Масленников Основы шемотехники електронных цепей

25. Из каких соображений следует выбирать сопротивление во времязадающей RC-цепи одновибратора на ЛЭ, изучаемого в данной лабораторной работе?

26. Какую зависимость имеет ТИ одновибратора на ОУ от UОП?

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1.Прянишников В.А. Электроника: Полный курс лекций. – 5-е изд. – СПб.: Корона принт; М.: Бином-Пресс, 2006. – 416 с.

2.Опадчий Ю.Ф., Глудкин О.П., Гуров А.И. Аналоговая и цифро-

вая электроника: Полный курс: Учебник для вузов. – М.: Горячая линия-Телеком, 2003. – 768 с.

3.Степаненко И.П. Основы микроэлектроники. – 2-е изд. – М.: Лаборатория Базовых Знаний, 2004. – 488 с.

4.Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника и микропроцессорная техника: Учебник для вузов. – Изд. 5-е, стереотип. – М.: Высшая школа, 2008. – 798 с.

5.Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Пер. с нем. – М.: ДМК Пресс. Додэка. – Т.2. – 2008. – 941 с.

6.Масленников В.В. Сборник задач по курсу «Общая электротехника и электроника». – М.: МИФИ, 2007. – 88 с.

101

Р а б о т а 6

КОМБИНАЦИОННЫЕ И ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТНЫЕ УСТРОЙСТВА

Цель: изучение работы регистра, сумматора, счетчика, дешифратора и отображающего устройства.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Сумматор предназначен для сложения двоичных чисел и является одним из основных устройств при построении различных ЭВМ, поскольку примерно 70 % операций, производимых в них, являются операциями типа сложения.

Рассмотрим сложение двух одноразрядных двоичных чисел А и В. При этом могут возникать четыре комбинации, представленные на рис. 6.1.

Как следует из приведенных комбинаций, чтобы реализовать функцию сложения, необходимо иметь логический элемент, который бы при совпадении логических сигналов на входах давал 0, а при несовпадении – 1. Такой логический элемент, выполняющий функцию неравнозначности, называется «исключающее ИЛИ». Обозначение этого элемента приведено на рис. 6.2, там же представлена таблица истинности.

102

На рис. 6.5 приведена структурная схема четырехразрядного сумматора.

Рис. 6.4. Схема одноразрядного сумматора (а) и его таблица истинности (б)

Рис. 6.5. Структурная схема четырехразрядного сумматора

Четырехразрядные полные сумматоры выпускаются в нашей стране в виде интегральных микросхем (рис.6.6). К числу таких микросхем относятся 133ИМ3, К155ИМ3, К176ИМ1, 564ИМ1 и др. Для сложения 8- – 12- и 16-разрядных чисел возможно каскадное соединение этих микросхем. Для построения сумматоров с числом

104

разрядов некратным 4 используется микросхема одноразрядного полного сумматора (рис. 6.7). К таким микросхемам относятся К155ИМ1, 133ИМ1.

Сумматоры, о которых шла речь выше, наряду с простотой построения являются сравнительно медленными, поскольку сигналы переноса последовательно распространяются от младшего разряда к старшему. В сумматорах с параллельным переносом устранен этот недостаток. Как следует из названия, в нем перенос с помощью специальной схемы ускоренного переноса осуществляется параллельно; к ним относятся микросхемы 134ИМ5, К555ИМ6. Сумматоры являются типичными представителями комбинационных устройств, т.е. таких устройств, выходной сигнал которых зависит только от комбинации входных.

Для построения цифровых систем кроме комбинационных устройств требуются последовательностные устройства, логическое состояние которых на выходе определяется не только комбинацией входных сигналов, но и последовательностью их поступления. Поэтому последовательностные устройства должны обладать памятью для запоминания последовательности приходящих на входы сигналов. Последовательностные устройства иногда называют «конечными автоматами» или просто «автоматами».

Простейшими последовательностными устройствами являются триггеры; они же в свою очередь являются составными частями более сложных последовательностных устройств, например регистров.

105

Регистры предназначены для хранения и преобразования цифрового кода. Они являются важным звеном всех типов вычислительных систем. С использованием регистров могут выполняться следующие операции: прием и хранение n-разрядного числа, передача числа из регистра в прямом или обратном коде, сдвиг хранимого в регистре числа. Информация в регистре хранится в виде числа (слова), представленного комбинацией сигналов «0» и «1». Так, число (слово) 10100101 является восьмиразрядным, а 1001 – четырехразрядным.

По способу записи информации, т.е. числа (слова) регистры классифицируются на параллельные и последовательные. Если информация поступает на вход регистра параллельно, а выдается последовательно, то такие регистры называются параллельно-после- довательные; если наоборот, то последовательно-параллельные. Регистры, в которых информация может вводится и выводится как последовательно, так и параллельно, называются универсальными. Регистры с последовательным вводом или выводом информации называются сдвиговыми. Сдвиговые регистры могут быть реверсивными, т.е. выполнять сдвиг информации как вправо, так и влево. Сдвиг числа влево или вправо на один разряд соответствует его умножению или делению на 2, поэтому регистры сдвига используются для построения умножителей или делителей. Кроме того, регистры являются основой для построения таких логических узлов, как счетчики.

Сдвиг в регистрах осуществляется путем подачи на вход синхронизирующих импульсов (рис. 6.8). Причем соотношение между положительным импульсом и паузой (скважность) может быть произ-

Рис. 6.8. Форма синхронизирующих

вольным. Однако для каж-

импульсов дой серии микросхем существует минимальная

длительность синхронизирующих импульсов, при которой полностью сохраняется работоспособность схемы.

106

В большинстве случаев регистры выполняются на триггерах с раздельными (установочными) входами, например RS-триггерах. Приемом, выдачей и другими операциями в регистре управляют сигналы, поступающие по управляющим шинам на входные вспомогательные схемы триггеров регистра.

Регистры выпускаются в виде интегральных микросхем с очень широкой номенклатурой. К ним относятся восьмиразрядные сдви-

гающие регистры 134ИР2, 134ИР8, 128ИР1, 133ИР13, 155ИР13, 176ИР4, 564ИР6 и др. На рис.6.9 представлено условное обозначение микросхемы 134ИР8.

Большое распространение получили микросхемы четырехразрядных универсальных регистров, к таким микросхемам относятся: 133ИР1, 134ИР1, К155ИР1, К176ИР3 и др. На рис.6.10 представлено условное обозначение микросхемы 155ИР1.

Кроме стандартных схем, представляющих собой типовые узлы и блоки ЭВМ, для построения аппаратуры необходимо иметь специализированные схемы, обеспечивающие работу на нестандартную нагрузку (т.е. не на логические схемы), такую как реле, индикационные лампы накаливания, светодиоды, линии задержки и др. С учетом этого в состав серий микросхем включены ИС с открытым коллектором, выполняющие роль ключей. К таким микросхемам относятся: 133ЛА7, 155ЛА7, 133ЛА8, К155ЛА8. Они предназначены для работы в качестве усилителей индикации и позволяют

107

коммутировать в выходной цепи ток до 40 мА. На рис. 6.11 приведено условное обозначение микросхемы 133ЛА8, а на рис. 6.12 – схема включения на выход регистров светодиодов, причем на рис. 6.12, а светодиод горит, когда на выходе микросхемы низкий потенциал, а на рис. 6.12, б – когда высокий.

Счетчиком называют последовательностное устройство с одним информационным входом, циклически переходящее из одного состояния в другое под действием входных сигналов (импульсов, перепадов напряжений) и позволяющее, таким образом, определять число импульсов, поступающих на его вход.

Основным параметром счетчика является модуль счета М, показывающий максимальное число импульсов, которое может быть сосчитано счетчиком. После поступления М-го импульса счетчик должен возвращаться в исходное состояние. Для примера рассмотрим таблицу состояний (табл. 6.1) для трехразрядного двоичного счетчика в зависимости от числа входных импульсов. Как видно, величина модуля счета для этого счетчика равна 8. Разряды счетчика обычно строятся на основе триггеров. Счетчик, содержащий m

разрядов может иметь 2m устойчивых состояний, поэтому модуль

его счета M 2m . Помимо информационного входа счетчики имеют дополнительные входы установки S, позволяющие предва-

108

рительно установить на выходе счетчика заданное число, входы сброса R, сигналы на которых переводят счетчик в исходное состояние, а также входы J и K, позволяющие дополнительно управлять работой счетчика. Частота импульсов на выходе последнего разряда счетчика в М раз меньше, чем частота импульсов, поступающих на вход. Поэтому счетчики можно использовать в качестве делителей частоты, обеспечивающих на выходе в М раз меньшую частоту сигнала, чем на входе. Так, таблицу состояний для трехразрядного двоичного счетчика можно интерпретировать в графическое изображение, представленное на рис. 6.13.

Рис. 6.13. Графическая интерпретация таблицы состояний трехразрядного двоичного счетчика

109

Как видно из рисунка, в каждом разряде счетчика происходит последовательное деление входных импульсов на 2. Таким образом, в старшем разряде трехразрядного двоичного счетчика один импульс приходится на восемь входных.

По типу функционирования различают счетчики суммирующие, вычитающие, реверсивные. Суммирующий счетчик выполняет прямой счет, т.е. при поступлении на вход очередного импульса число на выходе счетчика увеличивается на единицу. Вычитающий счетчик производит обратный счет, т.е. при поступлении счетного импульса на выходе число уменьшается на единицу. Реверсивный счетчик может работать в режиме прямого и обратного счета.

Счетчики широко используются в устройствах управления цифровых систем для подсчета числа выполненных операций, в связной и контрольно-измерительной аппаратуре для определения числа поступивших сигналов и уменьшения их частоты и др.

По структурной организации счетчики делятся на параллельные, параллельно-последовательные и последовательные, которые различаются способами подачи счетных импульсов на входы разрядов.

Последовательный, иногда его называют асинхронным, двоичный счетчик может быть реализован в виде цепочек триггеров, каждый вход которого подключен к выходу предыдущего триггера. Таким образом, импульсы счета поступают на вход только первого триггера, а каждый из последующих управляется выходным сигналом предыдущего (рис. 6.14). На логические входы J и К постоянно подается логический сигнал, соответствующий «1».

Рис. 6.14. Трехразрядный асинхронный счетчик

Последовательные счетчики отличаются простотой построения. Однако быстродействие этих счетчиков зависит от количества разрядов и с увеличением их – уменьшается.

110