Anvendelse av digitale mikrokretser. Ulemper med analoge tekniske midler
Jeg snakket om logiske elementer - "byggesteinene" som utgjør grunnlaget for digital teknologi og deres formål. I dette innlegget vil jeg snakke mer detaljert om bruken av digitale mikrokretser som inneholder logiske elementer.
De enkleste ordningene
Den første ordningen er den enkleste prøvetaker for testing av elektriske kretser. Ved å bruke denne sonden kan du bestemme påliteligheten til elektrisk kontakt, finne en åpen krets og kontrollere brukbarheten til motstander og halvlederdioder og transistorer.
Diagram av en sonde for å teste kontinuiteten til en elektrisk krets.
La oss beskrive arbeidet hans. Når XT-probene er åpne, settes et høyt logisk spenningsnivå ved inngangene til det logiske elementet DD1 i forhold til den felles ledningen. Følgelig vil utgangen fra element DD1 være et lavt logisk nivå, mens LED VD1 ikke vil lyse. Hvis probene er koblet til hverandre, vil DD1-inngangen ha et lavt logisk nivå, og utgangen vil være høy. En lysende diode vil indikere at utgangene er lukket for hverandre. Når probene er koblet til en arbeidskrets, vil LED-en lyse, og hvis LED-en ikke lyser, betyr det at det er en åpen krets i kretsen.
Følgende diagram nedenfor er logisk sonde. Det er ment å bestemme det logiske spenningsnivået i de elektriske kretsene til digitale enheter.
Logisk sondekrets.
I starttilstanden settes et høyt logisk nivå ved inngangene til logisk element DD1 og utgang DD2, og følgelig lyser LED VD1. Når LED-ene er koblet til en krets med høyt logisk nivå, fortsetter VD1-LED-en å lyse, og når et lavt logisk nivå vises ved DD1-inngangen, vil VD1-LED-en slukke tilsvarende.
Ytterligere fortelling om bruk av digitale mikrokretser er ikke mulig uten kunnskap intern struktur digitale TTL- og CMOS-mikrokretser og deres overføringsegenskaper.
Intern struktur av TTL digitale brikker
Alle familier av digitale brikker er basert på grunnleggende logiske elementer. For alle mikrokretser i TTL-familien er et slikt element element 2I-NOT, som har følgende intern organisasjon. Nedenfor er et diagram over 2I-NOT-elementet og dets transiente respons
Skjema for grunnelementet TTL 2I-NOT og dets transiente respons.
Ved inngangen til elementet er multi-emitter transistor VT1 da forsterker trinn på transistor VT2 og push-pull utgangstrinn på transistorene VT3, VT4.
La oss beskrive operasjonen til 2I-NOT logikkelementet. I starttilstanden overstiger ikke inngangsspenningen 0,5 V, og emitterkrysset til transistoren VT1 er åpent, denne spenningen er ikke nok til å overføre kollektorovergangen til åpen tilstand, det samme gjelder emitterkrysset til transistoren VT2, VT4. Derfor er disse transistorene lukket, og transistoren VT3 er åpen, av spenningen som kommer fra R2. Diode VD3 viser seg å være åpen og spenningen ved utgangen av elementet er omtrent 3...4 V ( punkt A). Når spenningen ved emitterne til VT1 begynner å øke, begynner transistor VT2 å åpne seg, og transistor VT3 lukkes jevnt ( seksjon A – B). En ytterligere økning i spenningen på inngangstransistoren fører til at transistor VT2 åpner enda mer, spenningen på R3 øker også og transistor VT4 åpner. Som et resultat omgår emitterkrysset til transistoren VT4 motstanden R3, og transistoren VT2 åpner seg skarpt, og spenningen ved utgangen til elementet synker. I dette øyeblikket ( seksjon B – C) alle transistorer er åpne og inne aktiv modus. Hvis du fortsetter å øke inngangsspenningen, vil transistorene VT2 og VT4 gå inn i metningsmodus ( seksjon B – D), og transistoren VT3 vil lukke og utgangsspenningen vil bli lik metningsspenningen til transistoren VT4, og strømmen vil begrenses av motstanden R4.
Seksjon B – C forbigående respons kan brukes for analog signalbehandling, i denne modusen har transientresponsen høy linearitet og maksimalt strømforbruk.
Intern design av CMOS digitale brikker
Akkurat som i TTL-familien, CMOS-brikker grunnelementet er 2I-NOT, hvis interne struktur er vist nedenfor
Diagram over det grunnleggende 2I-NOT CMOS-elementet og dets forbigående respons.
Dette logiske elementet fungerer komplementære felteffekttransistorer. Transistorer med p-type kanal (VT1, VT2) koblet til den positive lederen til strømkilden, med n-type kanal (VT3, VT4) koblet i serie.
Ved en inngangsspenning på 2 V eller mindre er transistorene VT1 og VT2 åpne, siden spenningen i gate-source-seksjonene (med en forsyningsspenning på 9 V) er minst 7 V. Spenningen i de samme seksjonene av transistorene VT3 og VT4 er utilstrekkelig til å åpne dem, derfor vil det ved utgangen av elementet være en spenning nesten lik forsyningsspenningen, det vil si omtrent 9 V ( punkt A). Når inngangsspenningen øker, begynner transistorene å åpne seg, og VT1 og VT2 begynner å lukke. På seksjon A – B denne prosessen foregår relativt jevnt, og seksjon B – C den er raskere og mest lineær. Ved punkt B transistorene VT1 og VT2 er nesten helt lukket, og VT3 og VT4 er åpne. Utgangsspenningen i dette tilfellet er liten og med en ytterligere økning i inngangsspenningen til nivået til strømkilden, har den en tendens til null ( punkt G).
Logisk element i lineær modus
Bruken av logiske elementer av digitale mikrokretser for å arbeide med analoge signaler er bare mulig hvis de modus byttes til lineær eller i nærheten av det. Så i lineær modus TTL-element tilsvarer en forsterker med en forsterkning på 10 ... 15 (omtrent 20 dB), og CMOS-element– en forsterker med en forsterkning på 10 ... 20 (20 ... 26 dB).
Utgang av et logisk element i lineær modus: fra venstre til høyre ved strøm, spenning, tilbakemelding.
For å sende ut et logisk element til en lineær seksjon, bruk ulike måter. En av dem er basert på inkludering ved inngangen til TTL-elementmotstanden R. Denne motstanden vil føre til at en strøm flyter gjennom emitterkrysset til TTL-elementets inngangstransistor. Ved å endre motstanden til den eksterne motstanden, kan du endre spenningen ved utgangen av elementet, det vil si endre posisjonen til driftspunktet på overføringskarakteristikken. Til TTL-elementer Motstanden til en slik ekstern motstand varierer fra 1 kOhm til 3 kOhm. Imidlertid denne metoden ikke aktuelt for CMOS-brikker, siden de opererer uten utgangsstrømmer (det er lekkasjestrømmer, men de er små og ustabile).
Den andre måten å bringe et logisk element inn i driftsmodus kan være ved å bruke til inngangen til den tilsvarende spenningen, for eksempel ved å bruke resistiv deler. Ja, for TTL-elementer midten av et lineært snitt overføringskarakteristikk tilsvarer inngangsspenning 1,5…1,8 V, og for CMOS 3…6 V(ved forsyningsspenning 9 V). For forskjellige logiske elementer er ikke denne spenningen den samme, så den velges eksperimentelt. Verdiene til inngangsmotstandene er valgt på en slik måte at inngangsstrømmene til elementene ikke påvirker spenningen som fjernes fra den resistive deleren.
Den tredje metoden er den mest effektive for dette skape negativ tilbakemelding (NF) ved likestrøm mellom inngangen og utgangen til elementet, på grunn av hvilken driftspunktet automatisk opprettholdes på den nødvendige delen av overføringskarakteristikken og ikke krever nøye valg av eksterne motstander. Denne metoden er implementert for logiske porter med inversjon inngangssignal: NOT, AND-NOT, OR-NOT.
Motstand motstand i OOS-kretsen velges basert på å gi elementet den nødvendige inngangsstrømmen. Til CMOS-elementer det utgjør fra flere kilo-ohm til titalls mega-ohm, og for TTL – fra titalls ohm til 1 kOhm. Men bruken av OOS reduserer forsterkningen av elementet.
Logiske forsterkere
For å bruke logiske elementer som signalforsterkere, er det nødvendig å bringe driftspunktet til den lineære delen av overføringskarakteristikken. Hovedegenskapene til slike forsterkere er vist i tabellen nedenfor.
| Serie | Opplegg utgang til lineær modus |
Til oss, dB |
Fmax, MHz |
R forbruk mW |
du ut, I |
Rin, kOhm |
R ut, kOhm |
R1, kOhm |
R2, kOhm |
| K155 | OOC | 18 | 40 | 20 | 1,2 | 0,6 | 0,05 | 0,68 | 0,68 |
| Nåværende | 21 | 0,8 | 1,9 | — | |||||
| K176 | OOC | 25 | 5,5 | 5 … 20 | 1,5 | 0,4 | 0,05 | 7,5 | 5,1 |
| Nåværende | 17 | 3 … 4 | 5,0 | 3,5 | 6 | 6,2 | 4 | ||
| 561 | OOC | 25 | 1000 | 7 | 1000 | 1000 |
Kretsen til den enkleste forsterkeren basert på et TTL-element er vist nedenfor. Justering av forsterkeren kommer ned til å stille inn driftspunktet til elementet med trimmemotstanden R1 i midten av den lineære delen av overføringskarakteristikken.
Den enkleste forsterkeren basert på et TTL-element
Ulempe enkle forsterkere er lav inngangsimpedans, som begrenser deres anvendelsesområde. I tillegg er gevinsten liten. Denne ulempen elimineres ved å bruke den i forbindelse med transistorer. Forsterkningen økes ved å koble flere trinn i serie. I tillegg inneholder den digitale brikken flere identiske elementer, som gjør det mulig å lage flerkanalsforsterkere. Et eksempel er diagrammet vist nedenfor. Hovedkarakteristikker til forsterkeren: gain – 50; utgangsimpedans 50 Ohm, inngangsimpedans 5 kOhm, øvre grensefrekvens 40 MHz.
Forsterkerkrets med transistor ved inngangen
CMOS-elementer kan også brukes til forsterkere, kretsen til den ene er vist nedenfor. En vanlig ulempe med CMOS-forsterkere er høy utgangsimpedans. Det kan elimineres ved å installere et logisk element ved utgangen emitter-følger på transistoren og koble den til OOS-kretsen.
Forsterkerkretser basert på CMOS-elementer.
Terskelenheter basert på logiske elementer
Terskelenheter , kalt komparatorer, er designet for å konvertere et analogt signal til digital informasjon. Den enkleste terskelenheten er Schmitt-utløseren, som er beskrevet i denne artikkelen. I tillegg til å generere pulser og gjenopprette digitale signaler, brukes terskelenheter i analog-til-digital-omformere og pulsgeneratorer av forskjellige former.
Diagram over en terskelenhet basert på logiske elementer.
I det store og hele er det logiske elementet i seg selv en terskelenhet, men det overføringskarakteristikk ikke helt lineær. For å øke lineariteten til overføringskarakteristikken til et logisk element, må det dekkes positiv tilbakemelding (POF) ved likestrøm gjennom motstand R2. I dette tilfellet blir det en slags Schmitt trigger med evne til å regulere terskelspenninger. Hystereseløkkebredde(forskjellen mellom terskelspenningene) avhenger av forholdet mellom verdiene til motstandene R1 og R2. Følsomheten avhenger også av disse motstandene. Når R2 øker og R1 reduseres, øker følsomheten og bredden på hysteresesløyfen reduseres. Til TTL-brikker motstand R1 = 0,1 ... 2 kOhm, og R2 = 2 ... 10 kOhm. Terskelenheter basert på CMOS-elementer er svært økonomiske, men ulempen er lav følsomhet. Til CMOS-brikker R1 er flere titalls kilo-ohm, og R2 er flere hundre kilo-ohm.
Generatorer basert på logiske elementer
Digitale mikrokretser er mye brukt i kretsskjemaer for ulike generatorer med frekvenser fra brøkdeler av en hertz til titalls megahertz og et bredt utvalg av pulsformer. Generelt representerer generatorer et forsterkningstrinn eller flere, som er dekket frekvensavhengig tilbakemelding. RC-, LC-, RLC-kretser, samt piezokeramiske og kvartsresonatorer brukes som slike kretser.
Vist under generatorkrets med RC-frekvensavhengig krets. Driften av denne generatoren er assosiert med lade- og utladingsprosessene til kondensator C1 gjennom motstand R1.
RC oscillatorkrets
I denne generatorkretsen er en OOS implementert gjennom motstand R1, som setter det logiske elementet i lineær modus, og en frekvensavhengig POS implementeres gjennom kondensator C1. Denne generatoren bruker både TTL- og CMOS-elementer. Resistansen til motstanden R1 velges på samme måte som for forsterkertrinnet med OOS, og kapasitansen til kondensatoren velges avhengig av nødvendig oscillasjonsfrekvens. Generasjonsfrekvensen kan bestemmes ved å bruke den omtrentlige formelen
F\approx\frac(0.7)(RC)
Ved drift produserer en slik generator firkantede pulser med en driftssyklus tilnærmet lik 2. Den maksimale generasjonsfrekvensen er begrenset av verdien av koblingsforsinkelsen til logiske elementer, så for CMOS-brikker maksimal frekvens er 2…4 MHz, og for TTL- noen titalls MHz.
Ved å bruke digitale brikker kan du også få sinusbølgegenerator, for dette formålet er det nødvendig å bruke LC-krets. Diagrammet for en slik generator er vist nedenfor.
LC oscillatorkrets
Både seriell og parallell brukes som frekvensavhengig kommunikasjon oscillerende krets, men i alle fall vil oscillasjonsfrekvensen samsvare Thompsons formel
F=\frac(1)(2 \pi \sqrt(LC))
Motstanden til motstand R1 velges på samme måte som for forsterkertrinnet.
Ulempen med generatorene beskrevet ovenfor er den lave stabiliteten til den genererte frekvensen. For å øke den brukes piezokeramiske og kvartsresonatorer, inkludert deres i tilbakemeldingskretsen i stedet for en kondensator eller oscillerende krets.
Generatorkrets med kvartsstabilisering frekvenser
Teori er bra, men uten praktisk anvendelse er det bare ord.
"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 triggere
4 REGISTRE
4.2 Minneregistre
4.3 Skiftregistre
4.4 Reversering av registre
4.5 Generelle formålsregistre
5 TELLER
5.4 Ryggemålere
FORORD
Denne metodiske håndboken inneholder informasjon som gir studiet av disipliner:
- "Digital kretsteknikk" for studenter med spesialitet 5.091504 (vedlikehold av datamaskin og intelligente systemer og nettverk);
- "Mikrokretsteknikk" for studenter med spesialitet 5.090805 (Design, produksjon og vedlikehold av 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 hovedtypene digitale enheter som er mye brukt som selvstendige produkter i form av små og middels grad integrasjon, og som en del av høyt integrerte mikrokretser: 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 ordningene er gitt Detaljert beskrivelse logikken i arbeidet 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 av 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 - vitenskapen om anvendelse matematiske metoder for å løse logiske problemer.
Alt digitalt dataenheter 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 forskjellige nivåer og kan derfor representeres binære tegn, 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 enkleste 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 som implementerer 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 ett element av AND-NOT, OR-NOT, etc., men samtidig forringes ytelsen og støyimmuniteten.
Støyimmunitet karakteriserer et elements evne til å fungere korrekt i nærvær av forstyrrelser. Støyimmunitet bestemmes maksimalt tillatt spenning interferens, som sikrer driften av kretsen.
Strømforbruket er preget av en gjennomsnittsverdi
Рср = (Р0 + Р3)/ 2,
hvor P0 og P3 er strømforbruk i åpen og lukket tilstand av kretsen. 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 kretser logiske elementer
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 ikke-lineære motstander utføres av passende påslåtte 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 hvis vi for eksempel bruker inversjon på venstre og høyre del av uttrykk som gjenspeiler loven om inversjon, 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
Mange forskjellige former kan brukes til å skrive den samme logiske algebrafunksjonen. 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 ordning, implementere 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 algoritmisere søket etter nærliggende elementære produkter førte til utviklingen tabellformede metoder 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, øverste linje Kartet for en funksjon av tre variabler tilsvarer nullverdien til variabelen x1, og den nederste 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 på det angitte settet variabel funksjon er lik én, 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, det vil si at de usikre verdiene til cellene på Karnaugh-kartet bør erstattes vilkårlig 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 får et minimalisert logisk uttrykk for den gitte funksjonen (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.
Kombinasjonelle kretser implementerer funksjoner hvis verdier på et gitt tidspunkt bare bestemmes av settet med verdier av inngangsvariabler på samme tidspunkt og ikke avhenger 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 er tallet i skrevet i binært system kalkulus. 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 "0"-signaler til stede i dette øyeblikket, 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.
Gjennomføring nødvendig funksjon utføres på grunnlag av dens sannhetstabell. 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 forventede 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 brukt på adresseinngang 1 og 2 binær kode adresser og til inngangen S til "0"-signalet, er utgangene til multiplekserne koblet til inngangene, 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 binær aritmetikk. Selv om aritmetiske enheter opererer med numeriske verdier, er det også praktisk å bruke sannhetstabeller for å beskrive virkemåten. Aritmetiske enheter er svært mye brukt i digitale datamaskiner og ganske ofte i informasjonsmåleutstyr.
Den viktigste av aritmetiske operasjoner- tillegg (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, binær desimalkode. 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 hoggormer parallell handling tillegg av alle sifre i flersifrede tall skjer 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 betegnelser er brukt i tabellene: Qn – den opprinnelige tilstanden, 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 - de logiske nullverdiene til signalene settes på Q-utgangene. 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 triggere
3.3.1 RS-utløser
Den viktigste rollen i digitale enheter spilles av triggere med synkronisering (klokke) og informasjon (programmering) innganger. En konvensjonell grafisk representasjon og funksjonsdiagram av en synkron RS-flip-flop er presentert i figur 3.3
Figur 3.3 - UGO og funksjonsdiagram av en synkron RS-trigger
Endring av utløserens tilstand er kun mulig dersom det er et enkelt signal ved synkroniseringsinngangen C. Når signalet C er null, oppfattes ikke informasjonen ved styreinngangene 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, skjer det til og med en kortsiktig signalendring 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 opptaksprosessen enkeltsyklus R-S M-S type trigger
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:
Minneregistre;
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 Reversering av 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 timing-innganger 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 ulike 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 vi velger som starttilstanden til den subtraktive telleren desimaltall 7 (binær kode 111), så reduserer sekvensen av inngangspulser innholdet i telleren ned til 000, hvoretter det oppstår et overløp, dvs. en retur til den opprinnelige tilstanden 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 er mulig sekvensiell tilkobling flip-flops 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 overgangsprosessen kan bestemmes som summen av forsinkelsestidene individuelle elementer, tilkobling av triggere og responstidene for 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 den begrensende, siden i en serie med sekvensielt koblede triggere begynner denne triggeren overgangen fra en tilstand til en annen selv før slutten av overgangsprosessen i elementet som eksiterer 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 de mulige måtene å endre det på er 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.
En tvungen telling krever innføring av tilleggselementer i tellerkretsen, for å sikre at på et bestemt tidspunkt legges et tall lik antall redundante tilstander inn i telleren. 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.
Vi starter reisen din inn i elektronikkens verden med et dykk inn i digital elektronikk. For det første fordi dette er toppen av pyramiden i den elektroniske verden, og for det andre, enkle konsepter digital elektronikk er enkel og forståelig.
Har du noen gang tenkt på hvilket fenomenalt gjennombrudd innen vitenskap og teknologi som har skjedd takket være elektronikk og digital elektronikk spesielt? Hvis ikke, ta smarttelefonen og se nøye på den. Et så enkelt utseende er resultatet av en enorm mengde arbeid og fenomenale prestasjoner av moderne elektronikk. Opprettelsen av en slik teknikk ble gjort mulig takket være den enkle ideen om at all informasjon kan representeres i form av tall. Så uansett hvilken informasjon enheten jobber med, innerst inne er det tallknusing.
Du er sannsynligvis kjent med romerske og arabiske tall. I det romerske systemet er tall representert som en kombinasjon av bokstavene I, V, X, L, C, D, M, og på arabisk ved å bruke kombinasjonen av symbolene 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9. Men det finnes andre former for å representere tall. En av dem er binær form. Eller, som det oftere kalles, det binære tallsystemet. I et slikt tallsystem er et hvilket som helst tall en sekvens av bare "0" og "1".
| arabisk | Roman | Binær |
| 0 | - | 00 |
| 1 | Jeg | 01 |
| 2 | II | 10 |
| 3 | III | 11 |
Matematikere og ingeniører har jobbet hardt, og i dag kan all informasjon presenteres som en kombinasjon av nuller og enere: et signal fra en bevegelsessensor, musikk, video, foto, temperatur, og til og med denne teksten du leser nå er faktisk i dybden på enheten din ser ut som en sekvens av nuller og enere.
Uansett hvilken informasjon en digital enhet håndterer, innerst inne behandler den tall.
Hvorfor akkurat "0" og "1", og ikke "0", "1" og "2", for eksempel? Faktisk var det ganske vellykkede forsøk på å lage digital teknologi som ikke bruker binært, men ternært tallsystem ("0", "1" og "2"), men binært vant likevel.
Kanskje hun vant fordi Sovjetunionen kollapset, eller kanskje fordi "0" og "1" er lettere å representere i skjemaet elektriske signaler. Dette betyr at digitale enheter basert på det binære tallsystemet er enklere og billigere å produsere. Jeg skal snakke mer om binære tall senere.
Strukturen til en digital enhet
Nesten alle digitale enheter inneholder typiske elementer, som den består av en kombinasjon. Noen elementer er veldig enkle, noen er mer komplekse, og noen er helt komplekse. I amatørpraksis er de vanligste: triggere, tidtakere, tellere, registre, mikrokontrollere, komparatorer, etc.
La oss velge noe fra denne listen og se hvordan det fungerer. La det være en mikrokontroller (MK)! Ok, jeg innrømmer det. Jeg valgte mikrokontrolleren av en grunn. Faktum er at det var fremkomsten av mikroprosessorer som gjorde en reell revolusjon innen elektronikk og presset utviklingen til et nytt nivå.
MK er den mest tallrike og populære typen mikroprosessorer i verden. Det som gjør det spesielt er at mikrokontrolleren er en mikro-PC – en hel datamaskin i én brikke. Se for deg en datamaskin på størrelse med for eksempel en krone. Dette er MK.
Mikrokontrollere brukes overalt: i moderne TV-er, kjøleskap, nettbrett og sikkerhetssystemer. Uansett hvor noe må kontrolleres, kan en mikrokontroller finne sin plass. Og alt takket være det faktum at, som enhver mikroprosessor, kan MK programmeres. Som et resultat kan samme type brikke brukes i hundrevis av forskjellige enheter.
I våre dager er de mest populære f.eks. AVR mikrokontrollere, PIC, ARM. Hvert av selskapene som produserer de listede typene mikrokontrollere produserer dusinvis, om ikke hundrevis, av varianter av mikrokontrollere designet for alle tenkelige og utenkelige oppgaver.
Hvordan fungerer en mikrokontroller?
Til tross for kompleksiteten i designet til en ekte mikrokontroller, kan du fortelle hvordan den fungerer i bare én setning: "Teksten til programmet er skrevet til minnet til mikrokontrolleren, MK leser kommandoer fra dette programmet og utfører dem," det er alle.
Selvfølgelig kan ikke MK utføre noen kommandoer. Han har et grunnleggende sett med kommandoer som han forstår og vet hvordan han skal utføre. Ved å kombinere disse kommandoene kan du få nesten alle programmer som enheten vil gjøre akkurat det du vil at den skal gjøre.
I den moderne verden kan en mikroprosessor (MK er også en mikroprosessor, men spesialisert) ha enten mange grunnleggende kommandoer eller svært få. Dette er en slik betinget inndeling som til og med ble laget to begreper for: CISC og RISC. CISC er mange forskjellige typer kommandoer for alle anledninger, RISC er kun de mest nødvendige og mest brukte kommandoene, dvs. redusert sett med kommandoer.
De fleste mikrokontrollere er RISC. Dette forklares med det faktum at når du bruker et redusert sett med kommandoer, er mikrokontrollere enklere og billigere å produsere, og de er enklere og raskere for maskinvareutviklere å mestre. Det er mange forskjeller mellom CISC og RISC, men foreløpig er det eneste viktige å huske at CISC har mange kommandoer, RISC har få kommandoer. Vi skal se nærmere på disse to ideene en annen gang.
Hva skjer når mikrokontrolleren slås på?
Så la oss forestille oss en ideell verden der du har en MK og et program allerede er spilt inn i minnet. Eller, som de vanligvis sier, MK er "flash" (i dette tilfellet kalles programmet "firmware") og er klar for kamp.
Hva skjer når du leverer strøm til MK-kretsen din? Det viser seg ikke noe spesielt. Det er ingen magi der i det hele tatt. Følgende vil skje:
Etter at strømmen er satt på, vil mikrokontrolleren gå for å se på hva som er i minnet. Samtidig "vet" han hvor han skal lete for å finne den første kommandoen i programmet sitt.
Plasseringen av begynnelsen av programmet er etablert under produksjonen av MK og endres aldri. MK teller den første kommandoen, utfører den, teller deretter den andre kommandoen, utfører den, deretter den tredje, og så videre til den siste. Når han teller den siste kommandoen, vil alt starte på nytt, siden MK kjører programmet i en sirkel, med mindre han ble bedt om å stoppe. Så det er sånn det fungerer.
Men dette hindrer deg ikke i å skrive komplekse programmer som hjelper deg med å kontrollere kjøleskap, støvsugere, industrimaskiner, lydspillere og tusenvis av andre enheter. Du kan også lære hvordan du lager enheter med MK. Det vil ta tid, lyst og litt penger. Men dette er så små ting, ikke sant?
Hvordan fungerer en typisk MK?
Ethvert mikroprosessorsystem er basert på tre pilarer:
- prosessor(ALU + kontrollenhet),
- Hukommelse(ROM, RAM, FLASH),
- I/O-porter .
Prosessoren, ved hjelp av I/O-porter, mottar/sender data i form av tall, utfører ulike aritmetiske operasjoner på dem og lagrer dem i minnet. Kommunikasjon mellom prosessoren, portene og minnet skjer gjennom ledninger kalt dekk(dekk er delt inn i flere typer etter formål) . Dette generell idé drift av MP-systemet. Som på bildet under.
MK, som jeg allerede skrev, er også en mikroprosessor. Bare spesialisert. Den fysiske strukturen til MK-mikrokretser av forskjellige serier kan variere betydelig, men ideologisk vil de være like og vil for eksempel ha blokker som: ROM, RAM, ALU, inngangs-/utgangsporter, tidtakere, tellere, registre.
| rom | Permanent minne. Alt som er skrevet til den forblir i ROM-en selv etter at enheten er koblet fra strømforsyningen. |
| RAM | Midlertidig minne. RAM er arbeidsminnet til MK. Alle mellomresultater av kommandoutførelse eller data fra eksterne enheter er plassert i den. |
| ALU | Den matematiske hjernen til en mikrokontroller. Det er han som adderer, subtraherer, multipliserer, og noen ganger deler, sammenligner nuller og enere i prosessen med å utføre programkommandoer. Et av de viktigste organene til MK. |
| I/O-porter | Bare enheter for å kommunisere MK med omverdenen. Uten dem kan du verken skrive til eksternt minne eller motta data fra sensoren eller tastaturet. |
| Tidtakere | Lagde du kake eller kylling? Har du satt en tidtaker for å varsle deg når retten er klar? I MK utfører timeren lignende funksjoner: den teller intervaller, gir et signal om drift, etc. |
| Tellere | De kommer godt med når du skal telle noe. |
| Registrerer | Det mest uforståelige ordet for de som minst en gang har prøvd å mestre Assembler på egenhånd. Og forresten, de fungerer på en måte som rask RAM for MK. Hvert register er en slags minnecelle. Og i hver MK er det bare noen få dusin av dem. |
Den moderne utviklingsskalaen for digital elektronikk er så enorm at selv for hvert element fra denne tabellen kan du skrive en hel bok, eller til og med mer enn én. Jeg vil beskrive de grunnleggende ideene som vil hjelpe deg videre uavhengig å forstå mer detaljert hver av enhetene.
Hjernen til mikrokontrolleren
Mikroprosessoren/mikrokontrolleren fungerer alltid i henhold til programmet som er innebygd i den. Programmet består av en sekvens av operasjoner som MK kan utføre. Operasjoner utføres i CPU - dette er hjernen til mikrokontrolleren. Det er dette organet som kan utføre aritmetiske og logiske operasjoner med tall. Men det er fire viktigere operasjoner han kan gjøre:
- lesing fra en minnecelle
- skrive til minnecellen
- lese fra I/O-porten
- skrive til I/O-porten
Disse operasjonene er ansvarlige for å lese/skrive informasjon til minnet og eksterne enheter gjennom I/O-porter. Og uten dem blir enhver prosessor til ubrukelig søppel.
Teknisk sett består prosessoren av en ALU (prosessorkalkulator) og en kontrollenhet som styrer samspillet mellom I/O-porter, minne og en aritmetisk logikkenhet (ALU).
Mikrokontroller minne
Tidligere, i tabellen med typiske enheter inkludert i MK, indikerte jeg to typer minne: ROM og RAM. Forskjellen mellom dem er at i ROM lagres dataene mellom å slå på enheten. Men samtidig er ROM et ganske tregt minne. Derfor er det RAM, som er ganske raskt, men som kun kan lagre data når det tilføres strøm til enheten. Det er verdt å slå av enheten og alle dataene er derfra... ingenting.
Hvis du har en bærbar eller personlig datamaskin, er du kjent med denne situasjonen: du skrev et berg med tekst, glemte å lagre det på HDD, strømmen gikk plutselig ut. Du slår på datamaskinen, men det er ingen tekst. Det er riktig. Mens du skrev det, ble det lagret i RAM. Derfor forsvant teksten da datamaskinen ble slått av.
I den fremmede verden kalles RAM og ROM RAM og ROM:
- RAM (Random Access Memory) - minne med tilfeldig tilgang
- ROM (Read Only Memory) - skrivebeskyttet minne
I vårt land kalles de også flyktig og ikke-flyktig hukommelse. Som, etter min mening, mer nøyaktig gjenspeiler naturen til hver type minne.
rom
I dag har ROM-minne av typen FLASH (eller, etter vår mening, EEPROM) blitt stadig mer utbredt. Den lar deg lagre data selv når enheten er slått av. Derfor, i moderne MCUer, for eksempel i AVR MCU, brukes FLASH-minne som ROM.
Tidligere var ROM-minnebrikker en gang programmerbare. Derfor, hvis et program eller data med feil ble registrert, ble en slik mikrokrets ganske enkelt kastet. Litt senere dukket det opp ROM-er som kunne skrives om mange ganger. Dette var UV-slettbare brikker. De har levd ganske lenge og finnes til og med nå i noen enheter fra 1990-tallet...2000-tallet. For eksempel kommer denne ROM-en fra USSR.
De hadde en betydelig ulempe - hvis krystallen (den som er synlig i vinduet) ble opplyst ved et uhell, kunne programmet bli skadet. Og også ROM er fortsatt tregere enn RAM.
RAM
RAM, i motsetning til ROM, PROM og EEPROM, er flyktige og når enheten er slått av, går all data i RAM tapt. Men ikke en eneste mikroprosessorenhet kan klare seg uten den. Siden under drift er det nødvendig å lagre resultatene av beregninger og data som prosessoren jobber med et sted. ROM er ikke egnet for disse formålene på grunn av sin treghet.
PROGRAM OG DATAMINNE
I tillegg til inndelingen i flyktig (RAM) og ikke-flyktig minne, har mikrokontrollere en inndeling i dataminne og programminne. Dette betyr at MK har et spesielt minne som kun er beregnet for lagring av MK-programmet. I moderne tid er dette vanligvis en FLASH ROM. Det er fra dette minnet at mikrokontrolleren leser kommandoene den utfører.
Separat fra programminnet er det et dataminne der mellomarbeidsresultater og alle andre data som kreves av programmet er plassert. Programminnet er vanlig RAM.
Denne separasjonen er god fordi ingen feil i programmet kan skade selve programmet. For eksempel når MK ved en feil prøver å skrive i stedet for en kommando i programmet tilfeldig tall. Det viser seg at programmet er pålitelig beskyttet mot skade. Forresten, denne divisjonen har sitt eget spesielle navn - "Harvard-arkitektur".
På 1930-tallet ga den amerikanske regjeringen Harvard- og Princeton-universitetene i oppdrag å utvikle arkitektur Datamaskin for marineartilleri. På slutten av 1930-tallet ved Harvard University utviklet Howard Aiken seg arkitektur datamaskin Mark I, heretter oppkalt etter dette universitetet.
Nedenfor har jeg skjematisk avbildet Harvard-arkitektur:
Dermed blir programmet og dataene det jobber med fysisk lagret på forskjellige steder. Når det gjelder store prosessorsystemer som en personlig datamaskin, lagres dataene og programmet på samme sted mens programmet kjører.
MINNETS HIERARKI
HVORDAN HJERNEN TIL EN MIKROKONTROLL ER SIGNERT
Du vet allerede at hjernen til MK er CPU - den sentrale prosessorenheten, som består av en ALU (aritmetisk-logisk enhet) og en kontrollenhet (CU). Kontrollenheten styrer hele orkesteret fra minne, eksterne enheter og ALU. Takket være ham kan MK utføre kommandoer i den rekkefølgen vi ønsker.
ALU er en kalkulator, og kontrollenheten forteller ALU hva, med hva, når og i hvilken rekkefølge den skal beregne eller sammenligne. ALU kan addere, subtrahere, noen ganger dividere og multiplisere, og utføre logiske operasjoner: OG, ELLER, IKKE (mer om dem litt senere)
Enhver datamaskin, inkludert MK, kan i dag bare fungere med binære tall som består av "0" og "1". Det var denne enkle ideen som førte til elektronikkrevolusjonen og den eksplosive utviklingen av digital teknologi.
La oss anta at ALU må legge til to tall: 2 og 5. I forenklet form vil det se slik ut:
I dette tilfellet vet kontrollenheten i hvilket minnested den skal ta tallet "2", hvor tallet "5" og i hvilket minnested resultatet skal plasseres. Kontrollenheten vet om alt dette fordi den leste om det i kommandoen fra programmet som den for øyeblikket leser i programmet. Jeg vil fortelle deg mer detaljert om arematiske operasjoner med binære tall og hvordan ALU-addereren fungerer fra innsiden litt senere.
Vel, sier du, hva om du trenger å få disse tallene ikke fra programmet, men utenfra, for eksempel fra en sensor? Hva burde jeg gjøre? Det er her I/O-porter spiller inn, ved hjelp av hvilke MK kan motta og overføre data til eksterne enheter: skjermer, sensorer, motorer, ventiler, skrivere, etc.
LOGISKE OPERASJONER
Du er sikkert veldig kjent med vitsen om "kvinnelig logikk"? Men vi skal ikke snakke om det, men om logikk i prinsippet. Logikken opererer med årsak-virkning-forhold: hvis solen har stått opp, har den blitt lys. Årsaken "solen stod opp" forårsaket effekten "den ble lys." Dessuten kan vi si "SANN" eller "USANN" om hver påstand.
For eksempel:
- «Fugler svømmer under vann» er løgn
- "Vann er vått" - ved romtemperatur er dette utsagnet sant
Som du merket, kan det andre utsagnet enten være sant eller usant under visse forhold. Datamaskinen vår har bare tall, og ingeniører og matematikere kom opp med ideen om å angi sannhet som "1" og usant som "0". Dette gjorde det mulig å skrive sannheten til et utsagn i form av binære tall:
- "Fugler svømmer under vann" = 0
- "Vann er vått" = 1
Og en slik notasjon tillot matematikere å utføre hele operasjoner med disse utsagnene - logiske operasjoner. George Boole var den første som tenkte på dette. Etter som denne algebraen er oppkalt: "Boolsk algebra", som viste seg å være veldig praktisk for digitale maskiner.
Den andre halvdelen av ALU er logiske operasjoner. De lar deg "sammenligne" utsagn. Det er bare noen få grunnleggende logiske operasjoner: OG, ELLER, IKKE - men dette er nok, siden mer komplekse kan kombineres fra disse tre.
Logisk operasjon OG betegner samtidigheten av utsagn, dvs. at begge påstandene er sanne samtidig. For eksempel uttalelse vil bare være sant hvis begge de enklere påstandene er sanne. I alle andre tilfeller vil resultatet av den logiske OG-operasjonen være falsk.
Logisk operasjon ELLER vil være sant hvis minst ett av utsagnene som er involvert i operasjonen er sant. "Fugler svømmer under vann" og "Vann er vått" sant, siden utsagnet "vann er vått" er sant
Logisk operasjon IKKE endrer sannheten til et utsagn til dens motsatte betydning. Dette er logisk negasjon. For eksempel:
Solen står opp hver dag = SANN
IKKE (Sola står opp hver dag) = IKKE SANN = USANT
Takket være logiske operasjoner kan vi sammenligne binære tall, og siden våre binære tall alltid betyr noe, for eksempel et eller annet signal. Det viser seg at takket være boolsk algebra kan vi sammenligne virkelige signaler. Dette er hva den logiske delen av ALU gjør.
INN-/UTGANGSENHET
Vår MK skal kommunisere med omverdenen. Først da vil det være en nyttig enhet. For dette formålet har MK spesielle enheter som kalles input/output enheter.
Takket være disse enhetene kan vi sende signaler fra sensorer, tastaturer og andre eksterne enheter til mikrokontrolleren. Og etter å ha behandlet slike signaler, vil MK sende et svar gjennom utgangsenhetene, som det vil være mulig å regulere rotasjonshastigheten til motoren eller lysstyrken på lampen.
La meg oppsummere:
- Digital elektronikk - toppen av elektronikkens isfjell
- En digital enhet kjenner og forstår bare tall
- All informasjon: melding, tekst, video, lyd, kan kodes ved hjelp av binære tall
- En mikrokontroller er en mikrodatamaskin på en enkelt brikke
- Ethvert mikroprosessorsystem består av tre deler: prosessor, minne, inngangs-/utgangsenheter
- Prosessoren består av en ALU og en kontrollenhet
- ALU kan utføre aritmetiske og logiske operasjoner med binære tall
Bli hos oss. I de følgende artiklene vil jeg fortelle deg mer detaljert hvordan MK-minnet, I/O-portene og ALU er ordnet. Og etter det vil vi gå enda lenger og til slutt nå analog elektronikk.
p.s.
Fant du en feil? Fortell meg!
Stor radioamatør og programdesigner
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 utfører to laboratoriearbeid, en datamaskin test og ta 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 syntese av digitale enheter.......................................... ...... | ||
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-segment | ||
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 konstruksjon av 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.
Kretsdesign 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 inn i sylinderen til en elektrisk glødelampe og registrerte en strøm i én retning i en ekstern krets. 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 (på dagens språk prøvde de å lage en felteffekttransistor, men de laget en bipolar), tillot forskernes teoretiske trening dem nesten umiddelbart å innse hva de hadde oppdaget og forutsagt hele linjen 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.
Metoder plan teknologi det er 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 mer informasjonskraft enn stor kvantitet transistorer den inneholder, dvs. de 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.
Den russiske føderasjonens departement
Tomsk polytekniske universitet
__________________________________________________________________
E.L. Sobakin
DIGITAL kretsteknikk
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 i høyere utdanning utdanningsinstitusjoner studenter 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) Sekvensiell logiske enheter digital teknologi.
Når du begynner å mestre kurset, bør du studere materialet i den rekkefølgen de spesifiserte delene er oppført i, siden etterfølgende materiale er basert på kunnskap om det forrige, og endring av sekvensen kan føre til vanskeligheter med å mestre det. Dette forverres ytterligere av det faktum at i andre lærebøker og spesiell faglitteratur, ulike termer og begreper brukes 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, interesse for digitale metoder behandling og overføring av informasjon. 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 den spesifiserte informasjonen om objektets tilstand;
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 IMUen ha primære måletransdusere og sensorer, analog-til-digital-omformere og andre funksjonelle enheter ved hjelp av hvilke følgende konverteringer 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, må kontrollenheten utføre aritmetiske og logiske operasjoner for å beregne verdier og sammenligne signaler, kortsiktig og langsiktig memorering (lagring) av signaler og generering 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 bestemt av arten til fysiske prosesser. Hvis kontrollhandlinger er forsinket i tid eller overdreven, kan det oppstå en ustabil driftsmodus for systemet, der koordinatene til objektet kan ta uakseptable verdier og enten selve objektet eller individuelle enheter i systemet vil mislykkes. nødmodus. Derfor, i teorien om selvgående våpen hoved- er problemer med å sikre stabilitet og kontrollnøyaktighet.
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 utføres digitale sensorer av fysiske mengder, samt delvis analog-digital og digital analoge omformere signaler.
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 maksimal hastighet ( ehfeffektivitet) informasjonsoverføring, ekstra signalkonverteringer og spesielle metoder for overføringen er nødvendig.
Slike transformasjoner inkluderer koding og omvendt prosedyre dekoding av informasjon(og signaler). Koding er prosedyren for å konvertere en melding til et signal. I dette tilfellet utføres transformasjoner i henhold til visse regler som helhet kalt kode.
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 støyimmunitet refererer til evnen til et system(signal, kode) utføre sine funksjoner riktig 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, for eksempel å konvertere formen til signaler, deres fysiske natur, normalisering av parametere for signaler mottatt 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(IID) 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 linjetype utføres Prd og Prm ulike transformasjoner signaler 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" produserer 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 stadiet av utviklingen av datateknologi har datamaskiner "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", lagres i en lagringsenhet i form av multi-bit binære tall skrevet inn i minneceller på bestemte 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 aritmetisk logikkenhet 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 kjører nødvendige handlinger. 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 utveksling av informasjon (data) mellom kontrolldatamaskinen og eksterne enheter og bruk av spesielle, såkalte 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, med menneskelig tale overført (via ledninger) av signaler i form av vekselstrømmer 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. Overgangen til digital kommunikasjon gjør det mulig å forbedre kvaliteten på taleoverføring, i tillegg kan telefonnettet brukes til andre tjenester: trygghetsalarm; 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 handling 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. Binær representasjon Signaler har funnet størst anvendelse innen teknologi og formell logikk i beregning av utsagn og i utledning av 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.
Feil tekniske midler analog teknologi
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 høyt energiforbruk, siden analoge elementer opererer i sine lineære seksjoner forbigående egenskaper og "forbruke" energi i de innledende (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, lydopptaksteknologi, radioteknologi og 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 integrert krets(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 mikroprosessor(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 av tilstander og hendelser. Takket være bruken av formaliserte metoder oppnås det multivarians i å løse anvendte problemer, blir det mulig optimalt valg 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 formalisert, og reglene for å skaffe komplekse aritmetiske uttrykk, samt beregningsprosedyrer ved bruk av slike uttrykk. I slike tilfeller sier de, formelle er og sinatTilsis Og språk grammatikk beskrivelser.
I formelle naturlige språk er syntaksen formalisert, og grammatikken (reglene for å konstruere komplekse uttrykk) er underlagt 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;
i henhold til design og tekniske egenskaper, 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 analog 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. 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 Spesielt formål(for eksempel for behandling av radio- og videosignaler, komparatorer, brytere osv.).
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. På samme måte bør mikrokretser av analog-til-digital og digital-til-analog-omformere (ADC og DAC), analoge signalsvitsjer kontrollert av diskrete signaler klassifiseres som "mellomliggende" MEAer.
Avhengig av antall implementerte funksjoner, skilles de enOfunksjonell(enkelt) og multifunksjonell(kompleks) MEU. I multifunksjonelle enheter funksjoner kan 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;
Og 2 L 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 utføre ganske komplekse signalbehandlingsfunksjoner. 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 en kvalitativ karakteristikk av 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. (Dimensjonene til krystallene er standardiserte og begrensede.) Med unipolar teknologi er volumet til krystallen som er okkupert av en 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:
til enkle mikrokretser (IC);
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, bestående 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).
Ved å revidere undervisningsmateriell, 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 klassifiseringsproblemer, 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), så 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.
Lignende dokumenter
Mål med kurset: å studere kretsgrunnlaget moderne datamaskiner, datasystemer og nettverk. De viktigste generasjonene av utvikling av datakretser. Analoge og diskrete elementer. Metoder for å presentere digital informasjon, typer koding.
foredrag, lagt til 17.02.2011
Mikroelektronikk er en uavhengig vitenskapelig, teknisk, teknologisk retning, historiske stadier. Digitale integrerte kretser: logiske grunnprinsipper, signalkoding, klassifisering; utvikling, produksjon, utsikter for utvikling og anvendelse.
opplæring, lagt til 11.11.2010
De viktigste fordelene med digitale kommunikasjonssystemer sammenlignet med analoge. Driftsprinsipper for diskrete enheter, funksjoner i deres konstruksjon. Pulsgeneratorenhet, syntese av teller, multiplekser og dekoder. Utvikling av en asynkron maskin.
kursarbeid, lagt til 21.11.2012
Funksjoner av fiberoptiske overføringssystemer. Valg blokkdiagram digital VOSP. Utvikling av terminalstasjonen til kommunikasjonssystemet, AIM-modulatorer. Prinsipper for å konstruere kodings- og dekodingsenheter. Beregning av hovedparametrene til en lineær bane.
avhandling, lagt til 20.10.2011
Integrerte kretser: informasjon, klassifisering, grafisk betegnelse, merking. Symboler for mikrokretser, grunnleggende elektriske parametere, grunnleggende logiske elementer. Registre, tellere, dekodere, triggere, beskyttelsesenheter.
foredrag, lagt til 20.01.2010
Integrerte kretser, signaler. Driftstakt for en digital enhet. Merking av russiskproduserte digitale mikrokretser. Grunnleggende om produksjon av digitale integrerte kretser. Typer digitale integrerte kretser. Kretsløp til sentralprosessoren.
presentasjon, lagt til 24.04.2016
Egenskaper og omfang av signaler i digitale prosesseringssystemer. Spesialisert digital signalprosessor SPF SM: utviklere og historie, struktur og egenskaper, anvendelsesområde, algoritmer og programvare.
kursarbeid, lagt til 12.06.2010
Integrerte kretser. Underlag for tykkfilmsmikrokretser. Tykkfilmledere og motstander. Grunnleggende egenskaper til resistive filmer. Resistiviteten til en kontinuerlig tykk film. Elektrisk strømoverføring gjennom en tykk filmstruktur.
sammendrag, lagt til 01.06.2009
Maskinvareprinsipper for å konstruere mikroprosessorteknologiske enheter og tilegne seg praktiske ferdigheter i å utvikle mikroprosessorsystemer. Tekniske spesifikasjoner ATmega mikroprosessor og minnebrikkeanalyse. Mikroprosessorsystemdiagram.
kursarbeid, lagt til 19.11.2011
Digital behandling signaler og dets bruk i talegjenkjenningssystemer, diskrete signaler og metoder for deres transformasjon, det grunnleggende om digital filtrering. Implementering av talegjenkjenningssystemer, homomorf talebehandling, opptak og avspillingsgrensesnitt.