253

Электротехника и электроника электроника

Глава четырнадцатая

Функциональные узлы цифровой обработки сигналов

Новые возможности во всестороннем доступе к информационному ресурсу общества, в отображении и обработке информации открыло бурное развитие аппаратно-программных средств-носителей современных информационных технологий. Широкими слоями общества активно используются персональные ЭВМ. Объединённые в локальные, региональные и глобальные сети, они стали неотъемлемым участником всех сфер человеческой деятельности, в том числе и такой специфической, как противостояние на море. Примером тому могут служить боевые информационно-управляющие системы кораблей, которые эффективно решают разнообразные задачи наблюдения, опознавания, связи, точности плавания, ракетной и торпедной стрельбы, функционирования энергетической и движительной установок. Всё это стало возможным благодаря научным и практическим достижениям цифровойэлектроники, обеспечившей высокие помехоустойчивость, пропускную способность каналов связи, быстродействие и точность обработки сигналов.

Для представления данных в цифровой и компьютерной технике используется двоичнаясистема счисления. Напомним, что это простейшая из систем счисления, использующая для кодирования информации только два символа (цифры) – 0 и 1. Счёт в двоичной системе счисления начинается с чисел 0 и 1. Как и в десятичной системе, каждая двоичная цифра отличается от предыдущей на единицу. Сумма 1 и 0 даёт 1, а сумма двух единиц (1+1) даёт 0 в данном разряде и прибавляет единицу к содержимому соседнего старшего разряда. Наибольшее десятичное числоN, которое может быть представлено двоичным числом вnразрядов определяется по формуле:N= 2ⁿ– 1. Например, максимальное четырёхразрядное двоичное число 1111_[2]является эквивалентом десятичного числа 15_[10](N= 2⁴– 1 = 16 – 1 = 15), а десятиразрядное двоичное число 1111111111_[2]служит эквивалентом десятичного 2¹⁰– 1 = = 1023_[10]. Для представления десятичных цифр от 0 до 9 в цифровой электронике обычно используетсядвоично-десятичныйкод, называемый кодом 8421. Например, десятичная цифра 5 отображается двоичнойтетрадой0101.

14.1. Логические интегральные схемы

Основу конструкции практически всего современного цифрового оборудования, наряду с элементамипамяти, составляютлогическиесхемы. Название логических они получили, поскольку выполняют соответствующие функции по правилам алгебры логики (алгебры Буля¹) с данными, представленными двоичными кодовыми комбинациями. По принципу действия – это схемыпринятия решения, каждая из которых формирует выходной сигнал в соответствии с характеристикой логической схемы (типом логической связи выхода со входами) и состояниями двоичных сигналов на её входах. По иерархическому признаку они являются логическимиэлементами(ЛЭ), поскольку выполняют логические операции над одним разрядом двоичных чисел.

В последующем будут рассмотрены схемы и функции базовых ЛЭ, широко применяемых в электронной технике ВМФ. Среди классификационныхпризнаков их различения основными являются:

– выполняемая логическая функция:НЕ, ИЛИ, И, И-НЕ, ИЛИ-НЕи т. д.;

– вид кодового сигнала: потенциальный или импульсный;

– полярностькода «1»: положительная или отрицательная логика;

– тип элементной базы: релейные, ламповые, транзисторные (БПТ или ПТ) схемы или ИМС (логики ТТЛ, ТТЛШ, КМОП, И²Л и т. д.).

ЛЭ И, конъюнкторили схема совпадения – это логическая схема, имеющая два или более входов и один выход. Заметим, что в технологиях ИМС наиболее часто используются типовые элементы с 2, 4 или 8, но не более, входами. Конъюнктор выполняет операциюлогического умножения, которая реализуется по следующим правилам: сигнал «1» формируется на выходе элементаИтолько тогда, когда на все его входы одновременно поступают сигналы «1», т. е. когда у всех входных двоичных операндов в данном разряде содержатся «1». Если же хотя бы у одного из входных двоичных операндов в обрабатываемом разряде содержится «0», т. е. на какой-нибудь из входов ЛЭИпоступит код «0», то на выходе сигнала не будет (код «0»).

Работу логических схем обычно отражают таблицами истинности, пример которой для ЛЭИна 2 входа показан в табл. 14.1.1

Таблица 14.1.1

Таблица истинности для двухвходового конъюнктора

Входы		Выход
А ()	В ()	Q()
0	0	0
0	1	0
1	0	0
1	1	1

Примечание. В теории алгебры логики входные величины, как правило, обозначаются первыми буквами латинского алфавита (здесь - А и В), а выходные – последними (здесь – Q), но в практике эксплуатации цифровой электронной техники обычно используется символика аргументов () и функций ().

Выполнение операции логического умножения ЛЭ Ина два входа может быть описано следующим выражением:

что читается, как «у есть И И ». УГО и простейшие принципиальные схемы ЛЭИна 2 входа проиллюстрированы рис. 14.1.1.

Осциллограммы функционирования ЛЭ Ипоказаны на рис. 14.1.2.

Анализ графиков рис. 14.1.2 показывает: выходной сигнал (у= 1) появляется только в период (t₁≤t≤t₂ и t₃≤t≤t₄) совпадения входных (х₁=1Их₂=1).

ЛЭ Ина два входа, как правило, служит управляющимклапаномили вентилем, который обеспечивает поступление входного сигнала(0 или 1) к требуемому элементу (у) в заданное время (по управляющему сигналу).

Л

Рис. 14.1.2. Временные диаграммы работы ЛЭ И на 2 входа

(положительная логика)

Рис. 14.1.1. УГО (а) и принципиальные схемы ЛЭ И резисторно-

диодной (РДЛ) (б) и резисторно-транзисторной (РТЛ) логики (в)

Э ИЛИ, дизъюнктор или собирательно-разделительная схема – это логическая схема, имеющая так же, как и конъюнктор, два или более входов и один выход, сигнал (код 1) на котором формируется в том случае, когда действует сигнал (код 1) хотя бы на одном из его входов.

Элемент ИЛИ выполняет операцию логического сложения, которая может быть представлена как, что читается как «у есть ИЛИ ИЛИ ». УГО и простейшие принципиальные схемы ЛЭИЛИпоказаны на рис. 14.1.3.

С

Рис. 14.1.3. УГО (а) и принципиальные схемы ЛЭ ИЛИ РДЛ (б) и РТЛ (в) логики

обирательнойсхемуИЛИназвали потому, что, выполняя свою основную функцию, она подсоединяет выходы различных элементов (датчиков информации) к одному входу (приёмнику).Разделительнойже её называют, так как она исключает влияние этих «датчиков» друг на друга.