9. Базовые логические элементы (лэ)

Элементную базу цифровых устройств (ЦУ) составляют ин­тегральные схемы (ИС), характеристикой сложности которых является уровень интеграции, оцениваемый либо числом базо­вых ЛЭ, либо числом транзисторов, которые могут быть реали­зованы на кристалле. Даже самые сложные преобразования цифровой информа­ции сводятся к простейшим операциям над логическими пере­менными «О» и «1». Такие операции реализуются ЛЭ в соответ­ствии с формулами алгебры логики. Операции И, ИЛИ, НЕ образуют полную систему логиче­ских операций, из которых можно построить сложное логиче­ское выражение. ЛЭ реализуются аппаратно в виде электронных устройств на транзисторах, резисторах и др., каждое из которых имеет один или два входа для подачи управляющих напряжений и один выход, напряжение на котором определяется соответст­вующей таблицей истинности. Логическому «да» («истина», или цифра 1 в таблицах истинности) соответствует наличию напря­жения, логическому «нет» («ложь», или цифра 0) — его отсутст­вие. Базовые логические элементы — элемент И (схема логического умножения, конъюнктор), элемент ИЛИ (схема логическо­го сложения, дизъюнктор), элемент НЕ (схема логического от­рицания, инвертор).

Элемент буфер реализует операцию повторения у = х, не изменяющую логическое состояние входного сигнала, и приме­няется для формирования логических уровней и повышения на­грузочной способности. Инвертор выполняет операцию отрица­ния у — X логического сигнала и позволяет получить его до­полнение (инверсию). Вентиль ИЛИ обеспечивает высокий уро­вень сигнала на выходе, если хотя бы на одном из его входов присутствует высокий уровень напряжения. Вентиль И имеет высокий уровень сигнала на выходе только при наличии высо­кого уровня напряжения на всех его входах. Вентили И-НЕ, ИЛИ-НЕ совмещают инвертирование с операциями И, ИЛИ Элемент «Исключающее ИЛИ» (сумма по модулю два) имеет низкий уровень сигнала на выходе при одинаковом логическом состоянии входов. Возможно множество вариантов построения устройств, реализующих заданную логическую функцию.

Реальные ЛЭ могут одновременно реализовывать логиче­ские функции многих переменных.

Электрические характеристики ЛЭ: статические (входные, проходные, выходные): статическая проходная (передаточная) характеристика; пороги переключения; статическая, помехо­устойчивость; коэффициент разветвления по выходу, коэффи­циент объединения по входу; и динамическая (среднее время задержки распространения сигнала, средняя мощность, потреб­ляемая элементом в статическом режиме).

10. Триггеры

ИНТЕГРАЛЬНЫЕ ТРИГГЕРЫ

Помимо логических элементов, реализующих основные логические функции, большое значение в качестве базовых элементов цифровой техники имеют различные триггерные схемы, работа которых будет описана также с помощью основных логических функций. Это дает возможность понять принцип их действия независимо от используемой в каждом случае схемной реализации. Триггер можно получить, охватив, как показано на рис. 9.24, два логических элемента ИЛИ-НЕ обратными связями

Рис. 9.24 RS-триггер на элементах ИЛИ-НЕ

Он имеет два выходных сигнала: Q и  Q, инверсные друг другу, и два входных: S (установка - Set) и R (сброс-Reset). Если входные сигналы взаимоинверсны, причем S = 1 и R = 0, то

Следовательно, оба выходных сигнала действительно находятся в инверсных друг другу состояниях. При R = 1 и S = 0 можно получить обратные значения выходных сигналов триггера. Если R = S = 0, состояние выходных сигналов сохраняется Поэтому RS-триггер можно использовать для запоминания информации. При R = = S = 1 оба выходных сигнала равны нулю; однако в этом случае состояние выходных сигналов триггера не будет определено, если в какой-либо момент оба входных сигнала одновременно станут равными нулю Поэтому комбинация входных сигналов R = S = 1, как правило, является запрещенной. Все возможные состояния триггера отображены в таблице переключении 9.13. Мы уже ознакомились с этой таблицей, изучая транзисторную схему на рис. 8 8.

Таблица переключении RS-триггера

Рис 9.25 .RS-триггер на элементах И-НЕ

В разд. 9.2 было отмечено, что логическое тождество не изменяется, если все переменные инвертировагь, а операции (+) и (•) поменять местами. Используя это правило, можно получить .RS-триггер, построенный на элементах И-НЕ (рис. 9.25), с таблицей переключении 9.13. Следует, однако, обратить внимание на то, что в качестве входных сигналов используются переменные  R и  S. Так как мы часто будем рассматривать RS-триггер на элементах И-НЕ, для входных переменных  R и  S представлена еще одна таблица переключении 9.14.Таблица 9.14

Таблица переключении RS-триггера на элементах И-НЕ

Статический синхронный RS-триггер

Часто необходим такой триггер, который реагировал бы на входные сигналы только в определенные моменты времени. Эти моменты задаются с помощью дополнительного входного сигнала синхронизации С. На рис. 9.26 показан такой статический синхронный .R.S-триггер. При С = 0 сигналы  R =  S = 1. В этом случае триггер запоминает предыдущее состояние. При С = 1

Рис 9.26 Статический синхронный RS- триггер

и эта схема ведет себя как обычный RS-триггер.

Триггер — простейшее последовательностное устрой­ство, которое может находиться в одном из двух возмож­ных состояний и переходить из одного состояния в дру­гое под воздействием входных сигналов. Триггер является базовым элементом последовательностных логических устройств. Входы триггера разделяют на информационные и управляющие (вспомогательные). Это разделение в зна­чительной степени условно. Информационные входы используются для управления состоянием триггера. Управ­ляющие входы обычно используются для предварительной установки триггера в некоторое состояние и для синхро­низации.

Триггеры могут иметь 2 выхода: прямой Q и инверсный Q

Триггеры классифицируют по различным признакам, поэтому существует достаточно большое число классифи­каций. К сожалению, эти классификации не образуют стройной системы, но инженеру необходимо их знать.

Триггеры классифицируют по следующим признакам:

• способу приема информации;

• принципу построения;

• функциональным возможностям.

Различают асинхронные и синхронные триггеры. Асинхронный триггер изменяет свое состояние непос­редственно в момент появления соответствующего инфор­мационного сигнала.

Синхронные триггеры реагируют на информационные сигналы только при наличии соответствующего сигнала на так называемом входе синхронизации С (от англ. с1осК). Этот вход также обозначают терминами «строб», «такт».

Синхронные триггеры в свою очередь подразделяют на триггеры со статическим (статические) и динамическим (динамические) управлением по входу синхронизации С. Статические триггеры воспринимают информационные сигналы при подаче на вход С логической единицы (пря­мой вход) или логического нуля (инверсный вход). Дина­мические триггеры воспринимают информационные сиг­налы при изменении (перепаде) сигнала на входе С от 0 к 1 (прямой динамический С-вход) или от 1 к 0 (инверсный динамический С-вход).

Статические триггеры в свою очередь подразделяют на одноступенчатые (однотактные) и двухступенчатые (двух­тактные). В одноступенчатом триггере имеется одна сту­пень запоминания информации, а в двухступенчатом — две такие ступени. Вначале информация записывается в первую ступень, а затем переписывается во вторую и по­является на выходе. Двухступенчатый триггер обозначают через ТТ.

По функциональным возможностям триггеры разделя­ют на следующие классы:

• с раздельной установкой состояния 0 и 1 (RS-триг­геры);

Входы триггеров обычно обозначают следующим обра­зом:

S — вход для установки в состояние «1»;

R — вход для установки в состояние «0»;

Рассмотрим некоторые типы триггеров и их реализа­цию на логических элементах.

Обратимся к асинхронному RS-триггеру, имеющему условное графическое обозначение, приведенное на рис. Триггер имеет два информационных входа: S (от англ. Set) и К (от англ. Reset).

S'	R'	Qt+1	Режим
0	0	Q'	Хранение
1	0	1	Установка 1
0	1	0	Установка 0
1	1	—	Неопределенность

Закон функционирования триггеров удобно описывать таблицей переходов, которую иногда также называют таб­лицей истинности. Через S', R' ,Q' обозначены соответствующие логические сигналы, имеющие мес­то в некоторый момент времени t, a через Q^t+1 выход­ной сигнал в следующий момент времени t+1. Комбина­цию входных сигналов S^t =1, R^t =1 часто называют запрещенной, так как после нее триггер оказывается в со­стоянии (1 или 0), предсказать которое заранее невозмож­но. Подобных ситуаций нужно избегать. Рассматриваемый триггер может быть реализован на двух элементах ИЛИ-НЕ Необходимо убедить­ся, что эта схема функционирует в полном соответствии с приведенной выше таблицей переходов. Микросхема К564ТР2 содержит 4 асинхронных RS-триггера и один управляющий вход. При подаче на вход V низкого уровня выходы триггеров отключаются от выводов микросхем и переходят в третье так называе­мое высокоимпедансное состояние. При подаче на вход V логического сигнала «1» триггеры работают в соответствий с вышеприведенной таблицей переходов.

В асинхронном RS-триггере на элементах И-НЕ пере­ключение производится логическим «0», подаваемым на вход R или S, т. е. реализуется обратная рассмотренной ранее таблица переходов . Запрещенная комби­нация соответствует логическим «0» на обоих входах.

Рассмотрим синхронный RS-триггер. Если на входе С — логический «0», то и на выходе верхнего входного элемента «И-НЕ», и на выходе нижнего будет логическая «1». А это, как отмечалось выше, обеспечива­ет хранение информации. Таким образом, если на входе С — логический «0», то воздействие на входы R, S не приводит к изменению состояния триггера. Если же на вход синхронизации С подана логическая единица, то схе­ма реагирует на входные сигналы точно так же, как и рас­смотренная ранее.

16