3.2. Краткий обзор устройств цифровой электроники
Все элементы цифровой электроники делятся на две группы: комбинационные и последовательные.
Первичными являются элементы комбинационной логики. Базовыми элементами являются «И», «НЕ», «ИЛИ». В современном мире используется КМОП-цифровая электроника. На базовых элементах строятся следующие элементы комбинационной логики: шифраторы, дешифраторы, мультиплексоры, демультиплексоры, цифровые компараторы, простейшие сумматоры и др.
Для измерительных приборов с цифровым отображением информации наиболее актуальными являются мультиплексоры - демультиплексоры, например, дешифрация кода «2-10» в семисегментный код одной декады прибора.
Рис. 8. Пример дешифратора кода «2-10» в код одной декады семисегментного кода.
Мультиплексор – это прибор с несколькими входами, один из которых в зависимости от комбинационного (двоичный код) сигнала управления подключается на один выход.
Рис.9. Пример мультиплексирования цифрового сигнала.
Примечание: существуют и аналоговые мультиплексоры с аналоговыми ключами сигнала.
Демультиплексор - это прибор с одним входом, который подключается на множество выходов. Демультиплексация используется, например, при реализации динамической индикации многодекадного цифрового дисплея.
Рис.10. Реализация динамической индикации многодекадного цифрового дисплея.
Зачем использовать 4-6 дешифраторов на одну декаду? Для работы одного дешифратора на множество декад может использоваться принцип «разделения во времени» («shape of time») – динамическая индикация. Каждая декада подключается к питанию последовательно во времени по стробирующему тактовому импульсу (декады засвечиваются). По этому же импульсу на дешифратор подается код «2-10» соответствующей декады.
1000 |
1001 |
0000 |
0001 |
СЗР |
|
|
СМР |
Рис. 11. Принцип построения динамического идентификатора на цифровом дисплее: 0001 – на 1 – g
0000 – на 2 – с
1001 – на 3 – е и т.д.
Вывод: подключение индикаторов к питанию – функция мультиплексора. Подключение кода «2-10» к источнику всего кода является также функцией мультиплексора.
К базовым устройствам последовательной логики относятся триггеры. Строятся они на элементах «И», «ИЛИ», «НЕ». Например, простейший элемент «НЕ» представляет собой два транзистора (комплиментарных, полевых), а более сложное «НЕ» - это 4-8 транзисторов.
Для работы триггеров имеет место принцип «сохранения информации во времени».
Разновидностей триггеров множество:
- простейшие триггеры – RS;
- сложные триггеры – D;
- универсальные триггеры – jk и др.
jk-триггер можно рассматривать как ячейку памяти в 1 Бит или как сложное устройство последовательной логики – счетчики и регистры.
Рис.12.
В примитивном варианте рассмотрения и счетчики и регистры представляют собой последовательно соединенные триггеры, например, четырехразрядный счетчик или регистр – это четыре последовательно соединенных триггера. Специфику работы определят тип задействованных триггеров и наличие схем управления с использованием различных логических устройств.
Счетчики в простейшем случае предназначены для последовательного перевода тактовых импульсов в параллельный код «2-10».
Рис.13. Простейший вариант управления счетчиком.
Работу счетчика можно рассматривать как деление частоты:
Регистры в примитивном варианте рассмотрения можно представить как последовательность ячеек памяти для хранения параллельного кода. Например, микросхема SRAMM представляет собой матрицу ячеек памяти (см. рис.14).
Рис.14. Матрица ячеек памяти.
В любом процессоре, контроллере, микроконтроллере имеют место и счетчики и регистры. Регистры в отличие от счетчиков можно использовать не для последовательного перебора всех операций, а для операции сдвига. Операция сдвига более быстрая, чем последовательный перебор (аналогия со стэком). Они используются в картах оперативной памяти при выборе нужной ячейки в матрице (ОЗУ).