1.1 Классификация элементов.

Цифровое устройство – устройство, предназначенное для приема, обработки и выдачи цифровой информации.

Элементы цифрового устройства - наименьшие функциональные части, на которые разбивается устройство при его логическом проектировании и технической реализации. Можно сказать, что элементы цифрового устройства – это электронные схемы, представляющие собой некоторую совокупность определенным образом соединенных компонентов, выполняющие одну или несколько простейших логических или вспомогательных операций.

Компонентами элементов цифровых устройств являются интегральные схемы различной степени интеграции, транзисторы и диоды различного типа, резисторы, конденсаторы и индукторы. Элементы цифровых устройств принято разрабатывать и выпускать в виде серий, включающих в себя их различные модификации.

Технически полная система элементов – система, удовлетворяющая требованиям функциональной и физической полноты.

Функционально полная система элементов – система, позволяющая реализовать любые, сколь угодно сложные, переключательные функции путем суперпозиций простейших функций, выполняемых элементами данной серии.

Физически полная система элементов – система, содержащая специальные элементы, обеспечивающие возможности построения управляющих цепей, запоминающих устройств и цепей связи, восстанавливающих информационные сигналы до стандартной амплитуды и формы и обеспечивающих надежное взаимодействие элементов при всевозможных комбинациях связи между ними; элементы, обеспечивающие работу электромеханических узлов цифровых устройств типа реле, переключателей, и т.п., а также схем связи с различными устройствами ввода – вывода, элементы индикации генераторы тактовых сигналов.

1.1.1 По назначению.

Элементы цифровых устройств подразделяются на логические, запоминающие, усилительно – формирующие, вспомогательные, индикации и специальные.

Логические элементы реализуют функции алгебры логики (булевы функции), которые определяются конкретной структурой цифрового устройства.

Запоминающие элементы используются в устройствах хранения данных и программ в виде цифровых кодов.

Усилительно – формирующие элементы преобразуют нестандартные сигналы в различных цепях цифровых устройств к уровням логических элементов, которые их обрабатывают. Кроме того, они иногда используются для увеличения нагрузочной способности логических элементов.

Вспомогательные элементы не выполняют функционального назначения, а используются для контроля работоспособности логических элементов и т.д.

Элементы индикации используются для управления различными средствами, обеспечивающими визуализацию состояний цифровых схем.

Специальные элементы включают в свой состав генераторы сигналов, преобразователи уровней, элементы гальванической развязки и т.п.

1.1.2. По способу кодирования двоичных переменных.

Элементы цифровых устройств подразделяют на импульсные, динамические, потенциальные, импульсно – потенциальные и фазовые.

В импульсных элементах «1» представляется наличием электрического импульса напряжения или тока, а «0» – отсутствием импульса.

В динамических элементах «1» представляется пачкой импульсов или возобновляемым через определенный интервал времени потенциалом, а «0» – отсутствием импульсов (или наоборот).

В потенциальных элементах входные и выходные двоичные переменные кодируются различной величиной электрического потенциала. Для потенциальных элементов часто применяют понятие положительной и отрицательной логики, отражающие принятый способ кодирования двоичных переменных для каждой конкретной серии элементов. Для элементов транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ) под положительной логикой понимают кодирование «1» высоким потенциалом и «0» низким потенциалом, а под отрицательной логикой – кодирование «1» низким, а «0» высоким потенциалом.

В любом виде документации на логические элементы должны быть строго определены понятия положительной и отрицательной логики во избежании недоразумений при проектировании и особенно при стыковке различных узлов аппаратуры.

В импульсно потенциальных элементах на входы могут подаваться как потенциальные уровни, так и электрические импульсы, причем выходные сигналы, как правило, имеют импульсных характер. Следует отметить что, деление сигналов на импульсные и потенциальные относительно. Тип сигнала определяется через длительность такта, зависимую от частоты тактового генератора устройства. Импульсный сигнал – сигнал длительность которого меньше длительности такта. Потенциальный сигнал – сигнал с длительностью не меньше длительности такта.

В фазовых элементах применяются сигналы в виде синусоидальных напряжений, а значения «1» и «0» двоичных переменных кодируются фазой синусоидальных напряжений относительно опорного сигнала. Фазовый принцип кодирования двоичных переменных применятся, как правило, в устройствах аналого-цифрового типа.

Способ кодирования информации определяет не только специфику построения той или иной системы элементов, но и ее основные параметры. Например, по уровню мощности рассеяния на первом месте стоят потенциальные элементы, а на последнем – импульсные; импульсно-потенциальные элементы занимают промежуточное место. С развитием микроэлектронных логических схем наиболее широко используются потенциальные элементы, так как построения схем на импульсных элементах требуют в ряде случаев наличия трансформаторов и конденсаторов.

В импульсных элементах при повышении быстродействия усложняется синхронизация сигналов, поскольку смещение их во времени может привести к ложному срабатыванию. В схемах на потенциальных элементах нет специальных преобразований формы сигналов, кодирование основано на установлении уровней, отсутствуют жесткие требования к синхронизации, что в целом обуславливает их высокую надежность.

Независимо от способа кодирования информации в любых схемах должен соблюдаться принцип совместимости входных и выходных сигналов, означающий, что ориентировка уровней «0» и «1» для них должны совпадать в определенной зоне значений, отображающих «1» и «0» (рис.1.1).

В

Рис.1.1. Зоны уровней сигналов для ТТЛ- элементов.

А – допустимые значения уровней U⁰ при отсутствии динамических и статических помех; В – допустимые значения уровней U⁰ при кратковременном воздействии динамических или статических помех; С – допустимые значения уровней U_пор; D – допустимые значения уровней U¹ при кратковременном воздействии динамических или статических помех; Е – допустимые значения при отсутствии динамических и статических помех.

сложных цифровых устройствах элементы соединены так, что выход каждого элемента работает на один или несколько входов других элементов и в том числе на свои собственные входы.

Из рис 1.1 видно что, напряжения U⁰ меньше –0,7 В и больше +5,5 В недопустимы, так как могут вывести элемент из строя; напряжения U⁰ больше +0,45 В недопустимы, так как не будут обеспеченны требования помехоустойчивости (зона А); напряжения U¹ меньше +2,4 В также не обеспечивают требования помехоустойчивости (зона В). В зоне В показана статическая помеха, изменяющая уровень U⁰ на время, равное длительности такта Т, а в зоне D – динамическая (импульсная) помеха, изменяющая уровень U¹ на время, значительно меньшее длительности такта Т.

Сплошной линией на рисунке показан характер изменения сигналов в схемах на элементах ТТЛ - типа при типовых значениях U⁰ и U¹ при наличия динамической и статической помехи.

Принцип совместимости входных и выходных сигналов должен выполняться при воздействии на элемент нагрузок и дестабилизирующих факторов, количество и параметры которых определяются техническими условиями на элементы. К дестабилизирующим факторам относят изменение питающего напряжения, разброс параметров и характеристик компонентов, изменение температуры, наличие электромагнитных излучений, механических воздействий.