Министерство Российской Федерации

Томский политехнический университет

__________________________________________________________________

Е.Л. Собакин

ЦИФРОВАЯ СХЕМОТЕХНИКА

Часть I

Учебное пособие

Томск 2002

УДК 681.325.6

Собакин Е.Л. Цифровая схемотехника. Учеб. пособие. Ч.I. Томск: Изд. ТПУ, 2002. - 160с.

В пособии изложены основные вопросы курса лекций для студентов специальности 210100 Управление и информатика в технических системах. Пособие подготовлено на кафедре автоматики и компьютерных систем ТПУ, соответствует учебной программе дисциплины и предназначено для студентов института дистанционного образования.

Печатается по постановлению Редакционно-издательского Совета Томского политехнического университета

Рецензенты:

В.М. Дмитриев профессор, доктор технических наук, заведующий кафедрой теоретических основ электротехники Томского университета систем управления и радиоэлектроники;

С.И. Королёв директор ТОО НПО «Спецтехаудитсервис»,

кандидат технических наук, старший научный сотрудник.

Темплан 2002

Томский политехнический университет, 2002

Введение

Данное учебное пособие предназначено для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности 210100 "Информатика и управление в технических системах". Оно составлено на основе курса лекций, прочитанных автором в Томском политехническом университете в течение ряда лет, и посвящено систематическому изложению методов формализованного построения устройств цифровой техники на микросхемах широкого применения.

В пособии содержатся краткие сведения по интегральным микросхемам, достаточные для определения основных технических показателей и характеристик цифровых устройств, для уяснения их принципа действия и выполнения технических расчётов.

Дисциплину "Цифровая схемотехника" следует рассматривать как продолжение курса «Электроника», который студенты должны освоить предварительно, так как требуются знания элементной базы аналоговых электронных устройств.

Большинство современных систем автоматики, вычислительные системы, системы передачи и обработки информации выполняются на устройствах цифровой техники либо полностью, либо частично. Поэтому знание принципов применения цифровых устройств и построения на их основе систем различного назначения имеет актуальное значение и большую практическую ценность как в инженерной деятельности, так и при исследованиях методологического характера.

Материал пособия условно можно разделить на три части: 1) Основы микроэлектроники; 2) Комбинационные устройства цифровой техники; 3) Последовательностные логические устройства цифровой техники.

Приступая к освоению курса, следует изучать материал в порядке перечисления указанных частей, так как последующий материал основан на знании предыдущего, и изменение последовательности может привести к затруднениям в его усвоении. Это усугубляется ещё и тем, что в иных учебных пособиях и специальной технической литературе используются различные термины и понятия для пояснения одних и тех же явлений, процессов, выполняемых преобразований и т.д. Различие же в используемых понятиях или их некорректность ведёт к непониманию сущности излагаемого материала и, как следствие, возникновению трудностей в его усвоении.

Первые два из указанных разделов вошли в первую часть настоящего пособия (Ч1). Третьему разделу посвящено отдельное пособие.

В1. Применение цифровых устройств

В настоящее время, в связи с созданием и широким внедрением в инженерную практику микропроцессорных устройств и систем, не ослабевает и вновь стимулируется интерес к цифровым методам обработки и передачи информации. Названные методы, в свою очередь, придают системам ряд положительных свойств и качеств. Повышается верность передаваемой информации, достигается высокая скорость и производительность систем обработки информации, обеспечивается приемлемая их стоимость, высокая надёжность, малое потребление энергии и т. д.

Решаемые этими системами задачи весьма разнообразны и предопределяют функции устройств, образующих конкретную систему. Поэтому устройства и их функции целесообразно рассматривать именно в свете тех задач, которые решаются системами и, в частности, тех подзадач, которые выполняются отдельными устройствами либо блоками.

Основными типовыми задачами, возникающими при автоматическом или автоматизированном управлении и контроле производственными или иными процессами, являются:

1. сбор информации (её получение);

преобразование информации (масштабирование, нормализация, фильтрация, кодирование и т. д.);

1. передача-приём информации;

2. обработка и использование информации;

3. хранение информации.

В зависимости от целевого назначения и основных функций различают:

1. Системы автоматического (либо автоматизированного) управления и контроля.

1. Системы передачи информации.

1. Системы обработки информации (вычислительные системы).

Чтобы уяснить взаимосвязь указанных задач, место и роль электронных цифровых устройств, используемых в названных системах, рассмотрим обобщённые структурные схемы этих систем и функциональное назначение их составных частей.

В1.1. Системы автоматического управления

Управлять означает знать состояние (положение) управляемого объекта и в соответствии с заданным алгоритмом (алгоритмом управления) воздействовать на объект, стремясь устранить возникающие отклонения.

Поэтому управление в общем случае связано с выполнением следующих действий:

1. получение информации о состоянии объекта;

2. сопоставление полученной информации с заданной информацией о состоянии объекта;

3. формирование управляющих сигналов (воздействий);

4. воздействие на объект с целью приведения его в требуемое состояние.

В соответствии с перечисленными действиями в систему автоматического управления (САУ) в общем случае должны входить информационно-измерительное устройство, устройство управления и исполнительное устройство (рис. В1).

И

Рис. В1. Обобщённая структурная схема систем автоматического управления

нформационно-измерительное устройство (ИИУ) получает информацию об объекте управления (ОУ) и предварительно её обрабатывает. Получение информации заключается в формировании первичных сигналов, значения которых пропорциональны значениям параметров, характеризующих состояние ОУ. Под объектом можно понимать как отдельную производственную установку, так и производственный процесс в целом. А под параметрами "выходные координаты" объекта. Это могут быть, например, значения температуры, давления, расхода материалов или энергии и тому подобное. Поскольку большинство таких координат-параметров представлены в аналоговой форме и характеризуются бесконечным множеством значений, то сигналы должны быть нормализованы по своим параметрам, масштабированы и иметь унифицированную форму.

Поэтому в ИИУ должны быть первичные измерительные преобразователи и датчики, аналого-цифровые преобразователи и другие функциональные узлы, с помощью которых выполняются следующие преобразования:

1. значений физических величин в унифицированные аналоговые сигналы постоянного или переменного тока;

• масштабирование или нормирование сигналов по уровню и форме;

• преобразование аналоговых сигналов в дискретные (цифровые) сигналы;

кодирование сигналов и некоторые другие преобразования.

Сигналы о текущих значениях координат поступают на устройство управления (УУ). В функции этого устройства входит сравнение текущих значений с заданными значениями координат и формирование по результатам сравнения сигналов управления (управляющих сигналов). Заданные значения могут вводиться человеком-оператором либо автоматически программно. В первом случае в качестве УУ может использоваться автоматический регулятор или несколько автоматических регуляторов, уставки которым определяет и задаёт человек. Во втором случае УУ представляет собой программный автомат мини- либо микроЭВМ и роль человека-оператора сводится к вводу программы и первоначальному пуску системы.

Для выполнения указанных функций от УУ требуется выполнять арифметические и логические операции по вычислению значений и сравнению сигналов, кратковременному и долговременному запоминанию (хранению) сигналов и формированию управляющих унифицированных сигналов. Последние содержат информацию, на основе которой далее формируются воздействия на объект управления (управляющие воздействия), приводящие его в требуемое состояние.

Непосредственно воздействия требуемой физической природы формирует исполнительное устройство (ИУ). Оно преобразует управляющие сигналы, например, в виде напряжения постоянного или импульсного тока, в скорость вращения исполнительного двигателя, в механическое перемещение клапана на паропроводе и так далее. Для выполнения этих преобразований потребуются: преобразователи цифровых сигналов в аналоговые; преобразователи электрических сигналов в неэлектрические; усилительные устройства и т.д. При этом в качестве промежуточных могут потребоваться преобразователи кодов цифровых сигналов, либо формы представления сигналов. Например, кодов двоичных чисел в пропорциональное количество импульсов, однофазных сигналов в многофазные, используемые для управления шаговыми двигателями и т. д.

Под действием возмущающих воздействий объект выходит из нормального состояния (режима), а САУ возвращает его в требуемый (нормальный) режим работы. Процесс управления протекает в реальном масштабе времени, то есть со скоростью, определяемой характером физических процессов. Если управляющие воздействия запаздывают во времени либо чрезмерны, то может возникнуть неустойчивый режим работы системы, при котором координаты объекта могут принять недопустимые значения и либо сам объект, либо отдельные устройства системы выйдут из строя возникнет аварийный режим. Поэтому в теории САУ основными являются проблемы обеспечения устойчивости и точности управления.

Большинство из перечисленных преобразований могут быть выполнены с помощью цифровых микроэлектронных устройств. Полностью цифровым является УУ, когда оно строится на основе управляющих микроЭВМ либо на цифровых микросхемах.

На цифровых микросхемах выполняются цифровые датчики физических величин, а так же частично аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи сигналов.

В1.2. Системы передачи информации (СПИ)

При увеличении расстояния между ИИУ и УУ (рис. В1), а также между УУ и ИУ, возникает задача передачи информации. Необходимость передачи информации на значительные расстояния возникает не только в пространственно развитых системах автоматического управления и контроля, но и в системах других видов связи (телеграфной, телефонной, телефаксной и др.). Кроме того, необходимость передачи информации возникает в вычислительных системах, системах передачи данных, телемеханических системах и т. д. Эта задача осложняется тем, что в процессе передачи по линиям связи искажаются параметры сигналов и это, в свою очередь, может привести к искажению информации к снижению её верности (вероятности правильного её приёма). Искажение же сигналов обусловлено действием помех, возникающих в линиях связи. Помехи, как правило, имеют случайный характер и по своим параметрам могут и не отличаться от параметров сигналов. Поэтому они "способны" искажать сигналы и даже "воспроизводить" информацию трансформировать передаваемое сообщение. Последнее самое нежелательное событие в передаче информации.

Чтобы обеспечить высокую верность и максимальную скорость (эффективность) передачи информации, требуются дополнительные преобразования сигналов и специальные методы их передачи.

К таким преобразованиям относятся кодирование и обратная процедура декодирование информации (и сигналов). Кодирование есть процедура преобразования сообщения в сигнал. При этом преобразования осуществляются по определённым правилам, совокупность которых называется кодом.

Кодирование информации выполняется на передающей стороне, а декодирование на приёмной. Различают помехоустойчивое кодирование и эффективное. Цель помехоустойчивого кодирования построить (сформировать) сигнал, менее подверженный действию помех, придать ему такую структуру, чтобы возникшие в процессе передачи ошибки на приёмной стороне можно было бы обнаружить либо исправить. И, тем самым, обеспечить высокую верность передачи.

Цель эффективного кодирования обеспечить максимальную скорость передачи информации, так как её ценность во многом определяется, насколько своевременно она получена. Согласно этому требованию закодированное сообщение должно нести требуемое количество информации и, в то же самое время, иметь минимальную длину, чтобы на передачу потребовалось минимум времени.

Передача сигналов (и информации) осуществляется по каналам связи. Канал связи это тракт (путь) независимой передачи сигналов от источника к соответствующему приёмнику (получателю) информации. Каналы связи образуются техническими средствами каналообразующей аппаратурой и так же, как и линии связи подвержены влиянию помех.