Den russiske føderasjonens departement

Tomsk polytekniske universitet

__________________________________________________________________

E.L. Sobakin

DIGITAL kretsteknikk

DelJeg

Opplæringen

UDC 681.325.6

Sobakin E.L. Digitale kretser. Lærebok godtgjørelse. Del I Tomsk: Forlag. TPU, 2002. - 160 s.

Håndboken skisserer hovedproblemstillingene i forelesningskurset for studenter med spesialitet 210100 Ledelse og informatikk i tekniske systemer. Manualen er utarbeidet ved Institutt for automatisering og datasystemer i TPU, overholder læreplan disiplin og er beregnet på studenter ved Institutt for fjernundervisning.

Publisert i henhold til resolusjonen fra redaksjons- og publiseringsrådet ved Tomsk Polytechnic University

Anmeldere:

V.M. Dmitriev professor, doktor i tekniske vitenskaper, leder av Institutt for teoretiske grunnlag for elektroteknikk, Tomsk University of Control Systems and Radioelectronics;

S.I. Korolev direktør for NPO Spetstekhauditservis LLP,

Kandidat for tekniske vitenskaper, seniorforsker.

Templan 2002

Tomsk polytekniske universitet, 2002

Introduksjon

Denne læreboken er beregnet på studenter ved høyere utdanningsinstitusjoner som studerer i spesialitet 210100 "Informatikk og ledelse i tekniske systemer." Den er satt sammen på grunnlag av et forelesningskurs gitt av forfatteren ved Tomsk Polytechnic University over en årrekke, og er viet en systematisk presentasjon av metoder for formalisert konstruksjon av digitale teknologiske enheter på mye brukte mikrokretser.

Disiplinen "Digital Circuit Engineering" bør betraktes som en fortsettelse av kurset "Elektronikk", som studentene må beherske på forhånd, siden det kreves kunnskap om den grunnleggende basen til analoge elektroniske enheter.

De fleste moderne automatiseringssystemer, datasystemer, informasjonsoverføring og prosesseringssystemer utføres på digitale enheter, enten helt eller delvis. Derfor er kunnskap om prinsippene for bruk av digitale enheter og byggesystemer til ulike formål på deres grunnlag av aktuell betydning og av stor praktisk verdi både i ingeniørvirksomhet og i metodologisk forskning.

Materialet i manualen kan grovt deles inn i tre deler: 1) Grunnleggende om mikroelektronikk; 2) Kombinasjonsenheter av digital teknologi; 3) Sekvensielle logiske enheter av digital teknologi.

Når du begynner å mestre kurset, bør du studere materialet i den rekkefølgen de spesifiserte delene er oppført i, siden påfølgende materiale er basert på kunnskap om det forrige, og endring av sekvensen kan føre til vanskeligheter med å mestre det. Dette forsterkes ytterligere av det faktum at andre lærebøker og spesialisert faglitteratur bruker forskjellige termer og begreper for å forklare de samme fenomenene, prosessene, transformasjonene som utføres, etc. Forskjellen i begrepene som brukes eller deres feil fører til en misforståelse av essensen av materialet som presenteres, og som en konsekvens vanskeligheter med å assimilere det.

De to første av disse delene er inkludert i den første delen av denne håndboken (del 1). En egen manual er viet den tredje delen.

I 1.Bruk av digitale enheter

For tiden, i forbindelse med etableringen og utbredt introduksjon av mikroprosessorenheter og -systemer i ingeniørpraksis, avtar ikke interessen for digitale metoder for prosessering og overføring av informasjon og stimuleres igjen. Disse metodene gir på sin side systemene en rekke positive egenskaper og kvaliteter. Troligheten til overført informasjon øker, høy hastighet og produktivitet til informasjonsbehandlingssystemer oppnås, deres akseptable kostnader, høy pålitelighet, lavt energiforbruk, etc. er sikret.

Problemene som løses av disse systemene er svært forskjellige og forhåndsbestemmer funksjonene til enhetene som danner et spesifikt system. Derfor er det tilrådelig å vurdere enheter og deres funksjoner i lys av de oppgavene som løses av systemer, og spesielt de underoppgavene som utføres av individuelle enheter eller blokker.

Hoved typiske oppgaver som oppstår under automatisk eller automatisert styring og kontroll av produksjon eller andre prosesser er:

samling informasjon (motta den);

transformasjon informasjon (skalering, normalisering, filtrering, koding, etc.);

overføring-mottak informasjon;

bearbeiding og bruk informasjon;

Oppbevaring informasjon.

Avhengig av tiltenkt formål og hovedfunksjoner, er det:

Automatiske (eller automatiserte) kontroll- og overvåkingssystemer.

Informasjonsoverføringssystemer.

Informasjonsbehandlingssystemer (datasystemer).

For å forstå forholdet mellom disse oppgavene, stedet og rollen til elektroniske digitale enheter som brukes i disse systemene, la oss vurdere de generaliserte strukturelle diagrammene til disse systemene og det funksjonelle formålet med komponentene deres.

B1.1. Automatiske kontrollsystemer

Få til betyr å kjenne tilstanden (posisjonen) til det kontrollerte objektet og i samsvar med en gitt algoritme ( kontrollalgoritme) påvirke objektet, prøver å eliminere nye avvik.

Derfor er kontroll i det generelle tilfellet forbundet med følgende handlinger:

innhente informasjon om tilstanden til objektet;

sammenligning av den mottatte informasjonen med gitt informasjon om tilstanden til objektet;

generering av kontrollsignaler (påvirkninger);

å påvirke et objekt for å bringe det i den nødvendige tilstanden.

I samsvar med de oppførte handlingene, bør det automatiske kontrollsystemet (ACS) i det generelle tilfellet inkludere en informasjonsmålingsenhet, en kontrollenhet og en aktuator (fig. B1).

Informasjon og måleapparat (AIU) mottar informasjon om kontrollobjektet (OU) og forhåndsbehandler det. Innhenting av informasjon består i å generere primære signaler, hvis verdier er proporsjonale med verdiene til parametere som karakteriserer tilstanden til op-ampen. Et objekt kan forstås som enten en separat produksjonsenhet eller produksjonsprosessen som helhet. Og under parametrene er "utgangskoordinatene" til objektet. Dette kan for eksempel være verdier for temperatur, trykk, material- eller energiforbruk og lignende. Siden de fleste av disse koordinatparametrene er presentert i analog form og er preget av et uendelig sett med verdier, må signalene normaliseres av deres parametere, skaleres og ha en enhetlig form.

Derfor må IMU ha primære måletransdusere og sensorer, analog-til-digital omformere og andre funksjonelle enheter ved hjelp av hvilke følgende transformasjoner utføres:

verdier av fysiske mengder til enhetlige analoge signaler med likestrøm eller vekselstrøm;

skalere eller normalisere signaler etter nivå og form;

konvertering av analoge signaler til diskrete (digitale) signaler;

signalkoding og noen andre transformasjoner.

Signaler om gjeldende koordinatverdier sendes til kontrollenhet (UU). Funksjonene til denne enheten inkluderer å sammenligne gjeldende verdier med spesifiserte koordinatverdier og generere kontrollsignaler (kontrollsignaler) basert på resultatene av sammenligningen. De angitte verdiene kan legges inn av en menneskelig operatør eller automatisk av programvare. I det første tilfellet kan en automatisk regulator eller flere automatiske regulatorer brukes som en kontrollenhet, hvis innstillinger bestemmes og stilles inn av en person. I det andre tilfellet er kontrollenheten en mini- eller mikrodatamaskinprogrammaskin, og rollen til den menneskelige operatøren er redusert til å gå inn i programmet og den første oppstarten av systemet.

For å utføre disse funksjonene, er kontrollenheten pålagt å utføre aritmetikk og logiske operasjoner på beregning av verdier og sammenligning av signaler, kortsiktig og langsiktig memorering (lagring) av signaler og dannelse av enhetlige kontrollsignaler. Sistnevnte inneholder informasjon på grunnlag av hvilke påvirkninger på kontrollobjektet (kontrollhandlinger) som videre dannes, og bringer det til den nødvendige tilstanden.

Den direkte påvirkningen av de nødvendige fysiske naturformene aktuator (IE). Den konverterer styresignaler, for eksempel i form av likespenning eller pulsstrøm, i rotasjonshastigheten til aktuatormotoren, i den mekaniske bevegelsen til ventilen på dampledningen, og så videre. For å utføre disse konverteringene trenger du: digitale til analoge omformere; omformere av elektriske signaler til ikke-elektriske; forsterkerutstyr osv. I dette tilfellet kan digitale signalkodeomformere eller signalrepresentasjonsformer være nødvendige som mellomliggende. For eksempel koder av binære tall til et proporsjonalt antall pulser, enfasesignaler til flerfasede, brukt til å kontrollere trinnmotorer, etc.

Under påvirkning av forstyrrende påvirkninger forlater objektet sin normale tilstand (modus), og ACS returnerer den til den nødvendige (normale) driftsmodusen. Kontrollprosessen skjer i sanntid, det vil si med en hastighet som bestemmes av de fysiske prosessenes natur. Hvis kontrollhandlinger er forsinket i tid eller overdreven, kan det oppstå en ustabil driftsmodus for systemet, der koordinatene til objektet kan anta uakseptable verdier og enten selve objektet eller individuelle enheter systemer vil svikte og en nødsituasjon vil oppstå. Derfor, i teorien om selvgående våpen hoved- er forsyningsproblemerMedstabilitet og presisjonskontroll.

De fleste av disse transformasjonene kan utføres ved hjelp av digitale mikroelektroniske enheter. En kontrollenhet er helt digital når den er bygget på basis av kontrollmikrodatamaskiner eller på digitale mikrokretser.

På digitale mikrokretser brukes digitale sensorer av fysiske mengder, samt delvis analog-til-digital og digital-til-analog signalomformere.

B1.2. Informasjonsoverføringssystemer (ITS)

Med en økning i avstanden mellom IU og kontrollenheten (fig. B1), samt mellom kontrollenheten og kontrollenheten, problemet oppstår med å overføre informasjon. Behovet for å overføre informasjon over betydelige avstander oppstår ikke bare i romlig utviklede systemer for automatisk kontroll og overvåking, men også i systemer andre typer kommunikasjon(telegraf, telefon, telefaks, etc.). I tillegg oppstår behovet for å overføre informasjon i datasystemer, dataoverføringssystemer, telemekaniske systemer osv. Denne oppgaven kompliseres av det faktum at i prosessen overføringer via kommunikasjonslinjer parametere er forvrengt signaler og dette kan igjen føre til forvrengning av informasjon og en reduksjon i nøyaktigheten (sannsynligheten for korrekt mottak). Forvrengningen av signaler skyldes interferens, oppstår i kommunikasjonslinjer. Interferens er som regel tilfeldig av natur, og parametrene kan ikke avvike fra parametrene til signalene. Derfor er de "i stand til" å forvrenge signaler og til og med "reprodusere" informasjon forvandle budskapet som formidles. Den siste mest uønskede hendelsen i overføringen av informasjon.

Å skaffe høy lojalitet Og topphastighet (ehfeffektivitet) informasjonsoverføring, ekstra signalkonverteringer og spesielle metoder for overføringen er nødvendig.

Slike transformasjoner inkluderer koding og omvendt prosedyre dekoding av informasjon(og signaler). Kodingdet er prosenteidiot som konverterer en melding til et signal. I dette tilfellet utføres transformasjoner i henhold til visse regler som helhet anropTkode.

Koding av informasjon utføres på sendersiden, og dekoding på mottakersiden. Skille støybestandig koding og effektiv. Målstøybestandig koding bygge (sfoRrediger) et signal som er mindre mottakelig for forstyrrelser, gi det enENen slik struktur slik at feil som oppstår under overføringsprosessen på mottakersiden kan oppdages eller korrigeres. Og dermed sikre høy overføringskvalitet.

Måleffektive koding sikre maksimal hastighetOveksten av informasjonsoverføring, siden verdien i stor grad bestemmes av hvor rettidig den mottas. I henhold til dette kravet må den kodede meldingen ha den nødvendige informasjonsmengden og samtidig ha en minimumslengde slik at overføringen tar et minimum av tid.

Signaler (og informasjon) overføres via kommunikasjonskanaler. Link dette er en bane (bane) for uavhengig overføring av signaler fra kildenhkallenavn til den tilsvarende mottakeren (mottakeren) av informasjon. Kommunikasjonskanaler dannes av tekniske midler av kanaldannende utstyr og er, akkurat som kommunikasjonslinjer, utsatt for forstyrrelser.

En av hovedoppgavene som løses i SPI er oppgaven med å lage det nødvendige antallet kommunikasjonskanaler. Effektiviteten og støyimmuniteten ved overføring bestemmes i stor grad av kommunikasjonskanalene som brukes. Under pomemotstand refererer til evnen til et system(signal, kode) etcENbra gjortlutføre sine funksjoner i nærvær av forstyrrelser.

Vanligvis kan det samme systemet brukes til å overføre informasjon fra mange kilder til et passende antall mottakere. Derfor er dannelsen av det nødvendige antallet kanaler med nødvendig støyimmunitet tildelt kommunikasjonsenheten. I dette tilfellet kan følgende transformasjoner utføres i kommunikasjonsenheten: modulasjon og demodulasjon signaler; forsterkning av de som sendes inn i linjen og mottas fra linjenOgforskningsinstitutt signal kommunikasjon; begrensning i nivå og frekvensspekter signaler og noen andre.

Avhengig av bruksområdet (applikasjonen) til SPI, er det behov for ytterligere transformasjoner som å konvertere formen til signaler, deres fysiske natur, normalisering av parametere for signaler som kommer utenfra og signaler utstedt av systemet til eksterne enheter; midlertidig lagring av signaler som sendes inn i kommunikasjonskanalen og utstedes av systemet.

De oppførte transformasjonene forhåndsbestemmer den funksjonelle sammensetningen av overførings- og mottaksutstyr til informasjonsoverføringssystemer (fig. B2).

Som det fremgår av diagrammet, utføres overføring i én retning fra venstre til høyre. Inndata- og primær(IPID) konverterer signaler som kommer fra informasjonskilder til enhetlige "primære" signaler som ikke kan overføres direkte over lange avstander. Vanligvis representerer disse enhetlige signalene spenning likestrøm med faste verdier etter nivå. I UVPI-blokken lagres primærsignaler så lenge overføringen varer (i en bufferminneenhet), hvoretter de slettes fra minnet. En kodingsenhet (CU) konverterer primærsignaler til kodede signaler som har en viss struktur og format, slik at de (signaler) kan overføres over lange avstander ("telesignaler"). Som regel er denne enheten kombinasjonsbasert, selv om den i noen tilfeller også kan gjøres sekvensiell (multisyklus). Logiske og aritmetiske operasjoner for kodingsprosedyrer er implementert her.

Hovedformålet med kommunikasjonsenheten (fig. B2) er å lage eller organisering av kommunikasjonskanaler på den oppgitte kommunikasjonslinjen. Kommunikasjonslinje dette er det materielle miljøet mellom senderen (Prd) og mottakeren (Prm) til systemet. Figuren viser grovt sett en to-leder elektrisk kommunikasjonslinje. Imidlertid kan radioforbindelser og fiberoptiske kommunikasjonslinjer og andre brukes. Avhengig av type linje, utføres ulike signalkonverteringer i Prd og Prm for å harmonisere deres parametere og egenskaper med parameterne og egenskapene til kommunikasjonslinjen og transformasjoner rettet mot økt støyimmunitet signaler.

På mottakersiden blir de kodede signalene mottatt fra kommunikasjonslinjen igjen konvertert av dekodingsanordningen (DCU) til primære signaler. Samtidig oppdages feil i de mottatte signalene og kan korrigeres ved dekodingsprosedyrer, og sikrer dermed den nødvendige nøyaktigheten av informasjonsoverføringen. EN utgangsomformere(VP) transformerer disse primærsignalene til en form og form (fysisk natur) som kan oppfattes av mottakere av informasjon.

Det skal bemerkes at de fleste av de funksjonelle "nodene" og "blokkene" vist i fig. B2 kan implementeres på digitale brikker. Derfor er informasjonsoverføringssystemer vanligvis digitale.

B1.3. Informasjonsbehandlingssystemer

(datasystemer)

De typiske problemene oppført ovenfor kan løses og formaliseres ved hjelp av matematiske og logiske metoder. I sin tur opererer disse metodene med de enkleste operasjonene (aritmetiske eller logiske), hvis utførelse på noen "initielle data" gir et nytt resultat, tidligere ukjent. Denne fellesheten av metoder for å løse ulike gjorde det mulig å lage en egen klasse av enheter og systemer, hvis tiltenkte formål (i utgangspunktet) var automatisering av databehandlingsprosedyrer (elektroniske datamaskiner). På det nåværende utviklingsstadiet datateknologi Datamaskiner har "gjort om" til datamaskiner, på grunnlag av hvilke moderne datasystemer for behandling og overføring av informasjon er bygget. Et generalisert blokkskjema over et bestemt datasystem er vist i fig. B3.

Dataene er tidligere behandlet gjennom inndataenhet UVV kom til Minneenhet hukommelse, hvor de lagres i hele behandlingstiden. Programmet for behandling av innkommende informasjon er også lagret i samme minne.

Systemdriftsprogrammet, så vel som "data", er lagret i en lagringsenhet i form av multi-bit binære tall skrevet inn i minneceller på spesifikke adresser (minnecelleadresser). Binære tall, hvis helhet representerer et databehandlingsprogram, er strukturert i et visst antall deler, som hver har et bestemt formål. I det enkleste tilfellet er det følgende deler: 1) koden til operasjonen som må utføres på to binære tall som representerer "data"-verdiene og kalles "operander"; 2) adressen til den første operanden; 3) adressen til den andre operanden. Kombinasjonen av disse delene danner et "team".

Arbeidet til en datamaskin består av sekvensiell utførelse av kommandoer gitt av programmet. Koordinerer arbeidet til alle blokker i tide og styrer dem kontrollenhet UU. Og utfører direkte logiske og aritmetiske operasjoner (handlinger) på operandene aritmetikkOgko-logisk enhet ALU, som, basert på et signal fra "operation code"-kontrollenheten, konfigureres hver gang til å utføre en spesifikk operasjon.

Kontrollenheten dekrypterer kommandoen mottatt fra minnet (fig. B3 "neste kommando"), sender operasjonskoden til ALU og den forbereder seg på å utføre den tilsvarende operasjonen. Deretter genererer den samplingssignaler fra operandminnet (se signalet "Dataadresser") og bestemmer adressen til neste kommando som skal utføres ved neste syklus på datamaskinen ("Neste kommandoadresse"). Basert på signaler fra kontrollenheten, leses operandene fra minnet, og ALU utfører de nødvendige handlingene. I dette tilfellet dannes et mellomresultat ("Resultat av operasjonen"), som også lagrer minnet. Avhengig av resultatet av operasjonen, kan det være nødvendig å endre rekkefølgen på kommandoutførelsen, eller stoppe databehandlingen, eller vise feilmeldinger til operatøren. For dette formålet sendes signalet "Resultattegn" fra ALU til kontrollenheten. Prosessen med å behandle de angitte dataene (informasjonen) fortsetter til kommandoen "Slutt på beregninger" er hentet, eller operatøren, etter eget skjønn, stopper databehandlingsprosessen.

Det resulterende behandlingsresultatet lagres også i minnet og kan sendes ut via utgangsenhet Akk på slutten av behandlingsprosessen eller under prosessen, hvis dette er gitt av programmet.

For "kommunikasjon" mellom operatøren og datamaskinen finnes det terminalenheter AT, beregnet på at operatøren skal legge inn kommandoer og andre meldinger og sende "meldinger" til operatøren fra datamaskinen.

Figur B3 viser ikke tilkoblingene til kontrollenheten, som sikrer synkronisering av driften av alle komponenter i datamaskinen. Brede piler indikerer muligheten for parallell dataoverføring (samtidig overføring av alle biter av multi-bit binære tall).

Nesten alle blokkene vist i fig. B3 (bortsett fra terminalenheter) kan bare implementeres fullstendig på digitale integrerte kretser (IC). Spesielt kan styreenheten, ALU og en del av minnet (registerminne SRAM) lages i form av én IC med høy grad av integrasjon. Det navngitte settet med blokker dannes mikroprosessor en sentral prosessor laget ved hjelp av integrert teknologi på en enkelt halvlederbrikke.

Datainn- og utdataenheter består som regel av bufferlagringsregistre som tjener til midlertidig lagring av henholdsvis inn- og utdata, og for å koordinere systemet med eksterne enheter.

Lagringsenheten (SRAM) er vanligvis delt inn i to deler: Random Access Memory (RAM) og permanent minne. Den første tjener til å lagre mellomresultater av beregninger; dens "innhold" endres stadig under databehandling. RAM fungerer i "lese" og "skrive" datamoduser. Og det andre, skrivebeskyttet minne (ROM), brukes til å lagre standard subrutiner og noen system (tjeneste) subrutiner som kontrollerer prosessene med å slå på og av datamaskinen. Vanligvis er ROM implementert på IC-feltprogrammerbar ROM (FPROM), enten forhåndsprogrammert IC ROM fra fabrikken eller brukeromprogrammerbar ROM (RePROM). Vanligvis er dette ikke-flyktige lagringsenheter der den registrerte informasjonen ikke blir "ødelagt" selv når de er koblet fra strømkilden.

ALU inkluderer en IC med samme navn som utfører logiske og aritmetiske operasjoner med binære tall, logiske elementer og en rekke andre funksjonelle enheter som tjener til å sammenligne tall, digitale komparatorer, for å øke hastigheten på aritmetiske operasjoner utført, for eksempel " hurtigoverføringsenheter» osv.

Kontrollenheten inkluderer timerenheter som setter klokkefrekvensen til systemet og til slutt bestemmer ytelsen, kommandokodedekodere, programmerbare logiske matriser, registre, mikroprogramkontrollenheter, samt inngangs-/utgangsporter.

Alle de oppførte funksjonelle enhetene er implementert i form av integrerte digitale enheter.

Hovedproblemer datasystemer forbedrer for det første deres produktivitet(opptreden). Og for det andre å sikre at systemene fungerer i virkeligheten.

Det første problemet er av systemomfattende karakter og løses ved å bruke en ny elementbase og spesielle informasjonsbehandlingsmetoder.

Det andre problemet oppstår ved bruk av datasystemer for å kontrollere produksjonsprosesser og er at hastigheten på produksjon og databehandlingsprosesser må koordineres. Virkeligheten til et datasystem (CS) skjer i den såkalte "maskintiden", når et visst fast og udelelig tidsintervall, kalt "arbeidssyklusen" til en datamaskin eller datamaskin, tas som en tidsenhet , mens virkelige fysiske prosesser, for eksempel teknologiske prosesser, foregår i sanntid, målt i sekunder, brøkdeler av et sekund, timer osv. For å gjøre bruk av datamaskiner mulig, er det nødvendig å gjøre hastigheten på informasjonsbehandlingen ikke mindre enn hastigheten til virkelige fysiske prosesser. Løsningen på dette problemet oppnås ved å organisere spesielle metoder for å utveksle informasjon (data) av kontrolldatamaskinen med perifere enheter og bruke spesielle, s.k. inteRansiktskretser og enheter. Funksjonene til grensesnittkretser inkluderer:

å bestemme adressen til en ekstern enhet som krever informasjonsutveksling med prosessoren eller med systemlagringsenheten;

generere avbruddssignaler for BC-prosessoren og initialisere overgangen til tjenesteprogrammet for objektet som ba om avbruddet. Dette utføres i henhold til en spesiell prioriteringssystem;

implementering av køer for å betjene eksterne enheter;

koordinering av parametere og timing av utvekslingssignaler mv.

Takket være moderne fremskritt innen integrert teknologi i produksjon av mikroelektroniske enheter, etablering av mikrodatamaskiner og datamaskiner preget av små dimensjoner, lavt energiforbruk og rimelige kostnader, har det blitt mulig å bruke dem som en del av systemer for et bredt utvalg av formål. Samtidig får disse systemene nye kvaliteter og blir multifunksjonelle med mulighet for fleksibel overgang fra en driftsmodus til en annen ved ganske enkelt å endre systemkonfigurasjonen. I sin tur åpner disse fordelene opp for nye muligheter for bruk av datasystemer på en lang rekke områder av menneskelig aktivitet: innen vitenskap, medisin, utdanning og opplæring, og enda mer innen teknologi.

For eksempel ble telefonkommunikasjon tradisjonelt utført av analoge enheter, der menneskelig tale ble overført (via ledninger) av signaler i form av vekselstrømmer av lydfrekvenser. Nå har det vært en intensiv overgang til digital telefonkommunikasjon, der analoge signaler (fra en mikrofon) konverteres til digitale, sendt over lange avstander uten vesentlig forvrengning. På mottakersiden blir disse digitale signalene igjen konvertert til analoge og levert til telefonen. Overgang til digital kommunikasjon lar deg forbedre kvaliteten på taleoverføring, i tillegg kan telefonnettverket brukes til andre tjenester: innbruddsalarm; brannalarm; for "konferansesamtaler" av flere abonnenter og så videre.

AT 2. Komparativ evaluering av digitale og analoge enheter

mikroelektronisk teknologi

Når du bestemmer deg for konstruksjon eller design av en enhet, må du først bestemme deg for designretningen, hvordan vil enheten være? Analog eller diskret(digitalt)? På sin side kan denne avgjørelsen tas med kjennskap til fordelene og ulempene med begge enhetene. La oss først definere begrepene "analoge" og "digitale" enheter.

Analog dette kalles enhet, der alle inngangs-, utgangs- og mellomliggende (interne) signaler er kontinuerlige, beskrevet av kontinuerlige matematiske funksjoner. Disse signalene er preget av et uendelig sett med verdier i nivå (tilstander) og er kontinuerlige i tid, selv om spekteret av endringer i verdiene til et kontinuerlig signal er begrenset. Derfor kalles slike enheter noen ganger arrangerethstvami neintermitterende.

Diskrete enheter eller enheter diskret handlingTViya er de hvis inngangs-, utgangs- og mellomsignaler er preget av et tellbart sett med verdier i nivå og eksistens i visse tidsintervaller. Slike signaler kan vises i et eller annet posisjonsnummersystem (med tilsvarende tall). For eksempel i desimaltallsystemet eller det binære tallsystemet. Den binære representasjonen av signaler har funnet størst anvendelse i teknologi og i formell logikk i beregning av utsagn og ved å trekke konklusjoner fra flere premisser. Derfor kalles diskrete enheter logisk(ligner formell binær logikk) eller digital, tar hensyn til muligheten for å beskrive dem ved hjelp av tall fra posisjonsnummersystemet.

Ulemper med analoge tekniske midler

Tilstedeværelse av "drift" og "støy". Drifting dette er en langsom endring i signalet, på grunn av fenomenenes diskrete natur, i forhold til dens gitte verdi. For eksempel, for elektriske signaler, bestemmes den diskrete naturen til strømmen av elektrisk strøm av elektroner og "hull", som er bærere av elektriske ladninger. Lyder dette er tilfeldige signalendringer forårsaket av ytre eller indre faktorer, for eksempel temperatur, trykk, styrken til jordens magnetfelt osv.

Metodiske vanskeligheter med å definere begrepene "likhet til null" og "likhet til analoge signaler". Og som en konsekvens, eksistensen av problemet med å "sikre den spesifiserte nøyaktigheten (feil)" av transformasjoner og signaloverføring.

Muligheten for fremveksten av ustabile driftsmoduser og eksistensen av problemet med å "sikre stabilitet" i driften av systemer og enheter. En ustabil modus er preget av forekomsten i en enhet eller et system av udempede oscillasjoner i endring av visse signaler. I elektronikk er dette fenomenet mye brukt i konstruksjonen av pulsgeneratorer og harmoniske oscillasjonsgeneratorer.

Tekniske vanskeligheter med å implementere lagringsenheter og tidsforsinkelsesenheter for analoge signaler.

Utilstrekkelig grad av integrering av analoge elementer og deres allsidighet.

Relativt kort overføringsområde for analoge signaler på grunn av energispredning i kommunikasjonslinjer.

Relativt stort energiforbruk, siden analoge elementer opererer i de lineære delene av deres transiente egenskaper og "forbruker" energi i de initiale (initielle) tilstandene.

Fordeler med analoge tekniske midler

Tilstrekkelig visning av fysiske prosesser og mønstre: begge er beskrevet av kontinuerlige avhengigheter. Dette lar oss betydelig forenkle de grunnleggende tekniske løsningene til analoge enheter og systemer.

Effektivitet og enkel endring av driftsmoduser: ofte er det nok å endre motstanden til en motstand eller kapasitansen til en kondensator slik at en ustabil modus endres til en stabil eller for å sikre en gitt transient prosess i enheten.

Det er ikke nødvendig å konvertere analoge verdier til diskrete. Disse transformasjonene er ledsaget av feil og en viss sløsing med tid.

Fordeler med digital teknologi

Muligheten for programkontroll, som øker fleksibiliteten til å endre strukturen og driftsalgoritmen til systemene, gjør det mulig å forenkle implementeringen av adaptive kontrolllover.

Enkelt å sikre den angitte påliteligheten, nøyaktigheten og støyimmuniteten til systemene.

Enkelt å sikre kompatibilitet av enheter med digitale informasjonsbehandlingsenheter (datamaskiner, datamaskiner).

Høy grad av konstruktiv og funksjonell integrasjon, allsidighet med evne til å bygge systemer i henhold til standard designløsninger. I sin tur lar dette deg redusere kostnadene ved produksjon og drift av systemer og enheter.

Evnen til å designe ved hjelp av formelle logiske metoder, som lar deg redusere designtiden til enheter og gjør det mulig å endre funksjonene til enheter (og systemer basert på dem) ved hjelp av metoder for aggregatkonstruksjon under drift.

Ulemper med digital teknologi

Behovet for å konvertere analoge signaler til diskrete. Disse transformasjonene er ledsaget av feil og tidsforsinkelser.

Den relative vanskeligheten med å endre driftsmodus. For å gjøre dette er det nødvendig å endre strukturen til systemet eller algoritmen for dets funksjon.

Kompleksiteten til prosessene for å analysere funksjonen til systemene, både når du sjekker riktigheten av deres drift og når du søker etter nye feil. Digitale enheter er preget av stor funksjonell kompleksitet, noe som krever spesielle "diagnostiske" enheter, som studeres i et spesielt teknologifelt kalt teknisk dOgagnostOghehe.

Økte krav til produksjonskultur og vedlikeholdskultur for digitalt utstyr. Dette stimulerer i sin tur behovet for å forbedre kvalifikasjonene til servicepersonell og krever at de er høyt kvalifisert.

En komparativ analyse av de listede fordeler og ulemper gir konklusjon i favør tekniske midler digital teknologi. Derfor blir digitale enheter for tiden mye introdusert i tilsynelatende tradisjonelle områder av analog teknologi: TV, telefonkommunikasjon, innen lydopptaksteknologi, radioteknikk, i automatiske kontroll- og reguleringssystemer.

1. Grunnleggende om mikroelektronisk teknologi

1.1. Grunnleggende begreper og definisjoner

Mikroelektronikk hovedfeltet for elektronikk, som studerer problemene med design, forskning, opprettelse og anvendelse av elektroniske enheter med høy grad av funksjonell Og konstruksjonerVNoah integrering.

Mikroelektronisk produkt, implementert ved hjelp av integrert teknologi og utfører en spesifikk funksjon for konvertering og behandling av signaler, kalles integrert krets(IC) eller rett og slett integrertbny ordning(ER).

Mikroelektronisk enhet et sett med sammenkoblede IC-er som utfører en komplett, ganske kompleks funksjon (eller flere funksjoner) for behandling og konvertering av signaler. En mikroelektronisk enhet kan være strukturelt utformet i form av en enkelt mikrokrets eller på flere IC-er.

Under funksjonell integrasjon forstå en økning i antall funksjoner implementert (utført) av en bestemt enhet. I dette tilfellet anses enheten som hel, udelelig. EN konstruktiv intenåde er en økning i antall komponenter i en enhet, ansett som hel. Et eksempel på en mikroelektronisk enhet med høy grad av strukturell og funksjonell integrasjon er miTilroprosessor(se ovenfor), som som regel utføres i form av en "stor" IC.

Kretsdesign er en del av mikroelektronikk, emnet som er byggemetoder enheter for ulike formål til mikroOordninger med bred anvendelse. Emnet digital kretsdesign er metoder for å konstruere (designe) enheter som kun bruker digitale IC-er.

Funksjoner av digitale kretser er mye brukt for å beskrive funksjonsprosessene til enheter formell eller formelle naturlige språk og basert på dem formaliserte designmetoder. Formelle språk er boolsk algebra(logikkalgebra, boolealgebra) og språket til "automatiske" logiske funksjoner algebra over tilstander og hendelser. Takket være bruken av formaliserte metoder oppnås det multivarians i å løse anvendte problemer, blir det mulig optimalt valg av kretsløsninger etter ett eller annet kriterium.

Formelle metoder er preget av et høyt abstraksjonsnivå, neglisjering av de spesielle egenskapene til det beskrevne objektet. Oppmerksomheten er kun fokusert på de generelle mønstrene i de gjensidige forholdene mellom komponentene i objektet og dets bestanddeler. Slike "regelmessigheter" inkluderer for eksempel reglene for aritmetiske operasjoner i tallalgebraen (reglene for addisjon, subtraksjon, multiplikasjon, divisjon). Samtidig blir de distrahert fra betydningen av tall (enten det er antall epler, eller tabeller osv.). Disse reglene er strengt formaliserte; reglene for å oppnå komplekse aritmetiske uttrykk, samt prosedyrene for å beregne slike uttrykk, er også formaliserte. I slike tilfeller sier de, formelle er og sinatTilsis Og språk grammatikk beskrivelser.

I formelle naturlige språk er syntaksen formalisert, og grammatikken (konstruksjonsreglene) komplekse uttrykk) følger grammatikken til et naturlig språk, for eksempel russisk eller engelsk. Eksempler på slike språk er forskjellige tabellformede beskrivelsesspråk. Spesielt er det teoretiske grunnlaget for å beskrive digitale enheter "Theory of Finite Automata" eller "Theory of Relay Devices and Finite Automata".

1.2. Klassifisering av mikroelektroniske enheter

Hele utvalget av mikroelektroniske enheter (MEDs) kan klassifiseres i henhold til ulike kriterier:

etter prinsippet og arten av handlingen;

etter funksjonelt formål og funksjoner utført;

av produksjonsteknologi;

etter bruksområde;

Av design og tekniske spesifikasjoner og så videre.

La oss nå vurdere mer detaljert inndelingen av MEU i henhold til klassifiseringskriterier.

Etter prinsippet(karakter) handlinger alle MEU er delt inn i noENhi og digitalt. Konseptene for analoge og diskrete enheter, inkludert digitale, er allerede gitt ovenfor. Her merker vi at hvis alle signaler i diskrete enheter bare tar to betingede verdier av logisk null (log.0) og logisk en (log.1), så kalles enhetene logisk. Som regel er alle digitale enheter klassifisert som logiske enheter.

Avhengig av funksjonene som utføres (funksjonelt formål), skilles følgende mikroelektroniske enheter ut:

I. Analog

1.1. Forsterkerenheter (forsterkere).

1.2. Funksjonelle omformere som utfører matematiske operasjoner på analoge signaler (for eksempel integrasjon, differensiering osv.).

1.3. Måling av transdusere og sensorer av fysiske mengder.

1.4. Modulatorer og demodulatorer, filtre, miksere og harmoniske generatorer.

1.5. Lagringsenheter.

1.6. Spennings- og strømstabilisatorer.

1.7. Integrerte kretser for spesielle formål (for eksempel for behandling av radio- og videosignaler, komparatorer, brytere, etc.).

II. Digital MEA

2.1. Logiske elementer.

2.2. Krypteringer, kodedechiffrere og kodekonverterere.

2.3. Minneelementer (triggere).

2.4. Lagringsenheter (RAM, ROM, PROM, PLM, etc.).

2.5. Aritmetisk-logiske enheter.

2.6. Velgere, shapers og pulsgeneratorer.

2.7. Telleapparater (pulstellere).

2.8. Digitale komparatorer, diskrete signalbrytere.

2.9. Registrerer.

2.10. Spesielle mikrokretser (for eksempel tidtakere, mikroprosessor IC-sett, etc.).

Klassifiseringen ovenfor er langt fra uttømmende, men lar oss konkludere med at utvalget av digitale enheter er mye bredere enn utvalget av analoge MEAer.

I tillegg til de som er oppført, finnes det mikrokretser for signalnivåomformere, for eksempel Schmitt-triggere, der inngangssignalene er analoge og utgangssignalene er diskrete, binære. Slike mikrokretser opptar en mellomposisjon. Tilsvarende analog-til-digital og digital-til-analog-omformere(ADC og DAC), analoge signalbrytere kontrollert av diskrete signaler bør klassifiseres som "mellomliggende" MEAer.

Avhengig av antall implementerte funksjoner, skilles de enOfunksjonell(enkelt) og multifunksjonell(kompleks) MEU. I multifunksjonsenheter kan funksjoner utføres samtidig eller sekvensielt i tide. Avhengig av dette kalles enhetene i det første tilfellet "parallelle" handlingsenheter, og i det andre tilfellet sekvensielle eller "sekvensielle" handlingsenheter. Hvis en multifunksjonell enhet er konfigurert til å utføre en bestemt funksjon ved å bytte innganger (fysisk gjentilkobling av elektriske kretser), kalles en slik enhet en enhet med " hard logikk" arbeid. Og hvis endringer i de utførte funksjonene gjøres ved hjelp av ekstra eksterne signaler (ved de såkalte kontrollinngangene), bør slike MEAer klassifiseres som "programvarekontrollerte". For eksempel kan aritmetiske logiske enheter (ALU) ICer implementere aritmetiske eller logiske operasjoner med to multi-bit binære tall. Og innstillingen for å utføre aritmetiske (eller logiske) operasjoner utføres av ett ekstra eksternt signal, avhengig av verdien som de ønskede handlingene vil bli utført av. Derfor bør ALUer klassifiseres som programvarekontrollerte MEUer.

I henhold til produksjonsteknologi alle IC-er er delt inn i:

halvledere;

Film;

Hybrid.

I halvleder IC alle komponenter og tilkoblinger er laget i volumet og på overflaten av halvlederkrystallen. Disse IC-ene er delt inn i bOgpolar mikrokretser (med fast polaritet på forsyningsspenningene) og på unipolar med muligheten til å endre polariteten til forsyningsspenningen. Avhengig av kretsdesignet til det "interne innholdet", er bipolare mikrokretser delt inn i følgende typer:

TTL transistor-transistor logikk;

TTLsh transistor-transistor-logikk med transistorer og Schottky-dioder;

ESL emitter-koblet logikk;

I2L injeksjonslogikk og andre.

Mikrokretser med unipolar teknologi er laget på MOS-transistorer ("metall-dielektrisk-halvleder"), eller på MOS-transistorer ("metall-oksid-halvleder") eller på CMOS-transistorer (komplementær "metall-oksid-halvleder").

I film I en IC er alle komponenter og tilkoblinger kun laget på overflaten av halvlederkrystallen. Skille tynn film(med en lagtykkelse på mindre enn 1 mikron) og tykk film med en filmtykkelse på mer enn en mikron. Tynnfilm-ICer produseres ved hjelp av termisk vakuumavsetning og katodesputtering, mens tykkfilm-ICer produseres ved bruk av silketrykk etterfulgt av innbrenning av tilsetningsstoffer.

Hybrid IC-er består av "enkle" og "komplekse" komponenter plassert på samme underlag. Halvleder- eller film-IC-brikker brukes vanligvis som komplekse komponenter. Enkle inkluderer diskrete elektroniske komponenter (transistorer, dioder, kondensatorer, induktorer, etc.). Alle disse komponentene er strukturelt plassert på samme underlag, og elektriske forbindelser mellom dem er også laget på det. Dessuten danner ett substrat med komponentene plassert på det ett "lag" av en hybrid IC. Skille enkelt lag Og flerlags hybrid IC-er. Flerlags hybrid IC er i stand til å yte tilstrekkelig komplekse funksjoner på signalbehandling. En slik mikrokrets tilsvarer i handling en "mikroblokk" av enheter, eller, hvis den er ment for uavhengig bruk, til handlingen til en "hel" blokk.

I tillegg vurderes eventuelle mikrokretser kvantitativt forestillingENtelekom deres vanskeligheter. Som en slik indikator, " grad integrering» k, lik desimallogaritmen til totalmengden N komponenter plassert på én halvlederbrikke, altså

k = lq N. (1)

I samsvar med formel (1) er alle mikrokretser delt inn i mikrokretser av 1., 2., tredje og så videre integreringsgrad. Graden av integrasjon karakteriserer bare indirekte kompleksiteten til mikrokretser, siden den bare tar hensyn til konstruktive integrering. Faktisk avhenger kompleksiteten til mikrokretsen også av antall gjensidige forbindelser mellom komponentene.

I ingeniørpraksis brukes det kvalitetskarakteristikk kompleksiteten til mikrokretser i begrepene "liten", "middels", "stor" og "ultra-stor" IC.

Tabell 1.1 gir informasjon om den gjensidige korrespondansen mellom kvalitative og kvantitative mål på IS-kompleksitet etter type.

Tabell 1.1

IP-navn		Produksjonsteknologi	Antall komponenter på brikken	Grad av integrering k
Liten (MIS)	Digital	Bipolar
		Unipolar
	Analog	Bipolar
Gjennomsnittlig (SIS)	Digital	Bipolar
		Unipolar
	Analog	Bipolar
		Unipolar
Stor (BIS)	Digital	Bipolar
		Unipolar
	Analog	Bipolar
		Unipolar
Ekstra stor (VLSI)	Digital	Bipolar
		Unipolar	Mer enn 10 000
	Analog	Bipolar
		Unipolar

Fra analysen av tabell 1.1 følger det at sammenlignet med digitale IC-er har analoge mikrokretser med samme grad av integrasjon mer enn tre ganger færre komponenter i sammensetningen (på en halvlederbrikke). Dette er fordi de aktive komponentene (transistorene) til en analog brikke opererer i lineær modus og sprer mer energi. Behovet for å fjerne varme generert av energispredning begrenser antall komponenter plassert på en enkelt brikke. I digitale mikrokretser fungerer aktive komponenter i byttemodus (transistorer er enten låst eller åpne og i metningsmodus). I dette tilfellet er krafttapet ubetydelig og mengden varme som genereres er også ubetydelig, og derfor kan antallet komponenter på brikken plasseres mer. (Krystallstørrelser er standardiserte og begrensede.) Med unipolar teknologi er volumet av krystallen okkupert av felteffekttransistor omtrent tre ganger mindre enn volumet som okkuperes av en bipolar transistor ( n- s- n eller s- n- s type). Dette forklarer det faktum at mer aktive komponenter kan plasseres på en brikke av standardstørrelser i en unipolar mikrokrets.

Av design Avhengig av funksjonell kompleksitet er mikroelektroniske enheter delt inn i:

på enkle mikrokretser(IMS);

for mikromontasjer;

til mikroblokker.

IC mikroelektronisk produkt produsert i enhetlig teknologiOgisk syklus, egnet for uavhengig bruk eller som en del av mer komplekse produkter (inkludert mikromontasjer og mikroblokker). Mikrokretser kan være uten ramme og ha et individuelt hus som beskytter krystallen mot ytre påvirkninger.

Mikromontering et mikroelektronisk produkt som utfører en ganske kompleks funksjon (funksjoner) og består av elektriske og radiokomponenter og mikrokretser, produsert med det formål å miniatyrisere elektronisk utstyr. I hovedsak er hybridbrikker mikromontasjer. Den enkleste mikromontasjen kan for eksempel være et sett med mikromotstander laget på en halvlederkrystall og plassert i en enkelt pakke (som en mikrokrets).

Mikroblokk er også et mikroelektronisk produkt, består av elektriske og radiokomponenter og integrerte kretser og utfører en kompleks funksjon(er).

Som regel produseres mikromontasjer og mikroblokker i forskjellige teknologiske sykluser, og kanskje på forskjellige produksjonsanlegg.

Som klassifisering tekniske egenskaper vanligvis brukt strømforbruk(en brikke) og forttheffekt.

Av strømforbruk alle IC-er kan deles inn i: EN) mikroOkraftig(mindre enn 10 mW); b) lite strøm(ikke mer enn 100 mW); V) middels kraft(opptil 500 mW) Og G) kraftig(mer enn eller = 0,5 W).

Av hastighet(maksimal tidsforsinkelse for signalutbredelse gjennom IC), er mikrokretser delt betinget inn i: EN) ultrarask med cutoff-frekvens f g bytter over 100 MHz; b) raskt skuespill ( f g fra 50 MHz opptil 100 MHz); V) normal hastighet ( f gr fra 10 MHz opp til 50 MHz). I dette tilfellet er forplantningsforsinkelser i størrelsesorden noen få nanosekunder (10–9 Med.) opptil 0,1 mikrosekunder (1s =10-6 Med.).

Digitale mikroelektroniske enheter, inkludert mikrokretser og andre diskrete handlingsenheter, praktisk å klassifisere Av X EN avhengighetens natur utgangssignaler fra inngangssignaler. Som det er vanlig i teorien om endelige tilstandsmaskiner. I samsvar med denne funksjonen er alle enheter vanligvis delt inn i kombinasjon Og sekvensiell.

I kombinasjonsenheter verdiene til utgangssignalene til enhver tid bestemmes unikt av verdiene til inngangssignalene på samme tidspunkt. Derfor kan vi anta at driften av slike enheter ikke er avhengig av tid. De kalles også "uten" enheter hukommelse», enkeltsyklus enkeltvirkende enheter eller enheter. I finitt state machine-teori kalles kombinasjonsenheter "primitive finite state machines".

I serielle enheter Verdiene til utgangssignalene (utgangssignalene) avhenger av verdiene til inngangssignalene ikke bare på det aktuelle tidspunktet, men også på verdiene til inngangssignalene på tidligere tidspunkter. Derfor kalles slike enheter enheter med " hukommelse», flersyklus enheter, men i teorien om endelige tilstandsmaskiner, rett og slett? endelig tilstandsmaskin(ikke trivielt).

Når man vurderer undervisningsmateriellet, i fremtiden, for hoved- la oss ta denne klassifisering, fordi byggemetoder(syntese) og prosesser for funksjon av de navngitte enhetene vesentlig forskjelligENdet er.

Avsluttende presentasjonen av klassifiseringsspørsmål, merker vi at den gitte listen over klassifiseringsegenskaper og listen over navn på mikroelektroniske produkter (brikker) er langt fra uttømmende. I fremtiden, etter behov, vil vi legge til denne listen.

1.3. Logiske elementer

Logiske elementer tilhører de enkleste kombinasjons-"enhetene", med en utgang og en eller to innganger. De har fått navnet sitt fordi deres funksjon kan beskrives fullt ut logiske funksjoner og spesielt boolske funksjoner.

Som i formell logikk kan alle utsagn være sanne eller usanne, og logiske funksjoner kan bare ha to betingede verdier: logisk én (log.1) «sann» og logisk null (log.0) «falsk».

Når du beskriver driften av logiske elementer utgangssignaler legge inn en-til-en korrespondanse funksjoner, A inngangssignaler argumenter disse funksjonene. Dermed er både funksjoner og funksjonsargumenter, så vel som inngangs- og utgangssignalene til logiske porter, binære. Hvis vi neglisjerer den sanne tiden for overgangen til et logisk element fra en tilstand (tilstand log.1) til en annen (tilstand log.0), vil verken argumentene eller funksjonene avhenge av tidsfaktoren til tidsvariabelen. Regler for innhenting og konvertering av logiske uttrykk vurderes algebra av logikk eller boolsk algebra.

Grunnleggende logiske funksjoner i logikkens algebra er det generelt akseptert funksjoner til to argumenter. De får navn, logiske symboler introduseres for å betegne de tilsvarende logiske operasjonene når de er skrevet i algebraisk form, og disse symbolene brukes også i de grafiske symbolene (GSD) til logiske elementer i kretsdokumentasjon.

Før vi vurderer typene logiske elementer direkte, la oss først vurdere det generelle problemet med notasjonssystemet for mikrokretser som inneholder logiske elementer. Slike mikrokretser tilhører microshemødre med lav grad av integrering.

1.3.1. System med konvensjonelle alfanumeriske betegnelser for IC logiske elementer

I innenlandsk teknisk litteratur, så vel som ved merking av innenlandsproduserte IC-er, under deres produksjon på produksjonsanlegg, er en 4-elements form for mikrokretsbetegnelser tatt i bruk (fig. 1.1).

Først element i notasjonen er Antall , som indikerer gruppen av design og teknologisk utførelse av IP. Denne figuren kan ha følgende verdier:

1, 5, 6, 7 tilsvarer halvleder-ICer. Dessuten brukes tallet 7 til kun å angi uemballerte IC-er;

2, 4, 8 er hybride mikrokretser;

3 andre mikrokretser, inkludert film.

Det første elementet i betegnelsen kan innledes med en bokstav eller to bokstaver (av det russiske alfabetet); de er ikke påkrevd, men de indikerer typen og materialet til mikrokretshuset og mulighetene for dens anvendelse. For eksempel brevet TIL representerer mikrokretser bred applikasjon V plast tilfelle av den første typen. Det finnes mikrokretser for spesielle bruksområder, for eksempel for enheter som drives i tropisk klima.

Sekund element 2 eller 3 sifre, de indikerer ordinær Antall serie mikrokretser Hele settet med mikrokretser produsert av den innenlandske industrien er delt inn i serie. Serie En IC er et sett med integrerte kretser av en enkelt design og teknologisk design som utfører forskjellige funksjoner og er beregnet for felles bruk.

Tredje element i betegnelsen er to russere bokstaver, hvorav den første betegner en undergruppe av IC etter funksjonelt formål, og den andre bokstaven tilsvarer typen IC også av funksjonelle formål med mikrokretsen. For eksempel den første bokstaven L"sier" at dette er en logisk port IC (undergruppe logikk), andre bokstav EN tilsvarer logiske elementer i skjemaet OG IKKE. Tabell 1.2 viser de vanligste bokstavkodene for typer IS i henhold til funksjonene som utføres.

Og til slutt, 4 elepolitimann i betegnelsene på mikrokretser er en eller to tall , som indikerer det betingede nummeret til mikrokretsen i den aktuelle serien. Således tilsvarer betegnelseseksemplet vist i fig. 1.1 betegnelsen på en halvledermikrokrets av K155-serien, mye brukt, i et plasthus av 1. type. Den består av 4 logiske elementer med to innganger av typen AND-NOT (2AND-NOT).

Vanligvis "krypterer" det fjerde elementet i IC-betegnelsen serienummeret til modifikasjonen av elementer av samme type, forskjellig i antall innganger og metoden for å "organisere" utgangen.

I tillegg til symbolene ovenfor, i henhold til GOST 2.743-91 "Konvensjonelle grafiske symboler i elektriske kretser. Elements of digital technology”, andre tobokstavskoder brukes for å indikere det funksjonelle formålet med mikrokretser, for eksempel: ID-dekodere-demultipleksere, dekodere, IR-registre, CP-svitsjer for diskrete signaler, og så videre. Spesielt tilsvarer bokstaven I en undergruppe av mikrokretser som brukes til å bygge digitale dataenheter.

Ulike serier med IC-er er forskjellige i antall mikrokretser og deres nomenklatur (typevurderinger). Standard vurdering IC er et spesifikt symbol som inneholder grunnleggende informasjon om mikrokretsen. Etter hvert som teknologien utvikler seg, kan antallet IC-typer i en bestemt serie øke.

Blant seriene med mikrokretser er transistor-transistor logiske IC-er (TTL og TTLsh) de mest funksjonelt utviklet. Disse seriene er preget av et bredt spekter av IC-er, så vi vil hovedsakelig illustrere presentasjonen av undervisningsmaterialet med eksempler på disse mikrokretsene.

Ovennevnte GOST inneholder også konvensjonelle grafiske symboler av logiske elementer og gir regler for dannelse av UGO av mer komplekse logiske elementer og moduler. Derfor bør du først og fremst gjøre deg kjent med den angitte GOST.

Tabell 1.2

	Betegnelse
NAND-elementer
Elementer OG-IKKE/ELLER-IKKE
Utvidere av OR
ELLER-IKKE-elementer
Elementer I
Elem. OG-ELLER-IKKE/OG-ELLER
ELLER-elementer
Elementer av OR-NOT/OR
Elementer IKKE
Andre gjenstander
Elementer OG-ELLER-IKKE
OG-ELLER-elementer

1.3.2. Bruker boolsk algebra for å beskrive

logiske elementer ogTsvermer

Som nevnt ovenfor, funksjonen til logiske elementer nts kan beskrives av logiske (boolske) funksjoner. På sin side kan logiske funksjoner defineres (settes) ved å liste opp alle betingelsene som funksjonen tar verdien log.1 under, dvs. i henhold til sannhetens betingelser og i henhold til vilkårene for usannhet (log.0-verdier). På samme måte, med tanke på driften av et logisk (hvilket som helst) element, kan vi liste opp alle betingelsene under hvilke et logisk 1-signal vises ved utgangen, eller betingelsene når et logisk 0-signal vil være tilstede ved utgangen til elementet. Dette er prinsippet om dualitet(dualitet) i beskrivelsen logiske enheter.

I teknologi, når man beskriver driften av forskjellige enheter, er konseptet "aktiv", i motsetning til den "inaktive" verdien av et signal, mye brukt. Samtidig, under aktiv Verdien (nivået) til et signal forstås som en handling som forårsaker ønsket handling ved enhetens utgang, eller med andre ord, enheten har aktive handlinger på eksterne enheter. Tvert imot har inaktive handlinger en passiv effekt på eksterne enheter. Derfor, i logikk fokuserer de vanligvis på sannheten til utsagn, så sannheten til utsagn bør som standard betraktes som deres aktive betydning. På samme måte, når man beskriver tekniske enheter, kan man fokusere på betingelsene for deres "drift" eller betingelsene for "ikke-drift."

Avtaler der log.1-signalet anses som aktivt kalles avtaler " positivt» logikk. Tvert imot, når aktiv verdi nivå logg.0 er akseptert, slike avtaler kalles avtaler " negativ» logikk. Som regel tas et "høyere" signalnivå som et log.1-signal, og et "lavere" signalnivå tas som et log.0-signal. For eksempel, når du bruker en TTL IC, anses log.1-signalet å være en spenning på minst +2,4 I, og med et log.0-signal er spenningen større enn null, men ikke mer enn 0,4 I. Dette er standard signalnivåer i enheter basert på TTL ICer.

Beskrivelser utarbeidet under avtaler positiv logikk og med avtaler negativ logikk, logisk likeverdig, siden de beskriver den samme enheten. derimot kompleksitet teknisk ekteOgsjoner logiske enheter, avhengig av den valgte avtalen, kan vise seg å være vesentlig forskjellig. Derfor oppstår alltid problemet med å velge en beskrivelsesmetode for å få den enkleste tekniske løsningen.

Som allerede nevnt er hovedfunksjonene til logikkens algebra funksjoner til to variabler. Du kan komponere disse funksjonene rent formelt, gi argumentene alle slags verdier (kombinasjoner av deres verdier), og deretter gi funksjonene alle slags verdier også. Siden både argumenter og funksjoner bare kan ha to verdier, er det ikke vanskelig å bestemme antall kombinasjoner som består av argumenter og antall mulige funksjoner. La antallet argumenter være n, og antall kombinasjoner N, Deretter

N = 2n. (1.1)

Antallet av alle mulige logiske funksjoner kan deretter beregnes ved hjelp av formelen

M = 2N = . (1.2)

Som det fremgår av formel (1.2), vokser antallet boolske (logiske) funksjoner raskt med økende antall argumenter n. Ja når n=2 får vi N=22=4, og M=24=16, dvs. seksten logiske funksjoner av to argumenter.

I tabellen 1.3 viser navn og betegnelser på funksjoner, deres betydning på et bestemt sett med argumentverdier en Og b, samt algebraiske uttrykk for disse funksjonene i disjunktiv perfekt normalform(DSNF) og konjunktiv perfekt normalform(KSNF).

Fra analysen av denne tabellen følger det at det er blant de mange funksjonene som er gitt konstante funksjoner"null" og "en", "repetisjon" og "inversjon" funksjoner (IKKE funksjoner) av inngangsvariabler en Og b, som faktisk er funksjoner en argument, og det er funksjoner som avhenger betydelig fra to argumenter.

I de algebraiske uttrykkene ovenfor indikerer + (pluss)-tegnet operasjonen av logisk addisjon (disjunksjon), streken over en variabel eller over et logisk uttrykk indikerer inversjonsoperasjonen, og symbolene for logisk multiplikasjon (produkt) er utelatt.

Tabell 1.3

Logiske funksjoner av to argumenter

Nei.	Funksjonsnavn	Funksjonsverdier for argumentverdier	Betegnelse	Algebraiske former for funksjoner
	Null
	Forby b					enb
	Lure Kryss (I)					en&b eller ab
	Gjenta sjon EN
	Forby EN					ben
	Ulik betydning					enb
	Gjenta sjon b
	Diz konjunksjon (ELLER-funksjon)					en+b		en+b
	Pierce (ELLER IKKE)
	Inversjonb(IKKE)
	Ravn betydning
	Impl iasjon b					ben
	InversjonEN
	Schaeffer (OG IKKE)
	Impl iasjon EN					enb
	Enhet privat

Konstante funksjoner uttrykker faktisk uavhengighet fra argumenter, og samtidig kan de betraktes som "funksjoner" på et stort antall argumenter. Merk, null funksjonen har ikke en DSNF fordi den aldri tar verdien log.1, og enkelt funksjonen har ikke KSNF, siden den aldri tar verdien log.0. Det følger at DSNF tilsvarer beskrivelse(tilordning) av logiske funksjoner etter sannhetsforhold(ifølge log.1), og KSNF under falske forhold(log.0). Enhver logisk funksjon, bortsett fra konstante funksjoner, har både DSNF og CSNF. Dette tilsvarer det faktum at enhver logisk enhet (uansett hvor kompleks den måtte være) kan beskrives av triggerbetingelser og ikke-utløste forhold.

Verdiene til funksjonene "repetisjon" og "inversjon" (V3, V6, V9, V12) gjentar enten verdiene til ett av argumentene eller tar motsatte (inverse) verdier. Det er derfor de fikk disse navnene.

Inversjonsfunksjoner kalles oftest NOT-funksjoner. Disse funksjonene implementeres av NOT-porter (eller omformere). Repetisjonsfunksjoner implementeres av repeatere. Det er vanlig å si at funksjonene til inversjon og repetisjon " uvesentlig» avhenger av det andre argumentet, selv om de kan representeres som funksjoner av to, tre eller flere argumenter.

I teknologi er funksjonene "Disparitet" og "Ekvivalens" bedre kjent som henholdsvis "sum modulo two (mod 2)" og "sum inversion mod 2". Schaeffer- og Peirce-funksjonene er henholdsvis kjent som "invers av et logisk produkt" (NAND-funksjoner) og "inversjon av en logisk sum" (OR-NOT). Disse funksjonene er implementert av logiske elementer med samme navn.

I boolsk algebra og deretter i logiske uttrykk er det vanlig å betegne funksjoner med store bokstaver latinske alfabetet, og argumenter funksjoner små bokstaver(liten) bokstaver det samme alfabetet.

1.3.3. Metoder og skjemaer for å spesifisere logiske funksjoner

Når man beskriver logiske enheter, viser det seg at metoden for å spesifisere (definere) logiske funksjoner og formen på presentasjonen deres påvirker vanskeligheten med å oppnå det endelige resultatet betydelig. Avhengig av målet kan metodene for å spesifisere og presentasjonsformen av funksjoner være forskjellige. For eksempel, når man bygger logiske enheter på programmerbare skrivebeskyttede minner (PROMs), er algebraiske former for logiske funksjoner uønskede og upraktiske. Men når du bygger enheter på mikrokretser med lav grad av integrasjon, på IC-er av logiske elementer, kreves minimale algebraiske former for logiske funksjoner, siden det ellers er umulig å sikre minimale maskinvarekostnader. Dermed avhenger valget av tildelingsmetoden av det tiltenkte formålet med å beskrive enhetene.

Skille tabell, matrise, grafikk Og analytisk tildelingsmetoder.

På tabell oppgaver bruker den såkalte " bord ogMedlitenhet» logiske funksjoner, der verdiene til funksjoner er angitt på hele settet med kombinasjoner av argumentene deres. Dermed bestemmes antall kolonner i sannhetstabellen av antall argumenter og antall funksjoner, og antall rader bestemmes av formel (1.1). Sannhetstabeller brukes for generell kjennskap til driften av kombinasjonsenheter når antall innganger (funksjonsargumenter) og antall utganger (antall funksjoner) ikke overstiger 4. Sannhetstabeller blir tungvint med et større antall argumenter, og derfor er de til liten nytte for analyse. Ved å bruke sannhetstabeller er det ganske enkelt å finne algebraiske former for funksjoner i DSNF eller i KSNF, men de egner seg ikke for å søke etter minimale algebraiske former.

Matrise måte å spesifisere (eller spesifisere funksjoner ved hjelp av blvdeutmatriser) er basert på en grafisk visning av hele settet med kombinasjoner av funksjonsargumenter på et "plan" (i todimensjonalt rom). Konseptet med "boolske matriser" ble introdusert av A.D. Zakrevsky, ble han også tilbudt visuell matrise metode for å minimere logiske funksjoner. I utenlandsk litteratur er denne metoden for å spesifisere og minimere logiske funksjoner kjent som "metoden for å spesifisere og minimere ved å bruke Carnot kart" (Begrepet "matriser" brukt i matematikk må ikke forveksles med begrepet "boolske matriser"). Sammen med konseptet boolsk matrOgtsa i det følgende vil konseptet bli brukt Carnot kart, da begreper er synonymer.

En boolsk matrise er et rektangel med et sideforhold på 1:2 (for et oddetall funksjonsargumenter) eller et kvadrat (for et partall argumenter), delt inn i elementære kvadrater (celler). Antall celler i matrisen er alltid et multiplum av en potens av to og bestemmes av formel (1.1). Dermed er antallet elementære kvadrater lik det komplette settet med kombinasjoner som består av funksjonsargumenter. Øverst til høyre Og venstre side matriser, rektangulære parenteser eller en solid rett linje markerer områdene med enkeltargumentverdier (fig. 1.2). Dessuten er disse parentesene merket med argumentidentifikatorer, som er plassert under parentesen eller til høyre (nederst) for parentesene. Konvensjonelt antas det at området begrenset av parentesen er arealet av enkeltverdier av argumentet, og utenfor dette området har argumentet en nullverdi. Dermed er det merkede Karnaugh-kartet så å si "kodet" av kombinasjoner av argumenter. I dette tilfellet vil hver celle tilsvare en veldig spesifikk kombinasjon av funksjonsargumenter. Selve kartet er merket funksjonsidentifikator på bunnen eller til høyre.

For å angi en funksjon med et kort, må du sette verdiene til denne funksjonen (0 eller 1, eller ~) i de aktuelle cellene.

Fig. 1.2 viser altså Carnaugh-kart for funksjoner med 4, 5 og 6 argumenter.

Spesielt er funksjonene X og Y fullt spesifisert, men funksjonen Z er underbestemt, siden cellene sammen med de faste verdiene på 1 og 0 viser "betingede" verdier merket med symbolet ~ (den typografiske tilde) symbol). Betinget Verdiene til logiske funksjoner brukes i tilfeller der spesifikke verdier (0 eller 1) ikke kan bestemmes på forhånd. Slike tilfeller oppstår for eksempel når man syntetiserer enheter i henhold til ufullstendig spesifiserte forhold, eller når kombinasjoner av argumenter som tilsvarer celler med symbolet ~ ikke kan oppstå av en eller annen grunn. I prosessen med å finne minimale logiske uttrykk for underbestemte funksjoner, er disse betingede verdiene definert med verdiene 1 eller 0, og prøver å oppnå de enkleste algebraiske uttrykkene.

I utgangspunktet matriseform spesifisering av logiske funksjoner er mer praktisk for å søke etter minimale algebraiske former for funksjoner opp til 10 (eller flere) argumenter. Sekvensen for å konstruere et Karnaugh-kart for funksjoner med et stort antall argumenter kan forstås ved å sammenligne Fig. 1.2, EN med bilder 1.2, b Og V.

Grafisk metoden for å spesifisere logiske funksjoner er basert på bruken n-dimensjonale kuber. Dimensjonen til en kube bestemmes av tallet n funksjonsargumenter, for eksempel, kan en funksjon av tre argumenter spesifiseres som en 3-dimensjonal kube, hvor hvert toppunkt tilsvarer en bestemt kombinasjon av argumenter. For å definere en funksjon ved hjelp av en 3-dimensjonal kube, er toppunktene til kuben merket tilsvarende. Denne metoden er ikke mye brukt, og vi kommer ikke til å bruke den.

Analytisk metoden for å spesifisere funksjoner er mest brukt for å finne funksjonelle diagrammer syntetiserte enheter. Takket være de konvensjonelle grafiske symbolene (CG) av logiske elementer, er det mulig å bevege seg direkte fra et algebraisk uttrykk til et funksjonelt diagram og omvendt bruke funksjonsdiagrammet for å få et algebraisk uttrykk for en funksjon som beskriver utgangssignalet til enheten. I tillegg, ved å bruke lovene og konsekvensene av logikkens algebra, kan du utføre ekvivalente transformasjoner av logiske uttrykk og derved få nye versjoner av funksjonelle diagrammer.

I boolsk algebra skilles det mellom flere typer algebraiske former for funksjoner; spesielt ble to former DSNF og KSNF gitt i tabell 1.3. Den første oppnås når funksjonen bestemmes av sannhetsbetingelsene (med 1), og den andre når funksjonen bestemmes av "null".

For eksempel funksjonen X spesifisert av kartet i fig. 1.2, EN, vil ha følgende perfekte former:

Som det fremgår av fig. 1.2, EN, og fra uttrykk (1.3) og (1.4), følger det at funksjonen tar verdien "1" hvis et oddetall argumenter tar verdien log.1, ellers tar den verdien "0". Slike funksjoner er implementert av "even/oddetall" kretser eller "mod2 sum" logiske elementer. Hvis vi bruker symbolet for summen mod2 (disparitetsfunksjon V5 i Tabell 1.3), så kan vi skrive

X = en b c d. (1.5)

Dette uttrykket er kortere og det tilsvarer uttrykk (1.3). Vær oppmerksom på (fig. 1.2, EN), tilsvarer sum mod2-funksjonen og dens inversjon "sjakkmønsteret" på Karnaugh-kartet. Dette kan brukes i fremtiden når du søker etter andre algebraiske former for logiske funksjoner. Forresten, disse funksjonene har ikke normal minimum disjunktive og konjunktive former for MDNF og ICNF.

La oss vurdere ofte brukte IC-er av logiske elementer, og vi vil bruke ulike former for beskrivelse av de logiske funksjonene implementert av disse elementene.

1.3.4. IKKE porter

Dette er de enkleste elementene, med én inngang og én utgang. Slike elementer er beskrevet av den logiske funksjonen negasjon og inversjon og kalles ganske enkelt IKKE-funksjoner. Figur 1.3 viser UGO for HE-elementer anbefalt av GOST. Som du kan se, kan inversjonspekeren plasseres enten ved utgangen eller ved inngangen til det logiske elementet. I følge GOST kan du ikke sette hovedfunksjonsmerket "1" i hovedfeltet til UGO.

Det algebraiske uttrykket for inversjonsfunksjonen har formen

X =

og leser «ikke EN" Utgangssignalet til NOT-elementet tar alltid den motsatte verdien med hensyn til verdiene til inngangssignalet. Det finnes flere typer IC-logikkelementer, forskjellig i måten utdataene er organisert på. For eksempel, i K155-serien IC er det K155LN1 mikrokretser som inneholder 4 IKKE logiske elementer med standard lastekapasitet. Det er IKKE elementer med økt lastekapasitet, men de er alle beskrevet med samme logiske uttrykk.

Logiske elementer "repeatere" har også én inngang og én utgang, men utgangssignalet gjentar verdien til inngangssignalet. Slike elementer brukes til å "frakoble" utgangene til logiske elementer og for å øke deres lastekapasitet.

1.3.5. OG porter

Disse elementene implementerer funksjonen logisk multiplikasjon (konjunksjon). Funksjonene er minst dobbelt- eller flerplasserte og beskrives med følgende logiske uttrykk:

X = en&b = enb = en· b = ab. (1.6)

Konjunksjonssymboler & og kan erstattes med en prikk eller i det hele tatt utelates. Elementutgang OG tar verdien log.1 bare hvis alle inngangssignaler tar verdien log.1. Fig. 1.4 viser grafiske symboler og Carnaugh-kart for en to-inngang (Fig. 1.4, EN Og b) og tre-innganger (fig. 1.4, V Og G) logisk element OG.

Fig.1.4. Konvensjonelle grafiske betegnelser på elementer OG: to-inngang ( EN),

tre-inngang ( V), kart over Carnaugh logiske funksjoner 2I ( b) og 3I ( G)

Som man kan se fra de boolske matrisene ovenfor, er konjunksjonen lik log.1 bare i det eneste tilfellet når alle argumenter og den første, Og sekund, Og tredje Og etc. ta samtidig verdiloggen.1. Derfor kalles slike elementer matchende mønstre, navnet "konjunktorer" er mindre vanlig, og funksjonene som beskriver dem er noen ganger I-funksjoner. Ulike logiske elementer produseres i IC-serien OG, for eksempel inneholder K155LI1-mikrokretsen 4 2I-elementer (to innganger). Forskjellen ligger i forskjellig antall innganger for ulike elementer.

Vist i fig. 1.4, b og Fig. 1.4, G illustrert med matriser logiske multiplikasjonsregler, og de viste UGOene samsvarer jeg er enigeprinsipper for positiv logikk.

Takket være de kommutative og kombinasjonslovene som er gyldige i boolsk algebra, innganger logiske multi-input-elementer OG er logisk likeverdig, og et logikkelement med flere innganger OG kan hentes fra flere to-inngangselementer OG. Så i Fig. 1.5 vil du se

Vi har to alternativer for å konstruere et logisk element OG med seks innganger (6I) på to-inngangselementer OG(2I).

Alle kretsene vist i fig. 1.5 er logisk ekvivalente, og i sin tur er de ekvivalente med den konvensjonelle grafiske betegnelsen for et 6-inngangs logikkelement OG(Fig. 1.5, V). Samtidig er kretsene beskrevet av logiske uttrykk som er forskjellige i notasjonsform:

X = ((((en· b)· c)· d)· k)· m? diagram fig. 1,5, EN; (1.7)

Y = ((ab)·(cd))·( km) ? diagram fig. 1,5, b; (1.8)

og følgende uttrykk tilsvarer symbolet til element 6I:

Z = abcdkm. (1.9)

Selv om, i samsvar med de nevnte lovene i boolsk algebra, endrer plasseringen av faktorer ikke endrer det logiske produktet og parenteser i uttrykkene til det logiske produktet ikke trenger å plasseres, likevel, uttrykk (1.7), (1.8) og (1.9) bære informasjon om måter å bygge på ordninger. Dermed kan de angitte uttrykkene betraktes som "logisk-matematiske modeller" av de gitte kretsene, inkludert UGO av element 6I.

Det skal bemerkes at når man beskriver logiske kombinasjonsenheter ved bruk av boolske uttrykk, abstraheres tidsfaktoren som regel. Denne beskrivelsen tilsvarer beskrivelsen av enheter i statiske forhold ved jevne verdier av inngangssignaler (og variabler). Det antas at endringer i inngangs- og utgangssignaler skjer umiddelbart, og på samme måte endres verdiene til argumentene og verdiene til de logiske funksjonene. Samtidig har virkelige elementer en endelig overgangstid fra en tilstand til en annen eller, som de sier, en endelig (ikke-null) forplantningstid av signaler fra inngangene til utgangen til et element eller en enhet. Med dette i tankene bør diagrammet i fig. 1.5 foretrekkes, b, der forplantningstiden for signaler fra innganger merket med funksjonsargumenter til utgangen av kretsen i gjennomsnitt er kortere. Kilden inneholder informasjon om tidslogiske funksjoner som kan brukes til å beskrive kretser med tidsforsinkelser.

1.3.6. ELLER porter

ELLER logiske porter er implementert logisk sum flere binære signaler (og inngangsvariabler). Funksjonen som beskriver slike elementer kalles disjunksjon eller funksjon logisk kompleksitetenia. Figur 1.6 viser symbolene (UGO) til OR-elementene og Carnaugh-kartene over funksjonene som beskriver dem.

Algebraisk uttrykk for den logiske summen av to variabler en Og b skrevet som følger

X = en b = en + b. (1.10)

I boolsk algebra brukes et symbol for å representere en disjunksjon. I sine tekniske applikasjoner brukes vanligvis +-tegnet (av aritmetisk addisjon), men bare når dette ikke fører til feil ved skriving av formler og logiske uttrykk. (Dette tegnet brukes først og fremst for å betegne disjunksjon.)

Som det fremgår av kartene i fig. 1.6, b og Fig. 1.6, G, tar den logiske tilleggsfunksjonen verdien log.0 bare i det eneste tilfellet når alle argumenter tar verdien log.0. Den har verdien log.1 hvis det første argumentet eller sekund, eller tredje osv., eller alle sammen tar argumentene verdien log.1. Derfor kalles denne funksjonen OR-funksjonen.

Akkurat som med konjunksjonen av mange variabler, er de kommutative og kombinasjonslovene til boolsk algebra gjeldende for disjunksjonen. Og konsekvensen av dette er den logiske ekvivalensen av inngangene til OR-logiske elementer, samt muligheten for å konstruere multi-input OR-elementer fra lignende elementer, men med et mindre antall innganger. Hvis i fig. 1.5 alle OG-elementene er erstattet med to-inngangs ELLER (2OR)-elementer, vil alle konklusjonene som trekkes angående kretsene i fig. 1.5 være gyldige for kretsene oppnådd ved en slik utskifting. Du kan også skrive logisk-matematiske modeller for de resulterende kretsene og UGOen til 6OR-elementet, og erstatte alle symboler for logisk multiplikasjon i uttrykk (1.7), (1.8) og (1.9) med +-tegn (disjunksjoner).

Ulike serier med IC-er har OR-logiske elementer. For eksempel, i TTL-serien er dette K155LL1-mikrokretsen; den inneholder 4 2OR-elementer.

1.3.7. NAND-porter

Disse elementene implementerer inversjon av et logisk produkt inngangssignaler. NAND-elementer er med andre ord beskrevet av funksjonen "negasjon av konjunksjon". I boolsk algebra kalles slike funksjoner Schaeffer-funksjoner; for å betegne dem, begrepet spesiell karakter"? ", kalt Schaeffer-slaget. For enkel lesing vil vi bruke inversjonssymbolet (overbjelke) over konjunksjonsuttrykket for å betegne Schaeffer-funksjoner. For eksempel vil den algebraiske formen for å skrive Schaeffer-funksjonen til to argumenter være som følger:

X = en / b = = . (1.11)

I uttrykk (1.11) tilsvarer likhetstegnet den logiske identiteten til uttrykkene, og høyre side av uttrykket tilsvarer CSNF til AND-NOT-funksjonen (funksjon V13 i tabell 1.3). Men generelt lyder uttrykket slik: " inversen til et logisk produkt er lik den logiske summen av inversene til argumentene" Denne uttalelsen er kjent i boolsk algebra som de Morgans lov relativt inversjon av logisk produkt(inversjon av konjunksjon) . Figur 1.7 viser de grafiske symbolene til 2I-NOT-elementet, dets funksjonelle ekvivalente krets og Carnot-kartet for den aktuelle funksjonen. Ved å sammenligne Carnaugh-kartene av OG-funksjonene og NAND-funksjonene, er det lett å legge merke til at cellene inneholder motsatte verdier av de navngitte funksjonene. Ved å sammenligne kart med algebraiske uttrykk for OG-funksjonen og NAND-funksjonen, kan følgende konklusjoner trekkes:

Hver enhet, står i en matrisecelle, tilsvarer logisk arbeid(konjunksjon) alle argumenter funksjoner; tatt en gang med eller uten inversjonstegn. Hvis en celle med en enhet er plassert på området enkeltargumentverdier, så dette argumentet inkludert i sammenheng uten inversjon null sifreENargumenter, så dette argumentet går inn med et skilt ognversjoner.

Til hver null, står i en matrisecelle, tilsvarer loggOgteknisk beløp(disjunksjon) av alle funksjonsargumenter, tatt én gang med eller uten inversjonstegn. Hvis en celle med null er plassert på området enkeltargumentverdier, så dette argumentet inkludert i disjunksjon med inversjonstegn. Hvis cellen er plassert i området null argumentverdier, så dette argumentet går inn uten tegnRdisse.

Disse konklusjonene har karakter av regler for å finne DSNF (første konklusjon) og KSNF (andre konklusjon) fra boolske matriser av logiske funksjoner. Det skal bare legges til at for Søk DSNF disse funksjonene er nødvendige elementale konjunksjoner"koble sammen" med symboler disjunksjoner(pluss), og med finne KSNF funksjoner elementære disjunksjoner skal være forbundet med symboler konjunksjoner.

Under elementær konjunksjon logiske funksjoner er forstått lOlogisk produkt av alle funksjonsargumenter, tatt én gang med eller uten inversjonstegn.

Under elementær disjunksjon logiske funksjoner er forstått lOden logiske summen av alle funksjonsargumenter, tatt én gang med eller uten fortegnENka inversjon.

I serier av mikrokretser er det NAND-elementer som er forskjellige i antall innganger, antall elementer i en mikrokrets, og også måten utgangen er organisert på. For eksempel inneholder mikrokretsen K155LA3 4 2I-NOT-elementer med standard lastekapasitet. K155LA8-mikrokretsen inneholder ett 8I-NOT-element med økt belastningskapasitet (det er lik 30, og standard belastningskapasitet er 10).

2I-NOT-elementet er grunnleggende for transistor-transistor logikk (TTL) mikrokretser, dvs. dette elementet danner grunnlaget for konstruksjonen av alle de navngitte mikrokretsene, inkludert TTLsh mikrokretser.

1.3.8. ELLER-IKKE-elementer

Funksjoner som beskriver elementet 2OR-NOT kalles Peirce-funksjoner i boolsk algebra; et spesielt symbol ble introdusert for dem (Pierce-pil). I tekniske applikasjoner kalles disse funksjonene "invers av en logisk sum (disjunksjon)" eller ganske enkelt NOR-funksjoner. Spesielt har to-plassers Peirce-funksjonen, 2OR-NOT-funksjonen, følgende algebraiske uttrykk:

Z = en b = = . (1.12)

I det følgende vil disse funksjonene bli betegnet med inversjonssymbolet over det logiske sumuttrykket. Høyre side av uttrykk (1.12) tilsvarer påstanden om at " inversjon av logisk sum er samtidig logisk produkt av termer, tatt fra motsatte inversjonssymboler" Denne uttalelsen er den andre de Morgans lov angående inversjon av disjunksjon. I henhold til uttrykk (1.12) kan 2OR-NOT-elementet representeres av konvensjonelle grafiske symboler som bruker positive logiske konvensjoner, negative logiske konvensjoner og en funksjonell ekvivalent krets (fig. 1.8).

I den integrerte versjonen er OR-NOT logiske elementer med forskjellig antall innganger tilgjengelig. Et eksempel er K155LE1-mikrokretsen, som inneholder 4 2OR-NOT-logiske elementer, eller K155LE3 med to 4OR-NOT-elementer. Som med OR-elementer, så med OR-NOT-elementer, er alle innganger logisk likeverdige.

1.3.9. Elementer "BAN"

Disse to-inngangselementene fikk dette navnet fordi signalet fra en av inngangene "forbyr" eller "tillater" passasje av signalet som er påført den andre inngangen til utgangen til elementet. Derfor kalles den ene inngangen forbudsinngangen; den er omvendt, og den andre inngangen kalles "informasjon". Verdiene til utgangssignalet faller sammen med verdiene til inngangsinformasjonssignalet i tillatelsestilstanden, og i forbudstilstanden har utgangssignalet en verdi på log.0, uavhengig av verdien til signalet ved informasjonsinngang. Tabell 1.3 viser to V1-hemmende funksjoner (inhiber b) og funksjon V4 (forbud EN). I fig. 1.9 viser UGO-elementet "forbud" EN"(forbudt av EN), algebraisk uttrykk og Carnaugh-kart av en funksjon med samme navn og en funksjonell ekvivalent krets av elementet.

På EN= 0 funksjonsverdi Z samsvarer med verdien av argumentet b.

Hvis EN= 1 (sperret tilstand) vil utgangen til elementet hele tiden ha et log.0-signal. Så innspillet EN er forbudsinnspillet, og innspillet b informativ. Det er klart at den samme UGO vil tilsvare elementet "forbud b» kun inngang b vil være invers, og inngangen EN vil være rett. Tilsvarende, i det algebraiske uttrykket for en slik funksjon, argumentet b vil ha et inversjonstegn, men argumentet EN kommer inn uten inversjonstegnet.

Det skal bemerkes at FORBUD-elementene har logisk ulik inngang. Dette betyr igjen at inngangssignalene ikke kan byttes.

BAN logiske elementer produseres i en integrert versjon, men ikke i alle serier. For eksempel i K161-serien (på MOS-transistorer med R-kanal) er det en K161LP2 mikrokrets som inneholder 4 INHIBITION-elementer med en felles forbudsinngang. I fig. 1.9, EN et konvensjonelt grafisk symbol (UGO) er gitt som tilsvarer konvensjonene for positiv logikk. Det er mulig å komponere en UGO ved å bruke negative logiske avtaler. For å gjøre dette, over høyre side av det algebraiske uttrykket av funksjonen, må du "ta" det doble inversjonstegnet, og deretter utvide ett tegn i henhold til De Morgans lov:

Dermed, med negative logiske konvensjoner, vil analogen til BAR-elementet UGO være 2OR-NOT UGO-elementet; bare én av inngangene skal ha en inversjonsindikator.

1.3.10. Logiske elementer "mod2 addere" og

paritetskretser/ merkelig paritet

Logisk funksjon V5 “unekvivalens” (Tabell 1.3) tar verdien log.1 kun når odde antall argumenter aksepterer znENleselogg.1. Siden funksjoner og argumenter bare kan ha to verdier, tilsvarer denne funksjonen mod2 addisjonsoperasjonen på binære tall, som representerer binære sett med argumentverdier. Denne operasjonen indikeres ved å bruke et symbol mellom argumentene. Disse funksjonene er minst doble, men de kan være flerseter, dvs. avhenge av flere argumenter.

Algebraiske former for å skrive mod2 addisjonsfunksjonen fra to argumenter har følgende form:

Y = en b = . (1.14)

Høyre side av uttrykket (1.14) er henholdsvis DSNF og KSNF. I samsvar med disse skjemaene er det mulig å konstruere funksjonelle ekvivalente kretser av en mod2-adder med to innganger. Disse ordningene, samt UGO anbefalt av GOST, og den boolske matrisen for denne funksjonen er vist i fig. 1.10.

Vær oppmerksom på at i diagrammet i fig. 1.10, EN UGO-elementer av forbud og element 2ILI ble brukt. I diagrammet Fig. 1.10, V For å implementere disjunksjonen av argumentinversjoner, brukes 2I-NOT-elementet og i tillegg 2OR- og 2I-elementene. Diagrammene ovenfor viser nok en gang at flere funksjonsdiagrammer for en mod2-adder med to innganger kan lages!

Ovenfor, i fig. 1.2, EN, ble Karnaugh-kartet over 4-plassers mod2 addisjonsfunksjon gitt som et eksempel. Den kan implementeres av en mod2-adder med 4 innganger med et grafisk symbol som ligner på fig. 1.10, G(må ha 4 innganger) . Siden endring av posisjonene til termene ikke endrer mod2-summen, er alle innganger til mod2-adderne logisk likeverdige. La oss merke det igjen! Hva om antallet inngangssignaler som tar verdien log.1 er partall, så vil utgangssignalet til mod2-addereren være lik log.0, dvs. har en inaktiv verdi, er paritet "ikke krenket". Derfor kalles slike elementer "paritetskretser".

Vær nå oppmerksom på funksjonen V 10 funksjon logisk raVbetydning, (Tabell 1.3). Det tar motsatte verdier sammenlignet med mod2-summen, det vil si at det er dens inversjon. Derfor vil den konvensjonelle grafiske betegnelsen på elementet som implementerer den avvike fra fig. 1.10, G bare ved tilstedeværelsen av en inversjonspeker ved utgangen av elementet.

Ved å bruke de algebraiske uttrykkene til to-steds ekvivalensfunksjonen (1.15), er det mulig å oppnå funksjonelle ekvivalente kretser av en to-inngang mod2 adderer med en invers utgang (2-NOT).

X = = = . (1.15)

Karnaugh-kartet for denne funksjonen vil avvike fra kartet i Fig. 1.10, b det faktum at motsatte verdier skal plasseres i cellene (nuller skal erstattes med enere og ener med nuller). Det er ikke vanskelig å fastslå den semantiske betydningen av denne funksjonen, siden den tar verdien log.1 for et partall og verdien log.0 for merkelig antall enkeltverdier av argumentene. Ordningene som implementerer det kalles " odde paritetskretser».

Logiske elementer 2 er produsert i en integrert versjon, for eksempel inneholder mikrokretsen K155LP5 4 slike elementer.

Det er mikrokretser som utfører funksjonen til en multi-input mod2 adder med direkte og invers utgang. For eksempel er K155IP2-brikken en 8-bits krets kontrollere hvaTness/ merkelig paritet med direkte og invers utgang og to kontrollinnganger. En slik mikrokrets implementerer funksjon 8 og funksjon 8-NOT samtidig. Den konvensjonelle grafiske betegnelsen til denne mikrokretsen og tabellen som beskriver driftsmodusene til IC er vist i fig. 1.11.

I tabell 1.4, i kolonnene med utgangssignalverdier X Og Y, gis forkortede algebraiske uttrykk for utgangsfunksjonene med samme navn. Av disse uttrykkene følger det at med en kombinasjon av signaler ved styreinngangene v 1 = 0 og v 2 = 1 utgang X mod2-summen av alle åtte informasjonssignaler vil bli realisert. Samtidig på vei ut Y en invertering av dette beløpet vil bli gjennomført. I tillegg viser tabellen at med kombinasjoner av signaler på kontrollinngangene 0-0 eller 1-1, er mikrokretsen i en "inoperativ" tilstand når signalene på begge utgangene har samme verdier, uavhengig av verdiene til inngangsinformasjonssignalene.

1.3.11. Flertallet logiske porter

Disse elementene er beskrevet av logiske funksjoner, som har mer enn to argumenter og er det merkelig. Følgelig er antallet innganger alltid for ethvert majoritetselement merkelig. Utgangssignalet blir aktivt når de fleste inngangssignaler ta aktive verdier. Derfor implementerer slike elementer " flertallsprinsippTva"i behandling eller mottak av signaler.

La oss anta at log.1-nivået tas som den aktive verdien av inngangs- og utgangssignalene. Så, for majoritetselementet "2 av 3" (med tre innganger), vil utgangssignalet være lik log.1 hvis to (noen som helst) eller alle tre inngangssignalene har verdien av log.1.

Figur 1.12 viser UGO for et slikt element, Carnot-kartet over utgangsfunksjonen og dens funksjonelle ekvivalente krets.

Etter funksjonskart F du kan finne dens minimale disjunktive normalform (MDNF):

F = ab + f.Kr + ac. (1.16)

Denne formelen beskriver direkte kretsen i fig. 1.12, b. Som man kan se fra Carnot-kartet (fig. 1.12, V), er de i celler plassert i områdene med enhetsverdier for to og alle tre argumentene. Analogt kan du bygge et Carnaugh-kart for majoritetselementet "3 av 5", finne minimum algebraisk uttrykk for utgangsfunksjonen og deretter bygge et funksjonelt diagram.

I den integrerte versjonen er det majoritetselementer, men ikke i alle serier. For eksempel, i KR1533-serien er det en KR1533LP3 mikrokrets, som er tre "2 av 3" majoritetselementer med en invers felles kontrollinngang. Log.0-signalet ved kontrollinngangen tillater utførelse av majoritetsfunksjoner, og log.1-signalet forbyr implementeringen av dem. Funksjonsdiagrammet for denne mikrokretsen og dens UGO er vist i fig. 1.13. Ved å sammenligne funksjonsdiagrammet i fig. 1.13, b med diagrammet av majoritetselementet Fig. 1.12, b, kan du forstå hvordan kontrollen er organisert og hvilke verdier utgangssignalene tar når et logisk 1-signal påføres kontrollinngangen (det er merket på UGO med etiketten "E"). (På UGO og følgelig på diagrammet i fig. 1.13, b tallene indikerer pin-numrene til mikrokretsen.)

Det er majoritetselementer med invers utgang, for eksempel inneholder mikrokretsene 533LP3 og KR134LP3 tre slike elementer hver. I dette tilfellet vil «majoritet»-prinsippet bli implementert for lavnivåsignaler (log.0-signaler). Det bør også bemerkes at majoritære elementer, som AND-NOT og OR-NOT elementene, er alle innganger logisk likeverdige, dvs. Rekkefølgen som inngangssignalene leveres i er ikke signifikant.

1.3.12. Logiske terskelelementer og -elementer

"eksklusiv ELLER"

Blant logiske elementer med flere innganger kan man skille en gruppe elementer der utgangssignalet får en aktiv verdi kun i tilfeller hvor et visst spesifisert antall inngangssignaler også får en aktiv verdi. Slike elementer kalles vanligvis "logiske terskelelementer". Spesielt hvis utgangssignal tar på seg verdien log.1, Når bare en og bare en fra inngangssignalene tar verdien log.1, så kalles slike elementer "eksklusive ELLER"-elementer. Dette er også elementer av en logisk terskel, bare "terskel" lik en. For dem regulerer GOST-er også UGO, i hovedfeltet som etiketten "=1" er plassert (for elementer eksklusiv ELLER), eller en etikett som "= n", Hvor n et heltall mindre enn antall innganger til et logisk element.

Så, Fig. 1.14 viser UGO for elementet eksklusiv ELLER med tre innganger, UGO for det logiske terskelelementet "=2 av 4", Carnaugh kart over utgangsfunksjonene og funksjonelle ekvivalente kretser.

Analyserer de reduserte Karnaugh-kartene over funksjoner X Og Y, merker vi at disse funksjonene ikke har minimale disjunktive algebraiske former (den visuelle matrisemetoden for å minimere logiske funksjoner vil bli diskutert nedenfor). Derfor kan funksjonelle diagrammer av de navngitte elementene konstrueres ved å finne algebraiske uttrykk i DSNF eller i andre former.

Så diagrammet i fig. 1.14, d hentet fra følgende uttrykk:

X = . (1.17)

Dette er DSNF for den eksklusive ELLER-funksjonen. Hvis vi på samme måte kunne finne funksjonsuttrykket Y, så vil den bestå av 6 disjunktive termer (termer), som hver vil representere produktet av alle 4 argumentene. Da vil det funksjonelle diagrammet til det logiske terskelelementet "=2 av 4" bestå av et 6OR-element, seks 4I-logiske elementer og 4 IKKE-elementer. Diagrammet er i fig. 1.14, e hentet fra følgende logiske uttrykk:

Y = (end)(bc) + (enb)(cd). (1.18)

Reglene for å oppnå denne typen algebraiske uttrykk fra boolske matriser av logiske funksjoner vil bli diskutert nedenfor. Nå er det på sin plass å huske at mod2-summen vises på Carnaugh-kart med et sjakkbrettmønster med enere og nuller. Således ble uttrykk (1.18) hentet fra "bestemte sjakkmønstre" uthevet med forskjellige fyll (fig. 1.14, G) for funksjon Y ved å bruke operasjonen for å fjerne vanlige faktorer fra parentes. Et lignende uttrykk kan oppnås for "eksklusive ELLER"-funksjonen ved å bruke kartet i fig. 1.14, b.

Det skal bemerkes at i det spesielle tilfellet når antall innganger til "eksklusive ELLER" -elementet er lik to, så er denne funksjonen også lik mod2 addisjonsfunksjonen til to argumenter (2). Dessverre er "eksklusive ELLER" og "logisk terskel" logiske elementer med mer enn to innganger ikke tilgjengelige i en integrert design.

1.3.13. Logiske elementer "IMPLICATORS"

Disse logiske elementene er beskrevet av "implikasjons"-funksjonen (tabell 1.3 funksjoner V 11 og V 14).

V 11 = b en = ,

V 14 = en b = . (1.19)

Den første av funksjonene kalles "implikasjon" b", og den andre "implikasjonen EN" Figur 1.15 viser de grafiske symbolene til det logiske elementet IMPLICATOR EN og Karnaugh-kartet over utgangsfunksjonen. Høyresiden av uttrykk (1.19) indikerer at implikasjonsfunksjonen samtidig er en invers av FORBUD-funksjonen.

Fra kartet Fig. 1.15, V følger det implikasjonsfunksjonen er falsk bare når en fra argumenter aksepterer usantesjon, og den andre ekte.

Integrerte IMPLICATORER produseres praktisk talt ikke i serier med mye brukte IC-er. Samtidig, ifølge UGO Fig. 1.15, EN Og V, implikasjonsfunksjonen kan implementeres av 2OR-elementet ved å tilføre et signal til en av inngangene gjennom omformeren, eller av FORBUD-elementet ved å slå på omformeren ved utgangen. Vi presenterer ikke disse funksjonelle ekvivalente kretsene fordi de er trivielle.

Det skal bemerkes at inngangene til de logiske elementene i implikatorer lOlogisk ulik, derfor er rekkefølgen på inngangssignalene strengt fastsatt.

1.3.14. Multifunksjonelle logiske porter

Ovennevnte ble diskutert " enkel» logiske elementer som implementerer enkle eller ganske simpelt logiske operasjoner. Samtidig produseres mer komplekse logiske elementer (LE-er) i en integrert versjon, som er i stand til å implementere (samtidig eller ved å koble innganger til logisk 0- eller logisk 1-busser) flere enkle funksjoner. Faktisk tillater disse elementene muligheten for å implementere flerplassers logiske funksjoner fra fragmenter av deres normale disjunktive eller normale konjunktive algebraiske former. Tabell 1.2 har allerede gitt navn på integrerte kretser etter funksjonelt formål og deres symboler. La oss bare vurdere de mest brukte multifunksjonelle LE-ene.

Logiske porter OG-ELLER-IKKE

Slike elementer implementerer inversjon disjunktive normalformer(DNF) av algebraiske funksjonsuttrykk, som tilsvarer implementeringen konjunktive normale former(CNF) av disse funksjonene. Fig. 1.16 viser således UGOen til K155LR1- og K155LR3-mikrokretsene. K155LR1-mikrokretsen inneholder to 2-2I-2OR-NOT-elementer, og K155LR3-mikrokretsen er ett 2-2-2-3I-4OR-NOT-element, som kan utvides med OR.

I henhold til funksjonsdiagrammet (fig. 1.16, b) av et av elementene i mikrokretsen K155LR1, kan du lage følgende algebraiske uttrykk for utgangsfunksjonen:

F = = . (1.20)

Dermed har denne funksjonen 4 argumenter, og høyre side av uttrykket (1.20) tilsvarer den minimale konjunktive normalformen til funksjonen F(ICNF). Venstre side av dette uttrykket tilsvarer direkte UGO for elementet 2-2I-2OR-NOT. Det andre lignende elementet i denne mikrokretsen har "ikke-logiske" ELLER utvidelsesinnganger. De er merket i det venstre tilleggsfeltet til UGO med merkene "e" emitterutgang og "k" kollektorutgang. Ulogisk pinner (innganger eller utganger) kalles vanligvis de som signaler kan ta verdier på ikke-standardTsiste nivåer Spenning. Slike konklusjoner er merket på UGO av logiske elementer (eller mikrokretser) med en spesiell peker i form av et "kryss". Spesielt for IC-ene som vurderes, er disse konklusjonene laget fra kollektoren og emitteren til transistoren til fasedelingstrinnet til det grunnleggende logiske elementet i TTL IC-serien. Ved å koble utgangene til de tilsvarende OR-utvidelses-IC-ene til dem, kan du øke antall innganger til NOR-elementet som er inkludert i multifunksjonselementet. For eksempel, for mikrokretsene under vurdering, er inngangskombinasjonsfaktoren 8, og OR-utvidere implementerer det logiske produktet av flere inngangssignaler. I hovedsak er OR-utvidere multi-input OG-elementer med den eneste forskjellen at utgangssignalene ikke har standardnivåene log.0 og log.1. Ovennevnte lar oss skrive, analogt med uttrykk (1.20), et algebraisk uttrykk for utgangsfunksjonen V for det andre elementet:

V = . (1.21)

Maksimalt antall påfølgende termer i uttrykk (1.21) kan være lik 8 (i samsvar med integrasjonskoeffisienten over inngangene), og hver term kan vises som en konjunksjon av maksimalt åtte argumenter. Dermed definerer uttrykk (1.20) og (1.21) den logisk-matematiske modellen til K155LR1-mikrokretsen.

Vi foreslår at du uavhengig finner den logisk-matematiske modellen til K155LR3-mikrokretsen, ved å bruke for dette det som er vist i fig. 1.16, G sin konvensjonelle grafiske betegnelse.

ELLER-OG porter

Disse logiske elementene implementerer fragmenter av konjunktive normalformer (CNF) av boolske funksjoner, det vil si det logiske produktet av logiske summer av flere argumenter. For eksempel vil det enkleste elementet være 2-2OR-2I. Et slikt element er beskrevet av en funksjon av formen

X = (en + b)(c + d). (1.22)

Figur 1.17 viser UGO for dette elementet, Carnot-kartet over utgangsfunksjonen X og funksjonell ekvivalent krets.

Lignende LE-er produseres i en integrert versjon, for eksempel i ESL IC-serien er det en K500LS118 mikrokrets, som er to 2-3ILI-2I logiske elementer med en felles inngang. I fig. 1.17, G UGOen til denne mikrokretsen er vist. Ved å bruke den konvensjonelle grafiske betegnelsen kan du lage følgende logiske uttrykk for utgangsfunksjonene Y Og Z:

Y = (x 1 + x 2 + x 3)(x 4 + x 5 + x 6), (1.23)

Z = (x 6 + x 7 + x 8)(x 9 + x 10 +x 11).

Uttrykk (1.23) er en logisk-matematisk modell av mikrokretsen som vurderes. Tilgjengelighet av felles inngang x 6 gjør det mulig å bruke K500LS118 mikrokrets som to uavhengige elementer av typen 2-3ILI-2I (med x 6=0),

eller som to uavhengige elementer 3OR (med x 6 = 1). Dette kan enkelt verifiseres ved å erstatte de tilsvarende verdiene x 6 til uttrykk (1.23).

Logiske porter NOR/NOR

I hovedsak er disse elementene OR-elementer med to utganger, direkte og invers. Derfor implementerer de samtidig disjunksjon og inversjon av disjunksjon fra det samme settet med inngangssignaler og er beskrevet av de samme logiske funksjonene. Så i fig. 1.18, EN viser UGO for 3OR-NOT / 3OR-elementet og de symbolske grafiske symbolene til K500-seriens mikrokretser som inneholder lignende logiske elementer. Figuren viser også Carnot-kart over utgangsfunksjonene til det spesifiserte elementet, dets funksjonelle ekvivalente krets (fig. 1.18, b) og UGO mikrokretser K500LM105 (fig. 18, d), K500LM109 (fig. 1.18, e) og K500LM101 (fig. 1.18, og). Det skal bemerkes at den gitte versjonen av funksjonsdiagrammet ikke er den eneste. I stedet for 3OR-NOT-elementet kan 3OR-elementet og også NOT-elementet brukes. Basert på de grafiske symbolene til de listede mikrokretsene, er det lett å forstå at K500LM105 IC inneholder tre uavhengige elementer: to 2OR-NOT/2OR-elementer og ett 3OR-NOT/3OR-element.

På samme måte kan du forstå sammensetningen av K500LM109-mikrokretsen

(Fig. 1.18, e).

Vær oppmerksom på UGO-mikrokretsen K500LM101 (fig. 1.18, og). Mikrokretsen inneholder 4 identiske elementer av typen 2OR-NOT / 2OR med separate utganger og en felles inngang X 5. Hvis signalet på denne inngangen X 5 = 0, så kan mikrokretsen betraktes som et sett med 4 IKKE-elementer og samtidig som et sett med fire signalforsterkere ved inngangene X 1, X 2, X 3 og X 4. Hvis X 5 = 1, da, uavhengig av verdiene til andre inngangssignaler, vil logiske 1-signaler bli installert på de direkte utgangene, og logiske 0-signaler vil bli installert på de inverse utgangene. Dermed spiller hvert element i brikken en rolle kontrollert invertOra-repeater.

I tillegg legger vi merke til at i K500-serien er det logiske elementer av typen OR-AND-NOT/OR-AND, for eksempel K500LK117-mikrokretsen. Dette er praktisk talt en analog av K500LS118-mikrokretsen (fig. 1.17, G) med den forskjellen at hvert 2-2ILI-2I-element har direkte og inverse utganger.

Vi har undersøkt nesten alle logiske elementer som er mye brukt i konstruksjonen av digitale enheter. Ved å analysere det presenterte materialet kan vi komme til følgende konklusjoner:

Finnes fra analytiskObeskrivelsen LE til ham konvensjonell grafisk betegnelse enten til funksjonerOpenger tilsvarende det ordningen.

Finnes mulighet for entydig overgang fra UGO element eller fra det funksjonsdiagram Til dens analytiske beskrivelse. I dette tilfellet er operasjonen til elementet beskrevet av algebraiske uttrykk for de logiske funksjonene implementert av elementet.

3. Funksjonsdiagrammer av komplekse LE-er kan bygges på diverse enklere (mindre kompleks) logiske elementer, og det er det tvetydighet(multivarians) konstruksjon av funksjonelle ekvivalente kretser for samme LE.

Siden logiske enheter i hovedsak er en samling av sammenkoblede logiske elementer, så de formulerte konklusjoner kan med hell utvides til enheter.

Samtidig oppstår det problem hvordan kan du bygge en enhet med en minimumsmengde LE og på elementer minimalbnomenklatur. Med andre ord, hvordan bygge en enhet med minOglave maskinvarekostnader.

Løsning dette Problemer basert på kunnskap funksjonelt komplette sett med logiske elementer Og utvalg etter bestemte kriteriereriam av det tilsvarende settet.

1.3.15. Funksjonelt komplette sett med logiske porter

Funksjonell komplett kalt et slikt sett LE, på hvilken (fra hvilken) det er mulig bygge hvilken som helst logisk enhet uansett hvor vanskelig det måtte være. Funksjonell fullstendighet et sett med logiske elementer bestemmes i sin tur fullstendighet noen logiske systemerehimmelfunksjoner, som er logisk-matematiske modeller av det valgte settet med LE-er.

I boolsk algebra er det Post-Jablonski-teorem, som de er etablert i henhold til fullstendighetskriterier noen logiske funksjonssystemer. Essensen av denne teoremet kommer ned til følgende.

Et system med logiske funksjoner vil være komplett hvis det inneholder:

a) funksjon, 0,

f (x 1, x 2, x n) = f (0, 0, 0) 0;

b) funksjon, ikke-bevarende logisk konstant 1,

f (x 1, x 2, x n) = f (1, 1, 1) 1;

c) funksjon, ikke selv-dual,

d) funksjon, ikke-lineær,

f (x 1, x 2, x n) X 1 X 2 X n X 1X 2 X 1 X 2x n;

d) funksjon, ikke monotont.

Hvis X1 er et fast sett med funksjonsargumentverdier f(x 1,x 2,x 3,x 4), for eksempel X1 =<x 1, x 2, x 3, x 4> = <1,1,0,1>og X2 =<x 1, x 2, x 3, x 4> = <0,0,0,1>et annet sett av disse argumentene, så kan vi anta at X1 > X2, dvs. sett X2 er mindre enn sett X1.

Tomsk interuniversitetssenter for fjernundervisning

A.V. Sharapov

MIKROELEKTRONIKK

DIGITAL kretsteknikk

Opplæringen

		T Q 1
				overganger
					&D 3

TOMSK – 2007

Anmelder: hode. Institutt for industriell og medisinsk elektronikk, Tomsk polytekniske universitet, doktor i ingeniørfag. vitenskaper, prof. G.S. Yevtushenko; Avdelingsleder, Federal State Unitary Enterprise "NPC "Polyus", Doctor of Engineering. Sciences Yu.M. Kazantsev

Korrekturleser: Tarasova L.K.

Sharapov A.V.

Mikroelektronikk: Lærebok. - Tomsk: Tomsk Interuniversity Centre for Distance Education, 2007. - 158 s.

Prinsippene for konstruksjon og drift av logiske elementer, dekodere, multipleksere, addere, digitale komparatorer, flip-flops, tellere, registre og minnebrikker er skissert. Eksempler på syntese av kombinerte digitale enheter og digitale automater vurderes.

Manualen er beregnet på studenter ved radio-elektroniske universiteter og inneholder korte forelesningsnotater, eksempler på problemløsning og et datalaboratorium om digitale kretsløp. Fjernundervisningsstudenter gjennomfører to laboratoriearbeider, en datatest og tar en dataeksamen.

Sharapov A.V., 2007 Tomsk Interuniversity Center

fjernundervisning, 2007

1. Introduksjon............................................... ...................................................
2 Grunnleggende begreper om mikroelektronikk.................................................. ....
	Typer signaler ........................................................... ............................................
	Klassifisering av mikrokretser og deres symboler....
3 Matematisk grunnlag for digital elektronikk...................
	Posisjonsnummersystemer ................................................... ....
	Sannhetstabell................................................ ...................
	Perfekt disjunktiv normalform.........................
	Grunnleggende lover for boolsk algebra.................................................. .......
	Venn diagrammer................................................ ...................
	Carnaugh-kart................................................ ...................................
	Stadier av digital enhetssyntese........................................... ......
	Eksempler på syntese av digitale enheter...................................
	Flertallslogikkelement ........................................................... .....
4 Grunnleggende logiske elementer......................................................... ...... ....
	Klassifisering av logiske elementer................................................... .....
	Grunnleggende element TTL................................................... ..................................
	Logisk utvidelse ................................................ ...........
	Åpent samleelement................................................... ....
	Element med Z-tilstand ved utgangen........................................... ..........
	Grunnleggende element TTLSH................................................... ..........
	Grunnleggende ESL-krets................................................... ...................................................
	Grunnleggende CMOS-elementer................................................... ...................... .......
4.10 Hovedkjennetegn ved logiske elementer.................
4.11 Eksempler på mikrokretser for logiske elementer...................................
4.12 Mikrokretser basert på galliumarsenid................................
5 Digitale enheter av kombinasjonstype...................................
	Kryptering ................................................... ............................................
	Dekoder ................................................... ............................
	Binære til BCD-omformere,
	og vice versa............................................... ...................................
	Dekoder for styring av syv-segmenter
	indikator ................................................... ......................................

	Grå kodekonverterere......................................................... ...................... .....
	Multiplekser ................................................... ......................................
	Implementering av funksjoner ved hjelp av en multiplekser.........
	Binær adderer ................................................... ...............
	Binær-desimal adderer................................................... ...................
		Subtraksjonsskjemaer ................................................... ...............
		Konverter direktekode til tilleggskode...........
		Digital komparator................................................ ...........
		Paritet ................................................. ...............................................
		Eksempler på å konstruere kombinasjonsdigital
		enheter ................................................... ............................................
6 Digitale enheter av seriell type...
	Klassifisering av utløsere................................................... ...... ......
	Asynkron RS flip-flop.......................................... ..........
	Klokket RS flip-flop.................................................. ..........
	D-utløsere................................................... ....................................
	T-trigger ................................................... ...................................................
	JK trigger................................................ ........................................................
	Klassifisering av målere................................................... ...... ......
	Asynkron binær teller................................................... .....
	Asynkron BCD-teller ...................................
		Synkron binær teller................................................... .....
		Reversible tellere................................................ ..........
		Tellere med en vilkårlig tellemodul...................................
		Skiftregistre ................................................... ........................................
		Minneregistre ........................................................ ............................
		Universelle registre ................................................... ......
		Ringeregister ................................................... ...................
		Ringeteller ................................................... ...................
		Tellere på skiftregistre.......................................... ......
		Eksempler på å bygge digitale enheter
		sekvensiell type ................................................... ........
7 Halvlederminneenheter...................
	Klassifisering av lagringsenheter..........................
	Masketype ROM........................................... ...................................................
	Engangsprogrammerbare ROM-er......................................... ......
	Omprogrammerbare ROM-er................................................. ...

	Statisk RAM ................................................... ...................................
	Dynamisk RAM ................................................... ...................................
	Eksempler på minnebrikker......................................................... ........... .
	Organisering av minneblokken ................................................... ...................... ....
8 Eksempler på problemløsning.................................................. ..........
9 Dataverksted om digitale kretser...
10 Alternativer for kreative oppgaver.......................................... .......
11 Eksempel på å utføre en kreativ oppgave...................................
Bibliografi................................................. .....................
Applikasjon. Konvensjonelle grafiske symboler
mikrokretser ................................................... ...................................

1. INTRODUKSJON

Elektronikk er grenen av vitenskap og teknologi som omhandler:

– studiet av fysiske fenomener og utviklingen av enheter hvis drift er basert på strømmen av elektrisk strøm i et fast stoff, vakuum eller gass;

– studerer de elektriske egenskapene, egenskapene og parameterne til disse enhetene;

– praktisk anvendelse av disse enhetene i ulike enheter og systemer.

Den første av disse retningene utgjør regionen fysisk elektronikk . Den andre og tredje retningen utgjør området teknisk elektronikk.

Kretsløp av elektroniske enheter er en teknisk utførelse av prinsippene for elektronikk for praktisk implementering av elektroniske kretser designet for å utføre spesifikke funksjoner for å generere, konvertere og lagre signaler som bærer informasjon i lavstrømselektronikk og funksjoner for å konvertere energien til elektrisk strøm i høystrømselektronikk .

Historisk sett var elektronikk en konsekvens av fremveksten og den raske utviklingen av radioteknikk. Radioteknikk er definert som et felt innen vitenskap og teknologi som omhandler forskning, utvikling, produksjon og bruk av enheter og systemer designet for å overføre informasjon viaer.

Radioteknikk er basert på vitenskapelige oppdagelser fra 1800-tallet: arbeidet til M. Faraday (engelsk), som klargjorde lovene for interaksjon mellom elektriske og magnetiske felt; J. Maxwell (engelsk), som generaliserte de elementære lovene for elektromagnetisme og skapte et system av ligninger som beskriver det elektromagnetiske feltet. J. Maxwell spådde teoretisk en ny type elektromagnetiske fenomener – elektromagnetiske bølger som forplanter seg i verdensrommet med lysets hastighet. G. Hertz (tysk) bekreftet eksperimentelt eksistensen av elektromagnetiske bølger.

Den første radiomottakeren ble oppfunnet, designet og vellykket testet i 1895 av A.S. Popov (russisk). Et år senere ble radiokommunikasjon utført av G. Marconi (italiener), som patenterte oppfinnelsen hans og ble nobelprisvinner i 1909.

MED Siden den gang har utviklingen av radioteknologi vært bestemt av utviklingen

henne elementbase, som hovedsakelig bestemmes av fremskritt innen elektronikk. Det er interessant å kort følge hovedstadiene i utviklingen av dens elementære base.

Den enkleste elektroniske enheten - en vakuumdiode - ble oppfunnet av T. Edison (amerikansk) i 1883, som monterte en metallelektrode i en sylinder elektrisk lampe glødende og registrerte strømmen i én retning i den eksterne kretsen. I 1904 brukte J. Flemming først en vakuumdiode som detektor i en radiomottaker. En forsterkende elektrisk vakuumanordning - en triode - ble oppfunnet av Louis de Forest (amerikansk) i 1906. Siden den gang, i løpet av det første kvartalet av det tjuende århundre, har teknologien til elektriske vakuumapparater langsomt modnet i en rekke vitenskapelige laboratorier i mange land i verden. I Russland ble denne retningen ledet av sjefen for Nizhny Novgorod-laboratoriet M.A. Bonch-Bruevich. Allerede i 1922 bygde ansatte ved dette laboratoriet det første

V verdenskringkastingsstasjon oppkalt etter. Komintern med en effekt på 12 kW. Og i 1927 ble 57 slike stasjoner bygget. I 1925 ble det laget en 100 kW generatorlampe. I 1933 kom den kraftigste radiostasjonen i verden (500 kW) i drift i Russland. Den første fjernsynssenderen med en effekt på 15 kW ble satt i drift i Moskva i 1948. A.I. Berg inn 1927–1929 skapte den klassiske teorien om sendere. V.A. Kotelnikov i perioden fra 1933 til 1946. tidskvantiseringsteoremet ble bevist, som la grunnlaget for digitale signalbehandlingsmetoder, muligheten for radiokommunikasjon på ett sidebånd ble demonstrert, og teorien om potensiell støyimmunitet ble publisert.

Periode fra 1920 til 1955 var rørelektronikkens epoke. Den første halvledertrioden - transistor - opprettet

V 1948 av J. Bardin og W. Brattain (amerikansk). Siden 1955 begynner epoken med halvlederelektronikk. De første integrerte kretsene dukket opp i 1960-tallet. Den første mikroprosessoren dateres tilbake til 1971.

I I 1998 feiret transistoren sitt halve århundres jubileum:

V Den siste dagen i juni 1948 demonstrerte det amerikanske selskapet Bell Telephon Laboratoris for publikum en nyoppfunnet elektronisk enhet, som neste dag New York Times rapporterte tilfeldig og uten patos: «Arbeidselementene til enheten består av to tynne ledninger presset til et stykke halvledersubstans.. Stoffet forsterker strømmen som tilføres det gjennom en ledning, og den andre ledningen fjerner den forsterkede strømmen. En enhet kalt en transistor kan i noen tilfeller brukes i stedet for vakuumrør."

Ja, det er akkurat slik den første transistoren så ut, og det er ikke overraskende at selv eksperter ikke umiddelbart var i stand til å skjelne dens triumferende fremtid. I mellomtiden kan den presenterte enheten forsterke og generere elektriske signaler, samt utføre funksjonen til en nøkkel som, etter kommando, åpner eller låser en elektrisk krets. Og det som er grunnleggende viktig, alt dette ble utført inne i en solid krystall, og ikke i et vakuum, slik det skjer i et elektronrør. Dette resulterte i et helt sett med potensielle fordeler med transistoren: små dimensjoner, mekanisk styrke, høy pålitelighet og grunnleggende ubegrenset holdbarhet. Tre eller fire år senere, da mye mer avansert transistordesign ble utviklet, begynte alle disse forventede fordelene å bli en realitet.

Æren ved å oppdage transistoreffekten, som Nobelprisen i fysikk ble tildelt for i 1956, tilhører W. Shockley, J. Bardeen og W. Brattain. Det er karakteristisk at alle tre var strålende fysikere som målrettet forfulgte denne oppdagelsen. Shockley, lederen av forskergruppen, holdt forelesninger om kvanteteorien om halvledere tilbake i førkrigsårene og utarbeidet en grunnleggende monografi, som i lang tid ble en oppslagsbok for spesialister på dette feltet. Bardeens høyeste kvalifikasjoner som teoretisk fysiker bekreftes ikke bare av oppfinnelsen av transistoren og forutsigelsen av en rekke effekter i oppførselen til halvledere, men også av det faktum at han senere, i 1972, sammen med to andre forskere, var igjen tildelt Nobelprisen - nå for etableringen av teorien om superledning. Brattain, den eldste i gruppen på oppfinnelsestidspunktet

transistor hadde femten års erfaring med å forske på overflateegenskapene til halvledere.

Selv om oppdagelsen av selve transistoreffekten til en viss grad var en lykkelig ulykke (i dagens språkbruk prøvde de å lage en felteffekttransistor, men de laget en bipolar), tillot forskernes teoretiske opplæring dem nesten umiddelbart å innse hva de hadde oppdaget og forutsi en hel serie med mye mer avanserte enheter. Med andre ord, opprettelsen av en transistor var bare mulig for fysikere, som av nødvendighet også hadde et minimum av oppfinnsomme ferdigheter.

I vårt land ble transistoren reprodusert i 1949 i Fryazino-laboratoriet ledet av A.V. Krasilov, en stor vitenskapsmann med den bredeste lærdommen.

De første transistorene ble laget på grunnlag av halvlederen germanium og tillot en driftstemperatur på bare opptil 70 ° C, og dette var ikke nok for mange anvendte problemer.

I andre halvdel av femtitallet skjedde et avgjørende kvalitativt sprang i utviklingen av transistorer: i stedet for germanium begynte de å bruke en annen halvleder - silisium. Som et resultat økte driftstemperaturen til transistorene til 120–150 °C, mens egenskapene deres forble svært stabile, og enhetenes levetid ble nesten uendelig. Men, kanskje, hovedsaken var at i 1959 utviklet det amerikanske selskapet Firechild den såkalte plan teknologi. Prinsippet her var at den tynneste filmen av silisiumdioksid, dyrket ved høye temperaturer på overflaten av krystallen, pålitelig beskytter silisium mot aggressive påvirkninger og er en utmerket isolator. "Windows" er laget i denne filmen, gjennom hvilke dopingtilsetningsstoffer også ved høye temperaturer introduseres i halvlederen - slik lages fragmenter av den fremtidige enheten. Deretter sprayes tynnfilmaluminiumstrøm til de aktive sonene på overflaten isolert fra volumet - og transistoren er klar. Det særegne ved prosessen er at alle påvirkninger på platen utføres i ett plan og at samtidig behandling av tusenvis og millioner av

transistorer på en wafer, noe som fører til høyeste grad av produktreproduserbarhet og høy produktivitet.

Ved hjelp av planteknologiske metoder er det enkelt å sikre isolasjon av transistorer fra underlaget og fra hverandre, og herfra er det bare et skritt å lage integrert krets(mikrokretser), dvs. opprettet

utvikling av en elektronisk krets med aktive og passive komponenter og deres forbindelser på en enkelt brikke i en enkelt teknologisk prosess. Dette trinnet ble gjort i samme 1959. Verden har gått inn i en æra mikroelektronikk.

En typisk mikrokrets er en silisiumkrystall (brikke), i området nær overflaten som mange transistorer er laget av, sammenkoblet med aluminiumsfilmspor inn i en gitt elektrisk krets. I den første mikrokretsen besto "settet" av bare 12 transistorer, men i løpet av to år oversteg integrasjonsnivået hundre elementer på brikken, og på midten av 60-tallet begynte store integrerte kretser (LSI) som inneholdt tusenvis av elementer å dominere, deretter ultra-store (VLSI), etc.

Mikrokretsen har jo større informasjonskraft, jo større antall transistorer den inneholder, dvs. jo høyere integrasjonstetthet(pakketetthet av aktive elementer i krystallen). Og det er bestemt minimumsstørrelser aktivt element og krystallområde som teknologien er i stand til å reprodusere.

Det grunnleggende dekket i denne opplæringen digital kretsdesign form kretsdesign ferdigheter for å bygge digitale enheter basert på integrerte kretser. Prinsippet for drift av de enkleste logiske elementene og metodene for utforming av kodeomformere, addere, digitale brytere, flip-flops, registre, tellere og minnebrikker basert på dem studeres. Du kan kontrollere driften av mange enheter ved å datamodellering ved hjelp av Electronics Workbench-pakken.

Den anbefalte bibliografien inkluderer først og fremst oppslagsverk om digitale integrerte kretsløp. Blant andre kilder som er brukt i denne læreboken, vil jeg nevne verkene til TUSUR-lektorene Potekhin V.A. og Shibaeva A.A. , som forfatteren uttrykker oppriktig takknemlighet til.

"DIGITAL CIRCUIT ENGINEERING"

KHARKOV 2006

Forord

1 LOGISK OG KRETSTEKNIKK GRUNNLEGGENDE FOR DIGITAL MICROCIRCUIT ENGINEERING

1.2 Logiske elementer

2 KOMBINASJONSDIAGRAMMER

2.1 Grunnleggende

2.2 Dekodere

2.3 Krypteringer

2.4 Demultipleksere

2.5 Multipleksere

2.6 Aritmetiske enheter

3 TRIGGERENHETER

3.1 Grunnleggende begreper

3.2 Asynkron RS flip-flop

3.3 Synkrone utløsere

4 REGISTRE

4.2 Minneregistre

4.3 Skiftregistre

4.4 Reversere registre

4.5 Generelle formålsregistre

5 TELLER

5.4 Ryggemålere

FORORD

Denne metodiske håndboken inneholder informasjon som gir studiet av disipliner:

- "Digital kretsdesign" for studenter med spesialitet 5.091504 (vedlikehold av datamaskiner og intelligente systemer og nettverk);

- "Mikrokretsteknikk" for studenter med spesialitet 5.090805 (Design, produksjon og Vedlikehold elektroniske produkter);

- "Elektroniske enheter og mikroelektronikk" for studenter med spesialitet 5.090704 (Design, produksjon og vedlikehold av radiotekniske enheter).

Materialet som presenteres i dette arbeidet er ment å gjøre studentene kjent med det grunnleggende om moderne digital mikrokrets og inkluderer hovedtyper av digitale enheter som er mye brukt både som uavhengige produkter i form av mikrokretser med lav og middels integrasjon, og som en del av mikrokretser. med høy grad av integrasjon: mikroprosessorer og mikrokontrollere.

Håndboken består av fem deler:

Logiske og kretsgrunnlag for digital mikrokrets,

Kombinasjonskretser,

Trigger enheter,

Registrerer,

Tellere.

Presentasjonen av materialet er strukturert på en slik måte at den sekvensielt "fra enkel til kompleks" presenterer de grunnleggende teoretiske prinsippene for analyse og syntese av digitale enheter. Hver seksjon inneholder underseksjoner som gir informasjon om den symbolske grafiske betegnelsen til enheten som studeres, dens operasjonstabell, funksjons- eller kretsdiagram og tidsdiagrammer for drift der det er nødvendig. Hver av kretsene får en detaljert beskrivelse av logikken i driften på en slik måte at hver student av faget mestrer prinsippene for å analysere driften av digitale kretser og tilegner seg de nødvendige ferdighetene. Hvert av diagrammene ovenfor er typiske for en gitt enhet. Dette utelukker ikke en annen kretsimplementering.

Grunnleggende konsepter, definisjoner og regler er uthevet med fet skrift for å gjøre det mer praktisk og visuelt å mestre emnet.

Tatt i betraktning at presentasjonen av materialet utføres i rekkefølge med økende kompleksitet til de digitale enhetene som studeres, og at hvert påfølgende emne er basert på materialet fra det forrige, er det tilrådelig å bruke dette læremidlet i den rekkefølgen der de tilsvarende seksjonene er plassert.

Denne håndboken er nyttig å bruke ikke bare når man studerer det teoretiske grunnlaget for digital mikrokrets, men også når man forbereder seg på å utføre laboratoriearbeid, hvis formål er å utdype kunnskap og tilegne seg praktiske ferdigheter i å sette sammen og feilsøke digitale enheter. Veiledningen kan brukes til selvstudium, samt under kurs og diplomdesign.

1 LOGISKE OG KRETSGRUNNLAG FOR DIGITAL MICROCIRCUIT ENGINEERING

1.1 Grunnleggende begreper i logisk algebra

Logikk er vitenskapen om lover og former for tenkning.

Matematisk logikk er vitenskapen om å bruke matematiske metoder for å løse logiske problemer.

Alle digitale dataenheter er bygget på elementer som utfører visse logiske operasjoner. Noen elementer gir behandling av binære symboler som representerer digital eller annen informasjon, andre - vekslingskanaler som informasjon overføres gjennom, og til slutt andre - kontroll, aktivering av ulike handlinger og implementering av betingelsene for implementering.

Elektriske signaler som virker ved inngangene og utgangene til disse elementene har som regel to ulike nivåer og kan derfor representeres av binære symboler, for eksempel 1 eller 0. La oss bli enige om å betegne forekomsten av en hendelse (for eksempel tilstedeværelsen av et høyt spenningsnivå på et tidspunkt i kretsen) med symbolet 1. Dette symbolet kalles en logisk enhet. Fraværet av en hendelse er merket med symbolet 0, kalt logisk null.

Dermed er hvert signal ved inngangen eller utgangen til et binært element assosiert med en logisk variabel, som bare kan ha to verdier: tilstanden til en logisk (hendelsen er sann) og tilstanden til en logisk null (hendelsen er falsk). Disse variablene kalles boolske variabler etter den engelske matematikeren J. Boole, som på 1800-tallet utviklet de grunnleggende prinsippene for matematisk logikk. La oss betegne en logisk variabel med x.

Ulike boolske variabler kan kobles sammen med funksjonelle avhengigheter. For eksempel indikerer uttrykket y = f (x1, x2) den funksjonelle avhengigheten til den logiske variabelen y av de logiske variablene x1 og x2, kalt argumenter eller inngangsvariabler.

Enhver logisk funksjon kan alltid representeres som et sett med enkle logiske operasjoner. Slike operasjoner inkluderer:

Negasjon (operasjon "IKKE");

Logisk multiplikasjon (konjunksjon, "AND" operasjon);

Logisk addisjon (disjunksjon, ELLER-operasjon).

Negasjon (NOT-operasjon) er en logisk forbindelse mellom en logisk inngangsvariabel x og en logisk utgangsvariabel y slik at y er sann bare når x er usann, og omvendt, y er falsk bare når x er sann. La oss skildre dette funksjonelle forholdet i form av tabell 1.1, som kalles en sannhetstabell.

En sannhetstabell er en tabell som viser samsvaret mellom alle mulige kombinasjoner av binære argumentverdier til verdiene til en logisk funksjon.

Tabell 1.1- Sannhetstabell for "NOT"-operasjonen

x	y
0	1
1	0

Den logiske funksjonen IKKE til variabelen y skrives som y = og lyder "y er ikke x." Hvis for eksempel x er en setning om tilstedeværelsen av et høynivåsignal (logisk en), så tilsvarer y en setning om tilstedeværelsen av et lavnivåsignal (logisk null).

Logisk multiplikasjon (konjunksjon, OG-operasjon) er en funksjon som bare er sann når alle variablene som multipliseres er sanne samtidig. Sannhetstabellen for den logiske multiplikasjonsoperasjonen tilsvarer tabell 1.2.

Tabell 1.2- Sannhetstabell for logisk multiplikasjonsoperasjon

x2	x1	y
0	0	0
0	1	0
1	0	0
1	1	1

OG-operasjonen er indikert med en prikk ( ). Noen ganger er poenget underforstått. For eksempel er OG-operasjonen mellom to variabler x1 og x2 betegnet som y = x1 x2.

Logisk addisjon (disjunksjon, OR-operasjon) er en funksjon som er falsk bare når alle variablene som legges til er falske samtidig. Sannhetstabellen for den logiske addisjonsoperasjonen tilsvarer tabell 1.3. "ELLER"-operasjonen er angitt med tegnet V. For eksempel, y = x1 V x2.

Tabell 1.3 - Sannhetstabell for den logiske addisjonsoperasjonen

x2	x1	y
0	0	0
0	1	1
1	0	1
1	1	1

1.2 Logiske elementer

1.2.1 Generell informasjon om logiske elementer

Logiske elementer er elektroniske kretser, implementere de enkleste logiske funksjonene.

Logiske elementer er skjematisk representert i form av rektangler, på feltet som et symbol er avbildet som indikerer funksjonen utført av dette elementet. For eksempel viser figur 1.1 symbolene til elementer som implementerer de logiske funksjonene NOT, AND, OR, AND-NOT, OR-NOT.

Figur 1.1 - Symboler for logiske elementer NOT, AND, OR, AND-NOT, NOR-NOT

Inndatavariabler er vanligvis avbildet til venstre, og utdatavariabler til høyre. Det antas at overføring av informasjon skjer fra venstre til høyre.

Hvis utgangene til noen elementer er koblet til inngangene til andre, får vi en krets som implementerer en mer kompleks funksjon. Et sett med forskjellige typer elementer som er tilstrekkelige til å reprodusere enhver logisk funksjon vil bli kalt en logisk basis. OG- og IKKE-elementene representerer et slikt logisk grunnlag.

Et logisk grunnlag kan bestå av bare én type element, for eksempel et OG-IKKE-element, hvis diagram er vist i fig. 1.2.

Figur 1.2 - Opplegg for å hente OG-IKKE-elementet

Allsidigheten til AND─NOT-elementet har sikret dets utbredte bruk i opprettelsen av logiske enheter for digital datateknologi.

Det er en rekke andre elementer som implementerer enkle logiske funksjoner. Disse inkluderer for eksempel modulo to summeringselementet (eksklusiv OR), som implementerer funksjonen med ulik betydning av to variabler:

Sannhetstabellen og symbolet for et slikt element er vist i fig. 1.3.

X2	X1	U
0	0	0
0	1	1
1	0	1
1	1	0

Figur 1.3 - Sannhetstabell og symbol for det "eksklusive ELLER"-elementet

Disparitetsfunksjonen er lik én bare i tilfellet når variablene xl og x2 har forskjellige verdier.

1.2.2 Parametre for logiske elementer

De enkleste digitale elementene er preget av følgende parametere:

Hastighet tз ср,

Lastekapasitet (utgangsforgreningsforhold) p,

Inngangskombinasjonskoeffisient (antall innganger til det logiske elementet) t,

Støyimmunitet Un,

Strømforbruk Рср,

Tilførselsspenning U,

Signalnivå.

Ytelse er en av de viktigste parameterne, preget av den gjennomsnittlige signalutbredelsesforsinkelsen

hvor og er inn- og utkoblingsforsinkelsene til kretsen (Figur 1.4).

Figur 1.4 - Krets på og av forsinkelser

Lastekapasiteten viser hvor mange logiske innganger som samtidig kan kobles til utgangen til et gitt logisk element uten å forstyrre driften.

Ibestemmer maksimalt mulig antall innganger til et logisk element. Å øke m utvider de logiske egenskapene til kretsen på grunn av implementeringen av en funksjon fra et større antall argumenter på en OG-IKKE element, OR-NOT, etc., men dette forringer ytelsen og støyimmuniteten.

Støyimmunitet karakteriserer et elements evne til å fungere korrekt i nærvær av forstyrrelser. Støyimmunitet bestemmes av den maksimalt tillatte interferensspenningen som driften av kretsen er sikret ved.

Strømforbruket er preget av en gjennomsnittsverdi

Рср = (Р0 + Р3)/ 2,

hvor P0 og P3 er strømforbruk i åpen og lukkede stater ordningen. I dette tilfellet antas det at omtrent halvparten av kretsene i enheten er åpne til enhver tid. Imidlertid, i enheter som har en kompleks omformer, avhenger strømforbruket av frekvensen av byttet. Derfor er det her nødvendig å ta hensyn til det gjennomsnittlige strømforbruket ved den maksimalt tillatte repetisjonshastigheten for svitsjepulser og en driftssyklus på to. Ved bestemmelse av denne effekten utføres gjennomsnittsberegning over hele koblingsperioden til kretsen.

Logiske elementer er også preget av antall strømforsyninger som brukes og forsyningsspenningsverdier, samt polaritet og nivå på inngangs- og utgangssignaler.

1.2.3 Grunnleggende logiske portkretser

Av all mangfoldet av kretsdesign og teknologisk design av digitale kretser, er to hovedtyper mest utbredt: TTL- og MOS-kretser.

1.2.3.1 Grunnleggende TTL integrerte kretser

Hovedtrekket til TTL-elementer er bruken av multi-emitter transistorer (MET), som implementerer "AND" -funksjonen. Grunnleggende integrerte TTL-kretser implementerer NAND-funksjonen og har to typer utganger: med en belastning i kollektoren til utgangstransistoren VT4 (R3, VT3, VD) og med en åpen kollektor. Begge alternativene er vist i figur 1.5 og 1.6.

Figur 1.5 - Grunnleggende TTL integrert krets med en last i kollektoren til utgangstransistoren

Figur 1.6 - Grunnleggende åpen kollektor TTL integrert krets

I kretsen i figur 1.5 er en kompleks omformer implementert på transistorene VT2-VT4, som utfører "NOT" -operasjonen, noe som gjorde det mulig å sikre høy belastningskapasitet, tilstrekkelig hastighet og støyimmunitet til kretsen. I tillegg, i utgangskretsen er det ingen gjennomstrømming gjennom +5V-kretsen gjennom R3 – VT3 – VD – VT4 – felles ledning, fordi i enhver tilstand er en av transistorene enten VT3 eller VT4 lukket.

Kretsen i figur 1.6 med åpen kollektor lar deg ha mange parallelle utganger, noe som øker belastningskapasiteten til kretsen.

La oss vurdere prinsippet for drift av en grunnleggende TTL-krets (Figur 1.5) for to tilfeller som tilsvarer forskjellige sett med inngangssignaler.

Tilfelle 1. Hvis alle innganger til MET VT1 forsynes med spenninger som tilsvarer nivået til logisk en, lukkes emitterforbindelsene til VT1, og strømmen flyter gjennom motstand R1, det åpne kollektorovergangen til basen til transistoren VT2, og åpner den . Nå flyter strømmen gjennom motstanden R2, åpen VT2, og deretter går den forsterkede strømmen fra emitteren VT2 inn i bunnen av utgangstransistoren VT4, åpner den til metning, og kobler derved utgangen til den felles ledningen - og spenningen ved utgang Y vil tilsvarer nivået av logisk null. I dette tilfellet vil transistor VT3 være stengt, fordi basispotensialet vil ikke overstige 1V, noe som ikke er nok til å åpne VT3.

Egentlig:

UbVT3 = UbeVT4 + UkeVT2 = 0,7 + 0,3 = 1V;

UеVT3 = UеVT4 + UVD = 0,3 + 0,7 = 1V.

UеVT3 = UеVT3 – UеVT3 = 1 – 1 = 0.

Tilfelle 2. Hvis en inngangsspenning som tilsvarer et logisk nullnivå vises ved minst én inngang til MET VT1, vil den tilsvarende base-emitter-overgangen VT1 åpne, MET vil gå inn i metningstilstand og potensialet til dens kollektor vil bli nær null.

Mer presist, hvis vi antar at den logiske nullen ikke overstiger 0,3V, og spenningsfallet over det åpne base-emitterkrysset VT1 er 0,7V, vil basispotensialet til VT1 ikke være mer enn 0,3 + 0,7 = 1V. Følgelig vil VT2 lukke, og VT4 vil lukke, fordi for å åpne dem trenger du 0,7V og pluss 0,7V for å åpne base-kollektorkrysset VT1. Så for å åpne VT2 - VT4-kjeden, er det nødvendig at ved bunnen av VT1 er det minst 0,7 + 0,7 + 0,7 = 2,1V, som tilsvarer det første tilfellet.

Transistor VT3 vil åpne av følgende grunn. Fordi VT2 er lukket, så er det ingen strøm gjennom R2 og følgelig et spenningsfall over den, så potensialet ved kollektoren til VT2, og derfor ved bunnen av VT3, vil øke til 5V. Ved utgangen av kretsen settes en spenning tilsvarende nivået til en logisk enhet, som tilføres gjennom åpen VT3 fra +5V.

I tillegg til TTL-kretsene som vurderes, er tre-tilstandskretser tilgjengelige for å sikre samarbeid med stamlinjer (Figur 1.7).

Figur 1.7 - Grunnleggende tri-state TTL integrert krets

Navnet på disse kretsene kan være misvisende siden de egentlig ikke er trespenningsporter. Dette er de vanligste logiske kretsene som har en tredje utgangstilstand - "åpen". De kombinerer alle fordelene med elementer med en motstand i lastkretsen og muligheten til å jobbe på en felles buss, som en krets med åpen kollektor har. Tre-tilstandskretser har en separat portinngang C (vanligvis betegnet CS (Chip Select)), ved hjelp av hvilken (når en logisk null brukes på den) kan de settes til den tredje tilstanden, uavhengig av hvilke signaler som virker på de logiske inngangene.Den tredje tilstanden er preget av at begge transistorene VT3 og VT4 er lukket, og utgangen er ikke koblet verken til +5V eller til fellesledningen.

På grunn av deres forbedrede egenskaper brukes de vanligvis som bussjåfører i stedet for åpne samlekretser. I dette tilfellet er det ikke nødvendig å installere en lastmotstand.

1.2.3.2 Logiske kretser basert på MOS-transistorer

For tiden produseres flere typer logiske kretser basert på MOS-transistorer. Det særegne med IC-er basert på MOS-strukturer er at det ikke er motstander i disse kretsene, og rollen til ikke-lineære motstander utføres av passende tilkoblede transistorer. De har høy belastningskapasitet og støyimmunitet og opptar lite areal på overflaten av brikken; de er teknologisk avanserte og billige. MOSFET-er ligner i prinsippet på vakuumrør, da de styres av spenning i stedet for strøm.

Kretser basert på MOS-transistorer er fortsatt tregere enn kretser basert på bipolare transistorer, noe som forklares av de ganske betydelige kapasitansene som dannes mellom gate, source, drain og substrat til MOS-transistoren, som krever en viss tid å lade opp.

De mest brukte er CMOS-kretser (komplementære MOS-kretser), der både p-kanal og p-kanal transistorer brukes sammen.

Fordelene med kretser basert på CMOS-transistorer er lavt strømforbruk, høy ytelse og økt støyimmunitet. Grunnlaget for alle CMOS-logiske kretser er CMOS-omformeren (Figur 1.8).

Figur 1.8 - CMOS-omformer

Her har den nedre transistoren en n-type kanal, den øvre har en p-type kanal. Portene til begge transistorene er kombinert og en kontrollspenning påføres dem. Substratene er koblet til kildene. Når en høynivåspenning (logisk en) mottas ved inngangen, åpnes en transistor med en n-type kanal (nedre), og en transistor med en p-type kanal (øvre) lukkes. Utgangen er et logisk nullsignal.

Tvert imot, når en spenning som tilsvarer et logisk nullnivå påføres inngangen, åpnes den øvre transistoren og den nedre lukkes. Utgangen er et logisk ett-signal.

En krets som implementerer NOR-funksjonen er vist i figur 1.9.

Figur 1.9 - CMOS NOR-krets

Når en spenning tilsvarende et logisk ett-nivå mottas på inngang A, åpnes transistor VT4 og VT1 lukkes, som et resultat av at utgangsspenningen vil tilsvare et logisk nullnivå. Når en spenning som tilsvarer et logisk nullnivå påføres inngangene A og B, lukkes transistorene VT3 og VT4, og VT1 og VT2 åpnes. I dette tilfellet vil utgangsspenningen tilsvare nivået til en logisk (dvs. nær spenning E).

Kretsen som implementerer NAND-funksjonen er vist i figur 1.10.

Figur 1.10 - CMOS NAND-krets

Ulempene med CMOS-teknologi inkluderer det faktum at det er umulig å oppnå samme høye pakningstetthet som med MOS-teknologi på grunn av en viss redundans av transistorer. Imidlertid flyter ikke CMOS-kretser konstant strøm, noe som reduserer strømforbruket betydelig i statisk modus. I dynamisk modus øker strømforbruket på grunn av opplading av interelektrodekapasitansene til transistorer og samtidig åpning av alle transistorer i svitsjingsøyeblikket, det vil si at strømforbruket til slike kretser øker med økende svitsjefrekvens.

1.3 Grunnleggende lover for logisk algebra

Følgende grunnleggende lover er akseptert i logikkens algebra:

Kommutativ (kommutative egenskaper)

x1 V x2 = x2V x1

x1 x2 = x2 x1

Konjunktiv (assosiativitetsegenskaper)

x1 V (x2 V x 3) = (x1 V x2) V x 3

x1 (x2 x 3) = (x1 x2) x 3

Distributive (distributive egenskaper)

x1 V x2 x 3 = (x1 V x2) (x1 V x3)

x1 (x2 V x 3) = x1 x2 V x1 x3

Inversjonsloven (de Morgans regel)

Lov om binding

De kommutative og kombinasjonslovene finnes i vanlig algebra og er hevet over tvil.

Det er ingen distributiv lov for multiplikasjon og inversjonsloven i vanlig algebra. Beviset for disse lovene kan gjøres ved å sette sammen sannhetstabeller for høyre og venstre side av ligningene som beskriver en bestemt lov.

Inversjonsloven kan brukes til å gå fra disjunksjon til konjunksjon, og omvendt. Så, for eksempel, hvis vi bruker inversjon til venstre og høyre side uttrykk som gjenspeiler inversjonsloven, får vi , og videre . En slik transformasjon kan være nødvendig når du designer en logisk krets for å gå over til en NAND-basis.

I loven om liming skiller hvert par elementære produkter som kombineres seg i bare en variabel (x2), som kommer inn i det første produktet uten negasjon, og det andre med negasjon. Slike elementære produkter kalles nabo. Loven om liming brukes på naboprodukter, som et resultat av at antall summerte produkter og antall variabler reduseres med en. Den eneste variabelen som gjenstår er den som ikke endres.

1.4 Disjunktive normalformer

For å skrive den samme logiske algebrafunksjonen kan du bruke mange ulike former. Former som representerer summer av elementære produkter kalles disjunktive normalformer (DNF).

Et elementært produkt er et produkt der faktorene kun er individuelle variabler eller deres negasjoner.

Det er klart at den samme funksjonen kan representeres av mange forskjellige DNF-er. Det finnes imidlertid typer DNF der funksjonen kan skrives på en unik måte. Disse formene kalles perfekte disjunktive normalformer (PDNF). SDNF er definert som summen av elementære produkter der alle variabler er tilstede, enten med eller uten negasjon.

Regelen for å skrive en SDNF-funksjon i henhold til sannhetstabellen:

For alle kombinasjoner av inngangsvariabler som gjør funksjonen til én, skriv ned elementære produkter, inverter variablene som er lik null i en gitt kombinasjon, og koble alle de resulterende elementære produktene med logiske summeringstegn.

La oss se på et eksempel. La funksjonen spesifiseres av en sannhetstabell (tabell 1.4). Det kreves å skrive SDNF-funksjonen ved å bruke sannhetstabellen.

Tabell 1.4- Sannhetstabell

x2	x1	x0	F(x2; x1; x0)
0	0	0	0
0	0	1	1
0	1	0	0
0	1	1	0
1	0	0	1
1	0	1	1
1	1	0	0
1	1	1	0

sannhetstabellen til en slik funksjon inneholder tre rader der funksjonen er lik én. Hver av disse linjene tilsvarer en spesifikk kombinasjon av inngangsvariabler, nemlig: 001, 100 og 101.

La oss bruke SDNF-registreringsregelen på funksjonen presentert i tabell 1.4 og få tre elementære produkter som tilsvarer inngangskombinasjonene. Ved å koble disse produktene med logiske summeringstegn, kommer vi til SDNF:

F(x2, x1, x0) = .

1.5 Minimering av logiske funksjoner

SDNF er ikke alltid det enkleste uttrykket for en funksjon. Identiske transformasjoner gjør det mulig å betydelig forenkle (minimere) uttrykkene til logiske funksjoner. Hver logisk funksjon implementeres ved hjelp av et spesifikt sett med enheter. Jo færre elementer et uttrykk inneholder, jo enklere er kretsen som implementerer den tilsvarende logiske funksjonen. Derfor er det av betydelig interesse å vurdere metoder for å minimere logiske funksjoner.

Det finnes analytiske og tabellformede minimeringsmetoder.

1.5.1 Analysemetoder

Den vanligste er metoden for direkte identitetstransformasjoner. Denne metoden består i å sekvensielt bruke lovene og reglene for identiske transformasjoner av logikkens algebra til en bestemt formel.

metoden med direkte transformasjoner egner seg ikke til klar algoritmisering. Handlingene som brukes i implementeringen av denne metoden bestemmes av typen av det opprinnelige uttrykket som konverteres, kvalifikasjonene til utøveren og andre subjektive faktorer. Fraværet av slik algoritmisering øker sannsynligheten for feil og muligheten for å oppnå en ufullstendig minimert formel betydelig.

Metoden med direkte transformasjoner er mest egnet for enkle formler når sekvensen av transformasjoner er åpenbar for utøveren. Oftest brukes denne metoden for den endelige minimeringen av uttrykk oppnådd etter å ha minimert dem med andre metoder.

Ønsket om å algoritme søket etter nærliggende elementære produkter førte til utviklingen av tabellformede metoder for å minimere logiske funksjoner. En av dem er en metode basert på bruk av Karnaugh-kart.

1.5.2 Bruk av Karnaugh-kart

Et Karnaugh-kart er en grafisk representasjon av sannhetstabellen over logiske funksjoner.

Det er en tabell som inneholder 2n rektangulære celler, hvor n er antallet logiske variabler. For eksempel har et Karnaugh-kart for en funksjon av fire variabler 24 = 16 celler. Strukturen til Karnaugh-kart for funksjoner av to og tre variabler er vist nedenfor.

Figur 1.11 - Sannhetstabell (a) og struktur av Carnaugh-kart (b) for en funksjon av to variabler

Figur 1.12- Sannhetstabell (a) og struktur av Carnaugh-kart (b) for en funksjon av tre variabler

Kartet er merket med et koordinatsystem som tilsvarer verdiene til inngangsvariablene. For eksempel tilsvarer den øverste linjen på kartet for en funksjon av tre variabler nullverdien til variabelen x1, og den nederste linjen tilsvarer enhetsverdien. Hver kolonne på dette kartet er preget av verdiene til to variabler: x2 og x3. Kombinasjonen av tall som markerer hver kolonne viser for hvilke verdier av variablene x2 og x3 funksjonen plassert i cellene i denne kolonnen beregnes.

Hvis en funksjon er lik en på et spesifisert sett med variabler, så inneholder SDNF nødvendigvis et elementært produkt som tar enhetsverdien på dette settet. Dermed inneholder cellene i Carnot-kartet som representerer en funksjon like mange enheter som det er elementære produkter i SDNF, og hver enhet tilsvarer ett av elementærproduktene.

La oss merke oss at koordinatene til radene og kolonnene i Carnaugh-kartet ikke følger den naturlige rekkefølgen med økende binære koder, men i rekkefølgen 00, 01, 11, 10. Endringen i rekkefølgen på settene gjøres slik at nabosett er tilstøtende, dvs. forskjellig i verdien av bare én variabel. Celler der funksjonen tar verdier lik én, er fylt med enere. De resterende cellene er fylt med nuller.

La oss vurdere minimeringsprosessen ved å bruke eksemplet presentert i figur 1.13.

Først danner vi rektangler som inneholder 2k celler, hvor k er et heltall. Naboceller som tilsvarer tilstøtende elementære produkter kombineres til rektangler.

Figur 1.13-Sannhetstabell (a) og Carnaugh-kart (b)

For eksempel, i figur 1.13b, kombineres celler med koordinatene 001 og 101. Når disse cellene kombineres, dannes det et rektangel der variabelen x1 endrer sin verdi. Følgelig vil den forsvinne når du limer sammen de tilsvarende elementære produktene og bare x2 og x3 vil være igjen, og vi tar variabelen x2 i invers form, fordi det er lik 0.

Cellene i den første raden (Figur 1.13,b) inneholder enheter og er tilstøtende. Derfor er de alle kombinert til et rektangel som inneholder 22 = 4 celler.

Variablene x2 og x3 i rektangelet endrer verdien; derfor vil de forsvinne fra det resulterende elementære produktet. Variabelen x1 forblir uendret og lik null. Dermed inneholder det elementære produktet oppnådd ved å kombinere cellene i den første raden i figur 1.13,6 bare én x1, som vi tar i invers form, fordi det er lik 0. Dette følger spesielt av det faktum at de fire cellene i den første raden tilsvarer summen av fire elementære produkter:

Funksjonen som tilsvarer figur 1.6 har formen:

Samlingen av rektangler som dekker alle enheter kalles et dekke. Merk at samme celle (for eksempel celle med koordinater 001) kan dekkes to eller flere ganger.

Så vi kan trekke følgende konklusjoner:

1. Formelen som er et resultat av å minimere en logisk funksjon ved å bruke Carnaugh-kart inneholder summen av like mange elementære produkter som det er rektangler i dekningen.

2. Jo flere celler det er i et rektangel, jo færre variabler finnes i det tilsvarende elementære produktet.

For eksempel, for Carnot-kartet vist i figur 1.14a, tilsvarer et rektangel som inneholder fire celler et elementært produkt av to variabler, og et kvadrat som består av bare én celle tilsvarer et elementært produkt som inkluderer alle fire variablene.

Figur 1.14-Carnaugh-kart for funksjoner til fire variabler

Funksjonen som tilsvarer dekningen vist i figur 1.14, a, har formen:

Til tross for at Carnot-kart er avbildet på et fly, er nabolaget til firkanter etablert på overflaten av torusen. De øvre og nedre grensene til Carnaugh-kartet ser ut til å være "limt sammen", og danner overflaten av en sylinder. Ved liming av sidegrensene oppnås en toroidal overflate. Etter resonnementet ovenfor fastslår vi at cellene med koordinatene 1011 og 0011, vist i figur 1.14, b, er tilstøtende og er kombinert til et rektangel. Faktisk tilsvarer de angitte cellene summen av elementære produkter

De resterende fire enhetscellene kombineres på samme måte. Som et resultat av kombinasjonen deres får vi et elementært produkt. Til slutt har funksjonen som tilsvarer dekningen vist i figur 1.14, b, formen

Karnaugh-kartet, vist i figur 1.7, c, inneholder enkeltceller plassert i hjørnene. Alle fire cellene er tilstøtende, og når de kombineres vil de gi det elementære produktet.

Eksemplene diskutert ovenfor lar oss formulere:

Sekvens for å minimere logiske funksjoner ved å bruke Karnaugh-kart

1. En tabell for n variabler vises og sidene er markert.

2. Tabellcellene som tilsvarer sett med variabler som gjør funksjonen til én er fylt med enere, de resterende cellene er fylt med nuller.

3. Den beste dekningen av bordet er valgt med vanlige rektangler, som vi skisserer. Hvert rektangel må ha 2n celler.

4. De samme cellene med enheter kan inkluderes i forskjellige konturer.

5. Antall rektangler skal være minimalt, og arealet av rektanglene skal være maksimalt.

6. For hvert rektangel skriver vi ned produktet av kun de variablene som ikke endrer verdien. Hvis denne variabelen er lik null, skrives den i invers form.

7. Vi kobler de resulterende produktene med et logisk tilleggstegn.

Når du bruker BCD-koder, er desimalsiffer representert med fire binære sifre. Av alle de 16 mulige kodekombinasjonene brukes bare 10, og de resterende kombinasjonene er forbudt og kan aldri forekomme. Hvis en funksjon har forbudte sett med variabler, er verdiene på de spesifiserte settene ikke definert og er merket med en X i sannhetstabellen.

Binære funksjoner hvis verdier ikke er definert for alle sett med inngangsvariabler kalles ufullstendig definerte.

Når du minimerer en ufullstendig definert funksjon, bør den defineres ytterligere, dvs. usikre verdier for cellene på Carnaugh-kartet tilfeldig erstatte med enere eller nuller. Det anbefales å velge alternativet der formelen for den minimerte funksjonen er den enkleste.

1.6 Syntese av kombinerte logiske kretser

Syntese er prosessen med å oppnå en funksjonell krets som utfører en gitt logisk funksjon.

Prosessen med å utvikle logiske kretser involverer følgende handlingssekvens:

1) Fra sannhetstabellen går vi til Carnaugh-kartet

2) Vi gjennomfører minimering og oppnår et minimalisert logisk uttrykk gitt funksjon(se 1.5.2)

3) Transformer det resulterende logiske uttrykket til AND-NOT-grunnlaget ved å bruke inversjonsloven

La oss se på et eksempel. Bygg en logisk struktur, gitt av tabellen sannheten vist i figur 1.15 a.

Figur 1. 15-Sannhetstabell (a) og Carnaugh-kart (b)

1) Gå til Carnaugh-kartet og tegn rektangulære konturer rundt de tilstøtende cellene med enheter, som vist i figur 1. 15 b.

2) Ved å bruke konturene vist på Karnaugh-kartet får vi følgende logiske uttrykk

3) Transformer det resulterende logiske uttrykket til AND-NOT-grunnlaget

4) Bygge en logisk struktur

Figur 1.16 - Logisk struktur som implementerer funksjonen spesifisert av sannhetstabellen i figur 1.15 a

2 KOMBINASJONSDIAGRAMMER

2.1 Grunnleggende

Når du kobler til logiske elementer, dannes enheter hvis kretser kalles logiske. Det er kombinasjons- og sekvensielle kretser.

Kombinasjonskretser implementerer funksjoner hvis verdier er i dette øyeblikket tid bestemmes bare av settet med verdier av inngangsvariabler på samme tidspunkt og er ikke avhengig av tidligere verdier av inngangsvariabler.

Det er vanlig å si om slike ordninger at de ikke har egenskapen til minne (forhistorien påvirker ikke resultatet av transformasjonen). Merk at hvert reelt logisk element har en viss forsinkelsestid for endringer i utgangssignalet i forhold til inngangen. De viktigste kombinasjonskretsene inkluderer følgende enheter:

Dekodere,

Krypteringer,

Demultipleksere,

Multipleksere,

Huggorm.

2.2 Dekodere

En dekoder (dekoder) er en enhet som konverterer en n-bit posisjonskode til en m-bit enhetskode, dvs. som inneholder bare ett eller null.

Dekoderen har n innganger og m (m ≤ 2n) utganger. På de grafiske symbolene er dekodere betegnet som DC (fra den engelske dekoderen).

Figur 2.1 viser en konvensjonell grafisk betegnelse (UGO) og en tabell over funksjonen til en to-inngangs dekoder (2: 4).

Innganger		Utganger
x1	x0	0	1	2	3
0	0	1	0	0	0
0	1	0	1	0	0
1	0	0	0	1	0
1	1	0	0	0	1

Figur 2.1 - Grafisk symbol og operasjonstabell for en to-inngangs dekoder (2: 4).

Fra operasjonstabellen til en dekoder med to innganger følger det at nummeret til den aktive utgangen, som en enhet er tilstede på, sammenfaller med den binære koden ved inngangene, hvis presentert som et desimaltall. For eksempel, 012 = 110, 102 = 210, 112 = 310.

La oss bygge en dekoderkrets med to innganger, som vi skriver ned funksjonene til hver utgang ved å bruke sannhetstabellen og SDNF-registreringsregelen (se 1.4): Utgang 0 - , Utgang 1 - , Utgang 2 - , Utgang 3 - . Basert på de oppnådde logiske uttrykkene får vi kretsen presentert i figur 2.2.

Figur 2.2-Skjema for en dekoder med to innganger (2:4)

2.3 Krypteringer

En koder er en enhet som har m innganger og n utganger (m ≤ 2n) og konverterer en m-bit enhetskode til en n-bit posisjonskode.

I de grafiske symbolene er kodere betegnet som CD.

Formålet med kodere er å konvertere enkeltinngangssignaler til tilsvarende kodekombinasjoner ved utgangene, som bestemmes av den riktige kodemetoden for inngangssignalene. Hver enkelt inngang til koderen tilsvarer bare ett av de mulige settene med utgangsvariabler. Den korresponderende kodekombinasjonen vises ved utgangene til koderen hvis og bare da når et enkelt signal vises på inngangen som er assosiert med en gitt utgangskombinasjon.

Enkoderinngangene er nummerert på en slik måte at utseendet til et enkelt signal ved den i-te inngangen fører til utseendet til et utgangssett, som representerer tallet i, skrevet i det binære tallsystemet. Figur 2.3 viser funksjonsdiagrammet og sannhetstabellen til en koder med åtte innganger.

Innganger								Utganger
X0	X1	X2	X3	X4	X5	X6	X7	U2	U1	У0
0	0	0	0	0	0	0	1	1	1	1
0	0	0	0	0	0	1	0	1	1	0
0	0	0	0	0	1	0	0	1	0	1
0	0	0	0	1	0	0	0	1	0	0
0	0	0	1	0	0	0	0	0	1	1
0	0	1	0	0	0	0	0	0	1	0
0	1	0	0	0	0	0	0	0	0	1
1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0

Figur 2.3 - Funksjonsdiagram og sannhetstabell for en koder med åtte innganger.

2.4 Demultipleksere

En demultiplekser er en enhet der signaler fra én informasjonsinngang fordeles i ønsket rekkefølge over flere utganger.

I de grafiske symbolene er demultipleksere betegnet DMX. Figur 2.3 viser et konvensjonelt grafisk symbol og en tabell over driften av demultiplekseren.

Adresse		Utganger
A1	A0	0	1	2	3
0	0	X	0	0	0
0	1	0	X	0	0
1	0	0	0	X	0
1	1	0	0	0	X

Figur 2.4-UGO og driftstabell for 1:4 demultiplekseren

Her er inngang x en informasjonsinngang, innganger A0 A1 er adresserbare, koden som bestemmer hvilken av utgangene som vil generere signaler som gjentar x. Prinsippet for å bestemme utgangsnummeret ved adressekombinasjon er det samme som for dekoderen. Med t adresserbare innganger kan demultiplekseren ha opptil 2m utganger, avhengig av design.

Hvis 1:4 demultiplekseren opprettholder potensialet U1 (logisk en) ved informasjonsinngangen x, vil den fungere som en 2:4 dekoder, hvis innganger vil være A0 og A1. Dermed er det ingen grunnleggende forskjell mellom en dekoder og en demultiplekser, og forskjellen kommer ned til typen signaler på inngang x: hvis de endres over tid, er det en demultiplekser, hvis ikke er det en dekoder. Dekodere har ofte ikke denne inngangen og utgangssignalene på den aktive utgangen har én forhåndskjent verdi. Dette bekreftes av demultiplekserkretsen, som er presentert i figur 2.5.

Figur 2.5 - 1:4 demultiplekserkrets

Faktisk, hvis x = 1, så er alle & porter åpne, og utgangssignalene gjentar nøyaktig signalene til dekoderen inkludert i demultiplekseren. For en vilkårlig verdi av signalet x, vil den vises ved utgangen til OG-porten som åpnes av "1"-signalet fra utgangen til dekoderen spesifisert av koden ved inngangene A0 og A1.

2.5 Multipleksere

En multiplekser er en enhet der signaler fra en av informasjonsinngangene leveres i ønsket rekkefølge til en enkelt utgang.

I de grafiske symbolene er multipleksere betegnet MUX. Figur 2.6 viser et symbol og en tabell over driften av en 4:1 multiplekser.

Adresse		Exit
A1	A0	F
0	0	Inngang 0
0	1	Inngang 1
1	0	Inngang 2
1	1	Inngang 3

Figur 2.6 - Grafisk symbol og operasjonstabell for en 4:1 multiplekser

Her er innganger 0,1,2,3 informasjonsinnganger, A0 og A1 er adresseinnganger, koden som bestemmer fra hvilke inngangssignaler som skal tas for overføring til utgang F. Prinsippet for å bestemme inngangsnummeret ved adressekombinasjon er det samme som for dekoderen og en demultiplekser. Med t adresserbare innganger kan multiplekseren ha opptil 2m innganger, avhengig av design. Kretsen til en multiplekser med fire innganger (4:1) er vist i figur 2.7.

Figur 2.7- 4:1 multiplekserkrets

Det følger av diagrammet at et av inngangssignalene går gjennom OG-porten, som åpnes av "1"-signalet fra utgangen til dekoderen, spesifisert av koden ved inngangene A0 og A1. Ved utgangene til de gjenværende OG-elementene er det for øyeblikket "0"-signaler som ikke forstyrrer passasjen av informasjon fra den valgte inngangen gjennom OR-elementet til utgangen.

En multiplekser med t-adresseinnganger kan brukes til å implementere en vilkårlig logisk funksjon fra t-argumenter.

Implementeringen av den nødvendige funksjonen utføres på grunnlag av sannhetstabellen. Verdiene til argumentsettene er spesifisert ved adresseinngangene. Og informasjonsinngangene er koblet til signalkildene "0" og "1" på en slik måte at inngangen, som er koblet til utgangen på hvert av inngangssettene, inneholder en signalverdi som tilsvarer sannhetstabellen. Som et eksempel viser figur 2.8 et multiplekserkoblingsdiagram for implementering av funksjonen vist i sannhetstabellen.

Figur 2.8 - Bruke en multiplekser for å implementere en gitt logisk funksjon

Dekodere og demultipleksere, utformet som mikrokretser med middels grad av integrasjon, er mye brukt innen informasjons- og måleteknologi. Som multipleksere brukes de ofte i kombinasjon med tellere og registre. De tjener som sentralbord-distributører av informasjonssignaler og klokkepulser, for demultipleksing av data og organisering av adresselogikk i operasjonelle og permanente lagringsenheter, samt for å konvertere binær desimalkode til desimal for å kontrollere indikator- og utskriftsenheter. Antall utganger og fordelingen av signaler på dem bestemmes av arten av den tiltenkte belastningen.

Dekodere for arbeid med gassutladningsindikatorlamper har høyspenttransistorer ved utgangen og et "en av ti" utgangsarrangement. Mikrokretser som fungerer med syv-segmentindikatorer (halvleder, glødelampe, vakuum) har syv utganger og riktig fordeling av signaler til dem for hver kombinasjon av inngangssignaler.

Demultipleksere-dechiffrere som uavhengige produkter har 4; 8 eller 16 utganger. Hvis det nødvendige antallet utganger overstiger egenskapene til en brikke, legges demultipleksere (dekodere) til systemet. I denne forbindelse er det ingen grunnleggende forskjell med multipleksere.

Tenk for eksempel på K561KP1 IC, som inneholder to multipleksere med fire innganger. Mikrokretsen har to adresseinnganger 1 og 2, felles for begge multipleksere, en felles portinngang S, informasjonsinnganger X0 - X3 til den første multiplekseren, innganger Y0 - US til den andre multiplekseren. To versjoner av KP1-bildet er vist i figur 2.9.

.

Figur 2.9 - Funksjonsdiagram og symbolsk grafisk betegnelse for mikrokretsen K561KP1

Når en binær adressekode brukes på adresseinngangene 1 og 2 og et "0"-signal til inngangen S, kobles utgangene til multiplekserne til innganger hvis tall tilsvarer desimalekvivalenten til adressekoden. Hvis det er et "1"-signal ved S-inngangen, kobles utgangene til multiplekserne fra inngangene og går inn i en høyimpedans (tredje) tilstand. Tilkobling av innganger Signalet som sendes gjennom multiplekseren kan være enten analogt eller digitalt; det kan overføres både fra innganger til utganger (mikrokretsen fungerer i multipleksermodus), og fra utgangen distribuert til innganger (demultipleksermodus).

K155IDZ demultiplekser-dekoderbrikken (Figur 2.10) har fire adresseinnganger 1, 2, 4, 8, to inverse portinnganger S, kombinert med OG, og 16 utganger 0-15. Hvis begge portinngangene har en logg. 0, ved utgangen hvis nummer tilsvarer desimalekvivalenten til inngangskoden (inngang 1 er det minst signifikante sifferet, inngang 8 er det mest signifikante), vil det være en logg. 0, ved andre utganger - logg. 1. Hvis minst én av portinngangene S log. 1, så dannes det, uavhengig av tilstandene til inngangene, en logg ved alle utgangene til mikrokretsen. 1.

Figur 2.10-Symbolisk grafisk betegnelse for K155IDZ demultiplekser-dekoder

Tilstedeværelsen av to portinnganger utvider mulighetene for å bruke mikrokretser betydelig. Fra to IDZ-mikrokretser, supplert med én omformer, kan du sette sammen en dekoder med 32 utganger (Figur 2.11).

Figur 2.11 - Dekoder for 32 utganger basert på K155IDZ-brikken

2.6 Aritmetiske enheter

2.6.1 Generell informasjon

Kombinasjonsenhetene som er diskutert så langt, utfører logiske funksjoner. For å beskrive oppførselen deres, brukes apparatet til logisk algebra. Høyt og lavt nivå inngangs- og utgangssignaler blir evaluert som henholdsvis logisk 1 og logisk 0.

Diskret teknologi opererer også med en annen klasse enheter, hvis formål er å utføre aritmetiske operasjoner med binære tall: addisjon, subtraksjon, multiplikasjon, divisjon. Aritmetiske enheter inkluderer også noder som utfører spesielle aritmetiske operasjoner, for eksempel å identifisere pariteten til gitte tall (bestemme paritet) og sammenligne to tall.

Det særegne ved aritmetiske enheter er at signaler ikke tildeles logiske, men aritmetiske verdier 1 og 0, og handlinger på dem er underlagt lovene for binær aritmetikk. Selv om aritmetiske enheter opererer med numeriske verdier, er det også praktisk å bruke sannhetstabeller for å beskrive hvordan de fungerer. Aritmetiske enheter er svært mye brukt i digitale datamaskiner og ganske ofte i informasjonsmåleutstyr.

Den viktigste av aritmetiske operasjoner er addisjon (summering). I tillegg til dens direkte formål, brukes den også til andre operasjoner: subtraksjon er addisjon, der subtrahenden legges inn i omvendt eller komplementær kode, og multiplikasjon og divisjon er sekvensiell addisjon og subtraksjon.

En adderer er en funksjonell enhet som utfører aritmetisk addisjon av tall.

I diskrete teknologienheter utføres summering i binær eller, mindre vanlig, BCD. Basert på arten av deres handling, er addere delt inn i to kategorier: - kombinasjons - som alle tidligere betraktede noder som ikke har minneelementer; - kumulativ - lagre resultatene av beregninger.

På sin side kan hver av adderne som opererer med multi-bit addends, avhengig av metoden for behandling av tall, klassifiseres som en seriell eller parallell type.

Både serielle og parallelle addere er bygget på grunnlag av enkeltbits adderingskretser. Addisjonen av tall i sekvensielle addere utføres bitvis, sekvensielt i tid. I parallelladderere skjer addisjonen av alle sifre i flersifrede tall samtidig.

I det følgende vil vi bare snakke om kombinasjonsadderere.

2.6.2 Halvhuggorm

Det enkleste summeringselementet er en halvadder. Opprinnelsen til dette begrepet vil bli klart i løpet av presentasjonen. En av de enkleste tilleggsenhetene er en halvadder, hvis UGO og sannhetstabell er vist i figur 2.12.

Innganger		Utganger
EN	I	R	S

Figur 2.12-UGO og sannhetstabell for halvaddereren

Halvadderen er betegnet med bokstavene HS (halvsum). Halvadderen har to innganger A og B for to ledd og to utganger: S (sum) og P (bære).

Den logiske strukturen til halvaddereren er bygget på grunnlag av en sannhetstabell, hvorfra det følger at operasjonen til halvaddereren er beskrevet av følgende ligninger:

Uttrykket for utgangen S, samt kolonnen S i sannhetstabellen, faller fullstendig sammen med sannhetstabellen for den eksklusive OR-porten. Denne omstendigheten forklarer hvorfor den "eksklusive ELLER"-operasjonen kalles addisjonsmodulo 2. Den logiske strukturen til en halvadder i generell og utvidet form er vist i figur 2.13.

Figur 2.13 - Logisk struktur av en halvadder generelt og utvidet form

2.6.3 Full adderer

Prosedyren for å legge til to n-bits binære tall kan representeres som følger (Figur 2.14).

Figur 2.14-Addisjon av to n-bit tall

Å legge til de minst signifikante sifrene A1 og B1 produserer sumbiten S1 og bærebiten P1. I neste (andre) siffer legges tallene P1, A2 og B2 til, som danner summen S2 og bære P2. Operasjonen varer til hvert par av sifre i alle sifre er lagt til, resultatet av addisjonen vil være tallet S = Pn Sn ... S1, hvor Pi og Si representerer 1 eller 0 oppnådd som et resultat av bitvis addisjon. Halvadderen har to innganger og er derfor egnet for bruk kun i det minst signifikante sifferet.

En enhet for summering av to flersifrede tall må, fra det andre sifferet, ha tre innganger: to for begrepene Ai og Bi og en for overføringssignalet Pi-1 fra forrige siffer. Denne noden kalles en full adderer, hvor UGO og sannhetstabellen er presentert i figur 2.15.

Innganger			Utganger
Pi-1	EN	I	Pi	S
0	0	0	0	0
0	0	1	0	1
0	1	0	0	1
0	1	1	1	0
1	0	0	0	1
1	0	1	1	0
1	1	0	1	0
1	1	1	1	1

Figur 2.15-UGO og sannhetstabell for hele addereren

Ved å bruke sannhetstabellen kan vi få følgende uttrykk for utgangsfunksjonene , . Disse uttrykkene lar deg bygge den logiske strukturen til den fullstendige addereren, som er presentert i figur 2.16

Figur 2.16 - Logisk struktur av en full adderer

2.6.4 Multi-bit adderer

For å bygge en multi-bit adder, brukes en halv-adder og en full single-bit adder, diskutert ovenfor. Koblingene vist i figur 2.17 er laget i samsvar med algoritmen presentert i figur 2.14.

Figur 2.17-Multi-bit (tre-bit) adderer

3 TRIGGERENHETER

3.1 Grunnleggende begreper

Sammen med kombinasjonsenheter er det elementer med minne. Den enkleste av dem er triggere.

En trigger er et logisk element som kan være i en av to stabile tilstander: 0 eller 1.

Overgangen til hver påfølgende tilstand avhenger vanligvis ikke bare av de nåværende verdiene til inngangssignalene, men også av den forrige tilstanden til flip-flop. Informasjon om den forrige tilstanden som kommer fra triggerutgangene, sammen med eksterne signaler, styrer driften. Derfor er flip-flops enheter medr.

En logisk funksjon som etablerer avhengigheten til tilstanden som utløseren går inn i fra gjeldende tilstand når den utsettes for gitte kontrollsignaler, kalles flip-flop-overgangsfunksjonen. Overgangsfunksjoner er spesifisert med logiske formler eller i form av tabeller.

Avhengig av operasjonslogikken er triggere delt inn i følgende hovedtyper RS, D, T og JK.

Avhengig av metoden for å registrere informasjon, er triggere delt inn i asynkron og synkron. Asynkrone triggere går over til en ny tilstand umiddelbart etter at styresignaler er tilført, mens synkrone triggere også krever tilførsel av et synkroniseringssignal til synkroniseringsinngang C.

3.2 Asynkron RS flip-flop

En asynkron RS flip-flop fungerer som hovedminneelementet i triggere av enhver type. Den kan bygges på både AND-NOT og OR-NOT elementer. Begge metodene og deres grafiske symboler er presentert i figur 3.1.

Figur 3.1 - Implementeringer av en asynkron RS flip-flop basert på AND-NOT og NOR-NOT elementer og deres grafiske symboler

RS-utløseren har to innganger: en installasjonsinngang S (fra engelsk Set: installasjon) og en tilbakestillingsinngang R (fra engelsk Reset: reset).

Utgangssignalene Q og , bestemmer tilstanden til flip-flop.

Hvis Q = 0, er utløseren i nulltilstand, hvis Q = 1, så i enhetstilstand.

Figur 3.2 inneholder overgangstabeller som gjenspeiler operasjonsrekkefølgen til RS flip-flop på henholdsvis AND-NOT og NOR-NOT elementene.

		Qn	Qn+1	Driftsmodus
0	0	0	X	Forbudt
0	0	1	X	Forbudt
0	1	0	1	Installasjon
0	1	1	1	Installasjon
1	0	0	0	Nullstille
1	0	1	0	Nullstille
1	1	0	0	Oppbevaring
1	1	1	1	Oppbevaring
S	R	Q	Qn+1	Driftsmodus
0	0	0	0	Oppbevaring
0	0	1	1	Oppbevaring
0	1	0	0	Nullstille
0	1	1	0	Nullstille
1	0	0	1	Installasjon
1	0	1	1	Installasjon
1	1	0	X	Forbudt
1	1	1	X	Forbudt

Figur 3.2-tabeller over overganger for en RS-flip-flop basert på OG-NOT (venstre) og NOR-NOT-elementer

Følgende notasjoner brukes i tabellene: Qn – starttilstand, Qn+1 – ny tilstand for utløseren, x – udefinert tilstand.

En trigger på NOR-elementer styres av enkeltsignaler som kommer til en av inngangene. Når et enkelt signal tilføres R-inngangen, settes utløseren til nulltilstand (Qn+1 = 0 - "reset"-modus), og når det samme signalet mottas ved S-inngangen, settes det til singelen. tilstand (Qn+1 = 1).

Sending av enkeltsignaler samtidig til begge inngangene er forbudt, fordi tilstanden Qn+1 som flip-flop går inn i er udefinert – Q-utgangene er satt til null logiske signalverdier. R S = 1 er en forbudt kombinasjon.

Når logiske nullnivåsignaler mottas ved begge inngangene til triggeren, forblir dens tilstand uendret (Qn+1= Qn).

Utløseren på NAND-elementene styres av nullsignaler, som reflekteres i symbolet i form av inverterende innganger. En forbudt tilstand er en der logiske nullsignaler tilføres begge inngangene.

3.3 Synkrone utløsere

3.3.1 RS-utløser

Den viktigste rollen i digitale enheter spilles av triggere med synkronisering (klokke) og informasjon (programmering) innganger. Betinget grafisk bilde og funksjonsdiagrammet for en synkron RS-flip-flop er presentert i figur 3.3

Figur 3.3 - UGO og funksjonsdiagram av en synkron RS-trigger

Endring av tilstanden til utløseren er kun mulig hvis det er et enkelt signal på synkroniseringsinngangen C. Når signalet C er null, oppfattes ikke informasjonen på kontrollinngangene R og S, og utløseren beholder sin tidligere tilstand for evt. verdier av signalene på kontrollinngangene R og S. Den forbudte kombinasjonen er RS ​​C = 1.

I tillegg til synkrone RS-flip-flops, brukes ytterligere tre typer flip-flops: D-, T- og JK-typer.

3.3.2 D-trigger

Det grafiske symbolet og funksjonsdiagrammet til D-flip-flop er vist i figur 3.4

Figur 3.4-Symbol og funksjonsdiagram av D-flip-flop

Driftslogikk for D-triggeren: etter slutten av neste synkroniseringspuls aksepterer triggeren tilstanden til signalet på informasjonsinngangen D. Derfor kalles D-triggeren en forsinkelsestrigger (fra engelsk Delay - delay) .

3.3.3 T-utløser

T flip-flop har bare en klokkeinngang og ingen informasjonsinnganger. Det grafiske symbolet for en T-trigger er vist i figur 3.5.

Figur 3.5 - Grafisk symbol på T-utløseren

Logikken til T-flip-flop: når hver klokkepuls påføres, endrer den sin tilstand til det motsatte.

Det er hovedelementet i frekvensdelere, selv om det ikke produseres separat. Imidlertid kan denne flip-flop enkelt implementeres ved hjelp av en D-flip-flop, som vist i figur 3.6.

Figur 3.6 - Implementering av en T-trigger basert på en D-trigger

3.3.4 JK flip-flop

Det grafiske symbolet for en JK-utløser er vist i figur 3.7.

Figur 3.7 - Grafisk symbol på JK-utløseren

Operasjonen til en JK-flip-flop er illustrert av overgangstabellen til en RS-flip-flop med direkte innganger, vist i figur 3.2. Dessuten tilsvarer inngang S inngang J, og inngang R tilsvarer inngang K.

Det følger av tabellen at JK-triggeren ikke endrer tilstand når den utsettes for en klokkepuls hvis J = K = 0. I motsetning til RS-triggeren, er J = K = 1-signalene ikke forbudt og forårsaker en endring i triggertilstanden til det motsatte, dvs. triggeren fungerer som en T-trigger.

Hvis J = 1 og K = 0, setter klokkepulsen triggeren til enkelttilstanden (Qn+1= 1), og hvis J = 0 og K = 1, setter den triggeren til nulltilstanden (Qn+1 = 0). Utløseren endrer ikke tilstanden hvis klokkesignalet C = 0.

En T-flip-flop kan enkelt implementeres fra en JK-flip-flop ved å kombinere kontrollinngangene J og K, som vist i figur 3.8. JK flip-flop er allsidig fordi den enkelt kan konverteres til RS og T flip-flops.

Figur 3.8-Skjema for å slå på en JK-trigger i T-trigger-modus

3.3.5 To-trinns synkrone triggere

3.3.5.1 M-S type push-pull R-S trigger

Et trekk ved de tidligere diskuterte triggerne er at hvis, under virkningen av en klokkepuls, til og med en kortvarig signalendring skjer ved informasjonsinngangene til en synkron trigger, noe som fører til en endring i triggerens tilstand, vil dette umiddelbart påvirke produksjonen. To-trinns synkrone triggere, som kalles MS-triggere (fra engelsk Master - Slave: Master - Slave), fungerer noe annerledes. Disse flip-floppene består av to minneelementer koblet sammen som for eksempel vist i figur 3.9. Denne triggeren har to synkroniseringsinnganger C1 og C2. Opptak utføres ved å sende to synkroniseringssignaler i rekkefølge, først til inngang C1 og deretter til C2. Derfor kalles en slik trigger push-pull.

Figur 3.9 - Push-pull R-S trigger M-S type

Men å kontrollere en push-pull-utløser krever en mer kompleks kontrollkrets. Derfor brukes totrinns ensyklus-flip-flops, som er bygget ved hjelp av forskjellige kretsteknikker for å forsinke svitsjen av den andre flip-flop.

3.3.5.2 Enkeltende to-trinns triggere

To-trinns strukturen til utløseren er vist på symbolet i form av to bokstaver T, som vist i figur 3.10.

Figur 3.10 - Symbol for to-trinns triggere

To-trinns triggere sies også å være impulsstyrte. Faktisk, for en full syklus av operasjon av en totrinns trigger, kreves to dråper av synkroniseringssignalet.

Figur 3.11 viser en RS-flip-flop med sperrekoblinger, og figur 3.12 med en omformer.

Figur 3.11 - Enkeltende RS flip-flop av M-S type med hemmende tilkoblinger

Figur 3.12 - Ensidig R-S trigger M-S-type med omformer

logisk kretsregisterutløser

Forkanten av klokkepulsen skriver informasjon bestemt av nivået av signaler ved informasjonsinngangene til utløseren inn i det første minneelementet, kalt kontrollelementet (M). Nedgangen i klokkepulsen fører til at informasjon omskrives fra kontrollelementet til det kontrollerte elementet (S). Etter slutten av klokkepulsen oppfattes ikke endringer i informasjon ved R- og S-inngangene til kontrolltriggeren. Opptaksprosessen er illustrert i figur 3.13.

Figur 3.13 - Tidsdiagram for skriveprosessen til en enkeltsyklus R-S flip-flop av typen M-S

De stiplede linjene i figur 3.11 og 3.12 viser tilbakemeldingen som gjør en RS-flip-flop til en T-flip-flop, hvis tidsdiagrammer er vist i figur 3.14.

Figur 3.14 - Tidsdiagrammer for T-trigger-operasjon

To-trinns synkrone flip-flops er tilgjengelige som separate IC-er. Figur 3.15 viser de grafiske symbolene for IC-typene 155TM2 og 155TV1.

155TM2 155TV1

Figur 3.15 - Grafiske symboler for IC-typene 155TM2 og 155TV1

IC 155TM2 inneholder to synkrone D-flip-flops kontrollert av forkanten av klokkepulsen. Triggere har interne kontrollinnganger R og S som fungerer uavhengig av klokkesignalene.

Den synkrone JK-triggeren 155TB1, vist i figur 3.15, har også uavhengig kontroll over S- og R-inngangene. Triggeren klokkes av pulsnedgangen og har tre informasjonsinnganger J og K hver. Inngangene med samme navn er kombinert i den. i henhold til OG-kretsen.

Vanligvis, i serier med IC-er produsert av industrien, blir D-flip-flops svitsjet av kanten av en puls, og JK-flip-flops svitsjet av en puls.

Merk at to-trinns synkrone flip-flops reagerer på endringer i informasjonssignaler under virkningen av klokkepulser. Hvis informasjonsinngangene før ankomsten av klokkepulsen hadde en tilstand der utløseren ikke skulle endre sin tilstand, og under virkningen av klokkepulsen mottar informasjonsinngangene selv for en kort tid signaler som fører til en endring i klokkepulsen. tilstanden til utløseren, vil denne endringen nødvendigvis skje. Derfor bør de betraktede triggerne bare brukes der muligheten for å endre informasjonssignaler under virkningen av en synkroniseringspuls er utelukket.

To-trinns synkrone triggere, slått av kanten eller fall av en puls, fungerer noe annerledes. Slike triggere reagerer kun på signaler som er tilstede ved informasjonsinngangene ved tidspunktet for den aktive flanken eller fallet av synkroniseringspulsen. Andre ganger er informasjonsinngangene til utløseren blokkert, og signaler på dem blir ikke oppfattet. Derfor har flip-flops byttet av kanten eller fallet av en puls høyere støyimmunitet sammenlignet med flip-flops byttet av en puls.

4 REGISTRE

4.1 Generell informasjon om registre

Register er enheter designet for å registrere, lagre, utstede og konvertere informasjon presentert i form av binære koder.

Applikasjoner: minneenheter, forsinkelseselementer, serie- til parallellkodeomformere og omvendt, ringesignalfordelere, etc. Avhengig av funksjonelle egenskaper og kretsimplementering, er de delt inn i:

Minne registre;

Skifteregistre;

Universelle registre.

4.2 Minneregistre

Hensikten med minneregistre er å lagre binær kode over en tidsperiode. De består av et sett med flip-flops, som hver lagrer en bit kode. Derfor, for å lagre n-bit binær kode, må registeret ha n flip-flops. Strukturen og virkemåten til en slik utløser er illustrert av diagrammet i figur 4.1.

Figur 4.1 - Minneregisterstruktur

Binærkoden tilføres parallelt til inngangene X0, X1, X2, hvoretter en klokkepuls sendes til inngang C, som skrives til den tilsvarende triggeren.

4.3 Skiftregistre

Et skiftregister er en gruppe av flip-flopper koblet på en slik måte at informasjon fra hver flip-flop kan overføres til neste flip-flop, og skifter koden skrevet i registeret. Avhengig av skiftretningen skilles registre ut:

Med et skift til høyre (mot de nedre sifrene),

Med en forskyvning til venstre (mot de viktigste sifrene),

Vendbar (skifter både høyre og venstre).

Det grafiske symbolet for et høyre skiftregister er vist i figur 4.2. Her viser pilen retningen på skiftet.

Figur 4.2 - Grafisk symbol for et skiftregister

Figur 4.3 viser et skiftregister bestående av D-flip-flops koblet i serie, og Figur 4.4 viser et funksjonsdiagram av et skiftregister basert på RS-flip-flops. Et viktig trekk ved skiftregistre er deres utførelse på triggere av en utelukkende totrinns MS-struktur.

Figur 4.3 - Funksjonsdiagram av et skiftregister basert på D-flip-flops

Figur 4.4 - Funksjonsdiagram av et skiftregister basert på RS flip-flops

På forkanten av synkroniseringspulsen C skrives informasjon fra inngangen til M-delen av den første triggeren, og fra utgangen til den første - til M-delen av den andre, fra den andre - til den tredje , og så videre. Når synkroniseringspulsen C avtar, skrives informasjonen om fra M-delen til S-delen. Dermed forskyves informasjonen en bit etter hver klokkepuls.

Et slikt register forskyver koder i én retning. Informasjon mottatt ved inngangen under enhver klokkesyklus vil fremkomme ved utgangen Qn til skiftregisteret etter n klokkesykluser.

I det aktuelle registeret registreres informasjon ved inngangen ved hjelp av en sekvensiell kode (bit for siffer).

4.4 Reversere registre

Det finnes registre som kan flytte data i begge retninger. Slike registre kalles reversible. Prinsippet for å konstruere reversible registre er vist i diagrammet vist i figur 4.5.

Figur 4.5 - Funksjonsdiagram av et reverseringsregister basert på D-flip-flops

Skiftets retning settes av signalet som tilføres inngang V. Hvis V = 1, er de nedre portene og elementene i 2I-OR-kretsen åpne, hvis kontrollinnganger mottar et "1"-signal og et skift til høyre oppstår. Hvis V=0, er de øvre portene og elementene i 2I-OR-kretsen åpne, fordi styresignalet leveres til dem gjennom omformeren; det er et skifte til venstre.

4.5 Generelle formålsregistre

Ofte kreves det mer komplekse registre: med parallell synkron registrering av informasjon, reversibel, med parallell-seriell synkron registrering. Slike registre kalles universelle.

Et eksempel på et universalregister er en IC av type K155IR1, hvis symbolske grafiske symbol er vist i figur 4.6.

Figur 4.6 - Grafisk betegnelse for den universelle registertypen K155IR1

Dette er et fire-bits skiftregister med mulighet til å skrive informasjon sekvensielt og parallelt. Funksjonsdiagrammet er vist i figur 4.7.

Registeret er laget på fire RS flip-flops og har to klokkeinnganger CI, C2 og en inngang V2, som styrer driftsmodusen til registeret. Informasjonsinngang V1 brukes til å legge inn data i en seriell kode, og innganger D1-D4 brukes til å legge inn data i en parallellkode.

Registeret kan operere i fire forskjellige moduser, hvor følgende utføres: kodeskift til høyre, kodeskift til venstre, parallell datainntasting, informasjonslagring. Valget av en eller annen av dem utføres ved å bruke det tilsvarende nivået til det logiske signalet til kontrollinngangen V2. Når V2 = O, forskyves kodene mot de mest signifikante bitene. Hvis V2 = 1, skjer parallell registrering av informasjon ved innganger D1-D4.

Figur 4.7-Funksjonsdiagram av et universelt register type K155IR1

Når registeret opererer i modusen for å konvertere en seriell kode til parallell med en forskyvning mot de mest signifikante bitene (V2 = 0), deaktiveres de parallelle registreringsinngangene D1-D4, og legger inn data i registeret ved V1-inngangen i en seriekode og passasje av tidssignaler gjennom C1-inngangen er tillatt, i tillegg til at det etableres forbindelser mellom utgangen til hver lavordensbit og inngangen til den nest høyeste. En forskyvning på en bit til høyre utføres ved hvert fall i klokkepulsen på inngang C1. Informasjon i form av en fire-bits parallellkode vil vises på utgangene Q1, Q2, Q3, Q4 etter fire sykluser av inngangspulsen.

Parallell datainntasting skjer gjennom inngangene D1-D4 i nærvær av et styresignal V2=1 med ankomsten av pulsnedgangen ved inngang C2. I dette tilfellet er serieinngangsinngangen V1 og tidssignalinngangen Cl slått av.

Når du organiserer kodeskift mot biter av lavere orden, er det nødvendig å lage eksterne tilkoblinger vist i figur 4.8.

Figur 4.8-Skjema for eksterne koblinger for skifting mot biter av lav orden

Sekvensiell skriving til registeret utføres på inngang D4 med styresignal V2=1. Kodene forskyves til venstre ved hvert fall av klokkepulsen C2. Parallell opptak når koder flyttes til venstre er umulig, siden parallelle opptakskanaler brukes til å overføre data fra lavordens- til høyordensbiter. Merk at ved tilkoblinger vist i figur 4.8 er det ingen mulighet for kun parallell datainntasting. Skifting av koder mot høyere siffer er mulig, og som før utføres det ved å tilføre tidssignaler til inngang C1 ved V2=0. Derfor er skiftregisteret vist i figur 4.8 reversibelt.

5 TELLER

5.1 Generell informasjon om målere

Tellere er enheter som teller antall pulser.

Tellere brukes ikke bare til å telle, men også for å utføre andre operasjoner som kan reduseres til å telle pulser, nemlig: å konvertere antall pulser til en bestemt kode, dele frekvensen, summere eller subtrahere antall signaler, distribuere signaler osv. .

Hovedparameteren til telleren er tellekoeffisienten (modulen) Ксч.

Tellekoeffisienten er lik antall forskjellige tilstander i telleren. Dette er nøyaktig hvor mange pulser som trengs for at telleren skal gå tilbake til sin opprinnelige tilstand. Når du bruker en teller som frekvensdeler, er repetisjonsfrekvensen til utgangspulsene mindre enn inngangsfrekvensen med en faktor på 10. Maksimalt antall telleren kan vise er én mindre enn Kcch. Hovedelementet i tellerne er T-triggeren. I praksis er T-flip-flops avledet fra D- eller JK-flip-flops.

Avhengig av telleretningen skilles det mellom å legge til, subtrahere og reversere tellere.

I en summeringsteller øker hvert tellesignal antallet registrert i telleren med én (forovertelling); i en subtraherende teller reduserer hvert tellesignal innholdet i telleren med én (nedovertelling). Vendbar teller - kan utføre både forover- og bakovertelling.

Tabell 5.1 og 5.2 viser sekvensen for endring av koder i henholdsvis addisjons- og subtraheretellere.

Tabell 5.1 - Totaltellerstatuskoder

Signalnummer	Rang			Tellernummer
	Q2	Q1	Q0
0	0	0	0	0
1	0	0	1	1
2	0	1	0	2
3	0	1	1	3
4	1	0	0	4
5	1	0	1	5
6	1	1	0	6
7	1	1	1	7
8	0	0	0	0

Tabell 5.2 - Subtraktive tellerstatuskoder

Signalnummer	Rang			Tellernummer
	Q2	Q1	Q0
0	0	0	0	0
1	1	1	1	7
2	1	1	0	6
3	1	0	1	5
4	1	0	0	4
5	0	1	1	3
6	0	1	0	2
7	0	0	1	1
8	0	0	0	0

Hvis desimaltall 7 (binær kode 111) er valgt som starttilstanden til subtraheringstelleren, reduserer en sekvens av inngangspulser innholdet i telleren ned til 000, hvoretter det oppstår et overløp, dvs. en retur til den opprinnelige. delstat 111.

Hvis vi tar tallet 000 som starttilstanden til telleren, vises tilstandene til utgangene til tellerens triggere et negativt tall telte pulser, representert i tos komplementkode.

Avhengig av metoden for å konstruere overføringskretser, skilles tellere med sekvensiell og parallell overføring.

5.2 Serielle bæretellere

5.2.1 Seriell teller

Som det følger av tabell 5.1, endrer det laveste sifferet Q0 sin tilstand med hver tellepuls; tilstanden til hvert påfølgende siffer endres hvis det forrige går fra en til null tilstand. Hvis vi bruker T-flip-flops koblet som vist i figur 5.1, vil vi få nøyaktig samme sekvens av endringer i triggertilstander.

Figur 5.1 - Seriell addisjonsteller

Figur 5.2 viser tidsdiagrammet for driften av summeringstelleren

Figur 5.2 - Tidsdiagrammer for driften av summeringstelleren

Kaskadeaktiveringen av n slike triggere danner en teller med en tellekoeffisient Ksch = 2n. Det er nødvendig å huske at hver trigger har Cc = 2, og når de er koblet i serie, multipliseres tellekoeffisientene. Figur 2 viser at pulsrepetisjonsperioden etter hver trigger dobles, og etter den siste overskrider den perioden for inngangspulsene med en faktor på 10. Følgelig avtar frekvensen like mange ganger, dvs. delt på et tall lik Kch. Denne egenskapen er grunnlaget for å bruke tellere som frekvensdeler.

5.2.2 Seriell subtraktiv teller

Et annet alternativ for sekvensiell veksling av flip-flops er mulig når inngangene deres er koblet til de inverse utgangene til tidligere flip-flops, som vist i figur 5.3. Slik oppnås en binær subtraktiv teller, hvis tilstandsendring er vist i tabell 5.2.

Figur 5.3 - Seriell subtraktiv teller

Figur 5.4 viser tidsdiagrammene til den subtraktive telleren.

Figur 5.4 - Tidsdiagrammer for den subtraktive telleren

Figurene 5.1 og 5.3 viser kretser av binære sekvensielle tellere, dvs. tellere der, når tilstanden til en bestemt trigger endres, en påfølgende trigger eksiteres, og triggerne endrer tilstandene sekvensielt.

Hvis n triggere i en gitt situasjon må endre tilstanden, vil det ta n tidsintervaller for å fullføre denne prosessen som tilsvarer tidspunktet for endring i tilstanden til hver av triggerne. Denne sekvensielle driften forårsaker to ulemper med serietelleren:

Lavere tellehastighet sammenlignet med parallelle tellere,

Mulighet for falske signaler ved utgangen av kretsen.

Den tillatte tellehastigheten i tellere av begge typer bestemmes av den maksimale koblingshastigheten til en flip-flop.

Når man bestemmer den maksimale tellehastigheten til en sekvensiell teller, bør man ta hensyn til det mest ugunstige tilfellet av en endring i tilstanden til alle t flip-flops. Den totale varigheten av den transiente prosessen kan defineres som summen av forsinkelsestidene til individuelle elementer som forbinder triggerne og responstidene til alle triggere. Den maksimale tiden funnet på denne måten for telleren til overgang fra en tilstand til en annen bør betraktes som grensen. Vanligvis er den faktiske overgangstiden mindre enn grensen, siden i en serie sekvensielt koblede utløsere gitt utløser begynner en overgang fra en tilstand til en annen selv før slutten av overgangsprosessen i elementet som begeistrer den.

Tellertriggerovergangenes sekvensielle natur er en kilde til falske signaler ved utgangene. For eksempel, i en teller som teller i en fire-bits binær kode med "skalaer" 8421, når du flytter fra tallet 710 = 01112 til tallet 810 = 10002, vil følgende sekvens av signaler vises ved utgangen: 0111 – 0110 – 0100 – 0000 – 1000. Dette betyr at ved overgang fra tilstand 7 til tilstand 8, vil tilstander 6 vises ved tellerutgangene i en kort stund; 4; 0. Disse tilleggsforholdene kan føre til at andre enheter ikke fungerer.

5.3 Parallelle bæretellere

I parallelltellere sendes synkroniseringssignaler til alle flip-flops samtidig, noe som reduserer tiden for forbigående prosesser. I dette tilfellet får vi en parallellteller. Et eksempel på en summeringstellerkrets er vist i figur 5.5.

Figur 5.5 - Parallell summeringsteller på TV-flip-flops

Her leveres tellepulser samtidig til synkroniseringsinngangene T til alle flip-flops, og signaler som definerer spesifikke triggere som endrer tilstand med en gitt inngangspuls sendes til aktiveringsinngangene V. Hvis V=1, så fungerer utløseren som vanlig, hvis V=0, så er den i lagringsmodus. Driftsprinsippet til telleren følger av tabell 1: triggeren endrer tilstand når neste synkroniseringspuls kommer, dersom alle tidligere triggere var i den logiske ene tilstanden.

Som T-trigger kan du bruke en universal JK-trigger, for eksempel IC K155TV1. En parallell summeringsteller basert på JK flip-flops er vist i figur 5.6.

Figur 5.6 - Parallell summeringsteller på JK flip-flops

Her kan hver trigger bare være i to moduser: telling (T-flip-flop-modus) og lagring. I det første tilfellet, J=K=1, i det andre – J=K=0. Driftslogikken samsvarer fullt ut med beskrivelsen av kretsen presentert i figur 5.5.

5.4 Ryggemålere

Noen ganger kreves tellere som tillater telling i både forover og bakover, dvs. reversible. Prinsippet for deres konstruksjon er basert på bruk av ventilelementer, som gjør det mulig å organisere bytte av driftsmodus. Et av alternativene for en reversibel parallellteller på TV-flip-flops er presentert i figur 5.7.

Figur 5.7 - Parallell opp/ned teller på TV-flip-flops

Bytting av telleretningen oppnås ved å påføre et logisk enhetssignal "1" til en av kontrollinngangene. Hvis "1" brukes på "+1"-inngangen, så summeringsmodusen, hvis "-1" brukes på inngangen, så subtraksjonsmodusen. I det første tilfellet vil de øvre OG-portene i kretsen være åpne, så bæresignalene vil bli hentet fra de direkte utgangene til flip-floppene; i det andre tilfellet vil de nedre portene være åpne, og bæresignalene vil pass fra de inverse utgangene til flip-floppene.

5.5 Tellere med en vilkårlig tellefaktor som ikke er lik 2n

Noen enheter krever målere med en annen tellefaktor enn 2n eller med variabel tellefaktor. En av mulige måter dens modifikasjon består i å endre den logiske strukturen til kretsen avhengig ave. Meningen med endringen er å endre antall tellertilstander, fordi Kch er lik nøyaktig dette tallet.

La oss anta at det er nødvendig å utvikle en parallellteller som teller modulo 5. Minimum antall flip-flops som gir en tellekoeffisient på 5 er tre. Faktisk kan en teller som inneholder tre flip-flops være i en av åtte tilstander (inkludert nulltilstanden 000). Men for å få Ksch =5, er det nødvendig å redusere antall tilstander med 8-5=3. Tre tellertilstander må deaktiveres.

Følgende hovedmåter for å redusere antall stater er mulig:

Første kodeinstallasjon,

Tvunget rundt i ferd med å telle,

Tvunget tilbakestilling.

Den første innstillingen av koden betyr den foreløpige inntastingen i telleren før du starter tellingen av et tall som er lik antall redundante tilstander (for Ksch = 5 er det 3 av dem). Dermed vil antallet pulser telleren vil telle før den går tilbake til utgangstilstanden, reduseres med verdien av det angitte tallet.

Tvunget telling krever innføring av tilleggselementer i tellerkretsen som gir bestemt øyeblikk inn i telleren et tall lik antall redundante tilstander. Et eksempel på å konstruere en teller basert på dette prinsippet er en teller med Kch = 10, vist i figur 5.8.

Figur 5.8 - Teller med tvungen telling med Count = 10

I løpet av de første åtte pulsene endres tellertilstandene på vanlig måte som vist i tabell 5.3.

Tabell 5.3 - Statuskoder for en teller med tvungen telling med Count = 10

Signalnummer	Rangering (vekt)				Tellernummer
	Q3 (8)	Q2 (4)	Q1 (2)	Q0(1)
0	0	0	0	0	0
1	0	0	0	1	1
2	0	0	1	0	2
3	0	0	1	1	3
4	0	1	0	0	4
5	0	1	0	1	5
6	0	1	1	0	6
7	0	1	1	1	7
8	1	0	0	0	8
9a	1	1	1	0	14
9b	1	1	1	1	15
10	0	0	0	0	0

Med ankomsten av den niende pulsen (linje 9a), vises tre enere ved inngangene til OG-logikkelementet, og "0" ved utgangen, som setter flip-flops Q2 og Q1 ved S-inngangene, med vekter på 4 og 2, henholdsvis. Dette tilsvarer å legge inn tallet 6 i telleren - dette er nøyaktig antall redundante tilstander ved Ksch = 10. Etter slutten av den niende pulsen (linje 9b) går Q0 inn i enhetstilstanden, og som et resultat inneholder telleren tallet 15 i stedet for tallet 9. Med den tiende pulsen går telleren til den opprinnelige nulltilstanden.

Prinsippet om tvungen nullstilling er implementert i K155IE5 IC, som er en fire-bits seriell binær teller med en variabel teller innenfor 16. Det symbolske grafiske symbolet til K155IE5 telleren er presentert i figur 5.9.

Figur 5.9 - Teller med tvungen nullstilling K155IE5

Strukturen til K155IE5-telleren er vist i figur 5.10.

Figur 5.10 - Oppbygning av en teller med tvungen nullstilling K155IE5

K155IE5-telleren består av fire tellende flip-flops basert på JK-flip-flops, og den inneholder to uavhengige deler med Count = 2 (inngang C1 og utgang Q1) og med Count = 8 (inngang C2 og utganger Q2, Q3, Q4) . Ved å bruke eksterne tilkoblinger Q1 til C2 kan du få en seriell teller med Kch = 2 × 8 = 16. Inngangene R1 og R2 brukes til å tilbakestille (nullstille) telleren, som vil oppstå hvis R1 = R2 = 1.

Prinsippet for å oppnå en vilkårlig tellekoeffisient er basert på tilførsel av enkeltsignaler fra tellerutgangene til nullstillingsinngangene.

For eksempel, for å oppnå Kch=10, bestemmes først antall triggere. Det burde være fire av dem, fordi... 24=16, som er mer enn 10. Det lages en forbindelse mellom Q1 og C2. Skriv deretter desimaltallet ti i binær form: det vil være Q1=0, Q2=1, Q3=0, Q4=1. Når Ksch = 1010, tilsvarer den maksimale utgangskoden tallet 910, og det neste tallet er 010, ikke 1010. Ved å koble derfor utgangene Q2 og Q4, på hvilke enheter vises samtidig etter den tiende pulsen, med inngangene R1 og R2, får vi telleren tilbakestilt med den tiende impulsen, som vil tilsvare Kch = 1010. Figur 5.11 viser en teller med Ksch=10, bygget etter den beskrevne metoden.

Figur 5.11-Teller med Ksch=10 basert på IC K155IE5

Mikrokretsene K155IE6, K555IE6, KR1533IE6 er en binær desimal opp/ned-teller som opererer i 1-2-4-8-koden. Dens konvensjonelle grafiske betegnelse er presentert i figur 5.12.

Figur 5.12-Teller K155IE6, K555IE6, KR1533IE6

Formål med utganger og innganger til mikrokretsene K155IE6, K555IE6, KR1533IE6:

Inngangene +1 og -1 brukes til å levere klokkepulser, +1 for forovertelling, -1 for bakovertelling.

Inngang R brukes til å sette telleren til 0,

Inngang L – for registrering av informasjon mottatt gjennom innganger D1 - D8 inn i telleren.

Tellerutløserne er satt til 0 når loggen sendes. 1 inngang R, mens inngang L må være logg. 1. For å forhåndsregistrere et tall fra 0 til 9 i telleren, bør koden sendes til inngangene D1 - D8 (D1 er det minst signifikante sifferet, D8 er det mest signifikante), mens R-inngangen må ha en logg. 0, og påfør en puls med negativ polaritet på inngang L.

Foropptaksmodusen kan brukes til å bygge frekvensdelere med et justerbart delingsforhold. Hvis denne modusen ikke brukes, må loggnivået konstant opprettholdes ved L-inngangen. 1.

Direkte telling utføres ved å påføre pulser med negativ polaritet på inngang +1, mens det skal være en logg på innganger -1 og L. 1, ved inngang R – log. 0. Bytting av tellerutløsere skjer i henhold til reduksjonen av inngangspulser, samtidig med hver tiende inngangspuls dannes en negativ utgangsoverløpspuls på utgang >9, som kan tilføres inngang +1 til neste multi-bit tellermikrokrets . Nivåene på utgangene 1-2-4-8 på telleren tilsvarer tellerens nåværende tilstand (i binær kode). Ved nedtelling tilføres inngangspulser til inngang -1, utgangspulser fjernes fra utgang ≤ 0.

LISTE OVER BRUKTE REFERANSER

1. Aleksenko A.G. Mikrokretsløp. - M.: Radio og kommunikasjon. - 1982.

2. Biryukov S.A. Anvendelse av digitale mikrokretser i TTL- og CMOS-serien. -M.: DMK. -2000

3. Bukreev Ya.P. Mikroelektroniske kretser for digitale enheter. - M.: Radio og kommunikasjon. - 1990.

4. Zeldin E.A. Digitale integrerte kretser i informasjons- og måleutstyr. - L.: Energoatomizdat. - 1986.

5. integrerte kretser: Directory. Ed. Tarabrina B.V. -M.: Energoatomizdat. -1985.

6. Malyshev A.A. Grunnleggende om digital teknologi. - M.: Radio og kommunikasjon. - 1984

7. Ovechkin Yu.A. mikroelektronikk - M.: Radio og kommunikasjon. - 1982.

8. Grunnleggende om digitale kretser / I.P.Barbash, M.P. Blagodarny, V.Ya.Zhikharev, V.M.Ilyushko, V.S.Krivtsov, P.M.Kulikov, M.V.Nechiporuk, G.M.Timonkin, V.S.Kharchenko. luftfart in-t." - 2002.

SIDE 173

Forelesningskurs Teknisk elektronikk

Forelesning 26

Grunnleggende om digitale kretsløp

26.1 logiske porter

På digitalt datamaskiner, automatisering og informasjonsbehandlingsenheter bruker enheter som utfører logiske operasjoner.

Logisk operasjoner en transformasjon i henhold til reglene for logisk algebra (eller boolsk algebra) av inndata digital informasjon til utgang.

Den enkleste funksjonelt logiske enheten som utfører en spesifikk logisk operasjon på inngangssignaler kalleslogisk element.

I logikkens algebra er sannheten til en dom eller utsagn om resultatene av en bestemt logisk operasjon betegnet med symbolet 1, falskhet med 0. Dermed,logiske variabler i logikkens algebra har bare to verdier: én og null. De kalles binære variabler. For å implementere logisk algebra på elektroniske elementer, er det nødvendig å oversette verdiene til parametrene til disse elementene til språket for logisk algebra (0 eller 1). Du kan stille inn parameterverdier etter spenningsnivå eller pulspolaritet.

Hvis signaler leveres i form av høy (positiv eller negativ polaritet) og lave (nær null) spenningsnivåer, kalles denne metoden for signalforsyning potensial.Hvis høyt spenningsnivå U 1 er tildelt verdien "én", og lav U ° - "null", så kalles logikken positiv (positiv), ellers - negativ (negativ). Forskjellen mellom nivåene en og null kalles en logisk kant U l = U 1 - U 0 . Det må være betydelig, ellers vil det ikke være mulig å tydelig skille et nivå fra et annet.

Hvis signaler leveres i pulsert form, kalles denne metoden for signaltilførsel pulset. I dette tilfellet tilsvarer en logisk tilstedeværelsen av en puls, og en logisk null tilsvarer fraværet av en puls (positiv logikk). Signaler som tilsvarer 1 (eller 0) kan være forskjellige ved inngang og utgang. Potensielle logiske elementer er mest brukt fordi de kan produseres ved hjelp av integrert kretsteknologi.

Elementære logiske operasjoner og typer logiske elementer.

Et system av logiske elementer, på grunnlag av hvilke en logisk krets av enhver kompleksitet kan bygges, kalles funksjonelt komplett. De viktigste og enkleste logiske elementene er elementene som utføreroperasjoner av negasjon (IKKE), konjunksjon (AND), disjunksjon (ELLER).De utgjør funksjonelt komplett system og er et minimumssystem. Hver av disse operasjonene og logiske elementene har et annet navn (tabell 26.1).

Tabell 26.1 Sannhetstabell over fire logiske porter

Denne tabellen gir navn på logiske elementer, betegnelsen på denne operasjonen, viser hvordan operasjonsposten leses, og betegnelsen på logiske elementer i funksjonelle diagrammer, samt en sannhetstabell for tilfellet når det er to innganger og en utgang. Sannhetstabellen inneholder reglene og resultatet av operasjonene. Hver linje registrerer tilstanden til signalene ved inngangene (x 1 x 2 ) og resultatet av den logiske operasjonen ved utgangen (y). Generelt kan et logisk element ha n innganger og n utganger.

Et funksjonelt komplett system kan leveres av sammensatte (kombinerte) logiske elementer som utfører logiske operasjoner OG - IKKE, ELLER - IKKE. Deres navn og betegnelser er også gitt i tabell. 26.1.

Logiske elementer utføres både på diskrete enheter og ved bruk av integrerte teknologimetoder.For de fleste serier med integrerte kretser er det grunnleggende systemet de logiske elementene OG - IKKE eller ELLER - IKKE.De produseres i form av separate mikrominiatyrenheter i et forseglet hus.

La oss vurdere logiske elementer på halvlederenheter. OG- og ELLER-porter kan implementeres ved bruk av motstander, dioder, bipolare transistorer, felteffekttransistorer og tunneldioder. Elementet utføres IKKE på transistorer.

Sammensatte logiske elementer i forskjellige stadier kan implementeres på forskjellige enheter (motstander, dioder, transistorer, både bipolar og felteffekt), dvs. de kan ha forskjellige kretsalternativer. I samsvar med deres design kalles de motstand-transistor-logikk (RTL); diode-transistor (DTL); transistor-transistor (på bipolare transistorer - TTL; på felt ener - p-kanal MOPTL, n -kanal MOPTL; på komplementære felteffekttransistorer - CMOS eller CMOPTL; på transistorer med emitterforbindelser - TLES eller ESL).

Den spesifikke logikken på transistorer er injeksjonslogikk - I2L, den har ingen analoger transistorkretser på diskrete elementer. Kommunikasjon mellom stadier av logiske elementer utføres enten direkte, eller gjennom en motstand, eller gjennom R.C. -kjede. Deretter blir de tilsvarende navnene lagt til navnet på logikken bokstavbetegnelser: NSTL - transistorlogikk med direkte kobling; NSTLM - transistorlogikk med direkte kobling på en MOS-transistor; RETL - transistorlogikk med resistiv-kapasitiv kobling.

Grunnleggende logiske elementer i diskret design.

IKKE port(Tabell 26.1) har én inngang og én utgang og utfører IKKE-operasjonen. Det er et forsterkningstrinn basert på en bipolar eller felteffekttransistor, som opererer i brytermodus. I fig. 26.1 viser NOT-elementet på en bipolar npn transistor koblet i henhold til kretsen med OE.

Elementet er designet for å fungere med signaler om positiv polaritet i positiv logikk. Transistor T er lukket av et negativt potensial ved basen forsynt fra kilden EB. Når et lavnivåsignal U tilføres inngangselementet i = U 0 , tilsvarende logisk 0, forblir transistoren lukket, kollektorstrømmen er null, dvs. gjennom motstand R K ingen strøm flyter og utgangsspenning U ut = +E K , dvs. høyt nivå U 1 , tilsvarende logisk 1.

Ved høyt spenningsnivå ved inngang U i = U 1 transistoren er i metningsmodus, en kollektorstrøm vises på motstanden R K det skapes et spenningsfall omtrent lik E K , og utgangsspenningen er omtrent null (U ut = U 0 ), dvs. det vil være en logisk null. Så hvis x = 0, så er y = 1, hvis x = 1, så er y = 0, dvs. elementet er inverter - utfører en negasjonsoperasjon.

Merk: Det skal bemerkes at hvis elementet er laget på en silisiumtransistor med n-p-n-struktur, vil forspenningskilden E B du kan ikke slå den på, siden selv ved positive potensialer ved basen (opptil 0,6 V) er transistoren praktisk talt lukket.

OG port(Tabell 26.1)

Den kan ha to (eller flere) innganger og én utgang og operere med både potensial- og pulssignaler. En analog av den kan være en krets av relékontakter koblet i serie. La oss vurdere driften av AND-elementet, laget på dioder.

Et element designet for å arbeide med signaler i form av spenninger (eller pulser)positiv polaritet i positiv logikk, vist i fig. 26.3, a. Den har tre innganger og en utgang.Elementet implementerer OG-operasjonen ifsignal 1 vises på utgangen bare når signal 1 er tilstede på alle innganger samtidig. I dette tilfellet, hvis minst én inngang inneholder et signal som tilsvarer logisk null, må det sendes gjennom en åpen diode til utgangen og sørge for blokkering av de diodene som påvirkes av signaler som tilsvarer logisk 1 fra inngangssiden. vil anta at motstanden til den åpne dioden er R dotkr << R, а потенциалы сигнала и источника питания E схемы имеют значения, удовлетворяющие соотношению U 0 < Е < U 1 .

Hvis ved en av inngangene til kretsen, for eksempel Bx 1 U-signalet er aktivt 0, deretter diode D 1 vil være åpen og strømmen vil flyte gjennom +E-kretsen, motstand R, diode D 1, kilde U 0 . Hele spenningen til kilden E vil bli påført motstanden R og utgangsspenningen vil være lik U 0 , dvs. utgangssignalet er logisk null. De resterende inngangene har et høyt potensial U 1 , så diodene er lukket siden deres anode er koblet til utgangsterminalen med et lavt potensial U 0 , og katoder - til et høyt positivt potensial U 1 .

Hvis spenning U tilføres alle innganger 1 , da vil alle dioder lukkes, strømmen i kretsen er +E K , R, lukket diode, kilde U 1 passerer ikke og spenningsfallet over motstand R er null. Utgangsspenning E > U 0 , som tilsvarer logisk 1. Hvis altså minst én av inngangene påvirkes av et signal som tilsvarer logisk null, tilsvarer utgangssignalet også logisk null. Utgangssignalet tilsvarer logisk 1 bare hvis signalene på alle innganger tilsvarer logisk en.

I fig. 26.3,b, d, e viser elementer designet henholdsvis for å arbeide med signaler med negativ polaritet i positiv logikk, positiv (fig. 26.3, d) og negativ (fig. 26.3, e) polaritet i negativ logikk. Merk at det samme elementet kan operere fra både positive og negative signaler, men polariteten til strømforsyningen må være positiv (+E) for positive signaler og negativ (-E) for negative signaler. Elementene fungerer på samme måte som elementet i fig. 26.3, a. De vanligste elementene vist i fig. 26.3, a, d.

OG-elementet kan fungere uten strømkilde. I dette tilfellet er bare to alternativer for å slå på dioden mulig, og elementet i fig. 26.3, implementerer OG-operasjonen bare fra signaler med negativ polaritet i positiv logikk, og elementet i fig. 26.3, e - bare fra signaler med positiv polaritet i negativ logikk. Elementer uten strømforsyning er mindre å foretrekke enn de med strømforsyning.

ELLER port(Tabell 26.1)

Den kan ha to (eller flere) innganger, én utgang og operere med både potensial- og pulssignaler. En analog av den kan være en krets av parallellkoblede releer.

La oss vurdere et OR-element laget på dioder og designet for å operere fra signaler i form av spenninger (pulser)positiv polaritet i positiv logikk.For at et element skal implementere ELLER-operasjonen, er det nødvendig at utgangssignalet har verdien 1 bare når minst en av inngangene har et signal på 1. I dette tilfellet skal signal 1 ved inngangen sørge for blokkering av alle dioder som påvirkes av signal 0 fra inngangssiden.. Potensialforhold til lav U-signalkilden 0 og høy U 1 nivåer og strømforsyning E til kretsen er den samme som i kretsen til element I: U 0 < E < U 1 (если U 1 < E, то диоды будут всегда закрыты и выходное напряжение не будет изменяться). Сопротивление диода в открытом состоянии R Dotcr ≈ 0.

Hvis alle innganger er forsynt med lavspenning U 0 , alle dioder er lukket, siden potensialet til anodene deres er lavere enn potensialet til katodene (φ K = -E); derfor er utgangsspenningen E< U 1 , dvs. ved utgangen tilsvarer signalet logisk 0. Når det påføres minst én av inngangene, for eksempel In 1 , høyspenning U 1 diode D vil åpne 1 , som er koblet til denne inngangen, og siden motstanden til den åpne dioden er null, så er potensialet φ K = +U 1 og utgangen har et signal U 1 (logisk 1). Hvis på dette tidspunktet en lavpotensial U påføres noen dioder på inngangssiden 0 , vil de være lukket, siden deres katoder vil få en potensiell φ K = +U 1 . Dermed vil utgangssignalet tilsvare logisk 1 hvis minst en av inngangene (enten den første, eller den andre eller den tredje) signalet tilsvarer logisk 1.

La oss sammenligne fig. 26.5, a, som viser et ELLER-element designet for å operere fra positive polaritetssignaler i negativ logikk, fra fig. 26.3, g. De er like. Dermed kan det bemerkes at en ELLER-port i positiv logikk kan utføre en OG-operasjon i negativ logikk og omvendt. Alle elementer og i fig. 26.3, i en annen logikk enn for AND-elementet, implementer OR-operasjonen.

OR-elementet, som AND-elementet, kan ikke inneholde en strømkilde. Element i fig. 26.5,b er designet for å operere fra signaler med positiv polaritet i positiv logikk, og i fig. 26,5, inn - fra signaler med negativ polaritet i negativ logikk. Sammenligning av disse OR-elementene med OG-elementene i fig. 26.3, c, f bekrefter at begge elementene kan utføre begge operasjoner: AND og OR; element AND (OR) - i positiv logikk, i negativ logikk - OR (AND).

OR - NOT og AND - NOT-operasjonene dannes ved å invertere resultatene oppnådd ved å utføre henholdsvis OR- og AND-operasjonene:

ELLER - IKKE (26.1)

OG IKKE (26.2)

som man kan se av sannhetstabellen for to inngangselementer (tabell 26.2).

Tabell 26.2 - sannhetstabell for to inngangselementer

Et element som utfører AND - NOT-operasjonen i positiv logikk (tabell 26.3) vil utføre OR - NOT-operasjonen i negativ logikk (tabell 26.4).

Tabell 26.3 Tabell 26.4

Integrerte logiske elementer er designet for å fungere med signaler i potensiell form. De kan utføres ved hjelp av forskjellige typer logikk. Typen logikk påvirker egenskapene til elementet. I integrerte bipolare mikrokretser brukes ofte n-p-n-type silisiumtransistorer (se merknad om NOT-elementet). I metningsmodus er spenningen mellom emitteren og kollektoren til slike transistorer relativt høy (0,4 V og over).

Forelesning 27

Grunnleggende om digitale kretsløp

27.1 logiske elementer på transistorer

OG-logikkelementet er IKKE diode-transistorlogikk (DTL). Inngangssignaler mates til OG-elementet, tas utgangssignalet fra IKKE-elementet. Ved utgangen av OG - IKKE-elementet vil altså signalet være logisk 1 dersom det er et signal som tilsvarer logisk 0 ved inngangen til NOT-elementet. For at dette skal skje, må minst én inngang til OG-elementet være leveres med et signal som tilsvarer logisk 0. Logisk OG element - IKKE for signaler med positiv polaritet er vist i Fig. 27.1. Det er en forbindelse gjennom dioder D Med to elementer: et diodeelement OG og et transistorelement NOT (se henholdsvis fig. 26.3, a og fig. 26.1, som viser elementene NOT og AND). I dette tilfellet har ikke "NOT"-elementet en forskyvningskilde E B , basert på en kommentar tidligere om driften av silisiumtransistorer. I tillegg må spenningsverdiene som tilsvarer logisk 0 og 1 velges riktig, siden ved en grunnspenning litt mindre enn 0,6 V, vil transistoren være lukket, og i metningsmodus, spenningen mellom emitter og kollektor er 0,4 V (og høyere).

La oss vurdere funksjonen til elementet. Hvis spenning U tilføres alle innganger 1 (logisk 1), alle dioder (D 1 D 2, D 3 ) vil bli lukket og strømmen i kildekretsen E 1, motstand R 1 , åpne dioder Dc vil gå inn i basen av transistoren. På grunn av spenningsfallet over motstand R 1 potensial φ 1 vil være litt under potensiell +E 1, diode D 1 potensialet til basen φ vil også bli åpnet B transistoren er mindre enn potensialet φ 1 til verdien av spenningsfallet over diodene Dc (men over 0,6V, så transistoren vil være i metningsmodus). Elementutgangen vil IKKE settes til lavspenning U 0 , tilsvarende logisk 0. Hvis minst én inngang, for eksempel In 1 , vil spenning U påføres 0 , deretter den tilsvarende dioden D 1 potensialet φ vil også være åpent 1 vil være ≈ U 0 . Aktuell fra kilde E 1 vil gå gjennom motstand R 1 . En del av strømmen vil lukkes gjennom den åpne dioden D 1 ; kilde U 0, kilde E 1 , delvis gjennomgående forspenningsdioder Dc, motstand R 2 og kilde E 1 . Grunnpotensial φ B = U BE vil være under potensialet φ 1 til verdien av spenningsfallet over forspenningsdiodene DC. I dette tilfellet beregnes elementet på en slik måte at spenningsfallet over diodene Dc er slik at φ B = U BE > 0, men betydelig mindre enn 0,6V. I dette tilfellet vil transistoren være lukket og spenningen ved utgangen til NOT-elementet vil være lik E K > U 0 , dvs. vi får logisk 1.

OG gate - IKKE transistor-transistor logikk (TTL). Det enkleste elementet OG - IKKE er vist i fig. 27.2, a. Den består av to deler: et OG-element på en multi-emitter transistor T 1 og NOT-elementet på transistoren T 2 . Direkte tilkobling: samler T 1 koblet til basen til transistoren T 2 . Forspenning i basiskretsen til transistoren T 2 utfører samlerovergang T 1 . Tre emitterkryss T 1 koblet til inngangen til elementet (fig. 27.2,b), utføre funksjonene til inngangsdioder i OG-kretsen på dioder.

Sammenlignet med DTL-elementer har TTL-elementer høyere ytelse. Elementet er laget ved hjelp av integrert kretsteknologi, så det inneholder ikke reaktive elementer. Den opererer fra signaler i form av spenninger med positiv polaritet.

La oss vurdere prinsippet om drift av slike elementer. Hvis spenning U tilføres alle innganger 1 , så vil alle emitterkryss forskyves i motsatt retning. Samlerpotensial for transistor T 2 viser seg å være nær null, base-kollektorkrysset er forskjøvet i foroverretningen på grunn av kilden +E K. Transistor T 1 vil være i invers modus, transistor T 2 - i metningsmodus. Samlerstrøm transistor T 1 flyter inn i bunnen av transistoren T 2 , og lar sistnevnte være i metningsmodus. Dermed vil utgangen være en lavnivåspenning U 0 , dvs. logisk 0.

Hvis spenning U påføres en av inngangene 0 , deretter transistorbasispotensialet T 1 vil bli høyere enn emitter- og kollektorpotensialene, så T 1 vil være i metningsmodus og basisstrømmen vil stenge gjennom emitterkryssene T 1 og vil ikke gå til samleren sin, og derfor til basen T 2 . Derfor transistor T 2 vil være lukket, og ved utgangen vil det være en høyspenning (logisk 1). Dermed utfører elementet OG - IKKE-operasjonen, siden et logisk nullsignal kan sendes ut ved utgangen bare når et logisk ett-signal påføres alle innganger.

27.2.1 ELLER gate - IKKE p-kanal MOSFET-logikk (MOSTL)). I logiske kretser basert på felteffekttransistorer brukes kun MOS-transistorer med SiO-dielektrisk 2 . De viktigste fordelene med MOS-transistorkretser sammenlignet med andre kretser er en høy grad av integrasjon og økt støyimmunitet.

La oss vurdere en OR - NOT-krets på en MOS-transistor med en indusert n-kanal (fig. 27.3). I motsetning til de tidligere diskuterte kretsene, i stedet for en lastmotstand R K det er en MOS-transistor (i diagrammet i fig. 27.3 er det betegnet T K ). Dette er fordi en belastningsmotstand vil øke arealet av kretsen betraktelig. Logiske transistorer T 1 og T 2 koblet parallelt. Inngangsspenningen på hver av dem er lik portspenningen: U VX1 = U ZI1, U VX2 = U ZI2 ; utgangsspenning er lik dreneringsspenning: U UT = U SI . Tilførselsspenningen velges vanligvis til å være tre ganger større enn terskelen Uthr (Uthr er portspenningen som en kanal dannes ved).

Hvis Uthr = 2.0V, er den logiske differensialen (forskjellen mellom inngangs- og terskelspenningene) 4 V. De logiske nivåene tilsvarer utgangsspenningene til de åpne og lukkede transistorene. Hvis begge inngangene forsynes med en spenning mindre enn terskelen (tilsvarer logisk null), vil transistorer T 1 og T 2 vil bli stengt, og avløpsstrømmen vil være nesten lik null. I dette tilfellet vil dreneringsstrømmen til lasttransistoren T K vil også være lik null. Derfor vil utgangsspenningen være nær spenningen til strømkilden E C og tilsvarer logisk 1.

Hvis en spenning som overstiger terskelen (tilsvarende logisk 1) påføres inngangen til minst en transistor, vil denne transistoren åpne og en dreneringsstrøm vises. Så ved utgangen av kretsen vil det være en restspenning betydelig mindre enn terskelspenningen, som tilsvarer logisk 0.

27.2.2 Komplementær transistor MOS-logikk (CMOS).Et særtrekk ved CMOS-kretser sammenlignet med bipolare teknologier (TTL, ESL, etc.) er svært lavt strømforbruk i statisk modus (i de fleste tilfeller kan det antas at energi bare forbrukes under tilstandsbytte). Et særtrekk ved CMOS-strukturen sammenlignet med andre MOS-strukturer (N-MOS, P-MOS) er tilstedeværelsen av både n- og p-kanals felteffekttransistorer (fig. 27.4); Som et resultat har CMOS-kretser høyere driftshastigheter og lavere strømforbruk, men er også mer komplekse. teknologisk prosess produksjon og lavere emballasjetetthet.

Tenk for eksempel på en 2I-NOT-portkrets bygget ved hjelp av CMOS-teknologi (Figur 27.5).

Hvis et høyt nivå påføres både innganger A og B, er begge transistorene i bunnen av kretsen åpne, og begge topptransistorene er lukket, det vil si at utgangen er koblet til jord.

Hvis du bruker minst én av inngangene lavt nivå, vil den tilsvarende transistoren være åpen øverst og lukket nederst. Dermed vil utgangen kobles til forsyningsspenningen og kobles fra jord.

Det er ingen belastningsmotstander i kretsen, så i en statisk tilstand flyter bare lekkasjestrømmer gjennom CMOS-kretsen gjennom transistorene utenfor kretsen, og strømforbruket er svært lavt. Når du bytter, brukes elektrisk energi hovedsakelig på å lade kapasitansene til portene og lederne, så strømmen som forbrukes (og forsvinner) er proporsjonal med frekvensen til disse koblingene (for eksempel prosessorens klokkehastighet).

2OR-NOT-kretsen (Figur 27.6) fungerer som følger: når begge inngangene er lave, er begge transistorene på toppen åpne og utgangen er høy. Hvis et høyt nivå påføres en av inngangene, vil en av transistorene i bunnen være åpen og utgangen kobles til jord.

På figuren med topologien til 2I-NOT-mikrokretsen kan du se at den bruker to dobbelgate-felteffekttransistorer med forskjellig design. Den øvre to-gate-FET utfører 2OR-logikkfunksjonen, og den nedre to-gate-FET utfører 2I-logikkfunksjonen.

Nedenfor er 2OR-NOT-skjemaet brukt ved OJSC Integral.

Alle betegnelser i figur 27.6 er hentet fra ventilnivåbiblioteket til JSC Integral. Der (i biblioteket) er tidsforsinkelser og effekttap ved ulike ventilbelastninger og dens topologiske implementering gitt.

De aller fleste moderne logikkbrikker, inkludert prosessorer, bruker CMOS-kretser.

Vi vil begynne studiet av de grunnleggende elementene i digital elektronikk med de enkleste, og deretter vil vi vurdere flere og mer komplekse. Eksempler på bruken av hvert neste element vil være basert på alle elementene diskutert tidligere. På denne måten vil hovedprinsippene for å konstruere ganske komplekse digitale enheter gradvis bli gitt.

Logiske elementer (eller, som de også kalles, porter) er de enkleste digitale mikrokretsene. Det er denne enkelheten som skiller dem fra andre mikrokretser. Som regel kan en mikrokretspakke inneholde fra ett til seks identiske logiske elementer. Noen ganger kan forskjellige logiske elementer være plassert i samme pakke.

Vanligvis har hvert logikkelement flere innganger (fra én til tolv) og én utgang. I dette tilfellet er forbindelsen mellom utgangssignalet og inngangssignalene (sannhetstabellen) ekstremt enkel. Hver kombinasjon av elementinngangssignaler tilsvarer et null eller ett nivå ved utgangen. Logiske elementer har ikke noe internt minne, så de tilhører gruppen av såkalte kombinasjonskretser. Men i motsetning til de mer komplekse kombinasjonskretsene som diskuteres i neste forelesning, har logiske porter innganger som ikke kan deles inn i grupper som er forskjellige i funksjonene de utfører.

De viktigste fordelene med logiske elementer, sammenlignet med andre digitale mikrokretser, er deres høye ytelse (korte forsinkelsestider), samt lavt strømforbruk (lavt strømforbruk). Derfor, i tilfeller der den nødvendige funksjonen kan implementeres utelukkende ved hjelp av logiske elementer, er det alltid fornuftig å analysere dette alternativet. Ulempen deres er at det er ganske vanskelig å implementere komplekse funksjoner på grunnlag av dem. Derfor brukes oftest logiske elementer bare som et tillegg til mer komplekse, mer "smarte" mikrokretser. Og enhver utvikler streber vanligvis etter å bruke dem så lite og så sjelden som mulig. Det er til og med en oppfatning at utviklerens dyktighet er omvendt proporsjonal med antall logiske elementer han bruker. Dette er imidlertid ikke alltid sant.

Invertere

Det enkleste logiske elementet er omformeren (logisk element IKKE, "inverter"), allerede nevnt i første forelesning. Omformeren utfører den enkleste logiske funksjonen - inversjon, det vil si å endre inngangssignalnivået til det motsatte. Den har bare én inngang og én utgang. Omformerutgangen kan være av typen 2C eller OK. På ris. 3.1 symboler for omformeren brukt her og i utlandet vises, og i bord 3.1 Sannhetstabellen til omformeren er presentert.

Ris. 3.1. Symboler for omformere: utenlandske (venstre) og innenlandske (høyre)

Det er vanligvis seks invertere i en brikkepakke. Hjemmebetegnelsen for invertermikrokretser er "LN". Eksempler: KR1533LN1 (SN74ALS04) - seks omformere med 2C-utgang, KR1533LN2 (SN74ALS05) - seks omformere med OK-utgang. Det finnes også omformere med OK utgang og med økt utgangsstrøm (LN4), samt med økt utgangsspenning (LN3, LN5). For omformere med OK-utgang må utgangsmotstanden være aktivert. Minimumsverdien kan beregnes veldig enkelt: R< U/I OL , где U - напряжение питания, к которому подключается резистор. Обычно величина резистора выбирается порядка сотен Ом - единиц кОм.

De to hovedapplikasjonene til omformere er reversering av signalpolaritet og reversering av signalkant. (Fig. 3.2). Det vil si at fra et positivt inngangssignal lager omformeren et negativt utgangssignal og omvendt, og fra en positiv kant på inngangssignalet en negativ kant på utgangssignalet og omvendt. En annen viktig søknad inverter - bufring av signalet (med inversjon), det vil si å øke belastningskapasiteten til signalet. Dette kan være nødvendig når et signal må tilføres mange innganger, men utgangsstrømmen til signalkilden er utilstrekkelig.

Ris. 3.2. Signalpolaritetsinversjon og signalkantinversjon

Det er omformeren, som det enkleste elementet, som brukes oftere enn andre elementer i ikke-standard inneslutninger. For eksempel er omformere ofte brukt i firkantbølgegeneratorkretser (Fig. 3.3), hvis utgangssignal periodisk endres fra null til enhet og tilbake. Alle de ovennevnte kretsene, bortsett fra krets d, er laget på K155LN1-elementer, men kan også implementeres på omformere av andre serier med en tilsvarende endring i motstandsverdier. For eksempel, for K555-serien, er motstandsverdiene omtrent tredoblet. Krets d er laget med KR531LN1-elementer, siden den krever høyhastighetsomformere.

Ris. 3.3. Kretser av pulsgeneratorer på omformere

Kretsene a, b og c er konvensjonelle RC-oscillatorer, hvis karakteristika (utgangsfrekvens, pulsvarighet) bare kan beregnes tilnærmet. For kretsene a og b, med de indikerte verdiene til motstanden og kondensatoren, vil generasjonsfrekvensen være omtrent 100 kHz, for krets c - omtrent 1 MHz. Disse kretsene anbefales kun å brukes i tilfeller der frekvensen ikke er for viktig, men selve generasjonen er viktig. Hvis den nøyaktige verdien av frekvensen er viktig, anbefales det å bruke kretsene d og d, der frekvensen til utgangssignalet bare bestemmes av egenskapene til kvartsresonatoren. Krets d brukes for en kvartsresonator som opererer ved den første (grunnleggende) harmoniske. Kapasitetsverdien kan estimeres ved hjelp av formelen:

hvor F er generasjonsfrekvensen. Krets d brukes for harmoniske kvartsresonatorer, som opererer med en frekvens høyere enn den grunnleggende med 3, 5, 7 ganger (dette er noen ganger nødvendig for generasjonsfrekvenser over 20 MHz).

Ris. 3.4. Bruke omformere til å forsinke signal

Invertere brukes også i tilfeller der det er nødvendig å oppnå en signalforsinkelse, om enn ubetydelig (fra 5 til 100 ns). For å oppnå en slik forsinkelse slås det nødvendige antall omformere på i serie ( ris. 3.4, ovenfor). Den totale forsinkelsestiden, for eksempel for fire omformere, kan estimeres ved hjelp av formelen

tЗ = 2t PHL + 2t PLH

Riktignok må vi ta i betraktning at vanligvis viser de reelle forsinkelsene til elementene seg å være betydelig lavere (noen ganger til og med halvparten) enn de tabulerte parameterne t PHL og t PLH. Det er ca eksakt verdi Det er ikke nødvendig å snakke om den resulterende forsinkelsen, den kan bare estimeres omtrentlig.

Kondensatorer brukes også til å forsinke signalet (Fig. 3.4, nedenfor). I dette tilfellet oppstår forsinkelsen på grunn av langsom ladning og utladning av kondensatoren (spenning over kondensatoren - UC). Kretsen uten motstand (til venstre i figuren) gir en forsinkelse på ca. 100 ns. I en krets med en motstand (til høyre i figuren) skal motstandsverdien være i størrelsesorden hundrevis av ohm. Men når man velger slike kretser med kondensatorer, må man ta hensyn til at noen serier av mikrokretser (for eksempel KR1533) ikke fungerer godt med langvarige fronter av inngangssignaler. I tillegg må det tas i betraktning at antall tidskondensatorer i kretsen er omvendt proporsjonal med ferdighetsnivået til kretsdesigneren.

Til slutt, en annen anvendelse av omformere, men bare med en OK utgang, er å bygge på deres såkalte "Wired OR"-elementer. For å gjøre dette kombineres utgangene til flere omformere med OK-utganger og kobles til strømkilden gjennom en motstand (Fig. 3.5). Utgangen til kretsen er den kombinerte utgangen til alle elementene. Denne designen utfører den logiske OR-NOT-funksjonen, det vil si at utgangen vil ha et logisk ett-signal bare hvis alle innganger er null. Men logiske funksjoner vil bli diskutert mer detaljert senere.

Ris. 3.5. Kombinere omformerutganger med OK for NOR-funksjonen

Som konklusjon av avsnittet skal det bemerkes at signalinversjon også brukes inne i mer komplekse logiske elementer, så vel som inne i digitale mikrokretser som utfører komplekse funksjoner.

Repeatere og buffere

Repeatere og buffere skiller seg fra invertere først og fremst ved at de ikke inverterer signalet (selv om inverterende buffere også finnes). Hvorfor trengs de da? For det første utfører de funksjonen med å øke belastningskapasiteten til signalet, det vil si at de lar ett signal leveres til mange innganger. Til dette er det buffere med økt utgangsstrøm og 2C-utgang, for eksempel LP16 (seks bufferrepeatere). For det andre har de fleste buffere en OK- eller 3C-utgang, som gjør at de kan brukes til å motta toveis linjer eller multiplekse signaler. La oss forklare disse begrepene mer detaljert.

Ris. 3.6. Toveis linje

Toveis linjer er de linjene (trådene) som signaler kan bevege seg gjennom i to motsatte retninger. I motsetning til ensrettede linjer, som går fra én utgang til én eller flere innganger, kan en toveis linje koble til flere utganger og flere innganger samtidig (Fig. 3.6). Det er klart at toveislinjer kun kan organiseres på grunnlag av OK eller 3C utganger. Derfor har nesten alle buffere akkurat disse utgangene.

Ris. 3.7. Enveis multiplekset linje basert på buffere

Multipleksing er overføring av forskjellige signaler over de samme linjene til forskjellige tider. Hovedformålet med multipleksing er å redusere det totale antallet trunker. En toveis linje er nødvendigvis multiplekset, og en multiplekset linje kan være enten ensrettet eller toveis. Men i alle fall er flere utganger koblet til den, hvorav kun én er i aktiv tilstand til enhver tid. De resterende utgangene er slått av på dette tidspunktet (overført til passiv tilstand). I motsetning til en toveis linje, kan kun én inngang kobles til en multiplekset linje bygget på grunnlag av buffere, men flere utganger med OK eller 3C må kobles til (Fig. 3.7). Multipleksede linjer kan bygges ikke bare på buffere, men også på multiplekserbrikker, som vil bli diskutert i forelesninger 5, 6.

Ris. 3.8. Kombinerer bufferutganger med OK

Et eksempel på buffere med OK-utgang er LP17-brikken (seks OK-buffere). Nøyaktig det samme som ved omformere med OK (se fig. 3.5), kan utgangene fra flere buffere med OK kombineres for å oppnå "Redigering OG"-funksjonen, det vil si at utgangen vil ha et logisk ett-signal bare når alle innganger er en (Fig. 3.8). Det vil si at et OG-element med flere innganger er implementert.

Buffere med 3C-utgang er representert mye mer stort beløp mikrokretser, for eksempel LP8, LP11, AP5, AP6, AP14. Disse bufferne har nødvendigvis en kontrollinngang EZ (eller OE), som gjør utgangene til en tredje, passiv tilstand. Som regel tilsvarer den tredje tilstanden en ener ved denne inngangen, og den aktive tilstanden til utgangene tilsvarer null, det vil si at EZ-signalet har en negativ polaritet.

Buffere kan være ensrettet eller toveis, med eller uten signalinversjon, med kontroll av alle utganger samtidig eller med kontroll av grupper av utganger. Alt dette bestemmer det store utvalget av bufferbrikker.

Tabell 3.2. Buffer sannhetstabell uten inversjon
Inngang		Exit

Den enkleste enveisbufferen uten inversjon er LP8-brikken (fire buffere med 3C-utganger og separat kontroll). Hver av de fire bufferne har sin egen EZ-oppløsningsinngang. Buffersannhetstabellen er veldig enkel (Tabell 3.2): når det er et nullsignal ved kontrollinngangen, gjentar utgangen inngangen, og når det er et enkelt signal, er utgangen deaktivert. Denne mikrokretsen er praktisk å bruke for å behandle enkeltsignaler, det vil si for å gjenta et inngangssignal med muligheten til å slå av utgangen.

Ris. 3.9. Bruke en 3C buffer som buffer med OK

De samme bufferne er noen ganger praktiske å bruke for å erstatte buffere med OK utgang (Fig. 3.9). I dette tilfellet fungerer kontrollinngangen som en informasjonsinngang. Med en null ved inngangen får vi en null ved utgangen, og med en ener ved inngangen får vi en tredje tilstand ved utgangen.

Ris. 3.10. Multipleksing av to inngangskoder ved hjelp av buffere med 3C

Svært ofte er det nødvendig å behandle ikke enkeltsignaler, men grupper av signaler, for eksempel signaler som overfører flerbitskoder. I dette tilfellet er det praktisk å bruke buffere med gruppekontroll, det vil si å ha én EZ-tillatelsesinngang for flere utganger. Eksempler er LP11 mikrokretser (seks buffere, delt inn i to grupper: fire og to buffere, som hver har sin egen kontrollinngang) og AP5 (åtte buffere, delt inn i to grupper på fire buffere, som hver har sin egen kontrollinngang ).

På ris. 3.10 viser et eksempel på multipleksing av to åtte-bits koder ved bruk av to AP5-mikrokretser. Utgangene med samme navn til begge mikrokretsene er kombinert med hverandre. Passasjen av hver av de to inngangskodene til utgangen tillates av sitt eget styresignal (eks. 1 og eks. 2), og samtidig ankomst av disse to signalene må utelukkes slik at det ikke oppstår konflikter ved utgangene.

Ris. 3.11. Aktiver toveis buffer

Toveis buffere, i motsetning til enveis buffere, lar signaler overføres i begge retninger. Avhengig av det spesielle styresignalet T (en annen betegnelse er BD), kan innganger bli utganger og omvendt: utganger kan bli innganger. Det er også en tredje tilstandskontrollinngang EZ, som kan deaktivere både innganger og utganger.

På ris. 3.11 Som et eksempel vises en toveis buffer AP6, som kan overføre data mellom to toveis busser A og B i begge retninger. På et enkelt nivå på styreinngangen T (volt.signal) overføres data fra buss A til buss B, og på nullnivå - fra buss B til buss A (Tabell 3.3). Et enkelt nivå ved kontrollinngangen EZ (Av-signal) kobler mikrokretsen fra begge bussene.

Tabell 3.3. Toveis buffer sannhetstabell
Inngang T	Logg inn-EZ	Operasjon

Toveis overføring kan også organiseres basert på enveis buffere. På ris. 3.12 det er vist hvordan dette kan gjøres på to AP5 mikrokretser. Her med nullsignal Styring. 1 informasjon vil bli overført fra buss A til buss B, og med et nullsignal på kontrollinngangen. 2 - fra buss B til buss A. Hvis begge innganger Styr. 1 og eks. 2 er i enkelttilstand, så kobles bussene A og B fra hverandre, og tilførselen av nuller til begge inngangene til styringen. 1 og eks. 2 må utelukkes, ellers vil tilstanden til både buss A og B være udefinert.

Ris. 3.12. Organisering av toveis overføring ved hjelp av enveis buffere

Buffermikrokretser i innenlandske serier har forskjellige betegnelser: LN, LP, AP, IP, noe som noen ganger gjør valget vanskelig. For eksempel LN6, LP8, LP11, AP5, AP6, IP5, IP6. Buffere med bokstavene LN har inversjon, buffere AP og IP kan være med eller uten inversjon. Alle parametere til buffere er ganske like, forskjellen er i inversjonen, antall biter og kontrollsignaler.

Tidsparametrene til bufferene inkluderer, i tillegg til signalforsinkelsen fra informasjonsinngangen til informasjonsutgangen, også forsinkelsene i overgangen til utgangen til den tredje tilstanden og fra den tredje tilstanden til den aktive tilstanden (t PHZ, t PLZ og t PZH, t PZL). Størrelsen på disse forsinkelsene er vanligvis omtrent dobbelt så store som forsinkelsene mellom inndata og utdata.

Den omskiftbare utgangen til bufferne (både OK og 3C) krever bruk av belastningsmotstander. Ellers blir inngangen koblet til den frakoblede utgangen suspendert, som et resultat av at kretsen kan fungere ustabilt og svikte. Motstanden tilkobles ved OK utgang (pull-up) på standard måte (se fig. 3.8). På samme måte kan en motstand kobles mellom 3C-utgangen og forsyningsspenningen (Fig. 3.13), så når utgangen er deaktivert, vil inngangen motta et logisk ett-nivå. Du kan imidlertid også slå på en motstand mellom utgang og jord, så når utgangen er slått av vil et logisk nullsignal sendes til inngangen. Inkludering av to motstander (resistiv deler) brukes også, mens verdien av den øvre motstanden (koblet til strømbussen) vanligvis velges 2-3 ganger mindre enn den nedre motstanden (koblet til jord), og verdien av parallellkoblede to motstander velges lik ca. 100 ohm. For eksempel kan motstander ha verdier på 240 ohm og 120 ohm, 360 ohm og 130 ohm. Den deaktiverte utgangen oppfattes i dette tilfellet av inngangen som er koblet til den som en enhet.

Ris. 3.13. Aktiverer motstander ved utgangen av 3C-buffere

Noen ganger er motstander ikke koblet til 3C-utgangene i det hele tatt, men i dette tilfellet er det nødvendig å sikre at den påfølgende inngangen mottar signalet fra 3C-utgangen (det vil si reagerer på den) bare når utgangen er i aktiv tilstand. Ellers er funksjonsfeil og feil i driften av enheten mulig.

Ris. 3.14. Bruke buffere for visning

En annen vanlig anvendelse av buffere, på grunn av deres høye utgangsstrømmer, er LED-skjerm. Lysdioder kan kobles til utgangen av buffere på to hovedmåter (Fig. 3.14). I den første av dem (til venstre i figuren) lyser LED-en når det er et 3C eller 2C logisk ett-signal ved utgangen, og i det andre (til høyre i figuren) - når det er et logisk nullsignal på OK-utgangen. Motstandsverdien velges basert på egenskapene til LED-en, men er vanligvis omtrent 1 kOhm.

Elementer OG, OG-IKKE, ELLER, NOR-IKKE

Det neste trinnet mot å øke kompleksiteten til digitale elektronikkkomponenter er elementer som utfører enkle logiske funksjoner. Felles for alle disse elementene er at de har flere lik innganger (fra 2 til 12) og én utgang, hvor signalet bestemmes av en kombinasjon av inngangssignaler.

De vanligste logiske funksjonene er AND (i den hjemlige notasjonen - LI), AND-NOT (betegnet med LA), OR (betegnet med LL) og NOR-NOT (betegnet med LL). Tilstedeværelsen av ordet NOT i elementnavnet betyr bare én ting - innebygd signalinversjon. Følgende forkortelser brukes i det internasjonale notasjonssystemet: AND - AND-funksjon, NAND - AND-NOT-funksjon, OR - OR-funksjon, NOR - OR-NOT-funksjon.

Navnene på OG- og ELLER-funksjonene i seg selv indikerer tilstanden som utgangssignalet vises under ved inngangene. Det er viktig å huske at i dette tilfellet snakker vi om positiv logikk, om positive, enkeltsignaler ved inngangene og utgangene.

OG-elementet genererer en ener ved utgangen hvis og bare hvis det er ener ved alle inngangene (den første, den andre, den tredje osv.). Hvis vi snakker om et OG-IKKE-element, dannes en null ved utgangen, når alle innganger har enere (Tabell 3.4). Tallet før funksjonsnavnet indikerer antall elementinnganger. For eksempel er 8AND-NOT en OG-port med åtte innganger med inversjon ved utgangen.

Tabell 3.4. Sannhetstabell over to-input-elementer AND, NAND, OR, NOR
Inngang 1	Inngang 2	Avslutt og	NAND-utgang	Utgang ELLER	NOR-utgang

OR-elementet genererer null ved utgangen hvis og bare hvis alle innganger er null. OR-NOT-elementet gir en null utgang hvis minst en av inngangene har en ( bord 3.4). Eksempel på betegnelse: 4OR-NOT - fire-inngang ELLER element med inversjon ved utgangen.

Ris. 3.15. Betegnelser på elementer OG, OG-NOT, OR, OR-NOT: utenlandsk (venstre) og innenlandsk (høyre)

Innenlandske og utenlandske betegnelser på diagrammene for to-inngangselementer OG, OG-NOT, OR, NOR-NOT er vist i ris. 3.15. Alle disse elementene kommer med utganger av type 2C, OK og 3C. I sistnevnte tilfelle må det være en aktiveringsinngang –EZ.

Det er ikke vanskelig å legge merke til (se tabell 3.4), at i tilfelle av negativ logikk, med null inngangs- og utgangssignaler, utfører OG-elementet ELLER-funksjonen, det vil si at utgangen vil være null hvis minst en av inngangene er null. Og OR-elementet med negativ logikk utfører OG-funksjonen, det vil si at utgangen vil være null bare når alle innganger inneholder nuller. Og siden signaler i ekte elektroniske enheter kan ha en hvilken som helst polaritet (både positiv og negativ), må du alltid velge elementet som kreves i hvert enkelt tilfelle veldig nøye. Det er spesielt viktig å huske dette når flere ulike logiske elementer med og uten inversjon er koblet i serie for å få en kompleks funksjon.

Derfor er det ikke alltid praktisk for utvikleren å bruke elementene AND, AND-NOT, OR, OR-NOT nøyaktig for å utføre de logiske funksjonene som er angitt i navnet deres. Noen ganger er det mer praktisk å bruke dem som tillat/avslå eller mix/match-elementer. Men først vil vi vurdere tilfeller av implementering av logiske funksjoner på disse elementene.

På ris. 3.16 eksempler på dannelse av utgangssignaler av elementer basert på de nødvendige tidsdiagrammer for inngangs- og utgangssignaler er gitt. I tilfelle a må utgangssignalet være lik en med to enhetsinngangssignaler, derfor er 2I-elementet tilstrekkelig. I tilfelle b må utgangssignalet være lik null når minst ett av inngangssignalene er lik ett, derfor kreves et 2ELLER-IKKE element. Til slutt, i tilfelle B, må utgangssignalet være lik null når et enkelt inngangssignal kommer samtidig. 1, nullsignal inn. 2 og enkeltsignal inn. 3. Følgelig kreves et 3I-NOT-element, og signalet er In. 2 må først snus.

Ris. 3.16. Eksempler på bruk av AND- og OR-elementer

Hvilke som helst av de logiske elementene i gruppen som vurderes kan betraktes som en kontrollert sender av inngangssignalet (med eller uten inversjon).

For eksempel, når det gjelder 2I-NOT-elementet, kan en av inngangene betraktes som informativ, og den andre - kontroll. I dette tilfellet, når kontrollinngangen er én, vil utgangssignalet være lik det inverterte inngangssignalet, og når kontrollinngangen er null, vil utgangssignalet være konstant lik én, det vil si passasjen av inngangssignalet vil bli forbudt. 2I-NOT-elementer med OK-utgang brukes ofte nøyaktig som kontrollerte buffere for drift på en multiplekset eller toveis linje.

På samme måte kan AND, OR, OR-NOT-elementer brukes som et tillatelses-/forbudselement (Fig. 3.17). Forskjellen mellom elementene består bare i polariteten til kontrollsignalet, i inversjonen (eller fraværet av det) av inngangssignalet, samt i nivået på utgangssignalet (null eller én) når inngangssignalet passerer. er forbudt.

Ris. 3.17. Aktivering/forbud mot passasje av signaler på AND, AND-NOT, OR, NOR-NOT-elementer

Ris. 3.18. Utseendet til en ekstra kant når inngangssignalet er deaktivert

Ved bruk av aktivere/deaktivere elementer kan det oppstå ytterligere problemer når signalet fra elementets utgang går til en inngang som reagerer på kanten av signalet. I overgangsøyeblikket fra aktiveringstilstanden til forbudstilstanden og fra forbudstilstanden til aktiveringstilstanden, kan det vises en ekstra flanke i utgangssignalet, som på ingen måte er forbundet med inngangssignalet (fig. 3.18). For å forhindre at dette skjer, må du følge følgende enkle regel: hvis inngangen reagerer på en positiv kant, må utgangen til elementet være null i hemningstilstanden, og omvendt.

Noen ganger er det nødvendig å implementere en funksjon for å blande to signaler med en eller annen polaritet. Det vil si at utgangssignalet må genereres både når ett inngangssignal kommer og når et annet inngangssignal kommer. Hvis begge inngangssignalene er positive og utgangssignalet er positivt, så har vi en ren ELLER-funksjon, og det kreves et 2OR-element. Men med negative inngangssignaler og et negativt utgangssignal, vil et 2I-element være nødvendig for samme blanding. Og hvis polariteten til inngangssignalene ikke faller sammen med den ønskede polariteten til utgangssignalet, er det nødvendig med elementer med inversjon (AND-NOT for positive utgangssignaler og NOR-NOT for negative utgangssignaler). På ris. 3.19 Blandingsalternativer på forskjellige elementer vises.

Ris. 3.19. Implementering av blanding av to signaler

Til slutt er elementene som vurderes AND, AND-NOT, OR, OR-NOT noen ganger praktiske å bruke som matchende kretser for forskjellige signaler. Det vil si at utgangssignalet må genereres når signalene på inngangene faller sammen (ankommer samtidig). Hvis det ikke er samsvar, bør det ikke være noe utgangssignal. På ris. 3.20 Varianter av slike tilfeldighetsskjemaer på fire forskjellige elementer er vist. De er forskjellige i polaritetene til inngangssignalene, så vel som tilstedeværelsen eller fraværet av inversjon av utgangssignalet.

Ris. 3.20. Opplegg for å matche to signaler

La oss vurdere to eksempler på felles bruk av elementene AND, NAND, OR, NOR ( ris. 3.21).

Ris. 3.21. Eksempler på deleelementer

Anta at det er nødvendig å blande to signaler, som hver kan aktiveres eller deaktiveres. La polariteten til inngangssignalene og aktiveringssignalene være positive, og utgangssignalet skal være negativt. I dette tilfellet må du ta to AND-porter med to innganger og blande utgangssignalene deres ved å bruke en NOR-port med to innganger (a).

Anta at det er nødvendig å blande to negative signaler og ett positivt signal, og det resulterende signalet kan aktiveres eller deaktiveres. Polariteten til aktiveringssignalet er negativ, polariteten til utgangssignalet er negativ. For å gjøre dette må du ta et AND-element med tre innganger, en omformer for det negative inngangssignalet og et ELLER-element med to innganger (b).

AND, AND-NOT, OR, NOR-NOT elementer kan også brukes som invertere eller repeatere (Fig. 3.22), for hvilke det er nødvendig å kombinere inngangene eller levere et signal med det nødvendige nivået til ubrukte innganger. Den andre er å foretrekke, siden kombinasjon av innganger ikke bare øker inngangsstrømmen, men også reduserer ytelsen til elementene noe.

Ris. 3.22. Invertere og repeatere

Ris. 3.23. Kombinere I-innganger til mikrokretser

OG-funksjonen kombinerer ofte inngangene til mer komplekse mikrokretser. Med andre ord, noen funksjoner utføres bare når alle innganger kombinert med OG mottar signaler med den nødvendige polariteten. Oftest kombineres inngangene for valg av CS-brikken og kontrollinngangene for den tredje tilstanden til utgangen til EZ-brikken ved å bruke OG. På ris. 3.23 det vises tre eksempler på en slik OG-kombinasjon Det må tas i betraktning at for å utføre funksjonen må det mottas nullsignaler på de inverse inngangene, og enkeltsignaler må mottas på de direkte inngangene. Eksempler inkluderer mikrokretser KR556RT4, KR556RT5, KR1533AP14, KR1533AP15.

Inntil nå, med tanke på elementene AND, NAND, OR, NOR, har vi ikke gått utover det første representasjonsnivået (logisk modell). Dette er ganske akseptabelt i tilfelle når inngangssignalene til elementene ikke endres samtidig eller nesten samtidig, når frontene deres er betydelig adskilt i tid (mer enn forsinkelsestiden til elementet). Med samtidige endringer i inngangssignaler vil alt være mye mer komplisert; det er nødvendig å involvere et andre og noen ganger tredje nivå av representasjon. Når inngangssignalene endres, blir utgangssignalet usikkert, ustabilt og uforutsigbart. Som et resultat, hvis designet er feil, kan det hende at en hel kompleks krets, en hel enhet eller til og med et stort system ikke fungerer.

La oss for eksempel ta et 2AND-NOT logisk element. La signaler komme til inngangene som endres samtidig, og i motfase, det vil si at en bytter fra null til en, og den andre fra en til null. Anta at av en eller annen grunn (på grunn av overføring over ledninger, på grunn av ulike forsinkelser av elementer osv.) har ett av signalene forskjøvet seg litt i tid i forhold til det andre (Fig. 3.24). I dette tilfellet vil to enkeltsignaler være tilstede ved to innganger i en kort periode. Som et resultat vil utgangen begynne å bytte fra en til null. Den kan ha tid til å bytte, og da vil det dannes en kort impuls. Han har kanskje ikke tid til å bytte, og da blir det ingen impuls. Noen ganger kan den ha tid til å bytte, og noen ganger har den kanskje ikke tid, og da vil utgangspulsen enten vises eller ikke. Alt avhenger av hastigheten til elementet og mengden forsinkelse. Den siste situasjonen er den mest ubehagelige, da den kan forårsake en ustabil feil, som er ekstremt vanskelig å identifisere.

Ris. 3.24. Kort puls ved utgangen til 2I-NOT-elementet

Som et eksempel, la oss ta en av de vanligste applikasjonene av elementene som vurderes AND, AND-NOT, OR, NOR-NOT - kodevalg. Essensen av utvalget kommer ned til følgende. La det være en viss buss som koder overføres gjennom. Det er nødvendig å oppdage utseendet til en spesifikk kode på denne bussen, det vil si å generere et utgangssignal som tilsvarer den nødvendige inngangskoden.

Ris. 3,25. Valg av portkode

Kretsen som utfører denne funksjonen er ganske enkel. (Fig. 3.25). Den er basert på AND-NOT-elementer med flere innganger. I dette tilfellet mates signalene som tilsvarer bitene i koden, som skal inneholde enere, direkte til inngangene til NAND-elementene. Og signalene som tilsvarer bitene i koden, som skal inneholde nuller, leveres til inngangene til NAND-elementene gjennom omformere. Utgangssignalene til NAND-portene kombineres ved bruk av NOR-porten. Som et resultat genereres ut-signalet ved utgangen til OR-NOT-elementet. 1 i øyeblikket når den nødvendige koden er til stede ved inngangen.

Synkronisering vil bli diskutert mer detaljert i de følgende forelesningene.

Imidlertid er det tilfeller når den spesifiserte funksjonen til OG, OG-NOT, OR, NOR-NOT-elementer for å generere korte pulser ved endring av inngangssignaler viser seg å være veldig nyttig. For eksempel må vi generere en kort puls på den positive eller negative kanten av et eksisterende signal. Deretter inverteres dette signalet, spesielt forsinket ved hjelp av en kjede av elementer eller kapasitans, og det originale signalet og det forsinkede signalet leveres til inngangene til elementet (Fig. 3.26).

Ris. 3,26. Korte pulsgeneratorer langs kanten av inngangssignalet

En puls på den positive kanten av inngangssignalet dannes på 2I- eller 2I-NOT-elementet (a), og en puls på den negative kanten av inngangssignalet genereres på 2OR- eller 2OR-NOT-elementet (b). Hvis elementet er med inversjon, vil utgangspulsen være negativ, hvis uten inversjon, så positiv. Med kapasitansverdien angitt i diagrammene, er pulsvarigheten ca. 50 ns. For å øke pulsvarigheten, er det nødvendig å øke kapasitansverdien eller antall omformere i forsinkelseskretsen (i dette tilfellet må antallet omformere være oddetall).