно, чтобы удержать транзистор в открытом состоянии (сопро- тивление канала в открытом состоянии Rо начнет расти). Отрицательные входные сигналы, в данной схеме, вызовут включение транзистора при за- земленном затворе.

Лучшими характеристиками обладают ключи на комплементарных МОП транзисторах (КМОП ключи), рисунок 8,б.

378

Рисунок 9 – Зависимость сопротивлений каналов транзисторов КМОП ключа от Uвх

Здесь на подложку транзистора VT1 подается положительное пи- тающее напряжение +Uпит, а на подложку транзистора VT2 - отрицатель- ное питающее напряжение -Uпит. При высоком уровне управляющего сигнала напряжение на затворе n-канального транзистора VT2 практически равно +Uпит. В таком случае транзистор VT2 проводит сигналы с уровня- ми от -Uпит до +Uпит без нескольких вольт (при более высоких уровнях сигнала Rо начинает катастрофически расти). В это время напряжение на затворе VT1 практически равно -Uпит. Транзистор VT1 пропускает сигна- лы с уровнями от +Uпит до значения на несколько вольт выше -Uпит. Та- ким образом, все сигналы в диапазоне от +Uпит до -Uпит проходят через двухполюсник с малым сопротивлением (рисунок 10). При переключении управляющего сигнала на низкий уровень, напряжение на затворе n- канального транзистора VТ2 устанавливается близким к -Uпит, а напряже- ние на затворе p-канального транзистора VТ1 устанавливается близким к +Uпит. Тогда, при -Uпит < Uвх < +Uпит, оба транзистора заперты, и цепь коммутатора разомкнута. В результате получается аналоговый переключа- тель для сигналов в диапазоне от низкого напряжения питания ключа до высокого напряжения его питания.

На рисунке 9 показано эквивалентное сопротивление каналов парал- лельно включенных МОП транзисторов. Эта схема работает в двух на- правлениях - любой ее зажим может служить входным. Она является осно- вой практически для всех ИМС аналоговых коммутаторов, выпускаемых в настоящее время.

Коммутаторы могут иметь много входов и один выход или быть дифференциальными. Дифференциальный канал коммутации посылает

379

выбранный сигнал из двух входных проводов в два выходных. По- другому, такой коммутатор обслуживает дифференциальные источники сигналов, передавая токи на дифференциальный приемник.

Такие коммутаторы являются двунаправленным ключом. Двуна- правленный ключ, или, как его еще называют, двунаправленный переклю- чатель, представляет собой специфический узел из КМОП транзисторов и не имеет функциональных аналогов среди микросхем других видов логи- ки.

Двунаправленный ключ можно уподобить реле, управление которым осуществляется без затрат мощности. Наряду с инверторами двунаправ- ленные ключи находят применение во многих функциональных устройст- вах не только дискретной, но и аналоговой техники. Они производятся как

КР1554КП18

380

а б в Рисунок 11 – Коммутатор КР1554КП18: а – эквивалентная схема первого

канала; б – условное обозначение; в – общий вид

Вход S – управляющий. Подачей на него нуля или единицы можно выбирать тот или иной сигнал из двух входных.

Вход Е – разрешающий. При высоком потенциале на данном входе на всех выходах коммутатора будет низкий уровень не зависимо от со- стояния всех других входов. При подаче на вход Е единицы, переключа- тель начинает работать.

4.8.5 Устройства отображения информации. Индикаторы: Газоразрядные. Вакуумно-люминисцентные. Светодиодные. Жидкокристаллические. Устройство, схемы включения и принципы управления

Важнейшей частью измерительных и контролирующих приборов, электронных часов и многих других приборов и устройств с визуально на- блюдаемой цифровой информацией являются устройства отображения ин- формации. Они основаны на разных физических принципах, некоторые из них мы рассмотрим ниже.

4.8.5.1 Газоразрядные индикаторы

Газоразрядный индикатор - ионный прибор для отображения слож- ной информации, использующий тлеющий разряд.

Наиболее простыми среди газоразрядных являются знаковые инди- каторы. Такой индикатор представляет собой стеклянный баллон, в кото- ром находится пакет из десяти тонких металлических электродов (като- дов). Каждый из катодов выполнен в форме цифры от 0 до 9 или знака, при этом они включаются индивидуально.

382

Управление газоразрядным индикатором производится с помощью дешифратора. Специально для управления газоразрядными индикаторами была разработана отечественная микросхема - высоковольтный дешифра- тор К155ИД1 (её зарубежный аналог 74141), ее включение показано на ри- сунке 13.

Дешифратор К155ИД1 представляет собой двоично-десятичный де- шифратор с «высоковольтным» выходом, т. е. рассчитанным на совмест- ную работу с цифровым газоразрядным индикатором. У дешифратора че- тыре адресных входа, которые подключают непосредственно к выходам счетчика, работающего в весовом коде 1-2-4-8, и десять выходов, которые соединяют с катодами цифрового индикатора. Дешифратор преобразует выходные сигналы счетчика в сигналы кода десятичной системы счисле- ния, которые включают свечение соответствующих катодов-цифр индика- тора.

Первые газоразрядные индикаторы были разработаны в 1952 году. С начала 1950-х до 1970-х годов индикаторы, построенные на газоразрядном принципе, были доминирующим в технике. Позже они были заменены све- тодиодными, вакуумно-люминесцентными и жидкокристаллическими дис- плеями и довольно редки сегодня. В настоящее время большинство наиме- нований газоразрядных индикаторов более не производится.

Газоразрядные индикаторы использовались в калькуляторах, в изме- рительном оборудовании, в первых компьютерах, в аэрокосмической тех- нике и подводных лодках, в лифтовых.

Существовали также сегментные и матричные газоразрядные инди- каторы. Принцип их работы тот же, но для них требуются специальные дешифраторы.

4.8.5.2 Вакуумно-люминисцентные индикаторы

Вакуумно-люминесцентный индикатор (ВЛИ), или катодолюминес- центный индикатор (КЛИ) - электровакуумный прибор, элемент индика- ции, работающий по принципу электронной лампы. Несмотря на то, что такой индикатор является, по сути, радиолампой, он не считается устарев- шим радиоэлементом, продолжает производиться и сегодня, и применяется в современной радиоаппаратуре, в том числе и вновь разрабатываемой.

Как и другие индикаторы, ВЛИ могут быть сегментными, точечно- матричными, мнемоническими, комбинированными.

Вакуумно-люминесцентный индикатор представляет собой электро- вакуумный триод прямого накала с множеством покрытых люминофором анодов. Параметры лампы подобраны таким образом, чтобы она могла ра- ботать при низких анодных напряжениях — от 9 до 27 В.

Рассмотрим устройство простейшего 7-сегментного ВЛИ. Вакуум- ный люминесцентный индикатор (ВЛИ) представляет собой вакуумный