2. Переходные процессы в комбинационных дискретных устройствах. Причины возникновения состязания сигналов

Для описания функционирования дискретных устройств с помощью математического аппарата алгебры логики нами были применены все ее законы, в том числе и очень важные тождества

Применительно к бесконтактным ДУ это означает, что если в какой-либо момент времени значение сигнала равно 1, то значение сигнала, инверсного рассматриваемому, должно быть равно 0 в тот же момент времени.

Все это справедливо для статических режимов работы БДУ, когда значения входных сигналов не изменяются.

В действительности же тождества могут быть нарушены в БДУ во время его перехода от одного состояния входов к другому.

Под переходным процессом в дискретном автомате без памяти, как и в ДУ с памятью, будем понимать его функционирование в течение интервала времени, непосредственно следующего за изменением входного сигнала и равного времени изменения состояний элементов.

Причиной нарушения соотношений при функционировании ДУ в переходные периоды являются временные задержки сигналов в бесконтактных логических элементах.

Указанное нарушение соотношений носит название состязаний сигналов.

Рассмотрим переходные процессы в ДУ несколько подробнее.

Пусть при построении ДУ в соответствии с логическим уравнением, описывающем условия его работы, на входы логического элемента схемы требуется подавать как прямое, так и инверсное значение сигнала x.

Для реализации инверсного значения сигнала в схеме используется логический элемент НЕ (И-НЕ, ИЛИ-НЕ), как показано на рис.5.16.

Нарисуем временные диаграммы изменения сигналовxис учетом переходных периодов, связанных с процессами изменения состояния логических элементов (рис.5.17). Эти реальные сигналы в отличие от их идеализированного представления, которое используется при анализе и синтезе дискретных устройств, будем обозначатьx_pисоответственно.

Встатическом режиме, когда на входе элемента НЕ сигналx_p= 1, на его выходе значение сигнала= 0 (рис.5.17). Пусть в момент времениt₁сигналx_pначинает изменять свое значение с 1 на 0. Однако вследствие инерционности логического элемента, который формирует сигналx_p, это изменение происходит не мгновенно, а в течение некоторого промежутка времени, называемого длительностью фронта включения (открытия) элемента. Абсолютная величина сигналаx_pуменьшается по закону, характер которого определяется техническими характеристиками элемента, однако вплоть до момента времениt₂сигналx_pбудет восприниматься логическими элементами равным 1, так как его величина будет превышать порог их включения (закрытия)U_n. С момента времениt₂начинается процесс выключения логического элемента НЕ, и напряжение на его выходе начнет возрастать, однако выходной сигнал элемента НЕбудет отождествлен со значением= 1 только в момент времениt₃, когда его значение превысит некоторую пороговую величину, определяемую характеристиками элементов.

Пользуясь временными диаграммами изменения сигналов x_pипостроим временные диаграммы для сигналовxипринимая их значения равными 1, если соответствующий им сигнал по абсолютной величине больше порога выключения логических элементов, и равными 0, если соответствующий им сигнал по абсолютной величине меньше порога включения логических элементов.

Очевидно, что в этом случае сигнал xбудет равен 1 вплоть до момента времениt₂, а сигналбудет равен 0 вплоть до момента времениt₃.

Анализ построенной диаграммы показывает, что вследствие задержки сигнала в логическом элементе НЕ при переходном периоде существует интервал времени, равный τ=t₃-t₂, когда выполнение тождестванарушается, так как сигналыxиодновременно равны 0. Как следует из диаграммы, это имеет место, когда входной сигналxдискретного устройства изменяет свое значение с единицы на нуль (1 → 0).

На рис.5.17, бпредставлена временная диаграмма для случая, если сигналxизменяет свое значение с нуля на единицу (0 → 1). Анализ этой диаграммы показывает, что в данном случае при переходном периоде существует интервал времениτ=t₃-t₂, когда нарушается выполнение тождества, так как сигналыxиодновременно равны единице.

Именно это явление – одновременное равенство нулю прямого и инверсного сигналов (x= 0,, значит,) в переходный период при изменении значения сигналаxс единицы на нуль (1 → 0) и одновременное равенство этих сигналов единице (x= 1,, значит,) при изменении значения сигналаxс нуля на единицу (0 → 1) – и является причиной состязания сигналов в бесконтактных дискретных устройствах.