Θα ξεκινήσουμε τη μελέτη μας για τα βασικά στοιχεία της ψηφιακής ηλεκτρονικής με τα πιο απλά και στη συνέχεια θα εξετάσουμε όλο και πιο σύνθετα. Παραδείγματα εφαρμογής κάθε επόμενου στοιχείου θα βασίζονται σε όλα τα στοιχεία που συζητήθηκαν προηγουμένως. Με αυτόν τον τρόπο θα δοθούν σταδιακά οι βασικές αρχές για την κατασκευή αρκετά σύνθετων ψηφιακών συσκευών.

Τα λογικά στοιχεία (ή, όπως ονομάζονται επίσης, πύλες) είναι τα απλούστερα ψηφιακά μικροκυκλώματα. Αυτή η απλότητα είναι που τα διακρίνει από άλλα μικροκυκλώματα. Κατά κανόνα, ένα πακέτο μικροκυκλώματος μπορεί να περιέχει από ένα έως έξι πανομοιότυπα λογικά στοιχεία. Μερικές φορές διαφορετικά λογικά στοιχεία μπορούν να βρίσκονται στο ίδιο πακέτο.

Συνήθως, κάθε λογικό στοιχείο έχει πολλές εισόδους (από μία έως δώδεκα) και μία έξοδο. Σε αυτή την περίπτωση, η σύνδεση μεταξύ του σήματος εξόδου και των σημάτων εισόδου (πίνακας αλήθειας) είναι εξαιρετικά απλή. Κάθε συνδυασμός σημάτων εισόδου στοιχείου αντιστοιχεί σε ένα μηδέν ή ένα επίπεδο στην έξοδό του. Τα λογικά στοιχεία δεν έχουν εσωτερική μνήμη, επομένως ανήκουν στην ομάδα των λεγόμενων συνδυαστικών κυκλωμάτων. Αλλά σε αντίθεση με τα πιο σύνθετα συνδυαστικά κυκλώματα που συζητήθηκαν στην επόμενη διάλεξη, οι λογικές πύλες έχουν εισόδους που δεν μπορούν να χωριστούν σε ομάδες που διαφέρουν ως προς τις λειτουργίες που εκτελούν.

Τα κύρια πλεονεκτήματα των λογικών στοιχείων, σε σύγκριση με άλλα ψηφιακά μικροκυκλώματα, είναι η υψηλή τους απόδοση (μικροί χρόνοι καθυστέρησης), καθώς και η χαμηλή κατανάλωση ενέργειας (χαμηλή κατανάλωση ρεύματος). Επομένως, σε περιπτώσεις όπου η απαιτούμενη συνάρτηση μπορεί να υλοποιηθεί αποκλειστικά με τη χρήση λογικών στοιχείων, είναι πάντα λογικό να αναλύεται αυτή η επιλογή. Το μειονέκτημά τους είναι ότι είναι αρκετά δύσκολο να υλοποιηθούν σύνθετες λειτουργίες στη βάση τους. Ως εκ τούτου, τις περισσότερες φορές τα λογικά στοιχεία χρησιμοποιούνται μόνο ως προσθήκη σε πιο περίπλοκα, πιο «έξυπνα» μικροκυκλώματα. Και οποιοσδήποτε προγραμματιστής συνήθως προσπαθεί να τα χρησιμοποιεί όσο το δυνατόν λιγότερο και όσο πιο σπάνια γίνεται. Υπάρχει μάλιστα η άποψη ότι η ικανότητα του προγραμματιστή είναι αντιστρόφως ανάλογη με τον αριθμό των λογικών στοιχείων που χρησιμοποιεί. Ωστόσο, αυτό δεν είναι πάντα αλήθεια.

Μετατροπείς

Το απλούστερο λογικό στοιχείο είναι ο μετατροπέας (λογικό στοιχείο ΟΧΙ, "inverter"), που έχει ήδη αναφερθεί στο πρώτη διάλεξη. Ο μετατροπέας εκτελεί την απλούστερη λογική λειτουργία - την αντιστροφή, δηλαδή την αλλαγή της στάθμης του σήματος εισόδου στο αντίθετο. Έχει μόνο μία είσοδο και μία έξοδο. Η έξοδος του μετατροπέα μπορεί να είναι τύπου 2C ή τύπου ΟΚ. Επί ρύζι. 3.1Εμφανίζονται τα σύμβολα του μετατροπέα που έχουν υιοθετηθεί εδώ και στο εξωτερικό και μέσα τραπέζι 3.1Παρουσιάζεται ο πίνακας αλήθειας του μετατροπέα.

Ρύζι. 3.1.Σύμβολα μετατροπέων: ξένο (αριστερά) και εγχώριο (δεξιά)

Υπάρχουν συνήθως έξι μετατροπείς σε ένα πακέτο τσιπ. Η οικιακή ονομασία για μικροκυκλώματα inverter είναι "LN". Παραδείγματα: KR1533LN1 (SN74ALS04) - έξι μετατροπείς με έξοδο 2C, KR1533LN2 (SN74ALS05) - έξι μετατροπείς με έξοδο ΟΚ. Υπάρχουν επίσης μετατροπείς με έξοδο ΟΚ και με αυξημένο ρεύμα εξόδου (LN4), καθώς και με αυξημένη τάση εξόδου (LN3, LN5). Για μετατροπείς με έξοδο ΟΚ, η αντίσταση έλξης εξόδου πρέπει να είναι ενεργοποιημένη. Η ελάχιστη τιμή του μπορεί να υπολογιστεί πολύ απλά: R< U/I OL , где U - напряжение питания, к которому подключается резистор. Обычно величина резистора выбирается порядка сотен Ом - единиц кОм.

Οι δύο κύριες εφαρμογές των μετατροπέων είναι η αντιστροφή πολικότητας σήματος και η αντιστροφή ακμών σήματος. (Εικ. 3.2). Δηλαδή, από ένα θετικό σήμα εισόδου, ο μετατροπέας κάνει ένα αρνητικό σήμα εξόδου και αντίστροφα, και από ένα θετικό άκρο του σήματος εισόδου, ένα αρνητικό άκρο του σήματος εξόδου και αντίστροφα. Μια άλλη σημαντική εφαρμογή ενός μετατροπέα είναι η προσωρινή αποθήκευση σήματος (με αναστροφή), δηλαδή η αύξηση της χωρητικότητας φορτίου του σήματος. Αυτό μπορεί να είναι απαραίτητο όταν ένα σήμα πρέπει να τροφοδοτηθεί σε πολλές εισόδους, αλλά το ρεύμα εξόδου της πηγής σήματος είναι ανεπαρκές.

Ρύζι. 3.2.Αναστροφή πολικότητας σήματος και αναστροφή ακμής σήματος

Είναι ο μετατροπέας, ως το απλούστερο στοιχείο, που χρησιμοποιείται συχνότερα από άλλα στοιχεία σε μη τυποποιημένα εγκλείσματα. Για παράδειγμα, οι μετατροπείς χρησιμοποιούνται συνήθως σε κυκλώματα γεννήτριας τετραγωνικών κυμάτων (Εικ. 3.3), το σήμα εξόδου του οποίου αλλάζει περιοδικά από μηδέν σε μονάδα και πίσω. Όλα τα παραπάνω κυκλώματα, εκτός από το κύκλωμα d, κατασκευάζονται σε στοιχεία K155LN1, αλλά μπορούν να εφαρμοστούν και σε μετατροπείς άλλων σειρών με αντίστοιχη αλλαγή στις τιμές των αντιστάσεων. Για παράδειγμα, για τη σειρά K555, οι τιμές των αντιστάσεων τριπλασιάζονται περίπου. Το κύκλωμα d κατασκευάζεται με στοιχεία KR531LN1, καθώς απαιτεί μετατροπείς υψηλής ταχύτητας.

Ρύζι. 3.3.Κυκλώματα γεννητριών παλμών σε μετατροπείς

Τα κυκλώματα a, b και c είναι συμβατικοί ταλαντωτές RC, τα χαρακτηριστικά των οποίων (συχνότητα εξόδου, διάρκεια παλμού) μπορούν να υπολογιστούν μόνο κατά προσέγγιση. Για τα κυκλώματα a και b, με τις υποδεικνυόμενες τιμές της αντίστασης και του πυκνωτή, η συχνότητα παραγωγής θα είναι περίπου 100 kHz, για το κύκλωμα c - περίπου 1 MHz. Αυτά τα κυκλώματα συνιστώνται να χρησιμοποιούνται μόνο σε περιπτώσεις όπου η συχνότητα δεν είναι πολύ σημαντική, αλλά το γεγονός της ίδιας της παραγωγής είναι σημαντικό. Εάν η ακριβής τιμή της συχνότητας είναι σημαντική, τότε συνιστάται η χρήση κυκλωμάτων d και d, στα οποία η συχνότητα του σήματος εξόδου καθορίζεται μόνο από τα χαρακτηριστικά του συντονιστή χαλαζία. Το κύκλωμα d χρησιμοποιείται για έναν συντονιστή χαλαζία που λειτουργεί στην πρώτη (θεμελιώδη) αρμονική. Η τιμή χωρητικότητας μπορεί να εκτιμηθεί χρησιμοποιώντας τον τύπο:

όπου F είναι η συχνότητα παραγωγής. Το κύκλωμα d χρησιμοποιείται για αρμονικούς συντονιστές χαλαζία, οι οποίοι λειτουργούν σε συχνότητα υψηλότερη από τη θεμελιώδη κατά 3, 5, 7 φορές (αυτό μερικές φορές είναι απαραίτητο για συχνότητες παραγωγής άνω των 20 MHz).

Ρύζι. 3.4.Χρήση μετατροπέων για καθυστέρηση σήματος

Οι μετατροπείς χρησιμοποιούνται επίσης σε περιπτώσεις όπου είναι απαραίτητο να επιτευχθεί καθυστέρηση σήματος, αν και ασήμαντη (από 5 έως 100 ns). Για να επιτευχθεί μια τέτοια καθυστέρηση, ο απαιτούμενος αριθμός μετατροπέων είναι ενεργοποιημένος σε σειρά ( ρύζι. 3.4, παραπάνω). Ο συνολικός χρόνος καθυστέρησης, για παράδειγμα, για τέσσερις μετατροπείς, μπορεί να εκτιμηθεί χρησιμοποιώντας τον τύπο

tЗ = 2t PHL + 2t PLH

Είναι αλήθεια ότι πρέπει να λάβουμε υπόψη ότι συνήθως οι πραγματικές καθυστερήσεις των στοιχείων αποδεικνύονται σημαντικά χαμηλότερες (μερικές φορές ακόμη και οι μισές) από τις παραμέτρους του πίνακα t PHL και t PLH. Δηλαδή, δεν χρειάζεται να μιλήσουμε για την ακριβή τιμή της καθυστέρησης που προκύπτει· μπορεί να εκτιμηθεί μόνο κατά προσέγγιση.

Οι πυκνωτές χρησιμοποιούνται επίσης για την καθυστέρηση του σήματος (Εικ. 3.4, παρακάτω). Σε αυτή την περίπτωση, η καθυστέρηση συμβαίνει λόγω της αργής φόρτισης και εκφόρτισης του πυκνωτή (τάση στον πυκνωτή - UC). Το κύκλωμα χωρίς αντίσταση (αριστερά στο σχήμα) δίνει καθυστέρηση περίπου 100 ns. Σε ένα κύκλωμα με αντίσταση (στα δεξιά στο σχήμα), η τιμή της αντίστασης πρέπει να είναι της τάξης των εκατοντάδων ohms. Αλλά όταν επιλέγετε τέτοια κυκλώματα με πυκνωτές, πρέπει να λάβετε υπόψη ότι ορισμένες σειρές μικροκυκλωμάτων (για παράδειγμα, KR1533) δεν λειτουργούν καλά με παρατεταμένα μέτωπα σημάτων εισόδου. Επιπλέον, πρέπει να ληφθεί υπόψη ότι ο αριθμός των πυκνωτών χρονισμού στο κύκλωμα είναι αντιστρόφως ανάλογος με το επίπεδο ικανότητας του σχεδιαστή του κυκλώματος.

Τέλος, μια άλλη εφαρμογή των μετατροπέων, αλλά μόνο με έξοδο ΟΚ, είναι η κατασκευή στη βάση τους των λεγόμενων στοιχείων «Wired OR». Για να γίνει αυτό, οι έξοδοι πολλών μετατροπέων με εξόδους ΟΚ συνδυάζονται και συνδέονται με την πηγή ισχύος μέσω μιας αντίστασης (Εικ. 3.5). Η έξοδος του κυκλώματος είναι η συνδυασμένη έξοδος όλων των στοιχείων. Αυτός ο σχεδιασμός εκτελεί τη λογική λειτουργία Ή-ΟΧΙ, δηλαδή, η έξοδος θα έχει σήμα λογικό ένα μόνο εάν όλες οι είσοδοι είναι μηδέν. Αλλά οι λογικές συναρτήσεις θα συζητηθούν με περισσότερες λεπτομέρειες αργότερα.

Ρύζι. 3.5.Συνδυασμός εξόδων μετατροπέα με OK για τη λειτουργία NOR

Ολοκληρώνοντας την ενότητα, θα πρέπει να σημειωθεί ότι η αντιστροφή σήματος χρησιμοποιείται επίσης σε πιο πολύπλοκα λογικά στοιχεία, καθώς και σε ψηφιακά μικροκυκλώματα που εκτελούν πολύπλοκες λειτουργίες.

Repeaters και Buffers

Οι επαναλήπτες και οι buffer διαφέρουν από τους μετατροπείς κυρίως στο ότι δεν αναστρέφουν το σήμα (αν και υπάρχουν και αναστροφείς buffer). Γιατί τότε χρειάζονται; Πρώτον, εκτελούν τη λειτουργία της αύξησης της χωρητικότητας φορτίου του σήματος, δηλαδή επιτρέπουν την παροχή ενός σήματος σε πολλές εισόδους. Για αυτό, υπάρχουν buffer με αυξημένο ρεύμα εξόδου και έξοδο 2C, για παράδειγμα, LP16 (έξι επαναλήπτες buffer). Δεύτερον, οι περισσότεροι buffer έχουν έξοδο OK ή 3C, που τους επιτρέπει να χρησιμοποιούνται για τη λήψη αμφίδρομων γραμμών ή για σήματα πολυπλεξίας. Ας εξηγήσουμε αυτούς τους όρους με περισσότερες λεπτομέρειες.

Ρύζι. 3.6.Αμφίδρομη γραμμή

Οι αμφίδρομες γραμμές είναι εκείνες οι γραμμές (καλώδια) μέσω των οποίων τα σήματα μπορούν να ταξιδεύουν σε δύο αντίθετες κατευθύνσεις. Σε αντίθεση με τις μονοκατευθυντικές γραμμές, οι οποίες πηγαίνουν από μια έξοδο σε μία ή περισσότερες εισόδους, μια αμφίδρομη γραμμή μπορεί να συνδέσει πολλές εξόδους και πολλαπλές εισόδους ταυτόχρονα (Εικ. 3.6). Είναι σαφές ότι οι αμφίδρομες γραμμές μπορούν να οργανωθούν μόνο με βάση τις εξόδους OK ή 3C. Επομένως, σχεδόν όλα τα buffer έχουν ακριβώς αυτές τις εξόδους.

Ρύζι. 3.7.Μονόδρομη πολυπλεξική γραμμή που βασίζεται σε buffers

Η πολυπλεξία είναι η μετάδοση διαφορετικών σημάτων στις ίδιες γραμμές σε διαφορετικούς χρόνους. Ο κύριος σκοπός της πολυπλεξίας είναι η μείωση του συνολικού αριθμού των κορμών. Μια αμφίδρομη γραμμή είναι απαραιτήτως πολυπλεγμένη και μια πολύπλεξη γραμμή μπορεί να είναι είτε μονής κατεύθυνσης είτε αμφίδρομη. Αλλά σε κάθε περίπτωση, πολλές έξοδοι συνδέονται σε αυτό, μόνο μία από τις οποίες βρίσκεται σε ενεργή κατάσταση ανά πάσα στιγμή. Οι υπόλοιπες έξοδοι απενεργοποιούνται αυτή τη στιγμή (μεταφέρονται σε παθητική κατάσταση). Σε αντίθεση με μια αμφίδρομη γραμμή, μόνο μία είσοδος μπορεί να συνδεθεί σε μια πολυπλεκτική γραμμή που έχει δημιουργηθεί με βάση buffers, αλλά πρέπει να συνδεθούν πολλές έξοδοι με OK ή 3C (Εικ. 3.7). Οι πολυπλεξικές γραμμές μπορούν να δημιουργηθούν όχι μόνο σε buffers, αλλά και σε τσιπ πολυπλέκτη, τα οποία θα συζητηθούν στις διαλέξεις 5, 6.

Ρύζι. 3.8.Συνδυασμός εξόδων buffer με OK

Ένα παράδειγμα buffer με έξοδο ΟΚ είναι το τσιπ LP17 (έξι OK buffer). Ακριβώς το ίδιο όπως και στην περίπτωση των μετατροπέων με ΟΚ (βλ. Εικ. 3.5), οι έξοδοι πολλών buffer με OK μπορούν να συνδυαστούν για να ληφθεί η συνάρτηση "Επεξεργασία ΚΑΙ", δηλαδή, η έξοδος θα έχει ένα λογικό σήμα μόνο όταν όλες οι είσοδοι είναι μία (Εικ. 3.8). Δηλαδή, υλοποιείται ένα στοιχείο AND πολλαπλών εισόδων.

Τα buffer με έξοδο 3C αντιπροσωπεύονται από πολύ μεγαλύτερο αριθμό μικροκυκλωμάτων, για παράδειγμα, LP8, LP11, AP5, AP6, AP14. Αυτά τα buffer έχουν απαραίτητα μια είσοδο ελέγχου EZ (ή OE), η οποία μετατρέπει τις εξόδους σε μια τρίτη, παθητική κατάσταση. Κατά κανόνα, η τρίτη κατάσταση αντιστοιχεί σε ένα σε αυτήν την είσοδο και η ενεργή κατάσταση των εξόδων αντιστοιχεί στο μηδέν, δηλαδή το σήμα EZ έχει αρνητική πολικότητα.

Τα buffer μπορεί να είναι μονοκατευθυντικά ή αμφίδρομα, με ή χωρίς αναστροφή σήματος, με έλεγχο όλων των εξόδων ταυτόχρονα ή με έλεγχο ομάδων εξόδων. Όλα αυτά καθορίζουν τη μεγάλη ποικιλία των buffer chip.

Πίνακας 3.2. Buffer πίνακα αλήθειας χωρίς αντιστροφή
Είσοδος		Εξοδος

Το απλούστερο μονόδρομο buffer χωρίς αναστροφή είναι το τσιπ LP8 (τέσσερις buffer με εξόδους τύπου 3C και ξεχωριστό έλεγχο). Κάθε ένα από τα τέσσερα buffer έχει τη δική του είσοδο ανάλυσης EZ. Ο πίνακας αλήθειας buffer είναι πολύ απλός (Πίνακας 3.2): όταν υπάρχει μηδενικό σήμα στην είσοδο ελέγχου, η έξοδος επαναλαμβάνει την είσοδο και όταν υπάρχει ένα μόνο σήμα, η έξοδος είναι απενεργοποιημένη. Αυτό το μικροκύκλωμα είναι βολικό στη χρήση για την επεξεργασία μεμονωμένων σημάτων, δηλαδή για την επανάληψη ενός σήματος εισόδου με δυνατότητα απενεργοποίησης της εξόδου.

Ρύζι. 3.9.Χρήση buffer 3C ως buffer με OK

Αυτά τα ίδια buffer είναι μερικές φορές βολικά στη χρήση για την αντικατάσταση των buffer με έξοδο ΟΚ (Εικ. 3.9). Σε αυτήν την περίπτωση, η είσοδος ελέγχου χρησιμεύει ως είσοδος πληροφοριών. Με μηδέν στην είσοδο παίρνουμε μηδέν στην έξοδο και με ένα στην είσοδο έχουμε μια τρίτη κατάσταση στην έξοδο.

Ρύζι. 3.10.Πολυπλεξία δύο κωδικών εισόδου με χρήση buffer με 3C

Πολύ συχνά είναι απαραίτητο να επεξεργάζονται όχι μεμονωμένα σήματα, αλλά ομάδες σημάτων, για παράδειγμα, σήματα που μεταδίδουν κωδικούς πολλαπλών bit. Σε αυτήν την περίπτωση, είναι βολικό να χρησιμοποιείτε buffers με ομαδικό έλεγχο, δηλαδή με μία είσοδο άδειας EZ για πολλές εξόδους. Παραδείγματα είναι τα μικροκυκλώματα LP11 (έξι buffer, χωρισμένα σε δύο ομάδες: τέσσερα και δύο buffer, καθένα από τα οποία έχει τη δική του είσοδο ελέγχου) και AP5 (οκτώ buffer, χωρισμένα σε δύο ομάδες των τεσσάρων buffer, καθεμία από τις οποίες έχει τη δική της είσοδο ελέγχου ) .

Επί ρύζι. 3.10δείχνει ένα παράδειγμα πολυπλεξίας δύο κωδικών οκτώ bit χρησιμοποιώντας δύο μικροκυκλώματα AP5. Οι εξόδους με το ίδιο όνομα και των δύο μικροκυκλωμάτων συνδυάζονται μεταξύ τους. Η διέλευση καθενός από τους δύο κωδικούς εισόδου στην έξοδο επιτρέπεται από το δικό του σήμα ελέγχου (Παρ. 1 και Παράδειγμα 2) και η ταυτόχρονη άφιξη αυτών των δύο σημάτων πρέπει να αποκλείεται ώστε να μην υπάρχουν συγκρούσεις στις εξόδους.

Ρύζι. 3.11.Ενεργοποίηση αμφίδρομης προσωρινής μνήμης

Τα αμφίδρομα buffer, σε αντίθεση με τα μονής κατεύθυνσης buffer, επιτρέπουν τη μετάδοση σημάτων και προς τις δύο κατευθύνσεις. Ανάλογα με το ειδικό σήμα ελέγχου T (μια άλλη ονομασία είναι BD), οι είσοδοι μπορούν να γίνουν έξοδοι και αντίστροφα: οι έξοδοι μπορούν να γίνουν είσοδοι. Υπάρχει επίσης μια είσοδος ελέγχου τρίτης κατάστασης EZ, η οποία μπορεί να απενεργοποιήσει τόσο τις εισόδους όσο και τις εξόδους.

Επί ρύζι. 3.11Για παράδειγμα, εμφανίζεται μια αμφίδρομη προσωρινή μνήμη AP6, η οποία μπορεί να μεταφέρει δεδομένα μεταξύ δύο αμφίδρομων διαύλων Α και Β και προς τις δύο κατευθύνσεις. Σε ένα μόνο επίπεδο στην είσοδο ελέγχου T (σήμα βολτ.), τα δεδομένα μεταφέρονται από το δίαυλο Α στο δίαυλο Β και σε μηδενικό επίπεδο - από το δίαυλο Β στο δίαυλο Α (Πίνακας 3.3). Ένα μόνο επίπεδο στην είσοδο ελέγχου EZ (σήμα απενεργοποίησης) αποσυνδέει το μικροκύκλωμα και από τους δύο διαύλους.

Πίνακας 3.3. Πίνακας αληθειών αμφίδρομης προσωρινής μνήμης
Είσοδος Τ	Είσοδος-EZ	Λειτουργία

Η αμφίδρομη μετάδοση μπορεί επίσης να οργανωθεί με βάση μονοκατευθυντικά buffers. Επί ρύζι. 3.12φαίνεται πώς μπορεί να γίνει αυτό σε δύο μικροκυκλώματα AP5. Εδώ, με μηδενικό σήμα Έλεγχος. 1 πληροφορίες θα μεταδοθούν από το δίαυλο Α στο δίαυλο Β και με μηδενικό σήμα στην είσοδο Ελέγχου. 2 - από το δίαυλο Β στο δίαυλο Α. Εάν και οι δύο είσοδοι Έλεγχος. 1 και Ex. 2 βρίσκονται στην ενιαία κατάσταση, τότε οι δίαυλοι Α και Β αποσυνδέονται μεταξύ τους και η παροχή μηδενικών και στις δύο εισόδους Ελέγχου. 1 και Ex. 2 πρέπει να εξαιρεθεί, διαφορετικά η κατάσταση και των δύο λεωφορείων Α και Β θα είναι απροσδιόριστη.

Ρύζι. 3.12.Οργάνωση αμφίδρομης μετάδοσης με χρήση μονόδρομων buffer

Τα μικροκυκλώματα buffer σε οικιακές σειρές έχουν διάφορες ονομασίες: LN, LP, AP, IP, κάτι που μερικές φορές δυσκολεύει την επιλογή τους. Για παράδειγμα, LN6, LP8, LP11, AP5, AP6, IP5, IP6. Τα buffer με τα γράμματα LN έχουν αντιστροφή, τα buffer AP και IP μπορεί να είναι με ή χωρίς αντιστροφή. Όλες οι παράμετροι των buffer είναι αρκετά παρόμοιες, η διαφορά είναι στην αντιστροφή, τον αριθμό των bit και τα σήματα ελέγχου.

Οι παράμετροι χρονισμού των buffer περιλαμβάνουν, εκτός από την καθυστέρηση σήματος από την είσοδο πληροφοριών στην έξοδο πληροφοριών, και τις καθυστερήσεις στη μετάβαση της εξόδου στην τρίτη κατάσταση και από την τρίτη κατάσταση στην ενεργή κατάσταση (t PHZ, t PLZ και t PZH, t PZL). Τα μεγέθη αυτών των καθυστερήσεων είναι συνήθως περίπου διπλάσια από τις καθυστερήσεις μεταξύ εισόδου και εξόδου πληροφοριών.

Η εναλλαγή εξόδου των buffer (τόσο ΟΚ όσο και 3C) απαιτεί τη χρήση αντιστάσεων φορτίου. Διαφορετικά, η είσοδος που συνδέεται με την αποσυνδεδεμένη έξοδο αναστέλλεται, με αποτέλεσμα το κύκλωμα να λειτουργεί ασταθώς και να αποτύχει. Η αντίσταση συνδέεται στην περίπτωση εξόδου ΟΚ (pull-up) με τον τυπικό τρόπο (βλ. Εικ. 3.8). Με τον ίδιο τρόπο, μια αντίσταση μπορεί να συνδεθεί μεταξύ της εξόδου 3C και της τάσης τροφοδοσίας (Εικ. 3.13), τότε όταν η έξοδος είναι απενεργοποιημένη, η είσοδος θα λάβει ένα λογικό επίπεδο. Ωστόσο, μπορείτε επίσης να ενεργοποιήσετε μια αντίσταση μεταξύ της εξόδου και της γείωσης, τότε όταν η έξοδος είναι απενεργοποιημένη, ένα λογικό μηδενικό σήμα θα σταλεί στην είσοδο. Χρησιμοποιείται επίσης η συμπερίληψη δύο αντιστάσεων (resistive divider), ενώ η τιμή της άνω αντίστασης (συνδεδεμένη με τον δίαυλο ισχύος) επιλέγεται συνήθως 2-3 φορές μικρότερη από την κάτω αντίσταση (συνδεδεμένη με τη γείωση) και η τιμή της επιλέγεται παράλληλη σύνδεση δύο αντιστάσεων ίση με περίπου 100 ohms. Για παράδειγμα, οι αντιστάσεις μπορούν να έχουν τιμές 240 ohms και 120 ohms, 360 ohms και 130 ohms. Η απενεργοποιημένη έξοδος γίνεται αντιληπτή σε αυτήν την περίπτωση από την είσοδο που είναι συνδεδεμένη σε αυτήν ως μονάδα.

Ρύζι. 3.13.Ενεργοποίηση αντιστάσεων στην έξοδο των buffer 3C

Μερικές φορές οι αντιστάσεις δεν συνδέονται καθόλου στις εξόδους 3C, αλλά σε αυτήν την περίπτωση είναι απαραίτητο να διασφαλιστεί ότι η επόμενη είσοδος λαμβάνει το σήμα από την έξοδο 3C (δηλαδή, αντιδρά σε αυτήν) μόνο όταν η έξοδος είναι σε ενεργή κατάσταση. Διαφορετικά, είναι πιθανές δυσλειτουργίες και αστοχίες στη λειτουργία της συσκευής.

Ρύζι. 3.14.Χρήση buffers για εμφάνιση

Μια άλλη κοινή εφαρμογή των buffer, λόγω των υψηλών ρευμάτων εξόδου τους, είναι η οθόνη LED. Τα LED μπορούν να συνδεθούν στην έξοδο των buffer με δύο κύριους τρόπους (Εικ. 3.14). Στο πρώτο από αυτά (στα αριστερά στο σχήμα), το LED ανάβει όταν υπάρχει ένα λογικό σήμα 3C ή 2C στην έξοδο και στο δεύτερο (στα δεξιά στο σχήμα) - όταν υπάρχει ένα λογικό μηδενικό σήμα στην έξοδο ΟΚ. Η τιμή της αντίστασης επιλέγεται με βάση τα χαρακτηριστικά του LED, αλλά συνήθως είναι περίπου 1 kOhm.

Στοιχεία ΚΑΙ, ΚΑΙ-ΟΧΙ, Ή, ΟΥΤΕ-ΟΧΙ

Το επόμενο βήμα προς την αύξηση της πολυπλοκότητας των ψηφιακών ηλεκτρονικών εξαρτημάτων είναι στοιχεία που εκτελούν απλές λογικές λειτουργίες. Αυτό που έχουν όλα αυτά τα στοιχεία κοινό είναι ότι έχουν πολλά ίσοςεισόδους (από 2 έως 12) και μία έξοδο, το σήμα στο οποίο καθορίζεται από ένα συνδυασμό σημάτων εισόδου.

Οι πιο κοινές λογικές συναρτήσεις είναι AND (στον εγχώριο συμβολισμό - LI), AND-NOT (σημειώνεται με LA), OR (σημειώνεται με LL) και NOR-NOT (σημειώνεται με LL). Η παρουσία της λέξης NOT στο όνομα του στοιχείου σημαίνει μόνο ένα πράγμα - ενσωματωμένη αντιστροφή σήματος. Στο διεθνές σύστημα σημειογραφίας χρησιμοποιούνται οι ακόλουθες συντομογραφίες: AND - AND, συνάρτηση NAND - AND-NOT, OR - OR, NOR - OR-NOT.

Τα ονόματα των συναρτήσεων AND και OR υποδεικνύουν την κατάσταση υπό την οποία εμφανίζεται το σήμα εξόδου στις εισόδους. Είναι σημαντικό να θυμόμαστε ότι σε αυτή την περίπτωση μιλάμε για θετική λογική, για θετικά, μεμονωμένα σήματα στις εισόδους και στην έξοδο.

Το στοιχείο AND δημιουργεί ένα στην έξοδο εάν και μόνο εάν υπάρχουν σε όλες τις εισόδους του (την πρώτη, τη δεύτερη, την τρίτη, κ.λπ.). Αν μιλάμε για ένα στοιχείο ΚΑΙ-ΟΧΙ, τότε σχηματίζεται ένα μηδέν στην έξοδο, όταν όλες οι είσοδοι έχουν ένα (Πίνακας 3.4). Ο αριθμός πριν από το όνομα της συνάρτησης υποδεικνύει τον αριθμό των εισόδων στοιχείων. Για παράδειγμα, το 8AND-NOT είναι μια πύλη ΚΑΙ οκτώ εισόδων με αντιστροφή στην έξοδο.

Πίνακας 3.4. Πίνακας αληθείας στοιχείων δύο εισόδων AND, NAND, OR, NOR
Είσοδος 1	Είσοδος 2	Έξοδος Και	Έξοδος NAND	Έξοδος Ή	ΟΥΤΕ έξοδο

Το στοιχείο OR δημιουργεί μηδέν στην έξοδο εάν και μόνο εάν όλες οι είσοδοι είναι μηδέν. Το στοιχείο OR-NOT δίνει μηδενική έξοδο εάν τουλάχιστον μία από τις εισόδους έχει ένα ( τραπέζι 3.4). Παράδειγμα χαρακτηρισμού: 4OR-NOT - στοιχείο OR τεσσάρων εισόδων με αντιστροφή στην έξοδο.

Ρύζι. 3.15.Ονομασίες στοιχείων AND, AND-NOT, OR, OR-NOT: ξένο (αριστερά) και εγχώριο (δεξιά)

Οι εγχώριοι και ξένοι χαρακτηρισμοί στα διαγράμματα των στοιχείων δύο εισόδων AND, AND-NOT, OR, OR-NOT εμφανίζονται στο ρύζι. 3.15. Όλα αυτά τα στοιχεία διαθέτουν εξόδους τύπου 2C, OK και 3C. Στην τελευταία περίπτωση, πρέπει να υπάρχει μια είσοδος ενεργοποίησης –EZ.

Δεν είναι δύσκολο να το παρατηρήσετε (βλ. πίνακα 3.4), ότι στην περίπτωση αρνητικής λογικής, με μηδενικά σήματα εισόδου και εξόδου, το στοιχείο AND εκτελεί τη λειτουργία OR, δηλαδή η έξοδος θα είναι μηδέν εάν τουλάχιστον μία από τις εισόδους είναι μηδέν. Και το στοιχείο OR με αρνητική λογική εκτελεί τη συνάρτηση AND, δηλαδή η έξοδος θα είναι μηδέν μόνο όταν όλες οι είσοδοι περιέχουν μηδενικά. Και δεδομένου ότι σε πραγματικές ηλεκτρονικές συσκευές τα σήματα μπορεί να είναι οποιασδήποτε πολικότητας (τόσο θετικά όσο και αρνητικά), πρέπει πάντα να επιλέγετε πολύ προσεκτικά το στοιχείο που απαιτείται σε κάθε συγκεκριμένη περίπτωση. Είναι ιδιαίτερα σημαντικό να το θυμάστε αυτό όταν πολλά διαφορετικά λογικά στοιχεία με και χωρίς αναστροφή συνδέονται σε σειρά για να λάβετε μια σύνθετη συνάρτηση.

Επομένως, δεν είναι πάντα βολικό για τον προγραμματιστή να χρησιμοποιεί τα στοιχεία AND, AND-NOT, OR, OR-NOT ακριβώς για την εκτέλεση των λογικών λειτουργιών που υποδεικνύονται στο όνομά τους. Μερικές φορές είναι πιο βολικό να τα χρησιμοποιείτε ως στοιχεία αποδοχής/άρνησης ή ανάμειξης/ταιριάσματος. Αλλά πρώτα, θα εξετάσουμε περιπτώσεις υλοποίησης λογικών συναρτήσεων σε αυτά τα στοιχεία.

Επί ρύζι. 3.16δίνονται παραδείγματα σχηματισμού σημάτων εξόδου από στοιχεία με βάση τα απαιτούμενα διαγράμματα χρονισμού των σημάτων εισόδου και εξόδου. Στην περίπτωση α, το σήμα εξόδου πρέπει να είναι ίσο με ένα με δύο σήματα εισόδου μονάδων, επομένως, το στοιχείο 2I είναι αρκετό. Στην περίπτωση β, το σήμα εξόδου πρέπει να είναι ίσο με μηδέν όταν τουλάχιστον ένα από τα σήματα εισόδου είναι ίσο με ένα, επομένως, απαιτείται ένα στοιχείο 2OR-NOT. Τέλος, στην περίπτωση Β, το σήμα εξόδου πρέπει να είναι ίσο με μηδέν όταν φθάνει ταυτόχρονα ένα μόνο σήμα εισόδου. 1, μηδενικό σήμα εισόδου. 2 και μονό σήμα In. 3. Κατά συνέπεια, απαιτείται ένα στοιχείο 3I-NOT και το σήμα είναι In. Το 2 πρέπει πρώτα να αντιστραφεί.

Ρύζι. 3.16.Παραδείγματα χρήσης στοιχείων AND και OR

Οποιοδήποτε από τα λογικά στοιχεία της υπό εξέταση ομάδας μπορεί να θεωρηθεί ως ελεγχόμενος πομπός του σήματος εισόδου (με ή χωρίς αναστροφή).

Για παράδειγμα, στην περίπτωση του στοιχείου 2I-NOT, μία από τις εισόδους μπορεί να θεωρηθεί πληροφοριακή και η άλλη - έλεγχος. Σε αυτήν την περίπτωση, όταν η είσοδος ελέγχου είναι μία, το σήμα εξόδου θα είναι ίσο με το ανεστραμμένο σήμα εισόδου και όταν η είσοδος ελέγχου είναι μηδέν, το σήμα εξόδου θα είναι συνεχώς ίσο με ένα, δηλαδή τη διέλευση του σήματος εισόδου θα απαγορευθεί. Τα στοιχεία 2I-NOT με έξοδο ΟΚ χρησιμοποιούνται συχνά ακριβώς ως ελεγχόμενα buffer για λειτουργία σε πολυπλεξία ή αμφίδρομη γραμμή.

Με τον ίδιο τρόπο, τα στοιχεία AND, OR, OR-NOT μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως στοιχείο άδειας/απαγόρευσης (Εικ. 3.17). Η διαφορά μεταξύ των στοιχείων συνίσταται μόνο στην πολικότητα του σήματος ελέγχου, στην αναστροφή (ή απουσία αυτού) του σήματος εισόδου, καθώς και στη στάθμη του σήματος εξόδου (μηδέν ή ένα) κατά τη διέλευση του σήματος εισόδου απαγορεύεται.

Ρύζι. 3.17.Ενεργοποίηση/απαγόρευση διέλευσης σημάτων σε στοιχεία ΚΑΙ, ΚΑΙ-ΟΧΙ, OR, NOR-NOT

Ρύζι. 3.18.Η εμφάνιση ενός επιπλέον άκρου όταν το σήμα εισόδου είναι απενεργοποιημένο

Όταν χρησιμοποιείτε στοιχεία ενεργοποίησης/απενεργοποίησης, ενδέχεται να προκύψουν πρόσθετα προβλήματα όταν το σήμα από την έξοδο του στοιχείου πηγαίνει σε μια είσοδο που αντιδρά στην άκρη του σήματος. Τη στιγμή της μετάβασης από την κατάσταση ενεργοποίησης στην κατάσταση απαγόρευσης και από την κατάσταση απαγόρευσης στην κατάσταση ενεργοποίησης, μπορεί να εμφανιστεί ένα πρόσθετο άκρο στο σήμα εξόδου, το οποίο σε καμία περίπτωση δεν συνδέεται με το σήμα εισόδου (Εικ. 3.18). Για να μην συμβεί αυτό, πρέπει να τηρείτε τον ακόλουθο απλό κανόνα: εάν η είσοδος αντιδρά σε μια θετική ακμή, τότε στην κατάσταση αναστολής η έξοδος του στοιχείου πρέπει να είναι μηδέν και αντίστροφα.

Μερικές φορές είναι απαραίτητο να υλοποιηθεί μια λειτουργία για τη μίξη δύο σημάτων της μιας ή της άλλης πολικότητας. Δηλαδή, το σήμα εξόδου πρέπει να παράγεται τόσο όταν φθάνει ένα σήμα εισόδου όσο και όταν έρχεται ένα άλλο σήμα εισόδου. Εάν και τα δύο σήματα εισόδου είναι θετικά και το σήμα εξόδου είναι θετικό, τότε έχουμε μια καθαρή συνάρτηση OR και απαιτείται ένα στοιχείο 2OR. Ωστόσο, με αρνητικά σήματα εισόδου και αρνητικό σήμα εξόδου, θα χρειαστεί ένα στοιχείο 2I για την ίδια ανάμειξη. Και αν η πολικότητα των σημάτων εισόδου δεν συμπίπτει με την επιθυμητή πολικότητα του σήματος εξόδου, τότε χρειάζονται στοιχεία με αντιστροφή (ΚΑΙ-ΟΧΙ για θετικά σήματα εξόδου και ΟΧΙ-ΟΧΙ για αρνητικά σήματα εξόδου). Επί ρύζι. 3.19Εμφανίζονται οι επιλογές ανάμειξης σε διαφορετικά στοιχεία.

Ρύζι. 3.19.Υλοποίηση μίξης δύο σημάτων

Τέλος, τα υπό εξέταση στοιχεία AND, AND-NOT, OR, OR-NOT είναι μερικές φορές βολικά για χρήση ως ταιριαστά κυκλώματα για διάφορα σήματα. Δηλαδή, το σήμα εξόδου πρέπει να παράγεται όταν τα σήματα στις εισόδους συμπίπτουν (φθάνουν ταυτόχρονα). Εάν δεν υπάρχει αντιστοιχία, τότε δεν θα πρέπει να υπάρχει σήμα εξόδου. Επί ρύζι. 3.20Παρουσιάζονται παραλλαγές τέτοιων σχημάτων σύμπτωσης σε τέσσερα διαφορετικά στοιχεία. Διαφέρουν ως προς τις πολικότητες των σημάτων εισόδου, καθώς και στην παρουσία ή απουσία αντιστροφής του σήματος εξόδου.

Ρύζι. 3.20.Σχέδια αντιστοίχισης δύο σημάτων

Ας εξετάσουμε δύο παραδείγματα κοινής χρήσης των στοιχείων AND, NAND, OR, NOR ( ρύζι. 3.21).

Ρύζι. 3.21.Παραδείγματα κοινής χρήσης στοιχείων

Ας υποθέσουμε ότι είναι απαραίτητο να αναμειχθούν δύο σήματα, καθένα από τα οποία μπορεί να ενεργοποιηθεί ή να απενεργοποιηθεί. Αφήστε την πολικότητα των σημάτων εισόδου και ενεργοποίησης να είναι θετική και το σήμα εξόδου να είναι αρνητικό. Σε αυτήν την περίπτωση, πρέπει να πάρετε δύο πύλες AND δύο εισόδων και να αναμίξετε τα σήματα εξόδου τους χρησιμοποιώντας μια πύλη NOR δύο εισόδων (a).

Ας υποθέσουμε ότι είναι απαραίτητο να αναμειχθούν δύο αρνητικά σήματα και ένα θετικό σήμα και το σήμα που προκύπτει μπορεί να ενεργοποιηθεί ή να απενεργοποιηθεί. Η πολικότητα του σήματος ενεργοποίησης είναι αρνητική, η πολικότητα του σήματος εξόδου είναι αρνητική. Για να το κάνετε αυτό, πρέπει να πάρετε ένα στοιχείο AND τριών εισόδων, έναν μετατροπέα για το αρνητικό σήμα εισόδου και ένα στοιχείο OR δύο εισόδων (b).

Τα στοιχεία ΚΑΙ, AND-NOT, OR, OR-NOT μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν ως μετατροπείς ή επαναλήπτες (Εικ. 3.22), για τις οποίες είναι απαραίτητος ο συνδυασμός των εισόδων ή η παροχή σήματος της απαιτούμενης στάθμης σε αχρησιμοποίητες εισόδους. Το δεύτερο είναι προτιμότερο, καθώς ο συνδυασμός εισόδων όχι μόνο αυξάνει το ρεύμα εισόδου, αλλά και μειώνει κάπως την απόδοση των στοιχείων.

Ρύζι. 3.22.Μετατροπείς και επαναλήπτες

Ρύζι. 3.23.Συνδυασμός εισόδων I μικροκυκλωμάτων

Η συνάρτηση AND συχνά συνδυάζει τις εισόδους πιο πολύπλοκων μικροκυκλωμάτων. Με άλλα λόγια, κάποια λειτουργία εκτελείται μόνο όταν όλες οι είσοδοι συνδυασμένες με ΚΑΙ λαμβάνουν σήματα της απαιτούμενης πολικότητας. Τις περισσότερες φορές, οι είσοδοι για την επιλογή του τσιπ CS και οι είσοδοι ελέγχου για την τρίτη κατάσταση της εξόδου του τσιπ EZ συνδυάζονται χρησιμοποιώντας AND. Επί ρύζι. 3.23Παρουσιάζονται τρία παραδείγματα τέτοιου συνδυασμού AND Πρέπει να ληφθεί υπόψη ότι για να εκτελεστεί η λειτουργία, πρέπει να λαμβάνονται μηδενικά σήματα στις αντίστροφες εισόδους και μεμονωμένα σήματα πρέπει να λαμβάνονται στις άμεσες εισόδους. Παραδείγματα περιλαμβάνουν τα μικροκυκλώματα KR556RT4, KR556RT5, KR1533AP14, KR1533AP15.

Μέχρι τώρα, λαμβάνοντας υπόψη τα στοιχεία AND, NAND, OR, NOR, δεν έχουμε ξεπεράσει το πρώτο επίπεδο αναπαράστασης (λογικό μοντέλο). Αυτό είναι αρκετά αποδεκτό στην περίπτωση που τα σήματα εισόδου των στοιχείων δεν αλλάζουν ταυτόχρονα ή σχεδόν ταυτόχρονα, όταν οι μετώπες τους απέχουν σημαντικά χρονικά (περισσότερο από τον χρόνο καθυστέρησης του στοιχείου). Με ταυτόχρονες αλλαγές στα σήματα εισόδου, όλα θα είναι πολύ πιο περίπλοκα· είναι απαραίτητο να περιλαμβάνει ένα δεύτερο και μερικές φορές τρίτο επίπεδο αναπαράστασης. Όταν αλλάζουν τα σήματα εισόδου, το σήμα εξόδου γίνεται αβέβαιο, ασταθές και απρόβλεπτο. Ως αποτέλεσμα, εάν η σχεδίαση είναι εσφαλμένη, ένα ολόκληρο σύνθετο κύκλωμα, μια ολόκληρη συσκευή ή ακόμα και ένα μεγάλο σύστημα μπορεί να μην λειτουργεί.

Για παράδειγμα, ας πάρουμε ένα λογικό στοιχείο 2AND-NOT. Αφήστε τα σήματα να φτάνουν στις εισόδους του που αλλάζουν ταυτόχρονα, και σε αντιφάση, δηλαδή το ένα αλλάζει από το μηδέν στο ένα και το άλλο από το ένα στο μηδέν. Ας υποθέσουμε ότι για τον ένα ή τον άλλο λόγο (λόγω μετάδοσης μέσω καλωδίων, λόγω διαφόρων καθυστερήσεων στοιχείων κ.λπ.) ένα από τα σήματα έχει μετατοπιστεί ελαφρά χρονικά σε σχέση με το άλλο (Εικ. 3.24). Σε αυτήν την περίπτωση, δύο μεμονωμένα σήματα θα υπάρχουν σε δύο εισόδους για σύντομο χρονικό διάστημα. Ως αποτέλεσμα, η έξοδος θα αρχίσει να αλλάζει από το ένα στο μηδέν. Μπορεί να έχει χρόνο να αλλάξει και τότε θα σχηματιστεί μια σύντομη παρόρμηση. Μπορεί να μην έχει χρόνο να αλλάξει και τότε δεν θα υπάρχει παρόρμηση. Μερικές φορές μπορεί να έχει χρόνο για εναλλαγή και μερικές φορές μπορεί να μην έχει χρόνο και τότε ο παλμός εξόδου είτε θα εμφανιστεί είτε όχι. Όλα εξαρτώνται από την ταχύτητα του στοιχείου και το μέγεθος της καθυστέρησης. Η τελευταία κατάσταση είναι η πιο δυσάρεστη, καθώς μπορεί να προκαλέσει ένα ασταθές σφάλμα, το οποίο είναι εξαιρετικά δύσκολο να εντοπιστεί.

Ρύζι. 3.24.Μικρός παλμός στην έξοδο του στοιχείου 2I-NOT

Ως παράδειγμα, ας πάρουμε μια από τις πιο κοινές εφαρμογές των στοιχείων που εξετάζουμε ΚΑΙ, ΚΑΙ-ΟΧΙ, Ή, ΟΥΤΕ-ΟΧΙ - επιλογή κώδικα. Η ουσία της επιλογής καταλήγει στα εξής. Ας υπάρχει ένα συγκεκριμένο λεωφορείο μέσω του οποίου μεταδίδονται κωδικοί. Είναι απαραίτητο να ανιχνευθεί η εμφάνιση ενός συγκεκριμένου κωδικού σε αυτόν τον δίαυλο, δηλαδή να δημιουργηθεί ένα σήμα εξόδου που αντιστοιχεί στον απαιτούμενο κωδικό εισόδου.

Ρύζι. 3.25.Επιλογή κωδικού πύλης

Το κύκλωμα που εκτελεί αυτή τη λειτουργία είναι αρκετά απλό. (Εικ. 3.25). Βασίζεται σε στοιχεία πολλαπλών εισόδων ΚΑΙ ΟΧΙ. Στην περίπτωση αυτή, τα σήματα που αντιστοιχούν στα bit του κώδικα, τα οποία θα πρέπει να περιέχουν, τροφοδοτούνται απευθείας στις εισόδους των στοιχείων NAND. Και τα σήματα που αντιστοιχούν στα bit του κώδικα, τα οποία θα πρέπει να περιέχουν μηδενικά, παρέχονται στις εισόδους των στοιχείων NAND μέσω μετατροπέων. Τα σήματα εξόδου των πυλών NAND συνδυάζονται χρησιμοποιώντας την πύλη NOR. Ως αποτέλεσμα, το σήμα εξόδου παράγεται στην έξοδο του στοιχείου OR-NOT. 1 τη στιγμή που υπάρχει ο απαιτούμενος κωδικός στην είσοδο.

Ο συγχρονισμός θα συζητηθεί λεπτομερέστερα στις επόμενες διαλέξεις.

Ωστόσο, υπάρχουν περιπτώσεις όπου η καθορισμένη δυνατότητα των στοιχείων AND, AND-NOT, OR, NOR-NOT για τη δημιουργία σύντομων παλμών κατά την αλλαγή των σημάτων εισόδου αποδεικνύεται πολύ χρήσιμη. Για παράδειγμα, πρέπει να δημιουργήσουμε έναν σύντομο παλμό στη θετική ή αρνητική άκρη ενός υπάρχοντος σήματος. Στη συνέχεια, αυτό το σήμα αναστρέφεται, με ειδική καθυστέρηση χρησιμοποιώντας μια αλυσίδα στοιχείων ή χωρητικότητας, και το αρχικό σήμα και το σήμα καθυστέρησης παρέχονται στις εισόδους του στοιχείου (Εικ. 3.26).

Ρύζι. 3.26.Γεννήτριες σύντομων παλμών κατά μήκος της άκρης του σήματος εισόδου

Ένας παλμός στο θετικό άκρο του σήματος εισόδου σχηματίζεται στο στοιχείο 2I ή 2I-NOT (a) και ένας παλμός στο αρνητικό άκρο του σήματος εισόδου δημιουργείται στο στοιχείο 2OR ή 2OR-NOT (b). Εάν το στοιχείο είναι με αναστροφή, τότε ο παλμός εξόδου θα είναι αρνητικός, αν δεν έχει αναστροφή, τότε θετικός. Με την τιμή χωρητικότητας που υποδεικνύεται στα διαγράμματα, η διάρκεια παλμού είναι περίπου 50 ns. Για να αυξήσετε τη διάρκεια του παλμού, είναι απαραίτητο να αυξήσετε την τιμή χωρητικότητας ή τον αριθμό των μετατροπέων στο κύκλωμα καθυστέρησης (σε αυτή την περίπτωση, ο αριθμός των μετατροπέων πρέπει να είναι περιττός).

Υπουργείο της Ρωσικής Ομοσπονδίας

Τομσκ Πολυτεχνείο

__________________________________________________________________

E.L. Sobakin

ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΨΗΦΙΑΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ

Φροντιστήριο

UDC 681.325.6

Sobakin E.L. Ψηφιακό κύκλωμα. Σχολικό βιβλίο επίδομα. Μέρος Ι Tomsk: Εκδοτικός οίκος. TPU, 2002. - 160 σελ.

Το εγχειρίδιο σκιαγραφεί τα κύρια θέματα του μαθήματος των διαλέξεων για φοιτητές της ειδικότητας 210100 Διοίκηση και πληροφορική στα τεχνικά συστήματα. Το εγχειρίδιο εκπονήθηκε στο Τμήμα Αυτοματισμού και Υπολογιστικών Συστημάτων του TPU, αντιστοιχεί στο πρόγραμμα σπουδών του κλάδου και προορίζεται για φοιτητές του Ινστιτούτου Εξ Αποστάσεως Εκπαίδευσης.

Δημοσιεύτηκε σύμφωνα με την απόφαση του Συντακτικού και Εκδοτικού Συμβουλίου του Πολυτεχνείου του Τομσκ

Αξιολογητές:

V.M. Dmitriev Καθηγητής, Διδάκτωρ Τεχνικών Επιστημών, Επικεφαλής του Τμήματος Θεωρητικών Βάσεων Ηλεκτρολόγων Μηχανικών, Πανεπιστήμιο Tomsk Συστημάτων Ελέγχου και Ραδιοηλεκτρονικής.

ΣΙ. Korolev Διευθυντής της NPO Spetstekhauditservis LLP,

Υποψήφιος Τεχνικών Επιστημών, Ανώτερος Ερευνητής.

Templan 2002

Τομσκ Πολυτεχνείο, 2002

Εισαγωγή

Αυτό το εγχειρίδιο προορίζεται για φοιτητές ανώτατων εκπαιδευτικών ιδρυμάτων που σπουδάζουν στην ειδικότητα 210100 «Πληροφορική και διαχείριση σε τεχνικά συστήματα». Συντάσσεται με βάση ένα μάθημα διαλέξεων που έδωσε ο συγγραφέας στο Πολυτεχνείο του Tomsk επί σειρά ετών και είναι αφιερωμένο σε μια συστηματική παρουσίαση μεθόδων για την επίσημη κατασκευή συσκευών ψηφιακής τεχνολογίας σε ευρέως χρησιμοποιούμενα μικροκυκλώματα.

Ο κλάδος «Μηχανική Ψηφιακών Κυκλωμάτων» θα πρέπει να θεωρηθεί ως συνέχεια του μαθήματος «Ηλεκτρονική», το οποίο οι φοιτητές πρέπει να κατέχουν εκ των προτέρων, αφού απαιτείται γνώση της στοιχειώδους βάσης των αναλογικών ηλεκτρονικών συσκευών.

Τα περισσότερα σύγχρονα συστήματα αυτοματισμού, υπολογιστικά συστήματα, συστήματα μετάδοσης και επεξεργασίας πληροφοριών εκτελούνται σε ψηφιακές συσκευές, είτε πλήρως είτε εν μέρει. Ως εκ τούτου, η γνώση των αρχών της χρήσης ψηφιακών συσκευών και συστημάτων κατασκευής για διάφορους σκοπούς στη βάση τους είναι τρέχουσας σημασίας και μεγάλης πρακτικής αξίας τόσο στις μηχανικές δραστηριότητες όσο και στη μεθοδολογική έρευνα.

Το υλικό στο εγχειρίδιο μπορεί να χωριστεί χονδρικά σε τρία μέρη: 1) Βασικές αρχές της μικροηλεκτρονικής. 2) Συνδυαστικές συσκευές ψηφιακής τεχνολογίας. 3) Διαδοχικές λογικές συσκευές ψηφιακής τεχνολογίας.

Όταν ξεκινάτε να κατέχετε το μάθημα, θα πρέπει να μελετήσετε το υλικό με τη σειρά με την οποία παρατίθενται τα καθορισμένα μέρη, καθώς το επόμενο υλικό βασίζεται στη γνώση του προηγούμενου και η αλλαγή της σειράς μπορεί να οδηγήσει σε δυσκολίες στην κατάκτησή του. Αυτό επιδεινώνεται περαιτέρω από το γεγονός ότι άλλα σχολικά βιβλία και εξειδικευμένη τεχνική βιβλιογραφία χρησιμοποιούν διαφορετικούς όρους και έννοιες για να εξηγήσουν τα ίδια φαινόμενα, διαδικασίες, μετασχηματισμούς που πραγματοποιούνται κ.λπ. Η διαφορά στις έννοιες που χρησιμοποιούνται ή η ανακρίβειά τους οδηγεί σε παρανόηση της ουσίας του υλικού που παρουσιάζεται και, κατά συνέπεια, σε δυσκολίες αφομοίωσής του.

Οι δύο πρώτες από αυτές τις ενότητες περιλαμβάνονται στο πρώτο μέρος αυτού του εγχειριδίου (Μέρος 1). Ένα ξεχωριστό εγχειρίδιο είναι αφιερωμένο στην τρίτη ενότητα.

ΣΕ 1.Εφαρμογή ψηφιακών συσκευών

Επί του παρόντος, σε σχέση με τη δημιουργία και την ευρεία εισαγωγή συσκευών και συστημάτων μικροεπεξεργαστή στην πρακτική της μηχανικής, το ενδιαφέρον για τις ψηφιακές μεθόδους επεξεργασίας και μετάδοσης πληροφοριών δεν μειώνεται και διεγείρεται ξανά. Αυτές οι μέθοδοι, με τη σειρά τους, δίνουν στα συστήματα μια σειρά από θετικές ιδιότητες και ιδιότητες. Αυξάνεται η πιστότητα των μεταδιδόμενων πληροφοριών, επιτυγχάνεται υψηλή ταχύτητα και παραγωγικότητα συστημάτων επεξεργασίας πληροφοριών, διασφαλίζεται το αποδεκτό κόστος, η υψηλή αξιοπιστία, η χαμηλή κατανάλωση ενέργειας κ.λπ.

Τα προβλήματα που επιλύονται από αυτά τα συστήματα είναι πολύ διαφορετικά και προκαθορίζουν τις λειτουργίες των συσκευών που αποτελούν ένα συγκεκριμένο σύστημα. Επομένως, συνιστάται να λαμβάνετε υπόψη τις συσκευές και τις λειτουργίες τους υπό το πρίσμα εκείνων των εργασιών που επιλύονται από συστήματα και, ειδικότερα, εκείνων των δευτερευουσών εργασιών που εκτελούνται από μεμονωμένες συσκευές ή μπλοκ.

Κύριος τυπικές εργασίεςπου προκύπτουν κατά την αυτόματη ή αυτοματοποιημένη διαχείριση και έλεγχο της παραγωγής ή άλλων διαδικασιών είναι:

συλλογήπληροφορίες (παραλαβή τους)·

μεταμόρφωσηπληροφορίες (κλιμάκωση, κανονικοποίηση, φιλτράρισμα, κωδικοποίηση κ.λπ.)

μετάδοση-λήψηπληροφορίες;

επεξεργασία και χρήσηπληροφορίες;

αποθήκευσηπληροφορίες.

Ανάλογα με τον επιδιωκόμενο σκοπό και τις κύριες λειτουργίες, υπάρχουν:

Αυτόματα (ή αυτοματοποιημένα) συστήματα ελέγχου και παρακολούθησης.

Συστήματα μετάδοσης πληροφοριών.

Συστήματα επεξεργασίας πληροφοριών (υπολογιστικά συστήματα).

Για να κατανοήσουμε τη σχέση αυτών των εργασιών, τη θέση και το ρόλο των ηλεκτρονικών ψηφιακών συσκευών που χρησιμοποιούνται σε αυτά τα συστήματα, ας εξετάσουμε τα γενικευμένα δομικά διαγράμματα αυτών των συστημάτων και τον λειτουργικό σκοπό των στοιχείων τους.

Β1.1. Συστήματα αυτόματου ελέγχου

Διαχειρίζονται σημαίνει να γνωρίζεις την κατάσταση (θέση) του ελεγχόμενου αντικειμένου και σύμφωνα με έναν δεδομένο αλγόριθμο ( αλγόριθμος ελέγχου) επηρεάζουν το αντικείμενο, προσπαθώντας να εξαλείψουν τις αναδυόμενες αποκλίσεις.

Επομένως, ο έλεγχος στη γενική περίπτωση συνδέεται με τις ακόλουθες ενέργειες:

λήψη πληροφοριών σχετικά με την κατάσταση του αντικειμένου.

σύγκριση των ληφθέντων πληροφοριών με τις καθορισμένες πληροφορίες σχετικά με την κατάσταση του αντικειμένου.

παραγωγή σημάτων ελέγχου (επιρροές).

επηρεάζοντας ένα αντικείμενο προκειμένου να το φέρει στην απαιτούμενη κατάσταση.

Σύμφωνα με τις αναφερόμενες ενέργειες, το αυτόματο σύστημα ελέγχου (ACS) στη γενική περίπτωση θα πρέπει να περιλαμβάνει μια συσκευή μέτρησης πληροφοριών, μια συσκευή ελέγχου και έναν ενεργοποιητή (Εικ. B1).

Συσκευή πληροφοριών και μέτρησης Το (AIU) λαμβάνει πληροφορίες σχετικά με το αντικείμενο ελέγχου (OU) και το προεπεξεργάζεται. Η λήψη πληροφοριών συνίσταται στη δημιουργία πρωταρχικών σημάτων, οι τιμές των οποίων είναι ανάλογες με τις τιμές των παραμέτρων που χαρακτηρίζουν την κατάσταση του op-amp. Ένα αντικείμενο μπορεί να γίνει κατανοητό είτε ως ξεχωριστή μονάδα παραγωγής είτε ως η παραγωγική διαδικασία στο σύνολό της. Και κάτω από τις παραμέτρους βρίσκονται οι "συντεταγμένες εξόδου" του αντικειμένου. Αυτές θα μπορούσαν να είναι, για παράδειγμα, τιμές θερμοκρασίας, πίεσης, κατανάλωσης υλικού ή ενέργειας και παρόμοια. Δεδομένου ότι οι περισσότερες από αυτές τις παραμέτρους συντεταγμένων παρουσιάζονται σε αναλογική μορφή και χαρακτηρίζονται από ένα άπειρο σύνολο τιμών, τα σήματα πρέπει να κανονικοποιηθούν από τις παραμέτρους τους, να κλιμακωθούν και να έχουν ενοποιημένη μορφή.

Επομένως, το IMU πρέπει να διαθέτει κύριους μορφοτροπείς και αισθητήρες μέτρησης, μετατροπείς αναλογικού σε ψηφιακό και άλλες λειτουργικές μονάδες με τη βοήθεια των οποίων πραγματοποιούνται οι ακόλουθες μετατροπές:

Τιμές φυσικών μεγεθών σε ενοποιημένα αναλογικά σήματα συνεχούς ή εναλλασσόμενου ρεύματος.

κλιμάκωση ή κανονικοποίηση σημάτων κατά επίπεδο και σχήμα.

μετατροπή αναλογικών σημάτων σε διακριτά (ψηφιακά) σήματα.

κωδικοποίηση σήματος και ορισμένοι άλλοι μετασχηματισμοί.

Αποστέλλονται σήματα σχετικά με τις τρέχουσες τιμές συντεταγμένων στο συσκευή ελέγχου (UU). Οι λειτουργίες αυτής της συσκευής περιλαμβάνουν τη σύγκριση τιμών ρεύματος με καθορισμένες τιμές συντεταγμένων και τη δημιουργία σημάτων ελέγχου (σήματα ελέγχου) με βάση τα αποτελέσματα της σύγκρισης. Οι καθορισμένες τιμές μπορούν να εισαχθούν από ανθρώπινο χειριστή ή αυτόματα από λογισμικό. Στην πρώτη περίπτωση, ένας αυτόματος ρυθμιστής ή αρκετοί αυτόματοι ρυθμιστές μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως μονάδα ελέγχου, οι ρυθμίσεις των οποίων καθορίζονται και ορίζονται από ένα άτομο. Στη δεύτερη περίπτωση, η μονάδα ελέγχου είναι μια μηχανή προγράμματος μίνι ή μικροϋπολογιστή και ο ρόλος του ανθρώπινου χειριστή περιορίζεται στην είσοδο στο πρόγραμμα και στην αρχική εκκίνηση του συστήματος.

Για την εκτέλεση αυτών των λειτουργιών, η μονάδα ελέγχου απαιτείται να εκτελεί αριθμητικές και λογικές πράξεις για τον υπολογισμό τιμών και τη σύγκριση σημάτων, τη βραχυπρόθεσμη και μακροπρόθεσμη απομνημόνευση (αποθήκευση) σημάτων και τη δημιουργία ενοποιημένων σημάτων ελέγχου. Τα τελευταία περιέχουν πληροφορίες βάσει των οποίων σχηματίζονται περαιτέρω επιρροές στο αντικείμενο ελέγχου (ενέργειες ελέγχου), φέρνοντάς το στην απαιτούμενη κατάσταση.

Ο άμεσος αντίκτυπος της απαιτούμενης φυσικής φύσης μορφές ενεργοποιητή (IU). Μετατρέπει τα σήματα ελέγχου, για παράδειγμα, με τη μορφή τάσης συνεχούς ή παλμικού ρεύματος, στην ταχύτητα περιστροφής ενός κινητήρα ενεργοποιητή, στη μηχανική κίνηση μιας βαλβίδας σε μια γραμμή ατμού και ούτω καθεξής. Για να πραγματοποιήσετε αυτές τις μετατροπές θα χρειαστείτε: μετατροπείς ψηφιακού σε αναλογικό. μετατροπείς ηλεκτρικών σημάτων σε μη ηλεκτρικά. συσκευές ενίσχυσης κ.λπ. Σε αυτήν την περίπτωση, ενδέχεται να απαιτούνται μετατροπείς κωδικού ψηφιακού σήματος ή φόρμες αναπαράστασης σήματος ως ενδιάμεσες. Για παράδειγμα, κωδικοί δυαδικών αριθμών σε αναλογικό αριθμό παλμών, μονοφασικά σήματα σε πολυφασικούς, που χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο βηματικών κινητήρων κ.λπ.

Υπό την επίδραση ενοχλητικών επιρροών, το αντικείμενο φεύγει από την κανονική του κατάσταση (λειτουργία) και το ACS το επιστρέφει στον απαιτούμενο (κανονικό) τρόπο λειτουργίας. Η διαδικασία ελέγχου λαμβάνει χώρα σε πραγματικό χρόνο, δηλαδή με ταχύτητα που καθορίζεται από τη φύση των φυσικών διεργασιών. Εάν οι ενέργειες ελέγχου καθυστερήσουν χρονικά ή υπερβολικά, τότε μπορεί να προκύψει ένας ασταθής τρόπος λειτουργίας του συστήματος, στον οποίο οι συντεταγμένες του αντικειμένου μπορεί να λάβουν μη αποδεκτές τιμές και είτε το ίδιο το αντικείμενο είτε μεμονωμένες συσκευές του συστήματος θα αποτύχει και θα εμφανιστεί μια κατάσταση έκτακτης ανάγκης. Επομένως, στη θεωρία των αυτοκινούμενων όπλων κύριοςείναι προβλήματα διασφάλισης σταθερότητας και ακρίβειας ελέγχου.

Οι περισσότεροι από αυτούς τους μετασχηματισμούς μπορούν να πραγματοποιηθούν χρησιμοποιώντας ψηφιακές μικροηλεκτρονικές συσκευές. Μια μονάδα ελέγχου είναι εντελώς ψηφιακή όταν είναι κατασκευασμένη με βάση μικροϋπολογιστές ελέγχου ή ψηφιακά μικροκυκλώματα.

Στα ψηφιακά μικροκυκλώματα, χρησιμοποιούνται ψηφιακοί αισθητήρες φυσικών μεγεθών, καθώς και μερικοί μετατροπείς σήματος από αναλογικό σε ψηφιακό και ψηφιακό σε αναλογικό.

Β1.2. Συστήματα μετάδοσης πληροφοριών (ITS)

Με αύξηση της απόστασης μεταξύ της IU και της μονάδας ελέγχου (Εικ. B1), καθώς και μεταξύ της μονάδας ελέγχου και της μονάδας ελέγχου, προκύπτει το πρόβλημα της μετάδοσης πληροφοριών. Η ανάγκη μετάδοσης πληροφοριών σε σημαντικές αποστάσεις προκύπτει όχι μόνο σε χωρικά ανεπτυγμένα συστήματα αυτόματου ελέγχου και παρακολούθησης, αλλά και σε συστήματαοι υπολοιποι είδη επικοινωνίας(τηλέγραφος, τηλέφωνο, φαξ κ.λπ.). Επιπλέον, η ανάγκη μετάδοσης πληροφοριών προκύπτει σε υπολογιστικά συστήματα, συστήματα μετάδοσης δεδομένων, τηλεμηχανικά συστήματα κ.λπ. Το έργο αυτό περιπλέκεται από το γεγονός ότι στη διαδικασία μεταδόσεις μέσω γραμμών επικοινωνίαςπαραμορφώνονται οι παράμετροι σήματακαι αυτό, με τη σειρά του, μπορεί να οδηγήσει σε παραμόρφωση των πληροφοριών και μείωση της ακρίβειάς τους (την πιθανότητα σωστής λήψης τους). Η παραμόρφωση των σημάτων οφείλεται σε παρεμβολές, που προκύπτει στις γραμμές επικοινωνίας. Η παρεμβολή, κατά κανόνα, είναι τυχαίας φύσης και οι παράμετροί της μπορεί να μην διαφέρουν από τις παραμέτρους των σημάτων. Ως εκ τούτου, είναι «ικανά» να παραμορφώνουν σήματα και ακόμη και να «αναπαράγουν» πληροφορίες μετατρέψει το μήνυμα που μεταφέρεται. Το τελευταίο πιο ανεπιθύμητο γεγονός στη μεταφορά πληροφοριών.

Για να εξασφαλίσετε υψηλή πιστότητα και μέγιστη ταχύτητα ( εφάαποδοτικότητα) απαιτείται μετάδοση πληροφοριών, πρόσθετες μετατροπές σημάτων και ειδικές μέθοδοι μετάδοσής τους.

Τέτοιοι μετασχηματισμοί περιλαμβάνουν κωδικοποίησηκαι αντίστροφη διαδικασία πληροφορίες αποκωδικοποίησης(και σήματα). Η κωδικοποίηση είναι η διαδικασία για τη μετατροπή ενός μηνύματος σε σήμα. Στην περίπτωση αυτή, οι μετασχηματισμοί πραγματοποιούνται σύμφωνα με ορισμένες κανόνεςτο σύνολο των οποίων ονομάζεται κωδικός.

Η κωδικοποίηση των πληροφοριών πραγματοποιείται στην πλευρά εκπομπής και η αποκωδικοποίηση στην πλευρά λήψης. Διακρίνω Ανθεκτική στον θόρυβο κωδικοποίηση και αποτελεσματική. Στόχοςανθεκτικό στο θόρυβο κωδικοποίηση κατασκευάζω (sfoRεπεξεργασία) ένα σήμα λιγότερο επιρρεπές σε παρεμβολές, δώστε του αΕΝΑτέτοια δομή ώστε να μπορούν να εντοπιστούν ή να διορθωθούν σφάλματα που προκύπτουν κατά τη διαδικασία μετάδοσης στην πλευρά λήψης. Και, έτσι, εξασφαλίστε υψηλή πιστότητα μετάδοσης.

Στόχοςαποτελεσματικός κωδικοποίηση εξασφαλίστε τη μέγιστη ταχύτηταΟτην ανάπτυξη της μεταφοράς πληροφοριών, καθώς η αξία της καθορίζεται σε μεγάλο βαθμό από το πόσο έγκαιρη λαμβάνεται. Σύμφωνα με αυτή την απαίτηση, το κωδικοποιημένο μήνυμα πρέπει να φέρει τον απαιτούμενο όγκο πληροφοριών και, ταυτόχρονα, να έχει ένα ελάχιστο μήκος, ώστε η μετάδοση να απαιτεί ελάχιστο χρόνο.

Τα σήματα (και οι πληροφορίες) μεταδίδονται μέσω κανάλια επικοινωνίας. Σύνδεσμος αυτό είναι μια διαδρομή (διαδρομή) ανεξάρτητης μετάδοσης σημάτων από την πηγήηψευδώνυμο στον αντίστοιχο δέκτη (παραλήπτη) πληροφοριών.Τα κανάλια επικοινωνίας σχηματίζονται με τεχνικά μέσα χρησιμοποιώντας εξοπλισμό σχηματισμού καναλιών και, όπως και οι γραμμές επικοινωνίας, υπόκεινται σε παρεμβολές.

Μία από τις κύριες εργασίες που επιλύονται στο SPI είναι η δημιουργία του απαιτούμενου αριθμού καναλιών επικοινωνίας. Η αποτελεσματικότητα και η θόρυβος της μετάδοσης καθορίζεται σε μεγάλο βαθμό από τα κανάλια επικοινωνίας που χρησιμοποιούνται. Κάτω από Η ανοσία θορύβου αναφέρεται στην ικανότητα ενός συστήματος(σήμα, κωδικός) εκτελεί σωστά τις λειτουργίες του παρουσία παρεμβολών.

Τυπικά, το ίδιο σύστημα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη μετάδοση πληροφοριών από πολλές πηγές σε κατάλληλο αριθμό δεκτών. Επομένως, ο σχηματισμός του απαιτούμενου αριθμού καναλιών με την απαραίτητη ατρωσία θορύβου εκχωρείται στη συσκευή επικοινωνίας. Σε αυτήν την περίπτωση, οι ακόλουθοι μετασχηματισμοί μπορούν να πραγματοποιηθούν στη συσκευή επικοινωνίας: διαμόρφωση και αποδιαμόρφωσησήματα? ενίσχυση αυτών που μεταδίδονται στη γραμμή και λαμβάνονται από τη γραμμήΚαιΙνστιτούτο Ερευνώνεπικοινωνίες σήματος? περιορισμός σε επίπεδο και φάσμα συχνοτήτωνσήματα και κάποια άλλα.

Ανάλογα με την περιοχή χρήσης (εφαρμογής) του SPI, υπάρχει ανάγκη για πρόσθετους μετασχηματισμούς, όπως η μετατροπή του σχήματος των σημάτων, η φυσική τους φύση, η ομαλοποίηση των παραμέτρων των σημάτων που λαμβάνονται από το εξωτερικό και των σημάτων που εκδίδονται από το σύστημα σε εξωτερικές συσκευές? προσωρινή αποθήκευση σημάτων που μεταδίδονται στο κανάλι επικοινωνίας και εκδίδονται από το σύστημα.

Οι παρατιθέμενοι μετασχηματισμοί προκαθορίζουν τη λειτουργική σύνθεση του εξοπλισμού εκπομπής και λήψης συστημάτων μετάδοσης πληροφοριών (Εικ. Β2).

Όπως φαίνεται από το διάγραμμα, η μετάδοση πραγματοποιείται προς μία κατεύθυνση από αριστερά προς τα δεξιά. Η συσκευή μετατροπής εισόδου και κύριας πληροφορίας (IID) μετατρέπει σήματα που προέρχονται από πηγές πληροφοριών σε ενοποιημένα «πρωτεύοντα» σήματα που δεν μπορούν να μεταδοθούν απευθείας σε μεγάλες αποστάσεις. Συνήθως, αυτά τα ενοποιημένα σήματα είναι τάσεις συνεχούς ρεύματος με σταθερά επίπεδα. Στο μπλοκ UVPI, τα πρωτεύοντα σήματα αποθηκεύονται για τη διάρκεια της μετάδοσης (σε μια συσκευή μνήμης buffer), μετά την οποία διαγράφονται από τη μνήμη. Μια συσκευή κωδικοποίησης (CU) μετατρέπει τα πρωτεύοντα σήματα σε κωδικοποιημένα σήματα που έχουν συγκεκριμένη δομή και μορφή, επιτρέποντάς τους (σήματα) να μεταδίδονται σε μεγάλες αποστάσεις ("τηλεσήματα"). Κατά κανόνα, αυτή η συσκευή είναι συνδυαστική, αν και σε ορισμένες περιπτώσεις μπορεί να γίνει και διαδοχική (πολλαπλών κύκλων). Εδώ υλοποιούνται λογικές και αριθμητικές πράξεις διαδικασιών κωδικοποίησης.

Ο κύριος σκοπός της συσκευής επικοινωνίας (Εικ. Β2) είναι να δημιουργήσει ή οργάνωση καναλιών επικοινωνίαςστην παρεχόμενη γραμμή επικοινωνίας. Γραμμή επικοινωνίαςΑυτό είναι το υλικό περιβάλλον μεταξύ του πομπού (Prd) και του δέκτη (Prm) του συστήματος. Το σχήμα δείχνει χονδρικά μια γραμμή ηλεκτρικής επικοινωνίας δύο καλωδίων. Ωστόσο, μπορούν να χρησιμοποιηθούν ραδιοζεύξεις και γραμμές επικοινωνίας οπτικών ινών και άλλες. Ανάλογα με τον τύπο της γραμμής, πραγματοποιούνται διάφορες μετατροπές σήματος στο Prd και το Prm προκειμένου να εναρμονιστούν οι παράμετροι και τα χαρακτηριστικά τους με τις παραμέτρους και τα χαρακτηριστικά της γραμμής επικοινωνίας και μετασχηματισμούς που στοχεύουν αυξημένη ανοσία στον θόρυβοσήματα.

Στην πλευρά λήψης, τα κωδικοποιημένα σήματα που λαμβάνονται από τη γραμμή επικοινωνίας μετατρέπονται και πάλι από τη συσκευή αποκωδικοποίησης (DCU) σε πρωτεύοντα σήματα. Ταυτόχρονα, ανιχνεύονται σφάλματα στα λαμβανόμενα σήματα και μπορούν να διορθωθούν με διαδικασίες αποκωδικοποίησης, διασφαλίζοντας έτσι την απαιτούμενη ακρίβεια μετάδοσης πληροφοριών. ΕΝΑ μετατροπείς εξόδου(VP) μετατρέπουν αυτά τα πρωτεύοντα σήματα σε μορφή και μορφή (φυσική φύση) που μπορούν να γίνουν αντιληπτά από τους αποδέκτες των πληροφοριών.

Θα πρέπει να σημειωθεί ότι οι περισσότεροι από τους λειτουργικούς «κόμβους» και «μπλοκ» που φαίνονται στο Σχ. Β2 μπορούν να υλοποιηθούν σε ψηφιακά τσιπ. Επομένως, τα συστήματα μετάδοσης πληροφοριών είναι συνήθως ψηφιακά.

Β1.3. Συστήματα επεξεργασίας πληροφοριών

(υπολογιστικά συστήματα)

Τα τυπικά προβλήματα που αναφέρονται παραπάνω μπορούν να λυθούν και να επισημοποιηθούν χρησιμοποιώντας μαθηματικές και λογικές μεθόδους. Με τη σειρά τους, αυτές οι μέθοδοι λειτουργούν με τις απλούστερες πράξεις (αριθμητικές ή λογικές), η εκτέλεση των οποίων σε ορισμένα «αρχικά δεδομένα» παράγει ένα νέο αποτέλεσμα, άγνωστο προηγουμένως. Αυτή η κοινότητα μεθόδων για την επίλυση διαφόρων προβλημάτων επεξεργασίας πληροφοριών κατέστησε δυνατή τη δημιουργία μιας ξεχωριστής κατηγορίας συσκευών και συστημάτων, ο επιδιωκόμενος σκοπός της οποίας (αρχικά) ήταν η αυτοματοποίηση των διαδικασιών υπολογιστών (ηλεκτρονικοί υπολογιστές). Στο παρόν στάδιο ανάπτυξης της τεχνολογίας υπολογιστών, οι υπολογιστές έχουν «μετατραπεί» σε υπολογιστές, βάσει των οποίων κατασκευάζονται σύγχρονα συστήματα υπολογιστών για την επεξεργασία και τη μετάδοση πληροφοριών. Ένα γενικευμένο μπλοκ διάγραμμα ενός συγκεκριμένου υπολογιστικού συστήματος φαίνεται στο Σχ. Β3.

Τα δεδομένα υποβάλλονται σε προηγούμενη επεξεργασία μέσω συσκευή εισόδου UVVέλα σε Συσκευή μνήμης μνήμη, όπου αποθηκεύονται για όλο το χρόνο επεξεργασίας. Στην ίδια μνήμη αποθηκεύεται και το πρόγραμμα για την επεξεργασία των εισερχόμενων πληροφοριών.

Το πρόγραμμα λειτουργίας του συστήματος, καθώς και τα «δεδομένα», αποθηκεύονται σε μια συσκευή αποθήκευσης με τη μορφή δυαδικών αριθμών πολλαπλών bit γραμμένων σε κελιά μνήμης σε συγκεκριμένες διευθύνσεις (διευθύνσεις κελιών μνήμης). Οι δυαδικοί αριθμοί, το σύνολο των οποίων αντιπροσωπεύει ένα πρόγραμμα επεξεργασίας δεδομένων, είναι δομημένοι σε έναν ορισμένο αριθμό τμημάτων, καθένα από τα οποία έχει συγκεκριμένο σκοπό. Στην απλούστερη περίπτωση, υπάρχουν τα ακόλουθα μέρη: 1) ο κωδικός της πράξης που πρέπει να εκτελεστεί σε δύο δυαδικούς αριθμούς που αντιπροσωπεύουν τις τιμές «δεδομένων» και ονομάζονται «τελεστές». 2) διεύθυνση του πρώτου τελεστή. 3) διεύθυνση του δεύτερου τελεστή. Ο συνδυασμός αυτών των μερών σχηματίζει μια «ομάδα».

Η εργασία ενός υπολογιστή αποτελείται από τη διαδοχική εκτέλεση των εντολών που δίνονται από το πρόγραμμα. Συντονίζει έγκαιρα την εργασία όλων των μπλοκ και τα διαχειρίζεται συσκευή ελέγχου UU. Και εκτελεί απευθείας λογικές και αριθμητικές πράξεις (ενέργειες) στους τελεστές αριθμιτική μονάδα λογικής ALU, το οποίο, βάσει σήματος από τη μονάδα ελέγχου «κωδικός λειτουργίας», διαμορφώνεται κάθε φορά ώστε να εκτελεί μια συγκεκριμένη λειτουργία.

Η συσκευή ελέγχου αποκρυπτογραφεί την εντολή που λαμβάνει από τη μνήμη (Εικ. Β3 «επόμενη εντολή»), στέλνει τον κωδικό λειτουργίας στην ALU και προετοιμάζεται να εκτελέσει την αντίστοιχη λειτουργία. Στη συνέχεια, δημιουργεί δειγματοληπτικά σήματα από τη μνήμη τελεστών (δείτε το σήμα «Διευθύνσεις δεδομένων») και καθορίζει τη διεύθυνση της επόμενης εντολής που θα πρέπει να εκτελεστεί στον επόμενο κύκλο του υπολογιστή («Επόμενη Διεύθυνση Εντολής»). Με βάση τα σήματα από τη μονάδα ελέγχου, οι τελεστές διαβάζονται από τη μνήμη και η ALU εκτελεί τις απαραίτητες ενέργειες. Σε αυτήν την περίπτωση, σχηματίζεται ένα ενδιάμεσο αποτέλεσμα («Αποτέλεσμα της λειτουργίας»), το οποίο εξοικονομεί επίσης τη μνήμη. Ανάλογα με το αποτέλεσμα της λειτουργίας, μπορεί να χρειαστεί να αλλάξετε τη σειρά εκτέλεσης εντολών ή να σταματήσετε την επεξεργασία δεδομένων ή να εμφανίσετε μηνύματα σφάλματος στον χειριστή. Για το σκοπό αυτό, το σήμα «Result Sign» αποστέλλεται από την ALU στη μονάδα ελέγχου. Η διαδικασία επεξεργασίας των καταχωρημένων δεδομένων (πληροφοριών) συνεχίζεται έως ότου ανακτηθεί η εντολή «Τέλος υπολογισμών» ή ο χειριστής, κατά την κρίση του, σταματήσει τη διαδικασία επεξεργασίας δεδομένων.

Το αποτέλεσμα επεξεργασίας που προκύπτει αποθηκεύεται επίσης στη μνήμη και μπορεί να εξαχθεί μέσω συσκευή εξόδου Αλίμονοστο τέλος της διαδικασίας επεξεργασίας ή κατά τη διάρκεια της διαδικασίας, εφόσον προβλέπεται από το πρόγραμμα.

Για «επικοινωνία» μεταξύ χειριστή και υπολογιστή, παρέχονται τερματικές συσκευές ΟΤΙ, που προορίζεται για τον χειριστή να εισάγει εντολές και άλλα μηνύματα και να εξάγει "μηνύματα" στον χειριστή από τον υπολογιστή.

Το σχήμα Β3 δεν δείχνει τις συνδέσεις της συσκευής ελέγχου, οι οποίες διασφαλίζουν συγχρονισμό της λειτουργίας όλων των εξαρτημάτων του υπολογιστή. Τα πλατιά βέλη υποδεικνύουν τη δυνατότητα παράλληλης μετάδοσης δεδομένων (ταυτόχρονη μετάδοση όλων των bit δυαδικών αριθμών πολλαπλών bit).

Σχεδόν όλα τα μπλοκ που φαίνονται στο Σχ. Β3 (εκτός από τις τερματικές συσκευές) μπορούν να υλοποιηθούν πλήρως μόνο σε ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα (IC). Συγκεκριμένα, η μονάδα ελέγχου, η ALU και μέρος της μνήμης (register memory SRAM) μπορούν να κατασκευαστούν με τη μορφή ενός IC με υψηλό βαθμό ολοκλήρωσης. Το όνομα του συνόλου μπλοκ σχηματίζεται μικροεπεξεργαστήςένας κεντρικός επεξεργαστής υπολογιστή κατασκευασμένος με χρήση ενσωματωμένης τεχνολογίας σε ένα μόνο τσιπ ημιαγωγών.

Οι συσκευές εισαγωγής και εξόδου δεδομένων, κατά κανόνα, αποτελούνται από καταχωρητές αποθήκευσης buffer που χρησιμεύουν για την προσωρινή αποθήκευση δεδομένων εισόδου και εξόδου, αντίστοιχα, και για το συντονισμό του συστήματος με εξωτερικές συσκευές.

Η συσκευή αποθήκευσης (SRAM) συνήθως χωρίζεται σε δύο μέρη: μνήμη τυχαίας πρόσβασης (RAM) και μόνιμη μνήμη. Το πρώτο χρησιμεύει για την αποθήκευση των ενδιάμεσων αποτελεσμάτων των υπολογισμών· τα «περιεχόμενά» του αλλάζουν συνεχώς κατά την επεξεργασία δεδομένων. Η RAM λειτουργεί σε καταστάσεις «ανάγνωσης» και «εγγραφής» δεδομένων. Και η δεύτερη, μνήμη μόνο για ανάγνωση (ROM), χρησιμοποιείται για την αποθήκευση τυπικών υπορουτίνων και ορισμένων υπορουτίνων συστήματος (υπηρεσίας) που ελέγχουν τις διαδικασίες ενεργοποίησης και απενεργοποίησης του υπολογιστή. Συνήθως, η ROM υλοποιείται σε προγραμματιζόμενη ROM πεδίου IC (FPROM), είτε προγραμματισμένη από το εργοστάσιο IC ROM είτε επαναπρογραμματιζόμενη από το χρήστη ROM (RePROM). Συνήθως, πρόκειται για μη πτητικές συσκευές αποθήκευσης στις οποίες οι καταγεγραμμένες πληροφορίες δεν «καταστρέφονται» ακόμη και όταν αποσυνδέονται από την πηγή ρεύματος.

Το ALU περιλαμβάνει ένα IC με το ίδιο όνομα που εκτελεί λογικές και αριθμητικές πράξεις με δυαδικούς αριθμούς, λογικά στοιχεία και μια σειρά από άλλες λειτουργικές μονάδες που χρησιμεύουν για τη σύγκριση αριθμών, ψηφιακούς συγκριτές, για την αύξηση της ταχύτητας των αριθμητικών πράξεων που εκτελούνται, για παράδειγμα, " μονάδες γρήγορης μεταφοράς» κ.λπ.

Η μονάδα ελέγχου περιλαμβάνει συσκευές χρονοδιακόπτη που ρυθμίζουν τη συχνότητα ρολογιού του συστήματος και, τελικά, καθορίζουν την απόδοσή του, αποκωδικοποιητές κώδικα εντολών, προγραμματιζόμενους λογικούς πίνακες, καταχωρητές, μονάδες ελέγχου μικροπρογραμμάτων, καθώς και «θύρες» εισόδου/εξόδου.

Όλες οι αναγραφόμενες λειτουργικές μονάδες υλοποιούνται με τη μορφή ενσωματωμένων ψηφιακών συσκευών.

Κύρια προβλήματατα υπολογιστικά συστήματα, πρώτον, ενισχύουν τα παραγωγικότητα(εκτέλεση). Και δεύτερον, διασφάλιση της λειτουργίας των συστημάτων σε πραγματικό χρόνο.

Το πρώτο πρόβλημα έχει χαρακτήρα ολόκληρου του συστήματος και επιλύεται χρησιμοποιώντας μια νέα βάση στοιχείων και ειδικές μεθόδους επεξεργασίας πληροφοριών.

Το δεύτερο πρόβλημα προκύπτει όταν χρησιμοποιούνται υπολογιστικά συστήματα για τον έλεγχο των διαδικασιών παραγωγής και είναι ότι η ταχύτητα παραγωγής και οι υπολογιστικές διαδικασίες πρέπει να συντονίζονται. Πράγματι, η λειτουργία ενός συστήματος υπολογιστή (CS) συμβαίνει στον λεγόμενο χρόνο «μηχανής», όταν ένα συγκεκριμένο σταθερό και αδιαίρετο χρονικό διάστημα, που ονομάζεται «κύκλος εργασίας» ενός υπολογιστή ή υπολογιστή, λαμβάνεται ως μονάδα χρόνου. , ενώ οι πραγματικές φυσικές διεργασίες, για παράδειγμα οι τεχνολογικές διεργασίες, λαμβάνουν χώρα σε πραγματικό χρόνο, μετρημένες σε δευτερόλεπτα, κλάσματα του δευτερολέπτου, ώρες κ.λπ. Για να καταστεί δυνατή η χρήση υπολογιστών, είναι απαραίτητο να γίνει η ταχύτητα επεξεργασίας πληροφοριών όχι μικρότερη από την ταχύτητα των πραγματικών φυσικών διεργασιών. Η λύση σε αυτό το πρόβλημα επιτυγχάνεται με την οργάνωση ειδικών μεθόδων ανταλλαγής πληροφοριών (δεδομένων) του υπολογιστή ελέγχου με περιφερειακές συσκευές και τη χρήση ειδικών, λεγόμενων εντεRκυκλώματα και συσκευές προσώπου. Οι λειτουργίες των κυκλωμάτων διασύνδεσης περιλαμβάνουν:

τον προσδιορισμό της διεύθυνσης μιας εξωτερικής συσκευής που απαιτεί ανταλλαγή πληροφοριών με τον επεξεργαστή ή με τη συσκευή αποθήκευσης συστήματος·

δημιουργία σημάτων διακοπής για τον επεξεργαστή BC και αρχικοποίηση της μετάβασης στο πρόγραμμα εξυπηρέτησης για το αντικείμενο που ζήτησε τη διακοπή. Αυτό πραγματοποιείται σύμφωνα με ειδική σύστημα προτεραιοτήτων;

υλοποίηση ουρών για την εξυπηρέτηση εξωτερικών συσκευών.

συντονισμός παραμέτρων και χρονισμός των σημάτων ανταλλαγής κ.λπ.

Χάρη στις σύγχρονες εξελίξεις στον τομέα της ολοκληρωμένης τεχνολογίας στην κατασκευή μικροηλεκτρονικών συσκευών, στη δημιουργία μικροϋπολογιστών και υπολογιστών που χαρακτηρίζονται από μικρές διαστάσεις, χαμηλή κατανάλωση ενέργειας και λογικό κόστος, κατέστη δυνατή η χρήση τους ως μέρος συστημάτων για μεγάλη ποικιλία των σκοπών. Ταυτόχρονα, τα συστήματα αυτά αποκτούν νέες ιδιότητες και γίνονται πολυλειτουργικά με δυνατότητα ευέλικτης μετάβασης από τον έναν τρόπο λειτουργίας στον άλλο αλλάζοντας απλώς τη διαμόρφωση του συστήματος. Με τη σειρά τους, αυτά τα πλεονεκτήματα ανοίγουν νέες προοπτικές για τη χρήση συστημάτων υπολογιστών σε μια μεγάλη ποικιλία τομέων ανθρώπινης δραστηριότητας: στην επιστήμη, την ιατρική, την εκπαίδευση και την κατάρτιση, και ακόμη περισσότερο στην τεχνολογία.

Για παράδειγμα, οι τηλεφωνικές επικοινωνίες πραγματοποιούνταν παραδοσιακά με αναλογικές συσκευές, όπου η ανθρώπινη ομιλία μεταδιδόταν (μέσω καλωδίων) με σήματα με τη μορφή εναλλασσόμενων ρευμάτων ακουστικών συχνοτήτων. Τώρα έχει γίνει μια εντατική μετάβαση στις ψηφιακές τηλεφωνικές επικοινωνίες, κατά τις οποίες τα αναλογικά σήματα (από ένα μικρόφωνο) μετατρέπονται σε ψηφιακά, που μεταδίδονται σε μεγάλες αποστάσεις χωρίς σημαντική παραμόρφωση. Στην πλευρά λήψης, αυτά τα ψηφιακά σήματα μετατρέπονται και πάλι σε αναλογικά και παραδίδονται στο τηλέφωνο. Η μετάβαση στις ψηφιακές επικοινωνίες καθιστά δυνατή τη βελτίωση της ποιότητας της μετάδοσης φωνής· επιπλέον, το τηλεφωνικό δίκτυο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για άλλες υπηρεσίες: συναγερμός ασφαλείας. συναγερμός πυρκαγιάς; για «κλήσεις συνδιάσκεψης» πολλών συνδρομητών και ούτω καθεξής.

ΣΤΙΣ 2. Συγκριτική αξιολόγηση ψηφιακών και αναλογικών συσκευών

μικροηλεκτρονική τεχνολογία

Όταν αποφασίζετε για την κατασκευή ή το σχεδιασμό οποιασδήποτε συσκευής, πρέπει πρώτα να αποφασίσετε για την κατεύθυνση σχεδιασμού, πώς θα είναι η συσκευή; Αναλογικόή διακεκριμένος(ψηφιακό)? Με τη σειρά του, αυτή η απόφαση μπορεί να ληφθεί γνωρίζοντας τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα και των δύο συσκευών. Ας ορίσουμε πρώτα τις έννοιες των «αναλογικών» και «ψηφιακών» συσκευών.

Αναλογικόαυτό ονομάζεται συσκευή, στο οποίο όλα τα σήματα εισόδου, εξόδου και ενδιάμεσα (εσωτερικά) είναι συνεχή, που περιγράφονται από συνεχείς μαθηματικές συναρτήσεις. Αυτά τα σήματα χαρακτηρίζονται από ένα άπειρο σύνολο τιμών σε επίπεδο (καταστάσεις) και είναι συνεχείς στο χρόνο, αν και το εύρος των αλλαγών στις τιμές ενός συνεχούς σήματος είναι περιορισμένο. Ως εκ τούτου, τέτοιες συσκευές καλούνται μερικές φορές κανονίζωουstvami nμιδιακοπτόμενη.

Διακριτές συσκευέςή συσκευές διακριτή δράσηείναι εκείνα των οποίων τα σήματα εισόδου, εξόδου και ενδιάμεσων χαρακτηρίζονται από ένα μετρήσιμο σύνολο τιμών σε επίπεδο και ύπαρξη σε συγκεκριμένα χρονικά διαστήματα. Τέτοια σήματα μπορούν να εμφανίζονται σε ένα ή άλλο σύστημα αριθμών θέσης (με αντίστοιχους αριθμούς). Για παράδειγμα, στο σύστημα δεκαδικών αριθμών ή στο δυαδικό σύστημα αριθμών. Η δυαδική αναπαράσταση σημάτων έχει βρει τη μεγαλύτερη εφαρμογή στην τεχνολογία και στην τυπική λογική στον υπολογισμό των δηλώσεων και στην εξαγωγή συμπερασμάτων από διάφορες υποθέσεις. Επομένως, ονομάζονται διακριτές συσκευές λογικός(παρόμοια με την τυπική δυαδική λογική) ή ψηφιακό, λαμβάνοντας υπόψη τη δυνατότητα περιγραφής τους χρησιμοποιώντας αριθμούς του συστήματος θέσεων αριθμών.

Μειονεκτήματα αναλογικών τεχνικών μέσων

Παρουσία «drift» και «noise». ΞηρότεροςΑυτή είναι μια αργή αλλαγή στο σήμα, λόγω της διακριτής φύσης των φαινομένων, σε σχέση με τη δεδομένη τιμή του. Για παράδειγμα, για τα ηλεκτρικά σήματα, η διακριτή φύση της ροής του ηλεκτρικού ρεύματος καθορίζεται από ηλεκτρόνια και «οπές», που είναι φορείς ηλεκτρικών φορτίων. ΘόρυβοιΑυτές είναι τυχαίες αλλαγές σήματος που προκαλούνται από εξωτερικούς ή εσωτερικούς παράγοντες, για παράδειγμα, θερμοκρασία, πίεση, ένταση του μαγνητικού πεδίου της Γης κ.λπ.

Μεθοδολογικές δυσκολίες στον ορισμό των εννοιών «ισότητα προς το μηδέν» και «ισότητα αναλογικών σημάτων». Και ως συνέπεια, η ύπαρξη του προβλήματος της «διασφάλισης της καθορισμένης ακρίβειας (σφάλματος)» των μετασχηματισμών και της μετάδοσης σήματος.

Η πιθανότητα εμφάνισης ασταθών τρόπων λειτουργίας και η ύπαρξη του προβλήματος της «διασφάλισης της σταθερότητας» της λειτουργίας συστημάτων και συσκευών. Μια ασταθής λειτουργία χαρακτηρίζεται από την εμφάνιση σε μια συσκευή ή σύστημα μη απόσβεσης ταλαντώσεων στην αλλαγή ορισμένων σημάτων. Στην ηλεκτρονική, αυτό το φαινόμενο χρησιμοποιείται ευρέως στην κατασκευή γεννητριών παλμών και γεννητριών αρμονικής ταλάντωσης.

Τεχνικές δυσκολίες στην εφαρμογή συσκευών αποθήκευσης και συσκευών χρονικής καθυστέρησης για αναλογικά σήματα.

Ανεπαρκές επίπεδο ενσωμάτωσης αναλογικών στοιχείων και ευελιξία τους.

Σχετικά μικρό εύρος μετάδοσης αναλογικών σημάτων λόγω διαρροής ενέργειας στις γραμμές επικοινωνίας.

Σχετικά μεγάλη κατανάλωση ενέργειας, αφού τα αναλογικά στοιχεία λειτουργούν στα γραμμικά τμήματα των μεταβατικών χαρακτηριστικών τους και «καταναλώνουν» ενέργεια στις αρχικές (αρχικές) καταστάσεις.

Πλεονεκτήματα αναλογικών τεχνικών μέσων

Επάρκεια εμφάνισης φυσικών διεργασιών και προτύπων: και τα δύο περιγράφονται από συνεχείς εξαρτήσεις. Αυτό μας επιτρέπει να απλοποιήσουμε σημαντικά τις θεμελιώδεις τεχνικές λύσεις των αναλογικών συσκευών και συστημάτων.

Αποδοτικότητα και ευκολία αλλαγής τρόπων λειτουργίας: συχνά αρκεί να αλλάξετε την αντίσταση μιας αντίστασης ή την χωρητικότητα ενός πυκνωτή, έτσι ώστε μια ασταθής λειτουργία να αλλάξει σε σταθερή ή να διασφαλιστεί μια δεδομένη μεταβατική διαδικασία στη συσκευή.

Δεν χρειάζεται να μετατρέψετε αναλογικές τιμές σε διακριτές. Αυτοί οι μετασχηματισμοί συνοδεύονται από λάθη και κάποιο χάσιμο χρόνου.

Πλεονεκτήματα της ψηφιακής τεχνολογίας

Η δυνατότητα ελέγχου προγράμματος, η οποία αυξάνει την ευελιξία αλλαγής της δομής και του αλγόριθμου λειτουργίας των συστημάτων, καθιστά δυνατή την απλοποίηση της εφαρμογής των νόμων προσαρμοστικού ελέγχου.

Ευκολία διασφάλισης της καθορισμένης αξιοπιστίας, ακρίβειας και θορύβου των συστημάτων.

Ευκολία διασφάλισης συμβατότητας συσκευών με συσκευές ψηφιακής επεξεργασίας πληροφοριών (υπολογιστές, υπολογιστές).

Υψηλός βαθμός εποικοδομητικής και λειτουργικής ολοκλήρωσης, ευελιξία με δυνατότητα κατασκευής συστημάτων σύμφωνα με τυπικές σχεδιαστικές λύσεις. Με τη σειρά του, αυτό σας επιτρέπει να μειώσετε το κόστος παραγωγής και λειτουργίας συστημάτων και συσκευών.

Η δυνατότητα σχεδίασης χρησιμοποιώντας επίσημες λογικές μεθόδους, η οποία σας επιτρέπει να μειώσετε τον χρόνο σχεδιασμού των συσκευών και καθιστά δυνατή την αλλαγή των λειτουργιών των συσκευών (και των συστημάτων που βασίζονται σε αυτές) με μεθόδους συνολικής κατασκευής κατά τη λειτουργία.

Μειονεκτήματα της ψηφιακής τεχνολογίας

Η ανάγκη μετατροπής αναλογικών σημάτων σε διακριτά. Αυτοί οι μετασχηματισμοί συνοδεύονται από σφάλματα και χρονικές καθυστερήσεις.

Η σχετική δυσκολία αλλαγής τρόπων λειτουργίας. Για να γίνει αυτό, είναι απαραίτητο να αλλάξετε τη δομή του συστήματος ή τον αλγόριθμο λειτουργίας του.

Η πολυπλοκότητα των διαδικασιών ανάλυσης της λειτουργίας των συστημάτων, τόσο κατά τον έλεγχο της ορθότητας της λειτουργίας τους όσο και κατά την αναζήτηση αναδυόμενων βλαβών. Οι ψηφιακές συσκευές χαρακτηρίζονται από μεγάλη λειτουργική πολυπλοκότητα, η οποία απαιτεί ειδικές «διαγνωστικές» συσκευές, οι οποίες μελετώνται σε ένα ειδικό πεδίο της τεχνολογίας που ονομάζεται τεχνικό δΚαιαγνώστουΚαιουα.

Αυξημένες απαιτήσεις για κουλτούρα παραγωγής και κουλτούρα συντήρησης ψηφιακού εξοπλισμού. Με τη σειρά του, αυτό διεγείρει την ανάγκη βελτίωσης των προσόντων του προσωπικού εξυπηρέτησης και απαιτεί από αυτά να είναι υψηλά προσόντα.

Μια συγκριτική ανάλυση των αναγραφόμενων πλεονεκτημάτων και μειονεκτημάτων δίνει συμπέρασμα υπέρτεχνικά μέσα ψηφιακή τεχνολογία. Ως εκ τούτου, επί του παρόντος, οι ψηφιακές συσκευές εισάγονται ευρέως σε φαινομενικά παραδοσιακούς τομείς της αναλογικής τεχνολογίας: τηλεόραση, τηλεφωνικές επικοινωνίες, τεχνολογία εγγραφής ήχου, τεχνολογία ραδιοφώνου και συστήματα αυτόματου ελέγχου και ρύθμισης.

1. Βασικές αρχές της μικροηλεκτρονικής τεχνολογίας

1.1. Βασικές έννοιες και ορισμοί

Μικροηλεκτρονικήτο κύριο πεδίο της ηλεκτρονικής, που μελετά τα προβλήματα σχεδιασμού, έρευνας, δημιουργίας και χρήσης ηλεκτρονικών συσκευών με υψηλό βαθμό λειτουργικόςΚαι κατασκευέςVΝώε ενσωμάτωση.

Μικροηλεκτρονικό προϊόν, που υλοποιείται μέσω ολοκληρωμένης τεχνολογίας και εκτελεί μια συγκεκριμένη λειτουργία για τη μετατροπή και την επεξεργασία σημάτων, ονομάζεται ενσωματωμένο κύκλωμα(IC) ή απλά ενσωματωμένο κύκλωμα(ΕΙΝΑΙ).

Μικροηλεκτρονική συσκευήένα σύνολο διασυνδεδεμένων IC που εκτελούν μια πλήρη, μάλλον πολύπλοκη λειτουργία (ή πολλές λειτουργίες) για την επεξεργασία και τη μετατροπή σημάτων. Μια μικροηλεκτρονική συσκευή μπορεί να σχεδιαστεί δομικά με τη μορφή ενός μόνο μικροκυκλώματος ή σε πολλά IC.

Κάτω από λειτουργική ολοκλήρωσηκατανοούν την αύξηση του αριθμού των λειτουργιών που υλοποιούνται (εκτελούνται) από μια συγκεκριμένη συσκευή. Σε αυτή την περίπτωση, η συσκευή θεωρείται ως ολόκληρος, αδιαίρετο. ΕΝΑ εποικοδομητικός ενθμιχάρηείναι μια αύξηση στον αριθμό των εξαρτημάτων σε μια συσκευή, που θεωρείται ως ολόκληρος. Ένα παράδειγμα μικροηλεκτρονικής συσκευής με υψηλό βαθμό δομικής και λειτουργικής ολοκλήρωσης είναι μικροεπεξεργαστής(βλ. παραπάνω), το οποίο, κατά κανόνα, εκτελείται με τη μορφή ενός "μεγάλου" IC.

Σχεδιασμός κυκλώματοςαποτελεί μέρος της μικροηλεκτρονικής, το αντικείμενο της οποίας είναι μεθόδους κατασκευήςσυσκευές για διάφορους σκοπούς σε μικροΟσχέδια ευρείας εφαρμογής. Το θέμα σχέδιο ψηφιακού κυκλώματοςείναι μέθοδοι για την κατασκευή (σχεδιασμό) συσκευών που χρησιμοποιούν μόνο ψηφιακά IC.

Χαρακτηριστικά ψηφιακών κυκλωμάτωνχρησιμοποιείται ευρέως για να περιγράψει τις διαδικασίες λειτουργίας των συσκευών επίσημοςή επίσημες φυσικές γλώσσεςκαι βάσει αυτών επίσημες μεθόδους σχεδιασμού. Οι επίσημες γλώσσες είναι Άλγεβρα Boole(άλγεβρα λογικής, άλγεβρα Boole) και τη γλώσσα των «αυτόματων» λογικών συναρτήσεων άλγεβρα καταστάσεων και γεγονότων. Χάρη στη χρήση επισημοποιημένων μεθόδων, επιτυγχάνεται πολυμεταβλητότηταστην επίλυση εφαρμοζόμενων προβλημάτων, καθίσταται δυνατή βέλτιστη επιλογή λύσεων κυκλώματοςσύμφωνα με το ένα ή το άλλο κριτήρια.

Επίσημες μέθοδοιχαρακτηρίζονται από υψηλό επίπεδο αφαίρεσης, παραμέληση των ιδιαίτερων ιδιοτήτων του περιγραφόμενου αντικειμένου. Η προσοχή εστιάζεται μόνο στα γενικά πρότυπα στις αμοιβαίες σχέσεις μεταξύ των συστατικών του αντικειμένου και των συστατικών του μερών. Τέτοιες «κανονικότητες», για παράδειγμα, περιλαμβάνουν τους κανόνες των αριθμητικών πράξεων στην άλγεβρα των αριθμών (κανόνες πρόσθεσης, αφαίρεσης, πολλαπλασιασμού, διαίρεσης). Ταυτόχρονα, αποσπώνται από την έννοια των αριθμών (είτε πρόκειται για τον αριθμό των μήλων, είτε για τα τραπέζια κ.λπ.). Αυτοί οι κανόνες είναι αυστηρά επισημοποιημένοι· οι κανόνες για τη λήψη σύνθετων αριθμητικών παραστάσεων, καθώς και οι διαδικασίες για τον υπολογισμό τέτοιων παραστάσεων, είναι επίσης επισημοποιημένοι. Σε τέτοιες περιπτώσεις λένε, επίσημα είναι και σιnότιΠρος τηναδελφήΚαι γραμματική της γλώσσαςπεριγραφές.

Στις επίσημες φυσικές γλώσσες, η σύνταξη επισημοποιείται και η γραμματική (κανόνες για την κατασκευή σύνθετων εκφράσεων) υπόκειται στη γραμματική μιας φυσικής γλώσσας, για παράδειγμα, ρωσικά ή αγγλικά. Παραδείγματα τέτοιων γλωσσών είναι διάφορες γλώσσες περιγραφής σε πίνακα. Ειδικότερα, η θεωρητική βάση για την περιγραφή των ψηφιακών συσκευών είναι η «Θεωρία των πεπερασμένων αυτομάτων» ή «Θεωρία των συσκευών αναμετάδοσης και των πεπερασμένων αυτομάτων».

1.2. Ταξινόμηση μικροηλεκτρονικών συσκευών

Ολόκληρη η ποικιλία των μικροηλεκτρονικών συσκευών (MED) μπορεί να ταξινομηθεί σύμφωνα με διάφορα κριτήρια:

από την αρχή και τη φύση της δράσης·

με λειτουργικό σκοπό και λειτουργίες που εκτελούνται·

από την τεχνολογία κατασκευής·

ανά περιοχή εφαρμογής·

σύμφωνα με το σχεδιασμό και τα τεχνικά χαρακτηριστικά, και ούτω καθεξής.

Ας εξετάσουμε τώρα λεπτομερέστερα την κατανομή του MEU σύμφωνα με κριτήρια ταξινόμησης.

Σύμφωνα με την αρχή(χαρακτήρας) Ενέργειεςόλες οι MEU χωρίζονται σε αναλογικό και ψηφιακό. Οι έννοιες των αναλογικών και διακριτών συσκευών, συμπεριλαμβανομένων των ψηφιακών, έχουν ήδη δοθεί παραπάνω. Εδώ σημειώνουμε ότι εάν σε διακριτές συσκευές όλα τα σήματα λαμβάνουν μόνο δύο υπό συνθήκη τιμές λογικού μηδέν (log.0) και λογική μία (log.1), τότε οι συσκευές ονομάζονται λογικός. Κατά κανόνα, όλες οι ψηφιακές συσκευές ταξινομούνται ως λογικές συσκευές.

Ανάλογα με τις λειτουργίες που εκτελούνται (λειτουργικός σκοπός), διακρίνονται οι ακόλουθες μικροηλεκτρονικές συσκευές:

Ι. Αναλογικό

1.1. Συσκευές ενίσχυσης (ενισχυτές).

1.2. Λειτουργικοί μετατροπείς που εκτελούν μαθηματικές πράξεις σε αναλογικά σήματα (για παράδειγμα, ολοκλήρωση, διαφοροποίηση κ.λπ.).

1.3. Μετατροπείς μέτρησης και αισθητήρες φυσικών μεγεθών.

1.4. Διαμορφωτές και αποδιαμορφωτές, φίλτρα, μίκτες και γεννήτριες αρμονικών.

1.5. Συσκευές αποθήκευσης.

1.6. Σταθεροποιητές τάσης και ρεύματος.

1.7. Ολοκληρωμένα κυκλώματα για ειδικούς σκοπούς (για παράδειγμα, για επεξεργασία σημάτων ραδιοφώνου και βίντεο, συγκριτές, διακόπτες κ.λπ.).

II. Ψηφιακά ΜΕΑ

2.1. Λογικά στοιχεία.

2.2. Κρυπτογραφητές, αποκρυπτογραφητές κώδικα και μετατροπείς κώδικα.

2.3. Στοιχεία μνήμης (ενεργοποιητές).

2.4. Συσκευές αποθήκευσης (RAM, ROM, PROM, PLM κ.λπ.).

2.5. Αριθμητικές-λογικές συσκευές.

2.6. Επιλογείς, διαμορφωτές και γεννήτριες παλμών.

2.7. Συσκευές μέτρησης (μετρητές παλμών).

2.8. Ψηφιακές συσκευές σύγκρισης, διακριτοί διακόπτες σήματος.

2.9. Μητρώα.

2.10. Μικροκυκλώματα ειδικού σκοπού (για παράδειγμα, χρονόμετρα, κιτ IC μικροεπεξεργαστή κ.λπ.).

Η παραπάνω ταξινόμηση απέχει πολύ από το να είναι εξαντλητική, αλλά μας επιτρέπει να συμπεράνουμε ότι το εύρος των ψηφιακών συσκευών είναι πολύ ευρύτερο από το εύρος των αναλογικών MEA.

Εκτός από αυτά που αναφέρονται, υπάρχουν μικροκυκλώματα μετατροπέα στάθμης σήματος, για παράδειγμα σκανδάλες Schmitt, στα οποία τα σήματα εισόδου είναι αναλογικά και τα σήματα εξόδου είναι διακριτά, δυαδικά. Τέτοια μικροκυκλώματα καταλαμβάνουν μια ενδιάμεση θέση. Ομοίως, τα μικροκυκλώματα μετατροπέων αναλογικού σε ψηφιακό και ψηφιακό σε αναλογικό (ADC και DAC), διακόπτες αναλογικού σήματος που ελέγχονται από διακριτά σήματα θα πρέπει να ταξινομούνται ως «ενδιάμεσα» MEA.

Ανάλογα με τον αριθμό των εφαρμοζόμενων λειτουργιών, διακρίνονται έναςΟλειτουργικός(απλό) και πολυλειτουργικό(σύνθετο) MEU. Σε πολυλειτουργικές συσκευές, μπορούν να εκτελεστούν λειτουργίες ΤΑΥΤΟΧΡΟΝΑή διαδοχικάεγκαίρως. Ανάλογα με αυτό, στην πρώτη περίπτωση, οι συσκευές ονομάζονται συσκευές «παράλληλης» δράσης και στη δεύτερη περίπτωση, συσκευές διαδοχικής ή «διαδοχικής» δράσης. Εάν μια πολυλειτουργική συσκευή έχει ρυθμιστεί να εκτελεί μια συγκεκριμένη λειτουργία με εναλλαγή εισόδων (φυσική επανασύνδεση ηλεκτρικών κυκλωμάτων), τότε μια τέτοια συσκευή ονομάζεται συσκευή με « σκληρή λογική" δουλειά. Και εάν οι αλλαγές στις λειτουργίες που εκτελούνται γίνονται χρησιμοποιώντας πρόσθετα εξωτερικά σήματα (στις λεγόμενες εισόδους ελέγχου), τότε τέτοια MEA θα πρέπει να ταξινομηθούν ως "ελεγχόμενα από λογισμικό". Για παράδειγμα, τα IC της αριθμητικής λογικής μονάδας (ALU) μπορούν να υλοποιήσουν αριθμητικές ή λογικές πράξεις με δύο δυαδικούς αριθμούς πολλαπλών bit. Και η ρύθμιση για την εκτέλεση αριθμητικών (ή λογικών) πράξεων πραγματοποιείται από ένα επιπλέον εξωτερικό σήμα, ανάλογα με την τιμή του οποίου θα εκτελεστούν οι επιθυμητές ενέργειες. Επομένως, οι ALU θα πρέπει να ταξινομηθούν ως MEU ελεγχόμενες από λογισμικό.

Σύμφωνα με την τεχνολογία κατασκευήςόλα τα IC χωρίζονται σε:

Ημιαγωγός;

Ταινία;

Υβρίδιο.

ΣΕ ημιαγωγός IC όλα τα εξαρτήματα και οι συνδέσεις γίνονται στον όγκο και στην επιφάνεια του κρυστάλλου ημιαγωγού. Αυτά τα IC χωρίζονται σε σιΚαιπολικόςμικροκυκλώματα (με σταθερή πολικότητα τάσεων τροφοδοσίας) και αναμ μονοπολικήμε δυνατότητα αλλαγής της πολικότητας της τάσης τροφοδοσίας. Ανάλογα με τη σχεδίαση του κυκλώματος του «εσωτερικού περιεχομένου», τα διπολικά μικροκυκλώματα χωρίζονται στους ακόλουθους τύπους:

Λογική τρανζίστορ-τρανζίστορ TTL;

Λογική τρανζίστορ-τρανζίστορ TTLsh με τρανζίστορ και διόδους Schottky.

Λογική συζευγμένης εκπομπής ESL.

Και 2 L injection logic και άλλα.

Μικροκυκλώματα μονοπολικής τεχνολογίας κατασκευάζονται σε τρανζίστορ MOS («μετάλλου-διηλεκτρικού-ημιαγωγού»), ή σε τρανζίστορ MOS («ημιαγωγός μετάλλου-οξειδίου») ή σε τρανζίστορ CMOS (συμπληρωματικός «ημιαγωγός οξειδίου μετάλλου»).

ΣΕ ταινία Σε ένα IC, όλα τα εξαρτήματα και οι συνδέσεις γίνονται μόνο στην επιφάνεια του κρυστάλλου ημιαγωγού. Διακρίνω λεπτή μεμβράνη(με πάχος στρώσης μικρότερο από 1 micron) και παχιά μεμβράνημε πάχος φιλμ μεγαλύτερο από ένα μικρό. Τα IC λεπτής μεμβράνης κατασκευάζονται με χρήση θερμικής εναπόθεσης κενού και καθόδου, ενώ τα IC με παχύ φιλμ κατασκευάζονται με εκτύπωση μεταξοτυπίας ακολουθούμενη από καύση σε πρόσθετα.

ΥβρίδιοΤα IC αποτελούνται από "απλά" και "σύνθετα" εξαρτήματα που βρίσκονται στο ίδιο υπόστρωμα. Τα τσιπ IC ημιαγωγών ή φιλμ χρησιμοποιούνται συνήθως ως σύνθετα εξαρτήματα. Τα απλά περιλαμβάνουν διακριτά ηλεκτρονικά εξαρτήματα (τρανζίστορ, δίοδοι, πυκνωτές, επαγωγείς κ.λπ.). Όλα αυτά τα εξαρτήματα βρίσκονται δομικά στο ίδιο υπόστρωμα και ηλεκτρικές συνδέσεις μεταξύ τους γίνονται επίσης σε αυτό. Επιπλέον, ένα υπόστρωμα με τα εξαρτήματα που βρίσκονται πάνω του σχηματίζει ένα «στρώμα» ενός υβριδικού IC. Διακρίνω μονή στρώσηΚαι πολυστρωματικόυβριδικά IC. Το πολυστρωματικό υβριδικό IC είναι ικανό να εκτελεί αρκετά περίπλοκες λειτουργίες επεξεργασίας σήματος. Ένα τέτοιο μικροκύκλωμα ισοδυναμεί σε δράση με ένα «μικρομπλόκ» συσκευών ή, εάν προορίζεται για ανεξάρτητη χρήση, με τη δράση ενός «ολόκληρου» μπλοκ.

Επιπλέον, τυχόν μικροκυκλώματα αξιολογούνται ποσοτικά προβολήΕΝΑτηλεπικοινωνιώνδικα τους δυσκολίες. Ως τέτοιος δείκτης, « βαθμός ενσωμάτωση» κ, ίσο με τον δεκαδικό λογάριθμο της συνολικής ποσότητας Νεξαρτήματα τοποθετημένα σε ένα τσιπ ημιαγωγών, δηλαδή

κ = lq Ν. (1)

Σύμφωνα με τον τύπο (1), όλα τα μικροκυκλώματα χωρίζονται σε μικροκυκλώματα του 1ου, 2ου, τρίτου και ούτω καθεξής βαθμών ολοκλήρωσης. Ο βαθμός ολοκλήρωσης χαρακτηρίζει μόνο έμμεσα την πολυπλοκότητα των μικροκυκλωμάτων, καθώς λαμβάνει υπόψη μόνο εποικοδομητικόςενσωμάτωση. Στην πραγματικότητα, η πολυπλοκότητα του μικροκυκλώματος εξαρτάται επίσης από τον αριθμό των αμοιβαίων συνδέσεων μεταξύ των εξαρτημάτων.

Στην πρακτική της μηχανικής, ένα ποιοτικό χαρακτηριστικό της πολυπλοκότητας των μικροκυκλωμάτων χρησιμοποιείται στις έννοιες του "μικρού", "μεσαίου", "μεγάλου" και "υπερ-μεγάλου" IC.

Ο Πίνακας 1.1 παρέχει πληροφορίες σχετικά με την αμοιβαία αντιστοιχία ποιοτικών και ποσοτικών μετρήσεων πολυπλοκότητας IS κατά τους τύπους τους.

Πίνακας 1.1

όνομα IP		Τεχνολογία κατασκευής	Αριθμός εξαρτημάτων στο τσιπ	Βαθμός ένταξης κ
Μικρό (MIS)	Ψηφιακό	Διπολικός
		Μονοπολικό
	Αναλογικό	Διπολικός
Μέσος όρος (SIS)	Ψηφιακό	Διπολικός
		Μονοπολικό
	Αναλογικό	Διπολικός
		Μονοπολικό
Big (BIS)	Ψηφιακό	Διπολικός
		Μονοπολικό
	Αναλογικό	Διπολικός
		Μονοπολικό
Extra Large (VLSI)	Ψηφιακό	Διπολικός
		Μονοπολικό	Πάνω από 10000
	Αναλογικό	Διπολικός
		Μονοπολικό

Από την ανάλυση του Πίνακα 1.1 προκύπτει ότι, σε σύγκριση με τα ψηφιακά IC, τα αναλογικά μικροκυκλώματα με τους ίδιους βαθμούς ολοκλήρωσης έχουν πάνω από τρεις φορές λιγότερα συστατικά στη σύνθεσή τους (σε ένα τσιπ ημιαγωγών). Αυτό συμβαίνει επειδή τα ενεργά συστατικά (τρανζίστορ) ενός αναλογικού τσιπ λειτουργούν σε γραμμικό τρόπο και διαχέουν περισσότερη ενέργεια. Η ανάγκη απομάκρυνσης της θερμότητας που παράγεται από την απαγωγή ενέργειας περιορίζει τον αριθμό των εξαρτημάτων που τοποθετούνται σε ένα μόνο τσιπ. Στα ψηφιακά μικροκυκλώματα, τα ενεργά εξαρτήματα λειτουργούν σε λειτουργία μεταγωγής (τα τρανζίστορ είναι είτε κλειδωμένα είτε ανοιχτά και σε λειτουργία κορεσμού). Σε αυτή την περίπτωση, η απαγωγή ισχύος είναι αμελητέα και η ποσότητα της θερμότητας που παράγεται είναι επίσης αμελητέα και επομένως ο αριθμός των εξαρτημάτων στο τσιπ μπορεί να τοποθετηθεί περισσότερο. (Οι διαστάσεις των κρυστάλλων είναι τυποποιημένες και περιορισμένες.) Με τη μονοπολική τεχνολογία, ο όγκος του κρυστάλλου που καταλαμβάνεται από ένα τρανζίστορ πεδίου είναι περίπου τρεις φορές μικρότερος από τον όγκο που καταλαμβάνει ένα διπολικό τρανζίστορ ( n- Π- nή Π- n- Πτύπος). Αυτό εξηγεί το γεγονός ότι περισσότερα ενεργά συστατικά μπορούν να τοποθετηθούν σε ένα τσιπ τυπικών μεγεθών σε ένα μονοπολικό μικροκύκλωμα.

Με σχέδιοΑνάλογα με τη λειτουργική πολυπλοκότητα, οι μικροηλεκτρονικές συσκευές χωρίζονται σε:

σε απλά μικροκυκλώματα (IC).

για μικροσυσκευές?

σε μικρομπλόκ.

ICμικροηλεκτρονικό προϊόν που κατασκευάζεται σε ενοποιημένη τεχνολογίαΟμαγικός κύκλος, κατάλληλο για ανεξάρτητη χρήση ή ως μέρος πιο σύνθετων προϊόντων (συμπεριλαμβανομένων μικροσυσκευών και μικρομπλόκ). Τα μικροκυκλώματα μπορούν να μην πλαισιωθούν και να έχουν ατομικό περίβλημα που προστατεύει τον κρύσταλλο από εξωτερικές επιρροές.

Μικροσυναρμολόγησηένα μικροηλεκτρονικό προϊόν που εκτελεί μια μάλλον περίπλοκη λειτουργία (λειτουργίες) και αποτελείται από ηλεκτρικά και ραδιοφωνικά εξαρτήματα και μικροκυκλώματα, που κατασκευάζονται με σκοπό τη σμίκρυνση του ηλεκτρονικού εξοπλισμού. Ουσιαστικά, τα υβριδικά τσιπ είναι μικροσυσκευές. Η απλούστερη μικροσυναρμολόγηση μπορεί να είναι, για παράδειγμα, ένα σύνολο μικροαντιστάσεων που κατασκευάζονται σε κρύσταλλο ημιαγωγών και στεγάζονται σε μια ενιαία συσκευασία (όπως ένα μικροκύκλωμα).

Microblockείναι επίσης ένα μικροηλεκτρονικό προϊόν, αποτελείται από ηλεκτρικά και ραδιοφωνικά εξαρτήματα και ολοκληρωμένα κυκλώματα και εκτελεί μια πολύπλοκη(ες) λειτουργία(ες).

Κατά κανόνα, τα μικροσυσκευές και τα μικρομπλοκ κατασκευάζονται σε διαφορετικούς τεχνολογικούς κύκλους και, ίσως, σε διαφορετικά εργοστάσια παραγωγής.

Οπως και τεχνικά χαρακτηριστικά ταξινόμησηςσυνήθως χρησιμοποιείται κατανάλωση ενέργειας(ένα τσιπ) και γρήγοραουαποτέλεσμα.

Με κατανάλωση ενέργειαςόλα τα IC μπορούν να χωριστούν σε: ΕΝΑ) μικροΟισχυρός(λιγότερο από 10 mW); σι) χαμηλή ενέργεια(όχι πάνω από 100 mW); V) μέσης ισχύος(έως 500 mW) Και σολ) ισχυρός(περισσότερο από ή = 0,5 W).

Με Ταχύτητα(μέγιστες χρονικές καθυστερήσεις για τη διάδοση του σήματος μέσω του IC), τα μικροκυκλώματα χωρίζονται υπό όρους σε: ΕΝΑ) εξαιρετικά γρήγορο με συχνότητα αποκοπής φά g μεταγωγές πάνω από 100 MHz; σι) ΓΡΗΓΟΡΗ αντίδραση ( φά g από 50 MHzέως 100 MHz); V) κανονική ταχύτητα ( φά gr από 10 MHzέως 50 MHz). Σε αυτήν την περίπτωση, οι καθυστερήσεις διάδοσης είναι της τάξης των λίγων νανοδευτερόλεπτων (10 -9 Με.) έως 0,1 μικροδευτερόλεπτα (1s =10 -6 Με.).

Ψηφιακές μικροηλεκτρονικές συσκευές, συμπεριλαμβανομένων μικροκυκλωμάτων και άλλων συσκευές διακριτής δράσης, βολικό για ταξινόμηση Με Χ ΕΝΑ φύση του εθισμού σήματα εξόδου από σήματα εισόδου. Όπως συνηθίζεται στη θεωρία των μηχανών πεπερασμένης κατάστασης. Σύμφωνα με αυτό το χαρακτηριστικό, όλες οι συσκευές συνήθως χωρίζονται σε συνδυαστικήΚαι ακολουθητικός.

ΣΕ συνδυαστικές συσκευέςοι τιμές των σημάτων εξόδου σε οποιαδήποτε χρονική στιγμή καθορίζονται μοναδικά από τις τιμές των σημάτων εισόδου στο ίδιο χρονικό σημείο. Επομένως, μπορούμε να υποθέσουμε ότι η λειτουργία τέτοιων συσκευών δεν εξαρτάται από το χρόνο. Ονομάζονται επίσης «χωρίς» συσκευές μνήμη», μονοκύκλουσυσκευές ή συσκευές μίας δράσης. Στη θεωρία των μηχανών πεπερασμένης κατάστασης, οι συνδυαστικές συσκευές ονομάζονται «πρωτόγονες μηχανές πεπερασμένης κατάστασης».

ΣΕ σειριακές συσκευέςοι τιμές των σημάτων εξόδου (σήματα εξόδου) εξαρτώνται από τις τιμές των σημάτων εισόδου όχι μόνο την εξεταζόμενη χρονική στιγμή, αλλά και από τις τιμές των σημάτων εισόδου σε προηγούμενα χρονικά σημεία. Επομένως, τέτοιες συσκευές ονομάζονται συσκευές με " μνήμη», πολλαπλών κύκλωνσυσκευές, αλλά στη θεωρία των μηχανών πεπερασμένης κατάστασης, απλά; μηχανή πεπερασμένης κατάστασης(όχι ασήμαντο).

Κατά την εξέταση του εκπαιδευτικού υλικού, στο μέλλον, για κύριοςας πάρουμε αυτό ταξινόμηση, επειδή μεθόδους κατασκευής(σύνθεση) και διαδικασίες λειτουργίας των ονομαζόμενων συσκευών σημαντικά διαφορετικάΕΝΑυπάρχουν.

Ολοκληρώνοντας την παρουσίαση των θεμάτων ταξινόμησης, σημειώνουμε ότι η δεδομένη λίστα χαρακτηριστικών ταξινόμησης και η λίστα ονομάτων μικροηλεκτρονικών προϊόντων (τσιπ) δεν είναι καθόλου εξαντλητική. Στο μέλλον, αν χρειαστεί, θα προσθέσουμε σε αυτή τη λίστα.

1.3. Στοιχεία λογικής

Στοιχεία λογικήςανήκουν στις απλούστερες συνδυαστικές «συσκευές», με μία έξοδο και μία ή δύο εισόδους. Πήραν το όνομά τους επειδή η λειτουργία τους μπορεί να περιγραφεί πλήρως λογικές συναρτήσειςκαι ειδικότερα Boolean συναρτήσεις.

Όπως και στην τυπική λογική, όλες οι προτάσεις μπορεί να είναι αληθείς ή ψευδείς, και οι λογικές συναρτήσεις μπορούν να λάβουν μόνο δύο τιμές υπό όρους: λογική μία (log.1) "true" και λογικό μηδέν (log.0) "false".

Κατά την περιγραφή της λειτουργίας των λογικών στοιχείων σήματα εξόδουβάλτε σε αλληλογραφία ένας προς έναν λειτουργίες, ΕΝΑ σήματα εισόδου επιχειρήματααυτές οι λειτουργίες. Έτσι, τόσο οι συναρτήσεις όσο και τα ορίσματα συνάρτησης, καθώς και τα σήματα εισόδου και εξόδου των λογικών πυλών, είναι δυαδικά. Αν παραμελήσουμε τον πραγματικό χρόνο μετάβασης ενός λογικού στοιχείου από μια κατάσταση (state log.1) σε μια άλλη (state log.0), τότε ούτε τα ορίσματα ούτε οι συναρτήσεις θα εξαρτώνται από τον παράγοντα χρόνο της μεταβλητής χρόνου. Λαμβάνονται υπόψη οι κανόνες για τη λήψη και τη μετατροπή λογικών εκφράσεων άλγεβρα της λογικήςή booleanάλγεβρα.

Παρόμοια έγγραφα

Στόχοι του μαθήματος είναι η μελέτη της βάσης κυκλωμάτων των σύγχρονων υπολογιστών, συστημάτων υπολογιστών και δικτύων. Οι κύριες γενιές ανάπτυξης κυκλωμάτων υπολογιστών. Αναλογικά και διακριτά στοιχεία. Μέθοδοι παρουσίασης ψηφιακών πληροφοριών, είδη κωδικοποίησης.

διάλεξη, προστέθηκε 17/02/2011


Η μικροηλεκτρονική είναι μια ανεξάρτητη επιστημονική, τεχνική, τεχνολογική κατεύθυνση, ιστορικά στάδια. Ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα: λογικές αρχές, κωδικοποίηση σήματος, ταξινόμηση. ανάπτυξη, παραγωγή, προοπτικές ανάπτυξης και εφαρμογής.

tutorial, προστέθηκε στις 11/11/2010


Τα κύρια πλεονεκτήματα των ψηφιακών συστημάτων επικοινωνίας σε σύγκριση με τα αναλογικά. Αρχές λειτουργίας διακριτών συσκευών, χαρακτηριστικά κατασκευής τους. Συσκευή γεννήτριας παλμών, σύνθεση μετρητή, πολυπλέκτη και αποκωδικοποιητή. Ανάπτυξη ασύγχρονης μηχανής.

εργασία μαθήματος, προστέθηκε 21/11/2012


Χαρακτηριστικά συστημάτων μετάδοσης οπτικών ινών. Επιλογή του μπλοκ διαγράμματος του ψηφιακού VOSP. Ανάπτυξη του τερματικού σταθμού του συστήματος επικοινωνίας, διαμορφωτές AIM. Αρχές κατασκευής συσκευών κωδικοποίησης και αποκωδικοποίησης. Υπολογισμός των κύριων παραμέτρων μιας γραμμικής διαδρομής.

διατριβή, προστέθηκε 20/10/2011


Ολοκληρωμένα κυκλώματα: πληροφορίες, ταξινόμηση, γραφική ονομασία, σήμανση. Σύμβολα μικροκυκλωμάτων, βασικές ηλεκτρικές παράμετροι, βασικά λογικά στοιχεία. Μητρώα, μετρητές, αποκωδικοποιητές, σκανδάλες, συσκευές προστασίας.

διάλεξη, προστέθηκε 20/01/2010


Ολοκληρωμένα κυκλώματα, σήματα. Τακτ λειτουργίας ψηφιακής συσκευής. Σήμανση ψηφιακών μικροκυκλωμάτων ρωσικής κατασκευής. Βασικά στοιχεία παραγωγής ψηφιακών ολοκληρωμένων κυκλωμάτων. Τύποι ψηφιακών ολοκληρωμένων κυκλωμάτων. Κύκλωμα του κεντρικού επεξεργαστή.

παρουσίαση, προστέθηκε 24/04/2016


Χαρακτηριστικά και εύρος σημάτων σε συστήματα ψηφιακής επεξεργασίας. Εξειδικευμένος επεξεργαστής ψηφιακού σήματος SPF SM: προγραμματιστές και ιστορικό, δομή και χαρακτηριστικά, πεδίο εφαρμογής, αλγόριθμοι και λογισμικό.

εργασία μαθήματος, προστέθηκε 12/06/2010


Ολοκληρωμένα κυκλώματα. Υποστρώματα για μικροκυκλώματα παχιάς μεμβράνης. Αγωγοί και αντιστάσεις παχιάς μεμβράνης. Βασικές ιδιότητες αντίστασης φιλμ. Αντίσταση συνεχούς παχιάς μεμβράνης. Μεταφορά ηλεκτρικού ρεύματος μέσω δομής παχιάς μεμβράνης.

περίληψη, προστέθηκε 01/06/2009


Αρχές υλικού για την κατασκευή συσκευών τεχνολογίας μικροεπεξεργαστών και την απόκτηση πρακτικών δεξιοτήτων στην ανάπτυξη συστημάτων μικροεπεξεργαστή. Τεχνικά χαρακτηριστικά του μικροεπεξεργαστή ATmega και ανάλυση του chip μνήμης. Διάγραμμα συστήματος μικροεπεξεργαστή.

εργασία μαθήματος, προστέθηκε στις 19/11/2011


Ψηφιακή επεξεργασία σήματος και χρήση της σε συστήματα αναγνώρισης ομιλίας, διακριτά σήματα και μέθοδοι μετατροπής τους, τα βασικά του ψηφιακού φιλτραρίσματος. Εφαρμογή συστημάτων αναγνώρισης ομιλίας, διεπαφής ομομορφικής επεξεργασίας ομιλίας, εγγραφής και αναπαραγωγής.

ΣΕΛΙΔΑ 173

Μάθημα διάλεξης Τεχνικά ηλεκτρονικά

Διάλεξη 26

Βασικές αρχές ψηφιακών κυκλωμάτων

26.1 λογικές πύλες

Οι ψηφιακοί υπολογιστές, οι συσκευές αυτοματισμού και επεξεργασίας πληροφοριών χρησιμοποιούν συσκευές που εκτελούν λογικές λειτουργίες.

Λογική λειτουργίαείναι ένας μετασχηματισμός σύμφωνα με τους κανόνες της λογικής άλγεβρας (ή της άλγεβρας Boole) εισόδου ψηφιακών πληροφοριών σε έξοδο.

Η απλούστερη λειτουργικά λογική συσκευή που εκτελεί μια συγκεκριμένη λογική λειτουργία στα σήματα εισόδου ονομάζεταιλογικό στοιχείο.

Στην άλγεβρα της λογικής, η αλήθεια μιας κρίσης ή μιας δήλωσης σχετικά με τα αποτελέσματα μιας συγκεκριμένης λογικής πράξης συμβολίζεται με το σύμβολο 1, η λανθασμένη με 0.Οι λογικές μεταβλητές στην άλγεβρα της λογικής παίρνουν μόνο δύο τιμές: ένα και μηδέν. Ονομάζονται δυαδικές μεταβλητές. Για την εφαρμογή της λογικής άλγεβρας σε ηλεκτρονικά στοιχεία, είναι απαραίτητο να μεταφραστούν οι τιμές των παραμέτρων αυτών των στοιχείων στη γλώσσα της λογικής άλγεβρας (0 ή 1). Μπορείτε να ορίσετε τις τιμές των παραμέτρων με βάση το επίπεδο τάσης ή την πολικότητα παλμού.

Εάν τα σήματα παρέχονται με τη μορφή υψηλής (θετικής ή αρνητικής πολικότητας) και χαμηλής (κοντά στο μηδέν) επιπέδων τάσης, τότε αυτή η μέθοδος παροχής σήματος ονομάζεται δυναμικό.Εάν το επίπεδο υψηλής τάσης U 1 εκχωρείται η τιμή "ένα", και χαμηλή U ° - "μηδέν", τότε η λογική ονομάζεται θετική (θετική), διαφορετικά - αρνητικό (αρνητικό). Η διαφορά μεταξύ των επιπέδων ενός και μηδέν ονομάζεται λογική ακμή U l = U 1 - U 0 . Πρέπει να είναι σημαντικό, διαφορετικά δεν θα είναι δυνατός ο ξεκάθαρος διαχωρισμός ενός επιπέδου από το άλλο.

Εάν τα σήματα παρέχονται σε παλμική μορφή, τότε αυτή η μέθοδος παροχής σήματος ονομάζεται παλμική. Στην περίπτωση αυτή, ένα λογικό αντιστοιχεί στην παρουσία παλμού και ένα λογικό μηδέν αντιστοιχεί στην απουσία παλμού (θετική λογική). Τα σήματα που αντιστοιχούν σε 1 (ή 0) μπορεί να είναι διαφορετικά στην είσοδο και στην έξοδο. Τα πιθανά λογικά στοιχεία χρησιμοποιούνται ευρέως επειδή μπορούν να κατασκευαστούν χρησιμοποιώντας τεχνολογία ολοκληρωμένων κυκλωμάτων.

Στοιχειώδεις λογικές πράξεις και τύποι λογικών στοιχείων.

Ένα σύστημα λογικών στοιχείων, βάσει του οποίου μπορεί να κατασκευαστεί ένα λογικό κύκλωμα οποιασδήποτε πολυπλοκότητας, ονομάζεται λειτουργικά πλήρες. Τα κύρια και απλούστερα λογικά στοιχεία είναι τα στοιχεία που αποδίδουνπράξεις άρνησης (NOT), σύνδεσμος (AND), διαχωρισμός (OR).Αποτελούν ένα λειτουργικά πλήρες σύστημα και αποτελούν ένα σύστημα ελάχιστης βάσης. Κάθε μία από αυτές τις πράξεις και τα λογικά στοιχεία έχει διαφορετικό όνομα (Πίνακας 26.1).

Πίνακας 26.1 Πίνακας αλήθειας τεσσάρων λογικών πυλών

Αυτός ο πίνακας δίνει τα ονόματα των λογικών στοιχείων, τον προσδιορισμό αυτής της πράξης, δείχνει πώς διαβάζεται η εγγραφή λειτουργίας, τον ορισμό των λογικών στοιχείων σε λειτουργικά διαγράμματα, καθώς και έναν πίνακα αλήθειας για την περίπτωση που υπάρχουν δύο είσοδοι και μία έξοδος. Ο πίνακας αλήθειας περιέχει τους κανόνες και το αποτέλεσμα των πράξεων. Κάθε γραμμή καταγράφει την κατάσταση των σημάτων στις εισόδους (x 1 x 2 ) και το αποτέλεσμα της λογικής πράξης στην έξοδο (y). Γενικά, ένα λογικό στοιχείο μπορεί να έχει n είσοδοι και n έξοδοι.

Ένα λειτουργικά πλήρες σύστημα μπορεί να παρασχεθεί από σύνθετα (συνδυασμένα) λογικά στοιχεία που εκτελούν λογικές πράξεις ΚΑΙ - ΟΧΙ, Ή - ΟΧΙ. Τα ονόματα και οι ονομασίες τους δίνονται επίσης στον Πίνακα. 26.1.

Τα λογικά στοιχεία εκτελούνται τόσο σε διακριτές συσκευές όσο και χρησιμοποιώντας μεθόδους ολοκληρωμένης τεχνολογίας.Για τις περισσότερες σειρές ολοκληρωμένων κυκλωμάτων, το βασικό σύστημα είναι τα συστατικά λογικά στοιχεία ΚΑΙ - ΟΧΙ ή Ή - ΟΧΙ.Παράγονται με τη μορφή ξεχωριστών μικρομινιατούρων συσκευών σε σφραγισμένο περίβλημα.

Ας εξετάσουμε τα λογικά στοιχεία σε συσκευές ημιαγωγών. Οι πύλες AND και OR μπορούν να υλοποιηθούν χρησιμοποιώντας αντιστάσεις, διόδους, διπολικά τρανζίστορ, τρανζίστορ φαινομένου πεδίου και διόδους σήραγγας. Το στοιχείο ΔΕΝ εκτελείται σε τρανζίστορ.

Τα σύνθετα λογικά στοιχεία σε διαφορετικά στάδια μπορούν να εφαρμοστούν σε διαφορετικές συσκευές (αντιστάσεις, δίοδοι, τρανζίστορ, τόσο διπολικά όσο και πεδίου), δηλαδή, μπορούν να έχουν διαφορετικές επιλογές κυκλώματος. Σύμφωνα με το σχεδιασμό τους, ονομάζονται λογική αντίστασης-τρανζίστορ (RTL). δίοδος-τρανζίστορ (DTL); τρανζίστορ-τρανζίστορ (σε διπολικά τρανζίστορ - TTL, σε πεδία - MOPTL καναλιού p, n -κανάλι MOPTL σε συμπληρωματικά τρανζίστορ φαινομένου πεδίου - CMOS ή CMOPTL. σε τρανζίστορ με συνδέσεις εκπομπού - TLES ή ESL).

Μια συγκεκριμένη λογική στα τρανζίστορ είναι η λογική έγχυσης - I2L· δεν έχει ανάλογα σε κυκλώματα τρανζίστορ σε διακριτά στοιχεία. Η επικοινωνία μεταξύ των σταδίων των λογικών στοιχείων πραγματοποιείται είτε απευθείας είτε μέσω αντίστασης είτε μέσω R.C. -αλυσίδα. Στη συνέχεια, οι αντίστοιχοι χαρακτηρισμοί γραμμάτων προστίθενται στο όνομα της λογικής: NSTL - λογική τρανζίστορ με άμεση σύζευξη. NSTLM - λογική τρανζίστορ με άμεση σύζευξη σε τρανζίστορ MOS. RETL - λογική τρανζίστορ με ζεύξη αντίστασης-χωρητικής.

Βασικά στοιχεία λογικής σε διακριτό σχεδιασμό.

ΟΧΙ πύλη(Πίνακας 26.1) έχει μία είσοδο και μία έξοδο και εκτελεί τη λειτουργία NOT. Είναι ένα στάδιο ενίσχυσης που βασίζεται σε διπολικό τρανζίστορ ή τρανζίστορ πεδίου, που λειτουργεί σε λειτουργία διακόπτη. Στο Σχ. Το 26.1 δείχνει το στοιχείο NOT σε ένα διπολικό npn τρανζίστορ συνδεδεμένο σύμφωνα με το κύκλωμα με ΟΕ.

Το στοιχείο έχει σχεδιαστεί για να λειτουργεί με σήματα θετικής πολικότητας στη θετική λογική. Το τρανζίστορ Τ κλείνει από ένα αρνητικό δυναμικό στη βάση που παρέχεται από την πηγή EB. Όταν ένα σήμα χαμηλής στάθμης U εφαρμόζεται στο στοιχείο εισόδουσε = U 0 , που αντιστοιχεί στο λογικό 0, το τρανζίστορ παραμένει κλειστό, το ρεύμα συλλέκτη είναι μηδέν, δηλαδή μέσω της αντίστασης Rκ δεν ρέει ρεύμα και τάση εξόδου Uέξω = +Ε Κ , δηλαδή υψηλού επιπέδου U 1 , που αντιστοιχεί στο λογικό 1.

Σε επίπεδο υψηλής τάσης στην είσοδο Uσε = U 1 το τρανζίστορ είναι σε λειτουργία κορεσμού, εμφανίζεται ένα ρεύμα συλλέκτη στην αντίσταση Rκ δημιουργείται πτώση τάσης περίπου ίση με Εκ , και η τάση εξόδου είναι περίπου μηδέν (Uέξω = U 0 ), δηλαδή θα υπάρχει ένα λογικό μηδέν. Άρα, αν x = 0, τότε y = 1, αν x = 1, τότε y = 0, δηλ. το στοιχείο είναιμετατροπέας - εκτελεί μια πράξη άρνησης.

Σημείωση: Πρέπει να σημειωθεί ότι εάν το στοιχείο είναι κατασκευασμένο σε τρανζίστορ πυριτίου με δομή n-p-n, η πηγή πόλωσης Eσι δεν μπορείτε να το ενεργοποιήσετε, αφού ακόμη και σε θετικά δυναμικά στη βάση (έως 0,6 V) το τρανζίστορ είναι πρακτικά κλειστό.

ΚΑΙ πύλη(Πίνακας 26.1)

Μπορεί να έχει δύο (ή περισσότερες) εισόδους και μία έξοδο και να λειτουργεί με σήματα δυναμικού και παλμού. Ένα ανάλογό του μπορεί να είναι ένα κύκλωμα επαφών ρελέ που συνδέονται σε σειρά. Ας εξετάσουμε τη λειτουργία του στοιχείου AND, κατασκευασμένο σε διόδους.

Ένα στοιχείο σχεδιασμένο να λειτουργεί με σήματα υπό μορφή τάσεων (ή παλμών)θετική πολικότητα στη θετική λογική, φαίνεται στο Σχ. 26.3, α. Διαθέτει τρεις εισόδους και μία έξοδο.Το στοιχείο υλοποιεί τη λειτουργία AND εάνΤο σήμα 1 εμφανίζεται στην έξοδο μόνο όταν το σήμα 1 είναι παρόν σε όλες τις εισόδους ταυτόχρονα. Σε αυτήν την περίπτωση, εάν τουλάχιστον μία είσοδος περιέχει σήμα που αντιστοιχεί στο λογικό μηδέν, πρέπει να μεταδοθεί μέσω μιας ανοιχτής διόδου στην έξοδο και να εξασφαλίσει το μπλοκάρισμα εκείνων των διόδων που επηρεάζονται από σήματα που αντιστοιχούν στο λογικό 1 από την πλευρά εισόδου. θα υποθέσει ότι η αντίσταση της ανοιχτής διόδου είναι R dotkr << R, а потенциалы сигнала и источника питания E схемы имеют значения, удовлетворяющие соотношению U 0 < Е < U 1 .

Αν σε μια από τις εισόδους του κυκλώματος, για παράδειγμα Bx 1 Το σήμα U είναι ενεργό 0 και μετά δίοδος D 1 θα είναι ανοιχτό και το ρεύμα θα ρέει μέσω του κυκλώματος +E, της αντίστασης R, της διόδου D 1, πηγή U 0 . Ολόκληρη η τάση της πηγής E θα εφαρμοστεί στην αντίσταση R και η τάση εξόδου θα είναι ίση με U 0 , δηλαδή το σήμα εξόδου είναι λογικό μηδέν. Οι υπόλοιπες εισροές έχουν υψηλό δυναμικό U 1 , άρα οι δίοδοι είναι κλειστές αφού η άνοδος τους είναι συνδεδεμένη στον ακροδέκτη εξόδου με χαμηλό δυναμικό U 0 , και κάθοδοι - σε υψηλό θετικό δυναμικό U 1 .

Εάν εφαρμόζεται τάση U σε όλες τις εισόδους 1 , τότε όλες οι δίοδοι θα κλείσουν, το ρεύμα στο κύκλωμα είναι +Eκ , R, κλειστή δίοδος, πηγή U 1 δεν περνά και η πτώση τάσης στην αντίσταση R είναι μηδέν. Τάση εξόδου E > U 0 , που αντιστοιχεί στο λογικό 1. Έτσι, εάν τουλάχιστον μία από τις εισόδους επηρεάζεται από ένα σήμα που αντιστοιχεί στο λογικό μηδέν, το σήμα εξόδου αντιστοιχεί επίσης σε λογικό μηδέν. Το σήμα εξόδου αντιστοιχεί στο λογικό 1 μόνο εάν τα σήματα σε όλες τις εισόδους αντιστοιχούν στο λογικό.

Στο Σχ. Τα 26.3,b, d, e δείχνουν στοιχεία σχεδιασμένα, αντίστοιχα, να λειτουργούν με σήματα αρνητικής πολικότητας στη θετική λογική, θετική (Εικ. 26.3, δ) και αρνητικής πολικότητας (Εικ. 26.3, ε) σε αρνητική λογική. Σημειώστε ότι το ίδιο στοιχείο μπορεί να λειτουργεί τόσο από θετικά όσο και από αρνητικά σήματα, αλλά η πολικότητα του τροφοδοτικού πρέπει να είναι θετική (+E) για θετικά σήματα και αρνητική (-E) για αρνητικά σήματα. Τα στοιχεία λειτουργούν με τον ίδιο τρόπο όπως το στοιχείο στο Σχ. 26.3, α. Τα πιο κοινά στοιχεία που φαίνονται στο Σχ. 26.3, α, δ.

Το στοιχείο AND μπορεί να λειτουργήσει χωρίς πηγή ρεύματος. Σε αυτήν την περίπτωση, είναι δυνατές μόνο δύο επιλογές για την ενεργοποίηση της διόδου και το στοιχείο στο Σχ. 26.3, στα εργαλεία η λειτουργία AND μόνο από σήματα αρνητικής πολικότητας στη θετική λογική, και το στοιχείο στο Σχ. 26.3, e - μόνο από σήματα θετικής πολικότητας σε αρνητική λογική. Τα είδη χωρίς τροφοδοτικό είναι λιγότερο προτιμότερα από αυτά με τροφοδοτικό.

Ή πύλη(Πίνακας 26.1)

Μπορεί να έχει δύο (ή περισσότερες) εισόδους, μία έξοδο και να λειτουργεί με σήματα δυναμικού και παλμού. Ένα ανάλογό του μπορεί να είναι ένα κύκλωμα από παράλληλα συνδεδεμένα ρελέ.

Ας εξετάσουμε ένα στοιχείο OR κατασκευασμένο σε διόδους και σχεδιασμένο να λειτουργεί από σήματα με τη μορφή τάσεων (παλμών)θετική πολικότητα στη θετική λογική.Προκειμένου ένα στοιχείο να εφαρμόσει τη λειτουργία OR, είναι απαραίτητο το σήμα εξόδου να έχει την τιμή 1 μόνο όταν τουλάχιστον μία από τις εισόδους έχει σήμα 1. Σε αυτήν την περίπτωση, το σήμα 1 στην είσοδο πρέπει να διασφαλίζει το μπλοκάρισμα όλων των διόδων που επηρεάζονται από το σήμα 0 από την πλευρά εισόδου. Δυνητικός λόγος της πηγής σήματος χαμηλής U 0 και υψηλό U 1 επίπεδα και η τροφοδοσία Ε του κυκλώματος είναι ίδια όπως στο κύκλωμα του στοιχείου Ι: U 0 < E < U 1 (если U 1 < E, то диоды будут всегда закрыты и выходное напряжение не будет изменяться). Сопротивление диода в открытом состоянии R Dotcr ≈ 0.

Εάν όλες οι είσοδοι τροφοδοτούνται με χαμηλή τάση U 0 , όλες οι δίοδοι είναι κλειστές, αφού το δυναμικό των ανόδων τους είναι μικρότερο από το δυναμικό των καθόδων (φκ = -E); Επομένως, η τάση εξόδου είναι E< U 1 , δηλαδή στην έξοδο το σήμα αντιστοιχεί στο λογικό 0. Όταν εφαρμόζεται σε τουλάχιστον μία από τις εισόδους, π.χ. 1 , υψηλής τάσης U 1 Η δίοδος D θα ανοίξει 1 , το οποίο συνδέεται σε αυτή την είσοδο, και εφόσον η αντίσταση της ανοιχτής διόδου είναι μηδέν, τότε το δυναμικό φ K = +U 1 και η έξοδος έχει σήμα U 1 (λογικό 1). Εάν αυτή τη στιγμή εφαρμόζεται ένα χαμηλό δυναμικό U σε ορισμένες διόδους στην πλευρά εισόδου 0 , θα κλείσουν, αφού στις καθόδους τους θα δοθεί δυναμικό φ K = +U 1 . Έτσι, το σήμα εξόδου θα αντιστοιχεί στο λογικό 1 εάν τουλάχιστον μία από τις εισόδους (είτε η πρώτη, είτε η δεύτερη, είτε η τρίτη) το σήμα αντιστοιχεί στο λογικό 1.

Ας συγκρίνουμε το Σχ. 26.5, a, το οποίο δείχνει ένα στοιχείο OR σχεδιασμένο να λειτουργεί από σήματα θετικής πολικότητας σε αρνητική λογική, από το Σχ. 26,3, ζ. Είναι τα ίδια. Έτσι, μπορεί να σημειωθεί ότι μια πύλη OR στη θετική λογική μπορεί να εκτελέσει μια πράξη AND στην αρνητική λογική και αντίστροφα. Όλα τα στοιχεία Και στο Σχ. 26.3, σε διαφορετική λογική από ό,τι για το στοιχείο AND, εφαρμόστε τη λειτουργία OR.

Το στοιχείο OR, όπως και το στοιχείο AND, ενδέχεται να μην περιέχει πηγή ενέργειας. Στοιχείο στο Σχ. 26.5,b έχει σχεδιαστεί για να λειτουργεί από σήματα θετικής πολικότητας στη θετική λογική, και στο Σχ. 26,5, σε - από σήματα αρνητικής πολικότητας σε αρνητική λογική. Σύγκριση αυτών των στοιχείων OR με τα στοιχεία AND στο Σχ. 26.3, c, f επιβεβαιώνει ότι και τα δύο στοιχεία μπορούν να εκτελέσουν και τις δύο λειτουργίες: AND και OR; στοιχείο ΚΑΙ (OR) - στη θετική λογική, στην αρνητική λογική - OR (AND).

Οι πράξεις OR - NOT και AND - NOT σχηματίζονται με την αντιστροφή των αποτελεσμάτων που λαμβάνονται εκτελώντας τις πράξεις OR και AND, αντίστοιχα:

Ή - ΟΧΙ (26.1)

ΚΑΙ ΟΧΙ (26.2)

όπως φαίνεται από τον πίνακα αλήθειας για δύο στοιχεία εισόδου (Πίνακας 26.2).

Πίνακας 26.2 - πίνακας αλήθειας για δύο στοιχεία εισόδου

Ένα στοιχείο που εκτελεί τη λειτουργία AND - NOT σε θετική λογική (Πίνακας 26.3) θα εκτελέσει τη λειτουργία OR - NOT σε αρνητική λογική (Πίνακας 26.4).

Πίνακας 26.3 Πίνακας 26.4

Τα ενσωματωμένα λογικά στοιχεία έχουν σχεδιαστεί για να λειτουργούν με σήματα σε πιθανή μορφή. Μπορούν να εκτελεστούν χρησιμοποιώντας διαφορετικούς τύπους λογικής. Το είδος της λογικής επηρεάζει τα χαρακτηριστικά του στοιχείου. Σε ενσωματωμένα διπολικά μικροκυκλώματα, χρησιμοποιούνται συχνά τρανζίστορ πυριτίου τύπου n-p-n (βλ. σημείωση για το στοιχείο NOT). Στη λειτουργία κορεσμού, η τάση μεταξύ του πομπού και του συλλέκτη τέτοιων τρανζίστορ είναι σχετικά υψηλή (0,4 V και άνω).

Διάλεξη 27

Βασικές αρχές ψηφιακών κυκλωμάτων

27.1 λογικά στοιχεία σε τρανζίστορ

Το λογικό στοιχείο ΚΑΙ ΔΕΝ είναι λογική διόδου-τρανζίστορ (DTL).Σήματα εισόδου τροφοδοτούνται στο στοιχείο AND, το σήμα εξόδου λαμβάνεται από το στοιχείο NOT. Έτσι, στην έξοδο του στοιχείου AND, το σήμα θα είναι λογικό 1 εάν υπάρχει σήμα που αντιστοιχεί στο λογικό 0 στην είσοδο του στοιχείου NOT. Για να συμβεί αυτό, τουλάχιστον μία είσοδος του στοιχείου AND πρέπει να παρέχεται με ένα σήμα που αντιστοιχεί στο λογικό 0. Λογικό ΚΑΙ στοιχείο - ΟΧΙ για σήματα θετικής πολικότητας φαίνεται στο Σχ. 27.1. Είναι μια σύνδεση μέσω διόδων DΜε δύο στοιχεία: ένα στοιχείο διόδου ΚΑΙ και ένα στοιχείο τρανζίστορ NOT (βλ., αντίστοιχα, Σχ. 26.3, α και Σχ. 26.1, που δείχνουν τα στοιχεία NOT και AND). Σε αυτήν την περίπτωση, το στοιχείο "NOT" δεν έχει πηγή μετατόπισης Eσι , με βάση ένα σχόλιο που έγινε νωρίτερα σχετικά με τη λειτουργία των τρανζίστορ πυριτίου. Επιπλέον, οι τιμές τάσης που αντιστοιχούν στο λογικό 0 και 1 πρέπει να επιλέγονται σωστά, καθώς σε τάση βάσης ελαφρώς μικρότερη από 0,6 V, το τρανζίστορ θα είναι κλειστό και σε λειτουργία κορεσμού, η τάση μεταξύ του πομπού και του συλλέκτη είναι 0,4 V (και υψηλότερη).

Ας εξετάσουμε τη λειτουργία του στοιχείου. Εάν εφαρμόζεται τάση U σε όλες τις εισόδους 1 (λογικό 1), όλες οι δίοδοι (D 1 D 2, D 3 ) θα κλείσει και το ρεύμα στο κύκλωμα πηγής Ε 1, αντίσταση R 1 , οι ανοιχτές δίοδοι Dc θα περάσουν στη βάση του τρανζίστορ. Λόγω της πτώσης τάσης στην αντίσταση R 1 δυναμικό φ 1 θα είναι ελαφρώς κάτω από το δυναμικό +E 1, δίοδος D 1 θα ανοίξει και το δυναμικό της βάσης φσι τρανζίστορ είναι μικρότερο από το δυναμικό φ 1 στην τιμή της πτώσης τάσης στις διόδους Dc (αλλά πάνω από 0,6V, επομένως το τρανζίστορ θα είναι σε λειτουργία κορεσμού). Η έξοδος του στοιχείου ΔΕΝ θα ρυθμιστεί σε χαμηλή τάση U 0 , που αντιστοιχεί στο λογικό 0. Εάν τουλάχιστον μία είσοδος, για παράδειγμα In 1 , θα εφαρμοστεί τάση U 0 , τότε η αντίστοιχη δίοδος D 1 το δυναμικό φ θα είναι επίσης ανοιχτόΤο 1 θα είναι ≈ U 0 . Ρεύμα από την πηγή Ε 1 θα περάσει από την αντίσταση R 1 . Μέρος του ρεύματος θα κλείσει μέσω της ανοιχτής διόδου D 1 ; πηγή U 0, πηγή E 1 , διόδους μερικής πόλωσης Dc, αντίσταση R 2 και πηγή Ε 1 . Δυναμικό βάσης φ B = U BE θα είναι κάτω από το δυναμικό φ 1 στην τιμή της πτώσης τάσης στις διόδους πόλωσης Dc. Στην περίπτωση αυτή, το στοιχείο υπολογίζεται με τέτοιο τρόπο ώστε η πτώση τάσης στις διόδους Dc να είναι τέτοια ώστε φ B = U BE > 0, αλλά σημαντικά λιγότερο από 0,6V. Σε αυτή την περίπτωση, το τρανζίστορ θα κλείσει και η τάση στην έξοδο του στοιχείου NOT θα είναι ίση με E K > U 0 , δηλαδή παίρνουμε λογικό 1.

AND gate - ΟΧΙ λογική τρανζίστορ-τρανζίστορ (TTL). Το απλούστερο στοιχείο ΚΑΙ - ΔΕΝ φαίνεται στο Σχ. 27.2, α. Αποτελείται από δύο μέρη: ένα στοιχείο AND σε ένα τρανζίστορ πολλαπλών εκπομπών T 1 και το στοιχείο NOT στο τρανζίστορ Τ 2 . Απευθείας σύνδεση: συλλέκτης Τ 1 συνδέεται με τη βάση του τρανζίστορ Τ 2 . Προκατάληψη στο κύκλωμα βάσης του τρανζίστορ Τ 2 εκτελεί συλλεκτική μετάβαση Τ 1 . Τρεις διασταυρώσεις εκπομπών Τ 1 συνδεδεμένο στην είσοδο του στοιχείου (Εικ. 27.2,b), εκτελέστε τις λειτουργίες των διόδων εισόδου στο κύκλωμα AND στις διόδους.

Σε σύγκριση με τα στοιχεία DTL, τα στοιχεία TTL έχουν υψηλότερη απόδοση. Το στοιχείο κατασκευάζεται με τεχνολογία ολοκληρωμένου κυκλώματος, επομένως δεν περιέχει αντιδραστικά στοιχεία. Λειτουργεί από σήματα με τη μορφή τάσεων θετικής πολικότητας.

Ας εξετάσουμε την αρχή λειτουργίας τέτοιων στοιχείων. Εάν εφαρμόζεται τάση U σε όλες τις εισόδους 1 , τότε όλες οι διασταυρώσεις εκπομπών θα μετατοπιστούν προς την αντίθετη κατεύθυνση. Δυναμικό συλλέκτη του τρανζίστορ Τ 2 αποδεικνύεται ότι είναι κοντά στο μηδέν, η διασταύρωση βάσης-συλλέκτη μετατοπίζεται προς τα εμπρός λόγω της πηγής +EΚ. Τρανζίστορ Τ 1 θα είναι σε αντίστροφη λειτουργία, τρανζίστορ Τ 2 - σε λειτουργία κορεσμού. Ρεύμα συλλέκτη του τρανζίστορ Τ 1 ρέει στη βάση του τρανζίστορ Τ 2 , αφήνοντας το τελευταίο σε λειτουργία κορεσμού. Έτσι, η έξοδος θα είναι χαμηλή τάση U 0 , δηλαδή λογικό 0.

Εάν εφαρμόζεται τάση U σε μία από τις εισόδους 0 , τότε το δυναμικό βάσης του τρανζίστορ T 1 θα γίνει υψηλότερο από το δυναμικό εκπομπού και συλλέκτη, οπότε το Τ 1 θα είναι σε λειτουργία κορεσμού και το ρεύμα βάσης θα κλείσει μέσω των συνδέσεων εκπομπού T 1 και δεν θα πάει στον συλλέκτη του, άρα και στη βάση Τ 2 . Επομένως το τρανζίστορ Τ 2 θα είναι κλειστό, και στην έξοδό του θα υπάρχει τάση υψηλής στάθμης (λογικό 1). Έτσι, το στοιχείο εκτελεί τη λειτουργία ΚΑΙ - ΟΧΙ, αφού ένα λογικό μηδενικό σήμα μπορεί να εξέλθει στην έξοδο μόνο όταν εφαρμόζεται ένα σήμα λογικού ενός σε όλες τις εισόδους.

27.2.1 Πύλη Ή - ΟΧΙ λογική MOSFET καναλιού p (MOSTL)). Σε λογικά κυκλώματα που βασίζονται σε τρανζίστορ φαινομένου πεδίου, χρησιμοποιούνται μόνο τρανζίστορ MOS με διηλεκτρικό SiO 2 . Τα κύρια πλεονεκτήματα των κυκλωμάτων τρανζίστορ MOS σε σύγκριση με άλλα κυκλώματα είναι ο υψηλός βαθμός ολοκλήρωσης και η αυξημένη θόρυβος.

Ας εξετάσουμε ένα κύκλωμα OR - NOT σε ένα τρανζίστορ MOS με επαγόμενο n-κανάλι (Εικ. 27.3). Σε αντίθεση με τα κυκλώματα που συζητήθηκαν προηγουμένως, αντί για αντίσταση φορτίου Rκ υπάρχει ένα τρανζίστορ MOS (στο διάγραμμα στο Σχ. 27.3 χαρακτηρίζεται ως Tκ ). Αυτό συμβαίνει επειδή μια αντίσταση φορτίου θα αύξανε πολύ την περιοχή του κυκλώματος. Λογικά τρανζίστορ Τ 1 και Τ 2 συνδέονται παράλληλα. Η τάση εισόδου σε καθένα από αυτά είναι ίση με την τάση πύλης: U VX1 = U ZI1, U VX2 = U ZI2 ; Η τάση εξόδου ισούται με την τάση αποστράγγισης: U OUT = U SI . Η τάση τροφοδοσίας συνήθως επιλέγεται να είναι τρεις φορές μεγαλύτερη από το όριο Uthr (Uthr είναι η τάση πύλης στην οποία σχηματίζεται ένα κανάλι).

Εάν Uthr = 2,0 V, τότε το λογικό διαφορικό (η διαφορά μεταξύ των τάσεων εισόδου και κατωφλίου) είναι 4 V. Τα λογικά επίπεδα αντιστοιχούν στις τάσεις εξόδου του ανοιχτού και του κλειστού τρανζίστορ. Εάν και οι δύο είσοδοι τροφοδοτούνται με τάση μικρότερη από το όριο (που αντιστοιχεί στο λογικό μηδέν), τότε τα τρανζίστορ Τ 1 και Τ 2 θα κλείσει και το ρεύμα αποστράγγισης θα είναι σχεδόν ίσο με μηδέν. Σε αυτή την περίπτωση, το ρεύμα αποστράγγισης του τρανζίστορ φορτίου Τκ θα είναι επίσης ίσο με μηδέν. Επομένως, η τάση εξόδου θα είναι κοντά στην τάση της πηγής ισχύος Eντο και αντιστοιχεί στο λογικό 1.

Εάν μια τάση που υπερβαίνει το όριο (που αντιστοιχεί στο λογικό 1) εφαρμοστεί στην είσοδο τουλάχιστον ενός τρανζίστορ, τότε αυτό το τρανζίστορ θα ανοίξει και θα εμφανιστεί ένα ρεύμα αποστράγγισης. Στη συνέχεια, στην έξοδο του κυκλώματος θα υπάρχει μια υπολειπόμενη τάση σημαντικά μικρότερη από την τάση κατωφλίου, η οποία αντιστοιχεί στο λογικό 0.

27.2.2 Συμπληρωματική λογική MOS τρανζίστορ (CMOS).Ένα χαρακτηριστικό γνώρισμα των κυκλωμάτων CMOS σε σύγκριση με τις διπολικές τεχνολογίες (TTL, ESL, κ.λπ.) είναι η πολύ χαμηλή κατανάλωση ενέργειας σε στατική λειτουργία (στις περισσότερες περιπτώσεις, μπορεί να υποτεθεί ότι η ενέργεια καταναλώνεται μόνο κατά τη μεταγωγή κατάστασης). Ένα χαρακτηριστικό γνώρισμα της δομής CMOS σε σύγκριση με άλλες δομές MOS (N-MOS, P-MOS) είναι η παρουσία τρανζίστορ φαινομένου πεδίου n και p καναλιών (Εικ. 27.4). Ως αποτέλεσμα, τα κυκλώματα CMOS έχουν υψηλότερες ταχύτητες λειτουργίας και χαμηλότερη κατανάλωση ενέργειας, αλλά χαρακτηρίζονται από πιο περίπλοκες διαδικασίες παραγωγής και χαμηλότερες πυκνότητες συσκευασίας.

Για παράδειγμα, σκεφτείτε ένα κύκλωμα πύλης 2I-NOT που έχει κατασκευαστεί με χρήση τεχνολογίας CMOS (Εικόνα 27.5).

Εάν εφαρμόζεται υψηλό επίπεδο και στις δύο εισόδους Α και Β, τότε και τα δύο τρανζίστορ στο κάτω μέρος του κυκλώματος είναι ανοιχτά και και τα δύο επάνω τρανζίστορ είναι κλειστά, δηλαδή η έξοδος συνδέεται με τη γείωση.

Εάν εφαρμοστεί χαμηλή στάθμη σε τουλάχιστον μία από τις εισόδους, το αντίστοιχο τρανζίστορ θα είναι ανοιχτό στην κορυφή και κλειστό στο κάτω μέρος. Έτσι, η έξοδος θα συνδεθεί με την τάση τροφοδοσίας και θα αποσυνδεθεί από τη γείωση.

Δεν υπάρχουν αντιστάσεις φορτίου στο κύκλωμα, επομένως σε στατική κατάσταση, μόνο ρεύματα διαρροής ρέουν μέσω του κυκλώματος CMOS μέσω των τρανζίστορ εκτός κυκλώματος και η κατανάλωση ενέργειας είναι πολύ χαμηλή. Κατά την εναλλαγή, η ηλεκτρική ενέργεια δαπανάται κυρίως για τη φόρτιση των χωρητικοτήτων των πυλών και των αγωγών, επομένως η ισχύς που καταναλώνεται (και διαχέεται) είναι ανάλογη με τη συχνότητα αυτών των μεταγωγών (για παράδειγμα, η ταχύτητα ρολογιού του επεξεργαστή).

Το κύκλωμα 2OR-NOT (Εικόνα 27.6) λειτουργεί ως εξής: όταν και οι δύο είσοδοι είναι χαμηλές, και τα δύο τρανζίστορ στο επάνω μέρος είναι ανοιχτά και η έξοδος είναι υψηλή. Εάν εφαρμοστεί υψηλό επίπεδο σε μία από τις εισόδους, τότε ένα από τα τρανζίστορ στο κάτω μέρος θα είναι ανοιχτό και η έξοδος θα συνδεθεί στη γείωση.

Στο σχήμα με την τοπολογία του μικροκυκλώματος 2I-NOT, μπορείτε να δείτε ότι χρησιμοποιεί δύο τρανζίστορ φαινομένου πεδίου διπλής πύλης διαφορετικών σχεδίων. Το επάνω FET δύο πυλών εκτελεί τη λογική συνάρτηση 2OR και το κάτω FET δύο πυλών εκτελεί τη λογική λειτουργία 2I.

Παρακάτω είναι το σχήμα 2OR-NOT που χρησιμοποιείται στο OJSC Integral.

Όλες οι ονομασίες στο Σχήμα 27.6 λαμβάνονται από τη βιβλιοθήκη στάθμης βαλβίδων της JSC Integral. Εκεί (στη βιβλιοθήκη) δίνονται χρονικές καθυστερήσεις και απαγωγή ισχύος σε διάφορα φορτία βαλβίδων και η τοπολογική εφαρμογή της.

Η συντριπτική πλειοψηφία των σύγχρονων λογικών τσιπ, συμπεριλαμβανομένων των επεξεργαστών, χρησιμοποιούν κυκλώματα CMOS.

Υπουργείο της Ρωσικής Ομοσπονδίας

Τομσκ Πολυτεχνείο

__________________________________________________________________

E.L. Sobakin

ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΨΗΦΙΑΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ

ΜέροςΕγώ

Φροντιστήριο

UDC 681.325.6

Sobakin E.L. Ψηφιακό κύκλωμα. Σχολικό βιβλίο επίδομα. Μέρος Ι Tomsk: Εκδοτικός οίκος. TPU, 2002. - 160 σελ.

Το εγχειρίδιο σκιαγραφεί τα κύρια θέματα του μαθήματος των διαλέξεων για φοιτητές της ειδικότητας 210100 Διοίκηση και πληροφορική στα τεχνικά συστήματα. Το εγχειρίδιο εκπονήθηκε στο Τμήμα Αυτοματισμού και Υπολογιστικών Συστημάτων του TPU, αντιστοιχεί στο πρόγραμμα σπουδών του κλάδου και προορίζεται για φοιτητές του Ινστιτούτου Εξ Αποστάσεως Εκπαίδευσης.

Δημοσιεύτηκε σύμφωνα με την απόφαση του Συντακτικού και Εκδοτικού Συμβουλίου του Πολυτεχνείου του Τομσκ

Αξιολογητές:

V.M. Dmitriev Καθηγητής, Διδάκτωρ Τεχνικών Επιστημών, Επικεφαλής του Τμήματος Θεωρητικών Βάσεων Ηλεκτρολόγων Μηχανικών, Πανεπιστήμιο Tomsk Συστημάτων Ελέγχου και Ραδιοηλεκτρονικής.

ΣΙ. Korolev Διευθυντής της NPO Spetstekhauditservis LLP,

Υποψήφιος Τεχνικών Επιστημών, Ανώτερος Ερευνητής.

Templan 2002

Τομσκ Πολυτεχνείο, 2002

Εισαγωγή

Αυτό το εγχειρίδιο προορίζεται για φοιτητές ανώτατων εκπαιδευτικών ιδρυμάτων που σπουδάζουν στην ειδικότητα 210100 «Πληροφορική και διαχείριση σε τεχνικά συστήματα». Συντάσσεται με βάση ένα μάθημα διαλέξεων που έδωσε ο συγγραφέας στο Πολυτεχνείο του Tomsk επί σειρά ετών και είναι αφιερωμένο σε μια συστηματική παρουσίαση μεθόδων για την επίσημη κατασκευή συσκευών ψηφιακής τεχνολογίας σε ευρέως χρησιμοποιούμενα μικροκυκλώματα.

Ο κλάδος «Μηχανική Ψηφιακών Κυκλωμάτων» θα πρέπει να θεωρηθεί ως συνέχεια του μαθήματος «Ηλεκτρονική», το οποίο οι φοιτητές πρέπει να κατέχουν εκ των προτέρων, αφού απαιτείται γνώση της στοιχειώδους βάσης των αναλογικών ηλεκτρονικών συσκευών.

Τα περισσότερα σύγχρονα συστήματα αυτοματισμού, υπολογιστικά συστήματα, συστήματα μετάδοσης και επεξεργασίας πληροφοριών εκτελούνται σε ψηφιακές συσκευές, είτε πλήρως είτε εν μέρει. Ως εκ τούτου, η γνώση των αρχών της χρήσης ψηφιακών συσκευών και συστημάτων κατασκευής για διάφορους σκοπούς στη βάση τους είναι τρέχουσας σημασίας και μεγάλης πρακτικής αξίας τόσο στις μηχανικές δραστηριότητες όσο και στη μεθοδολογική έρευνα.

Το υλικό στο εγχειρίδιο μπορεί να χωριστεί χονδρικά σε τρία μέρη: 1) Βασικές αρχές της μικροηλεκτρονικής. 2) Συνδυαστικές συσκευές ψηφιακής τεχνολογίας. 3) Διαδοχικές λογικές συσκευές ψηφιακής τεχνολογίας.

Όταν ξεκινάτε να κατέχετε το μάθημα, θα πρέπει να μελετήσετε το υλικό με τη σειρά με την οποία παρατίθενται τα καθορισμένα μέρη, καθώς το επόμενο υλικό βασίζεται στη γνώση του προηγούμενου και η αλλαγή της σειράς μπορεί να οδηγήσει σε δυσκολίες στην κατάκτησή του. Αυτό επιδεινώνεται περαιτέρω από το γεγονός ότι άλλα σχολικά βιβλία και εξειδικευμένη τεχνική βιβλιογραφία χρησιμοποιούν διαφορετικούς όρους και έννοιες για να εξηγήσουν τα ίδια φαινόμενα, διαδικασίες, μετασχηματισμούς που πραγματοποιούνται κ.λπ. Η διαφορά στις έννοιες που χρησιμοποιούνται ή η ανακρίβειά τους οδηγεί σε παρανόηση της ουσίας του υλικού που παρουσιάζεται και, κατά συνέπεια, σε δυσκολίες αφομοίωσής του.

Οι δύο πρώτες από αυτές τις ενότητες περιλαμβάνονται στο πρώτο μέρος αυτού του εγχειριδίου (Μέρος 1). Ένα ξεχωριστό εγχειρίδιο είναι αφιερωμένο στην τρίτη ενότητα.

ΣΕ 1.Εφαρμογή ψηφιακών συσκευών

Επί του παρόντος, σε σχέση με τη δημιουργία και την ευρεία εισαγωγή συσκευών και συστημάτων μικροεπεξεργαστή στην πρακτική της μηχανικής, το ενδιαφέρον για τις ψηφιακές μεθόδους επεξεργασίας και μετάδοσης πληροφοριών δεν μειώνεται και διεγείρεται ξανά. Αυτές οι μέθοδοι, με τη σειρά τους, δίνουν στα συστήματα μια σειρά από θετικές ιδιότητες και ιδιότητες. Αυξάνεται η πιστότητα των μεταδιδόμενων πληροφοριών, επιτυγχάνεται υψηλή ταχύτητα και παραγωγικότητα συστημάτων επεξεργασίας πληροφοριών, διασφαλίζεται το αποδεκτό κόστος, η υψηλή αξιοπιστία, η χαμηλή κατανάλωση ενέργειας κ.λπ.

Τα προβλήματα που επιλύονται από αυτά τα συστήματα είναι πολύ διαφορετικά και προκαθορίζουν τις λειτουργίες των συσκευών που αποτελούν ένα συγκεκριμένο σύστημα. Επομένως, συνιστάται να λαμβάνετε υπόψη τις συσκευές και τις λειτουργίες τους υπό το πρίσμα εκείνων των εργασιών που επιλύονται από συστήματα και, ειδικότερα, εκείνων των δευτερευουσών εργασιών που εκτελούνται από μεμονωμένες συσκευές ή μπλοκ.

Κύριος τυπικές εργασίεςπου προκύπτουν κατά την αυτόματη ή αυτοματοποιημένη διαχείριση και έλεγχο της παραγωγής ή άλλων διαδικασιών είναι:

συλλογήπληροφορίες (παραλαβή τους)·

μεταμόρφωσηπληροφορίες (κλιμάκωση, κανονικοποίηση, φιλτράρισμα, κωδικοποίηση κ.λπ.)

μετάδοση-λήψηπληροφορίες;

επεξεργασία και χρήσηπληροφορίες;

αποθήκευσηπληροφορίες.

Ανάλογα με τον επιδιωκόμενο σκοπό και τις κύριες λειτουργίες, υπάρχουν:

Αυτόματα (ή αυτοματοποιημένα) συστήματα ελέγχου και παρακολούθησης.

Συστήματα μετάδοσης πληροφοριών.

Συστήματα επεξεργασίας πληροφοριών (υπολογιστικά συστήματα).

Για να κατανοήσουμε τη σχέση αυτών των εργασιών, τη θέση και το ρόλο των ηλεκτρονικών ψηφιακών συσκευών που χρησιμοποιούνται σε αυτά τα συστήματα, ας εξετάσουμε τα γενικευμένα δομικά διαγράμματα αυτών των συστημάτων και τον λειτουργικό σκοπό των στοιχείων τους.

Β1.1. Συστήματα αυτόματου ελέγχου

Διαχειρίζονται σημαίνει να γνωρίζεις την κατάσταση (θέση) του ελεγχόμενου αντικειμένου και σύμφωνα με έναν δεδομένο αλγόριθμο ( αλγόριθμος ελέγχου) επηρεάζουν το αντικείμενο, προσπαθώντας να εξαλείψουν τις αναδυόμενες αποκλίσεις.

Επομένως, ο έλεγχος στη γενική περίπτωση συνδέεται με τις ακόλουθες ενέργειες:

λήψη πληροφοριών σχετικά με την κατάσταση του αντικειμένου.

σύγκριση των ληφθέντων πληροφοριών με τις καθορισμένες πληροφορίες σχετικά με την κατάσταση του αντικειμένου.

παραγωγή σημάτων ελέγχου (επιρροές).

επηρεάζοντας ένα αντικείμενο προκειμένου να το φέρει στην απαιτούμενη κατάσταση.

Σύμφωνα με τις αναφερόμενες ενέργειες, το αυτόματο σύστημα ελέγχου (ACS) στη γενική περίπτωση θα πρέπει να περιλαμβάνει μια συσκευή μέτρησης πληροφοριών, μια συσκευή ελέγχου και έναν ενεργοποιητή (Εικ. B1).

Συσκευή πληροφοριών και μέτρησης Το (AIU) λαμβάνει πληροφορίες σχετικά με το αντικείμενο ελέγχου (OU) και το προεπεξεργάζεται. Η λήψη πληροφοριών συνίσταται στη δημιουργία πρωταρχικών σημάτων, οι τιμές των οποίων είναι ανάλογες με τις τιμές των παραμέτρων που χαρακτηρίζουν την κατάσταση του op-amp. Ένα αντικείμενο μπορεί να γίνει κατανοητό είτε ως ξεχωριστή μονάδα παραγωγής είτε ως η παραγωγική διαδικασία στο σύνολό της. Και κάτω από τις παραμέτρους βρίσκονται οι "συντεταγμένες εξόδου" του αντικειμένου. Αυτές θα μπορούσαν να είναι, για παράδειγμα, τιμές θερμοκρασίας, πίεσης, κατανάλωσης υλικού ή ενέργειας και παρόμοια. Δεδομένου ότι οι περισσότερες από αυτές τις παραμέτρους συντεταγμένων παρουσιάζονται σε αναλογική μορφή και χαρακτηρίζονται από ένα άπειρο σύνολο τιμών, τα σήματα πρέπει να κανονικοποιηθούν από τις παραμέτρους τους, να κλιμακωθούν και να έχουν ενοποιημένη μορφή.

Επομένως, το IMU πρέπει να διαθέτει κύριους μορφοτροπείς και αισθητήρες μέτρησης, μετατροπείς αναλογικού σε ψηφιακό και άλλες λειτουργικές μονάδες με τη βοήθεια των οποίων πραγματοποιούνται οι ακόλουθες μετατροπές:

Τιμές φυσικών μεγεθών σε ενοποιημένα αναλογικά σήματα συνεχούς ή εναλλασσόμενου ρεύματος.

κλιμάκωση ή κανονικοποίηση σημάτων κατά επίπεδο και σχήμα.

μετατροπή αναλογικών σημάτων σε διακριτά (ψηφιακά) σήματα.

κωδικοποίηση σήματος και ορισμένοι άλλοι μετασχηματισμοί.

Αποστέλλονται σήματα σχετικά με τις τρέχουσες τιμές συντεταγμένων στο συσκευή ελέγχου (UU). Οι λειτουργίες αυτής της συσκευής περιλαμβάνουν τη σύγκριση τιμών ρεύματος με καθορισμένες τιμές συντεταγμένων και τη δημιουργία σημάτων ελέγχου (σήματα ελέγχου) με βάση τα αποτελέσματα της σύγκρισης. Οι καθορισμένες τιμές μπορούν να εισαχθούν από ανθρώπινο χειριστή ή αυτόματα από λογισμικό. Στην πρώτη περίπτωση, ένας αυτόματος ρυθμιστής ή αρκετοί αυτόματοι ρυθμιστές μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως μονάδα ελέγχου, οι ρυθμίσεις των οποίων καθορίζονται και ορίζονται από ένα άτομο. Στη δεύτερη περίπτωση, η μονάδα ελέγχου είναι μια μηχανή προγράμματος μίνι ή μικροϋπολογιστή και ο ρόλος του ανθρώπινου χειριστή περιορίζεται στην είσοδο στο πρόγραμμα και στην αρχική εκκίνηση του συστήματος.

Για την εκτέλεση αυτών των λειτουργιών, η μονάδα ελέγχου απαιτείται να εκτελεί αριθμητικές και λογικές πράξεις για τον υπολογισμό τιμών και τη σύγκριση σημάτων, τη βραχυπρόθεσμη και μακροπρόθεσμη απομνημόνευση (αποθήκευση) σημάτων και τη δημιουργία ενοποιημένων σημάτων ελέγχου. Τα τελευταία περιέχουν πληροφορίες βάσει των οποίων σχηματίζονται περαιτέρω επιρροές στο αντικείμενο ελέγχου (ενέργειες ελέγχου), φέρνοντάς το στην απαιτούμενη κατάσταση.

Ο άμεσος αντίκτυπος της απαιτούμενης φυσικής φύσης μορφές ενεργοποιητή (IU). Μετατρέπει τα σήματα ελέγχου, για παράδειγμα, με τη μορφή τάσης συνεχούς ή παλμικού ρεύματος, στην ταχύτητα περιστροφής ενός κινητήρα ενεργοποιητή, στη μηχανική κίνηση μιας βαλβίδας σε μια γραμμή ατμού και ούτω καθεξής. Για να πραγματοποιήσετε αυτές τις μετατροπές θα χρειαστείτε: μετατροπείς ψηφιακού σε αναλογικό. μετατροπείς ηλεκτρικών σημάτων σε μη ηλεκτρικά. συσκευές ενίσχυσης κ.λπ. Σε αυτήν την περίπτωση, ενδέχεται να απαιτούνται μετατροπείς κωδικού ψηφιακού σήματος ή φόρμες αναπαράστασης σήματος ως ενδιάμεσες. Για παράδειγμα, κωδικοί δυαδικών αριθμών σε αναλογικό αριθμό παλμών, μονοφασικά σήματα σε πολυφασικούς, που χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο βηματικών κινητήρων κ.λπ.

Υπό την επίδραση ενοχλητικών επιρροών, το αντικείμενο φεύγει από την κανονική του κατάσταση (λειτουργία) και το ACS το επιστρέφει στον απαιτούμενο (κανονικό) τρόπο λειτουργίας. Η διαδικασία ελέγχου λαμβάνει χώρα σε πραγματικό χρόνο, δηλαδή με ταχύτητα που καθορίζεται από τη φύση των φυσικών διεργασιών. Εάν οι ενέργειες ελέγχου καθυστερήσουν χρονικά ή υπερβολικά, τότε μπορεί να προκύψει ένας ασταθής τρόπος λειτουργίας του συστήματος, στον οποίο οι συντεταγμένες του αντικειμένου μπορεί να λάβουν μη αποδεκτές τιμές και είτε το ίδιο το αντικείμενο είτε μεμονωμένες συσκευές του συστήματος θα αποτύχει και θα εμφανιστεί μια κατάσταση έκτακτης ανάγκης. Επομένως, στη θεωρία των αυτοκινούμενων όπλων κύριοςείναι προβλήματα εφοδιασμούΜεσταθερότητα και έλεγχος ακρίβειας.

Οι περισσότεροι από αυτούς τους μετασχηματισμούς μπορούν να πραγματοποιηθούν χρησιμοποιώντας ψηφιακές μικροηλεκτρονικές συσκευές. Μια μονάδα ελέγχου είναι εντελώς ψηφιακή όταν είναι κατασκευασμένη με βάση μικροϋπολογιστές ελέγχου ή ψηφιακά μικροκυκλώματα.

Στα ψηφιακά μικροκυκλώματα, χρησιμοποιούνται ψηφιακοί αισθητήρες φυσικών μεγεθών, καθώς και μερικοί μετατροπείς σήματος από αναλογικό σε ψηφιακό και ψηφιακό σε αναλογικό.

Β1.2. Συστήματα μετάδοσης πληροφοριών (ITS)

Με αύξηση της απόστασης μεταξύ της IU και της μονάδας ελέγχου (Εικ. B1), καθώς και μεταξύ της μονάδας ελέγχου και της μονάδας ελέγχου, προκύπτει το πρόβλημα της μετάδοσης πληροφοριών. Η ανάγκη μετάδοσης πληροφοριών σε σημαντικές αποστάσεις προκύπτει όχι μόνο σε χωρικά ανεπτυγμένα συστήματα αυτόματου ελέγχου και παρακολούθησης, αλλά και σε συστήματαοι υπολοιποι είδη επικοινωνίας(τηλέγραφος, τηλέφωνο, φαξ κ.λπ.). Επιπλέον, η ανάγκη μετάδοσης πληροφοριών προκύπτει σε υπολογιστικά συστήματα, συστήματα μετάδοσης δεδομένων, τηλεμηχανικά συστήματα κ.λπ. Το έργο αυτό περιπλέκεται από το γεγονός ότι στη διαδικασία μεταδόσεις μέσω γραμμών επικοινωνίαςπαραμορφώνονται οι παράμετροι σήματακαι αυτό, με τη σειρά του, μπορεί να οδηγήσει σε παραμόρφωση των πληροφοριών και μείωση της ακρίβειάς τους (την πιθανότητα σωστής λήψης τους). Η παραμόρφωση των σημάτων οφείλεται σε παρεμβολές, που προκύπτει στις γραμμές επικοινωνίας. Η παρεμβολή, κατά κανόνα, είναι τυχαίας φύσης και οι παράμετροί της μπορεί να μην διαφέρουν από τις παραμέτρους των σημάτων. Ως εκ τούτου, είναι «ικανά» να παραμορφώνουν σήματα και ακόμη και να «αναπαράγουν» πληροφορίες μετατρέψει το μήνυμα που μεταφέρεται. Το τελευταίο πιο ανεπιθύμητο γεγονός στη μεταφορά πληροφοριών.

Για να εξασφαλίσετε υψηλή πιστότητα και μέγιστη ταχύτητα ( εφάαποδοτικότητα) απαιτείται μετάδοση πληροφοριών, πρόσθετες μετατροπές σημάτων και ειδικές μέθοδοι μετάδοσής τους.

Τέτοιοι μετασχηματισμοί περιλαμβάνουν κωδικοποίησηκαι αντίστροφη διαδικασία πληροφορίες αποκωδικοποίησης(και σήματα). Κωδικοποίησηυπάρχουν τοις εκατόμιανόητος που μετατρέπει ένα μήνυμα σε σήμα. Στην περίπτωση αυτή, οι μετασχηματισμοί πραγματοποιούνται σύμφωνα με ορισμένες κανόνεςτο σύνολο των οποίων κλήσηΤκώδικας.

Η κωδικοποίηση των πληροφοριών πραγματοποιείται στην πλευρά εκπομπής και η αποκωδικοποίηση στην πλευρά λήψης. Διακρίνω Ανθεκτική στον θόρυβο κωδικοποίηση και αποτελεσματική. Στόχοςανθεκτικό στο θόρυβο κωδικοποίηση κατασκευάζω (sfoRεπεξεργασία) ένα σήμα λιγότερο επιρρεπές σε παρεμβολές, δώστε του αΕΝΑτέτοια δομή ώστε να μπορούν να εντοπιστούν ή να διορθωθούν σφάλματα που προκύπτουν κατά τη διαδικασία μετάδοσης στην πλευρά λήψης. Και, έτσι, εξασφαλίστε υψηλή πιστότητα μετάδοσης.

Στόχοςαποτελεσματικός κωδικοποίηση εξασφαλίστε τη μέγιστη ταχύτηταΟτην ανάπτυξη της μεταφοράς πληροφοριών, καθώς η αξία της καθορίζεται σε μεγάλο βαθμό από το πόσο έγκαιρη λαμβάνεται. Σύμφωνα με αυτή την απαίτηση, το κωδικοποιημένο μήνυμα πρέπει να φέρει τον απαιτούμενο όγκο πληροφοριών και, ταυτόχρονα, να έχει ένα ελάχιστο μήκος, ώστε η μετάδοση να απαιτεί ελάχιστο χρόνο.

Τα σήματα (και οι πληροφορίες) μεταδίδονται μέσω κανάλια επικοινωνίας. Σύνδεσμος αυτό είναι μια διαδρομή (διαδρομή) ανεξάρτητης μετάδοσης σημάτων από την πηγήηψευδώνυμο στον αντίστοιχο δέκτη (παραλήπτη) πληροφοριών.Τα κανάλια επικοινωνίας σχηματίζονται με τεχνικά μέσα χρησιμοποιώντας εξοπλισμό σχηματισμού καναλιών και, όπως και οι γραμμές επικοινωνίας, υπόκεινται σε παρεμβολές.

Μία από τις κύριες εργασίες που επιλύονται στο SPI είναι η δημιουργία του απαιτούμενου αριθμού καναλιών επικοινωνίας. Η αποτελεσματικότητα και η θόρυβος της μετάδοσης καθορίζεται σε μεγάλο βαθμό από τα κανάλια επικοινωνίας που χρησιμοποιούνται. Κάτω από πομμιΗ αντίσταση αναφέρεται στην ικανότητα ενός συστήματος(σήμα, κωδικός) και τα λοιπάΕΝΑμπράβομεγάλοεκτελεί τις λειτουργίες του παρουσία παρεμβολών.

Τυπικά, το ίδιο σύστημα μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη μετάδοση πληροφοριών από πολλές πηγές σε κατάλληλο αριθμό δεκτών. Επομένως, ο σχηματισμός του απαιτούμενου αριθμού καναλιών με την απαραίτητη ατρωσία θορύβου εκχωρείται στη συσκευή επικοινωνίας. Σε αυτήν την περίπτωση, οι ακόλουθοι μετασχηματισμοί μπορούν να πραγματοποιηθούν στη συσκευή επικοινωνίας: διαμόρφωση και αποδιαμόρφωσησήματα? ενίσχυση αυτών που μεταδίδονται στη γραμμή και λαμβάνονται από τη γραμμήΚαιΙνστιτούτο Ερευνώνεπικοινωνίες σήματος? περιορισμός σε επίπεδο και φάσμα συχνοτήτωνσήματα και κάποια άλλα.

Ανάλογα με την περιοχή χρήσης (εφαρμογής) του SPI, υπάρχει ανάγκη για πρόσθετους μετασχηματισμούς, όπως η μετατροπή του σχήματος των σημάτων, η φυσική τους φύση, η ομαλοποίηση των παραμέτρων των σημάτων που λαμβάνονται από το εξωτερικό και των σημάτων που εκδίδονται από το σύστημα σε εξωτερικές συσκευές? προσωρινή αποθήκευση σημάτων που μεταδίδονται στο κανάλι επικοινωνίας και εκδίδονται από το σύστημα.

Οι παρατιθέμενοι μετασχηματισμοί προκαθορίζουν τη λειτουργική σύνθεση του εξοπλισμού εκπομπής και λήψης συστημάτων μετάδοσης πληροφοριών (Εικ. Β2).

Όπως φαίνεται από το διάγραμμα, η μετάδοση πραγματοποιείται προς μία κατεύθυνση από αριστερά προς τα δεξιά. Η συσκευή μετατροπής εισόδου και κύριας πληροφορίας (IID) μετατρέπει σήματα που προέρχονται από πηγές πληροφοριών σε ενοποιημένα «πρωτεύοντα» σήματα που δεν μπορούν να μεταδοθούν απευθείας σε μεγάλες αποστάσεις. Συνήθως, αυτά τα ενοποιημένα σήματα είναι τάσεις συνεχούς ρεύματος με σταθερά επίπεδα. Στο μπλοκ UVPI, τα πρωτεύοντα σήματα αποθηκεύονται για τη διάρκεια της μετάδοσης (σε μια συσκευή μνήμης buffer), μετά την οποία διαγράφονται από τη μνήμη. Μια συσκευή κωδικοποίησης (CU) μετατρέπει τα πρωτεύοντα σήματα σε κωδικοποιημένα σήματα που έχουν συγκεκριμένη δομή και μορφή, επιτρέποντάς τους (σήματα) να μεταδίδονται σε μεγάλες αποστάσεις ("τηλεσήματα"). Κατά κανόνα, αυτή η συσκευή είναι συνδυαστική, αν και σε ορισμένες περιπτώσεις μπορεί να γίνει και διαδοχική (πολλαπλών κύκλων). Εδώ υλοποιούνται λογικές και αριθμητικές πράξεις διαδικασιών κωδικοποίησης.

Ο κύριος σκοπός της συσκευής επικοινωνίας (Εικ. Β2) είναι να δημιουργήσει ή οργάνωση καναλιών επικοινωνίαςστην παρεχόμενη γραμμή επικοινωνίας. Γραμμή επικοινωνίαςΑυτό είναι το υλικό περιβάλλον μεταξύ του πομπού (Prd) και του δέκτη (Prm) του συστήματος. Το σχήμα δείχνει χονδρικά μια γραμμή ηλεκτρικής επικοινωνίας δύο καλωδίων. Ωστόσο, μπορούν να χρησιμοποιηθούν ραδιοζεύξεις και γραμμές επικοινωνίας οπτικών ινών και άλλες. Ανάλογα με τον τύπο της γραμμής, πραγματοποιούνται διάφορες μετατροπές σήματος στο Prd και το Prm προκειμένου να εναρμονιστούν οι παράμετροι και τα χαρακτηριστικά τους με τις παραμέτρους και τα χαρακτηριστικά της γραμμής επικοινωνίας και μετασχηματισμούς που στοχεύουν αυξημένη ανοσία στον θόρυβοσήματα.

Στην πλευρά λήψης, τα κωδικοποιημένα σήματα που λαμβάνονται από τη γραμμή επικοινωνίας μετατρέπονται και πάλι από τη συσκευή αποκωδικοποίησης (DCU) σε πρωτεύοντα σήματα. Ταυτόχρονα, ανιχνεύονται σφάλματα στα λαμβανόμενα σήματα και μπορούν να διορθωθούν με διαδικασίες αποκωδικοποίησης, διασφαλίζοντας έτσι την απαιτούμενη ακρίβεια μετάδοσης πληροφοριών. ΕΝΑ μετατροπείς εξόδου(VP) μετατρέπουν αυτά τα πρωτεύοντα σήματα σε μορφή και μορφή (φυσική φύση) που μπορούν να γίνουν αντιληπτά από τους αποδέκτες των πληροφοριών.

Θα πρέπει να σημειωθεί ότι οι περισσότεροι από τους λειτουργικούς «κόμβους» και «μπλοκ» που φαίνονται στο Σχ. Β2 μπορούν να υλοποιηθούν σε ψηφιακά τσιπ. Επομένως, τα συστήματα μετάδοσης πληροφοριών είναι συνήθως ψηφιακά.

Β1.3. Συστήματα επεξεργασίας πληροφοριών

(υπολογιστικά συστήματα)

Τα τυπικά προβλήματα που αναφέρονται παραπάνω μπορούν να λυθούν και να επισημοποιηθούν χρησιμοποιώντας μαθηματικές και λογικές μεθόδους. Με τη σειρά τους, αυτές οι μέθοδοι λειτουργούν με τις απλούστερες πράξεις (αριθμητικές ή λογικές), η εκτέλεση των οποίων σε ορισμένα «αρχικά δεδομένα» παράγει ένα νέο αποτέλεσμα, άγνωστο προηγουμένως. Αυτή η κοινότητα μεθόδων για την επίλυση διαφόρων προβλημάτων επεξεργασίας πληροφοριών κατέστησε δυνατή τη δημιουργία μιας ξεχωριστής κατηγορίας συσκευών και συστημάτων, ο επιδιωκόμενος σκοπός της οποίας (αρχικά) ήταν η αυτοματοποίηση των διαδικασιών υπολογιστών (ηλεκτρονικοί υπολογιστές). Στο παρόν στάδιο ανάπτυξης της τεχνολογίας υπολογιστών, οι υπολογιστές έχουν «μετατραπεί» σε υπολογιστές, βάσει των οποίων κατασκευάζονται σύγχρονα συστήματα υπολογιστών για την επεξεργασία και τη μετάδοση πληροφοριών. Ένα γενικευμένο μπλοκ διάγραμμα ενός συγκεκριμένου υπολογιστικού συστήματος φαίνεται στο Σχ. Β3.

Τα δεδομένα υποβάλλονται σε προηγούμενη επεξεργασία μέσω συσκευή εισόδου UVVέλα σε Συσκευή μνήμης μνήμη, όπου αποθηκεύονται για όλο το χρόνο επεξεργασίας. Στην ίδια μνήμη αποθηκεύεται και το πρόγραμμα για την επεξεργασία των εισερχόμενων πληροφοριών.

Το πρόγραμμα λειτουργίας του συστήματος, καθώς και τα «δεδομένα», αποθηκεύονται σε μια συσκευή αποθήκευσης με τη μορφή δυαδικών αριθμών πολλαπλών bit γραμμένων σε κελιά μνήμης σε συγκεκριμένες διευθύνσεις (διευθύνσεις κελιών μνήμης). Οι δυαδικοί αριθμοί, το σύνολο των οποίων αντιπροσωπεύει ένα πρόγραμμα επεξεργασίας δεδομένων, είναι δομημένοι σε έναν ορισμένο αριθμό τμημάτων, καθένα από τα οποία έχει συγκεκριμένο σκοπό. Στην απλούστερη περίπτωση, υπάρχουν τα ακόλουθα μέρη: 1) ο κωδικός της πράξης που πρέπει να εκτελεστεί σε δύο δυαδικούς αριθμούς που αντιπροσωπεύουν τις τιμές «δεδομένων» και ονομάζονται «τελεστές». 2) διεύθυνση του πρώτου τελεστή. 3) διεύθυνση του δεύτερου τελεστή. Ο συνδυασμός αυτών των μερών σχηματίζει μια «ομάδα».

Η εργασία ενός υπολογιστή αποτελείται από τη διαδοχική εκτέλεση των εντολών που δίνονται από το πρόγραμμα. Συντονίζει έγκαιρα την εργασία όλων των μπλοκ και τα διαχειρίζεται συσκευή ελέγχου UU. Και εκτελεί απευθείας λογικές και αριθμητικές πράξεις (ενέργειες) στους τελεστές αριθμητικήΚαισυν-λογική συσκευή ALU, το οποίο, βάσει σήματος από τη μονάδα ελέγχου «κωδικός λειτουργίας», διαμορφώνεται κάθε φορά ώστε να εκτελεί μια συγκεκριμένη λειτουργία.

Η συσκευή ελέγχου αποκρυπτογραφεί την εντολή που λαμβάνει από τη μνήμη (Εικ. Β3 «επόμενη εντολή»), στέλνει τον κωδικό λειτουργίας στην ALU και προετοιμάζεται να εκτελέσει την αντίστοιχη λειτουργία. Στη συνέχεια, δημιουργεί δειγματοληπτικά σήματα από τη μνήμη τελεστών (δείτε το σήμα «Διευθύνσεις δεδομένων») και καθορίζει τη διεύθυνση της επόμενης εντολής που θα πρέπει να εκτελεστεί στον επόμενο κύκλο του υπολογιστή («Επόμενη Διεύθυνση Εντολής»). Με βάση τα σήματα από τη μονάδα ελέγχου, οι τελεστές διαβάζονται από τη μνήμη και η ALU εκτελεί τις απαραίτητες ενέργειες. Σε αυτήν την περίπτωση, σχηματίζεται ένα ενδιάμεσο αποτέλεσμα («Αποτέλεσμα της λειτουργίας»), το οποίο εξοικονομεί επίσης τη μνήμη. Ανάλογα με το αποτέλεσμα της λειτουργίας, μπορεί να χρειαστεί να αλλάξετε τη σειρά εκτέλεσης εντολών ή να σταματήσετε την επεξεργασία δεδομένων ή να εμφανίσετε μηνύματα σφάλματος στον χειριστή. Για το σκοπό αυτό, το σήμα «Result Sign» αποστέλλεται από την ALU στη μονάδα ελέγχου. Η διαδικασία επεξεργασίας των καταχωρημένων δεδομένων (πληροφοριών) συνεχίζεται έως ότου ανακτηθεί η εντολή «Τέλος υπολογισμών» ή ο χειριστής, κατά την κρίση του, σταματήσει τη διαδικασία επεξεργασίας δεδομένων.

Το αποτέλεσμα επεξεργασίας που προκύπτει αποθηκεύεται επίσης στη μνήμη και μπορεί να εξαχθεί μέσω συσκευή εξόδου Αλίμονοστο τέλος της διαδικασίας επεξεργασίας ή κατά τη διάρκεια της διαδικασίας, εφόσον προβλέπεται από το πρόγραμμα.

Για «επικοινωνία» μεταξύ χειριστή και υπολογιστή, παρέχονται τερματικές συσκευές ΟΤΙ, που προορίζεται για τον χειριστή να εισάγει εντολές και άλλα μηνύματα και να εξάγει "μηνύματα" στον χειριστή από τον υπολογιστή.

Το σχήμα Β3 δεν δείχνει τις συνδέσεις της συσκευής ελέγχου, οι οποίες διασφαλίζουν συγχρονισμό της λειτουργίας όλων των εξαρτημάτων του υπολογιστή. Τα πλατιά βέλη υποδεικνύουν τη δυνατότητα παράλληλης μετάδοσης δεδομένων (ταυτόχρονη μετάδοση όλων των bit δυαδικών αριθμών πολλαπλών bit).

Σχεδόν όλα τα μπλοκ που φαίνονται στο Σχ. Β3 (εκτός από τις τερματικές συσκευές) μπορούν να υλοποιηθούν πλήρως μόνο σε ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα (IC). Συγκεκριμένα, η μονάδα ελέγχου, η ALU και μέρος της μνήμης (register memory SRAM) μπορούν να κατασκευαστούν με τη μορφή ενός IC με υψηλό βαθμό ολοκλήρωσης. Το όνομα του συνόλου μπλοκ σχηματίζεται μικροεπεξεργαστήςένας κεντρικός επεξεργαστής υπολογιστή κατασκευασμένος με χρήση ενσωματωμένης τεχνολογίας σε ένα μόνο τσιπ ημιαγωγών.

Οι συσκευές εισαγωγής και εξόδου δεδομένων, κατά κανόνα, αποτελούνται από καταχωρητές αποθήκευσης buffer που χρησιμεύουν για την προσωρινή αποθήκευση δεδομένων εισόδου και εξόδου, αντίστοιχα, και για το συντονισμό του συστήματος με εξωτερικές συσκευές.

Η συσκευή αποθήκευσης (SRAM) συνήθως χωρίζεται σε δύο μέρη: μνήμη τυχαίας πρόσβασης (RAM) και μόνιμη μνήμη. Το πρώτο χρησιμεύει για την αποθήκευση των ενδιάμεσων αποτελεσμάτων των υπολογισμών· τα «περιεχόμενά» του αλλάζουν συνεχώς κατά την επεξεργασία δεδομένων. Η RAM λειτουργεί σε καταστάσεις «ανάγνωσης» και «εγγραφής» δεδομένων. Και η δεύτερη, μνήμη μόνο για ανάγνωση (ROM), χρησιμοποιείται για την αποθήκευση τυπικών υπορουτίνων και ορισμένων υπορουτίνων συστήματος (υπηρεσίας) που ελέγχουν τις διαδικασίες ενεργοποίησης και απενεργοποίησης του υπολογιστή. Συνήθως, η ROM υλοποιείται σε προγραμματιζόμενη ROM πεδίου IC (FPROM), είτε προγραμματισμένη από το εργοστάσιο IC ROM είτε επαναπρογραμματιζόμενη από το χρήστη ROM (RePROM). Συνήθως, πρόκειται για μη πτητικές συσκευές αποθήκευσης στις οποίες οι καταγεγραμμένες πληροφορίες δεν «καταστρέφονται» ακόμη και όταν αποσυνδέονται από την πηγή ρεύματος.

Το ALU περιλαμβάνει ένα IC με το ίδιο όνομα που εκτελεί λογικές και αριθμητικές πράξεις με δυαδικούς αριθμούς, λογικά στοιχεία και μια σειρά από άλλες λειτουργικές μονάδες που χρησιμεύουν για τη σύγκριση αριθμών, ψηφιακούς συγκριτές, για την αύξηση της ταχύτητας των αριθμητικών πράξεων που εκτελούνται, για παράδειγμα, " μονάδες γρήγορης μεταφοράς» κ.λπ.

Η μονάδα ελέγχου περιλαμβάνει συσκευές χρονοδιακόπτη που ρυθμίζουν τη συχνότητα ρολογιού του συστήματος και, τελικά, καθορίζουν την απόδοσή του, αποκωδικοποιητές κώδικα εντολών, προγραμματιζόμενους λογικούς πίνακες, καταχωρητές, μονάδες ελέγχου μικροπρογραμμάτων, καθώς και «θύρες» εισόδου/εξόδου.

Όλες οι αναγραφόμενες λειτουργικές μονάδες υλοποιούνται με τη μορφή ενσωματωμένων ψηφιακών συσκευών.

Κύρια προβλήματατα υπολογιστικά συστήματα, πρώτον, ενισχύουν τα παραγωγικότητα(εκτέλεση). Και δεύτερον, διασφάλιση της λειτουργίας των συστημάτων σε πραγματικό χρόνο.

Το πρώτο πρόβλημα έχει χαρακτήρα ολόκληρου του συστήματος και επιλύεται χρησιμοποιώντας μια νέα βάση στοιχείων και ειδικές μεθόδους επεξεργασίας πληροφοριών.

Το δεύτερο πρόβλημα προκύπτει όταν χρησιμοποιούνται υπολογιστικά συστήματα για τον έλεγχο των διαδικασιών παραγωγής και είναι ότι η ταχύτητα παραγωγής και οι υπολογιστικές διαδικασίες πρέπει να συντονίζονται. Πράγματι, η λειτουργία ενός συστήματος υπολογιστή (CS) συμβαίνει στον λεγόμενο χρόνο «μηχανής», όταν ένα συγκεκριμένο σταθερό και αδιαίρετο χρονικό διάστημα, που ονομάζεται «κύκλος εργασίας» ενός υπολογιστή ή υπολογιστή, λαμβάνεται ως μονάδα χρόνου. , ενώ οι πραγματικές φυσικές διεργασίες, για παράδειγμα οι τεχνολογικές διεργασίες, λαμβάνουν χώρα σε πραγματικό χρόνο, μετρημένες σε δευτερόλεπτα, κλάσματα του δευτερολέπτου, ώρες κ.λπ. Για να καταστεί δυνατή η χρήση υπολογιστών, είναι απαραίτητο να γίνει η ταχύτητα επεξεργασίας πληροφοριών όχι μικρότερη από την ταχύτητα των πραγματικών φυσικών διεργασιών. Η λύση σε αυτό το πρόβλημα επιτυγχάνεται με την οργάνωση ειδικών μεθόδων ανταλλαγής πληροφοριών (δεδομένων) του υπολογιστή ελέγχου με περιφερειακές συσκευές και τη χρήση ειδικών, λεγόμενων εντεRκυκλώματα και συσκευές προσώπου. Οι λειτουργίες των κυκλωμάτων διασύνδεσης περιλαμβάνουν:

τον προσδιορισμό της διεύθυνσης μιας εξωτερικής συσκευής που απαιτεί ανταλλαγή πληροφοριών με τον επεξεργαστή ή με τη συσκευή αποθήκευσης συστήματος·

δημιουργία σημάτων διακοπής για τον επεξεργαστή BC και αρχικοποίηση της μετάβασης στο πρόγραμμα εξυπηρέτησης για το αντικείμενο που ζήτησε τη διακοπή. Αυτό πραγματοποιείται σύμφωνα με ειδική σύστημα προτεραιοτήτων;

υλοποίηση ουρών για την εξυπηρέτηση εξωτερικών συσκευών.

συντονισμός παραμέτρων και χρονισμός των σημάτων ανταλλαγής κ.λπ.

Χάρη στις σύγχρονες εξελίξεις στον τομέα της ολοκληρωμένης τεχνολογίας στην κατασκευή μικροηλεκτρονικών συσκευών, στη δημιουργία μικροϋπολογιστών και υπολογιστών που χαρακτηρίζονται από μικρές διαστάσεις, χαμηλή κατανάλωση ενέργειας και λογικό κόστος, κατέστη δυνατή η χρήση τους ως μέρος συστημάτων για μεγάλη ποικιλία των σκοπών. Ταυτόχρονα, τα συστήματα αυτά αποκτούν νέες ιδιότητες και γίνονται πολυλειτουργικά με δυνατότητα ευέλικτης μετάβασης από τον έναν τρόπο λειτουργίας στον άλλο αλλάζοντας απλώς τη διαμόρφωση του συστήματος. Με τη σειρά τους, αυτά τα πλεονεκτήματα ανοίγουν νέες προοπτικές για τη χρήση συστημάτων υπολογιστών σε μια μεγάλη ποικιλία τομέων ανθρώπινης δραστηριότητας: στην επιστήμη, την ιατρική, την εκπαίδευση και την κατάρτιση, και ακόμη περισσότερο στην τεχνολογία.

Για παράδειγμα, οι τηλεφωνικές επικοινωνίες πραγματοποιούνταν παραδοσιακά με αναλογικές συσκευές, όπου η ανθρώπινη ομιλία μεταδιδόταν (μέσω καλωδίων) με σήματα με τη μορφή εναλλασσόμενων ρευμάτων ακουστικών συχνοτήτων. Τώρα έχει γίνει μια εντατική μετάβαση στις ψηφιακές τηλεφωνικές επικοινωνίες, κατά τις οποίες τα αναλογικά σήματα (από ένα μικρόφωνο) μετατρέπονται σε ψηφιακά, που μεταδίδονται σε μεγάλες αποστάσεις χωρίς σημαντική παραμόρφωση. Στην πλευρά λήψης, αυτά τα ψηφιακά σήματα μετατρέπονται και πάλι σε αναλογικά και παραδίδονται στο τηλέφωνο. Η μετάβαση στις ψηφιακές επικοινωνίες καθιστά δυνατή τη βελτίωση της ποιότητας της μετάδοσης φωνής· επιπλέον, το τηλεφωνικό δίκτυο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για άλλες υπηρεσίες: συναγερμός ασφαλείας. συναγερμός πυρκαγιάς; για «κλήσεις συνδιάσκεψης» πολλών συνδρομητών και ούτω καθεξής.

ΣΤΙΣ 2. Συγκριτική αξιολόγηση ψηφιακών και αναλογικών συσκευών

μικροηλεκτρονική τεχνολογία

Όταν αποφασίζετε για την κατασκευή ή το σχεδιασμό οποιασδήποτε συσκευής, πρέπει πρώτα να αποφασίσετε για την κατεύθυνση σχεδιασμού, πώς θα είναι η συσκευή; Αναλογικόή διακεκριμένος(ψηφιακό)? Με τη σειρά του, αυτή η απόφαση μπορεί να ληφθεί γνωρίζοντας τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα και των δύο συσκευών. Ας ορίσουμε πρώτα τις έννοιες των «αναλογικών» και «ψηφιακών» συσκευών.

Αναλογικόαυτό ονομάζεται συσκευή, στο οποίο όλα τα σήματα εισόδου, εξόδου και ενδιάμεσα (εσωτερικά) είναι συνεχή, που περιγράφονται από συνεχείς μαθηματικές συναρτήσεις. Αυτά τα σήματα χαρακτηρίζονται από ένα άπειρο σύνολο τιμών σε επίπεδο (καταστάσεις) και είναι συνεχείς στο χρόνο, αν και το εύρος των αλλαγών στις τιμές ενός συνεχούς σήματος είναι περιορισμένο. Ως εκ τούτου, τέτοιες συσκευές καλούνται μερικές φορές κανονίζωουstvami nμιδιακοπτόμενη.

Διακριτές συσκευέςή συσκευές διακριτή δράσηΤΒίγιαείναι εκείνα των οποίων τα σήματα εισόδου, εξόδου και ενδιάμεσων χαρακτηρίζονται από ένα μετρήσιμο σύνολο τιμών σε επίπεδο και ύπαρξη σε συγκεκριμένα χρονικά διαστήματα. Τέτοια σήματα μπορούν να εμφανίζονται σε ένα ή άλλο σύστημα αριθμών θέσης (με αντίστοιχους αριθμούς). Για παράδειγμα, στο σύστημα δεκαδικών αριθμών ή στο δυαδικό σύστημα αριθμών. Η δυαδική αναπαράσταση σημάτων έχει βρει τη μεγαλύτερη εφαρμογή στην τεχνολογία και στην τυπική λογική στον υπολογισμό των δηλώσεων και στην εξαγωγή συμπερασμάτων από διάφορες υποθέσεις. Επομένως, ονομάζονται διακριτές συσκευές λογικός(παρόμοια με την τυπική δυαδική λογική) ή ψηφιακό, λαμβάνοντας υπόψη τη δυνατότητα περιγραφής τους χρησιμοποιώντας αριθμούς του συστήματος θέσεων αριθμών.

Μειονεκτήματα αναλογικών τεχνικών μέσων

Παρουσία «drift» και «noise». ΞηρότεροςΑυτή είναι μια αργή αλλαγή στο σήμα, λόγω της διακριτής φύσης των φαινομένων, σε σχέση με τη δεδομένη τιμή του. Για παράδειγμα, για τα ηλεκτρικά σήματα, η διακριτή φύση της ροής του ηλεκτρικού ρεύματος καθορίζεται από ηλεκτρόνια και «οπές», που είναι φορείς ηλεκτρικών φορτίων. ΘόρυβοιΑυτές είναι τυχαίες αλλαγές σήματος που προκαλούνται από εξωτερικούς ή εσωτερικούς παράγοντες, για παράδειγμα, θερμοκρασία, πίεση, ένταση του μαγνητικού πεδίου της Γης κ.λπ.

Μεθοδολογικές δυσκολίες στον ορισμό των εννοιών «ισότητα προς το μηδέν» και «ισότητα αναλογικών σημάτων». Και ως συνέπεια, η ύπαρξη του προβλήματος της «διασφάλισης της καθορισμένης ακρίβειας (σφάλματος)» των μετασχηματισμών και της μετάδοσης σήματος.

Η πιθανότητα εμφάνισης ασταθών τρόπων λειτουργίας και η ύπαρξη του προβλήματος της «διασφάλισης της σταθερότητας» της λειτουργίας συστημάτων και συσκευών. Μια ασταθής λειτουργία χαρακτηρίζεται από την εμφάνιση σε μια συσκευή ή σύστημα μη απόσβεσης ταλαντώσεων στην αλλαγή ορισμένων σημάτων. Στην ηλεκτρονική, αυτό το φαινόμενο χρησιμοποιείται ευρέως στην κατασκευή γεννητριών παλμών και γεννητριών αρμονικής ταλάντωσης.

Τεχνικές δυσκολίες στην εφαρμογή συσκευών αποθήκευσης και συσκευών χρονικής καθυστέρησης για αναλογικά σήματα.

Ανεπαρκές επίπεδο ενσωμάτωσης αναλογικών στοιχείων και ευελιξία τους.

Σχετικά μικρό εύρος μετάδοσης αναλογικών σημάτων λόγω διαρροής ενέργειας στις γραμμές επικοινωνίας.

Σχετικά μεγάλη κατανάλωση ενέργειας, αφού τα αναλογικά στοιχεία λειτουργούν στα γραμμικά τμήματα των μεταβατικών χαρακτηριστικών τους και «καταναλώνουν» ενέργεια στις αρχικές (αρχικές) καταστάσεις.

Πλεονεκτήματα αναλογικών τεχνικών μέσων

Επάρκεια εμφάνισης φυσικών διεργασιών και προτύπων: και τα δύο περιγράφονται από συνεχείς εξαρτήσεις. Αυτό μας επιτρέπει να απλοποιήσουμε σημαντικά τις θεμελιώδεις τεχνικές λύσεις των αναλογικών συσκευών και συστημάτων.

Αποδοτικότητα και ευκολία αλλαγής τρόπων λειτουργίας: συχνά αρκεί να αλλάξετε την αντίσταση μιας αντίστασης ή την χωρητικότητα ενός πυκνωτή, έτσι ώστε μια ασταθής λειτουργία να αλλάξει σε σταθερή ή να διασφαλιστεί μια δεδομένη μεταβατική διαδικασία στη συσκευή.

Δεν χρειάζεται να μετατρέψετε αναλογικές τιμές σε διακριτές. Αυτοί οι μετασχηματισμοί συνοδεύονται από λάθη και κάποιο χάσιμο χρόνου.

Πλεονεκτήματα της ψηφιακής τεχνολογίας

Η δυνατότητα ελέγχου προγράμματος, η οποία αυξάνει την ευελιξία αλλαγής της δομής και του αλγόριθμου λειτουργίας των συστημάτων, καθιστά δυνατή την απλοποίηση της εφαρμογής των νόμων προσαρμοστικού ελέγχου.

Ευκολία διασφάλισης της καθορισμένης αξιοπιστίας, ακρίβειας και θορύβου των συστημάτων.

Ευκολία διασφάλισης συμβατότητας συσκευών με συσκευές ψηφιακής επεξεργασίας πληροφοριών (υπολογιστές, υπολογιστές).

Υψηλός βαθμός εποικοδομητικής και λειτουργικής ολοκλήρωσης, ευελιξία με δυνατότητα κατασκευής συστημάτων σύμφωνα με τυπικές σχεδιαστικές λύσεις. Με τη σειρά του, αυτό σας επιτρέπει να μειώσετε το κόστος παραγωγής και λειτουργίας συστημάτων και συσκευών.

Η δυνατότητα σχεδίασης χρησιμοποιώντας επίσημες λογικές μεθόδους, η οποία σας επιτρέπει να μειώσετε τον χρόνο σχεδιασμού των συσκευών και καθιστά δυνατή την αλλαγή των λειτουργιών των συσκευών (και των συστημάτων που βασίζονται σε αυτές) με μεθόδους συνολικής κατασκευής κατά τη λειτουργία.

Μειονεκτήματα της ψηφιακής τεχνολογίας

Η ανάγκη μετατροπής αναλογικών σημάτων σε διακριτά. Αυτοί οι μετασχηματισμοί συνοδεύονται από σφάλματα και χρονικές καθυστερήσεις.

Η σχετική δυσκολία αλλαγής τρόπων λειτουργίας. Για να γίνει αυτό, είναι απαραίτητο να αλλάξετε τη δομή του συστήματος ή τον αλγόριθμο λειτουργίας του.

Η πολυπλοκότητα των διαδικασιών ανάλυσης της λειτουργίας των συστημάτων, τόσο κατά τον έλεγχο της ορθότητας της λειτουργίας τους όσο και κατά την αναζήτηση αναδυόμενων βλαβών. Οι ψηφιακές συσκευές χαρακτηρίζονται από μεγάλη λειτουργική πολυπλοκότητα, η οποία απαιτεί ειδικές «διαγνωστικές» συσκευές, οι οποίες μελετώνται σε ένα ειδικό πεδίο της τεχνολογίας που ονομάζεται τεχνικό δΚαιαγνώστουΚαιουα.

Αυξημένες απαιτήσεις για κουλτούρα παραγωγής και κουλτούρα συντήρησης ψηφιακού εξοπλισμού. Με τη σειρά του, αυτό διεγείρει την ανάγκη βελτίωσης των προσόντων του προσωπικού εξυπηρέτησης και απαιτεί από αυτά να είναι υψηλά προσόντα.

Μια συγκριτική ανάλυση των αναγραφόμενων πλεονεκτημάτων και μειονεκτημάτων δίνει συμπέρασμα υπέρτεχνικά μέσα ψηφιακή τεχνολογία. Ως εκ τούτου, επί του παρόντος, οι ψηφιακές συσκευές εισάγονται ευρέως σε φαινομενικά παραδοσιακούς τομείς της αναλογικής τεχνολογίας: τηλεόραση, τηλεφωνικές επικοινωνίες, τεχνολογία εγγραφής ήχου, τεχνολογία ραδιοφώνου και συστήματα αυτόματου ελέγχου και ρύθμισης.

1. Βασικές αρχές της μικροηλεκτρονικής τεχνολογίας

1.1. Βασικές έννοιες και ορισμοί

Μικροηλεκτρονικήτο κύριο πεδίο της ηλεκτρονικής, που μελετά τα προβλήματα σχεδιασμού, έρευνας, δημιουργίας και χρήσης ηλεκτρονικών συσκευών με υψηλό βαθμό λειτουργικόςΚαι κατασκευέςVΝώε ενσωμάτωση.

Μικροηλεκτρονικό προϊόν, που υλοποιείται μέσω ολοκληρωμένης τεχνολογίας και εκτελεί μια συγκεκριμένη λειτουργία για τη μετατροπή και την επεξεργασία σημάτων, ονομάζεται ενσωματωμένο κύκλωμα(IC) ή απλά αναπόσπαστοσινέο καθεστώς(ΕΙΝΑΙ).

Μικροηλεκτρονική συσκευήένα σύνολο διασυνδεδεμένων IC που εκτελούν μια πλήρη, μάλλον πολύπλοκη λειτουργία (ή πολλές λειτουργίες) για την επεξεργασία και τη μετατροπή σημάτων. Μια μικροηλεκτρονική συσκευή μπορεί να σχεδιαστεί δομικά με τη μορφή ενός μόνο μικροκυκλώματος ή σε πολλά IC.

Κάτω από λειτουργική ολοκλήρωσηκατανοούν την αύξηση του αριθμού των λειτουργιών που υλοποιούνται (εκτελούνται) από μια συγκεκριμένη συσκευή. Σε αυτή την περίπτωση, η συσκευή θεωρείται ως ολόκληρος, αδιαίρετο. ΕΝΑ εποικοδομητικός ενθμιχάρηείναι μια αύξηση στον αριθμό των εξαρτημάτων σε μια συσκευή, που θεωρείται ως ολόκληρος. Ένα παράδειγμα μικροηλεκτρονικής συσκευής με υψηλό βαθμό δομικής και λειτουργικής ολοκλήρωσης είναι μιΠρος τηνεπεξεργαστή(βλ. παραπάνω), το οποίο, κατά κανόνα, εκτελείται με τη μορφή ενός "μεγάλου" IC.

Σχεδιασμός κυκλώματοςαποτελεί μέρος της μικροηλεκτρονικής, το αντικείμενο της οποίας είναι μεθόδους κατασκευήςσυσκευές για διάφορους σκοπούς σε μικροΟσχέδια ευρείας εφαρμογής. Το θέμα σχέδιο ψηφιακού κυκλώματοςείναι μέθοδοι για την κατασκευή (σχεδιασμό) συσκευών που χρησιμοποιούν μόνο ψηφιακά IC.

Χαρακτηριστικά ψηφιακών κυκλωμάτωνχρησιμοποιείται ευρέως για να περιγράψει τις διαδικασίες λειτουργίας των συσκευών επίσημοςή επίσημες φυσικές γλώσσεςκαι βάσει αυτών επίσημες μεθόδους σχεδιασμού. Οι επίσημες γλώσσες είναι Άλγεβρα Boole(άλγεβρα λογικής, άλγεβρα Boole) και τη γλώσσα των «αυτόματων» λογικών συναρτήσεων άλγεβρα καταστάσεων και γεγονότων. Χάρη στη χρήση επισημοποιημένων μεθόδων, επιτυγχάνεται πολυμεταβλητότηταστην επίλυση εφαρμοζόμενων προβλημάτων, καθίσταται δυνατή βέλτιστη επιλογή λύσεων κυκλώματοςσύμφωνα με το ένα ή το άλλο κριτήρια.

Επίσημες μέθοδοιχαρακτηρίζονται από υψηλό επίπεδο αφαίρεσης, παραμέληση των ιδιαίτερων ιδιοτήτων του περιγραφόμενου αντικειμένου. Η προσοχή εστιάζεται μόνο στα γενικά πρότυπα στις αμοιβαίες σχέσεις μεταξύ των συστατικών του αντικειμένου και των συστατικών του μερών. Τέτοιες «κανονικότητες», για παράδειγμα, περιλαμβάνουν τους κανόνες των αριθμητικών πράξεων στην άλγεβρα των αριθμών (κανόνες πρόσθεσης, αφαίρεσης, πολλαπλασιασμού, διαίρεσης). Ταυτόχρονα, αποσπώνται από την έννοια των αριθμών (είτε πρόκειται για τον αριθμό των μήλων, είτε για τα τραπέζια κ.λπ.). Αυτοί οι κανόνες είναι αυστηρά επισημοποιημένοι· οι κανόνες για τη λήψη σύνθετων αριθμητικών παραστάσεων, καθώς και οι διαδικασίες για τον υπολογισμό τέτοιων παραστάσεων, είναι επίσης επισημοποιημένοι. Σε τέτοιες περιπτώσεις λένε, επίσημα είναι και σιnότιΠρος τηναδελφήΚαι γραμματική της γλώσσαςπεριγραφές.

Στις επίσημες φυσικές γλώσσες, η σύνταξη επισημοποιείται και η γραμματική (κανόνες για την κατασκευή σύνθετων εκφράσεων) υπόκειται στη γραμματική μιας φυσικής γλώσσας, για παράδειγμα, ρωσικά ή αγγλικά. Παραδείγματα τέτοιων γλωσσών είναι διάφορες γλώσσες περιγραφής σε πίνακα. Ειδικότερα, η θεωρητική βάση για την περιγραφή των ψηφιακών συσκευών είναι η «Θεωρία των πεπερασμένων αυτομάτων» ή «Θεωρία των συσκευών αναμετάδοσης και των πεπερασμένων αυτομάτων».

1.2. Ταξινόμηση μικροηλεκτρονικών συσκευών

Ολόκληρη η ποικιλία των μικροηλεκτρονικών συσκευών (MED) μπορεί να ταξινομηθεί σύμφωνα με διάφορα κριτήρια:

από την αρχή και τη φύση της δράσης·

με λειτουργικό σκοπό και λειτουργίες που εκτελούνται·

από την τεχνολογία κατασκευής·

ανά περιοχή εφαρμογής·

σύμφωνα με το σχεδιασμό και τα τεχνικά χαρακτηριστικά, και ούτω καθεξής.

Ας εξετάσουμε τώρα λεπτομερέστερα την κατανομή του MEU σύμφωνα με κριτήρια ταξινόμησης.

Σύμφωνα με την αρχή(χαρακτήρας) Ενέργειεςόλες οι MEU χωρίζονται σε enΕΝΑκρησφύγετα και ψηφιακό. Οι έννοιες των αναλογικών και διακριτών συσκευών, συμπεριλαμβανομένων των ψηφιακών, έχουν ήδη δοθεί παραπάνω. Εδώ σημειώνουμε ότι εάν σε διακριτές συσκευές όλα τα σήματα λαμβάνουν μόνο δύο υπό συνθήκη τιμές λογικού μηδέν (log.0) και λογική μία (log.1), τότε οι συσκευές ονομάζονται λογικός. Κατά κανόνα, όλες οι ψηφιακές συσκευές ταξινομούνται ως λογικές συσκευές.

Ανάλογα με τις λειτουργίες που εκτελούνται (λειτουργικός σκοπός), διακρίνονται οι ακόλουθες μικροηλεκτρονικές συσκευές:

Ι. Αναλογικό

1.1. Συσκευές ενίσχυσης (ενισχυτές).

1.2. Λειτουργικοί μετατροπείς που εκτελούν μαθηματικές πράξεις σε αναλογικά σήματα (για παράδειγμα, ολοκλήρωση, διαφοροποίηση κ.λπ.).

1.3. Μετατροπείς μέτρησης και αισθητήρες φυσικών μεγεθών.

1.4. Διαμορφωτές και αποδιαμορφωτές, φίλτρα, μίκτες και γεννήτριες αρμονικών.

1.5. Συσκευές αποθήκευσης.

1.6. Σταθεροποιητές τάσης και ρεύματος.

1.7. Ολοκληρωμένα κυκλώματα για ειδικούς σκοπούς (για παράδειγμα, για επεξεργασία σημάτων ραδιοφώνου και βίντεο, συγκριτές, διακόπτες κ.λπ.).

II. Ψηφιακά ΜΕΑ

2.1. Λογικά στοιχεία.

2.2. Κρυπτογραφητές, αποκρυπτογραφητές κώδικα και μετατροπείς κώδικα.

2.3. Στοιχεία μνήμης (ενεργοποιητές).

2.4. Συσκευές αποθήκευσης (RAM, ROM, PROM, PLM κ.λπ.).

2.5. Αριθμητικές-λογικές συσκευές.

2.6. Επιλογείς, διαμορφωτές και γεννήτριες παλμών.

2.7. Συσκευές μέτρησης (μετρητές παλμών).

2.8. Ψηφιακές συσκευές σύγκρισης, διακριτοί διακόπτες σήματος.

2.9. Μητρώα.

2.10. Μικροκυκλώματα ειδικού σκοπού (για παράδειγμα, χρονόμετρα, κιτ IC μικροεπεξεργαστή κ.λπ.).

Η παραπάνω ταξινόμηση απέχει πολύ από το να είναι εξαντλητική, αλλά μας επιτρέπει να συμπεράνουμε ότι το εύρος των ψηφιακών συσκευών είναι πολύ ευρύτερο από το εύρος των αναλογικών MEA.

Εκτός από αυτά που αναφέρονται, υπάρχουν μικροκυκλώματα μετατροπέα στάθμης σήματος, για παράδειγμα σκανδάλες Schmitt, στα οποία τα σήματα εισόδου είναι αναλογικά και τα σήματα εξόδου είναι διακριτά, δυαδικά. Τέτοια μικροκυκλώματα καταλαμβάνουν μια ενδιάμεση θέση. Ομοίως, τα μικροκυκλώματα μετατροπέων αναλογικού σε ψηφιακό και ψηφιακό σε αναλογικό (ADC και DAC), διακόπτες αναλογικού σήματος που ελέγχονται από διακριτά σήματα θα πρέπει να ταξινομούνται ως «ενδιάμεσα» MEA.

Ανάλογα με τον αριθμό των εφαρμοζόμενων λειτουργιών, διακρίνονται έναςΟλειτουργικός(απλό) και πολυλειτουργικό(σύνθετο) MEU. Σε πολυλειτουργικές συσκευές, μπορούν να εκτελεστούν λειτουργίες ΤΑΥΤΟΧΡΟΝΑή διαδοχικάεγκαίρως. Ανάλογα με αυτό, στην πρώτη περίπτωση, οι συσκευές ονομάζονται συσκευές «παράλληλης» δράσης και στη δεύτερη περίπτωση, συσκευές διαδοχικής ή «διαδοχικής» δράσης. Εάν μια πολυλειτουργική συσκευή έχει ρυθμιστεί να εκτελεί μια συγκεκριμένη λειτουργία με εναλλαγή εισόδων (φυσική επανασύνδεση ηλεκτρικών κυκλωμάτων), τότε μια τέτοια συσκευή ονομάζεται συσκευή με « σκληρή λογική" δουλειά. Και εάν οι αλλαγές στις λειτουργίες που εκτελούνται γίνονται χρησιμοποιώντας πρόσθετα εξωτερικά σήματα (στις λεγόμενες εισόδους ελέγχου), τότε τέτοια MEA θα πρέπει να ταξινομηθούν ως "ελεγχόμενα από λογισμικό". Για παράδειγμα, τα IC της αριθμητικής λογικής μονάδας (ALU) μπορούν να υλοποιήσουν αριθμητικές ή λογικές πράξεις με δύο δυαδικούς αριθμούς πολλαπλών bit. Και η ρύθμιση για την εκτέλεση αριθμητικών (ή λογικών) πράξεων πραγματοποιείται από ένα επιπλέον εξωτερικό σήμα, ανάλογα με την τιμή του οποίου θα εκτελεστούν οι επιθυμητές ενέργειες. Επομένως, οι ALU θα πρέπει να ταξινομηθούν ως MEU ελεγχόμενες από λογισμικό.

Σύμφωνα με την τεχνολογία κατασκευήςόλα τα IC χωρίζονται σε:

Ημιαγωγός;

Ταινία;

Υβρίδιο.

ΣΕ ημιαγωγός IC όλα τα εξαρτήματα και οι συνδέσεις γίνονται στον όγκο και στην επιφάνεια του κρυστάλλου ημιαγωγού. Αυτά τα IC χωρίζονται σε σιΚαιπολικόςμικροκυκλώματα (με σταθερή πολικότητα τάσεων τροφοδοσίας) και αναμ μονοπολικήμε δυνατότητα αλλαγής της πολικότητας της τάσης τροφοδοσίας. Ανάλογα με τη σχεδίαση του κυκλώματος του «εσωτερικού περιεχομένου», τα διπολικά μικροκυκλώματα χωρίζονται στους ακόλουθους τύπους:

Λογική τρανζίστορ-τρανζίστορ TTL;

Λογική τρανζίστορ-τρανζίστορ TTLsh με τρανζίστορ και διόδους Schottky.

Λογική συζευγμένης εκπομπής ESL.

I2L injection logic και άλλα.

Μικροκυκλώματα μονοπολικής τεχνολογίας κατασκευάζονται σε τρανζίστορ MOS («μετάλλου-διηλεκτρικού-ημιαγωγού»), ή σε τρανζίστορ MOS («ημιαγωγός μετάλλου-οξειδίου») ή σε τρανζίστορ CMOS (συμπληρωματικός «ημιαγωγός οξειδίου μετάλλου»).

ΣΕ ταινία Σε ένα IC, όλα τα εξαρτήματα και οι συνδέσεις γίνονται μόνο στην επιφάνεια του κρυστάλλου ημιαγωγού. Διακρίνω λεπτή μεμβράνη(με πάχος στρώσης μικρότερο από 1 micron) και παχιά μεμβράνημε πάχος φιλμ μεγαλύτερο από ένα μικρό. Τα IC λεπτής μεμβράνης κατασκευάζονται με χρήση θερμικής εναπόθεσης κενού και καθόδου, ενώ τα IC με παχύ φιλμ κατασκευάζονται με εκτύπωση μεταξοτυπίας ακολουθούμενη από καύση σε πρόσθετα.

ΥβρίδιοΤα IC αποτελούνται από "απλά" και "σύνθετα" εξαρτήματα που βρίσκονται στο ίδιο υπόστρωμα. Τα τσιπ IC ημιαγωγών ή φιλμ χρησιμοποιούνται συνήθως ως σύνθετα εξαρτήματα. Τα απλά περιλαμβάνουν διακριτά ηλεκτρονικά εξαρτήματα (τρανζίστορ, δίοδοι, πυκνωτές, επαγωγείς κ.λπ.). Όλα αυτά τα εξαρτήματα βρίσκονται δομικά στο ίδιο υπόστρωμα και ηλεκτρικές συνδέσεις μεταξύ τους γίνονται επίσης σε αυτό. Επιπλέον, ένα υπόστρωμα με τα εξαρτήματα που βρίσκονται πάνω του σχηματίζει ένα «στρώμα» ενός υβριδικού IC. Διακρίνω μονή στρώσηΚαι πολυστρωματικόυβριδικά IC. Το πολυστρωματικό υβριδικό IC είναι ικανό να εκτελεί αρκετά περίπλοκες λειτουργίες επεξεργασίας σήματος. Ένα τέτοιο μικροκύκλωμα ισοδυναμεί σε δράση με ένα «μικρομπλόκ» συσκευών ή, εάν προορίζεται για ανεξάρτητη χρήση, με τη δράση ενός «ολόκληρου» μπλοκ.

Επιπλέον, τυχόν μικροκυκλώματα αξιολογούνται ποσοτικά προβολήΕΝΑτηλεπικοινωνιώνδικα τους δυσκολίες. Ως τέτοιος δείκτης, « βαθμός ενσωμάτωση» κ, ίσο με τον δεκαδικό λογάριθμο της συνολικής ποσότητας Νεξαρτήματα τοποθετημένα σε ένα τσιπ ημιαγωγών, δηλαδή

κ = lq Ν. (1)

Σύμφωνα με τον τύπο (1), όλα τα μικροκυκλώματα χωρίζονται σε μικροκυκλώματα του 1ου, 2ου, τρίτου και ούτω καθεξής βαθμών ολοκλήρωσης. Ο βαθμός ολοκλήρωσης χαρακτηρίζει μόνο έμμεσα την πολυπλοκότητα των μικροκυκλωμάτων, καθώς λαμβάνει υπόψη μόνο εποικοδομητικόςενσωμάτωση. Στην πραγματικότητα, η πολυπλοκότητα του μικροκυκλώματος εξαρτάται επίσης από τον αριθμό των αμοιβαίων συνδέσεων μεταξύ των εξαρτημάτων.

Στην πρακτική της μηχανικής, ένα ποιοτικό χαρακτηριστικό της πολυπλοκότητας των μικροκυκλωμάτων χρησιμοποιείται στις έννοιες του "μικρού", "μεσαίου", "μεγάλου" και "υπερ-μεγάλου" IC.

Ο Πίνακας 1.1 παρέχει πληροφορίες σχετικά με την αμοιβαία αντιστοιχία ποιοτικών και ποσοτικών μετρήσεων πολυπλοκότητας IS κατά τους τύπους τους.

Πίνακας 1.1

όνομα IP		Τεχνολογία κατασκευής	Αριθμός εξαρτημάτων στο τσιπ	Βαθμός ένταξης κ
Μικρό (MIS)	Ψηφιακό	Διπολικός
		Μονοπολικό
	Αναλογικό	Διπολικός
Μέσος όρος (SIS)	Ψηφιακό	Διπολικός
		Μονοπολικό
	Αναλογικό	Διπολικός
		Μονοπολικό
Big (BIS)	Ψηφιακό	Διπολικός
		Μονοπολικό
	Αναλογικό	Διπολικός
		Μονοπολικό
Extra Large (VLSI)	Ψηφιακό	Διπολικός
		Μονοπολικό	Πάνω από 10000
	Αναλογικό	Διπολικός
		Μονοπολικό

Από την ανάλυση του Πίνακα 1.1 προκύπτει ότι, σε σύγκριση με τα ψηφιακά IC, τα αναλογικά μικροκυκλώματα με τους ίδιους βαθμούς ολοκλήρωσης έχουν πάνω από τρεις φορές λιγότερα συστατικά στη σύνθεσή τους (σε ένα τσιπ ημιαγωγών). Αυτό συμβαίνει επειδή τα ενεργά συστατικά (τρανζίστορ) ενός αναλογικού τσιπ λειτουργούν σε γραμμικό τρόπο και διαχέουν περισσότερη ενέργεια. Η ανάγκη απομάκρυνσης της θερμότητας που παράγεται από την απαγωγή ενέργειας περιορίζει τον αριθμό των εξαρτημάτων που τοποθετούνται σε ένα μόνο τσιπ. Στα ψηφιακά μικροκυκλώματα, τα ενεργά εξαρτήματα λειτουργούν σε λειτουργία μεταγωγής (τα τρανζίστορ είναι είτε κλειδωμένα είτε ανοιχτά και σε λειτουργία κορεσμού). Σε αυτή την περίπτωση, η απαγωγή ισχύος είναι αμελητέα και η ποσότητα της θερμότητας που παράγεται είναι επίσης αμελητέα και επομένως ο αριθμός των εξαρτημάτων στο τσιπ μπορεί να τοποθετηθεί περισσότερο. (Οι διαστάσεις των κρυστάλλων είναι τυποποιημένες και περιορισμένες.) Με τη μονοπολική τεχνολογία, ο όγκος του κρυστάλλου που καταλαμβάνεται από ένα τρανζίστορ πεδίου είναι περίπου τρεις φορές μικρότερος από τον όγκο που καταλαμβάνει ένα διπολικό τρανζίστορ ( n- Π- nή Π- n- Πτύπος). Αυτό εξηγεί το γεγονός ότι περισσότερα ενεργά συστατικά μπορούν να τοποθετηθούν σε ένα τσιπ τυπικών μεγεθών σε ένα μονοπολικό μικροκύκλωμα.

Με σχέδιοΑνάλογα με τη λειτουργική πολυπλοκότητα, οι μικροηλεκτρονικές συσκευές χωρίζονται σε:

σε απλά μικροκυκλώματα (IC).

για μικροσυσκευές?

σε μικρομπλόκ.

ICμικροηλεκτρονικό προϊόν που κατασκευάζεται σε ενοποιημένη τεχνολογίαΟμαγικός κύκλος, κατάλληλο για ανεξάρτητη χρήση ή ως μέρος πιο σύνθετων προϊόντων (συμπεριλαμβανομένων μικροσυσκευών και μικρομπλόκ). Τα μικροκυκλώματα μπορούν να μην πλαισιωθούν και να έχουν ατομικό περίβλημα που προστατεύει τον κρύσταλλο από εξωτερικές επιρροές.

Μικροσυναρμολόγησηένα μικροηλεκτρονικό προϊόν που εκτελεί μια μάλλον περίπλοκη λειτουργία (λειτουργίες) και αποτελείται από ηλεκτρικά και ραδιοφωνικά εξαρτήματα και μικροκυκλώματα, που κατασκευάζονται με σκοπό τη σμίκρυνση του ηλεκτρονικού εξοπλισμού. Ουσιαστικά, τα υβριδικά τσιπ είναι μικροσυσκευές. Η απλούστερη μικροσυναρμολόγηση μπορεί να είναι, για παράδειγμα, ένα σύνολο μικροαντιστάσεων που κατασκευάζονται σε κρύσταλλο ημιαγωγών και στεγάζονται σε μια ενιαία συσκευασία (όπως ένα μικροκύκλωμα).

Microblockείναι επίσης ένα μικροηλεκτρονικό προϊόν, αποτελείται από ηλεκτρικά και ραδιοφωνικά εξαρτήματα και ολοκληρωμένα κυκλώματα και εκτελεί μια πολύπλοκη(ες) λειτουργία(ες).

Κατά κανόνα, τα μικροσυσκευές και τα μικρομπλοκ κατασκευάζονται σε διαφορετικούς τεχνολογικούς κύκλους και, ίσως, σε διαφορετικά εργοστάσια παραγωγής.

Οπως και τεχνικά χαρακτηριστικά ταξινόμησηςσυνήθως χρησιμοποιείται κατανάλωση ενέργειας(ένα τσιπ) και γρήγοραουαποτέλεσμα.

Με κατανάλωση ενέργειαςόλα τα IC μπορούν να χωριστούν σε: ΕΝΑ) μικροΟισχυρός(λιγότερο από 10 mW); σι) χαμηλή ενέργεια(όχι πάνω από 100 mW); V) μέσης ισχύος(έως 500 mW) Και σολ) ισχυρός(περισσότερο από ή = 0,5 W).

Με Ταχύτητα(μέγιστες χρονικές καθυστερήσεις για τη διάδοση του σήματος μέσω του IC), τα μικροκυκλώματα χωρίζονται υπό όρους σε: ΕΝΑ) εξαιρετικά γρήγορο με συχνότητα αποκοπής φά g μεταγωγές πάνω από 100 MHz; σι) ΓΡΗΓΟΡΗ αντίδραση ( φά g από 50 MHzέως 100 MHz); V) κανονική ταχύτητα ( φά gr από 10 MHzέως 50 MHz). Σε αυτήν την περίπτωση, οι καθυστερήσεις διάδοσης είναι της τάξης των λίγων νανοδευτερόλεπτων (10-9 Με.) έως 0,1 μικροδευτερόλεπτα (1s =10-6 Με.).

Ψηφιακές μικροηλεκτρονικές συσκευές, συμπεριλαμβανομένων μικροκυκλωμάτων και άλλων συσκευές διακριτής δράσης, βολικό για ταξινόμηση Με Χ ΕΝΑ φύση του εθισμού σήματα εξόδου από σήματα εισόδου. Όπως συνηθίζεται στη θεωρία των μηχανών πεπερασμένης κατάστασης. Σύμφωνα με αυτό το χαρακτηριστικό, όλες οι συσκευές συνήθως χωρίζονται σε συνδυαστικήΚαι ακολουθητικός.

ΣΕ συνδυαστικές συσκευέςοι τιμές των σημάτων εξόδου σε οποιαδήποτε χρονική στιγμή καθορίζονται μοναδικά από τις τιμές των σημάτων εισόδου στο ίδιο χρονικό σημείο. Επομένως, μπορούμε να υποθέσουμε ότι η λειτουργία τέτοιων συσκευών δεν εξαρτάται από το χρόνο. Ονομάζονται επίσης «χωρίς» συσκευές μνήμη», μονοκύκλουσυσκευές ή συσκευές μίας δράσης. Στη θεωρία των μηχανών πεπερασμένης κατάστασης, οι συνδυαστικές συσκευές ονομάζονται «πρωτόγονες μηχανές πεπερασμένης κατάστασης».

ΣΕ σειριακές συσκευέςοι τιμές των σημάτων εξόδου (σήματα εξόδου) εξαρτώνται από τις τιμές των σημάτων εισόδου όχι μόνο την εξεταζόμενη χρονική στιγμή, αλλά και από τις τιμές των σημάτων εισόδου σε προηγούμενα χρονικά σημεία. Επομένως, τέτοιες συσκευές ονομάζονται συσκευές με " μνήμη», πολλαπλών κύκλωνσυσκευές, αλλά στη θεωρία των μηχανών πεπερασμένης κατάστασης, απλά; μηχανή πεπερασμένης κατάστασης(όχι ασήμαντο).

Κατά την εξέταση του εκπαιδευτικού υλικού, στο μέλλον, για κύριοςας πάρουμε αυτό ταξινόμηση, επειδή μεθόδους κατασκευής(σύνθεση) και διαδικασίες λειτουργίας των ονομαζόμενων συσκευών σημαντικά διαφορετικάΕΝΑυπάρχουν.

Ολοκληρώνοντας την παρουσίαση των θεμάτων ταξινόμησης, σημειώνουμε ότι η δεδομένη λίστα χαρακτηριστικών ταξινόμησης και η λίστα ονομάτων μικροηλεκτρονικών προϊόντων (τσιπ) δεν είναι καθόλου εξαντλητική. Στο μέλλον, αν χρειαστεί, θα προσθέσουμε σε αυτή τη λίστα.

1.3. Στοιχεία λογικής

Στοιχεία λογικήςανήκουν στις απλούστερες συνδυαστικές «συσκευές», με μία έξοδο και μία ή δύο εισόδους. Πήραν το όνομά τους επειδή η λειτουργία τους μπορεί να περιγραφεί πλήρως λογικές συναρτήσειςκαι ειδικότερα Boolean συναρτήσεις.

Όπως και στην τυπική λογική, όλες οι προτάσεις μπορεί να είναι αληθείς ή ψευδείς, και οι λογικές συναρτήσεις μπορούν να λάβουν μόνο δύο τιμές υπό όρους: λογική μία (log.1) "true" και λογικό μηδέν (log.0) "false".

Κατά την περιγραφή της λειτουργίας των λογικών στοιχείων σήματα εξόδουβάλτε σε αλληλογραφία ένας προς έναν λειτουργίες, ΕΝΑ σήματα εισόδου επιχειρήματααυτές οι λειτουργίες. Έτσι, τόσο οι συναρτήσεις όσο και τα ορίσματα συνάρτησης, καθώς και τα σήματα εισόδου και εξόδου των λογικών πυλών, είναι δυαδικά. Αν παραμελήσουμε τον πραγματικό χρόνο μετάβασης ενός λογικού στοιχείου από μια κατάσταση (state log.1) σε μια άλλη (state log.0), τότε ούτε τα ορίσματα ούτε οι συναρτήσεις θα εξαρτώνται από τον παράγοντα χρόνο της μεταβλητής χρόνου. Λαμβάνονται υπόψη οι κανόνες για τη λήψη και τη μετατροπή λογικών εκφράσεων άλγεβρα της λογικήςή booleanάλγεβρα.

Βασικές λογικές συναρτήσεις στην άλγεβρα της λογικής είναι γενικά αποδεκτό λειτουργίες δύοεπιχειρήματα. Τους δίνονται ονόματα, εισάγονται λογικά σύμβολα για να προσδιορίσουν τις αντίστοιχες λογικές πράξεις όταν γράφονται σε αλγεβρική μορφή και αυτά τα σύμβολα χρησιμοποιούνται επίσης στα γραφικά σύμβολα (GSD) των λογικών στοιχείων στην τεκμηρίωση του κυκλώματος.

Πριν εξετάσουμε απευθείας τους τύπους λογικών στοιχείων, ας εξετάσουμε πρώτα το γενικό ζήτημα του συστήματος σημειογραφίας για μικροκυκλώματα που περιέχουν λογικά στοιχεία. Τέτοια μικροκυκλώματα ανήκουν σε microshμιμητέρες χαμηλού βαθμού ένταξης.

1.3.1. Σύστημα συμβατικών αλφαριθμητικών ονομασιών λογικών στοιχείων IC

Στην εγχώρια τεχνική βιβλιογραφία, καθώς και κατά τη σήμανση IC εγχώριας παραγωγής, κατά την κατασκευή τους σε εργοστάσια παραγωγής, υιοθετείται μια μορφή ονομασιών μικροκυκλωμάτων 4 στοιχείων (Εικ. 1.1).

Πρώτα στοιχείοστη σημειογραφία είναι αριθμός , το οποίο υποδεικνύει την ομάδα σχεδιασμού και τεχνολογικής εκτέλεσης της ΠΕ. Αυτό το σχήμα μπορεί να λάβει τις ακόλουθες τιμές:

1, 5, 6, 7 αντιστοιχούν σε IC ημιαγωγών. Επιπλέον, ο αριθμός 7 χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό μόνο μη συσκευασμένων IC.

2, 4, 8 είναι υβριδικά μικροκυκλώματα.

3 άλλα μικροκυκλώματα, συμπεριλαμβανομένων των φιλμ.

Το πρώτο στοιχείο της ονομασίας μπορεί να προηγείται από ένα γράμμα ή δύο γράμματα (του ρωσικού αλφαβήτου)· δεν απαιτούνται, αλλά υποδεικνύουν τον τύπο και το υλικό της θήκης μικροκυκλώματος και τις δυνατότητες εφαρμογής του. Για παράδειγμα, το γράμμα ΠΡΟΣ ΤΗΝαντιπροσωπεύουν μικροκυκλώματα ευρεία εφαρμογή V πλαστική ύληπερίπτωση του πρώτου τύπου. Υπάρχουν μικροκυκλώματα για ειδικές εφαρμογές, για παράδειγμα, για συσκευές που λειτουργούν σε τροπικά κλίματα.

Δεύτερος στοιχείο 2 ή 3 ψηφία, δηλώνουν τακτική αριθμός σειρά μικροκυκλώματα Το σύνολο των μικροκυκλωμάτων που παράγονται από την εγχώρια βιομηχανία χωρίζεται σε σειρά. ΣειράΤο IC είναι ένα σύνολο ολοκληρωμένων κυκλωμάτων ενιαίου σχεδιασμού και τεχνολογικού σχεδιασμού που εκτελούν διάφορες λειτουργίες και προορίζονται για κοινή χρήση.

Τρίτος στοιχείο στον χαρακτηρισμό είναι δύο Ρώσοι γράμματα, το πρώτο από τα οποία υποδηλώνει μια υποομάδα του IC κατά λειτουργικό σκοπό και το δεύτερο γράμμα αντιστοιχεί στον τύπο του IC και από τον λειτουργικό σκοπό του μικροκυκλώματος. Για παράδειγμα, το πρώτο γράμμα μεγάλο"λέει" ότι πρόκειται για μια λογική πύλη IC (υποομάδα λογικές), δεύτερο γράμμα ΕΝΑαντιστοιχεί σε λογικά στοιχεία της φόρμας ΚΑΙ ΟΧΙ. Ο Πίνακας 1.2 δείχνει τους πιο συνηθισμένους κωδικούς γραμμάτων των τύπων IS σύμφωνα με τις λειτουργίες που εκτελούνται.

Και τέλος, 4ο ελμιμπάτσοςστους χαρακτηρισμούς των μικροκυκλωμάτων είναι έναςή δύο αριθμοί , υποδεικνύοντας τον υπό όρους αριθμό του μικροκυκλώματος στην εν λόγω σειρά. Έτσι, το παράδειγμα χαρακτηρισμού που φαίνεται στο Σχ. 1.1 αντιστοιχεί στον χαρακτηρισμό ενός μικροκυκλώματος ημιαγωγών της σειράς Κ155, ευρέως χρησιμοποιούμενου, σε πλαστική θήκη 1ου τύπου. Αποτελείται από 4 λογικά στοιχεία δύο εισόδων του τύπου AND-NOT (2AND-NOT).

Συνήθως, το τέταρτο στοιχείο στην ονομασία IC "κρυπτογραφεί" τον σειριακό αριθμό της τροποποίησης στοιχείων του ίδιου τύπου, που διαφέρει ως προς τον αριθμό των εισόδων και τη μέθοδο "οργάνωσης" της εξόδου.

Εκτός από τα παραπάνω σύμβολα, σύμφωνα με το GOST 2.743-91 «Συμβατικά γραφικά σύμβολα σε ηλεκτρικά κυκλώματα. Στοιχεία ψηφιακής τεχνολογίας», άλλοι κωδικοί δύο γραμμάτων χρησιμοποιούνται για να υποδείξουν τον λειτουργικό σκοπό των μικροκυκλωμάτων, για παράδειγμα: αποκωδικοποιητές ID-αποπολυπλέκτες, αποκωδικοποιητές, καταχωρητές IR, διακόπτες CP διακριτών σημάτων κ.λπ. Συγκεκριμένα, το γράμμα I αντιστοιχεί σε μια υποομάδα μικροκυκλωμάτων που χρησιμοποιούνται για την κατασκευή ψηφιακών υπολογιστικών συσκευών.

Οι διαφορετικές σειρές IC διαφέρουν ως προς τον αριθμό των μικροκυκλωμάτων και την ονοματολογία τους (αξιολόγηση τύπου). Τυπική βαθμολογίαΤο IC είναι ένα συγκεκριμένο σύμβολο που περιέχει βασικές πληροφορίες για το μικροκύκλωμα. Καθώς η τεχνολογία αναπτύσσεται, ο αριθμός των τύπων IC μιας συγκεκριμένης σειράς μπορεί να αυξηθεί.

Μεταξύ της σειράς μικροκυκλωμάτων, τα λογικά IC τρανζίστορ-τρανζίστορ (TTL και TTLsh) είναι τα πιο λειτουργικά ανεπτυγμένα. Αυτές οι σειρές χαρακτηρίζονται από ένα ευρύ φάσμα IC, επομένως θα απεικονίσουμε κυρίως την παρουσίαση του εκπαιδευτικού υλικού με παραδείγματα αυτών των μικροκυκλωμάτων.

Το προαναφερθέν GOST περιέχει επίσης συμβατικά γραφικά σύμβολα λογικών στοιχείων και παρέχει κανόνες για το σχηματισμό UGO πιο περίπλοκων λογικών στοιχείων και ενοτήτων. Επομένως, θα πρέπει πρώτα απ 'όλα να εξοικειωθείτε με το καθορισμένο GOST.

Πίνακας 1.2

	Ονομασία
στοιχεία NAND
Στοιχεία ΚΑΙ-ΟΧΙ/Η-ΟΧΙ
Expanders από OR
OR-NOT στοιχεία
Στοιχεία Ι
Ελεμ. ΚΑΙ-Η-ΟΧΙ/ΚΑΙ-Ή
Ή στοιχεία
Στοιχεία OR-NOT/OR
Στοιχεία ΟΧΙ
Αλλα αντικείμενα
Στοιχεία ΚΑΙ-Η-ΟΧΙ
AND-OR στοιχεία

1.3.2. Χρήση Boolean Algebra για περιγραφή

λογικά στοιχεία καιΤσμήνη

Όπως σημειώθηκε παραπάνω, η λειτουργία των λογικών στοιχείωνΤα nts μπορούν να περιγραφούν με λογικές (Boolean) συναρτήσεις. Με τη σειρά τους, οι λογικές συναρτήσεις μπορούν να οριστούν (set) παραθέτοντας όλες τις συνθήκες υπό τις οποίες η συνάρτηση παίρνει την τιμή log.1, π.χ. σύμφωνα με τις συνθήκες της αλήθειας και σύμφωνα με τις συνθήκες του ψεύδους (τιμές log.0). Ομοίως, λαμβάνοντας υπόψη τη λειτουργία ενός λογικού (οποιουδήποτε) στοιχείου, μπορούμε να απαριθμήσουμε όλες τις συνθήκες κάτω από τις οποίες εμφανίζεται ένα σήμα λογικής 1 στην έξοδο ή τις συνθήκες κατά τις οποίες θα υπάρχει σήμα λογικής 0 στην έξοδο του στοιχείου. Αυτό είναι αρχή της δυαδικότητας(δυαδικότητα) στην περιγραφήλογικές συσκευές.

Στην τεχνολογία, όταν περιγράφεται η λειτουργία διαφόρων συσκευών, χρησιμοποιείται ευρέως η έννοια του "ενεργού", σε αντίθεση με την "ανενεργή" τιμή ενός σήματος. Παράλληλα, υπό ενεργόςΗ τιμή (επίπεδο) ενός σήματος νοείται ως μια ενέργεια που προκαλεί την επιθυμητή ενέργεια στην έξοδο της συσκευής ή, με άλλα λόγια, η συσκευή έχει ενεργές ενέργειες σε εξωτερικές συσκευές. Αντίθετα, οι ανενεργές ενέργειες έχουν παθητική επίδραση στις εξωτερικές συσκευές. Έτσι, στη λογική συνήθως επικεντρώνονται στην αλήθεια των δηλώσεων, επομένως η αλήθεια των δηλώσεων θα πρέπει να θεωρείται εξ ορισμού η ενεργή τους σημασία. Ομοίως, κατά την περιγραφή των τεχνικών συσκευών, μπορεί κανείς να επικεντρωθεί στις συνθήκες για τη «λειτουργία» τους ή τις προϋποθέσεις για τη «μη λειτουργία».

Οι συμφωνίες βάσει των οποίων το σήμα log.1 θεωρείται ενεργό ονομάζονται συμφωνίες " θετικός» λογική. Αντίθετα, όταν η ενεργή τιμή λαμβάνεται ως log.0, τέτοιες συμφωνίες ονομάζονται " αρνητικός» λογική. Κατά κανόνα, ένα "υψηλότερο" επίπεδο σημάτων λαμβάνεται ως σήμα log.1 και ένα "χαμηλότερο" επίπεδο σήματος λαμβάνεται ως σήμα log.0. Για παράδειγμα, όταν χρησιμοποιείτε ένα IC TTL, το σήμα log.1 θεωρείται ότι είναι μια τάση τουλάχιστον +2,4 ΣΕ,και με σήμα log.0 η τάση είναι μεγαλύτερη από μηδέν, αλλά όχι μεγαλύτερη από 0,4 ΣΕ. Αυτά είναι τυπικά επίπεδα σήματος σε συσκευές που βασίζονται σε IC TTL.

Περιγραφές που καταρτίζονται βάσει συμφωνιών θετική λογικήκαι με συμφωνίες αρνητική λογική, λογικά ισοδύναμο, αφού περιγράφουν την ίδια συσκευή. Ωστόσο περίπλοκοτεχνικός πραγματικόςΚαιθέσειςλογικές συσκευές, ανάλογα με την επιλεγμένη συμφωνία, μπορεί να αποδειχθούν ότι είναι σημαντικά διαφορετικά. Ως εκ τούτου, το πρόβλημα της επιλογής μιας μεθόδου περιγραφής προκύπτει πάντα προκειμένου να επιτευχθεί η απλούστερη τεχνική λύση.

Όπως ήδη αναφέρθηκε, οι κύριες συναρτήσεις της άλγεβρας της λογικής είναι συναρτήσεις δύο μεταβλητών. Μπορείτε να συνθέσετε αυτές τις συναρτήσεις καθαρά τυπικά, δίνοντας στα ορίσματα όλων των ειδών τις τιμές (συνδυασμούς των τιμών τους) και στη συνέχεια να δώσετε στις συναρτήσεις επίσης όλα τα είδη τιμών. Δεδομένου ότι τόσο τα ορίσματα όσο και οι συναρτήσεις μπορούν να λάβουν μόνο δύο τιμές, δεν είναι δύσκολο να προσδιοριστεί ο αριθμός των συνδυασμών που αποτελούνται από ορίσματα και ο αριθμός όλων των πιθανών συναρτήσεων. Έστω ο αριθμός των επιχειρημάτων nκαι τον αριθμό των συνδυασμών τους Ν, Επειτα

Ν = 2n. (1.1)

Ο αριθμός όλων των πιθανών λογικών συναρτήσεων μπορεί στη συνέχεια να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας τον τύπο

Μ = 2Ν = . (1.2)

Όπως φαίνεται από τον τύπο (1.2), ο αριθμός των Boolean (λογικών) συναρτήσεων αυξάνεται γρήγορα με αυξανόμενο αριθμό ορισμάτων n. Ναι όταν n=2 παίρνουμε Ν=22=4, και Μ=24=16, δηλ. δεκαέξι λογικές συναρτήσεις δύο ορισμάτων.

Στον πίνακα Το 1.3 δείχνει τα ονόματα και τις ονομασίες των συναρτήσεων, τη σημασία τους σε ένα συγκεκριμένο σύνολο τιμών ορισμάτων έναΚαι σι, καθώς και αλγεβρικές εκφράσεις αυτών των συναρτήσεων στο διαζευκτική τέλεια κανονική μορφή(DSNF) και σύνδεσμος τέλεια κανονική μορφή(KSNF).

Από την ανάλυση αυτού του πίνακα προκύπτει ότι μεταξύ των πολλών συναρτήσεων που δίνονται υπάρχουν σταθερές συναρτήσειςΣυναρτήσεις «μηδέν» και «ένα», «επανάληψη» και «αντιστροφή» (ΟΧΙ συναρτήσεις) μεταβλητών εισόδου ένα Και σι, που είναι στην πραγματικότητα συναρτήσεις έναςόρισμα και υπάρχουν συναρτήσεις που εξαρτώνται σημαντικάαπό δύοεπιχειρήματα.

Στις παραπάνω αλγεβρικές παραστάσεις, το σύμβολο + (συν) υποδηλώνει τη λειτουργία της λογικής πρόσθεσης (διάσπαση), η μπάρα πάνω από μια μεταβλητή ή πάνω από μια λογική παράσταση υποδηλώνει την πράξη αντιστροφής και τα σύμβολα για τον λογικό πολλαπλασιασμό (προϊόν) παραλείπονται.

Πίνακας 1.3

Λογικές συναρτήσεις δύο ορισμάτων

Οχι.	Όνομα συνάρτησης	Τιμές συνάρτησης για τιμές ορίσματος	Ονομασία	Αλγεβρικές μορφές συναρτήσεων
	Μηδέν
	Απαγόρευση σι					ένασι
	ΑπατώΔιασταύρωση (Ι)					ένα&σιή αβ
	Επαναλαμβάνω tion ΕΝΑ
	Απαγόρευση ΕΝΑ					σιένα
	Ανισοςέννοια					ένασι
	Επαναλαμβάνω tion σι
	Dizσύνδεσμος (συνάρτηση Ή)					ένα+σι		ένα+σι
	Pierce (Ή-ΟΧΙ)
	Αναστροφήσι(ΔΕΝ)
	Ravnέννοια
	Implικανοποίηση σι					σιένα
	ΑναστροφήΕΝΑ
	Schaeffer (ΚΑΙ-ΟΧΙ)
	Implικανοποίηση ΕΝΑ					ένασι
	Ενότηταιδιωτικός

Οι σταθερές συναρτήσεις εκφράζουν στην πραγματικότητα ανεξαρτησία από ορίσματα και, ταυτόχρονα, μπορούν να θεωρηθούν «συναρτήσεις» σε μεγάλο αριθμό ορισμάτων. Σημείωση, μηδένη συνάρτηση δεν έχει DSNF γιατί ποτέ δεν παίρνει την τιμή log.1 και μονόκλινοη συνάρτηση δεν έχει KSNF, αφού ποτέ δεν παίρνει την τιμή log.0. Από αυτό προκύπτει ότι το DSNF αντιστοιχεί περιγραφή(ανάθεση) λογικών συναρτήσεων σύμφωνα με τις συνθήκες της αλήθειας(σύμφωνα με το ημερολόγιο 1), και KSNF υπό συνθήκες ψευδούς(log.0). Οποιαδήποτε λογική συνάρτηση, εκτός από τις σταθερές συναρτήσεις, έχει και DSNF και CSNF. Αυτό αντιστοιχεί στο γεγονός ότι οποιαδήποτε λογική συσκευή (ανεξάρτητα από το πόσο περίπλοκη μπορεί να είναι) μπορεί να περιγραφεί από συνθήκες ενεργοποίησης και συνθήκες μη ενεργοποίησης.

Οι τιμές των συναρτήσεων "επανάληψη" και "αναστροφής" (V3, V6, V9, V12) είτε επαναλαμβάνουν τις τιμές ενός από τα ορίσματα είτε λαμβάνουν αντίθετες (αντίστροφες) τιμές. Γι' αυτό πήραν αυτά τα ονόματα.

Λειτουργίες αντιστροφής ονομάζονται συχνότερα NOT συναρτήσεις. Αυτές οι λειτουργίες υλοποιούνται από πύλες NOT (ή μετατροπείς). Οι λειτουργίες επανάληψης υλοποιούνται από επαναλήπτες. Συνηθίζεται να λέμε ότι οι συναρτήσεις της αντιστροφής και της επανάληψης " επουσιώδης» εξαρτώνται από το δεύτερο όρισμα, αν και μπορούν να αναπαρασταθούν ως συναρτήσεις δύο, τριών ή περισσότερων ορισμάτων.

Στην τεχνολογία, οι συναρτήσεις "Disparity" και "Equivalence" είναι πιο γνωστές ως "sum modulo two (mod 2)" και "sum inversion mod 2", αντίστοιχα. Οι συναρτήσεις Schaeffer και Peirce είναι, αντίστοιχα, γνωστές ως «αντίστροφο ενός λογικού γινομένου» (συναρτήσεις NAND) και «αντίστροφη ενός λογικού αθροίσματος» (OR-NOT). Αυτές οι συναρτήσεις υλοποιούνται από λογικά στοιχεία με το ίδιο όνομα.

Στην άλγεβρα Boole και στη συνέχεια σε λογικές εκφράσεις, συνηθίζεται να υποδηλώνουμε λειτουργίες με κεφαλαία γράμματαΛατινικό αλφάβητο, και επιχειρήματαλειτουργίες πεζά(μικρό) γράμματατο ίδιο αλφάβητο.

1.3.3. Μέθοδοι και φόρμες για τον καθορισμό λογικών συναρτήσεων

Κατά την περιγραφή των λογικών συσκευών, αποδεικνύεται ότι η μέθοδος καθορισμού (ορισμού) λογικών συναρτήσεων και η μορφή παρουσίασής τους επηρεάζουν σημαντικά τη δυσκολία επίτευξης του τελικού αποτελέσματος. Ανάλογα με τον στόχο, οι μέθοδοι καθορισμού και η μορφή παρουσίασης των συναρτήσεων μπορεί να διαφέρουν. Για παράδειγμα, κατά την κατασκευή λογικών συσκευών σε προγραμματιζόμενες μνήμες μόνο για ανάγνωση (PROM), οι αλγεβρικές μορφές λογικών συναρτήσεων είναι ανεπιθύμητες και μη πρακτικές. Ωστόσο, κατά την κατασκευή συσκευών σε μικροκυκλώματα με χαμηλό βαθμό ολοκλήρωσης, σε IC λογικών στοιχείων, απαιτούνται ελάχιστες αλγεβρικές μορφές λογικών συναρτήσεων, καθώς διαφορετικά είναι αδύνατο να εξασφαλιστεί ελάχιστο κόστος υλικού. Έτσι, η επιλογή της μεθόδου ανάθεσης εξαρτάται από τον επιδιωκόμενο σκοπό της περιγραφής των συσκευών.

Διακρίνω πινακοειδής, μήτρα, γραφικόςΚαι αναλυτικόςμεθόδους ανάθεσης.

Στο πινακοειδήςεργασίες χρησιμοποιούν το λεγόμενο " τραπέζια καιΜεάκρη μικρότης» λογικές συναρτήσεις, στις οποίες οι τιμές των συναρτήσεων υποδεικνύονται σε ολόκληρο το σύνολο των συνδυασμών των ορισμάτων τους. Έτσι, ο αριθμός των στηλών στον πίνακα αλήθειας καθορίζεται από τον αριθμό των ορισμάτων και τον αριθμό των συναρτήσεων και ο αριθμός των σειρών καθορίζεται από τον τύπο (1.1). Οι πίνακες αλήθειας χρησιμοποιούνται για γενική εξοικείωση με τη λειτουργία συνδυαστικών συσκευών όταν ο αριθμός των εισόδων (ορίσματα συνάρτησης) και ο αριθμός των εξόδων (αριθμός συναρτήσεων) δεν υπερβαίνει τις 4. Οι πίνακες αλήθειας γίνονται δυσκίνητοι με μεγαλύτερο αριθμό επιχειρημάτων, και ως εκ τούτου είναι ελάχιστα χρήσιμοι για ανάλυση. Χρησιμοποιώντας πίνακες αλήθειας, είναι αρκετά εύκολο να βρείτε αλγεβρικές μορφές συναρτήσεων στο DSNF ή στο KSNF, αλλά δεν είναι κατάλληλες για αναζήτηση ελάχιστων αλγεβρικών μορφών.

Μήτρατρόπο καθορισμού (ή καθορισμού συναρτήσεων χρησιμοποιώντας blvdμιπίνακες εξόδου) βασίζεται σε μια γραφική απεικόνιση ολόκληρου του συνόλου των συνδυασμών ορισμάτων συνάρτησης σε ένα «επίπεδο» (σε δισδιάστατο χώρο). Η έννοια των «Boolean matrices» εισήχθη από τον A.D. Ζακρέφσκι, του προσφέρθηκε επίσης οπτική μήτραμέθοδος ελαχιστοποίησης λογικών συναρτήσεων. Στην ξένη βιβλιογραφία, αυτή η μέθοδος προσδιορισμού και ελαχιστοποίησης λογικών συναρτήσεων είναι γνωστή ως «μέθοδος προσδιορισμού και ελαχιστοποίησης χρησιμοποιώντας Χάρτης Carnot" (Η έννοια των «πίνακες» που χρησιμοποιείται στα μαθηματικά δεν πρέπει να συγχέεται με την έννοια των «πίνακες Boolean»). Μαζί με το concept boolean μητρΚαιτσασε όσα ακολουθούν θα χρησιμοποιηθεί η έννοια Χάρτης Carnot, καθώς οι έννοιες είναι συνώνυμες.

Ένας Boolean matrix είναι ένα ορθογώνιο με λόγο διαστάσεων 1:2 (για μονό αριθμό ορισμάτων συνάρτησης) ή ένα τετράγωνο (για ζυγό αριθμό ορισμάτων), χωρισμένο σε στοιχειώδη τετράγωνα (κελιά). Ο αριθμός των κελιών στη μήτρα είναι πάντα πολλαπλάσιο μιας ισχύος δύο και καθορίζεται από τον τύπο (1.1). Έτσι, ο αριθμός των στοιχειωδών τετραγώνων είναι ίσος με το πλήρες σύνολο συνδυασμών που αποτελείται από ορίσματα συνάρτησης. Επάνω δεξιάΚαι αριστερή πλευράπίνακες, ορθογώνιες αγκύλες ή μια συμπαγής ευθεία γραμμή σημειώνουν τις περιοχές των τιμών μεμονωμένων ορισμάτων (Εικ. 1.2). Επιπλέον, αυτές οι αγκύλες επισημαίνονται με αναγνωριστικά ορισμάτων, τα οποία τοποθετούνται κάτω από το στήριγμα ή στα δεξιά (κάτω) των παρενθέσεων. Συμβατικά, πιστεύεται ότι η περιοχή που περιορίζεται από την αγκύλη είναι η περιοχή των μεμονωμένων τιμών του ορίσματος και εκτός αυτής της περιοχής το όρισμα έχει μηδενική τιμή. Έτσι, ο χαρακτηρισμένος χάρτης Karnaugh είναι, σαν να λέγαμε, «κωδικοποιημένος» από συνδυασμούς ορισμάτων. Σε αυτήν την περίπτωση, κάθε κελί θα αντιστοιχεί σε έναν πολύ συγκεκριμένο συνδυασμό ορισμάτων συνάρτησης. Ο ίδιος ο χάρτης επισημαίνεται αναγνωριστικό συνάρτησης στον πάτοή στα δεξιά.

Για να ορίσετε μια συνάρτηση με μια κάρτα, πρέπει να βάλετε τις τιμές αυτής της συνάρτησης (0 ή 1 ή ~) στα κατάλληλα κελιά.

Έτσι, το Σχ. 1.2 δείχνει χάρτες Carnaugh για συναρτήσεις με 4, 5 και 6 ορίσματα.

Συγκεκριμένα, οι συναρτήσεις X και Y είναι πλήρως καθορισμένες, αλλά η συνάρτηση Z είναι υποκαθορισμένη, καθώς μαζί με τις σταθερές τιμές του 1 και του 0, τα κελιά εμφανίζουν τιμές "υπό όρους" που σημειώνονται με το σύμβολο ~ (η τυπογραφική περισπωμένη σύμβολο). ΥποθετικόςΟι τιμές των λογικών συναρτήσεων χρησιμοποιούνται σε περιπτώσεις όπου συγκεκριμένες τιμές (0 ή 1) δεν μπορούν να καθοριστούν εκ των προτέρων. Τέτοιες περιπτώσεις προκύπτουν, για παράδειγμα, κατά τη σύνθεση συσκευών σύμφωνα με ατελώς καθορισμένες συνθήκες ή όταν συνδυασμοί ορισμάτων που αντιστοιχούν σε κελιά με το σύμβολο ~ δεν μπορούν να προκύψουν για κάποιο λόγο. Στη διαδικασία εύρεσης ελάχιστων λογικών εκφράσεων υποκαθορισμένων συναρτήσεων, αυτές οι τιμές υπό όρους ορίζονται με τις τιμές 1 ή 0, προσπαθώντας να λάβουμε τις απλούστερες αλγεβρικές εκφράσεις.

Κατ 'αρχήν, η μορφή μήτρας για τον καθορισμό λογικών συναρτήσεων είναι πιο βολική για την αναζήτηση ελάχιστων αλγεβρικών μορφών συναρτήσεων έως και 10 (ή περισσότερα) ορίσματα. Η ακολουθία κατασκευής ενός χάρτη Karnaugh για συναρτήσεις με μεγάλο αριθμό ορισμάτων μπορεί να γίνει κατανοητή συγκρίνοντας το Σχ. 1.2, ΕΝΑμε εικόνες 1.2, σιΚαι V.

Γραφικόςη μέθοδος καθορισμού λογικών συναρτήσεων βασίζεται στη χρήση n-διαστατικοί κύβοι. Η διάσταση ενός κύβου καθορίζεται από τον αριθμό nορίσματα συνάρτησης, για παράδειγμα, μια συνάρτηση τριών ορισμάτων μπορεί να καθοριστεί ως ένας τρισδιάστατος κύβος, κάθε κορυφή του οποίου αντιστοιχεί σε έναν ορισμένο συνδυασμό ορισμάτων. Για να ορίσετε μια συνάρτηση χρησιμοποιώντας έναν τρισδιάστατο κύβο, οι κορυφές του κύβου επισημαίνονται ανάλογα. Αυτή η μέθοδος δεν χρησιμοποιείται ευρέως και δεν θα τη χρησιμοποιήσουμε.

Αναλυτικόςη μέθοδος καθορισμού συναρτήσεων χρησιμοποιείται ευρύτερα για την εύρεση λειτουργικά διαγράμματασυνθετικές συσκευές. Χάρη στα συμβατικά γραφικά σύμβολα (CG) των λογικών στοιχείων, είναι δυνατή η επαρκής μετάβαση απευθείας από μια αλγεβρική έκφραση σε ένα λειτουργικό διάγραμμα και, αντιστρόφως, η χρήση του λειτουργικού διαγράμματος για να ληφθεί μια αλγεβρική έκφραση μιας συνάρτησης που περιγράφει το σήμα εξόδου του η συσκευή. Επιπλέον, χρησιμοποιώντας τους νόμους και τις συνέπειες της άλγεβρας της λογικής, μπορείτε να εκτελέσετε ισοδύναμους μετασχηματισμούς λογικών παραστάσεων και, ως εκ τούτου, να αποκτήσετε νέες εκδόσεις λειτουργικών διαγραμμάτων.

Στην άλγεβρα Boole, διακρίνονται διάφοροι τύποι αλγεβρικών μορφών συναρτήσεων· συγκεκριμένα, δύο μορφές DSNF και KSNF δίνονται στον Πίνακα 1.3. Η πρώτη λαμβάνεται όταν η συνάρτηση προσδιορίζεται από τις συνθήκες αλήθειας (από 1), και η δεύτερη όταν η συνάρτηση προσδιορίζεται με «μηδενικά».

Για παράδειγμα, η συνάρτηση X που καθορίζεται από τον χάρτη στο Σχ. 1.2, ΕΝΑ, θα έχει τις παρακάτω τέλειες μορφές:

Όπως φαίνεται από το Σχ. 1.2, ΕΝΑ, και από τις παραστάσεις (1.3) και (1.4), προκύπτει ότι η συνάρτηση παίρνει την τιμή "1" εάν ένας περιττός αριθμός ορισμάτων λάβει την τιμή log.1, διαφορετικά παίρνει την τιμή "0". Τέτοιες συναρτήσεις υλοποιούνται από κυκλώματα «άρτια/μονά» ή λογικά στοιχεία «άθροισμα mod2». Εάν χρησιμοποιήσουμε το σύμβολο για το άθροισμα mod2 (συνάρτηση ανισότητας V5 στον Πίνακα 1.3), τότε μπορούμε να γράψουμε

Χ = ένα σι ντο ρε. (1.5)

Αυτή η έκφραση είναι συντομότερη και ισοδυναμεί με την έκφραση (1.3). Παρακαλώ σημειώστε (Εικ. 1.2, ΕΝΑ), η συνάρτηση sum mod2 και η αντιστροφή της αντιστοιχούν στο «σκακιστικό μοτίβο» στον χάρτη Karnaugh. Αυτό μπορεί να χρησιμοποιηθεί στο μέλλον κατά την αναζήτηση άλλων αλγεβρικών μορφών λογικών συναρτήσεων. Παρεμπιπτόντως, αυτές οι λειτουργίες δεν έχουν κανονικές ελάχιστοδιαζευκτικές και συνδετικές μορφές MDNF και ICNF.

Ας εξετάσουμε τα συχνά χρησιμοποιούμενα IC λογικών στοιχείων και θα χρησιμοποιήσουμε διάφορες μορφές περιγραφής των λογικών συναρτήσεων που υλοποιούνται από αυτά τα στοιχεία.

1.3.4. ΟΧΙ πύλες

Αυτά είναι τα πιο απλά στοιχεία, με μία είσοδο και μία έξοδο. Τέτοια στοιχεία περιγράφονται από τη λογική συνάρτηση της άρνησης και της αντιστροφής και ονομάζονται απλά ΔΕΝ συναρτήσεις. Το σχήμα 1.3 δείχνει το UGO των στοιχείων HE που προτείνει η GOST. Όπως μπορείτε να δείτε, ο δείκτης αντιστροφής μπορεί να τοποθετηθεί είτε στην έξοδο είτε στην είσοδο του λογικού στοιχείου. Σύμφωνα με το GOST, δεν μπορείτε να βάλετε το σήμα κύριας λειτουργίας "1" στο κύριο πεδίο του UGO.

Η αλγεβρική έκφραση για τη συνάρτηση αντιστροφής έχει τη μορφή

Χ =

και διαβάζει «όχι ΕΝΑ" Το σήμα εξόδου του στοιχείου NOT παίρνει πάντα την αντίθετη τιμή σε σχέση με τις τιμές του σήματος εισόδου. Υπάρχουν διάφοροι τύποι λογικών στοιχείων IC, που διαφέρουν στον τρόπο οργάνωσης της εξόδου. Για παράδειγμα, στο IC της σειράς K155 υπάρχουν μικροκυκλώματα K155LN1 που περιέχουν 4 λογικά στοιχεία NOT με τυπική χωρητικότητα φορτίου. ΔΕΝ υπάρχουν στοιχεία με αυξημένη ικανότητα φόρτωσης, αλλά περιγράφονται όλα με την ίδια λογική έκφραση.

Τα λογικά στοιχεία "repeaters" έχουν επίσης μία είσοδο και μία έξοδο, αλλά το σήμα εξόδου επαναλαμβάνει την τιμή του σήματος εισόδου. Τέτοια στοιχεία χρησιμοποιούνται για την «αποσύνδεση» των εξόδων των λογικών στοιχείων και για την αύξηση της χωρητικότητας φορτίου τους.

1.3.5. ΚΑΙ πύλες

Αυτά τα στοιχεία υλοποιούν τη συνάρτηση του λογικού πολλαπλασιασμού (σύνδεση). Οι συναρτήσεις είναι τουλάχιστον διπλές ή πολλαπλές και περιγράφονται από τις ακόλουθες λογικές εκφράσεις:

Χ = ένα&σι = ένασι = ένα· σι = αβ. (1.6)

Τα σύμβολα συνδυασμού & και μπορούν να αντικατασταθούν με τελεία ή να παραλειφθούν καθόλου. Έξοδος στοιχείου ΚΑΙπαίρνει το ημερολόγιο τιμών.1 μόνο εάν όλα τα σήματα εισόδου λαμβάνουν το ημερολόγιο τιμών.1. Το Σχ. 1.4 δείχνει γραφικά σύμβολα και χάρτες Carnaugh για δύο εισόδους (Εικ. 1.4, ΕΝΑΚαι σι) και με τρεις εισόδους (Εικ. 1.4, VΚαι σολ) λογικό στοιχείο ΚΑΙ.

Εικ.1.4. Συμβατικοί γραφικοί προσδιορισμοί στοιχείων ΚΑΙ: δύο εισόδων ( ΕΝΑ),

τριών εισόδων ( V), χάρτες των λογικών συναρτήσεων Carnaugh 2I ( σι) και 3I ( σολ)

Όπως φαίνεται από τους παραπάνω πίνακες Boolean, ο σύνδεσμος είναι ίσος με log.1 μόνο στη μοναδική περίπτωση που όλα τα ορίσματα και το πρώτο, Και δεύτερος, Και τρίτος Καικαι τα λοιπά. πάρτε ταυτόχρονα την τιμή log.1. Επομένως, τέτοια στοιχεία ονομάζονται ταιριάζουν μοτίβα, η ονομασία "συνδετήρες" είναι λιγότερο συνηθισμένη και οι συναρτήσεις που τους περιγράφουν μερικές φορές είναι συναρτήσεις I. Διάφορα λογικά στοιχεία παράγονται στη σειρά IC ΚΑΙ, για παράδειγμα, το μικροκύκλωμα K155LI1 περιέχει 4 στοιχεία 2I (δύο εισόδων). Η διαφορά έγκειται στον διαφορετικό αριθμό εισόδων για διαφορετικά στοιχεία.

Εμφανίζεται στο Σχ. 1.4, σικαι Εικ. 1.4, σολαπεικονίζεται με πίνακες κανόνες λογικού πολλαπλασιασμού, και οι εμφανιζόμενες UGO αντιστοιχούν συμφωνώμιαρχές της θετικής λογικής.

Χάρη στους αντισταθμιστικούς και συνδυαστικούς νόμους που ισχύουν στην άλγεβρα Boole, εισροέςλογικά στοιχεία πολλαπλών εισόδων ΚΑΙείναι λογικά ισοδύναμοκαι ένα λογικό στοιχείο πολλαπλών εισόδων ΚΑΙμπορεί να ληφθεί από πολλά στοιχεία δύο εισόδων ΚΑΙ. Έτσι, στο Σχ. 1.5 θα δείτε

Έχουμε δύο επιλογές για την κατασκευή ενός λογικού στοιχείου ΚΑΙμε έξι εισόδους (6I) σε στοιχεία δύο εισόδων ΚΑΙ(2I).

Όλα τα κυκλώματα που φαίνονται στο σχήμα 1.5 είναι λογικά ισοδύναμα και, με τη σειρά τους, είναι ισοδύναμα με τη συμβατική γραφική ονομασία ενός λογικού στοιχείου 6 εισόδων ΚΑΙ(Εικ. 1.5, V). Ταυτόχρονα, τα κυκλώματα περιγράφονται με λογικές εκφράσεις που διαφέρουν ως προς τη μορφή σημειογραφίας:

Χ = ((((ένα· σι)· ντο)· ρε)· κ)· Μ? διάγραμμα εικ. 1,5, ΕΝΑ; (1.7)

Υ = ((αβ)·(CD))·( χλμ) ? διάγραμμα εικ. 1,5, σι; (1.8)

και η ακόλουθη έκφραση αντιστοιχεί στο σύμβολο του στοιχείου 6I:

Ζ = abcdkm. (1.9)

Αν και, σύμφωνα με τους αναφερόμενους νόμους της άλγεβρας Boole, η αλλαγή των θέσεων των παραγόντων δεν αλλάζει το λογικό γινόμενο και δεν χρειάζεται να τοποθετηθούν παρενθέσεις στις εκφράσεις του λογικού γινόμενου, ωστόσο, οι εκφράσεις (1.7), (1.8) και (1.9) φέρουν πληροφορίες σχετικά με τρόπους κατασκευής συστήματα. Έτσι, οι υποδεικνυόμενες εκφράσεις μπορούν να θεωρηθούν «λογικά-μαθηματικά μοντέλα» των δεδομένων κυκλωμάτων, συμπεριλαμβανομένου του UGO του στοιχείου 6I.

Θα πρέπει να σημειωθεί ότι κατά την περιγραφή λογικών συνδυαστικών συσκευών χρησιμοποιώντας εκφράσεις Boole, κατά κανόνα, αφαιρείται ο παράγοντας χρόνος. Αυτή η περιγραφή αντιστοιχεί στην περιγραφή συσκευών σε στατικές συνθήκες σε σταθερές τιμές σημάτων εισόδου (και μεταβλητών). Πιστεύεται ότι οι αλλαγές στα σήματα εισόδου και εξόδου συμβαίνουν αμέσως, και παρομοίως αλλάζουν οι τιμές των ορισμάτων και οι τιμές των ίδιων των λογικών συναρτήσεων. Ταυτόχρονα, τα πραγματικά στοιχεία έχουν πεπερασμένο χρόνο μετάβασης από τη μια κατάσταση στην άλλη ή, όπως λένε, έχουν έναν πεπερασμένο (μη μηδενικό) χρόνο διάδοσης των σημάτων από τις εισόδους στην έξοδο ενός στοιχείου ή συσκευής. Έχοντας αυτό υπόψη, θα πρέπει να προτιμάται το διάγραμμα στο Σχ. 1.5, σι, στην οποία ο χρόνος διάδοσης των σημάτων από εισόδους με σήμανση με ορίσματα συνάρτησης στην έξοδο του κυκλώματος είναι κατά μέσο όρο μικρότερος. Η πηγή περιέχει πληροφορίες σχετικά με τις λογικές συναρτήσεις χρονισμού που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την περιγραφή κυκλωμάτων με χρονικές καθυστερήσεις.

1.3.6. Ή πύλες

Ή υλοποιούνται λογικές πύλες λογικό άθροισμαπολλαπλά δυαδικά σήματα (και μεταβλητές εισόδου). Η συνάρτηση που περιγράφει τέτοια στοιχεία ονομάζεται διαχώρισηή λειτουργία λογική πολυπλοκότηταμινια. Το σχήμα 1.6 δείχνει τα σύμβολα (UGO) των στοιχείων OR και τους χάρτες Carnaugh των συναρτήσεων που τα περιγράφουν.

Αλγεβρική έκφραση για το λογικό άθροισμα δύο μεταβλητών έναΚαι σιγράφεται ως εξής

Χ = ένα σι = ένα + σι. (1.10)

Στην άλγεβρα Boole, ένα σύμβολο χρησιμοποιείται για να αναπαραστήσει μια διάσταση. Στις τεχνικές εφαρμογές του χρησιμοποιείται συνήθως το σύμβολο + (της αριθμητικής πρόσθεσης), αλλά μόνο όταν αυτό δεν οδηγεί σε ανακρίβεια κατά τη σύνταξη τύπων και λογικών εκφράσεων. (Αυτό το σύμβολο θα χρησιμοποιηθεί κυρίως για να υποδηλώσει διαχωρισμό.)

Όπως φαίνεται από τους χάρτες στο Σχ. 1.6, σικαι Εικ. 1.6, σολ, η συνάρτηση λογικής προσθήκης παίρνει την τιμή log.0 μόνο στη μοναδική περίπτωση που όλα τα ορίσματα λαμβάνουν την τιμή log.0. Έχει τιμή log.1 εάν το πρώτο όρισμα ήδεύτερος, ήτρίτο, κλπ., ήόλα μαζί τα ορίσματα παίρνουν την τιμή log.1. Επομένως, αυτή η συνάρτηση ονομάζεται συνάρτηση OR.

Ακριβώς όπως με το συνδυασμό πολλών μεταβλητών, οι αντισταθμιστικοί και συνδυαστικοί νόμοι της άλγεβρας Boole ισχύουν για τη διάζευξη. Και η συνέπεια αυτού είναι η λογική ισοδυναμία των εισόδων των λογικών στοιχείων OR, καθώς και η δυνατότητα κατασκευής στοιχείων OR πολλαπλών εισόδων από παρόμοια στοιχεία, αλλά με μικρότερο αριθμό εισόδων. Εάν στο Σχ. 1.5 όλα τα στοιχεία AND αντικατασταθούν με στοιχεία OR (2OR) δύο εισόδων, τότε όλα τα συμπεράσματα που εξάγονται σχετικά με τα κυκλώματα του Σχ. 1.5 θα ισχύουν για τα κυκλώματα που λαμβάνονται από μια τέτοια αντικατάσταση. Μπορείτε επίσης να γράψετε λογικο-μαθηματικά μοντέλα για τα κυκλώματα που προκύπτουν και το UGO του στοιχείου 6OR, αντικαθιστώντας στις εκφράσεις (1.7), (1.8) και (1.9) όλα τα σύμβολα λογικού πολλαπλασιασμού με πρόσημο + (διαχωρισμούς).

Διάφορες σειρές IC έχουν λογικά στοιχεία OR. Για παράδειγμα, στη σειρά TTL αυτό είναι το μικροκύκλωμα K155LL1· περιέχει 4 στοιχεία 2OR.

1.3.7. πύλες NAND

Αυτά τα στοιχεία υλοποιούνται αντιστροφή ενός λογικού προϊόντοςσήματα εισόδου. Με άλλα λόγια, τα στοιχεία NAND περιγράφονται από τη συνάρτηση «άρνησης σύνδεσης». Στην άλγεβρα Boole, τέτοιες συναρτήσεις ονομάζονται συναρτήσεις Schaeffer· ένα ειδικό σύμβολο «? », αποκαλείται το εγκεφαλικό επεισόδιο του Schaeffer. Για ευκολία στην ανάγνωση, θα χρησιμοποιήσουμε το σύμβολο αντιστροφής (overbar) πάνω από την έκφραση του συνδέσμου για να δηλώσουμε συναρτήσεις Schaeffer. Για παράδειγμα, η αλγεβρική μορφή γραφής της συνάρτησης Schaeffer δύο ορισμάτων θα είναι η εξής:

Χ = ένα / σι = = . (1.11)

Στην έκφραση (1.11), τα πρόσημα ίσου αντιστοιχούν στη λογική ταυτότητα των εκφράσεων και η δεξιά πλευρά της έκφρασης αντιστοιχεί στο CSNF της συνάρτησης AND-NOT (συνάρτηση V13 στον Πίνακα 1.3). Αλλά γενικά η έκφραση έχει ως εξής: " το αντίστροφο ενός λογικού γινομένου είναι ίσο με το λογικό άθροισμα των αντιστρόφων των ορισμάτων" Αυτή η δήλωση είναι γνωστή στην άλγεβρα Boole ως ο νόμος του de Morganσχετικά αντιστροφή του λογικού προϊόντος(αντιστροφή συνδέσμου) . Το σχήμα 1.7 δείχνει τα γραφικά σύμβολα του στοιχείου 2I-NOT, το λειτουργικό του ισοδύναμο κύκλωμα και τον χάρτη Carnot για την εν λόγω συνάρτηση. Συγκρίνοντας τους χάρτες Carnaugh των συναρτήσεων AND και των συναρτήσεων NAND, είναι εύκολο να παρατηρήσετε ότι τα κελιά περιέχουν αντίθετες τιμές από τις ονομαζόμενες συναρτήσεις. Συγκρίνοντας χάρτες με αλγεβρικές εκφράσεις της συνάρτησης AND και της συνάρτησης NAND, μπορούν να εξαχθούν τα ακόλουθα συμπεράσματα:

Καθε μονάδα, στέκεται σε ένα κελί μήτρας, αντιστοιχείλογικός δουλειά(σύνδεση) όλα τα επιχειρήματαλειτουργίες? λαμβάνεται μία φορά με ή χωρίς το σύμβολο της αναστροφής. Εάν ένα κελί με μονάδα βρίσκεται στην περιοχή μεμονωμένες τιμές ορίσματος, τότε αυτό το επιχείρημα περιλαμβάνεταισε συνδυασμό χωρίς αντιστροφή μηδενικά ψηφίαΕΝΑεπιχειρήματα, τότε αυτό το επιχείρημα μπαίνει με ταμπέλα καιnεκδόσεις.

Στον καθένα μηδέν, στέκεται σε ένα κελί μήτρας, αντιστοιχεί στο ημερολόγιοΚαιτεχνικό ποσό(διάσπαση) όλων των ορισμάτων συνάρτησης, που λαμβάνονται μία φορά με ή χωρίς πρόσημο αντιστροφής. Εάν ένα κελί με μηδέν βρίσκεται στην περιοχή μεμονωμένες τιμές ορίσματος, τότε αυτό το επιχείρημα περιλαμβάνεταισε διάσπαση με το σύμβολο αναστροφής. Εάν το κελί βρίσκεται στην περιοχή μηδενικές τιμές ορίσματος, τότε αυτό το επιχείρημα μπαίνει χωρίς σημάδιRαυτά τα.

Αυτά τα συμπεράσματα έχουν τη φύση κανόνων για την εύρεση του DSNF (πρώτο συμπέρασμα) και του KSNF (δεύτερο συμπέρασμα) από πίνακες Boolean λογικών συναρτήσεων. Θα πρέπει να προστεθεί μόνο ότι για Αναζήτηση DSNFαυτές οι λειτουργίες χρειάζονται ελμινοητικές συνδέσεις«σύνδεση» με σύμβολα διασπάσεις(συν), και με εύρεση του KSNFλειτουργίες στοιχειώδεις διαχωρισμοίπρέπει να συνδέονται με σύμβολα συνδέσμους.

Κάτω από στοιχειώδης σύνδεσμοςοι λογικές συναρτήσεις είναι κατανοητές μεγάλοΟλογικό γινόμενο όλων των ορισμάτων συνάρτησης, που λαμβάνονται μία φορά με ή χωρίς πρόσημο αντιστροφής.

Κάτω από στοιχειώδης διάσπασηοι λογικές συναρτήσεις είναι κατανοητές μεγάλοΟτο λογικό άθροισμα όλων των ορισμάτων συνάρτησης, που λαμβάνονται μία φορά με ή χωρίς πρόσημοΕΝΑκα αναστροφή.

Σε σειρές μικροκυκλωμάτων υπάρχουν στοιχεία NAND που διαφέρουν ως προς τον αριθμό των εισόδων, τον αριθμό των στοιχείων σε ένα μικροκύκλωμα, καθώς και τον τρόπο οργάνωσης της εξόδου. Για παράδειγμα, το μικροκύκλωμα K155LA3 περιέχει 4 στοιχεία 2I-NOT με τυπική χωρητικότητα φορτίου. Το μικροκύκλωμα K155LA8 περιέχει ένα στοιχείο 8I-NOT με αυξημένη χωρητικότητα φορτίου (ισούται με 30 και η τυπική χωρητικότητα φορτίου είναι 10).

Το στοιχείο 2I-NOT είναι βασικό για μικροκυκλώματα λογικής τρανζίστορ-τρανζίστορ (TTL), δηλ. αυτό το στοιχείο αποτελεί τη βάση για την κατασκευή όλων των ονομαζόμενων μικροκυκλωμάτων, συμπεριλαμβανομένων των μικροκυκλωμάτων TTLsh.

1.3.8. OR-NOT στοιχεία

Οι συναρτήσεις που περιγράφουν το στοιχείο 2OR-NOT ονομάζονται συναρτήσεις Peirce στην άλγεβρα Boole· εισήχθη ένα ειδικό σύμβολο για αυτές (βέλος Pierce). Σε τεχνικές εφαρμογές, αυτές οι συναρτήσεις ονομάζονται «αντίστροφα λογικού αθροίσματος (διάσπαση)» ή απλώς συναρτήσεις NOR. Συγκεκριμένα, η συνάρτηση Peirce δύο θέσεων, η συνάρτηση 2OR-NOT, έχει τις ακόλουθες αλγεβρικές εκφράσεις:

Ζ = ένα σι = = . (1.12)

Στη συνέχεια, αυτές οι συναρτήσεις θα δηλωθούν με το σύμβολο αντιστροφής πάνω από την έκφραση λογικού αθροίσματος. Η δεξιά πλευρά της έκφρασης (1.12) αντιστοιχεί στη δήλωση ότι « αντιστροφή του λογικού αθροίσματος είναιΤην ίδια στιγμή λογικό προϊόν όρων, παρμένο από αντίθετα σύμβολα αντιστροφής" Αυτή η δήλωση είναι η δεύτερη ο νόμος του de Morganσχετικά με την αντιστροφή του διαχωρισμού. Σύμφωνα με την έκφραση (1.12), το στοιχείο 2OR-NOT μπορεί να αναπαρασταθεί με συμβατικά γραφικά σύμβολα χρησιμοποιώντας συμβάσεις θετικής λογικής, συμβάσεις αρνητικής λογικής και ένα λειτουργικό ισοδύναμο κύκλωμα (Εικ. 1.8).

Στην ενσωματωμένη έκδοση, διατίθενται λογικά στοιχεία OR-NOT με διαφορετικό αριθμό εισόδων. Ένα παράδειγμα είναι το μικροκύκλωμα K155LE1, που περιέχει 4 λογικά στοιχεία 2OR-NOT, ή το K155LE3 με δύο στοιχεία 4OR-NOT. Όπως με τα στοιχεία OR, έτσι και με τα στοιχεία OR-NOT, όλες οι είσοδοι είναι λογικά ισοδύναμες.

1.3.9. Στοιχεία "BAN"

Αυτά τα στοιχεία δύο εισόδων έλαβαν αυτό το όνομα επειδή το σήμα από μια από τις εισόδους «απαγορεύει» ή «επιτρέπει» τη διέλευση του σήματος που εφαρμόζεται στη δεύτερη είσοδο στην έξοδο του στοιχείου. Επομένως, μια είσοδος ονομάζεται είσοδος απαγόρευσης· είναι αντίστροφη και η δεύτερη είσοδος ονομάζεται «πληροφορία». Οι τιμές του σήματος εξόδου συμπίπτουν με τις τιμές του σήματος πληροφοριών εισόδου στην κατάσταση άδειας και στην κατάσταση απαγόρευσης, το σήμα εξόδου έχει τιμή log.0, ανεξάρτητα από την τιμή του σήματος στην εισαγωγή πληροφοριών. Ο Πίνακας 1.3 δείχνει δύο λειτουργίες αναστολής V1 (αναστολή σι) και λειτουργία V4 (απαγόρευση ΕΝΑ). Στο Σχ. 1.9 δείχνει το στοιχείο UGO "απαγόρευση" ΕΝΑ"(απαγορεύεται από ΕΝΑ), αλγεβρική έκφραση και χάρτης Carnaugh μιας συνάρτησης με το ίδιο όνομα και ένα λειτουργικό ισοδύναμο κύκλωμα του στοιχείου.

Στο ΕΝΑ= 0 τιμή συνάρτησης Ζταιριάζουν με την τιμή του επιχειρήματος σι.

Αν ΕΝΑ= 1 (κατάσταση αναστολής) η έξοδος του στοιχείου θα έχει συνεχώς σήμα log.0. Η εισαγωγή λοιπόν ΕΝΑείναι η είσοδος απαγόρευσης, και η είσοδος σιενημερωτική. Προφανώς, το ίδιο UGO θα αντιστοιχεί στο στοιχείο «απαγόρευση σι» μόνο είσοδος σιθα είναι αντίστροφη και η είσοδος ΕΝΑθα είναι ευθεία. Ομοίως, στην αλγεβρική έκφραση μιας τέτοιας συνάρτησης, το όρισμα σιθα έχει σύμβολο αντιστροφής, αλλά το όρισμα ΕΝΑθα μπει χωρίς το σύμβολο της αντιστροφής.

Σημειωτέον ότι τα στοιχεία ΑΠΑΓΟΡΕΥΣΗΣ έχουν λογικά άνισες εισόδους. Αυτό με τη σειρά του σημαίνει ότι τα σήματα εισόδου δεν μπορούν να αντικατασταθούν.

Τα λογικά στοιχεία BAN παράγονται σε μια ενσωματωμένη έκδοση, αλλά όχι σε όλες τις σειρές. Για παράδειγμα, στη σειρά K161 (σε τρανζίστορ MOS με R-κανάλι) υπάρχει ένα μικροκύκλωμα K161LP2 που περιέχει 4 στοιχεία INHIBITION με κοινή είσοδο απαγόρευσης. Στο Σχ. 1.9, ΕΝΑδίνεται ένα συμβατικό γραφικό σύμβολο (UGO) που αντιστοιχεί στις συμβάσεις της θετικής λογικής. Είναι δυνατό να συνθέσετε ένα UGO χρησιμοποιώντας συμφωνίες αρνητικής λογικής. Για να το κάνετε αυτό, στη δεξιά πλευρά της αλγεβρικής έκφρασης της συνάρτησης, πρέπει να "πάρετε" το σύμβολο της διπλής αντιστροφής και, στη συνέχεια, να επεκτείνετε ένα πρόσημο σύμφωνα με το νόμο του De Morgan:

Έτσι, με συμβάσεις αρνητικής λογικής, το ανάλογο του στοιχείου BAR UGO θα είναι το στοιχείο 2OR-NOT UGO· μόνο μία από τις εισόδους θα πρέπει να έχει δείκτη αντιστροφής.

1.3.10. Λογικά στοιχεία “mod2 adders” και

κυκλώματα ισοτιμίας/ περίεργη ισοτιμία

Η λογική συνάρτηση V5 "μη ισοδυναμία" (Πίνακας 1.3) λαμβάνει την τιμή log.1 μόνο όταν περιττός αριθμός ορισμάτωναποδέχομαι znΕΝΑημερολόγιο ανάγνωσης.1. Δεδομένου ότι οι συναρτήσεις και τα ορίσματα μπορούν να λάβουν μόνο δύο τιμές, αυτή η συνάρτηση είναι ισοδύναμη με τη λειτουργία προσθήκης mod2 σε δυαδικούς αριθμούς, που αντιπροσωπεύει δυαδικά σύνολα τιμών ορισμάτων. Αυτή η λειτουργία υποδεικνύεται χρησιμοποιώντας ένα σύμβολο ανάμεσα στα ορίσματα. Αυτές οι λειτουργίες είναι τουλάχιστον διπλές, ωστόσο, μπορεί να είναι πολυθέσιες, δηλ. εξαρτώνται από περισσότερα επιχειρήματα.

Οι αλγεβρικές μορφές γραφής της συνάρτησης προσθήκης mod2 από δύο ορίσματα έχουν την ακόλουθη μορφή:

Υ = ένα σι = . (1.14)

Οι δεξιές πλευρές της έκφρασης (1.14) είναι DSNF και KSNF, αντίστοιχα. Σύμφωνα με αυτές τις φόρμες, είναι δυνατή η κατασκευή λειτουργικών ισοδύναμων κυκλωμάτων ενός αθροιστή mod2 με δύο εισόδους. Αυτά τα σχήματα, καθώς και το UGO που προτείνει η GOST, και ο Boolean matrix αυτής της συνάρτησης φαίνονται στο Σχ. 1.10.

Λάβετε υπόψη ότι στο διάγραμμα στην Εικ. 1.10, ΕΝΑΧρησιμοποιήθηκαν στοιχεία απαγόρευσης UGO και στοιχείο 2ILI. Στο διάγραμμα Εικ. 1.10, VΓια την υλοποίηση του διαχωρισμού των αντιστροφών ορισμάτων, χρησιμοποιείται το στοιχείο 2I-NOT και, επιπλέον, τα στοιχεία 2OR και 2I. Τα παραπάνω διαγράμματα δείχνουν για άλλη μια φορά ότι μπορούν να δημιουργηθούν πολλά λειτουργικά διαγράμματα για έναν αθροιστή mod2 δύο εισόδων!

Παραπάνω, στο Σχ. 1.2, ΕΝΑ, δόθηκε ως παράδειγμα ο χάρτης Karnaugh της συνάρτησης προσθήκης mod2 4 θέσεων. Μπορεί να υλοποιηθεί από έναν αθροιστή mod2 4 εισόδων με γραφικό σύμβολο παρόμοιο με το Σχ. 1.10, σολ(πρέπει να έχει 4 εισόδους) . Εφόσον η αλλαγή των θέσεων των όρων δεν αλλάζει το άθροισμα mod2, όλες οι είσοδοι στους αθροιστές mod2 είναι λογικά ισοδύναμες. Ας το σημειώσουμε ξανά! Τι γίνεται αν ο αριθμός των σημάτων εισόδου που λαμβάνουν την τιμή log.1 είναι ζυγός, τότε το σήμα εξόδου του αθροιστή mod2 θα είναι ίσο με log.0, δηλ. έχει ανενεργή τιμή, η ισοτιμία «δεν παραβιάζεται». Επομένως, τέτοια στοιχεία ονομάζονται "κυκλώματα ισοτιμίας".

Τώρα δώστε προσοχή στη λειτουργία V 10 λειτουργία λογικο ραVέννοια, (Πίνακας 1.3). Παίρνει αντίθετες τιμές σε σύγκριση με το άθροισμα mod2, δηλαδή είναι η αντιστροφή του. Επομένως, η συμβατική γραφική ονομασία του στοιχείου που την υλοποιεί θα διαφέρει από την Εικ. 1.10, σολμόνο με την παρουσία ενός δείκτη αντιστροφής στην έξοδο του στοιχείου.

Χρησιμοποιώντας τις αλγεβρικές εκφράσεις της συνάρτησης ισοδυναμίας δύο θέσεων (1.15), είναι δυνατό να ληφθούν λειτουργικά ισοδύναμα κυκλώματα ενός αθροιστή mod2 δύο εισόδων με αντίστροφη έξοδο (2-NOT).

Χ = = = . (1.15)

Ο χάρτης Karnaugh αυτής της συνάρτησης θα διαφέρει από τον χάρτη στην Εικ. 1.10, σιτο γεγονός ότι πρέπει να τοποθετηθούν αντίθετες τιμές στα κελιά (τα μηδενικά πρέπει να αντικατασταθούν με ένα και τα μηδενικά). Δεν είναι δύσκολο να καθοριστεί η σημασιολογική σημασία αυτής της συνάρτησης, καθώς παίρνει την τιμή log.1 για έναν ζυγό αριθμό και την τιμή log.0 για Περιττόςαριθμός μεμονωμένων τιμών των ορισμάτων του. Τα σχήματα που το εφαρμόζουν ονομάζονται « κυκλώματα περιττής ισοτιμίας».

Τα στοιχεία λογικής 2 παράγονται σε μια ενσωματωμένη έκδοση, για παράδειγμα, το μικροκύκλωμα K155LP5 περιέχει 4 τέτοια στοιχεία.

Υπάρχουν μικροκυκλώματα που εκτελούν τη λειτουργία ενός αθροιστή mod2 πολλαπλών εισόδων με άμεση και αντίστροφη έξοδο. Για παράδειγμα, το τσιπ K155IP2 είναι ένα κύκλωμα 8-bit ελέγξτε τιΤness/ περίεργη ισοτιμίαμε άμεση και αντίστροφη έξοδο και δύο εισόδους ελέγχου. Ένα τέτοιο μικροκύκλωμα υλοποιεί ταυτόχρονα τη λειτουργία 8 και τη λειτουργία 8-NOT. Η συμβατική γραφική ονομασία αυτού του μικροκυκλώματος και ο πίνακας που περιγράφει τους τρόπους λειτουργίας του IC φαίνονται στο Σχ. 1.11.

Στον Πίνακα 1.4, στις στήλες των τιμών του σήματος εξόδου ΧΚαι Υ, δίνονται συντομευμένες αλγεβρικές εκφράσεις των συναρτήσεων εξόδου με το ίδιο όνομα. Από αυτές τις εκφράσεις προκύπτει ότι με συνδυασμό σημάτων στις εισόδους ελέγχου v 1 = 0 και v 2 = 1 έξοδος Χτο άθροισμα mod2 και των οκτώ σημάτων πληροφοριών θα πραγματοποιηθεί. Την ίδια στιγμή στην έξοδο Υθα πραγματοποιηθεί αντιστροφή αυτού του ποσού. Επιπλέον, ο πίνακας δείχνει ότι με συνδυασμούς σημάτων στις εισόδους ελέγχου 0-0 ή 1-1, το μικροκύκλωμα βρίσκεται σε κατάσταση «ανενεργού» όταν τα σήματα και στις δύο εξόδους λαμβάνουν τις ίδιες τιμές, ανεξάρτητα από τις τιμές τα σήματα πληροφοριών εισόδου.

1.3.11. Λογικές πύλες της πλειοψηφίας

Αυτά τα στοιχεία περιγράφονται από λογικές συναρτήσεις, οι οποίες έχουν περισσότερα από δύο ορίσματα και είναι Περιττός. Αντίστοιχα, για οποιοδήποτε πλειοψηφικό στοιχείο ο αριθμός των εισροών είναι πάντα Περιττός. Το σήμα εξόδου ενεργοποιείται όταν τα περισσότερα σήματα εισόδουλάβετε ενεργές τιμές. Επομένως, τέτοια στοιχεία εφαρμόζουν « αρχή της πλειοψηφίαςΤva«στην επεξεργασία ή λήψη σημάτων.

Ας υποθέσουμε ότι το επίπεδο log.1 λαμβάνεται ως η ενεργή τιμή των σημάτων εισόδου και εξόδου. Στη συνέχεια, για το πλειοψηφικό στοιχείο "2 από 3" (με τρεις εισόδους), το σήμα εξόδου θα είναι ίσο με log.1 εάν δύο (οποιοδήποτε) ή και τα τρία σήματα εισόδου λάβουν την τιμή του log.1.

Το σχήμα 1.12 δείχνει το UGO ενός τέτοιου στοιχείου, τον χάρτη Carnot της συνάρτησης εξόδου και το λειτουργικό του ισοδύναμο κύκλωμα.

Με χάρτη συναρτήσεων φάμπορείτε να βρείτε την ελάχιστη διαχωριστική κανονική του μορφή (MDNF):

φά = αβ + προ ΧΡΙΣΤΟΥ + μετα Χριστον. (1.16)

Αυτός ο τύπος περιγράφει άμεσα το κύκλωμα στο Σχ. 1.12, σι. Όπως φαίνεται από τον χάρτη Carnot (Εικ. 1.12, V), βρίσκονται σε κελιά που βρίσκονται στις περιοχές των τιμών μονάδας των δύο και των τριών ορισμάτων. Κατ' αναλογία, μπορείτε να δημιουργήσετε έναν χάρτη Carnot για το πλειοψηφικό στοιχείο "3 στα 5", να βρείτε την ελάχιστη αλγεβρική έκφραση της συνάρτησης εξόδου του και στη συνέχεια να δημιουργήσετε ένα λειτουργικό διάγραμμα.

Στην ολοκληρωμένη έκδοση υπάρχουν πλειοψηφικά στοιχεία, αλλά όχι σε όλες τις σειρές. Για παράδειγμα, στη σειρά KR1533 υπάρχει ένα μικροκύκλωμα KR1533LP3, το οποίο είναι τρία πλειοψηφικά στοιχεία "2 στα 3" με αντίστροφη κοινή είσοδο ελέγχου. Το σήμα log.0 στην είσοδο ελέγχου επιτρέπει την εκτέλεση των συναρτήσεων της πλειοψηφίας και το σήμα log.1 απαγορεύει την υλοποίησή τους. Το λειτουργικό διάγραμμα αυτού του μικροκυκλώματος και το UGO του φαίνονται στο Σχ. 1.13. Συγκρίνοντας το λειτουργικό διάγραμμα του Σχ. 1.13, σιμε το διάγραμμα του πλειοψηφικού στοιχείου Εικ. 1.12, σι, μπορείτε να καταλάβετε πώς είναι οργανωμένος ο έλεγχος και ποιες τιμές παίρνουν τα σήματα εξόδου όταν εφαρμόζεται σήμα λογικής 1 στην είσοδο ελέγχου (σημειώνεται στο UGO με την ετικέτα "E"). (Στο UGO και, κατά συνέπεια, στο διάγραμμα στην Εικ. 1.13, σιοι αριθμοί υποδεικνύουν τους αριθμούς ακίδων του μικροκυκλώματος.)

Υπάρχουν περισσότερα στοιχεία με αντίστροφη έξοδο, για παράδειγμα, τα μικροκυκλώματα 533LP3 και KR134LP3 περιέχουν τρία τέτοια στοιχεία το καθένα. Σε αυτή την περίπτωση, η αρχή της «πλειοψηφίας» θα εφαρμοστεί όσον αφορά τα σήματα χαμηλού επιπέδου (σήματα log.0). Θα πρέπει επίσης να σημειωθεί ότι για τα πλειοψηφικά στοιχεία, καθώς και για τα στοιχεία AND-NOT και OR-NOT, όλες οι είσοδοι είναι λογικά ισοδύναμες, δηλ. Η σειρά με την οποία παρέχονται τα σήματα εισόδου δεν είναι σημαντική.

1.3.12. Στοιχεία και στοιχεία λογικού κατωφλίου

"αποκλειστικό Ή"

Μεταξύ λογικών στοιχείων πολλαπλών εισόδων, μπορεί κανείς να διακρίνει μια ομάδα στοιχείων στα οποία το σήμα εξόδου λαμβάνει μια ενεργή τιμή μόνο σε περιπτώσεις όπου ένας συγκεκριμένος αριθμός σημάτων εισόδου παίρνει επίσης μια ενεργή τιμή. Τέτοια στοιχεία ονομάζονται συνήθως στοιχεία «λογικού κατωφλίου». Ειδικότερα, εάν σήμα εξόδουπαίρνει την αξία ημερολόγιο.1, Οταν μόνο ένα και μοναδικόαπό τα σήματα εισόδου παίρνει την τιμή log.1, τότε τέτοια στοιχεία ονομάζονται στοιχεία «αποκλειστικά OR». Αυτά είναι επίσης στοιχεία ενός λογικού ορίου, μόνο το «κατώφλι» είναι ίσο με ένα. Για αυτούς, οι GOST ρυθμίζουν επίσης το UGO, στο κύριο πεδίο του οποίου τοποθετείται η ετικέτα "=1" (για στοιχεία αποκλειστικόςΉ), ή μια ετικέτα όπως "= n", Οπου nένας ακέραιος αριθμός μικρότερος από τον αριθμό των εισόδων ενός λογικού στοιχείου.

Έτσι, το Σχ. 1.14 δείχνει το UGO του στοιχείου αποκλειστικόςΉ με τρεις εισόδους, UGO του στοιχείου λογικού κατωφλίου "=2 από 4", ο Carnaugh χαρτογραφεί τις συναρτήσεις εξόδου τους και τα λειτουργικά ισοδύναμα κυκλώματα.

Αναλύοντας τους μειωμένους χάρτες συναρτήσεων Karnaugh Χ Και Υ, σημειώνουμε ότι αυτές οι συναρτήσεις δεν έχουν ελάχιστες διαζευκτικές αλγεβρικές μορφές (η μέθοδος οπτικού πίνακα ελαχιστοποίησης λογικών συναρτήσεων θα συζητηθεί παρακάτω). Επομένως, λειτουργικά διαγράμματα των ονομαζόμενων στοιχείων μπορούν να κατασκευαστούν βρίσκοντας αλγεβρικές εκφράσεις στο DSNF ή σε άλλες μορφές.

Έτσι, το διάγραμμα στο Σχ. 1.14, ρεπροέρχεται από την ακόλουθη έκφραση:

Χ = . (1.17)

Αυτό είναι το DSNF της αποκλειστικής λειτουργίας OR. Αν μπορούσαμε να βρούμε παρομοίως την έκφραση συνάρτησης Υ, τότε θα αποτελούνταν από 6 διαζευκτικούς όρους (όρους), καθένας από τους οποίους θα αντιπροσώπευε το γινόμενο και των 4 ορισμάτων. Τότε το λειτουργικό διάγραμμα του στοιχείου λογικού κατωφλίου "=2 από 4" θα αποτελείται από ένα στοιχείο 6OR, έξι λογικά στοιχεία 4I και 4 στοιχεία ΜΗ. Το διάγραμμα βρίσκεται στην Εικ. 1.14, μιπροκύπτει από την ακόλουθη λογική έκφραση:

Υ = (έναρε)(σιντο) + (ένασι)(ντορε). (1.18)

Οι κανόνες για τη λήψη αυτού του είδους αλγεβρικών παραστάσεων από Boolean πίνακες λογικών συναρτήσεων θα συζητηθούν παρακάτω. Τώρα είναι σκόπιμο να υπενθυμίσουμε ότι το άθροισμα mod2 εμφανίζεται στους χάρτες του Carnaugh με ένα μοτίβο σκακιέρας ενός και μηδενικού. Έτσι, η έκφραση (1.18) λήφθηκε από «ιδιαίτερα σκακιστικά μοτίβα» που επισημαίνονται με διαφορετικά γεμίσματα (Εικ. 1.14, σολ) για λειτουργία Υχρησιμοποιώντας τη λειτουργία αφαίρεσης κοινών παραγόντων από παρενθέσεις. Μια παρόμοια έκφραση θα μπορούσε να ληφθεί για τη συνάρτηση "αποκλειστικό OR" χρησιμοποιώντας τον χάρτη στην Εικ. 1.14, σι.

Θα πρέπει να σημειωθεί ότι στην ειδική περίπτωση που ο αριθμός των εισόδων του στοιχείου «exclusive OR» είναι ίσος με δύο, τότε αυτή η συνάρτηση είναι επίσης ίση με τη συνάρτηση προσθήκης mod2 δύο ορισμάτων (2). Δυστυχώς, τα λογικά στοιχεία "αποκλειστικά OR" και "λογικό κατώφλι" με περισσότερες από δύο εισόδους δεν είναι διαθέσιμα σε μια ενσωματωμένη σχεδίαση.

1.3.13. Λογικά στοιχεία "IMPLICATERS"

Αυτά τα λογικά στοιχεία περιγράφονται από τη συνάρτηση «υποβολή» (Πίνακας 1.3 συναρτήσεις V 11 και V 14).

V 11 = σι ένα = ,

V 14 = ένα σι = . (1.19)

Η πρώτη από τις συναρτήσεις ονομάζεται "υποβολή" σι», και το δεύτερο «υπνοούμενο ΕΝΑ" Το σχήμα 1.15 δείχνει τα γραφικά σύμβολα του λογικού στοιχείου IMPLICATOR ΕΝΑκαι τον χάρτη Karnaugh της συνάρτησης εξόδου του. Οι δεξιές πλευρές των παραστάσεων (1.19) υποδεικνύουν ότι η συνάρτηση υπαινιγμού είναι ταυτόχρονα αντίστροφη της συνάρτησης ΑΠΑΓΟΡΕΥΣΗ.

Από τον χάρτη Εικ. 1.15, Vακολουθεί ότι η συνάρτηση υπαινιγμού είναι ψευδήςμόνο όταν έναςαπό επιχειρήματα δέχεται ψεύτικομιtion, και το άλλο αληθής.

Τα ενσωματωμένα IMPLICATOR πρακτικά δεν παράγονται σε σειρές ευρέως χρησιμοποιούμενων IC. Ταυτόχρονα, σύμφωνα με το UGO Εικ. 1.15, ΕΝΑΚαι V,η συνάρτηση εμπλοκής μπορεί να υλοποιηθεί από το στοιχείο 2OR εφαρμόζοντας ένα σήμα σε μία από τις εισόδους του μέσω του μετατροπέα ή από το στοιχείο ΑΠΑΓΟΡΕΥΣΗ ενεργοποιώντας τον μετατροπέα στην έξοδό του. Δεν παρουσιάζουμε αυτά τα λειτουργικά ισοδύναμα κυκλώματα επειδή είναι ασήμαντα.

Θα πρέπει να σημειωθεί ότι οι εισροές στα λογικά στοιχεία των implicators μεγάλοΟλογικά άνιση, επομένως η σειρά των σημάτων εισόδου είναι αυστηρά καθορισμένη.

1.3.14. Πολυλειτουργικές λογικές πύλες

Συζητήθηκαν τα παραπάνω» απλός» λογικά στοιχεία που υλοποιούν απλά ή αρκετά απλόλογικές πράξεις. Ταυτόχρονα, παράγονται πιο σύνθετα λογικά στοιχεία (LEs) σε μια ολοκληρωμένη έκδοση, τα οποία είναι ικανά να υλοποιήσουν (ταυτόχρονα ή με επανασύνδεση εισόδων σε διαύλους λογικής 0 ή λογικής 1) πολλές απλές λειτουργίες. Στην πραγματικότητα, αυτά τα στοιχεία επιτρέπουν τη δυνατότητα υλοποίησης λογικών συναρτήσεων πολλαπλών θέσεων από θραύσματα των κανονικών διαζευκτικών ή κανονικών συνδετικών αλγεβρικών μορφών τους. Ο Πίνακας 1.2 έχει ήδη δώσει τα ονόματα των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων ανά λειτουργικό σκοπό και τα σύμβολά τους. Ας εξετάσουμε μόνο τα πιο ευρέως χρησιμοποιούμενα πολυλειτουργικά LE.

Λογικές πύλες ΚΑΙ-Η-ΟΧΙ

Τέτοια στοιχεία εφαρμόζουν αντιστροφή διαζευκτικές κανονικές μορφές(DNF) παραστάσεων αλγεβρικών συναρτήσεων, που ισοδυναμεί με την υλοποίηση συνδετικές κανονικές μορφές(CNF) από αυτές τις λειτουργίες. Έτσι, το Σχ. 1.16 δείχνει το UGO των μικροκυκλωμάτων K155LR1 και K155LR3. Το μικροκύκλωμα K155LR1 περιέχει δύο στοιχεία 2-2I-2OR-NOT και το μικροκύκλωμα K155LR3 είναι ένα στοιχείο 2-2-2-3I-4OR-NOT, επεκτάσιμο με OR.

Σύμφωνα με το λειτουργικό διάγραμμα (Εικ. 1.16, σι) ενός από τα στοιχεία του μικροκυκλώματος K155LR1, μπορείτε να δημιουργήσετε την ακόλουθη αλγεβρική έκφραση για τη συνάρτηση εξόδου του:

φά = = . (1.20)

Έτσι, αυτή η συνάρτηση έχει 4 ορίσματα και η δεξιά πλευρά της έκφρασης (1.20) αντιστοιχεί στην ελάχιστη συνδετική κανονική μορφή της συνάρτησης φά(ICNF). Η αριστερή πλευρά αυτής της έκφρασης αντιστοιχεί άμεσα στο UGO του στοιχείου 2-2I-2OR-NOT. Το δεύτερο παρόμοιο στοιχείο αυτού του μικροκυκλώματος έχει «μη λογικές» εισόδους επέκτασης Ή. Σημειώνονται στο αριστερό πρόσθετο πεδίο του UGO με τα σημάδια "e" έξοδος εκπομπού και "k" έξοδος συλλέκτη. ΠαράλογοςΟι ακίδες (είσοδοι ή έξοδοι) ονομάζονται συνήθως εκείνες στις οποίες τα σήματα μπορούν να λάβουν τιμές μη τυποποιημένοΤεθνικά επίπεδαΤάση. Τέτοια συμπεράσματα σημειώνονται στο UGO των λογικών στοιχείων (ή μικροκυκλωμάτων) με έναν ειδικό δείκτη με τη μορφή "σταυρού". Ειδικότερα, για τα υπό εξέταση IC, αυτά τα συμπεράσματα προκύπτουν από τον συλλέκτη και τον πομπό του τρανζίστορ του σταδίου διαχωρισμού φάσης του βασικού λογικού στοιχείου της σειράς IC TTL. Συνδέοντας τις εξόδους των αντίστοιχων IC επέκτασης Ή σε αυτές, μπορείτε να αυξήσετε τον αριθμό των εισόδων του στοιχείου NOR που περιλαμβάνεται στο πολυλειτουργικό στοιχείο. Για παράδειγμα, για τα εξεταζόμενα μικροκυκλώματα, ο συντελεστής συνδυασμού εισόδου είναι 8 και οι διαστολείς OR εφαρμόζουν το λογικό γινόμενο πολλών σημάτων εισόδου. Ουσιαστικά, οι επεκτάσεις OR είναι στοιχεία AND πολλαπλών εισόδων με τη μόνη διαφορά ότι τα σήματα εξόδου δεν έχουν τα τυπικά επίπεδα log.0 και log.1. Τα παραπάνω μας επιτρέπουν να γράψουμε, κατ' αναλογία με την έκφραση (1.20), μια αλγεβρική παράσταση για τη συνάρτηση εξόδου Vγια το δεύτερο στοιχείο:

V = . (1.21)

Ο μέγιστος αριθμός διαδοχικών όρων στην έκφραση (1.21) μπορεί να είναι ίσος με 8 (σύμφωνα με τον συντελεστή ολοκλήρωσης στις εισόδους) και κάθε όρος μπορεί να εμφανίζεται ως συνδυασμός το πολύ οκτώ ορισμάτων. Έτσι, οι εκφράσεις (1.20) και (1.21) ορίζουν το λογικομαθηματικό μοντέλο του μικροκυκλώματος K155LR1.

Σας προτείνουμε να βρείτε ανεξάρτητα το λογικο-μαθηματικό μοντέλο του μικροκυκλώματος K155LR3, χρησιμοποιώντας για αυτό αυτό που φαίνεται στο Σχ. 1.16, σολη συμβατική γραφική του ονομασία.

Ή-ΚΑΙ πύλες

Αυτά τα λογικά στοιχεία υλοποιούν θραύσματα συνδετικών κανονικών μορφών (CNF) Boolean συναρτήσεων, δηλαδή το λογικό γινόμενο λογικών αθροισμάτων πολλών ορισμάτων. Για παράδειγμα, το απλούστερο στοιχείο θα ήταν το 2-2OR-2I. Ένα τέτοιο στοιχείο περιγράφεται από μια συνάρτηση της φόρμας

Χ = (ένα + σι)(ντο + ρε). (1.22)

Το σχήμα 1.17 δείχνει το UGO αυτού του στοιχείου, τον χάρτη Carnot της συνάρτησης εξόδου του Χκαι λειτουργικό ισοδύναμο κύκλωμα.

Παρόμοια LE παράγονται σε μια ενσωματωμένη έκδοση, για παράδειγμα, στη σειρά IC ESL υπάρχει ένα μικροκύκλωμα K500LS118, το οποίο είναι δύο λογικά στοιχεία 2-3ILI-2I με μία κοινή είσοδο. Στο Σχ. 1.17, σολΕμφανίζεται το UGO αυτού του μικροκυκλώματος. Χρησιμοποιώντας τη συμβατική γραφική ονομασία του, μπορείτε να δημιουργήσετε τις ακόλουθες λογικές εκφράσεις των συναρτήσεων εξόδου Υ Και Ζ:

Υ = (Χ 1 + Χ 2 + Χ 3)(Χ 4 + Χ 5 + Χ 6), (1.23)

Ζ = (Χ 6 + Χ 7 + Χ 8)(Χ 9 + Χ 10 +Χ 11).

Οι εκφράσεις (1.23) είναι ένα λογικο-μαθηματικό μοντέλο του υπό εξέταση μικροκυκλώματος. Διαθεσιμότητα κοινής εισόδου Χ 6 καθιστά δυνατή τη χρήση του μικροκυκλώματος K500LS118 ως δύο ανεξάρτητα στοιχεία του τύπου 2-3ILI-2I (με Χ 6=0),

ή ως δύο ανεξάρτητα στοιχεία 3OR (με Χ 6 = 1). Αυτό μπορεί εύκολα να επαληθευτεί αντικαθιστώντας τις αντίστοιχες τιμές Χ 6 σε εκφράσεις (1.23).

Λογικές πύλες ΟΥΤΕ/ΟΥΔΕ

Ουσιαστικά, αυτά τα στοιχεία είναι στοιχεία OR με δύο εξόδους, άμεση και αντίστροφη. Επομένως, υλοποιούν ταυτόχρονα διαχωρισμό και αντιστροφή διαχωρισμού από το ίδιο σύνολο σημάτων εισόδου και περιγράφονται από τις ίδιες λογικές συναρτήσεις. Έτσι στο Σχ. 1.18, ΕΝΑδείχνει το UGO του στοιχείου 3OR-NOT / 3OR και τα συμβολικά γραφικά σύμβολα των μικροκυκλωμάτων της σειράς K500 που περιέχουν παρόμοια λογικά στοιχεία. Το σχήμα δείχνει επίσης χάρτες Carnot των συναρτήσεων εξόδου του καθορισμένου στοιχείου, του λειτουργικού ισοδύναμου κυκλώματος του (Εικ. 1.18, σι) και μικροκυκλώματα UGO K500LM105 (Εικ. 18, ρε), K500LM109 (Εικ. 1.18, μι) και K500LM101 (Εικ. 1.18, και). Θα πρέπει να σημειωθεί ότι η δεδομένη έκδοση του λειτουργικού διαγράμματος δεν είναι η μόνη, αλλά αντί για το στοιχείο 3OR-NOT, μπορεί να χρησιμοποιηθεί το στοιχείο 3OR και επίσης το στοιχείο NOT. Με βάση τα γραφικά σύμβολα των αναφερόμενων μικροκυκλωμάτων, είναι εύκολο να γίνει κατανοητό ότι το IC K500LM105 περιέχει τρία ανεξάρτητα στοιχεία: δύο στοιχεία 2OR-NOT/2OR και ένα στοιχείο 3OR-NOT/3OR.

Ομοίως, μπορείτε να κατανοήσετε τη σύνθεση του μικροκυκλώματος K500LM109

(Εικ. 1.18, μι).

Δώστε προσοχή στο μικροκύκλωμα UGO K500LM101 (Εικ. 1.18, και). Το μικροκύκλωμα περιέχει 4 πανομοιότυπα στοιχεία του τύπου 2OR-NOT / 2OR με ξεχωριστές εξόδους και μία κοινή είσοδο Χ 5. Εάν το σήμα σε αυτή την είσοδο Χ 5 = 0, τότε το μικροκύκλωμα μπορεί να θεωρηθεί ως ένα σύνολο 4 στοιχείων NOT και, ταυτόχρονα, ως ένα σύνολο τεσσάρων αναμεταδοτών σήματος στις εισόδους Χ 1, Χ 2, Χ 3 και Χ 4. Αν Χ 5 = 1, τότε, ανεξάρτητα από τις τιμές των άλλων σημάτων εισόδου, τα σήματα λογικής 1 θα εγκατασταθούν στις άμεσες εξόδους και τα σήματα λογικής 0 θα εγκατασταθούν στις αντίστροφες εξόδους. Έτσι, κάθε στοιχείο στο τσιπ παίζει έναν ρόλο ελεγχόμενη αναστροφήΟra-repeater.

Επιπρόσθετα, σημειώνουμε ότι στη σειρά K500 υπάρχουν λογικά στοιχεία του τύπου OR-AND-NOT/OR-AND, για παράδειγμα το μικροκύκλωμα K500LK117. Αυτό είναι πρακτικά ένα ανάλογο του μικροκυκλώματος K500LS118 (Εικ. 1.17, σολ) με τη διαφορά ότι κάθε στοιχείο 2-2ILI-2I έχει άμεσες και αντίστροφες εξόδους.

Εξετάσαμε σχεδόν όλα τα λογικά στοιχεία που χρησιμοποιούνται ευρέως στην κατασκευή ψηφιακών συσκευών. Αναλύοντας το υλικό που παρουσιάζεται, μπορούμε να καταλήξουμε στα ακόλουθα συμπεράσματα:

Υπάρχει από αναλυτικάΟη περιγραφή LE σε αυτόν συμβατική γραφική ονομασίαείτε να λειτουργίεςΟμετρητάισοδύναμο με αυτό σχέδιο.

Υπάρχει δυνατότητα σαφούς μετάβασηςαπό UGOστοιχείο ή από αυτό λειτουργικό διάγραμμαΠρος την αναλυτική περιγραφή του. Σε αυτή την περίπτωση, η λειτουργία του στοιχείου περιγράφεται με αλγεβρικές εκφράσεις των λογικών συναρτήσεων που υλοποιούνται από το στοιχείο.

3. Μπορούν να βασιστούν λειτουργικά διαγράμματα σύνθετων LE διάφοροςπιο απλό (λιγότερο περίπλοκο) λογικά στοιχεία, και υπάρχει ασάφεια(πολυμεταβλητή) κατασκευή λειτουργικών ισοδύναμων κυκλωμάτων για το ίδιο LE.

Δεδομένου ότι οι λογικές συσκευές είναι ουσιαστικά μια συλλογή διασυνδεδεμένων λογικών στοιχείων, τότε η διατύπωση συμπεράσματαμπορεί να επεκταθεί με επιτυχία σε συσκευές.

Ταυτόχρονα, προκύπτει πρόβλημαπως μπορείς κατασκευάστε μια συσκευή με ελάχιστη ποσότητα LE και σε στοιχεία ελάχιστοςσιονοματολογία. Με άλλα λόγια, πώς να φτιάξετε μια συσκευή με ελάχΚαιχαμηλό κόστος υλικού.

ΛύσηΑυτό Προβλήματαμε βάση τη γνώση λειτουργικά πλήρη σύνολα λογικών στοιχείωνΚαι επιλογή σύμφωνα με ορισμένα κριτήριαμιriam του αντίστοιχου συνόλου.

1.3.15. Λειτουργικά πλήρη σετ λογικών πυλών

Λειτουργικά πλήρηςπου ονομάζεται ένα τέτοιο σύνολο LE, πάνω στο οποίο (από το οποίο) είναι δυνατό κατασκευάστε οποιαδήποτε λογική συσκευήόσο δύσκολο κι αν είναι. Λειτουργική πληρότηταπροσδιορίζεται με τη σειρά του κάποιο σύνολο λογικών στοιχείων πληρότηταμερικοί λογικά συστήματαμιλειτουργίες του ουρανού, τα οποία είναι λογικομαθηματικά μοντέλα του επιλεγμένου συνόλου LE.

Στην άλγεβρα Boole υπάρχει Θεώρημα μετα-Jablonski, σύμφωνα με την οποία ιδρύονται κριτήρια πληρότηταςμερικοί συστήματα λογικής λειτουργίας. Η ουσία αυτού του θεωρήματος καταλήγει στα εξής.

Κάποιο σύστημα λογικών συναρτήσεων θα είναι πλήρες εάν περιέχει:

α) λειτουργία, 0,

φά (Χ 1, Χ 2, Χιδ) = φά (0, 0, 0) 0;

β) λειτουργία, μη διατηρούμενη λογική σταθερά 1,

φά (Χ 1, Χ 2, Χιδ) = φά (1, 1, 1) 1;

γ) λειτουργία, όχι αυτοδιττός,

δ) λειτουργία, μη γραμμικό,

φά (Χ 1, Χ 2, Χιδ) Χ 1 Χ 2 Χ n Χ 1Χ 2 Χ 1 Χ 2Χ n;

δ) λειτουργία, όχι μονοτονικό.

Εάν το X1 είναι κάποιο σταθερό σύνολο τιμών ορίσματος συνάρτησης φά(Χ 1,Χ 2,Χ 3,Χ 4), για παράδειγμα X1 =<Χ 1, Χ 2, Χ 3, Χ 4> = <1,1,0,1>και X2 =<Χ 1, Χ 2, Χ 3, Χ 4> = <0,0,0,1>ένα άλλο σύνολο από αυτά τα ορίσματα, τότε μπορούμε να υποθέσουμε ότι X1 > X2, δηλ. Το σετ X2 είναι μικρότερο από το σετ X1.

«ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΨΗΦΙΑΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ»

ΧΑΡΚΟΦ 2006

Πρόλογος

1 ΛΟΓΙΚΗ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΒΑΣΕΙΣ ΤΗΣ ΨΗΦΙΑΚΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΜΙΚΡΟΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ

1.2 Λογικά στοιχεία

1.3 Βασικοί νόμοι της λογικής άλγεβρας

1.4 Διαζευκτικές κανονικές μορφές

1.5 Ελαχιστοποίηση λογικών συναρτήσεων

1.6 Σύνθεση συνδυαστικών λογικών κυκλωμάτων

2 ΣΥΝΔΥΑΣΤΙΚΑ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΑ

2.1 Βασικές αρχές

2.2 Αποκωδικοποιητές

2.3 Κρυπτογραφητές

2.4 Αποπολυπλέκτης

2.5 Πολυπλέκτης

2.6 Αριθμητικές συσκευές

3 ΣΥΣΚΕΥΕΣ ΣΚΑΝΔΙΣΤΗΣ

3.1 Βασικές έννοιες

3.2 Ασύγχρονη flip-flop RS

3.3 Σύγχρονες ενεργοποιήσεις

4 ΜΗΤΡΩΑ

4.1 Γενικές πληροφορίες σχετικά με τα μητρώα

4.2 Καταχωρητές μνήμης

4.3 Μητρώα βάρδιας

4.4 Αντιστροφή καταχωρητών

4.5 Μητρώα γενικής χρήσης

5 ΜΕΤΡΗΤΕΣ

5.1 Γενικές πληροφορίες για τους μετρητές

5.2 Σειριακούς μετρητές μεταφοράς

5.3 Μετρητές παράλληλης μεταφοράς

5.4 Μετρητές όπισθεν

5.5 Μετρητές με αυθαίρετο συντελεστή μέτρησης όχι ίσο με 2n

ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΗΜΕΝΩΝ ΑΝΑΦΟΡΩΝ

ΠΡΟΛΟΓΟΣ

Αυτό το μεθοδολογικό εγχειρίδιο περιέχει πληροφορίες που παρέχουν τη μελέτη των κλάδων:

- «Σχεδίαση ψηφιακού κυκλώματος» για φοιτητές της ειδικότητας 5.091504 (Συντήρηση ηλεκτρονικών υπολογιστών και ευφυών συστημάτων και δικτύων).

- «Μηχανική μικροκυκλωμάτων» για φοιτητές της ειδικότητας 5.090805 (Σχεδιασμός, παραγωγή και συντήρηση ηλεκτρονικών προϊόντων).

- «Ηλεκτρονικές συσκευές και μικροηλεκτρονική» για φοιτητές της ειδικότητας 5.090704 (Σχεδίαση, παραγωγή και συντήρηση συσκευών ραδιομηχανικής).

Το υλικό που παρουσιάζεται σε αυτή την εργασία έχει σκοπό να εξοικειώσει τους μαθητές με τα βασικά των σύγχρονων ψηφιακών μικροκυκλωμάτων και περιλαμβάνει τους κύριους τύπους ψηφιακών συσκευών που χρησιμοποιούνται ευρέως τόσο ως ανεξάρτητα προϊόντα με τη μορφή μικροκυκλωμάτων χαμηλής και μέσης ολοκλήρωσης όσο και ως μέρος μικροκυκλωμάτων με υψηλό βαθμό ολοκλήρωσης: μικροεπεξεργαστές και μικροελεγκτές.

Το εγχειρίδιο αποτελείται από πέντε ενότητες:

Λογικές και βασικές αρχές κυκλώματος ψηφιακών μικροκυκλωμάτων,

Συνδυαστικά κυκλώματα,

Συσκευές ενεργοποίησης,

Μητρώα,

μετρητές.

Η παρουσίαση του υλικού είναι δομημένη με τέτοιο τρόπο ώστε να παρουσιάζονται διαδοχικά «από απλό σε σύνθετο» οι βασικές θεωρητικές αρχές ανάλυσης και σύνθεσης ψηφιακών συσκευών. Κάθε ενότητα περιέχει υποενότητες που παρέχουν πληροφορίες σχετικά με τη συμβολική γραφική ονομασία της υπό μελέτη συσκευής, τον πίνακα λειτουργίας της, το λειτουργικό διάγραμμα ή το διάγραμμα κυκλώματος και τα διαγράμματα χρονισμού λειτουργίας όπου απαιτείται. Σε κάθε ένα από τα κυκλώματα δίνεται μια λεπτομερής περιγραφή της λογικής λειτουργίας του με τέτοιο τρόπο ώστε κάθε μαθητής του αντικειμένου να κατακτά τις αρχές της ανάλυσης της λειτουργίας των ψηφιακών κυκλωμάτων και να αποκτά τις απαραίτητες δεξιότητες. Κάθε ένα από τα παραπάνω διαγράμματα είναι τυπικό για μια δεδομένη συσκευή. Αυτό δεν αποκλείει άλλη υλοποίηση κυκλώματος.

Οι βασικές έννοιες, οι ορισμοί και οι κανόνες επισημαίνονται με έντονους χαρακτήρες για να καταστήσουν πιο βολικό και οπτικό τον έλεγχο του θέματος.

Λαμβάνοντας υπόψη ότι η παρουσίαση του υλικού πραγματοποιείται με σειρά αυξανόμενης πολυπλοκότητας των ψηφιακών συσκευών που μελετώνται και ότι κάθε επόμενο θέμα βασίζεται στην ύλη του προηγούμενου, συνιστάται η χρήση αυτού του εκπαιδευτικού βοηθήματος με τη σειρά που βρίσκονται οι αντίστοιχες ενότητες.

Αυτό το εγχειρίδιο είναι χρήσιμο για χρήση όχι μόνο κατά τη μελέτη των θεωρητικών θεμελίων των ψηφιακών μικροκυκλωμάτων, αλλά και κατά την προετοιμασία για την εκτέλεση εργαστηριακών εργασιών, σκοπός της οποίας είναι η εμβάθυνση της γνώσης και η απόκτηση πρακτικών δεξιοτήτων στη συναρμολόγηση και τον εντοπισμό σφαλμάτων ψηφιακών συσκευών. Το εγχειρίδιο μπορεί να χρησιμοποιηθεί για ανεξάρτητη μελέτη, καθώς και για εργασίες μαθημάτων και διπλωμάτων.

1 ΛΟΓΙΚΑ ΚΑΙ ΒΑΣΙΚΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ΤΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΨΗΦΙΑΚΩΝ ΜΙΚΡΟΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ

1.1 Βασικές έννοιες της λογικής άλγεβρας

Η λογική είναι η επιστήμη των νόμων και των μορφών σκέψης.

Η μαθηματική λογική είναι η επιστήμη της εφαρμογής μαθηματικών μεθόδων για την επίλυση λογικών προβλημάτων.

Όλες οι ψηφιακές υπολογιστικές συσκευές είναι χτισμένες σε στοιχεία που εκτελούν ορισμένες λογικές λειτουργίες. Ορισμένα στοιχεία παρέχουν επεξεργασία δυαδικών συμβόλων που αντιπροσωπεύουν ψηφιακές ή άλλες πληροφορίες, άλλα - εναλλαγή καναλιών μέσω των οποίων μεταδίδεται η πληροφορία και τέλος, άλλα - έλεγχος, ενεργοποίηση διαφόρων ενεργειών και εφαρμογή των συνθηκών για την υλοποίησή τους.

Τα ηλεκτρικά σήματα που δρουν στις εισόδους και τις εξόδους αυτών των στοιχείων έχουν, κατά κανόνα, δύο διαφορετικά επίπεδα και, επομένως, μπορούν να αναπαρασταθούν με δυαδικά σύμβολα, για παράδειγμα 1 ή 0. Ας συμφωνήσουμε να υποδηλώσουμε την εμφάνιση κάποιου γεγονότος (για παράδειγμα , η παρουσία μιας στάθμης υψηλής τάσης στην οποία -σημείο του κυκλώματος) σύμβολο 1. Το σύμβολο αυτό ονομάζεται λογική μονάδα. Η απουσία οποιουδήποτε γεγονότος συμβολίζεται με το σύμβολο 0, που ονομάζεται λογικό μηδέν.

Έτσι, κάθε σήμα στην είσοδο ή στην έξοδο ενός δυαδικού στοιχείου συνδέεται με μια λογική μεταβλητή, η οποία μπορεί να λάβει μόνο δύο τιμές: την κατάσταση μιας λογικής (το συμβάν είναι αληθές) και την κατάσταση ενός λογικού μηδενός (το συμβάν είναι ψευδής). Αυτές οι μεταβλητές ονομάζονται Boolean variables από τον Άγγλο μαθηματικό J. Boole, ο οποίος τον δέκατο ένατο αιώνα ανέπτυξε τις βασικές αρχές της μαθηματικής λογικής. Ας συμβολίσουμε μια λογική μεταβλητή με x.

Διαφορετικές μεταβλητές boolean μπορούν να συνδεθούν με συναρτησιακές εξαρτήσεις. Για παράδειγμα, η έκφραση y = f (x1, x2) υποδεικνύει τη λειτουργική εξάρτηση της λογικής μεταβλητής y από τις λογικές μεταβλητές x1 και x2, που ονομάζονται ορίσματα ή μεταβλητές εισόδου.

Οποιαδήποτε λογική συνάρτηση μπορεί πάντα να αναπαρασταθεί ως ένα σύνολο απλών λογικών πράξεων. Τέτοιες λειτουργίες περιλαμβάνουν:

Άρνηση (λειτουργία "NOT").

Λογικός πολλαπλασιασμός (σύνδεση, πράξη «AND»).

Λογική προσθήκη (διάσπαση, λειτουργία Ή).

Η άρνηση (ΟΧΙ λειτουργία) είναι μια λογική σύνδεση μεταξύ μιας λογικής μεταβλητής εισόδου x και μιας λογικής μεταβλητής εξόδου y έτσι ώστε το y να είναι αληθές μόνο όταν το x είναι ψευδές και, αντίθετα, το y είναι ψευδές μόνο όταν το x είναι αληθές. Ας απεικονίσουμε αυτή τη λειτουργική σχέση με τη μορφή του πίνακα 1.1, ο οποίος ονομάζεται πίνακας αλήθειας.

Ένας πίνακας αλήθειας είναι ένας πίνακας που εμφανίζει την αντιστοιχία όλων των πιθανών συνδυασμών τιμών δυαδικών ορισμών με τις τιμές μιας λογικής συνάρτησης.

Πίνακας 1.1- Πίνακας αλήθειας της πράξης «NOT».

Χ	y
0	1
1	0

Η λογική συνάρτηση NOT της μεταβλητής y γράφεται ως y =

και διαβάζει "y δεν είναι x". Εάν, για παράδειγμα, το x είναι μια δήλωση σχετικά με την παρουσία ενός σήματος υψηλής στάθμης (λογικό), τότε το y αντιστοιχεί σε μια δήλωση σχετικά με την παρουσία ενός σήματος χαμηλής στάθμης (λογικό μηδέν).

Ο λογικός πολλαπλασιασμός (σύνδεση, πράξη ΚΑΙ) είναι μια συνάρτηση που ισχύει μόνο όταν όλες οι μεταβλητές που πολλαπλασιάζονται είναι αληθείς ταυτόχρονα. Ο πίνακας αλήθειας της πράξης λογικού πολλαπλασιασμού αντιστοιχεί στον πίνακα 1.2.

Πίνακας 1.2- Πίνακας αλήθειας πράξης λογικού πολλαπλασιασμού

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

Η λειτουργία ΚΑΙ υποδεικνύεται με μια τελεία ( ). Μερικές φορές το σημείο υπονοείται. Για παράδειγμα, η πράξη AND μεταξύ δύο μεταβλητών x1 και x2 συμβολίζεται ως y = x1 x2.

Η λογική πρόσθεση (διάσπαση, λειτουργία Ή) είναι μια συνάρτηση που είναι ψευδής μόνο όταν όλες οι μεταβλητές που προστίθενται είναι ψευδείς ταυτόχρονα. Ο πίνακας αλήθειας της πράξης λογικής πρόσθεσης αντιστοιχεί στον πίνακα 1.3. Η πράξη «OR» συμβολίζεται με το σύμβολο V. Για παράδειγμα, y = x1 V x2.

Πίνακας 1.3 - Πίνακας αλήθειας της πράξης λογικής πρόσθεσης