Типовые функциональные узлы цифровых информационных систем

Цель работы: изучить принцип работы дешифратора, шифратора, тактового распределителя и сдвигающего регистра на примере простейшей системы телеуправления. Ознакомится с их принципом работы и применением в цифровых системах на примере системы телеуправления с защищенным кодом

Основные понятия

Рассматриваемые ниже функциональные узлы относятся к числу наиболее распространенных. Их используют как самостоятельные элементы, так и при построении более сложных схем, выполненных на цифровых интегральных микросхемах.

Шифратор- устройство, преобразующее код в двоичный. Это означает, что шифратор выполняет функции, обратные дешифратору. Действительно, если и шифраторе сигнал подается на несколько входов и возбуждает только один выход, то в дешифраторе сигнал поступает только на один вход, образуя двоичный код на нескольких выходах. Шифратор (кодер) позиционного десятичного кода в двоичный может быть выполнен на элементах ИЛИ по схеме на рис. 1 а. Условие обозначение такого шифратора приведено на рис 1 б Такой простейший шифратор работает правильно лишь тогда, когда единица подается на один из входов 1...7, на остальных входах при этом должен быть сигнал логического нуля. Для практического использования применяются более сложные схемы.

Дешифратор - устройство, преобразующее кодовые комбинации в ток (напряжение) и распределяющее его по индивидуальным цепям. Каждая кодовая комбинация, подаваемая на вход дешифратора, возбуждает только один его выход, что соответствует коду. Кодовые комбинации являются комбинациями двоичного или двоично-десятичного кода. Более сложные коды предварительно преобразуют в двоичные коды. Дешифратор имеет ряд входов, на которые поступают кодовые комбинации, и ряд выходов (индивидуальных цепей), каждый из которых соответствует определенной кодовой комбинации, поступающей на вход. Эти выходы нумеруют в десятичной системе счисления. Поэтому дешифраторы преобразуют различные варианты двоичных кодов в десятичный код.

Простейший дешифратор, выполненный на элементах «И» и «НЕ» (рис.2,а) называется линейным. На рис.2,6 показано его условное обозначение. Простейший дешифратор имеет два входа и четыре выхода Когда на вход ничего не подается (комбинация 0), с элемента И1 должен быть снят сигнал 1, а с остальных выходов - сигнал 0. Для этого на элемент И1 сигналы поступают через инвертор НЕ1 и НЕ2, в которых нули преобразуются в единицы. Два сигнала 1на входах элемента дают на его выходе также 1.

На выходах остальных элементов будут нули, т.к. на один из входов каждого из этих элементов подается сигнал 0, минуя инверторы.

Спомощью различного соединения логических элементов можно строить дешифраторы на большее число входов.

Регистры и распределители нашли широкое применение дли приема, хранения и выдачи информации. Регистр состоит из ячеек, число которых равно числу разрядов кодом комбинации. Имеется несколько разновидностей регистром. Наибольшее применение в телемеханике получили регистры сдвига или последовательные регистры, запись информации и которые производится только через первую ячейку, и регистры памяти или параллельные регистры, запись в которые производится через все ячейки.

Распределитель - устройство, имеющее ряд выходов и обеспечивающее поочередное возникновение импульсов (потенциалов) на этих выходах. В телемеханике применяются распределители, на выход которых подаются импульсы, обеспечивающие поочередное возникновение на выходе импульсов (потенциалов). Принцип действия распределителя приведен на pиc. 3. Распределитель выдает поданную на его вход последовательность импульсов по четырем цепям (число цепей может быть любым).

В каждой цепи образуется своя последовательность импульсов с частотой, в 4 раза меньшей частоты импульсов на входе. Распределение импульсов по цепям происходит за время, равное длительности цикла Т, которое делится на интервалы t1...t4 между датами (Т = t1 + t2 + t3 + t4, причем, как правило, t1 = t2 = t3 = t4) и определяется частотой следования импульсов и числом цепей: Т = nt, где n - число цепей, a t-время, отведенное для одной цепи.

Вданной работе распределитель выполнен как одно целое с коммутатором и буфером (параллельным регистром), включенным на входе коммутатора.

Коммутаторомназывается устройство, предназначенное для выбора и подключения одного из многих входов (выходов) только к данному- выходу- (входу). Любой из ключей (рис.4) может быть замкнут по команде со схемы управления, подсоединяя тем самым выбранную входную цепь к выходу схемы. Схемой управления служит распределитель, поочередно выдающий сигналы для подключения требуемого числа входов.

Регистр сдвига или последовательный регистр с последовательным приемом и выдачей информации. И общем случае регистр сдвига состоит из триггером, соединенных последовательно. На рис. 5, а приведена схема четырехразрядного регистра сдвига, выполненного на двухступенчатыхD-триггерах. Выход предыдущего разряда попадает на D-вход следующего. Если на D-вход первого триггера подать только одну единицу, то первый тактовый импульс, поступающий на входы С, переключит этот триггер, и на выходах Q1, Q2, Q3, Q4 триггеров pегистра образует код 1000 (рис. 5,б). Так как выход Q1 подается на вход D второго триггера, следующий тактовый импульс переключит именно этот триггер, и на выходах триггеров возникает код 0100 и т.д. Таким образом, каждый тактовый импульс сдвигает информацию на разряд вправо и устанавливает следующий триггер в состояние, в котором находится предыдущий. Если с каждым новым синхроимпульсом подавать на вход регистра (первого триггера регистра) какую-либо информацию (код), то регистр будет последовательно ее записывать, при этом с выходов триггеров можно снимать параллельный код, а с выхода последнего триггера - последовательный.

На рис. 5, в приведено условное обозначение универсального регистра. выполненнго на интегральной микросхеме К155ИР1.

Кодом называется множество целых рациональных чисел, сопоставляемых по определенному алгоритму с множеством сообщений. Это математическое понятие. В цифровых информационных системах множеству. рациональных чисел соответствует множество (совокупность) дискретных сигналов в виде кодовых комбинаций. Поэтому кодированием называется преобразование дискретных сообщений и дискретные сигналы в виде кодовых комбинаций, а декодированием - обратный процесс однозначного восстановления передаваемых дискретных сообщений.

Код имеет следующие основные характеристики: 1.Основание кода m, равное числу отличающихся друг от друга символов в алфавите. В телемеханике и системах передачи данных применяют в основном двоичные коды, где m = 2 (два символа: 0 и 1)-2.Длина кодовой комбинации п, называемая так же разрядностью кода или длинной слова; п равно общему числу символов (элементарных сигналов) в кодовой комбинации.

Код называется равномерным, если все кодовые комбинации одинаковы по длине (n=const), и неравномерным, если величина п в коде непостоянна.

З.В коде любое число кодовых комбинаций равно определенному значению N. Каждая из комбинаций может передавать свое отдельное сообщение. Число N также называется объемом кода.

Кодовые комбинации могут передаваться последовательно или параллельно. При параллельной передаче кодовых комбинаций каждому разряду выделяется отдельная проводная линия или канал связи (например, частота) по максимальному числу разрядов кода п. Упрощенно такая передача называется параллельным кодом. При последовательной передаче нее кодовые комбинации и их элементарные импульсы передаются последовательно во времени по общей проводной линии или каналу связи. Упрощенно такая передача называется последовательным кодом

Двоичная система счисления и двоичные коды получили широкое применение, главным образом, из-за сравнительно простой аппаратурной реализации логических и арифметических действий, а так же устройств, для передачи и запоминания сообщений. Форма представления чисел в двоичной позиционной системе имеет вид:

где a может принимать, только два значения: 1 и 0; n- число разрядов кода.

В системах передачи данных применяются, главным образом, помехозащитные коды. В данной работе используется двоичный код с защитой путем проверки на четность. В том случае, если сумма передаваемой комбинации (сумма единиц в слове) равна нечетному числу, то в начале (конце) слова добавляется единица, а если четному, то ноль.

Поэтому сумма единиц всего слова всегда равна четному числу. Если в принимаемой комбинации условие четности не выполняется, то схема защиты запрещает использование этойкодовой комбинации.

Такой простейший запрещающий код позволяет устранить влияние помех, если число сбоев от помех не превышает одного в кодовой комбинации. В таблице 1 приведен пример кодирования цифр от 0 до 7 в код, защищенный на четность. На рис. 6 приведена схема простейшего устройства дополнения до четного числа единиц, выполненная на элементах ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ.