metod_15.03.04_atppp_e_ump_2016 (Методические документы), страница 4

Интегральные микросхемы комбинационных устройств2.1.Дешифраторы2.2.Шифраторы2.3.Демультиплексоры2.4.Мультиплексоры2.5.Сумматоры2.6.Обзор не рассмотренных типовых микросхем2.7.Способы электронной реализации выходов в ИСФизические параметры и функциональные возможности логическихэлементов зависят от выполнения выходного каскада (усилителя тока). Наиболеечасто используются пять типов схем выходного каскада, мы рассмотрим четыре изних.2.7.1. Логические элементы со стандартным выходомНа рисунке __ показан ЛЭ со стандартным входом (с активной нагрузкой).Напряжения Uа и Uб всегда изменяются в противофазе (если Uа имеет низкийуровень, то Uб – высокий; здесь низкий и высокий уровни означают значениянапряжений, закрывающих и открывающих соответствующие транзисторы).

Такой0выходной каскад обеспечивает большой выходной ток I вых(открыт нижний1транзистор) и значительно меньший выходной ток I вых(открыт верхнийтранзистор), что обусловлено, в частности, наличием диода и ограничивающеготок резистора R (при коротком замыкании выхода ЛЭ на корпус он не выходит изстроя). Этот выходной каскад в различных сериях микросхем может иметь23различные модификации (различные значения регистра, вместотранзистора и диода может использоваться составной транзистор).верхнего2.7.2.

Логические элементы с открытым коллекторомВ ЛЭ с открытым коллектором (рис __) в качестве выходного каскадаиспользуется транзистор, коллектор которого не подключен к нагрузке. Этитранзисторы изготовляются на разное допустимое напряжение: +5, +15, +30, +35Ви др. Выходы таких ЛЭ должны быть подключены с помощью внешнего резисторак соответствующему источнику питания соответствующего напряжения (+5Встандартно).2.7.3. Логические элементы с открытым эмиттеромВыходные каскады с открытым эмиттером отличаются от выходного каскадас открытым коллектором тем, что эмиттер не подключен внутри ИС к общемувыводу (корпусу), а подключен к отдельному внешнему выводу, тогда какколлектор подключен к выводу, на который подается напряжение питания +5В.Нагрузка к этим ЛЭ подключается между выводами эмиттера и корпуса, т.е.выходной каскад представляет собой эмиттерный повторитель, обеспечивающий1большой выходной ток I вых(вытекающий ток), в отличие от выходного каскада с0открытым коллектором, обеспечивающий большой выходной ток I вых(втекающийток).2.7.4.

Логические элементы с третьим состоянием выходовНа рисунке__ показан ЛЭ с тремя состояниями выхода. ЛЭ имеетуправляющий выход ОЕ (Output Enable – разрешение выхода), одно из значенийсигнала, на котором переводит оба выходных транзистора в закрытое состояние,что обеспечивает на выходе протекание токов через транзистор. Такое состояниевыхода обозначается как Z – состояние.2.7.5. Применение ЛЭ с открытым коллекторомНаиболее важным свойством ЛЭ с открытым коллектором являетсявозможность реализации их с помощью логических функций, называемых«монтажное ИЛИ» и «монтажное И». На рисунке __ показана схема, состоящая изm ЛЭ, каждый из которых имеет выход с открытым коллектором и выполняетфункцию f i v .

Из схемы видно, что ее выходной сигнал принимает значение нуляв тех случаях, когда выходной сигнал хотя бы одного ЛЭ равен нулю. Выходноенапряжение может принимать уровень логической единицы только в том случае,24если все выходные транзисторы закрыты. Таким образом, простое подсоединениеколлекторов выходных транзисторов нескольких ЛЭ к общей нагрузке Rнреализует функцию «монтажное ИЛИ» для нулевых выходных уровней ЛЭ ифункцию «монтажное И» - единичных выходных уровней.m 1m 1i 0i 0В общем виде схема описывается функцией f   f i v    f i v 2.8.Синтез комбинационных схем на основе стандартных микросхем2.8.1.

Применение мультиплексора2.8.2. Применение дешифратора253. Последовательные логические устройстваПоследовательные схемы в отличии от комбинационных зависят не только отзначений входных сигналов, но и от последовательности их изменений впредыдущие моменты времени.3.1.Потенциальные и импульсные сигналыСигнал называется потенциальным, если интервалы времени Ti междусоседними изменениями сигнала значительно больше времени реакции схемы p, вкоторой они используются.

Т.е. сигнал x(t) (рис_) будет потенциальным еслиmin T1 , T2 , T3 ..., Tn    p .Сигнал называется импульсным, если длительность его того же порядка, чтои время реакции схемы (схема должна отреагировать на воздействие импульсногосигнала, а импульсный сигнал должен законница сразу же после окончания в схемепереходного процесса).При аналитическом описании схем, на которые воздействуют импульсныесигналы, используются понятия абстрактных импульсных сигналов, длительностькоторых бесконечно мала.

На рисунке__ показана диаграмма с описанием такихсигналов, это сигналы dx, d x, x . Такие сигналы порождаются изменениямипотенциального сигнала с единичного состояния в нулевое 10 и с нулевогосостояния в единичное 01. Импульсные сигналы описываются соотношениями:dx  xt   xt  t  , где dx – импульсный сигнал, x(t) – значение потенциальногосигнала в данный момент времени, x(t-t) – значение сигнала в предыдущиймомент времени.Для абстрактного импульсного сигнала при t0 ведем обозначения: x(t)=x,*x(t-t)=x*.

Отсюда получим следующие выражения: dx  x  x * , d x  x  x ,x  dx  d x  x  x * .Сигналы различаются на пассивные и активные. Активный сигнал можетбыть как 0 так и 1, если активный 0 то пассивный 1, и наоборот. Если активныйсигнал 0 его называют инверсным, если 1 – то прямой.Различают следующие действия над сигналами и их состояния:- установка сигнала – перевод сигнала в активное состояние,- снятие сигнала – перевод сигнала в пассивное состояние,- положительный фронт сигнала – переход сигнала из 0 в 1,- отрицательный фронт сигнала – переход сигнала из 1 в 0,- передний фронт сигнала – переход сигнала из пассивного состояния вактивное,- задний фронт сигнала – переход сигнала из активного состояния впассивное.263.2.Модели потенциальных схем (автоматов)3.2.1. Основная модель асинхронного потенциального автоматаЭта модель состоит из КС и асинхронных потенциальных элементов памяти(ЭП) в цепях обратной связей, в качестве которых используются асинхронныеэлементы задержки (рис__).Совокупность входных сигналов автоматаv  ( x n1 ,..., x 0 ) называется состоянием входа автомата, совокупность выходныхсостояний автомата   ( z l 1 ,..., z 0 ) - состояние выхода автомата, а совокупностьвыходных сигналов элементов памяти   (Qm1 ,..., Q0 ) - внутренним состояниемавтомата.

Из рисунка следует, что автомат полностью описывается двумяфункциями:Qr  f r v,   - функции переходов автомата,z q   q v,   - функции выходов автомата.Где n – количество входов, m – количество внутренних состояний автомата, l– количество выходов автомата, r=0…m-1, q=0…l-1. f r и  q - некоторые логическиефункции.Автомат может иметь 2n состояний входа, 2l состояний выхода и 2mN o  v 0 ,..., v 2 n 1 ,внутренних состояний.

Множество этих состояний 0   0 ,...,  2 m 1 0   0 ,...,  2l 1 ,в конкретных автоматах могутиспользоваться не полностью. Чтобы задать автомат, следует указатьперечисленные множества, функции переходов и выходов автомата, определенныена эти множества.Основным назначением асинхронных потенциальных ЭП является задержкаизменений внутренних сигналов Qr по отношению к моментам измененийвыходных сигналов КС Qr+, что обеспечивает упорядочивание воздействий на КСвходных и внутренних сигналов.3.2.2.

Основная модель синхронного автоматаЭта модель состоит из КС и синхронных элементах памяти, в качествекоторых используются синхронные элементы задержки (рис. __) информационныхсигналов Qr+ на один период тактовых сигналов H. Из этого следует, что различиесинхронных и асинхронных потенциальных автоматов заключается лишь виспользование различных по функционированию ЭП.

В синхронных ЭП тактовыйсигнал оказывает на них импульсное воздействие в момент изменений с 1 на 0 (или0 на 1), а изменение информационных сигналов Qr+ не воздействуют на ЭП.Выходной сигнал Qr синхронного элемента задержки принимает значение входногосигнала Qr+ в момент импульсного воздействия тактового сигнала H. Тактовый27сигнал H задает дискретное время tд=1,2,3,… (рис__).

На этом основаниифункционирование автомата может рассматриваться только в эти моментывремени при соблюдении следующих условий: входные сигналы xp не должныизменяться в момент времени, когда dH=1; переходной процесс, возникший впредыдущем дискретном моменте времени tд должен закончиться к следующемудискретному моменту времени tд= tд+1.Таким образом, введение тактового сигнала позволяет исключить израссмотрения переходные процессы в синхронном автомате, что нельзя сделать васинхронном потенциальном автомате, в котором изменения выходных сигналовЭП Qr вызываются изменением входных сигналов Qr+.Задание синхронного потенциального автомата осуществляется аналогичноасинхронному потенциальному автомату.3.3.Стандартные последовательные логические устройства3.3.1.

Триггера3.3.2. Регистры3.4.Синтез последовательных логических устройств3.4.1. Синтез асинхронных потенциальных триггеров и элементовпамятиЛюбой такой триггер и ЭП полностью описывается функцией переходовQ   f I n 1 ,..., I 0 , Q где Ii – информационные входные сигналы, Q  Q(t ) значение выходногосигнала в данный момент времени, Q   Q(t  t ) значение выходного сигнала вследующий момент времени. Обычно используются триггеры и ЭП с одним, двумяи тремя информационными входами.Асинхронный потенциальный элемент задержки, используемый в качествеЭП в основной модели автомата, описывается функцией переходовQ  Dгде D  D(t ) - входной информационный сигнал (D –Delay – задержка),Q  Q(t  t ) и t - время задержки сигнала D в ЭП.28Из выше приведенной функции следует, что функция возбуждения элементовзадержки D  Q Любой триггер представляет собой элементарный автомат, так как имееттолько два внутренних состояния, характеризующихся значением выходногосигнала Q=1 или 0.

Основным требованием к ЭП и триггерам является наличие вних полной системы переходов:- для каждого перехода 00; 01; 11; 10 должна существовать хотябы одна комбинация значений входных сигналов, под воздействиемкоторых происходят эти переходы.Только при выполнении этого требования к ЭП можно из них синтезироватьлюбой автомат. Триггер любого типа, как элементарный автомат, может бытьсинтезирован из ЭП любого наперед заданного типа. В частности, асинхронныепотенциальные триггеры всех типов могут быть синтезированы на основе одногоасинхронного потенциального элемента задержки, который имеет два внутреннихсостояния и обладает полной системой переходов.Элемент памяти типа R-S имеет два информационных входа:- R – вход установки состояния Q=0;- S – вход установки состояния Q=1;- при условии, что значения R=1 и S=1 одновременно подавать запрещено.На рисунке __ показана структурная схема автомата для синтеза ЭП типа RS.

Составив по словесному описанию функционирования ЭП таблицу истинности,получим алгебраическую запись функции в минимизированном виде.Q   S  QRRS  0Второе соотношение указывает, что запрещается одновременно подаватьзначения R=1 и S=1. Первое выражение используется для построения схемы ЭПтипа R-S в базисе И-НЕ: Q   S  Q R  S  Q R На рисунке ___ показана схема ЭПтипа R-S, выполненная на ЛЭ И-НЕ.Отличие триггера от ЭП состоит только в отсутствии асинхронногопотенциального элемента задержки D. Замкнув обратную связь без элементазадержки D, получим схему триггера типа R-S.Анализ схемы показывает, что триггер в устойчивых состояниях имеетпрямой Q и инверсный Q выходы. На рисунке представлены временныедиаграммы, поясняющие работу R-S триггера, из который следует, что припереходных процессах на время задержки сигналов в одном ЛЭ И-НЕ выходныезначения сигналов равны 1.Если алгебраическую функцию для триггера записать в МКНФ, то получитсявыражение:Q   R  QS Q   R  Q  S Этому выражению соответствует схема R-Sтриггера выполненного на ЛЭ ИЛИ-НЕ.29Условныеграфическиеобозначениясинтезированныхтриггеровпредставлены на рисунке __, эти триггеры имеют разные активные уровнивходных информационных сигналов S и R).Методика синтеза триггеров других типов аналогична изложенной методике.Элементы задержки в дальнейшем сразу будем исключать, так как онииспользуются только в соответствующих ЭП.