Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
4К.2С.ЗФО-ИСТ / Схемотехника ЭВМ / Схемотехника ЭВМ ч.1.doc
Скачиваний:
214
Добавлен:
10.04.2015
Размер:
11.43 Mб
Скачать

Министерство образования Российской Федерации

Санкт-Петербургский государственный

политехнический университет

Псковский политехнический институт

С.Н. Лехин

СХЕМОТЕХНИКА ЭВМ

ТЕОРЕТИЧЕСКИЙ КУРС

часть 1

Учебное пособие

Санкт-Петербург

2003

УДК 518 : 683

Рекомендовано к изданию

Научно-методическим советом

Псковского политехнического института СПбГПУ

Рецензенты:

-Веселков ЕЛ., зав. кафедрой ЭСА ППИ СПбГПУ

Ильин С.Н., гл. инженер СКБ вычислительной техники

АО «ПЛЕСКАВА»

Схемотехника ЭВМ: Теоретический курс (часть 1). Учебное пособие. Лехин С.Н.

-СПб/Псков, Изд. СПбГПУ, 2002 – с.:ил.

Учебное пособие (часть 1) по дисциплине «Схемотехника ЭВМ» (СД 03) предназначено для студентов Псковского политехнического института специальности 220100 «Электронно-вычислительные машины, комплексы, системы и сети» дневной и очно-заочной форм обучения

В пособии рассмотрены принципы функционирования, схемотехника, параметры основных разновидностей базовых цифровых логических элементов, вопросы их согласования, питания и передачи цифровых управляющих сигналов по реальным линиям связи.

Учебное пособие может использоваться учащимися и студентами других специальностей и специализаций, интересующихся вопросами схемотехники узлов цифровых вычислительных машин.

© Псковский политехнический институт (филиал) Санкт-Петербургского

государственного политехнического

университета, 2003

© С.Н. Лехин

  1. ВВЕДЕНИЕ

Учебный курс «Схемотехника ЭВМ» читается в Псковском политехническом институте на 4 курсе обучения. В результате изучения дисциплины выпускник института должен иметь представление о схемотехнике, параметрах, характеристиках и номенклатуре основных серий отечественных и зарубежных элементов цифровых устройств, методах синтеза и анализа типовых узлов для обработки и формирования цифровых сигналов, принципах функционирования запоминающих устройств, методах синтеза цифровых схем на основе программируемой логики, способах и устройствах для преобразования сигналов из аналоговой формы в цифровую и обратно, методах обеспечения работоспособности цифровых узлов при воздействии помех по шинам питания и сигнальным цепям, способах и устройствах для отображения цифровой информации.

Данная дисциплина дает базовые знания для освоения специальных курсов: "Электронно-вычислительные машины, системы и комплексы", "Внешние устройства электронно-вычислительной техники" и основывается на знаниях, полученных в ходе изучения предметов:"Информатика", "Электротехника", "Электроника".

2. Схемотехника цифровых логических элементов

2.1 Принципы построения логических элементов.

К цифровым относится большинство устройств, используемых в вычислительных машинах. Их основная особенность состоит в том, что они предназначены для работы с цифровыми сигналами.

Цифровыми или логическими называются сигналы, которые могут принимать лишь два отличающихся друг от друга значения уровня напряжения или тока. Один из них близок к нулю и считается низким, а другой определяется напряжением питания и является высоким.

Низкий уровень обычно называют уровнем логического нуля, а высокому приписывают значение логической единицы. Так принято, хотя их можно называть «Н» и «В», либо «А» и «Б», или по иному. С этой точки зрения такие электрические сигналы можно формально рассматривать как некоторые переменные, принимающие лишь два значения.

Л

юбой сигнал служит для передачи информации или сам является ее источником. В аналоговом сигналеS(t) информация содержится в текущем значении его уровня, то есть любое изменение величины S(t) от любых причин будет восприниматься как изменение сигнала, и представляемой им информации.

При наличии помехи в момент времени t2 зафиксируется значение сигнала S^(t2), а не его истинная величина S(t2). Это обстоятельство приводит к невысокой помехоустойчивости и помехозащищенности аналоговых систем, так как воздействие помех искажает сигнал и содержащуюся в нем информацию.

О

собенность систем, использующих цифровые сигналы в том, что конкретные значения их уровней в первом приближении не играют роли, главное, чтобы эти уровни отличались друг от друга. То есть при аналоговом подходе представленные здесь сигналы будут разными, а при цифровом они неразличимы, что и обуславливает очень высокую помехоустойчивость цифровых устройств.

То обстоятельство, что у цифровых сигналов только два значения уровней - низкий и высокий, или логический ноль и логическая единица, позволяет использовать для описания работы цифровых устройств аппарат Булевой алгебры или алгебры логики.

Первичная обработка цифровых сигналов производится в устройствах, которые называются логическими элементами. Они реализуют простейшие логические операции над цифровыми сигналами. К таким, относятся конъюнкция, дизъюнкция, отрицание и некоторые другие. Часто их называют – операции И, ИЛИ, НЕ и т.п. Такие же названия носят и соответствующие логические элементы.

Ваналоговых электронных устройствах, например усилителях, при изменении входного сигнала выходной меняется пропорционально ему. Цифровые устройства конструируются на тех же элементах, что и аналоговые, но они не должны реагировать на изменения управляющих сигналов в определенных пределах, то есть напряжения меняющиеся в пределах заштрихованных областей должны восприниматься как уровни логического нуля и единицы.

Для создания логических элементов можно использовать механические переключатели, электромагнитные реле, электровакуумные и полупроводниковые приборы и, в частности диоды. Диод представляет собой прибор, обладающий разной проводимостью в зависимости от полярности приложенного к его электродам напряжения.

На принципиальных схемах он обозначается следующим образом. Один из электродов называется катодом, а другой анодом. Зависимость тока, протекающего через диод от приложенного напряжения называется вольтамперной характеристикой и имеет такой вид.

Когда к аноду подключается положительный, а к катоду отрицательный полюс внешнего источника напряжения, то при небольшой его величине через диод протекает значительный ток, который, как и напряжение такой полярности называется прямым. В широком диапазоне изменения прямых токов напряжение на диоде остается практически неизменным и для кремниевых структур составляет порядка 0,7÷0,8В. Условно можно считать, что при таком напряженииUпр диод начинает проводить прямой ток.

При смене полярности напряжения на электродах диода происходит его запирание и ток через диод практически прекращается. Реально величина обратного тока для диодов, используемых в цифровых устройствах составляет единицы - десятки микроампер и в первом приближении может не учитываться.

С ростом обратного напряжения обратный ток диода остается практически неизменным вплоть до электрического пробоя при котором наблюдается его резкое возрастание. При этом значительно увеличивается мощность, рассеиваемая на диодной структуре и, если не принять специальных мер, то электрический пробой может перейти в тепловой и диод выйдет из строя.

П

усть на основе двух диодов и резистора, подключенного к источнику питания с напряжением +Е собрана схема. Проанализируем ситуацию на ее выходе, предполагая, что входными являются сигналы с уровнями нуля и напряжения питания, хотя в принципе они могут принимать любые значения.

Формально можно считать, что на входы Вх.1 и Вх.2 такой схемы поступают логические переменные Х1 и Х2, а на выходе формируется некоторая функция Y(Х1,Х2).

Предположим, что напряжению близкому к нулю соответствует значение логического нуля входных переменных и функции, а напряжению близкому к Е – логической единицы.

Если на оба входа подать нулевой сигнал, то через открытые при такой полярности напряжения диоды по резистору от источника питания потечет ток, и уровень напряжения на выходе составит порядка долей вольта, что позволяет в первом приближении, считать его равным нулю. То есть в данной ситуации значение функции Y при Х1=Х2=0 также будет равно логическому нулю.

Если на первый вход подать нулевое напряжение, а второй соединить с положительным полюсом источника питания, то, связанный с ним диод закроется, но первый останется в проводящем состоянии и выходное напряжение, как и в предыдущем случае будет близко к нулю. Следовательно и значение функции Y останется нулевым. Если входные сигналы поменять местами, то ситуация на выходе не изменится, так как один из диодов сохранит открытое состояние.

И

лишь когда на оба входа поступит напряжение +Е, соответствующее логической единице, то диоды закроются и на выходе схемы также появится сигнал высокого уровня, который можно трактовать, как логическую единицу. Рассмотренная ситуация приведена в таблице, рядом со схемой устройства. Она описывает процедуру реализации конъюнкции или логической функцииИ над двумя переменными, поэтому данная схема является простейшим логическим элементом И, который часто называется , по числу обрабатываемых переменных.

Если диоды и резистор включить несколько по иному, то новая схема будет выполнять логическую операцию ИЛИ над двумя переменными Х1 и Х2. Это связано с тем, что при наличии высокого потенциала на одном из входов, на выходе появится положительное напряжение близкое к +Е, которое будет блокировать работу второго диода.

Рассмотренные логические элементы являются достаточно простыми, причем число их входов, то есть количество обрабатываемых переменных можно увеличивать добавлением соответствующего числа диодов. В частности, элемент 4ИЛИ будет выглядеть следующим образом.

Однако реализовать так же просто операцию логического отрицания или инверсии не удается. Для этого придется использовать как минимум один активный элемент, к примеру биполярный или полевой транзистор, включенный по схеме инвертирующего усилителя. Так как на вход такого устройства должны подаваться двухуровневые сигналы, то транзистор будет находиться либо в открытом, либо в закрытом состояниях, поэтому подобные схемы называются транзисторными ключами.

Биполярный транзистор это прибор, содержащий три чередующихся слоя полупроводниковых материалов с разными типами проводимости (дырочной и электронной, р и n). В зависимости от порядка чередования этих слоев различают транзисторы типов p-n-p и n-p-n. На принципиальных схемах они обозначаются следующим образом. Выводы от крайних слоев такой структуры называются эмиттер и коллектор, а вывод от среднего слоя – базой.

Эмиттер является источником носителей тока, база управляет их потоком, а коллектор собирает. Ток коллектора оказывается больше тока управления, который протекает по базовой цепи. С этой точки зрения можно считать, что транзистор усиливает управляющий сигнал по току и этот коэффициент усиления обозначается.

В

схемах различных устройств транзистор включается таким образом, что один из его электродов является общим для входной и выходной цепей, другой соединен со входом устройства, а третий - с его выходом. Наиболее часто используется схема включения с общим эмиттером, которая выглядит следующим образом.

Если входное напряжение равно нулю или отрицательно, то переход эмиттер-база транзистора заперт. При этом практически нулевыми будут базовый и коллекторный токи, а выходное напряжение окажется равным напряжению источника питания +Е. В данной ситуации оба перехода транзистора: база-эмиттер и база-коллектор оказываются смещенными в обратном направлении и такой режим работы называется режимом отсечки.

При увеличении входного напряжения по базовой цепи начнет протекать ток , а по коллекторной -. Подпонимается напряжение, при котором открывается переход эмиттер-база. Для кремниевых транзисторов это напряжение составляет порядка 0,7÷0,8 вольта.

При наличии коллекторного тока напряжение на выходе схемы определяется соотношением , используя которое можно рассчитать и построить график зависимости выходного напряжения такого ключа от входного. Из формулы следует, что выходное напряжение станет равным нулю при. Отсюда можно определить уровень входного сигналапри котором транзистор окажется полностью открытым и по его коллекторной цепи потечет ток. В реальных схемах между коллектором и эмиттером открытого транзистора всегда имеется некоторое остаточное напряжение.

При дальнейшем увеличении входного сигнала ток базы будет возрастать, но коллекторный останется практически неизменным, так как он ограничен величиной напряжения питания и сопротивления коллекторного резистора. В данной ситуации ток, протекающий по базовой цепи будет больше, чем требуется для полного открывания транзистора. При этом оба перехода - база-эмиттер и база-коллектор оказываются смещенными в прямом направлении, что соответствует состоянию насыщения транзистора в при котором падение напряжения между коллектором и эмиттером составит 0,1÷0,3 вольта.

Из графика зависимости выходного напряжения ключа от входного следует, что при входном сигнале, меняющемся в пределах от 0 до , то есть близком к нулю, напряжение на выходе практически равно Е. Если же на вход поступает сигнал высокого уровня, больший чем, то на выходе ключа сформируется низкий уровень напряжения, который близок к нулю.

Х

Y

0

1

1

0

Представив входной сигнал как логическую переменную Х, а выходной, как его функцию Y и сопоставив высокому и низкому уровням напряжений значения логической единицы и нуля, работу транзисторного ключа можно описать таблицей, из которой видно, что . Отсюда следует, что такой ключ реализует логическую операциюНЕ, то есть представляет собой логический элемент, выполняющий функцию инвертора.

Из зависимости выходного напряжения ключа от входного, которая называется передаточной характеристикой, следует, что на изменения сигнала в пределах от 0 до и отдо +Е данная схема не реагирует, находясь при этом в состоянии логической единицы и логического нуля. Это является признаком того, что она способна работать с сигналами, относящимися к классу цифровых.

Так как логическую операцию И-НЕ можно реализовать, выполнив сначала процедуру конъюнкции, а затем проинвертировав результат, то соединив со входом ключа схему И, получим новый логический элемент. Аналогичным образом строятся элементы, выполняющие операцию ИЛИ-НЕ над соответствующим количеством переменных. Связывая различные логические элементы между собой можно построить цифровые устройства, реализующие сколь угодно сложные процедуры обработки и преобразования цифровых сигналов.

Однако, при этом требуется решить задачу обеспечения взаимодействия логических элементов, то есть их совместной работы друг с другом, для чего необходимо, чтобы реальные уровни напряжений логического нуля и единицы, формируемые на выходе элемента, воспринимались, как сигналы логического нуля и единицы входами аналогичных устройств. В некоторых схемотехнических разновидностях логических элементов согласование обеспечивается автоматически, а для других приходится принимать специальные меры.