2.2. Особенности работы логических элементов

В логических схемах информация, представленная двоичными сигналами «0» и «1», многократно преобразуется и разветвляется, проходит последовательно по длинной цепочке логических элементов (ЛЭ), каждый из которых нагружен на n подобных элементов и имеет m информационных входов (Рис.2.4).

Для нормального функционирования таких сложных логических схем необходимо, чтобы каждый ЛЭ безошибочно выполнял свои функции при самых различных комбинациях нагрузок на входе и выходе, независимо от положений в логической цепи и длины межэлементных связей. При этом должно быть обеспечено неискаженное логическое преобразование двоичной информации, в то

Рис.2.4. Фрагмент логической цепи

время как искажения формы и уровней выходных сигналов существенного значения не имеют, если эти искажения находятся в пределах зон отображения (разброса) уровней двоичных сигналов «0» и «1» и не приводят к потере информации или сбоям в работе последующих ЛЭ.

Сложность логических схем и множество сочетаний входных сигналов и нагрузок не позволяет рассчитывать на индивидуальное согласование и регулировку ЛЭ в процессе изготовления, наладки и эксплуатации цифрового прибора. В связи с этим для обеспечения работоспособности цифрового прибора необходимо, чтобы ЛЭ обладал рядом функциональных свойств.

2.2.1. Совместимость входных и выходных сигналов

В логических схемах цифровых приборов логические элементы соединены так, чтобы выход каждого элемента работал на один или несколько входов других элементов, в том числе и на свои собственные входы. Для нормального функционирования таких цепей должна быть обеспечена совместимость уровней сигналов «0» и «1» (Рис.2.5.).

Рис.2.5. Зоны отображения уровней сигнала «0» и «1»

2.2.2. Нагрузочная способность

Для построения разветвленных логических цепей необходимо, чтобы каждый ЛЭ обладал определенной нагрузочной способностью по входу и выходу, т.е. мог работать по нескольким логическим входам и одновременно управлять несколькими входами других ЛЭ (Рис.2.4.).

Нагрузочную способность принято выражать коэффициентом разветвления по выходу (Краз) и коэффициентом объединения по входу (Коб).

Под коэффициентом разветвления по выходу (Краз) понимают наибольшее число входов ЛЭ, которые можно подключить к выходу данного ЛЭ, не вызывая искажений формы и амплитуды сигнала, выходящих за границы зон отображения «0» и «1».

Коэффициент объединения по входу (Коб) равен допустимому числу входов ЛЭ.

Со стороны входа каждый ЛЭ представляет собой нелинейную нагрузку, характер и значение которой определяется комбинацией и значением сигналов на других входах этого же элемента и разбросом параметров схемы ЛЭ.

В реальной логической схеме каждый ЛЭ может быть нагружен на разное число других ЛЭ и соединен с ними линиями связи разной длины и конфигурации. В результате условия работы ЛЭ в разных схемах могут существенно отличаться, что не должно приводить к нарушению их функционирования.

2.2.3. Квантование (формирование) сигнала

В логических схемах цифровых приборов информационные сигналы проходят последовательно по длинной цепочке ЛЭ.

Для нормального функционирования логических схем необходимо, чтобы сигнал, проходя через каждый ЛЭ, имел некоторые стандартные амплитудные и временные параметры (амплитуду, длительность фронтов) и существенно не изменял их.

Для этого требуется, чтобы ЛЭ обладал определенными формирующими свойствами. Наиболее полно формирующие свойства ЛЭ определяются амплитудной передаточной характеристикой Uвых = f(Uвх) (Рис.2.6.).

Рис.2.6. Амплитудная передаточная характеристика неинвертирующего ЛЭ

Рассмотрим процесс квантования сигнала на примере цепочки неинвертирующих ЛЭ (Рис.2.6). Точка А соответствует нижнему уровню сигнала «0», а точка В – верхнему уровню сигнала «1». Точка К разграничивает две области сигналов: с амплитудой Uвх меньше порога квантования и с амплитудой Uвх больше Uкв.

Сигналы с амплитудой Uвх < Uкв асимптотически стремятся к нижнему уровню (точка А), а сигналы с амплитудой Uвх > Uкв – к верхнему уровню (точка В) (Рис.2.7.).

а) - цепочка логических элементов
б) - квантование сигнала «0» (Uвх < Uкв)	в) - квантование сигнала «0» (Uвх > Uкв)
Рис.2.7. Квантование сигналов «0» и «1» в цепочке ЛЭ

Соответственно сигналы с амплитудой меньше Uкв затухают, а сигналы с амплитудой больше Uкв усиливаются в цепочке логических элементов до стандартного сигнала.

Т.о. при распространении по цепочке ЛЭ входной сигнал с амплитудой ниже или выше порога квантования Uкв асимптотически приближается к одному из уровней двоичного сигнала («0» или «1»), т.е. квантуется.

При проектировании логических схем цифровых приборов важно обеспечить минимальный разброс амплитудных передаточных характеристик ЛЭ при изменении окружающей температуры и напряжений питания, чтобы избежать появления в них сигналов нестандартной формы и сбоем.

Разброс амплитудных передаточных характеристик ЛЭ однозначно определяет зоны отображения уровней сигналов «0» и «1» и допустимый уровень помех в логических цепях.