74

Министерство образования Республики Беларусь

Гомельский государственный технический университет

имени П. О. Сухого

Кафедра "Промышленная электроника"

Е. А. Храбров

Основы цифровой электроники

практическое пособие

по курсу "Электронные цепи дискретного действия"

для студентов специальности 36.04.02

"Промышленная электроника"

Гомель 2003

УДК 621. 397

Храбров Е. А.

Основы цифровой электроники: Практическое пособие по курсу "Электронные цепи дискретного действия" для студентов специальности 36.04.02 "Промышленная электроника". – Гомель: ГГТУ, 2003. – 86 с.

Рецензенты: –Заведующий кафедрой "Информационные технологии" Гомельского филиала Международного института трудовых и социальных отношений (МИТСО), кандидат технических наук, доцент Кудин В. П.

–Доцент кафедры "Автоматизированный электропривод" ГГТУ имени П.О. Сухого, кандидат технических наук, Погуляев М.Н.

 Гомельский государственный технический университет

имени П. О. Сухого, 2003

ВВЕДЕНИЕ

Учебным планом подготовки по специальности 36.04.02 "Промышленная электроника" установлена дисциплина "Электронные цепи дискретного действия". Цель дисциплины, – изучение студентами теоретических основ анализа и синтеза электронных цифровых и импульсных устройств на интегральных цифровых микросхемах малой и средней степени интеграции. В результате изучения первой половины данного курса, которая называется "Основы цифровой электроники", студенты должны усвоить следующие вопросы:

1. Двоичные сигналы и системы счисления в цифровой электронике.

2. Алгебра логики; положительная и отрицательная логика.

3. Минимизация логических функций; построение комбинационных логических схем по заданным булевым выражениям.

4. Классификация, обозначения цифровых микросхем, их параметры.

5. Состав и схемотехника ТТЛ логических микросхем.

6. Состав и схемотехника КМОП логических микросхем.

7. Особенности схем эмиттерно–связанной логики.

В настоящем учебном пособии излагаются основные теоретические сведения в соответствии с программой курса, часть прикладных вопросов изложена в практических руководствах по выполнению лабораторных работ по данной дисциплине.

В данном пособии описываются элементарные логические функции и показано, как с помощью этих простых функций можно получить достаточно сложные выражения, описывающие требующиеся по техническим заданиям цифровые устройства.

Ввиду различий в условных графических обозначениях логических элементов, встречающихся в технической литературе, в настоящем пособии приводятся четыре варианта этих обозначений:

– отечественные, в соответствии с ГОСТ 2.743–82;

– старые зарубежные обозначения, которые до настоящего времени встречаются в иностранной технической литературе;

– обозначения в соответствии с американской системой MILSPEC;

– обозначения в соответствии с системой, рекомендованной Международной Электротехнической Комиссией (МЭК) и широко распространенной особенно среди европейских производителей электронной техники.

1. Достоинства и недостатки цифровой электроники

Когда сигналы, с которыми приходится иметь дело, либо являются непрерывными по самой своей природе (например, звуковые), либо представляют собой непрерывно меняющееся напряжение, поступающее от измерительных приборов (например, от устройств для измерения температуры или светового излучения, биологических или химических зондов), то естественным является применение для их обработки аналоговых устройств.

Входной сигнал по своей природе может быть и чисто дискретным, например импульсы в детекторе частиц или "биты" информации, поступающие от ключа, клавиатуры или ЭВМ. В подобных случаях естественно и удобно использовать цифровую электронику.

Но все чаще и аналоговые сигналы стараются обрабатывать цифровыми устройствами. Причины, обусловливающие переход от аналоговых систем к цифровым системам, весьма разнообразны. Пожалуй, самым очевидным достоинством цифровых систем является снижение требований, предъявляемых к выходному сигналу двоичной схемы, по сравнению с выходом аналоговой схемы.

Информация в аналоговой схеме представлена в виде величины напряжения, и любые отклонения от требуемого значения, даже самые малые, приводят к потере, искажению информации. С двоичной схемой связан всего лишь один бит информации, значение которого определяется тем, в каком из двух возможных состояний находится выход схемы.

Рассмотрим передачу фиксированного количества информации, например 20 бит, посредством аналогового сигнала. Каждый бит информации позволяет сделать выбор между двумя равновероятными вариантами; поэтому с использованием 20 бит информации можно представить 2²⁰ = 1 048 576 возможных вариантов. Таким образом, весь диапазон выходного сигнала делят на 1 048 576 равных частей и, определяя, в какой части этого диапазона находится аналоговый выходной сигнал, выделяют 20 бит информации.

Для диапазона напряжений 0 ... 10 В приращение (шаг квантования) составляет 10 мкВ, и сконструировать реальную схему с такой точностью в пределах обычно существующих помех и диапазона изменения рабочих температур практически невозможно или по крайней мере неоправданно дорого. Один из вариантов решения проблемы заключается в использовании 20 двоичных схем, каждый выход которых несет 1 бит информации. Хотя это и ведет к увеличению числа используемых схем, зато стоимость каждой такой схемы, а в результате и всего устройства, значительно снижается. Очевидно, что при обработке большого количества информации из–за разницы в стоимости предпочтение отдается двоичным, цифровым схемам.

Примером этого может служить переход к цифровым способам управления в бытовых телевизионных приемниках. Здесь практически все параметры телевизионного изображения и звука регулируются в настоящее время дискретно, устанавливаясь на одном из 64 допустимых уровней.

Управляющий сигнал поступает в телевизор, как правило, через систему дистанционного управления с помощью инфракрасного канала, передающего кодированные цифровые данные о кнопках, нажатых на переносном пульте для изменения того или иного параметра в телевизоре. В самом телевизоре значения всех параметров запоминаются в цифровом запоминающем устройстве, и хранится в нем сколь угодно долго. Такой стабильности и сохранности выбранных параметров настройки очень трудно было бы добиться аналоговыми средствами.

Другим не менее наглядным примером вытеснения аналоговых способов обработки информации цифровыми является широкое распространение так называемых компакт дисков с лазерным считывающим устройством для высококачественной записи и воспроизведения музыки. Таким образом, магнитофоны и проигрыватели граммофонных пластинок заменяются CD ROM проигрывателями.

Применяемые в них сложные алгоритмы устранения шумов и помех в воспроизводимых записях не приводят к существенному повышению стоимости этих устройств, т. к. вся цифровая обработка информации производится всего несколькими микросхемами большой интеграции (а порой и одной микросхемой), цена которых несравнимо ниже стоимости всего проигрывателя. Значительные первоначальные затраты на разработку вышеупомянутых алгоритмов и реализующих их микросхем сравнительно быстро окупились за счет массового производства проигрывателей.

Использование цифровой оперативной памяти для запоминания текущего фрагмента записи с целью устранения искажений, вносимых устройством считывания при тряске и вибрациях для носимых и возимых CD ROM проигрывателей, позволяет добиться высококачественного воспроизведения надежными и недорогими средствами.

Можно считать, что цифровые способы обработки сигналов предпочтительнее применять в тех случаях, когда:

– входные сигналы имеют дискретный характер;

– требуется сложная и нелинейная обработка сигналов при массовом производстве устройств обработки сигналов.