лекции / Лекции по схемотехнике / Лекция_03

ЛЕКЦИЯ №3

Основные цифровые схемы. Способы кодирования информации. Ключевые схемы МПТ.

План:

1. Основные логические элементы.

2. Универсальные логические элементы.

3. Способы кодирования информации.

4. Диодные ключевые схемы.

5. Транзисторные ключевые схемы.

6. Многоярусные переключатели токов.

Ключевые слова:

Инвертор, конъюнктор, дизъюнктор, элемент Шеффера («И-НЕ»), элемент Пирса («ИЛИ-НЕ»), электронный ключ, диодный ключ, схемы транзисторных ключей, реализация логических элементов на ключевых схемах, переключатели токов, многоярусные переключатели токов.

К числу основных цифровых схем относятся схемы логических элементов.

Инверторы (элемент НЕ).

Инвертор – двоичный логический элемент, реализующий операцию "логического отрицания", сигнал "1" на выходе которого имеет место в случае, когда на входе будет сигнал "0".

Условное обозначение:

x	y
0 1	1 0

По виду сигналов различают импульсные и потенциальные инверторы.

По полярности логики различают инверторы положительной и отрицательной логики.

С точки зрения физической реализации наибольшее распространение получили инверторы на транзисторах.

Конъюнкторы (элемент И).

Конъюнктор – это двоичный логический элемент ЭВМ, реализующий операцию логического умножения, на выходе имеет "1" только в том случае, когда на всех входах имеются "1" единовременно.

Условное обозначение:

x1	x2	y
0 0 1 1	0 1 0 1	0 0 0 1

По виду сигналы бывают импульсными, потенциальными. По полярности логики: положительной, отрицательной и смешанной логики.

С точки зрения физической реализации конъюнкторы могут быть выполнены на различных вентильных компонентах (диодах, транзисторах).

Дизъюнкторы (элемент ИЛИ).

Реализует операцию логического сложения, представляет собой элемент, сигнал "1" на выходе которого имеет место в том случае, когда хотя бы на одном входе имеется сигнал "1".

x1	x2	y
0 0 1 1	0 1 0 1	0 1 1 1

Если на вход дизъюнктора поступают сигналы в разные моменты времени и разной длительности то сигнал на выходе определяется как результат объединения входных сигналов.

По виду сигналов различаются дизъюнкторы: потенциальные, импульсные; по полярности логики: положительной, отрицательной, смешанной логики.

С точки зрения физической реализации дизъюнкторы могут быть выполнены на различных вентильных элементах: диодах, транзисторах.

Существует принцип дуальности (двойственности, инверсии) для схем И, ИЛИ: одна и та же схема в зависимости от способа кодирования входной информации может быть либо схемой И, либо схемой ИЛИ.

В соответствии с этим принципом все схемы И могут служить схемой ИЛИ при изменении логики.

Элемент Шеффера (элемент И-НЕ).

Реализует операцию логического умножения и отрицания.

x1	x2	y
0 0 1 1	0 1 0 1	1 1 1 0

Элемент Пирса (элемент ИЛИ-НЕ).

Реализует операцию логического сложения и отрицания.

x1	x2	y
0 0 1 1	0 1 0 1	1 0 0 0

Способы кодирования информации

При изучении конкретных схем очень важен вопрос о логических соглашениях, касающийся связи между логическими переменными и отображающими их физические сигналы. В схемах логические переменные «0» и «1» отображаются двумя уровнями напряжений U_­⁰ и U¹. Разным типам схемотехники присущи разные значения U_­⁰ и U¹. Необходимо заранее условиться, какой уровень отображает «0» и какой «1».

При положительной логике U_­⁰ < U¹, при отрицательной U_­⁰ > U¹.

Вx1	Вx2	Вых
L L H H	L H L H	L L L H

Где H – высокий уровень, L – низкий уровень.

Положительная логика Отрицательная логика

Вx1	Вx2	Вых
0 0 1 1	0 1 0 1	0 0 0 1

Вx1	Вx2	Вых
1 1 0 0	1 0 1 0	1 1 1 0

«И» «ИЛИ»

Отсутствие единого логического соглашения приводит к случаям смешанной логики.

Вx1 (+)	Вx2 (+)	Вых (+)
0 0 1 1	1 0 1 0	0 0 0 1

Пусть на Вх₁ сигнал подаётся по положительной логике, а на Вх₂ сигнал подаётся по отрицательной логике. Сигнал на выходе рассматривается по положительной логике.

В результате выполняется операция запрет на Вх₂.

На практике если не оговорено заранее, предполагается положительный способ кодирования.

Типовые фрагменты логических цепей

Рассмотрим кратко работу некоторых типовых схем, часто встречающихся на практике.

Это в первую очередь ключевые схемы. В полупроводниковой электронике в качестве ключей используются диоды и транзисторы.

Диод является ключом, управляемым самим сигналом. В зависимости от полярности сигнала диод можно представить в виде замкнутого или разомкнутого участка цепи.

Диодные элементы выполняются в двух вариантах.

Схема с объединенными базами.

В этой схеме отпирается диод, на эмиттере которого действует наибольшее напряжение. Через открытый диод наибольшее напряжение проходит на выход схемы и одновременно запирает диоды напряжение, на эмиттерах которых меньше.

Схема с объединенными эмиттерами.

В этой схеме отпирается диод с наименьшим напряжение на входе и низкое напряжение проходя на выход, одновременно запирает другие диоды, напряжение на базах которых выше. Схема выделяет минимальный сигнал и реализует элемент «И».

Транзисторы представляют собой схемы с управляющим электродом (базу, затвор), воздействие на которые определяет состояние ключа (замкнут или разомкнут). Роль прерывателя играет участок между коллектором и эмиттером (исток и сток).

Если ключ управляется высоким потенциалом, то в условном обозначении записывается H, в противном случае L.

Для создания наиболее простого логического элемента – инвертора достаточно подключить к транзисторному ключу нагрузочный элемент.

x	y
0 1	1 0

При последовательном соединении транзисторных ключей участок между выходом цепи и общей точкой замыкается, на все уровни подаются высокие уровни. Следовательно, нулевое значение выходного сигнала формируется при единичных значениях всех входных переменных, и схема реализует элемент «И-НЕ».

При параллельном соединении ключей участок между выходом цепи и общей точкой замыкается при замыкании хотя бы одного ключа, и размыкается только при размыкании всех ключей.

При смешанном соединении ключей реализуются более сложные функции.

В некоторых логических элементах одновременно используются ключи, замыкаемые разными уровнями сигнала. Это даёт возможность исключить их схем нагрузочные резисторы и строить схемы только с использованием ключей.

x	y
0 1	1 0

В схеме инвертора при подаче низкого уровня замкнут верхний ключ и разомкнут нижний, а при подаче высокого уровня – замкнут нижний и разомкнут верхний.

x1	x2	y
0 0 1 1	0 1 0 1	1 0 0 0

Самостоятельно составить схему реализующую функцию «И-НЕ».

Помимо ключевых схем в цифровых схемах используются переключатели, коммутирующие ток так, как это получилось бы в схеме из двух ключей, замыкаемых разными уровнями, по управляемых одним и тем же сигналом.

При x=1, ток потечет по ветви 1, а при x=0 – по ветви 2.

С помощью многоярусных переключателей токов реализуются логические элементы высокого быстродействия при хорошей компактности и умеренной потребляемой мощности. Для соблюдения электра режима число ярусов делается небольшим (не превышает 3-4). В общем случае многоярусные переключатели тока (МПТ) имеют 2ⁿ выходов, где n ­­– число ярусов.

Каждой комбинации входных сигналов соответствует путь тока от источника тока до выхода, номер которого совпадает с номером набора входных переменных.

Если снимать выходное напряжение схемы с нагрузочного сопротивления, включенного в выходную цепь, то отсутствие тока в данном выходе даёт высокий уровень выходного напряжения, отображающий «1», а при наличии тока – низкий уровень, отображающий «0». Следовательно, выходной сигнал будет выражаться инверсией от конъюнкции, определяющей путь тока через данный выход.

При подключении к нагрузочному резистору одновременно несколько выходов, ток через него будет протекать при подаче на вход схемы любого из наборов. На выходе будет реализована инверсия логической суммы конъюнкций соответствующих объединённых выходов (инвДНФ). Таким образом МПТ позволяет воспроизводить любую логическую функцию n – переменных, где n – число ярусов.

Вопросы для контроля:

1. Каковы основные логические схемы?

2. Какую функцию реализует элемент Шеффера?

3. Какие способы схемной реализации инвертора Вы знаете?

4. Что собой представляет элемент Пирса?

5. Какие логические элементы могут быть реализованы на диодных ключах?

6. Какая функция реализуется при последовательном соединении транзисторных ключей?

7. Какая функция реализуется при параллельном соединении транзисторных ключей?

8. На чем основана работа переключателей токов?

9. Как можно реализовать заданную функцию с помощью многоярусных переключателей токов?

Литература:

1. Схемотехника ЭВМ. Учебник для ВУЗов под редакцией Соловьева Г.Н. – М.; Высш.шк., 1985, с.22-30.

2. Соломатин Н.М. Логические элементы ЭВМ – М.; Высш.шк., 1987, с.31-45.

3. Угрюмов Е.П. Проектирование элементов и узлов ЭВМ – М.; Высш.шк., 1987, с.16-24.