Σχολικό βιβλίο: Ψηφιακά κυκλώματα. Β1.1. Συστήματα αυτόματου ελέγχου. Ένας στοιχειώδης διαχωρισμός λογικών συναρτήσεων νοείται ως το λογικό άθροισμα όλων των ορισμάτων μιας συνάρτησης, που λαμβάνονται μία φορά με ή χωρίς πρόσημο αντιστροφής
ΔΙΑΛΕΞΕΙΣ
Με πειθαρχία
«Οργάνωση και λειτουργία ηλεκτρονικών υπολογιστών»
για τους μαθητές
ειδικότητα 2-40 01 01 «Λογισμικό πληροφορικής»
Oshmyany 2010
ΣΧΟΛΙΟ
Για υλικό διάλεξης σχετικά με την πειθαρχία "Οργάνωση και λειτουργία υπολογιστών" για φοιτητές της ειδικότητας 2-40 01 01 "Λογισμικό τεχνολογίας πληροφοριών", που αναπτύχθηκε από τον δάσκαλο του εκπαιδευτικού ιδρύματος "Oshmyany State Agrarian-Economic College" M.G. Σάτκεβιτς.
Η συνάφεια του μεθοδολογικού υλικού, η σημασία του.Αυτό το σετ διαλέξεων είναι ένα σύνολο υλικών που είναι απαραίτητο για την υψηλής ποιότητας οργάνωση της εργασίας των μαθητών σε πρακτικά μαθήματα για την εκμάθηση της πειθαρχίας "Οργάνωση και λειτουργία υπολογιστών" για φοιτητές της ειδικότητας 2-40 01 01 "Λογισμικό τεχνολογίας πληροφοριών"
Οι διαλέξεις αναπτύσσονται αυστηρά σύμφωνα με τους Κανονισμούς για τα εκπαιδευτικά και μεθοδολογικά συγκροτήματα κλάδων που ισχύουν στο Κρατικό Αγροτικό και Οικονομικό Κολλέγιο Oshmyany. Το συγκρότημα περιελάμβανε διαλέξεις σε όλα τα τμήματα του κλάδου «Οργάνωση και λειτουργία υπολογιστών».
Δυνατότητα πρακτικής εφαρμογής.Το σύνολο των διαλέξεων μπορεί να συστηθεί στους δασκάλους κατά την προετοιμασία και τη διεξαγωγή μαθημάτων στον κλάδο "Οργάνωση και Λειτουργία Υπολογιστών" για φοιτητές της ειδικότητας 2-40 01 01 "Λογισμικό Τεχνολογίας Πληροφορικής", καθώς και φοιτητές πλήρους φοίτησης κατά τη διάρκεια ανεξάρτητων σπουδών .
Ολοκλήρωση της επιτροπής κύκλου.Το σύνολο των διαλέξεων αναθεωρήθηκε σε συνεδρίαση της επιτροπής κύκλου νομικών κλάδων και τεχνολογιών της πληροφορίας και προτάθηκε για ενδοκολεγιακή χρήση (πρωτόκολλο αριθ.
Εισαγωγή. 4
Παρουσίαση πληροφοριών σε υπολογιστή... 5
Κωδικοί με ανίχνευση σφαλμάτων. 9
Κωδικοί διόρθωσης σφαλμάτων. 10
Ενότητα 2. Άλγεβρα λογικής και θεωρητικές βάσεις σύνθεσης ψηφιακών συσκευών. 11
Στοιχεία μαθηματικής λογικής. έντεκα
Μορφές λογικών συναρτήσεων και χρήση τους για τη σύνθεση λογικών κυκλωμάτων.. 13
Λογικά στοιχεία και κυκλώματα. Ταξινόμηση λογικών συσκευών. 15
Μέθοδοι ελαχιστοποίησης λογικών συναρτήσεων. 17
Ενότητα 3. Σύνθεση συνδυαστικών κυκλωμάτων.. 18
Στάδια κατασκευής λογικού κυκλώματος.. 18
Πολυπλέκτης και αποπολυπλέκτες.. 20
Αποκρυπτογραφητές και κρυπτογραφητές.. 22
Συγκριτές, αθροιστές.. 24
Ενότητα 4. Στοιχεία ενεργοποίησης ψηφιακών συσκευών. 25
Ταξινόμηση των πυροδοτών και τα γενικά χαρακτηριστικά τους. Ασύγχρονη σαγιονάρα RS και οι ποικιλίες του 25
Ασύγχρονα flip-flops με μία είσοδο.. 27
Σύγχρονες ενεργοποιήσεις.. 29
Ενότητα 5. Σύνθεση ψηφιακών αυτομάτων. 31
Μητρώα. Καταχωρητής μετατόπισης. 31
Μετρητές κατά mod M. Αναστρέψιμοι μετρητές. Σύνθεση διαδοχικών κυκλωμάτων.. 33
Ενότητα 6. Τρέχουσα κατάσταση και προοπτικές για την ανάπτυξη της βάσης στοιχείων και του εξοπλισμού υπολογιστών. 35
Εισαγωγή
Το μάθημα Οργάνωση και Λειτουργία Υπολογιστών βασίζεται στη θεμελιώδη δήλωση ότι: Ένας υπολογιστής μπορεί να θεωρηθεί ως μια ιεραρχία των δομικών επιπέδων ενός οργανισμού.
Αυτή η δήλωση ισχύει εξίσου τόσο για την οργάνωση υλικού όσο και για τη δομή και την οργάνωση του λογισμικού. Στο ανώτατο επίπεδο της ιεραρχίας υπάρχουν εργαλεία λογισμικού προσανατολισμένα σε προβλήματα, όπως το Mathcad (για την επίλυση μαθηματικών προβλημάτων), η Visual Basic για εφαρμογές γραφείου, το παρακάτω επίπεδο είναι διαδικαστικά προσανατολισμένες γλώσσες (C/C++, Pascal)... , το χαμηλότερο επίπεδο είναι το επίπεδο φυσικής υλοποίησης ψηφιακών λογικών στοιχείων.
Βασικός στόχος του μαθήματος: εξοικείωση με το επίπεδο φυσικής υλοποίησης και με ορισμένες θεωρητικές βάσεις που χρησιμοποιούνται για την περιγραφή των κατώτερων επιπέδων του οργανισμού:
ü την αρχή της ψηφιακής αναπαράστασης δεδομένων σε τεχνικές συσκευές.
ü βασικά στοιχεία της λογικής άλγεβρας και η χρήση της για την περιγραφή της λειτουργίας των ψηφιακών συσκευών.
ü συστήματα αριθμών.
ü μερικές βασικές έννοιες ψηφιακών κυκλωμάτων: συσκευές συνδυαστικής λογικής και συσκευές με μνήμη (flip-flops, καταχωρητές, μετρητές).
Σημαντικό μέρος των θεμάτων που μελετήθηκαν είναι εφαρμοσμένου χαρακτήρα και βοηθούν σημαντικά στην ενημερωμένη επιλογή κατάλληλων τεχνικών σε συγκεκριμένες καταστάσεις, επιτρέποντας μερικές φορές τη σημαντική βελτίωση των χαρακτηριστικών απόδοσης των μονάδων λογισμικού (μείωση της απαιτούμενης μνήμης ή χρόνου εκτέλεσης).
Σκοπός της διδασκαλίας του κλάδου «Οργάνωση και λειτουργία υπολογιστών» είναι η μελέτη των φυσικών θεμελίων της κατασκευής και λειτουργίας της σύγχρονης τεχνολογίας υπολογιστών, των αρχών κατασκευής και λειτουργίας στοιχείων, κόμβων και συσκευών υπολογιστών. Ο κλάδος περιλαμβάνει πληροφορίες σχετικά με τις βασικές αρχές αριθμητικής, λογικής και κυκλώματος της κατασκευής υπολογιστών και αποτελεί τη βάση για μετέπειτα μελέτη του κλάδου «Τεχνολογία Μικροεπεξεργαστών».
Ο κλάδος βασίζεται στις γνώσεις που απέκτησαν οι μαθητές κατά τη διάρκεια της μελέτης των κλάδων «Μαθηματικά» και «Πληροφορική».
Για τη μελέτη του εκπαιδευτικού υλικού παρέχεται πρακτική και εργαστηριακή εργασία. Το πρόγραμμα πειθαρχίας έχει σχεδιαστεί για 68 ώρες, εκ των οποίων 34 ώρες είναι διαλέξεις, 24 ώρες πρακτικά μαθήματα, 10 ώρες εργαστηριακά μαθήματα.
Βιβλιογραφία
1. Babich N. P., Zhukov I. A. Computer circuitry. Μέθοδοι κατασκευής και
2. Σχεδιασμός: Φροντιστήριο. – Κ.: “MK-Press”, 2004
3. Zhmakin A.P. Αρχιτεκτονική υπολογιστών. - Αγία Πετρούπολη: BHV-Petersburg, 2006
4. Lysikov B.G. Ψηφιακή και τεχνολογία υπολογιστών - Υπ.: UP Ecoperspective, 2002
5. Novikov Yu. V. Βασικές αρχές ψηφιακών κυκλωμάτων. Βασικά στοιχεία και διαγράμματα. Μέθοδοι σχεδιασμού. Μ.: Μιρ, 2001
6. Ugryumov E.P. Ψηφιακά κυκλώματα - Αγία Πετρούπολη: BHV-Petersburg, 2004
7. Boyko V.I. Κύκλωμα ηλεκτρονικών κυκλωμάτων. Μικροεπεξεργαστές και μικροελεγκτές. - Αγία Πετρούπολη: BHV-Petersburg, 2004
8. Tsilker B. Ya., Orlov S.A. Οργάνωση υπολογιστών και συστημάτων. – Αγία Πετρούπολη: Peter, 2004
9. Πληροφορική: σχολικό βιβλίο / B.V. Sable – Rostov n/a: Phoenix, 2006
Ενότητα 1. Μαθηματικά θεμέλια ψηφιακών κυκλωμάτων
Θα ξεκινήσουμε το ταξίδι σας στον κόσμο των ηλεκτρονικών με μια βουτιά στα ψηφιακά ηλεκτρονικά. Πρώτον, επειδή αυτή είναι η κορυφή της πυραμίδας του ηλεκτρονικού κόσμου, και δεύτερον, οι βασικές έννοιες της ψηφιακής ηλεκτρονικής είναι απλές και κατανοητές.
Έχετε σκεφτεί ποτέ τι εκπληκτική ανακάλυψη στην επιστήμη και την τεχνολογία έχει σημειωθεί χάρη στα ηλεκτρονικά και ιδιαίτερα στα ψηφιακά ηλεκτρονικά; Αν όχι, τότε πάρτε το smartphone σας και κοιτάξτε το προσεκτικά. Ένας τόσο απλός σχεδιασμός είναι το αποτέλεσμα τεράστιας εργασίας και εκπληκτικών επιτευγμάτων της σύγχρονης ηλεκτρονικής. Η δημιουργία μιας τέτοιας τεχνικής έγινε δυνατή χάρη στην απλή ιδέα ότι οποιαδήποτε πληροφορία μπορεί να αναπαρασταθεί με τη μορφή αριθμών. Έτσι, ανεξάρτητα από τις πληροφορίες με τις οποίες δουλεύει η συσκευή, βαθιά μέσα της κάνει θρύψαλα αριθμούς.
Πιθανότατα είστε εξοικειωμένοι με τους ρωμαϊκούς και αραβικούς αριθμούς. Στο ρωμαϊκό σύστημα, οι αριθμοί αντιπροσωπεύονται ως συνδυασμός των γραμμάτων I, V, X, L, C, D, M και στα αραβικά χρησιμοποιώντας το συνδυασμό των συμβόλων 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9. Υπάρχουν όμως και άλλες μορφές αναπαράστασης αριθμών. Ένα από αυτά είναι η δυαδική μορφή. Ή, όπως αποκαλείται συχνότερα, το δυαδικό σύστημα αριθμών. Σε ένα τέτοιο σύστημα αριθμών, οποιοσδήποτε αριθμός είναι μια ακολουθία μόνο "0" και "1".
| αραβικός | ρωμαϊκός | Δυάδικος |
| 0 | - | 00 |
| 1 | Εγώ | 01 |
| 2 | II | 10 |
| 3 | III | 11 |
Οι μαθηματικοί και οι μηχανικοί έχουν εργαστεί σκληρά και σήμερα κάθε πληροφορία μπορεί να παρουσιαστεί ως συνδυασμός μηδενικών και μονάδων: ένα σήμα από έναν αισθητήρα κίνησης, μουσική, βίντεο, φωτογραφία, θερμοκρασία, ακόμα και αυτό το κείμενο που διαβάζετε τώρα βρίσκεται στην πραγματικότητα στο τα βάθη της συσκευής σας μοιάζουν με μια ακολουθία μηδενικών και μονάδων.
Ανεξάρτητα από τις πληροφορίες που χειρίζεται μια ψηφιακή συσκευή, κατά βάθος επεξεργάζεται αριθμούς.
Γιατί ακριβώς "0" και "1", και όχι "0", "1" και "2", για παράδειγμα; Στην πραγματικότητα, υπήρξαν αρκετά επιτυχημένες προσπάθειες δημιουργίας ψηφιακής τεχνολογίας που χρησιμοποιεί όχι δυαδικό, αλλά τριαδικό σύστημα αριθμών ("0", "1" και "2"), αλλά το δυαδικό εξακολουθεί να κέρδισε.
Ίσως κέρδισε επειδή κατέρρευσε η ΕΣΣΔ ή ίσως επειδή το "0" και το "1" είναι πιο εύκολο να αναπαρασταθούν με τη μορφή ηλεκτρικών σημάτων. Αυτό σημαίνει ότι οι ψηφιακές συσκευές που βασίζονται στο δυαδικό σύστημα αριθμών είναι ευκολότερο και φθηνότερο στην παραγωγή. Θα μιλήσω περισσότερο για τους δυαδικούς αριθμούς αργότερα.
Δομή μιας ψηφιακής συσκευής
Σχεδόν κάθε ψηφιακή συσκευή περιέχει τυπικά στοιχεία, συνδυασμό των οποίων αποτελείται. Κάποια στοιχεία είναι πολύ απλά, άλλα πιο περίπλοκα και άλλα εντελώς σύνθετα. Στην ερασιτεχνική πρακτική, τα πιο συνηθισμένα είναι: σκανδάλες, χρονόμετρα, μετρητές, καταχωρητές, μικροελεγκτές, συγκριτές κ.λπ.
Ας επιλέξουμε κάτι από αυτήν τη λίστα και ας δούμε πώς λειτουργεί. Ας είναι μικροελεγκτής (MK)! Εντάξει, θα το παραδεχτώ. Επέλεξα τον μικροελεγκτή για έναν λόγο. Γεγονός είναι ότι ήταν η έλευση των μικροεπεξεργαστών που έκανε μια πραγματική επανάσταση στην ηλεκτρονική και ώθησε την ανάπτυξή της σε ένα νέο επίπεδο.
Ο MK είναι ο πιο πολυάριθμος και δημοφιλής τύπος μικροεπεξεργαστών στον κόσμο. Αυτό που το κάνει ξεχωριστό είναι ότι ο μικροελεγκτής είναι ένας μικρο-υπολογιστής - ένας ολόκληρος υπολογιστής σε ένα τσιπ. Φανταστείτε έναν υπολογιστή μεγέθους, ας πούμε, μιας δεκάρας. Αυτό είναι το MK.
Οι μικροελεγκτές χρησιμοποιούνται παντού: σε σύγχρονες τηλεοράσεις, ψυγεία, tablet και συστήματα ασφαλείας. Όπου κάτι χρειάζεται να ελεγχθεί, ένας μικροελεγκτής μπορεί να βρει τη θέση του. Και όλα αυτά χάρη στο γεγονός ότι, όπως κάθε μικροεπεξεργαστής, ο MK μπορεί να προγραμματιστεί. Ως αποτέλεσμα, ο ίδιος τύπος τσιπ μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε εκατοντάδες διαφορετικές συσκευές.
Σήμερα, οι πιο δημοφιλείς είναι, για παράδειγμα, οι μικροελεγκτές AVR, PIC, ARM. Κάθε μία από τις εταιρείες που παράγει τους αναφερόμενους τύπους μικροελεγκτών παράγει δεκάδες, αν όχι εκατοντάδες, ποικιλίες μικροελεγκτών σχεδιασμένων για όλες τις φανταστικές και ασύλληπτες εργασίες.
Πώς λειτουργεί ένας μικροελεγκτής;
Παρά την πολυπλοκότητα του σχεδιασμού ενός πραγματικού μικροελεγκτή, μπορείτε να πείτε πώς λειτουργεί με μία μόνο φράση: "Το κείμενο του προγράμματος γράφεται στη μνήμη του μικροελεγκτή, το MK διαβάζει εντολές από αυτό το πρόγραμμα και τις εκτελεί", αυτό είναι όλα.
Φυσικά, το MK δεν μπορεί να εκτελέσει καμία εντολή. Έχει ένα βασικό σύνολο εντολών που καταλαβαίνει και ξέρει πώς να εκτελεί. Συνδυάζοντας αυτές τις εντολές, μπορείτε να αποκτήσετε σχεδόν οποιοδήποτε πρόγραμμα με το οποίο η συσκευή θα κάνει ακριβώς αυτό που θέλετε να κάνει.
Στον σύγχρονο κόσμο, ένας μικροεπεξεργαστής (ο MK είναι επίσης μικροεπεξεργαστής, αλλά εξειδικευμένος) μπορεί να έχει είτε πολλές βασικές εντολές είτε πολύ λίγες. Αυτή είναι μια τέτοια υπό όρους διαίρεση για την οποία επινοήθηκαν ακόμη και δύο όροι: CISC και RISC. Το CISC είναι πολλοί διαφορετικοί τύποι εντολών για όλες τις περιπτώσεις, το RISC είναι μόνο οι πιο απαραίτητες και συχνά χρησιμοποιούμενες εντολές, π.χ. μειωμένο σύνολο εντολών.
Οι περισσότεροι μικροελεγκτές είναι RISC. Αυτό εξηγείται από το γεγονός ότι όταν χρησιμοποιείται ένα μειωμένο σύνολο εντολών, οι μικροελεγκτές είναι απλούστεροι και φθηνότεροι στην παραγωγή και είναι ευκολότερος και ταχύτερος για τους προγραμματιστές υλικού να τον δώσουν. Υπάρχουν πολλές διαφορές μεταξύ CISC και RISC, αλλά προς το παρόν το μόνο σημαντικό πράγμα που πρέπει να θυμάστε είναι ότι το CISC έχει πολλές εντολές, το RISC έχει λίγες εντολές. Θα ρίξουμε μια πιο βαθιά ματιά σε αυτές τις δύο ιδέες κάποια άλλη στιγμή.
Τι συμβαίνει όταν ενεργοποιείται ο μικροελεγκτής;
Ας φανταστούμε, λοιπόν, έναν ιδανικό κόσμο στον οποίο έχετε ένα MK και ένα πρόγραμμα έχει ήδη καταγραφεί στη μνήμη του. Ή, όπως συνήθως λένε, το MK "αναβοσβήνει" (σε αυτήν την περίπτωση το πρόγραμμα ονομάζεται "υλικολογισμικό") και είναι έτοιμο για μάχη.
Τι συμβαίνει όταν τροφοδοτείτε το κύκλωμα MK σας; Δεν αποδεικνύεται τίποτα το ιδιαίτερο. Δεν υπάρχει καθόλου μαγεία εκεί. Θα συμβούν τα εξής:
Μετά την ενεργοποίηση, ο μικροελεγκτής θα πάει να δει τι υπάρχει στη μνήμη. Ταυτόχρονα, «ξέρει» πού να ψάξει για να βρει την πρώτη εντολή του προγράμματός του.
Η τοποθεσία έναρξης του προγράμματος καθορίζεται κατά την παραγωγή του MK και δεν αλλάζει ποτέ. Το MK μετράει την πρώτη εντολή, την εκτελεί, μετά μετράει τη δεύτερη εντολή, την εκτελεί, μετά την τρίτη και ούτω καθεξής μέχρι την τελευταία. Όταν μετρήσει την τελευταία εντολή, όλα θα ξεκινήσουν από την αρχή, αφού το MK εκτελεί το πρόγραμμα σε κύκλο, εκτός και αν του είπαν να σταματήσει. Έτσι λειτουργεί λοιπόν.
Αυτό όμως δεν σας εμποδίζει να γράψετε πολύπλοκα προγράμματα που βοηθούν στον έλεγχο ψυγείων, ηλεκτρικών σκουπών, βιομηχανικών μηχανημάτων, συσκευών αναπαραγωγής ήχου και χιλιάδων άλλων συσκευών. Μπορείτε επίσης να μάθετε πώς να δημιουργείτε συσκευές με το MK. Θα χρειαστεί χρόνος, επιθυμία και λίγα χρήματα. Αλλά αυτά είναι τόσο μικρά πράγματα, σωστά;
Πώς λειτουργεί ένα τυπικό MK;
Κάθε σύστημα μικροεπεξεργαστή βασίζεται σε τρεις πυλώνες:
- ΕΠΕΞΕΡΓΑΣΤΗΣ(ALU + συσκευή ελέγχου),
- Μνήμη(ROM, RAM, FLASH),
- Θύρες I/O .
Ο επεξεργαστής, χρησιμοποιώντας θύρες I/O, λαμβάνει/αποστέλλει δεδομένα με τη μορφή αριθμών, εκτελεί διάφορες αριθμητικές πράξεις σε αυτά και τα αποθηκεύει στη μνήμη. Η επικοινωνία μεταξύ του επεξεργαστή, των θυρών και της μνήμης πραγματοποιείται μέσω καλωδίων που καλούνται λάστιχο(τα ελαστικά χωρίζονται σε διάφορους τύπους ανάλογα με το σκοπό) . Αυτή είναι η γενική ιδέα για το πώς λειτουργεί το σύστημα MP. Όπως στην παρακάτω εικόνα.
Ο MK, όπως έγραψα ήδη, είναι επίσης μικροεπεξεργαστής. Απλά εξειδικευμένος. Η φυσική δομή των μικροκυκλωμάτων MK διαφορετικών σειρών μπορεί να διαφέρει σημαντικά, αλλά ιδεολογικά θα είναι παρόμοια και θα έχουν, για παράδειγμα, μπλοκ όπως: ROM, RAM, ALU, θύρες εισόδου/εξόδου, χρονόμετρα, μετρητές, καταχωρητές.
| ROM | Μόνιμη μνήμη. Ό,τι είναι γραμμένο σε αυτό παραμένει στη ROM ακόμα και μετά την αποσύνδεση της συσκευής από την παροχή ρεύματος. |
| ΕΜΒΟΛΟ | Προσωρινή μνήμη. Η RAM είναι η μνήμη εργασίας του MK. Όλα τα ενδιάμεσα αποτελέσματα της εκτέλεσης εντολών ή δεδομένα από εξωτερικές συσκευές τοποθετούνται σε αυτό. |
| ALU | Ο μαθηματικός εγκέφαλος ενός μικροελεγκτή. Είναι αυτός που προσθέτει, αφαιρεί, πολλαπλασιάζει και μερικές φορές διαιρεί, συγκρίνει μηδενικά και μονάδες κατά τη διαδικασία εκτέλεσης των εντολών του προγράμματος. Ένα από τα σημαντικότερα όργανα του ΜΚ. |
| Θύρες I/O | Απλώς συσκευές για την επικοινωνία του MK με τον έξω κόσμο. Χωρίς αυτά, δεν μπορείτε ούτε να γράψετε στην εξωτερική μνήμη ούτε να λάβετε δεδομένα από τον αισθητήρα ή το πληκτρολόγιο. |
| Χρονοδιακόπτες | Μαγειρέψατε κέικ ή κοτόπουλο; Έχετε βάλει χρονόμετρο για να σας ειδοποιεί όταν το πιάτο είναι έτοιμο; Στο MK, ο χρονοδιακόπτης εκτελεί παρόμοιες λειτουργίες: μετράει διαστήματα, εκδίδει ένα σήμα σχετικά με τη λειτουργία κ.λπ. |
| μετρητές | Είναι χρήσιμα όταν πρέπει να μετρήσετε κάτι. |
| Μητρώα | Η πιο ακατανόητη λέξη για όσους έχουν προσπαθήσει τουλάχιστον μία φορά να κυριαρχήσουν μόνοι τους στο Assembler. Και παρεμπιπτόντως, λειτουργούν κάπως τόσο γρήγορη RAM για το MK. Κάθε καταχωρητής είναι ένα είδος κελιού μνήμης. Και σε κάθε ΜΚ υπάρχουν μόνο μερικές δεκάδες από αυτά. |
Η σύγχρονη κλίμακα ανάπτυξης των ψηφιακών ηλεκτρονικών είναι τόσο τεράστια που ακόμη και για κάθε αντικείμενο από αυτόν τον πίνακα μπορείτε να γράψετε ένα ολόκληρο βιβλίο ή ακόμα και περισσότερα από ένα. Θα περιγράψω τις βασικές ιδέες που θα σας βοηθήσουν να κατανοήσετε περαιτέρω ανεξάρτητα με περισσότερες λεπτομέρειες κάθε μία από τις συσκευές.
Ο εγκέφαλος του μικροελεγκτή
Ο μικροεπεξεργαστής/μικροελεγκτής λειτουργεί πάντα σύμφωνα με το πρόγραμμα που είναι ενσωματωμένο σε αυτόν. Το πρόγραμμα αποτελείται από μια ακολουθία λειτουργιών που μπορεί να εκτελέσει το MK. Οι λειτουργίες εκτελούνται στην CPU - αυτός είναι ο εγκέφαλος του μικροελεγκτή. Είναι αυτό το όργανο που μπορεί να εκτελέσει αριθμητικές και λογικές πράξεις με αριθμούς. Υπάρχουν όμως τέσσερις ακόμη σημαντικές επεμβάσεις που μπορεί να κάνει:
- ανάγνωση από ένα κελί μνήμης
- εγγραφή στο κελί μνήμης
- ανάγνωση από τη θύρα I/O
- εγγραφή στη θύρα I/O
Αυτές οι λειτουργίες είναι υπεύθυνες για την ανάγνωση/εγγραφή πληροφοριών στη μνήμη και στις εξωτερικές συσκευές μέσω των θυρών I/O. Και χωρίς αυτά, οποιοσδήποτε επεξεργαστής μετατρέπεται σε άχρηστα σκουπίδια.
Τεχνικά, ο επεξεργαστής αποτελείται από μια ALU (αριθμομηχανή επεξεργαστή) και μια μονάδα ελέγχου που διαχειρίζεται την αλληλεπίδραση μεταξύ των θυρών I/O, της μνήμης και μιας αριθμητικής λογικής μονάδας (ALU).
Μνήμη μικροελεγκτή
Νωρίτερα, στον πίνακα με τις τυπικές συσκευές που περιλαμβάνονται στο MK, υπέδειξα δύο τύπους μνήμης: ROM και RAM. Η διαφορά μεταξύ τους είναι ότι στη ROM τα δεδομένα αποθηκεύονται μεταξύ της ενεργοποίησης της συσκευής. Αλλά την ίδια στιγμή, η ROM είναι μια μάλλον αργή μνήμη. Γι' αυτό υπάρχει η μνήμη RAM, η οποία είναι αρκετά γρήγορη, αλλά μπορεί να αποθηκεύσει δεδομένα μόνο όταν παρέχεται ρεύμα στη συσκευή. Αξίζει να απενεργοποιήσετε τη συσκευή και όλα τα δεδομένα είναι από εκεί... τίποτα.
Εάν έχετε φορητό υπολογιστή ή προσωπικό υπολογιστή, τότε είστε εξοικειωμένοι με αυτήν την κατάσταση: γράψατε ένα βουνό από κείμενο, ξεχάσατε να το αποθηκεύσετε στον σκληρό σας δίσκο και ξαφνικά έσβησε το ρεύμα. Ανοίγεις τον υπολογιστή, αλλά δεν υπάρχει κείμενο. Σωστά. Ενώ το έγραφες, ήταν αποθηκευμένο στη μνήμη RAM. Γι' αυτό το κείμενο εξαφανίστηκε όταν ο υπολογιστής ήταν απενεργοποιημένος.
Στον ξένο κόσμο, η RAM και η ROM ονομάζονται RAM και ROM:
- RAM (Random Access Memory) - μνήμη με τυχαία πρόσβαση
- ROM (Μνήμη μόνο για ανάγνωση) - μνήμη μόνο για ανάγνωση
Στη χώρα μας ονομάζονται και πτητική και μη πτητική μνήμη. Κάτι που, κατά τη γνώμη μου, αντικατοπτρίζει με μεγαλύτερη ακρίβεια τη φύση κάθε τύπου μνήμης.
ROM
Σήμερα, η μνήμη ROM τύπου FLASH (ή, κατά τη γνώμη μας, EEPROM) έχει γίνει ολοένα και πιο διαδεδομένη. Σας επιτρέπει να αποθηκεύετε δεδομένα ακόμα και όταν η συσκευή είναι απενεργοποιημένη. Επομένως, στα σύγχρονα MCU, για παράδειγμα, στο AVR MCU, η μνήμη FLASH χρησιμοποιείται ως ROM.
Προηγουμένως, τα τσιπ μνήμης ROM ήταν κάποτε προγραμματιζόμενα. Επομένως, εάν καταγράφηκε ένα πρόγραμμα ή δεδομένα με σφάλματα, τότε ένα τέτοιο μικροκύκλωμα απλώς πετάχτηκε. Λίγο αργότερα εμφανίστηκαν ROM που μπορούσαν να ξαναγραφτούν πολλές φορές. Αυτά ήταν τσιπ με δυνατότητα διαγραφής UV. Έχουν ζήσει για αρκετά μεγάλο χρονικό διάστημα και βρίσκονται ακόμη και τώρα σε κάποιες συσκευές της δεκαετίας του 1990...2000. Για παράδειγμα, αυτή η ROM προέρχεται από την ΕΣΣΔ.
Είχαν ένα σημαντικό μειονέκτημα - εάν ο κρύσταλλος (αυτός που φαίνεται στο παράθυρο) φωτίστηκε κατά λάθος, το πρόγραμμα θα μπορούσε να καταστραφεί. Και επίσης η ROM είναι ακόμα πιο αργή από τη RAM.
ΕΜΒΟΛΟ
Η RAM, σε αντίθεση με τη ROM, την PROM και την EEPROM, είναι πτητικόςκαι όταν η συσκευή είναι απενεργοποιημένη, όλα τα δεδομένα στη μνήμη RAM χάνονται. Αλλά ούτε μια συσκευή μικροεπεξεργαστή δεν μπορεί να κάνει χωρίς αυτόν. Δεδομένου ότι κατά τη λειτουργία είναι απαραίτητο να αποθηκεύονται κάπου τα αποτελέσματα των υπολογισμών και των δεδομένων με τα οποία ο επεξεργαστής λειτουργεί. Η ROM δεν είναι κατάλληλη για αυτούς τους σκοπούς λόγω της βραδύτητας της.
ΜΝΗΜΗ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΟΣ ΚΑΙ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ
Εκτός από τη διαίρεση σε πτητική (RAM) και μη πτητική μνήμη, οι μικροελεγκτές έχουν μια διαίρεση σε μνήμη δεδομένων και μνήμη προγραμμάτων. Αυτό σημαίνει ότι το MK έχει μια ειδική μνήμη που προορίζεται μόνο για την αποθήκευση του προγράμματος MK. Στη σύγχρονη εποχή αυτό είναι συνήθως ένα FLASH ROM. Από αυτή τη μνήμη ο μικροελεγκτής διαβάζει τις εντολές που εκτελεί.
Ξεχωριστά από τη μνήμη του προγράμματος, υπάρχει μια μνήμη δεδομένων στην οποία τοποθετούνται τα ενδιάμεσα αποτελέσματα της εργασίας και οποιαδήποτε άλλα δεδομένα απαιτούνται από το πρόγραμμα. Η μνήμη προγράμματος είναι κανονική RAM.
Αυτός ο διαχωρισμός είναι καλός γιατί κανένα σφάλμα στο πρόγραμμα δεν μπορεί να βλάψει το ίδιο το πρόγραμμα. Για παράδειγμα, όταν κατά λάθος το MK προσπαθεί να γράψει έναν τυχαίο αριθμό στη θέση κάποιας εντολής στο πρόγραμμα. Αποδεικνύεται ότι το πρόγραμμα προστατεύεται αξιόπιστα από ζημιές. Παρεμπιπτόντως, αυτό το τμήμα έχει το δικό του ειδικό όνομα - "αρχιτεκτονική του Χάρβαρντ".
Στη δεκαετία του 1930, η κυβέρνηση των ΗΠΑ ανέθεσε την ανάπτυξη στα πανεπιστήμια του Χάρβαρντ και του Πρίνστον αρχιτεκτονικήΥπολογιστής για ναυτικό πυροβολικό. Στα τέλη της δεκαετίας του 1930 στο Πανεπιστήμιο του Χάρβαρντ, ο Χάουαρντ Άικεν αναπτύχθηκε αρχιτεκτονικήυπολογιστή Mark I, που στο εξής θα φέρει το όνομα αυτού του πανεπιστημίου.
Παρακάτω έχω απεικονίσει σχηματικά την αρχιτεκτονική του Χάρβαρντ:
Έτσι, το πρόγραμμα και τα δεδομένα με τα οποία λειτουργεί αποθηκεύονται φυσικά σε διαφορετικά σημεία. Όσον αφορά τα μεγάλα συστήματα επεξεργαστή, όπως ένας προσωπικός υπολογιστής, τα δεδομένα και το πρόγραμμα αποθηκεύονται στο ίδιο μέρος ενώ το πρόγραμμα εκτελείται.
ΙΕΡΑΡΧΙΑ ΜΝΗΜΗΣ
ΠΩΣ ΥΠΟΓΡΑΦΕΤΑΙ Ο ΕΓΚΕΦΑΛΟΣ ΕΝΟΣ ΜΙΚΡΟΕΛΕΓΚΤΗ
Γνωρίζετε ήδη ότι ο εγκέφαλος του MK είναι η CPU - η κεντρική μονάδα επεξεργασίας, η οποία αποτελείται από μια ALU (αριθμητική-λογική μονάδα) και μια μονάδα ελέγχου (CU). Η μονάδα ελέγχου ελέγχει ολόκληρη την ορχήστρα από μνήμη, εξωτερικές συσκευές και ALU. Χάρη σε αυτόν, ο MK μπορεί να εκτελέσει εντολές με τη σειρά που θέλουμε.
Η ALU είναι μια αριθμομηχανή και η μονάδα ελέγχου λέει στην ALU τι, με τι, πότε και με ποια σειρά να υπολογίσει ή να συγκρίνει. Η ALU μπορεί να προσθέτει, να αφαιρεί, μερικές φορές να διαιρεί και να πολλαπλασιάζει και να εκτελεί λογικές πράξεις: ΚΑΙ, Ή, ΟΧΙ (περισσότερα σχετικά λίγο αργότερα)
Οποιοσδήποτε υπολογιστής, συμπεριλαμβανομένου του MK, σήμερα μπορεί να λειτουργήσει μόνο με δυαδικούς αριθμούς που αποτελούνται από "0" και "1". Αυτή η απλή ιδέα ήταν που οδήγησε στην επανάσταση των ηλεκτρονικών και την εκρηκτική ανάπτυξη της ψηφιακής τεχνολογίας.
Ας υποθέσουμε ότι η ALU χρειάζεται να προσθέσει δύο αριθμούς: 2 και 5. Σε απλοποιημένη μορφή θα μοιάζει με αυτό:
Σε αυτήν την περίπτωση, η μονάδα ελέγχου γνωρίζει σε ποια θέση μνήμης να πάρει τον αριθμό "2", σε ποια θέση τον αριθμό "5" και σε ποια θέση μνήμης να τοποθετήσει το αποτέλεσμα. Η μονάδα ελέγχου τα γνωρίζει όλα αυτά επειδή τα διάβασε στην εντολή από το πρόγραμμα που διάβασε αυτήν τη στιγμή στο πρόγραμμα. Θα σας πω λεπτομερέστερα για τις τοπικές πράξεις με δυαδικούς αριθμούς και πώς λειτουργεί ο αθροιστής ALU από μέσα λίγο αργότερα.
Λοιπόν, λέτε, τι γίνεται αν χρειαστεί να πάρετε αυτούς τους αριθμούς όχι από το πρόγραμμα, αλλά από έξω, για παράδειγμα, από έναν αισθητήρα; Τι πρέπει να κάνω? Εδώ μπαίνουν στο παιχνίδι οι θύρες I/O, με τη βοήθεια των οποίων το MK μπορεί να λαμβάνει και να μεταδίδει δεδομένα σε εξωτερικές συσκευές: οθόνες, αισθητήρες, κινητήρες, βαλβίδες, εκτυπωτές κ.λπ.
ΛΟΓΙΚΕΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΕΣ
Μάλλον γνωρίζετε πολύ καλά το αστείο για τη «γυναικεία λογική»; Αλλά δεν θα μιλήσουμε για αυτό, αλλά για τη λογική κατ' αρχήν. Η λογική λειτουργεί με σχέσεις αιτίου-αποτελέσματος: αν ο ήλιος έχει ανατείλει, τότε έχει γίνει φως. Η αιτία «ο ήλιος ανέτειλε» προκάλεσε το αποτέλεσμα «έγινε φως». Επιπλέον, μπορούμε να πούμε «ΣΩΣΤΟ» ή «ΛΑΘΟΣ» για κάθε δήλωση.
Για παράδειγμα:
- «Τα πουλιά κολυμπούν κάτω από το νερό» είναι ψέμα
- "Το νερό είναι υγρό" - σε θερμοκρασία δωματίου αυτή η δήλωση είναι αλήθεια
Όπως σημειώσατε, η δεύτερη πρόταση μπορεί να είναι είτε αληθής είτε ψευδής υπό ορισμένες προϋποθέσεις. Ο υπολογιστής μας έχει μόνο αριθμούς και οι μηχανικοί και οι μαθηματικοί σκέφτηκαν να δηλώνουν την αλήθεια ως «1» και το ψευδές ως «0». Αυτό κατέστησε δυνατή τη σύνταξη της αλήθειας μιας δήλωσης με τη μορφή δυαδικών αριθμών:
- "Τα πουλιά κολυμπούν κάτω από το νερό" = 0
- «Το νερό είναι υγρό» = 1
Και μια τέτοια σημείωση επέτρεπε στους μαθηματικούς να εκτελούν ολόκληρες πράξεις με αυτές τις δηλώσεις - λογικές πράξεις. Ο Τζορτζ Μπουλ ήταν ο πρώτος που το σκέφτηκε αυτό. Από την οποία ονομάζεται αυτή η άλγεβρα: "Boolean algebra", η οποία αποδείχθηκε πολύ βολική για ψηφιακές μηχανές.
Το δεύτερο μισό της ALU είναι λογικές πράξεις. Σας επιτρέπουν να «συγκρίνετε» δηλώσεις. Υπάρχουν μόνο μερικές βασικές λογικές πράξεις: ΚΑΙ, Ή, ΟΧΙ - αλλά αυτό είναι αρκετό, αφού από αυτές τις τρεις μπορούν να συνδυαστούν πιο σύνθετες.
Λογική λειτουργία ΚΑΙ δηλώνει την ταυτόχρονη δήλωση, δηλ. ότι και οι δύο δηλώσεις είναι αληθινές ταυτόχρονα. Για παράδειγμα δήλωση θα είναι αληθής μόνο εάν και οι δύο απλούστερες προτάσεις είναι αληθείς. Σε όλες τις άλλες περιπτώσεις, το αποτέλεσμα της λειτουργίας λογικής ΚΑΙ θα είναι ψευδές.
Λογική λειτουργία Ή θα ισχύει εάν τουλάχιστον μία από τις δηλώσεις που εμπλέκονται στην επιχείρηση είναι αληθής. "Τα πουλιά κολυμπούν κάτω από το νερό" και "Το νερό είναι βρεγμένο"αλήθεια, αφού η δήλωση "το νερό είναι υγρό" είναι αληθής
Λογική λειτουργία ΔΕΝ αλλάζει την αλήθεια μιας δήλωσης στην αντίθετη σημασία της. Αυτή είναι λογική άρνηση. Για παράδειγμα:
Ο ήλιος ανατέλλει κάθε μέρα = ΑΛΗΘΕΙΑ
ΟΧΙ (Ο ήλιος ανατέλλει κάθε μέρα) = ΔΕΝ ΑΛΗΘΕΙ = ΨΕΥΤΙΚΟ
Χάρη στις λογικές πράξεις, μπορούμε να συγκρίνουμε δυαδικούς αριθμούς και δεδομένου ότι οι δυαδικοί μας αριθμοί σημαίνουν πάντα κάτι, για παράδειγμα, κάποιο σήμα. Αποδεικνύεται ότι χάρη στην άλγεβρα Boole μπορούμε να συγκρίνουμε πραγματικά σήματα. Αυτό κάνει το λογικό μέρος της ALU.
ΣΥΣΚΕΥΗ ΕΙΣΟΔΟΥ/ΕΞΟΔΟΥ
Η ΜΚ μας πρέπει να επικοινωνεί με τον έξω κόσμο. Μόνο τότε θα είναι μια χρήσιμη συσκευή. Για το σκοπό αυτό, το MK διαθέτει ειδικές συσκευές που ονομάζονται συσκευές εισόδου/εξόδου.
Χάρη σε αυτές τις συσκευές, μπορούμε να στείλουμε σήματα από αισθητήρες, πληκτρολόγια και άλλες εξωτερικές συσκευές στον μικροελεγκτή. Και μετά την επεξεργασία τέτοιων σημάτων, το MK θα στείλει μια απόκριση μέσω των συσκευών εξόδου, με τις οποίες θα είναι δυνατό να ρυθμιστεί η ταχύτητα περιστροφής του κινητήρα ή η φωτεινότητα της λάμπας.
Επιτρέψτε μου να συνοψίσω:
- Ψηφιακά ηλεκτρονικά - η κορυφή του παγόβουνου των ηλεκτρονικών
- Μια ψηφιακή συσκευή γνωρίζει και κατανοεί μόνο αριθμούς
- Οποιαδήποτε πληροφορία: μήνυμα, κείμενο, βίντεο, ήχος, μπορεί να κωδικοποιηθεί χρησιμοποιώντας δυαδικούς αριθμούς
- Ένας μικροελεγκτής είναι ένας μικροϋπολογιστής σε ένα μόνο τσιπ
- Κάθε σύστημα μικροεπεξεργαστή αποτελείται από τρία μέρη: επεξεργαστή, μνήμη, συσκευές εισόδου/εξόδου
- Ο επεξεργαστής αποτελείται από μια μονάδα ALU και μια μονάδα ελέγχου
- Η ALU μπορεί να εκτελεί αριθμητικές και λογικές πράξεις με δυαδικούς αριθμούς
Μείνε μαζί μας. Στα επόμενα άρθρα θα σας πω πιο αναλυτικά πώς είναι τακτοποιημένα η μνήμη MK, οι θύρες I/O και η ALU. Και μετά από αυτό θα πάμε ακόμα πιο μακριά και τελικά θα φτάσουμε στα αναλογικά ηλεκτρονικά.
ΥΣΤΕΡΟΓΡΑΦΟ.
Βρήκατε κάποιο λάθος; Πες μου!
Μεγάλος ραδιοερασιτέχνης και σχεδιαστής προγραμμάτων
Διαπανεπιστημιακό Κέντρο Τόμσκ για εξ αποστάσεως εκπαίδευση
A.V. Σαράποφ
ΜΙΚΡΟΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ
ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΨΗΦΙΑΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ
Φροντιστήριο
T Q 1 | |||||
μεταβάσεις | |||||
&Δ 3 |
|||||
ΤΟΜΣΚ – 2007
Κριτής: επικεφαλής. Τμήμα Βιομηχανικής και Ιατρικής Ηλεκτρονικής του Tomsk Polytechnic University, Διδάκτωρ Μηχανικών. επιστημών, καθ. Γ.Σ. Yevtushenko; Προϊστάμενος Τμήματος, Ομοσπονδιακή Κρατική Ενιαία Επιχείρηση "NPC "Polyus", Διδάκτωρ Μηχανικών. Επιστημών Yu.M. Καζάντσεφ
Διορθωτής: Tarasova L.K.
Sharapov A.V.
Μικροηλεκτρονική: Σχολικό βιβλίο. - Tomsk: Tomsk Interuniversity Centre for Distance Education, 2007. - 158 p.
Περιγράφονται οι αρχές κατασκευής και λειτουργίας λογικών στοιχείων, αποκωδικοποιητών, πολυπλέκτης, αθροιστών, ψηφιακών συγκριτών, flip-flops, μετρητών, καταχωρητών και τσιπ μνήμης. Εξετάζονται παραδείγματα σύνθεσης συνδυαστικών ψηφιακών συσκευών και ψηφιακών αυτόματα.
Το εγχειρίδιο προορίζεται για φοιτητές ραδιοηλεκτρονικών πανεπιστημίων και περιέχει σύντομες σημειώσεις διαλέξεων, παραδείγματα επίλυσης προβλημάτων και εργαστήριο εργαστηρίου υπολογιστών για ψηφιακά κυκλώματα. Οι μαθητές εξ αποστάσεως ολοκληρώνουν δύο εργαστηριακές εργασίες, ένα τεστ υπολογιστή και δίνουν εξετάσεις Η/Υ.
Sharapov A.V., 2007 Tomsk Interuniversity Center
εξ αποστάσεως εκπαίδευση, 2007
1. Εισαγωγή............................................... ................................................. | ||
2 Βασικές έννοιες της μικροηλεκτρονικής.......................................... .... | ||
Τύποι σημάτων ..................................................... .......................................... | ||
Ταξινόμηση μικροκυκλωμάτων και τα σύμβολά τους.... | ||
3 Μαθηματικά θεμέλια της ψηφιακής ηλεκτρονικής................... | ||
Συστήματα θέσεων αριθμών................................................ .... | ||
Πίνακας αλήθειας................................................ ................... | ||
Τέλεια διαζευκτική κανονική μορφή.............................. | ||
Βασικοί νόμοι της άλγεβρας Boole................................................ ....... | ||
Διαγράμματα Venn................................................ ...................... | ||
Χάρτες Carnaugh................................................ ................................... | ||
Στάδια σύνθεσης ψηφιακών συσκευών................................................ ...... | ||
Παραδείγματα σύνθεσης ψηφιακών συσκευών ................................... | ||
Στοιχείο λογικής πλειοψηφίας...................................................... ...... | ||
4 Βασικά λογικά στοιχεία................................................ ......... | ||
Ταξινόμηση λογικών στοιχείων................................................ ...... | ||
Βασικό στοιχείο TTL..................................................... ................................................ | ||
Επέκταση λογικής................................................ ......... | ||
Ανοιχτό στοιχείο συλλέκτη................................................ .... | ||
Στοιχείο με κατάσταση Z στην έξοδο................................................ .......... | ||
Βασικό στοιχείο TTLSH...................................................... ............. | ||
Βασικό κύκλωμα ESL ..................................................... ................................................. | ||
Βασικά στοιχεία CMOS................................................ ...................... | ||
4.10 Κύρια χαρακτηριστικά των λογικών στοιχείων................ | ||
4.11 Παραδείγματα μικροκυκλωμάτων λογικών στοιχείων................................... | ||
4.12 Μικροκυκλώματα με βάση το αρσενίδιο του γαλλίου................................. | ||
5 Ψηφιακές συσκευές συνδυαστικού τύπου................................ | ||
Κρυπτογραφητής................................................ .......................................... | ||
Αποκρυπτογράφος................................................. ............................ | ||
Μετατροπείς δυαδικών σε BCD, | ||
και αντίστροφα............................................... ................................. | ||
Αποκωδικοποιητής για έλεγχο επτά τμημάτων | ||
δείκτης................................................. .......................................... | ||
Μετατροπείς γκρι κωδικών...................................................... ...................... | |||
Πολυπλέκτης................................................ ....................................... | |||
Υλοποίηση συναρτήσεων με χρήση πολυπλέκτη......... | |||
Δυαδικός αθροιστής................................................ ................... | |||
Δυαδικός-δεκαδικός αθροιστής................................................ ................... | |||
Σχέδια αφαίρεσης................................................ ................... | |||
Μετατροπέας άμεσου κώδικα σε πρόσθετο.......... | |||
Ψηφιακός συγκριτής................................................ ............. | |||
Ισοτιμία ................................................ ................................. | |||
Παραδείγματα κατασκευής συνδυαστικού ψηφιακού | |||
συσκευές................................................. .......................................... | |||
6 Ψηφιακές συσκευές σειριακού τύπου............. | |||
Ταξινόμηση των ερεθισμάτων...................................................... ......... | |||
Ασύγχρονη flip-flop RS................................................ ............ | |||
Clocked RS flip-flop.......................................................... ............ | |||
Δ-σκανδαλισμοί................................................ .... ................................ | |||
Τ-σκανδάλη................................................ .................................................... | |||
σκανδάλη JK................................................ ................................................... | |||
Ταξινόμηση μετρητών ..................................................... ......... | |||
Ασύγχρονος δυαδικός μετρητής................................................ ...... | |||
Ασύγχρονος μετρητής BCD................................ | |||
Σύγχρονος δυαδικός μετρητής................................................ ...... | |||
Αναστρέψιμοι μετρητές................................................ ......... .......... | |||
Μετρητές με αυθαίρετη μονάδα μέτρησης................................ | |||
Μητρώα Shift................................................ ................................. | |||
Μητρώα μνήμης................................................ ........ ................... | |||
Καθολικά μητρώα................................................ ......... | |||
Μητρώο δακτυλίου................................................ ................... | |||
Δακτυλιοειδής μετρητής................................................ ................... | |||
Μετρητές στα μητρώα βάρδιας................................................ ...... | |||
Παραδείγματα κατασκευής ψηφιακών συσκευών | |||
διαδοχικός τύπος................................................ ......... | |||
7 Συσκευές μνήμης ημιαγωγών................... | |||
Ταξινόμηση συσκευών αποθήκευσης .............................. | |||
Τύπος μάσκας ROM.......................................... ................................................ | |||
Εφάπαξ προγραμματιζόμενες ROM................................................... ...... | |||
Επαναπρογραμματιζόμενες ROM.......................................... ... | |||
Στατική RAM................................................ ...................................... | ||
Δυναμική RAM................................................ ...................................... | ||
Παραδείγματα τσιπ μνήμης................................................ ............ . | ||
Οργάνωση του μπλοκ μνήμης................................................ ...................... | ||
8 Παραδείγματα επίλυσης προβλημάτων.............................................. ............. | ||
9 Εργαστήριο ηλεκτρονικών υπολογιστών για ψηφιακά κυκλώματα... | ||
10 Επιλογές για δημιουργικές εργασίες................................................ ....... | ||
11 Παράδειγμα εκτέλεσης δημιουργικής εργασίας................................... | ||
Βιβλιογραφία................................................. ...................... | ||
Εφαρμογή. Συμβατικά γραφικά σύμβολα | ||
μικροκυκλώματα ..................................................... ...................................... |
||
1. ΕΙΣΑΓΩΓΗ
Η Ηλεκτρονική είναι ο κλάδος της επιστήμης και της τεχνολογίας που ασχολείται με:
– η μελέτη φυσικών φαινομένων και η ανάπτυξη συσκευών των οποίων η λειτουργία βασίζεται στη ροή ηλεκτρικού ρεύματος σε στερεό, κενό ή αέριο·
– μελετώντας τις ηλεκτρικές ιδιότητες, τα χαρακτηριστικά και τις παραμέτρους αυτών των συσκευών;
– πρακτική εφαρμογή αυτών των συσκευών σε διάφορες συσκευές και συστήματα.
Η πρώτη από αυτές τις κατευθύνσεις αποτελεί την περιοχή φυσικά ηλεκτρονικά. Η δεύτερη και η τρίτη κατεύθυνση συνθέτουν την περιοχή τεχνικά ηλεκτρονικά.
Κύκλωμα ηλεκτρονικών συσκευών είναι μια μηχανική ενσωμάτωση των αρχών της ηλεκτρονικής για την πρακτική εφαρμογή ηλεκτρονικών κυκλωμάτων σχεδιασμένων να εκτελούν συγκεκριμένες λειτουργίες παραγωγής, μετατροπής και αποθήκευσης σημάτων που μεταφέρουν πληροφορίες σε ηλεκτρονικά χαμηλού ρεύματος και λειτουργίες μετατροπής της ενέργειας ηλεκτρικού ρεύματος σε ηλεκτρονικά υψηλού ρεύματος .
Ιστορικά, τα ηλεκτρονικά ήταν συνέπεια της εμφάνισης και της ταχείας ανάπτυξης της ραδιομηχανικής. Η ραδιομηχανική ορίζεται ως ένας τομέας της επιστήμης και της τεχνολογίας που ασχολείται με την έρευνα, την ανάπτυξη, την κατασκευή και τη χρήση συσκευών και συστημάτων που έχουν σχεδιαστεί για τη μετάδοση πληροφοριών μέσω καναλιών επικοινωνίας ραδιοσυχνοτήτων.
Η ραδιομηχανική βασίζεται σε επιστημονικές ανακαλύψεις του 19ου αιώνα: το έργο του M. Faraday (Άγγλος), ο οποίος διευκρίνισε τους νόμους της αλληλεπίδρασης μεταξύ ηλεκτρικών και μαγνητικών πεδίων. J. Maxwell (Αγγλικά), ο οποίος γενίκευσε τους στοιχειώδεις νόμους του ηλεκτρομαγνητισμού και δημιούργησε ένα σύστημα εξισώσεων που περιγράφουν το ηλεκτρομαγνητικό πεδίο. Ο J. Maxwell προέβλεψε θεωρητικά έναν νέο τύπο ηλεκτρομαγνητικών φαινομένων - τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα που διαδίδονται στο διάστημα με την ταχύτητα του φωτός. Ο G. Hertz (Γερμανός) επιβεβαίωσε πειραματικά την ύπαρξη ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων.
Ο πρώτος ραδιοφωνικός δέκτης εφευρέθηκε, σχεδιάστηκε και δοκιμάστηκε με επιτυχία το 1895 από τον A.S. Ποπόφ (Ρώσος). Ένα χρόνο αργότερα, η ραδιοεπικοινωνία πραγματοποιήθηκε από τον G. Marconi (Ιταλός), ο οποίος κατοχύρωσε την εφεύρεσή του και έγινε βραβευμένος με Νόμπελ το 1909.
ΜΕ Από τότε, η ανάπτυξη της ραδιοτεχνολογίας έχει καθοριστεί από την εξέλιξη
αυτήν βάση στοιχείων, η οποία καθορίζεται κυρίως από τις εξελίξεις στην ηλεκτρονική. Είναι ενδιαφέρον να παρακολουθήσουμε εν συντομία τα κύρια στάδια ανάπτυξης της στοιχειώδους βάσης του.
Η απλούστερη ηλεκτρονική συσκευή - μια δίοδος κενού - εφευρέθηκε από τον T. Edison (Αμερικανό) το 1883, ο οποίος τοποθέτησε ένα μεταλλικό ηλεκτρόδιο στον κύλινδρο ενός λαμπτήρα πυρακτώσεως και κατέγραψε ένα ρεύμα προς μία κατεύθυνση σε ένα εξωτερικό κύκλωμα. Το 1904, ο J. Flemming χρησιμοποίησε για πρώτη φορά μια δίοδο κενού ως ανιχνευτή σε έναν ραδιοφωνικό δέκτη. Μια ενισχυτική ηλεκτρική συσκευή κενού - μια τρίοδος - εφευρέθηκε από τον Louis de Forest (Αμερικανός) το 1906. Από τότε, κατά το πρώτο τέταρτο του εικοστού αιώνα, η τεχνολογία των ηλεκτρικών συσκευών κενού έχει ωριμάσει σιγά σιγά σε πολλά επιστημονικά εργαστήρια σε πολλά χώρες του κόσμου. Στη Ρωσία, αυτή η κατεύθυνση ήταν επικεφαλής του επικεφαλής του εργαστηρίου Nizhny Novgorod M.A. Bonch-Bruevich. Ήδη το 1922, υπάλληλοι αυτού του εργαστηρίου κατασκεύασαν το πρώτο
V παγκόσμιος ραδιοφωνικός σταθμός που πήρε το όνομά του. Comintern με ισχύ 12 kW. Και μέχρι το 1927 κατασκευάστηκαν 57 τέτοιοι σταθμοί. Το 1925 δημιουργήθηκε ένας λαμπτήρας γεννήτριας 100 kW. Το 1933, ο ισχυρότερος ραδιοφωνικός σταθμός στον κόσμο (500 kW) τέθηκε σε λειτουργία στη Ρωσία. Ο πρώτος τηλεοπτικός πομπός ισχύος 15 kW τέθηκε σε λειτουργία στη Μόσχα το 1948. A.I. Μπεργκ μέσα 1927–1929 δημιούργησε την κλασική θεωρία των πομπών. V.A. Kotelnikov την περίοδο από το 1933 έως το 1946. αποδείχθηκε το θεώρημα της κβαντοποίησης του χρόνου, το οποίο έθεσε τα θεμέλια για μεθόδους επεξεργασίας ψηφιακών σημάτων, αποδείχθηκε η δυνατότητα ραδιοεπικοινωνίας σε μία πλευρική ζώνη και δημοσιεύτηκε η θεωρία της δυνητικής θορύβου.
Περίοδος από το 1920 έως το 1955 ήταν η εποχή των ηλεκτρονικών σωλήνων. Δημιουργήθηκε η πρώτη ημιαγωγική τρίοδος - τρανζίστορ
V 1948 από τους J. Bardin και W. Brattain (Αμερικανός). Από το 1955 ξεκινά η εποχή των ηλεκτρονικών ημιαγωγών. Τα πρώτα ολοκληρωμένα κυκλώματα εμφανίστηκαν στοδεκαετία του 1960. Ο πρώτος μικροεπεξεργαστής χρονολογείται από το 1971.
ΣΕ Το 1998, το τρανζίστορ γιόρτασε την επέτειο του μισού αιώνα:
V Την τελευταία μέρα του Ιουνίου 1948, η αμερικανική εταιρεία Bell Telephon Laboratoris παρουσίασε στο κοινό μια νέα ηλεκτρονική συσκευή, την οποία την επόμενη μέρα οι New York Times ανέφεραν επιπόλαια και χωρίς πάθος: «Τα στοιχεία λειτουργίας της συσκευής αποτελούνται από δύο λεπτά καλώδια. πιέζεται σε ένα κομμάτι ημιαγωγικής ουσίας. Η ουσία ενισχύει το ρεύμα που της παρέχεται μέσω ενός καλωδίου και το άλλο καλώδιο αφαιρεί το ενισχυμένο ρεύμα. Μια συσκευή που ονομάζεται τρανζίστορ μπορεί σε ορισμένες περιπτώσεις να χρησιμοποιηθεί αντί για σωλήνες κενού».
Ναι, αυτό ακριβώς έμοιαζε το πρώτο τρανζίστορ και δεν προκαλεί έκπληξη το γεγονός ότι ακόμη και οι ειδικοί δεν μπόρεσαν αμέσως να διακρίνουν το θριαμβευτικό μέλλον του. Εν τω μεταξύ, η παρουσιαζόμενη συσκευή θα μπορούσε να ενισχύσει και να παράγει ηλεκτρικά σήματα, καθώς και να εκτελέσει τη λειτουργία ενός κλειδιού που, κατόπιν εντολής, ανοίγει ή κλειδώνει ένα ηλεκτρικό κύκλωμα. Και, αυτό που είναι θεμελιωδώς σημαντικό, όλα αυτά έγιναν μέσα σε έναν στερεό κρύσταλλο, και όχι στο κενό, όπως συμβαίνει σε ένα σωλήνα ηλεκτρονίων. Αυτό είχε ως αποτέλεσμα ένα ολόκληρο σύνολο πιθανών πλεονεκτημάτων του τρανζίστορ: μικρές διαστάσεις, μηχανική αντοχή, υψηλή αξιοπιστία και ουσιαστικά απεριόριστη αντοχή. Τρία ή τέσσερα χρόνια αργότερα, όταν αναπτύχθηκαν πολύ πιο προηγμένα σχέδια τρανζίστορ, όλα αυτά τα αναμενόμενα πλεονεκτήματα άρχισαν να γίνονται πραγματικότητα.
Η τιμή της ανακάλυψης του φαινομένου του τρανζίστορ, για το οποίο απονεμήθηκε το Νόμπελ Φυσικής το 1956, ανήκει στους W. Shockley, J. Bardeen και W. Brattain. Είναι χαρακτηριστικό ότι και οι τρεις ήταν λαμπροί φυσικοί που επιδίωξαν σκόπιμα αυτή την ανακάλυψη. Ο Shockley, ο επικεφαλής της ερευνητικής ομάδας, έδωσε διαλέξεις για την κβαντική θεωρία των ημιαγωγών στα προπολεμικά χρόνια και ετοίμασε μια θεμελιώδη μονογραφία, η οποία για μεγάλο χρονικό διάστημα έγινε βιβλίο αναφοράς για ειδικούς σε αυτόν τον τομέα. Τα υψηλότερα προσόντα του Bardeen ως θεωρητικού φυσικού επιβεβαιώνονται όχι μόνο από την εφεύρεση του τρανζίστορ και την πρόβλεψη μιας σειράς επιπτώσεων στη συμπεριφορά των ημιαγωγών, αλλά και από το γεγονός ότι αργότερα, το 1972, μαζί με δύο άλλους ερευνητές, ήταν απονεμήθηκε και πάλι το βραβείο Νόμπελ - τώρα για τη δημιουργία της θεωρίας της υπεραγωγιμότητας. Brattain, ο παλαιότερος στην ομάδα την εποχή της εφεύρεσης
τρανζίστορ είχε δεκαπέντε χρόνια εμπειρίας στην έρευνα των επιφανειακών ιδιοτήτων των ημιαγωγών.
Αν και η ανακάλυψη του ίδιου του φαινομένου τρανζίστορ ήταν σε κάποιο βαθμό ένα ευτυχές ατύχημα (στη σημερινή γλώσσα, προσπάθησαν να φτιάξουν ένα τρανζίστορ πεδίου, αλλά έφτιαξαν ένα διπολικό), η θεωρητική εκπαίδευση των ερευνητών τους επέτρεψε να συνειδητοποιήσουν σχεδόν αμέσως τι είχαν ανακαλύψει και προβλέπουν μια ολόκληρη σειρά πολύ πιο προηγμένων συσκευών. Με άλλα λόγια, η δημιουργία ενός τρανζίστορ ήταν δυνατή μόνο για φυσικούς, οι οποίοι, κατ' ανάγκη, διέθεταν και ελάχιστες εφευρετικές ικανότητες.
Στη χώρα μας, το τρανζίστορ αναπαρήχθη το 1949 στο εργαστήριο Fryazino με επικεφαλής τον A.V. Krasilov, ένας μεγάλος επιστήμονας με την ευρύτερη ευρυμάθεια.
Τα πρώτα τρανζίστορ κατασκευάστηκαν με βάση το ημιαγωγό γερμανίου και επέτρεψαν θερμοκρασία λειτουργίας μόνο έως 70 ° C, και αυτό δεν ήταν αρκετό για πολλά εφαρμοσμένα προβλήματα.
Στο δεύτερο μισό της δεκαετίας του '50, συνέβη ένα αποφασιστικό ποιοτικό άλμα στην ανάπτυξη τρανζίστορ: αντί για γερμάνιο, άρχισαν να χρησιμοποιούν έναν άλλο ημιαγωγό - πυρίτιο. Ως αποτέλεσμα, η θερμοκρασία λειτουργίας των τρανζίστορ αυξήθηκε στους 120–150 °C, ενώ τα χαρακτηριστικά τους παρέμειναν εξαιρετικά σταθερά και η διάρκεια ζωής των συσκευών έγινε σχεδόν ατελείωτη. Αλλά, ίσως, το κυριότερο ήταν ότι το 1959 η αμερικανική εταιρεία Firechild ανέπτυξε το λεγόμενο επίπεδη τεχνολογία.Η αρχή εδώ ήταν ότι το λεπτότερο φιλμ διοξειδίου του πυριτίου, που αναπτύσσεται σε υψηλές θερμοκρασίες στην επιφάνεια του κρυστάλλου, προστατεύει αξιόπιστα το πυρίτιο από επιθετικές επιδράσεις και είναι ένας εξαιρετικός μονωτήρας. Σε αυτό το φιλμ δημιουργούνται "παράθυρα", μέσω των οποίων, επίσης σε υψηλές θερμοκρασίες, εισάγονται πρόσθετα ντόπινγκ στον ημιαγωγό - έτσι κατασκευάζονται θραύσματα της μελλοντικής συσκευής. Στη συνέχεια, οι αγωγοί ρεύματος αλουμινίου λεπτής μεμβράνης προς τις ενεργές ζώνες ψεκάζονται στην επιφάνεια που έχει απομονωθεί από τον όγκο - και το τρανζίστορ είναι έτοιμο. Οι ιδιαιτερότητες της διαδικασίας είναι ότι όλες οι κρούσεις στην πλάκα πραγματοποιούνται σε ένα επίπεδο και ότι η ταυτόχρονη επεξεργασία χιλιάδων και εκατομμυρίων
τρανζίστορ σε γκοφρέτα, γεγονός που οδηγεί στον υψηλότερο βαθμό αναπαραγωγιμότητας προϊόντος και υψηλή παραγωγικότητα.
Χρησιμοποιώντας μεθόδους επίπεδης τεχνολογίας, είναι εύκολο να διασφαλιστεί η απομόνωση των τρανζίστορ από το υπόστρωμα και το ένα από το άλλο, και από εδώ είναι μόνο ένα βήμα για τη δημιουργία ενσωματωμένο κύκλωμα(μικροκυκλώματα), δηλ. δημιουργούνται
ανάπτυξη ηλεκτρονικού κυκλώματος με ενεργά και παθητικά εξαρτήματα και τις συνδέσεις τους σε ένα μόνο τσιπ σε μια ενιαία τεχνολογική διαδικασία. Αυτό το βήμα έγινε το ίδιο 1959. Ο κόσμος έχει μπει σε μια εποχή μικροηλεκτρονική.
Ένα τυπικό μικροκύκλωμα είναι ένας κρύσταλλος πυριτίου (τσιπ), στην περιοχή πλησίον της επιφάνειας του οποίου κατασκευάζονται πολλά τρανζίστορ, τα οποία διασυνδέονται με κομμάτια μεμβράνης αλουμινίου σε ένα δεδομένο ηλεκτρικό κύκλωμα. Στο πρώτο μικροκύκλωμα, το "σετ" αποτελούνταν από μόνο 12 τρανζίστορ, αλλά μέσα σε δύο χρόνια το επίπεδο ολοκλήρωσης ξεπέρασε τα εκατό στοιχεία στο τσιπ και από τα μέσα της δεκαετίας του '60, μεγάλα ολοκληρωμένα κυκλώματα (LSI) που περιείχαν χιλιάδες στοιχεία άρχισαν να κυριαρχούν, μετά οι υπερμεγάλες (VLSI) κ.λπ.
Το μικροκύκλωμα έχει τη μεγαλύτερη ισχύ πληροφοριών, τόσο μεγαλύτερο είναι ο αριθμός των τρανζίστορ που περιέχει, δηλαδή, τόσο μεγαλύτερος πυκνότητα ολοκλήρωσης(πυκνότητα συσσώρευσης ενεργών στοιχείων στον κρύσταλλο). Και καθορίζεται από το ελάχιστο μέγεθος του ενεργού στοιχείου και την περιοχή του κρυστάλλου που μπορεί να αναπαράγει η τεχνολογία.
Τα βασικά που καλύπτονται σε αυτό το σεμινάριο σχέδιο ψηφιακού κυκλώματοςσχηματίζουν δεξιότητες σχεδιασμού κυκλωμάτων για την κατασκευή ψηφιακών συσκευών που βασίζονται σε ολοκληρωμένα κυκλώματα. Μελετάται η αρχή της λειτουργίας των απλούστερων λογικών στοιχείων και των μεθόδων σχεδιασμού μετατροπέων κώδικα, αθροιστών, ψηφιακών διακοπτών, flip-flops, καταχωρητών, μετρητών και τσιπ μνήμης που βασίζονται σε αυτά. Η λειτουργία πολλών συσκευών μπορεί να επαληθευτεί με προσομοίωση υπολογιστή χρησιμοποιώντας το πακέτο Electronics Workbench.
Η προτεινόμενη βιβλιογραφία περιλαμβάνει κυρίως βιβλία αναφοράς για ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα. Μεταξύ άλλων πηγών που χρησιμοποιούνται σε αυτό το εγχειρίδιο, θα ήθελα να σημειώσω τα έργα των αναπληρωτών καθηγητών TUSUR Potekhin V.A. και Shibaeva A.A. , στους οποίους ο συγγραφέας εκφράζει την ειλικρινή ευγνωμοσύνη του.
«ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΨΗΦΙΑΚΩΝ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ»
ΧΑΡΚΟΦ 2006
Πρόλογος
1 ΛΟΓΙΚΗ ΚΑΙ ΜΗΧΑΝΙΚΗ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΒΑΣΕΙΣ ΤΗΣ ΨΗΦΙΑΚΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ΜΙΚΡΟΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ
1.2 Λογικά στοιχεία
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
4.2 Καταχωρητές μνήμης
4.3 Μητρώα βάρδιας
4.4 Αντιστροφή καταχωρητών
4.5 Μητρώα γενικής χρήσης
5 ΜΕΤΡΗΤΕΣ
5.4 Μετρητές όπισθεν
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
| x2 | x1 | y |
| 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 1 |
| 1 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 1 |
1.2 Λογικά στοιχεία
1.2.1 Γενικές πληροφορίες για λογικά στοιχεία
Τα λογικά στοιχεία είναι ηλεκτρονικά κυκλώματα που υλοποιούν τις απλούστερες λογικές συναρτήσεις.
Τα λογικά στοιχεία αναπαρίστανται σχηματικά με τη μορφή ορθογωνίων, στο πεδίο των οποίων απεικονίζεται ένα σύμβολο που υποδεικνύει τη λειτουργία που εκτελεί αυτό το στοιχείο. Για παράδειγμα, το σχήμα 1.1 δείχνει τα σύμβολα των στοιχείων που υλοποιούν τις λογικές συναρτήσεις NOT, AND, OR, AND-NOT, OR-NOT.
Εικόνα 1.1 - Σύμβολα λογικών στοιχείων NOT, AND, OR, AND-NOT, OR-NOT
Οι μεταβλητές εισόδου απεικονίζονται συνήθως στα αριστερά και οι μεταβλητές εξόδου στα δεξιά. Πιστεύεται ότι η μεταφορά πληροφοριών γίνεται από αριστερά προς τα δεξιά.
Εάν οι έξοδοι ορισμένων στοιχείων συνδέονται με τις εισόδους άλλων, παίρνουμε ένα κύκλωμα που υλοποιεί μια πιο σύνθετη συνάρτηση. Ένα σύνολο διαφορετικών τύπων στοιχείων επαρκών για την αναπαραγωγή οποιασδήποτε λογικής συνάρτησης θα ονομάζεται λογική βάση. Τα στοιχεία AND και NOT αντιπροσωπεύουν μια τέτοια λογική βάση.
Μια λογική βάση μπορεί να αποτελείται μόνο από έναν τύπο στοιχείου, για παράδειγμα ένα στοιχείο AND-NOT, το διάγραμμα του οποίου φαίνεται στο Σχ. 1.2.
Σχήμα 1.2 - Σχέδιο για τη λήψη του στοιχείου AND-NOT
Η ευελιξία του στοιχείου AND─NOT έχει εξασφαλίσει την ευρεία χρήση του στη δημιουργία λογικών συσκευών ψηφιακής τεχνολογίας υπολογιστών.
Υπάρχει μια σειρά από άλλα στοιχεία που υλοποιούν απλές λογικές συναρτήσεις. Αυτά περιλαμβάνουν, για παράδειγμα, το στοιχείο άθροισης modulo two (αποκλειστικό OR), το οποίο υλοποιεί τη συνάρτηση της άνισης σημασίας δύο μεταβλητών:
Ο πίνακας αλήθειας και το σύμβολο για ένα τέτοιο στοιχείο φαίνονται στο Σχ. 1.3.
| X2 | Χ1 | U |
| 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 1 |
| 1 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 0 |
Εικόνα 1.3 - Πίνακας αληθειών και σύμβολο του στοιχείου "αποκλειστικό OR".
Η συνάρτηση ανισότητας είναι ίση με ένα μόνο στην περίπτωση που οι μεταβλητές xl και x2 έχουν διαφορετικές τιμές.
1.2.2 Παράμετροι λογικών στοιχείων
Τα πιο απλά ψηφιακά στοιχεία χαρακτηρίζονται από τις ακόλουθες παραμέτρους:
Ταχύτητα tз ср,
Ικανότητα φόρτωσης (λόγος διακλάδωσης εξόδου) n,
Συντελεστής συνδυασμού εισόδου (αριθμός εισόδων του λογικού στοιχείου) t,
Ανοσία θορύβου Un,
Κατανάλωση ρεύματος Рср,
Τάση τροφοδοσίας U,
Επίπεδο σήματος.
Η απόδοση είναι μια από τις πιο σημαντικές παραμέτρους, που χαρακτηρίζεται από τον μέσο χρόνο καθυστέρησης μετάδοσης του σήματος
όπου και είναι οι καθυστερήσεις ενεργοποίησης και απενεργοποίησης του κυκλώματος (Εικόνα 1.4).
Εικόνα 1.4 - Καθυστερήσεις ενεργοποίησης και απενεργοποίησης κυκλώματος
Η χωρητικότητα φορτίου δείχνει πόσες λογικές εισόδους μπορούν να συνδεθούν ταυτόχρονα στην έξοδο ενός δεδομένου λογικού στοιχείου χωρίς να διαταραχθεί η λειτουργία του.
Ο συντελεστής συνδυασμού εισόδου καθορίζει τον μέγιστο δυνατό αριθμό εισόδων ενός λογικού στοιχείου. Η αύξηση του m επεκτείνει τις λογικές δυνατότητες του κυκλώματος λόγω της υλοποίησης μιας συνάρτησης από μεγαλύτερο αριθμό ορισμάτων σε ένα στοιχείο AND-NOT, OR-NOT κ.λπ., ωστόσο, ταυτόχρονα, η απόδοση και η ανοσία θορύβου επιδεινώνονται.
Η ατρωσία θορύβου χαρακτηρίζει την ικανότητα ενός στοιχείου να λειτουργεί σωστά παρουσία παρεμβολών. Η ατρωσία θορύβου καθορίζεται από τη μέγιστη επιτρεπόμενη τάση παρεμβολής στην οποία διασφαλίζεται η λειτουργία του κυκλώματος.
Η κατανάλωση ισχύος χαρακτηρίζεται από μια μέση τιμή
Рср = (Р0 + Р3)/ 2,
όπου P0 και P3 είναι η κατανάλωση ενέργειας στην ανοικτή και κλειστή κατάσταση του κυκλώματος. Σε αυτήν την περίπτωση, θεωρείται ότι περίπου τα μισά κυκλώματα της συσκευής είναι ανοιχτά ανά πάσα στιγμή. Ωστόσο, σε συσκευές που διαθέτουν σύνθετο μετατροπέα, η κατανάλωση ρεύματος εξαρτάται από τη συχνότητα μεταγωγής τους. Επομένως, εδώ είναι απαραίτητο να ληφθεί υπόψη η μέση κατανάλωση ισχύος στον μέγιστο επιτρεπόμενο ρυθμό επανάληψης των παλμών μεταγωγής και έναν κύκλο λειτουργίας δύο. Κατά τον προσδιορισμό αυτής της ισχύος, ο μέσος όρος πραγματοποιείται κατά τη διάρκεια της πλήρους περιόδου μεταγωγής του κυκλώματος.
Τα λογικά στοιχεία χαρακτηρίζονται επίσης από τον αριθμό των χρησιμοποιούμενων τροφοδοτικών και τις τιμές τάσης τροφοδοσίας, καθώς και από την πολικότητα και το επίπεδο των σημάτων εισόδου και εξόδου.
1.2.3 Βασικά κυκλώματα λογικής πύλης
Από όλη την ποικιλία σχεδιασμού κυκλωμάτων και τεχνολογικού σχεδιασμού ψηφιακών κυκλωμάτων, δύο κύριοι τύποι είναι πιο διαδεδομένοι: τα κυκλώματα TTL και MOS.
1.2.3.1 Βασικά ολοκληρωμένα κυκλώματα TTL
Το κύριο χαρακτηριστικό των στοιχείων TTL είναι η χρήση τρανζίστορ πολλαπλών εκπομπών (MET), τα οποία υλοποιούν τη λειτουργία «AND». Τα βασικά ολοκληρωμένα κυκλώματα TTL υλοποιούν τη λειτουργία NAND και έχουν δύο τύπους εξόδων: με φορτίο στον συλλέκτη του τρανζίστορ εξόδου VT4 (R3, VT3, VD) και με ανοιχτό συλλέκτη. Και οι δύο επιλογές φαίνονται στα σχήματα 1.5 και 1.6.
Εικόνα 1.5 - Βασικό ολοκληρωμένο κύκλωμα TTL με φορτίο στον συλλέκτη του τρανζίστορ εξόδου
Εικόνα 1.6 - Βασικό ολοκληρωμένο κύκλωμα TTL ανοιχτού συλλέκτη
Στο κύκλωμα στο σχήμα 1.5, ένας σύνθετος μετατροπέας εφαρμόζεται στα τρανζίστορ VT2-VT4, εκτελώντας τη λειτουργία "NOT", η οποία κατέστησε δυνατή τη διασφάλιση υψηλής χωρητικότητας φορτίου, επαρκή ταχύτητα και θόρυβο του κυκλώματος. Επιπλέον, στο κύκλωμα εξόδου δεν υπάρχει ρεύμα μέσω του κυκλώματος +5V μέσω του κοινού καλωδίου R3 – VT3 – VD – VT4, γιατί Σε οποιαδήποτε κατάσταση, ένα από τα τρανζίστορ είτε VT3 είτε VT4 είναι κλειστό.
Το κύκλωμα στο Σχήμα 1.6 με ανοιχτό συλλέκτη σας επιτρέπει να έχετε πολλές παράλληλες εξόδους, γεγονός που αυξάνει τη χωρητικότητα φορτίου του κυκλώματος.
Ας εξετάσουμε την αρχή λειτουργίας ενός βασικού κυκλώματος TTL (Εικόνα 1.5) για δύο περιπτώσεις που αντιστοιχούν σε διαφορετικά σύνολα σημάτων εισόδου.
Περίπτωση 1. Εάν όλες οι είσοδοι του MET VT1 τροφοδοτούνται με τάσεις που αντιστοιχούν στο επίπεδο της λογικής, τότε οι διασταυρώσεις εκπομπού του VT1 είναι κλειστές και το ρεύμα ρέει μέσω της αντίστασης R1, της ανοικτής σύνδεσης συλλέκτη στη βάση του τρανζίστορ VT2, ανοίγοντάς την . Τώρα το ρεύμα ρέει μέσω της αντίστασης R2, ανοίγει το VT2 και, στη συνέχεια, το ενισχυμένο ρεύμα από τον πομπό VT2 εισέρχεται στη βάση του τρανζίστορ αναστροφής εξόδου VT4, ανοίγοντάς το σε κορεσμό, συνδέοντας έτσι την έξοδο στο κοινό καλώδιο - και η τάση στην έξοδο Y θα αντιστοιχούν στο επίπεδο του λογικού μηδενός. Σε αυτήν την περίπτωση, το τρανζίστορ VT3 θα κλείσει, επειδή Το δυναμικό βάσης του δεν θα υπερβαίνει το 1V, το οποίο δεν είναι αρκετό για να ανοίξει το VT3.
Πραγματικά:
UbVT3 = UbeVT4 + UkeVT2 = 0,7 + 0,3 = 1V;
UеVT3 = UеVT4 + UVD = 0,3 + 0,7 = 1V.
UеVT3 = UеVT3 – UеVT3 = 1 – 1 = 0.
Περίπτωση 2. Εάν μια τάση εισόδου που αντιστοιχεί σε ένα λογικό μηδενικό επίπεδο εμφανίζεται σε τουλάχιστον μία είσοδο του MET VT1, τότε η αντίστοιχη μετάβαση βάσης-εκπομπού VT1 θα ανοίξει, το MET θα μεταβεί σε κατάσταση κορεσμού και το δυναμικό του συλλέκτη του θα γίνει κοντά στο μηδέν.
Πιο συγκεκριμένα, εάν υποθέσουμε ότι το λογικό μηδέν δεν υπερβαίνει τα 0,3V και η πτώση τάσης στην ανοικτή διασταύρωση βάσης-εκπομπού VT1 είναι 0,7V, τότε το δυναμικό βάσης του VT1 δεν θα είναι μεγαλύτερο από 0,3 + 0,7 = 1V. Κατά συνέπεια, το VT2 θα κλείσει και το VT4 θα κλείσει, επειδή για να τα ανοίξετε χρειάζεστε 0,7V και συν 0,7V για να ανοίξετε τη διασταύρωση βάσης-συλλέκτη VT1. Έτσι, για να ανοίξετε την αλυσίδα VT2 - VT4, είναι απαραίτητο στη βάση του VT1 να υπάρχει τουλάχιστον 0,7 + 0,7 + 0,7 = 2,1 V, που αντιστοιχεί στην πρώτη περίπτωση.
Το τρανζίστορ VT3 θα ανοίξει για τον ακόλουθο λόγο. Επειδή Το VT2 είναι κλειστό, τότε δεν υπάρχει ρεύμα μέσω του R2 και, κατά συνέπεια, μια πτώση τάσης σε αυτό, επομένως το δυναμικό στον συλλέκτη του VT2, και επομένως στη βάση του VT3, θα αυξηθεί στα 5V. Στην έξοδο του κυκλώματος, θα ρυθμιστεί μια τάση που αντιστοιχεί στο επίπεδο μιας λογικής μονάδας, η οποία τροφοδοτείται μέσω ανοιχτού VT3 από +5V.
Εκτός από τα εξεταζόμενα κυκλώματα TTL, διατίθενται κυκλώματα τριών καταστάσεων για τη διασφάλιση της συνεργασίας με τις γραμμές κορμού (Εικόνα 1.7).
Εικόνα 1.7 - Βασικό ολοκληρωμένο κύκλωμα TTL τριών καταστάσεων
Το όνομα αυτών των κυκλωμάτων μπορεί να είναι παραπλανητικό καθώς στην πραγματικότητα δεν είναι πύλες τριών τάσεων. Αυτά είναι τα πιο κοινά λογικά κυκλώματα που έχουν μια τρίτη κατάσταση εξόδου - "ανοιχτό". Συνδυάζουν όλα τα πλεονεκτήματα των στοιχείων με μια αντίσταση στο κύκλωμα φορτίου και τη δυνατότητα εργασίας σε κοινό δίαυλο, που έχει ένα κύκλωμα με ανοιχτό συλλέκτη. Τα κυκλώματα τριών καταστάσεων έχουν μια ξεχωριστή είσοδο πύλης C (συνήθως ορίζεται CS (Chip Select)), με τη βοήθεια της οποίας (όταν εφαρμόζεται ένα λογικό μηδέν σε αυτό) μπορούν να ρυθμιστούν στην τρίτη κατάσταση, ανεξάρτητα από το ποια σήματα ενεργούν Η τρίτη κατάσταση χαρακτηρίζεται από το γεγονός ότι και τα δύο τρανζίστορ VT3 και VT4 είναι κλειστά και η έξοδος δεν είναι συνδεδεμένη ούτε στα +5V ούτε στο κοινό καλώδιο.
Λόγω των βελτιωμένων χαρακτηριστικών τους, χρησιμοποιούνται συνήθως ως οδηγοί λεωφορείων αντί για ανοιχτά κυκλώματα συλλέκτη. Σε αυτή την περίπτωση, δεν είναι απαραίτητο να εγκαταστήσετε αντίσταση φορτίου.
1.2.3.2 Λογικά κυκλώματα βασισμένα σε τρανζίστορ MOS
Επί του παρόντος, παράγονται διάφοροι τύποι λογικών κυκλωμάτων που βασίζονται σε τρανζίστορ MOS. Η ιδιαιτερότητα των IC που βασίζονται σε δομές MOS είναι ότι δεν υπάρχουν αντιστάσεις σε αυτά τα κυκλώματα και ο ρόλος των μη γραμμικών αντιστάσεων εκτελείται από κατάλληλα συνδεδεμένα τρανζίστορ. Έχουν υψηλή χωρητικότητα φορτίου και θόρυβο και καταλαμβάνουν μικρή περιοχή στην επιφάνεια του τσιπ, είναι τεχνολογικά προηγμένα και φθηνά. Τα MOSFET είναι κατ' αρχήν παρόμοια με τους σωλήνες κενού, καθώς ελέγχονται από την τάση και όχι από το ρεύμα.
Τα κυκλώματα που βασίζονται σε τρανζίστορ MOS εξακολουθούν να είναι πιο αργά από τα κυκλώματα που βασίζονται σε διπολικά τρανζίστορ, γεγονός που εξηγείται από τις μάλλον σημαντικές χωρητικότητες που σχηματίζονται μεταξύ της πύλης, της πηγής, της αποστράγγισης και του υποστρώματος του τρανζίστορ MOS, οι οποίες απαιτούν συγκεκριμένο χρόνο για να επαναφορτιστούν.
Τα πιο ευρέως χρησιμοποιούμενα είναι τα κυκλώματα CMOS (συμπληρωματικά κυκλώματα MOS), στα οποία χρησιμοποιούνται και τρανζίστορ καναλιού p και καναλιού p μαζί.
Τα πλεονεκτήματα των κυκλωμάτων που βασίζονται σε τρανζίστορ CMOS είναι η χαμηλή κατανάλωση ενέργειας, η υψηλή απόδοση και η αυξημένη θόρυβος. Η βάση όλων των λογικών κυκλωμάτων CMOS είναι ο μετατροπέας CMOS (Εικόνα 1.8).
Εικόνα 1.8 - Μετατροπέας CMOS
Εδώ το κάτω τρανζίστορ έχει κανάλι τύπου n, το πάνω έχει κανάλι τύπου p. Οι πύλες και των δύο τρανζίστορ συνδυάζονται και εφαρμόζεται τάση ελέγχου σε αυτά. Τα υποστρώματα συνδέονται με τις πηγές. Όταν λαμβάνεται μια τάση υψηλού επιπέδου (λογική) στην είσοδο, ανοίγει ένα τρανζίστορ με κανάλι τύπου n (κάτω) και ένα τρανζίστορ με κανάλι τύπου p (πάνω) κλείνει. Η έξοδος είναι ένα λογικό μηδενικό σήμα.
Αντίθετα, όταν εφαρμόζεται τάση που αντιστοιχεί σε λογικό μηδενικό επίπεδο στην είσοδο, το πάνω τρανζίστορ ανοίγει και το κάτω κλείνει. Η έξοδος είναι ένα λογικό σήμα.
Ένα κύκλωμα που υλοποιεί τη συνάρτηση NOR φαίνεται στο Σχήμα 1.9.
Εικόνα 1.9 - Κύκλωμα CMOS NOR
Όταν λαμβάνεται μια τάση που αντιστοιχεί σε ένα λογικό επίπεδο στην είσοδο Α, το τρανζίστορ VT4 ανοίγει και το VT1 κλείνει, με αποτέλεσμα η τάση εξόδου να αντιστοιχεί σε ένα λογικό μηδενικό επίπεδο. Όταν μια τάση που αντιστοιχεί σε ένα λογικό μηδενικό επίπεδο εφαρμόζεται στις εισόδους Α και Β, τα τρανζίστορ VT3 και VT4 κλείνουν και τα VT1 και VT2 ανοίγουν. Σε αυτή την περίπτωση, η τάση εξόδου θα αντιστοιχεί στο επίπεδο μιας λογικής (δηλαδή κοντά στην τάση Ε).
Το κύκλωμα που υλοποιεί τη συνάρτηση NAND φαίνεται στο Σχήμα 1.10.
Εικόνα 1.10 - Κύκλωμα CMOS NAND
Τα μειονεκτήματα της τεχνολογίας CMOS περιλαμβάνουν το γεγονός ότι είναι αδύνατο να επιτευχθεί η ίδια υψηλή πυκνότητα συσκευασίας όπως με την τεχνολογία MOS λόγω κάποιου πλεονασμού τρανζίστορ. Ωστόσο, τα κυκλώματα CMOS δεν ρέουν συνεχώς ρεύμα, γεγονός που μειώνει σημαντικά την κατανάλωση ενέργειας σε στατική λειτουργία. Στη δυναμική λειτουργία, η κατανάλωση ενέργειας αυξάνεται λόγω της επαναφόρτισης των χωρητικοτήτων διαηλεκτροδίων των τρανζίστορ και του ταυτόχρονου ανοίγματος όλων των τρανζίστορ τη στιγμή της μεταγωγής, δηλαδή η κατανάλωση ισχύος τέτοιων κυκλωμάτων αυξάνεται με την αύξηση της συχνότητας μεταγωγής.
1.3 Βασικοί νόμοι της λογικής άλγεβρας
Οι ακόλουθοι βασικοί νόμοι γίνονται δεκτοί στην άλγεβρα της λογικής:
Ανταλλακτική (ανταλλάξιμες ιδιότητες)
x1 V x2 = x2V x1
x1 x2 = x2 x1
Συνδετικός (ιδιότητες συσχέτισης)
x1 V (x2 V x 3) = (x1 V x2) V x 3
x1 (x2 x 3) = (x1 x2) x 3
Διανεμητικές (διανεμητικές ιδιότητες)
x1 V x2 x 3 = (x1 V x2) (x1 V x3)
x1 (x2 V x 3) = x1 x2 V x1 x3
Νόμος της αντιστροφής (κανόνας του de Morgan)
Νόμος του δεσμού
Οι νόμοι μετατροπής και συνδυασμού βρίσκονται στη συνηθισμένη άλγεβρα και είναι αναμφίβολα.
Δεν υπάρχει νόμος διανομής για τον πολλαπλασιασμό και ο νόμος της αντιστροφής στη συνηθισμένη άλγεβρα. Η απόδειξη αυτών των νόμων μπορεί να γίνει με τη σύνταξη πινάκων αλήθειας για τη δεξιά και την αριστερή πλευρά των εξισώσεων που περιγράφουν έναν συγκεκριμένο νόμο.
Ο νόμος της αντιστροφής μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη μετάβαση από διαχωρισμό σε σύνδεσμο και το αντίστροφο. Έτσι, για παράδειγμα, εάν εφαρμόσουμε αντιστροφή στο αριστερό και το δεξί μέρος των παραστάσεων που αντικατοπτρίζουν το νόμο της αντιστροφής, παίρνουμε 
, και επιπλέον 
. Ένας τέτοιος μετασχηματισμός μπορεί να είναι απαραίτητος κατά το σχεδιασμό ενός λογικού κυκλώματος για μετάβαση σε βάση NAND.
Στον νόμο της κόλλησης, κάθε ζεύγος στοιχειωδών προϊόντων που συνδυάζεται διαφέρει μόνο σε μία μεταβλητή (x2), η οποία εισέρχεται στο πρώτο γινόμενο χωρίς άρνηση και στο δεύτερο με άρνηση. Τέτοια στοιχειώδη προϊόντα ονομάζονται γειτονικά. Ο νόμος της κόλλησης εφαρμόζεται σε γειτονικά προϊόντα, με αποτέλεσμα ο αριθμός των αθροιστικών γινομένων και ο αριθμός των μεταβλητών να μειώνονται κατά μία. Η μόνη μεταβλητή που μένει είναι αυτή που δεν αλλάζει.
1.4 Διαζευκτικές κανονικές μορφές
Πολλές διαφορετικές μορφές μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να γραφτεί η ίδια λογική συνάρτηση άλγεβρας. Οι μορφές που αντιπροσωπεύουν αθροίσματα στοιχειωδών προϊόντων ονομάζονται διαζευκτικές κανονικές μορφές (DNF).
Ένα στοιχειώδες γινόμενο είναι ένα προϊόν στο οποίο οι παράγοντες είναι μόνο μεμονωμένες μεταβλητές ή οι αρνήσεις τους.
Προφανώς, η ίδια συνάρτηση μπορεί να αναπαρασταθεί από πολλά διαφορετικά DNF. Ωστόσο, υπάρχουν τύποι DNF στους οποίους η συνάρτηση μπορεί να γραφτεί με μοναδικό τρόπο. Αυτές οι μορφές ονομάζονται τέλειες διαχωριστικές κανονικές μορφές (PDNF). Το SDNF ορίζεται ως το άθροισμα των στοιχειωδών προϊόντων στα οποία υπάρχουν όλες οι μεταβλητές, είτε με είτε χωρίς άρνηση.
Ο κανόνας για τη σύνταξη μιας συνάρτησης SDNF σύμφωνα με τον πίνακα αληθείας της:
Για όλους τους συνδυασμούς μεταβλητών εισόδου που μετατρέπουν τη συνάρτηση σε μία, σημειώστε τα στοιχειώδη γινόμενα, αντιστρέφοντας τις μεταβλητές που είναι ίσες με το μηδέν σε έναν δεδομένο συνδυασμό και συνδέστε όλα τα στοιχειώδη γινόμενα που προκύπτουν με λογικά πρόσημα άθροισης.
Ας δούμε ένα παράδειγμα. Αφήστε τη συνάρτηση να καθορίζεται από έναν πίνακα αληθείας (Πίνακας 1.4). Απαιτείται η εγγραφή της συνάρτησης SDNF χρησιμοποιώντας τον πίνακα αληθείας της.
Πίνακας 1.4- Πίνακας αλήθειας
| x2 | x1 | x0 | F(x2, x1, x0) |
| 0 | 0 | 0 | 0 |
| 0 | 0 | 1 | 1 |
| 0 | 1 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 0 | 1 |
| 1 | 0 | 1 | 1 |
| 1 | 1 | 0 | 0 |
| 1 | 1 | 1 | 0 |
ο πίνακας αλήθειας μιας τέτοιας συνάρτησης περιέχει τρεις σειρές στις οποίες η συνάρτηση είναι ίση με μία. Κάθε μία από αυτές τις γραμμές αντιστοιχεί σε έναν συγκεκριμένο συνδυασμό μεταβλητών εισόδου, δηλαδή: 001, 100 και 101.
Ας εφαρμόσουμε τον κανόνα εγγραφής SDNF στη συνάρτηση που παρουσιάζεται στον Πίνακα 1.4 και πάρουμε τρία βασικά προϊόντα που αντιστοιχούν στους συνδυασμούς εισόδου. Συνδέοντας αυτά τα προϊόντα με λογικά σημάδια άθροισης, φτάνουμε στο SDNF:
F(x2, x1, x0) = .
1.5 Ελαχιστοποίηση λογικών συναρτήσεων
Το SDNF δεν είναι πάντα η απλούστερη έκφραση μιας συνάρτησης. Οι ίδιοι μετασχηματισμοί καθιστούν δυνατή τη σημαντική απλοποίηση (ελαχιστοποίηση) των εκφράσεων των λογικών συναρτήσεων. Κάθε λογική λειτουργία υλοποιείται χρησιμοποιώντας ένα συγκεκριμένο σύνολο συσκευών. Όσο λιγότερα στοιχεία περιέχει μια παράσταση, τόσο πιο απλό είναι το κύκλωμα που υλοποιεί την αντίστοιχη λογική συνάρτηση. Ως εκ τούτου, είναι σημαντικό να εξεταστούν μέθοδοι για την ελαχιστοποίηση των λογικών συναρτήσεων.
Υπάρχουν μέθοδοι ελαχιστοποίησης αναλυτικών και πινάκων.
1.5.1 Αναλυτικές μέθοδοι
Η πιο κοινή είναι η μέθοδος των άμεσων μετασχηματισμών ταυτότητας. Αυτή η μέθοδος συνίσταται στη διαδοχική εφαρμογή των νόμων και των κανόνων των πανομοιότυπων μετασχηματισμών της άλγεβρας της λογικής σε έναν συγκεκριμένο τύπο.
η μέθοδος των άμεσων μετασχηματισμών δεν προσφέρεται για σαφή αλγόριθμο. Οι ενέργειες που χρησιμοποιούνται στην εφαρμογή αυτής της μεθόδου καθορίζονται από τον τύπο της αρχικής έκφρασης που μετατρέπεται, τα προσόντα του ερμηνευτή και άλλους υποκειμενικούς παράγοντες. Η απουσία τέτοιου αλγοριθμισμού αυξάνει σημαντικά την πιθανότητα σφαλμάτων και τη δυνατότητα απόκτησης ενός ατελώς ελαχιστοποιημένου τύπου.
Η μέθοδος των άμεσων μετασχηματισμών είναι πιο κατάλληλη για απλούς τύπους όταν η ακολουθία μετασχηματισμών είναι προφανής στον εκτελεστή. Τις περισσότερες φορές, αυτή η μέθοδος χρησιμοποιείται για την τελική ελαχιστοποίηση των εκφράσεων που λαμβάνονται μετά την ελαχιστοποίησή τους με άλλες μεθόδους.
Η επιθυμία αλγορίθμου αναζήτησης γειτονικών στοιχειωδών προϊόντων οδήγησε στην ανάπτυξη μεθόδων πινάκων για την ελαχιστοποίηση λογικών συναρτήσεων. Ένα από αυτά είναι μια μέθοδος που βασίζεται στη χρήση των χαρτών Karnaugh.
1.5.2 Χρήση χαρτών Karnaugh
Ένας χάρτης Karnaugh είναι μια γραφική αναπαράσταση του πίνακα αλήθειας των λογικών συναρτήσεων.
Είναι ένας πίνακας που περιέχει 2n ορθογώνια κελιά, όπου n είναι ο αριθμός των λογικών μεταβλητών. Για παράδειγμα, ένας χάρτης Karnaugh για μια συνάρτηση τεσσάρων μεταβλητών έχει 24 = 16 κελιά. Η δομή των χαρτών Karnaugh για συναρτήσεις δύο και τριών μεταβλητών φαίνεται παρακάτω.
Εικόνα 1.11 - Πίνακας αλήθειας (α) και δομή των χαρτών Carnaugh (β) για μια συνάρτηση δύο μεταβλητών
Εικόνα 1.12- Πίνακας αλήθειας (α) και δομή των χαρτών Carnaugh (β) για μια συνάρτηση τριών μεταβλητών
Ο χάρτης επισημαίνεται με ένα σύστημα συντεταγμένων που αντιστοιχεί στις τιμές των μεταβλητών εισόδου. Για παράδειγμα, η επάνω γραμμή του χάρτη για μια συνάρτηση τριών μεταβλητών αντιστοιχεί στη μηδενική τιμή της μεταβλητής x1 και η κάτω γραμμή αντιστοιχεί στη μοναδιαία τιμή της. Κάθε στήλη αυτού του χάρτη χαρακτηρίζεται από τις τιμές δύο μεταβλητών: x2 και x3. Ο συνδυασμός αριθμών που επισημαίνουν κάθε στήλη δείχνει για ποιες τιμές των μεταβλητών x2 και x3 υπολογίζεται η συνάρτηση που τοποθετείται στα κελιά αυτής της στήλης.
Εάν μια συνάρτηση είναι ίση με ένα σε ένα καθορισμένο σύνολο μεταβλητών, τότε το SDNF της περιέχει απαραίτητα ένα στοιχειώδες γινόμενο που παίρνει τη μονάδα τιμής σε αυτό το σύνολο. Έτσι, τα κελιά του χάρτη Carnot που αντιπροσωπεύουν μια συνάρτηση περιέχουν τόσες μονάδες όσες υπάρχουν στοιχειώδη προϊόντα που περιέχονται στο SDNF της, και κάθε μονάδα αντιστοιχεί σε ένα από τα στοιχειώδη γινόμενα.
Ας σημειώσουμε ότι οι συντεταγμένες των σειρών και των στηλών στον χάρτη Carnaugh δεν ακολουθούν τη φυσική σειρά αύξησης των δυαδικών κωδικών, αλλά με τη σειρά 00, 01, 11, 10. Η αλλαγή στη σειρά των συνόλων γίνεται έτσι ώστε γειτονικά σύνολα είναι γειτονικά, δηλ. διέφερε ως προς την τιμή μιας μόνο μεταβλητής. Τα κελιά στα οποία η συνάρτηση παίρνει τιμές ίσες με μία γεμίζουν με αυτές. Τα υπόλοιπα κελιά είναι γεμάτα με μηδενικά.
Ας εξετάσουμε τη διαδικασία ελαχιστοποίησης χρησιμοποιώντας το παράδειγμα που παρουσιάζεται στην Εικόνα 1.13.
Αρχικά, σχηματίζουμε ορθογώνια που περιέχουν 2k κελιά, όπου το k είναι ακέραιος. Τα γειτονικά κελιά που αντιστοιχούν σε παρακείμενα στοιχειώδη προϊόντα συνδυάζονται σε ορθογώνια.
Εικόνα 1.13-Πίνακας αλήθειας (α) και χάρτης Carnaugh (β)
Για παράδειγμα, στο σχήμα 1.13b, συνδυάζονται κελιά με συντεταγμένες 001 και 101. Όταν αυτά τα κελιά συνδυάζονται, σχηματίζεται ένα ορθογώνιο στο οποίο η μεταβλητή x1 αλλάζει την τιμή της. Κατά συνέπεια, θα εξαφανιστεί όταν κολληθούν τα αντίστοιχα στοιχειώδη προϊόντα και θα παραμείνουν μόνο x2 και x3, και παίρνουμε τη μεταβλητή x2 σε αντίστροφη μορφή, επειδή είναι ίσο με 0.
Τα κελιά που βρίσκονται στην πρώτη σειρά (Εικόνα 1.13,β) περιέχουν μονάδες και είναι γειτονικά. Επομένως, όλα συνδυάζονται σε ένα ορθογώνιο που περιέχει 22 = 4 κελιά.
Οι μεταβλητές x2 και x3 μέσα στο ορθογώνιο αλλάζουν την τιμή τους. Επομένως, θα εξαφανιστούν από το προκύπτον στοιχειώδες προϊόν. Η μεταβλητή x1 παραμένει αμετάβλητη και ίση με μηδέν. Έτσι, το στοιχειώδες προϊόν που προκύπτει από το συνδυασμό των κελιών της πρώτης σειράς του Σχήματος 1.13,6 περιέχει μόνο ένα x1, το οποίο παίρνουμε σε αντίστροφη μορφή, επειδή είναι ίσο με 0. Αυτό, συγκεκριμένα, προκύπτει από το γεγονός ότι τα τέσσερα κελιά της πρώτης σειράς αντιστοιχούν στο άθροισμα τεσσάρων βασικών γινομένων:
Η συνάρτηση που αντιστοιχεί στο σχήμα 1.6 έχει τη μορφή:
Η συλλογή των ορθογωνίων που καλύπτει όλες τις μονάδες ονομάζεται κάλυμμα. Σημειώστε ότι το ίδιο κελί (για παράδειγμα, κελί με συντεταγμένες 001) μπορεί να καλυφθεί δύο ή περισσότερες φορές.
Μπορούμε λοιπόν να βγάλουμε τα εξής συμπεράσματα:
1. Ο τύπος που προκύπτει από την ελαχιστοποίηση μιας λογικής συνάρτησης με χρήση των χαρτών Carnaugh περιέχει το άθροισμα τόσων βασικών προϊόντων όσα ορθογώνια υπάρχουν στην κάλυψη.
2. Όσο περισσότερα κελιά υπάρχουν σε ένα ορθογώνιο, τόσο λιγότερες μεταβλητές περιέχονται στο αντίστοιχο στοιχειώδες γινόμενο.
Για παράδειγμα, για τον χάρτη Carnot που φαίνεται στο Σχήμα 1.14a, ένα ορθογώνιο που περιέχει τέσσερα κελιά αντιστοιχεί σε ένα στοιχειώδες γινόμενο δύο μεταβλητών και ένα τετράγωνο που αποτελείται μόνο από ένα κελί αντιστοιχεί σε ένα στοιχειώδες γινόμενο που περιλαμβάνει και τις τέσσερις μεταβλητές.
Εικόνα 1.14-Χάρτες Carnaugh για συναρτήσεις τεσσάρων μεταβλητών
Η συνάρτηση που αντιστοιχεί στην κάλυψη που φαίνεται στο Σχήμα 1.14, α, έχει τη μορφή:
Παρά το γεγονός ότι οι χάρτες Carnot απεικονίζονται σε ένα επίπεδο, η γειτονιά των τετραγώνων είναι εγκατεστημένη στην επιφάνεια του τόρου. Τα άνω και κάτω όρια του χάρτη Carnaugh φαίνεται να είναι «κολλημένα μεταξύ τους», σχηματίζοντας την επιφάνεια ενός κυλίνδρου. Κατά τη συγκόλληση των πλευρικών ορίων, λαμβάνεται μια δακτυλιοειδής επιφάνεια. Ακολουθώντας τον παραπάνω συλλογισμό, διαπιστώνουμε ότι τα κελιά με τις συντεταγμένες 1011 και 0011, που φαίνονται στο Σχήμα 1.14, β, είναι γειτονικά και συνδυάζονται σε ένα ορθογώνιο. Πράγματι, τα υποδεικνυόμενα κελιά αντιστοιχούν στο άθροισμα των στοιχειωδών προϊόντων
Τα υπόλοιπα τέσσερα κελιά μονάδων συνδυάζονται με τον ίδιο τρόπο. Ως αποτέλεσμα του συνδυασμού τους, παίρνουμε ένα στοιχειώδες προϊόν. Τέλος, η συνάρτηση που αντιστοιχεί στην κάλυψη που φαίνεται στο Σχήμα 1.14, β, έχει τη μορφή
Ο χάρτης Karnaugh, που φαίνεται στην Εικόνα 1.7, c, περιέχει μεμονωμένα κελιά που βρίσκονται στις γωνίες. Και τα τέσσερα κελιά είναι γειτονικά και όταν συνδυαστούν θα δώσουν το στοιχειώδες προϊόν.
Τα παραδείγματα που συζητήθηκαν παραπάνω μας επιτρέπουν να διατυπώσουμε:
Ακολουθία ελαχιστοποίησης λογικών συναρτήσεων με χρήση χαρτών Karnaugh
1. Εμφανίζεται ένας πίνακας για n μεταβλητές και επισημαίνονται οι πλευρές του.
2. Τα κελιά του πίνακα που αντιστοιχούν σε σύνολα μεταβλητών που μετατρέπουν τη συνάρτηση σε ένα γεμίζουν με ένα, τα υπόλοιπα κελιά γεμίζονται με μηδενικά.
3. Η καλύτερη κάλυψη του τραπεζιού επιλέγεται με κανονικά ορθογώνια, τα οποία σκιαγραφούμε. Κάθε ορθογώνιο πρέπει να έχει 2n κελιά.
4. Τα ίδια κελιά με μονάδες μπορούν να συμπεριληφθούν σε διαφορετικά περιγράμματα.
5. Ο αριθμός των ορθογωνίων πρέπει να είναι ελάχιστος και το εμβαδόν των ορθογωνίων πρέπει να είναι το μέγιστο.
6. Για κάθε ορθογώνιο, σημειώνουμε το γινόμενο μόνο εκείνων των μεταβλητών που δεν αλλάζουν την τιμή τους. Αν αυτή η μεταβλητή είναι ίση με μηδέν, τότε γράφεται σε αντίστροφη μορφή.
7. Συνδέουμε τα προϊόντα που προκύπτουν με ένα λογικό σύμβολο προσθήκης.
Όταν χρησιμοποιείτε κωδικούς BCD, τα δεκαδικά ψηφία αντιπροσωπεύονται από τέσσερα δυαδικά ψηφία. Από όλους τους πιθανούς 16 συνδυασμούς κωδικών, μόνο 10 χρησιμοποιούνται και οι υπόλοιποι συνδυασμοί απαγορεύονται και δεν μπορούν ποτέ να προκύψουν. Εάν κάποια συνάρτηση έχει απαγορευμένα σύνολα μεταβλητών, τότε οι τιμές της στα καθορισμένα σύνολα δεν ορίζονται και επισημαίνονται με ένα Χ στον πίνακα αλήθειας.
Οι δυαδικές συναρτήσεις των οποίων οι τιμές δεν έχουν καθοριστεί για όλα τα σύνολα μεταβλητών εισόδου ονομάζονται ελλιπώς καθορισμένες.
Κατά την ελαχιστοποίηση μιας ατελώς καθορισμένης συνάρτησης, θα πρέπει να οριστεί περαιτέρω, δηλαδή, οι αβέβαιες τιμές των κελιών του χάρτη Karnaugh θα πρέπει να αντικατασταθούν αυθαίρετα με ένα ή μηδενικό. Συνιστάται να επιλέξετε την επιλογή στην οποία ο τύπος για την ελαχιστοποιημένη συνάρτηση είναι ο απλούστερος.
1.6 Σύνθεση συνδυαστικών λογικών κυκλωμάτων
Η σύνθεση είναι η διαδικασία απόκτησης ενός λειτουργικού κυκλώματος που εκτελεί μια δεδομένη λογική λειτουργία.
Η διαδικασία ανάπτυξης λογικών κυκλωμάτων περιλαμβάνει την ακόλουθη σειρά ενεργειών:
1) Από τον πίνακα αλήθειας προχωράμε στον χάρτη του Carnaugh
2) Πραγματοποιούμε ελαχιστοποίηση και λαμβάνουμε μια ελαχιστοποιημένη λογική έκφραση της δεδομένης συνάρτησης (βλ. 1.5.2)
3) Μετατρέψτε την προκύπτουσα λογική έκφραση στη βάση AND-NOT χρησιμοποιώντας τον νόμο της αντιστροφής
Ας δούμε ένα παράδειγμα. Κατασκευάστε μια λογική δομή που καθορίζεται από τον πίνακα αληθείας που φαίνεται στο Σχήμα 1.15 α.
Εικόνα 1. 15-Πίνακας αλήθειας (α) και χάρτης Carnaugh (β)
1) Μεταβείτε στον χάρτη Carnaugh και σχεδιάστε ορθογώνια περιγράμματα γύρω από τα γειτονικά κελιά με μονάδες, όπως φαίνεται στην Εικόνα 1. 15 β.
2) Χρησιμοποιώντας τα περιγράμματα που εμφανίζονται στον χάρτη Karnaugh, λαμβάνουμε την ακόλουθη λογική έκφραση
3) Μετατρέψτε τη λογική έκφραση που προκύπτει στη βάση AND-NOT
4) Χτίζοντας μια λογική δομή
Εικόνα 1.16 - Λογική δομή που υλοποιεί τη συνάρτηση που καθορίζεται από τον πίνακα αληθείας στο Σχήμα 1.15 α
2 ΣΥΝΔΥΑΣΤΙΚΑ ΔΙΑΓΡΑΜΜΑΤΑ
2.1 Βασικές αρχές
Κατά τη σύνδεση λογικών στοιχείων, σχηματίζονται συσκευές των οποίων τα κυκλώματα ονομάζονται λογικά. Υπάρχουν συνδυαστικά και διαδοχικά κυκλώματα.
Τα συνδυαστικά κυκλώματα υλοποιούν συναρτήσεις των οποίων οι τιμές σε μια δεδομένη στιγμή καθορίζονται μόνο από το σύνολο τιμών των μεταβλητών εισόδου στο ίδιο χρονικό σημείο και δεν εξαρτώνται από προηγούμενες τιμές μεταβλητών εισόδου.
Είναι συνηθισμένο να λέμε για τέτοια σχήματα ότι δεν έχουν την ιδιότητα της μνήμης (η προϊστορία δεν επηρεάζει το αποτέλεσμα του μετασχηματισμού). Σημειώστε ότι κάθε πραγματικό λογικό στοιχείο έχει ορισμένο χρόνο καθυστέρησης για αλλαγές στο σήμα εξόδου σε σχέση με την είσοδο. Τα πιο σημαντικά συνδυαστικά κυκλώματα περιλαμβάνουν τις ακόλουθες συσκευές:
Αποκωδικοποιητές,
Κρυπτογραφητές,
Αποπολυπλέκτης,
Πολυπλέκτης,
Προσθετές.
2.2 Αποκωδικοποιητές
Ένας αποκωδικοποιητής (αποκωδικοποιητής) είναι μια συσκευή που μετατρέπει έναν κωδικό θέσης n-bit σε έναν μοναδιαίο κωδικό m-bit, δηλ. που περιέχει μόνο ένα ένα ή μηδέν.
Ο αποκωδικοποιητής έχει n εισόδους και m (m ≤ 2n) εξόδους. Στα γραφικά σύμβολα, οι αποκωδικοποιητές χαρακτηρίζονται ως DC (από τον αγγλικό αποκωδικοποιητή).
Το σχήμα 2.1 δείχνει μια συμβατική γραφική ονομασία (UGO) και έναν πίνακα με τη λειτουργία ενός αποκωδικοποιητή δύο εισόδων (2: 4).
| Εισροές | Έξοδοι | ||||
| x1 | x0 | 0 | 1 | 2 | 3 |
| 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 0 |
| 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 |
| 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 |
Εικόνα 2.1 - Γραφικό σύμβολο και πίνακας λειτουργίας αποκωδικοποιητή δύο εισόδων (2: 4).
Από τον πίνακα λειτουργίας ενός αποκωδικοποιητή δύο εισόδων προκύπτει ότι ο αριθμός της ενεργής εξόδου, στην οποία υπάρχει μια μονάδα, συμπίπτει με τον δυαδικό κωδικό στις εισόδους, εάν παρουσιάζεται ως δεκαδικός αριθμός. Για παράδειγμα, 012 = 110, 102 = 210, 112 = 310.
Ας φτιάξουμε ένα κύκλωμα αποκωδικοποιητή δύο εισόδων, για το οποίο σημειώνουμε τις λειτουργίες κάθε εξόδου χρησιμοποιώντας τον πίνακα αλήθειας και τον κανόνα εγγραφής SDNF (βλ. 1.4): Έξοδος 0 - , Έξοδος 1 - , Έξοδος 2 - , Έξοδος 3 - . Με βάση τις ληφθείσες λογικές εκφράσεις, λαμβάνουμε το κύκλωμα που παρουσιάζεται στο σχήμα 2.2.
Εικόνα 2.2-Σχήμα αποκωδικοποιητή δύο εισόδων (2: 4)
2.3 Κρυπτογραφητές
Ένας κωδικοποιητής είναι μια συσκευή που έχει m εισόδους και n εξόδους (m ≤ 2n) και μετατρέπει έναν μοναδιαίο κωδικό m-bit σε έναν κωδικό θέσης n-bit.
Στα γραφικά σύμβολα, οι κωδικοποιητές ορίζονται ως CD.
Ο σκοπός των κωδικοποιητών είναι η μετατροπή σημάτων μεμονωμένης εισόδου σε αντίστοιχους συνδυασμούς κωδικών στις εξόδους, οι οποίοι καθορίζονται με την κατάλληλη μέθοδο κωδικοποίησης των σημάτων εισόδου. Κάθε μεμονωμένη είσοδος του κωδικοποιητή αντιστοιχεί μόνο σε ένα από τα πιθανά σύνολα μεταβλητών εξόδου. Ο αντίστοιχος συνδυασμός κωδικών εμφανίζεται στις εξόδους του κωδικοποιητή εάν και μόνο τότε όταν εμφανίζεται ένα μόνο σήμα στην είσοδό του που σχετίζεται με έναν δεδομένο συνδυασμό εξόδου.
Οι είσοδοι του κωδικοποιητή αριθμούνται με τέτοιο τρόπο ώστε η εμφάνιση ενός μόνο σήματος στην είσοδο i-η οδηγεί στην εμφάνιση ενός συνόλου εξόδου, το οποίο αντιπροσωπεύει τον αριθμό i, γραμμένο στο δυαδικό σύστημα αριθμών. Το σχήμα 2.3 δείχνει το λειτουργικό διάγραμμα και τον πίνακα αλήθειας ενός κωδικοποιητή οκτώ εισόδων.
| Εισροές | Έξοδοι | |||||||||
| X0 | Χ1 | X2 | X3 | Χ4 | Χ5 | Χ6 | Χ7 | U2 | U1 | У0 |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 | 1 | 0 |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 |
| 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 |
| 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 |
| 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 |
| 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
Εικόνα 2.3 - Λειτουργικό διάγραμμα και πίνακας αλήθειας κωδικοποιητή οκτώ εισόδων.
2.4 Αποπολυπλέκτης
Ένας αποπολυπλέκτης είναι μια συσκευή στην οποία τα σήματα από μια είσοδο πληροφοριών κατανέμονται με την επιθυμητή ακολουθία σε πολλές εξόδους.
Στα γραφικά σύμβολα, οι αποπολυπλέκτες ονομάζονται DMX. Το σχήμα 2.3 δείχνει ένα συμβατικό γραφικό σύμβολο και έναν πίνακα της λειτουργίας του αποπολυπλέκτη.
| Διεύθυνση | Έξοδοι | ||||
| Α'1 | Α0 | 0 | 1 | 2 | 3 |
| 0 | 0 | Χ | 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 0 | Χ | 0 | 0 |
| 1 | 0 | 0 | 0 | Χ | 0 |
| 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | Χ |
Εικόνα 2.4-UGO και πίνακας λειτουργίας του αποπολυπλέκτη 1:4
Εδώ, η είσοδος x είναι μια είσοδος πληροφοριών, οι είσοδοι A0 A1 είναι διευθυνσιοδοτούμενες, ο κώδικας στον οποίο καθορίζει ποια από τις εξόδους θα παράγει σήματα που επαναλαμβάνουν το x. Η αρχή του προσδιορισμού του αριθμού εξόδου με συνδυασμό διευθύνσεων είναι η ίδια με αυτή του αποκωδικοποιητή. Με t διευθυνσιοδοτούμενες εισόδους, ο αποπολυπλέκτης μπορεί να έχει έως και 2 μέτρα εξόδους, ανάλογα με τη σχεδίαση.
Εάν ο αποπολυπλέκτης 1:4 διατηρεί το δυναμικό U1 (λογικό) στην είσοδο πληροφοριών x, τότε θα λειτουργεί ως αποκωδικοποιητής 2:4, οι είσοδοι του οποίου θα είναι Α0 και Α1. Έτσι, δεν υπάρχει θεμελιώδης διαφορά μεταξύ ενός αποκωδικοποιητή και ενός αποπολυπλέκτη και η διαφορά έγκειται στον τύπο των σημάτων στην είσοδο x: αν αλλάζουν με την πάροδο του χρόνου, είναι αποπολυπλέκτης, αν όχι, είναι αποκωδικοποιητής. Οι αποκωδικοποιητές συχνά δεν έχουν αυτήν την είσοδο και τα σήματα εξόδου στην ενεργή έξοδο έχουν μία, προ-γνωστή τιμή. Αυτό επιβεβαιώνεται από το κύκλωμα αποπολυπλέκτη, το οποίο παρουσιάζεται στο σχήμα 2.5.
Εικόνα 2.5 - κύκλωμα αποπολυπλέκτη 1:4
Πράγματι, αν x = 1, τότε όλα & οι πύλες είναι ανοιχτές και τα σήματα εξόδου επαναλαμβάνουν ακριβώς τα σήματα του αποκωδικοποιητή που περιλαμβάνεται στον αποπολυπλέκτη. Για μια αυθαίρετη τιμή του σήματος x, θα εμφανίζεται στην έξοδο της πύλης AND που ανοίγει από το σήμα "1" από την έξοδο του αποκωδικοποιητή που καθορίζεται από τον κωδικό στις εισόδους A0 και A1.
2.5 Πολυπλέκτης
Ένας πολυπλέκτης είναι μια συσκευή στην οποία τα σήματα από μία από τις εισόδους πληροφοριών παρέχονται με την επιθυμητή σειρά σε μία μόνο έξοδο.
Στα γραφικά σύμβολα, οι πολυπλέκτης ονομάζονται MUX. Το σχήμα 2.6 δείχνει ένα σύμβολο και έναν πίνακα της λειτουργίας ενός πολυπλέκτη 4:1.
| Διεύθυνση | Εξοδος | |
| Α'1 | Α0 | φά |
| 0 | 0 | Είσοδος 0 |
| 0 | 1 | Είσοδος 1 |
| 1 | 0 | Είσοδος 2 |
| 1 | 1 | Είσοδος 3 |
Εικόνα 2.6 - Γραφικό σύμβολο και πίνακας λειτουργίας πολυπλέκτη 4:1
Εδώ, οι είσοδοι 0,1,2,3 είναι είσοδοι πληροφοριών, οι A0 και A1 είναι είσοδοι διεύθυνσης, ο κωδικός στον οποίο καθορίζει από ποια σήματα εισόδου θα ληφθούν για μετάδοση στην έξοδο F. Η αρχή του προσδιορισμού του αριθμού εισόδου με συνδυασμό διευθύνσεων είναι ίδια με αυτή του αποκωδικοποιητή και ενός αποπολυπλέκτη. Με t διευθυνσιοδοτούμενες εισόδους, ο πολυπλέκτης μπορεί να έχει έως και 2 m εισόδους, ανάλογα με τη σχεδίαση. Το κύκλωμα ενός πολυπλέκτη τεσσάρων εισόδων (4:1) φαίνεται στο σχήμα 2.7.
Εικόνα 2.7- Κύκλωμα πολυπλέκτη 4:1
Από το διάγραμμα προκύπτει ότι ένα από τα σήματα εισόδου διέρχεται από την πύλη AND, η οποία ανοίγει από το σήμα "1" από την έξοδο του αποκωδικοποιητή, που καθορίζεται από τον κωδικό στις εισόδους A0 και A1. Στις εξόδους των υπόλοιπων στοιχείων AND, υπάρχουν σήματα "0" αυτή τη στιγμή, τα οποία δεν παρεμποδίζουν τη μετάβαση πληροφοριών από την επιλεγμένη είσοδο μέσω του στοιχείου OR στην έξοδο.
Ένας πολυπλέκτης με εισόδους διεύθυνσης t μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την υλοποίηση μιας αυθαίρετης λογικής συνάρτησης από ορίσματα t.
Η υλοποίηση της απαιτούμενης συνάρτησης πραγματοποιείται με βάση τον πίνακα αληθείας της. Οι τιμές των συνόλων ορισμάτων καθορίζονται στις εισόδους διευθύνσεων. Και οι είσοδοι πληροφοριών του συνδέονται με τις πηγές σήματος "0" και "1" με τέτοιο τρόπο ώστε η είσοδος, η οποία είναι συνδεδεμένη με την έξοδο καθενός από τα σετ εισόδου, να περιέχει μια τιμή σήματος που αντιστοιχεί στον πίνακα αλήθειας. Για παράδειγμα, το σχήμα 2.8 δείχνει ένα διάγραμμα σύνδεσης πολυπλέκτη για την υλοποίηση της συνάρτησης που φαίνεται στον πίνακα αλήθειας.
Εικόνα 2.8 - Χρήση πολυπλέκτη για την υλοποίηση μιας δεδομένης λογικής συνάρτησης
Οι αποκωδικοποιητές και οι αποπολυπλέκτες, σχεδιασμένοι ως μικροκυκλώματα με μεσαίο βαθμό ολοκλήρωσης, χρησιμοποιούνται ευρέως στην τεχνολογία πληροφοριών και μετρήσεων. Όπως οι πολυπλέκτης, χρησιμοποιούνται συχνά σε συνδυασμό με μετρητές και καταχωρητές. Χρησιμεύουν ως πίνακες-διανομείς σημάτων πληροφοριών και παλμών ρολογιού, για αποπολυπλεξία δεδομένων και οργάνωση της λογικής διευθύνσεων σε λειτουργικές και μόνιμες συσκευές αποθήκευσης, καθώς και για μετατροπή δυαδικού δεκαδικού κωδικού σε δεκαδικό για τον έλεγχο των συσκευών ένδειξης και εκτύπωσης. Ο αριθμός των εξόδων και η κατανομή των σημάτων σε αυτές καθορίζονται από τη φύση του προβλεπόμενου φορτίου.
Οι αποκωδικοποιητές για εργασία με ενδεικτικές λυχνίες εκκένωσης αερίου έχουν τρανζίστορ υψηλής τάσης στην έξοδο και διάταξη εξόδου «ένα στα δέκα». Τα μικροκυκλώματα που λειτουργούν με δείκτες επτά τμημάτων (ημιαγωγών, πυρακτώσεως, κενού) έχουν επτά εξόδους και σωστή κατανομή σημάτων σε αυτά για κάθε συνδυασμό σημάτων εισόδου.
Αποπολυπλέκτες-αποκρυπτογραφητές ως ανεξάρτητα προϊόντα έχουν 4? 8 ή 16 εξόδους. Εάν ο απαιτούμενος αριθμός εξόδων υπερβαίνει τις δυνατότητες ενός τσιπ, προστίθενται αποπολυπλέκτες (αποκωδικοποιητές) στο σύστημα. Από αυτή την άποψη, δεν υπάρχει θεμελιώδης διαφορά με τους πολυπλέκτης.
Για παράδειγμα, σκεφτείτε το IC K561KP1, το οποίο περιέχει δύο πολυπλέκτης τεσσάρων εισόδων. Το μικροκύκλωμα έχει δύο εισόδους διεύθυνσης 1 και 2, κοινές και στους δύο πολυπλέκτης, μια κοινή είσοδο πύλης S, εισόδους πληροφοριών X0 - X3 του πρώτου πολυπλέκτη, εισόδους Y0 - US του δεύτερου πολυπλέκτη. Δύο εκδόσεις της εικόνας KP1 φαίνονται στην Εικόνα 2.9.
.
Εικόνα 2.9 - Λειτουργικό διάγραμμα και συμβολικός γραφικός προσδιορισμός του μικροκυκλώματος K561KP1
Όταν εφαρμόζεται ένας δυαδικός κωδικός διεύθυνσης στις εισόδους διευθύνσεων 1 και 2 και ένα σήμα «0» στην είσοδο S, οι έξοδοι των πολυπλέκτη συνδέονται σε εισόδους των οποίων οι αριθμοί αντιστοιχούν στο δεκαδικό ισοδύναμο του κωδικού διεύθυνσης. Εάν υπάρχει σήμα «1» στην είσοδο S, οι έξοδοι των πολυπλέκτη αποσυνδέονται από τις εισόδους και περνούν σε κατάσταση υψηλής σύνθετης αντίστασης (τρίτη). Σύνδεση εισόδων Το σήμα που μεταδίδεται μέσω του πολυπλέκτη μπορεί να είναι αναλογικό ή ψηφιακό· μπορεί να μεταδοθεί τόσο από εισόδους σε έξοδο (το μικροκύκλωμα λειτουργεί σε λειτουργία πολυπλέκτη) όσο και από την έξοδο που διανέμεται στις εισόδους (λειτουργία αποπολυπλέκτη).
Το τσιπ αποπολυπλέκτη-αποκωδικοποιητή K155IDZ (Εικόνα 2.10) έχει τέσσερις εισόδους διευθύνσεων 1, 2, 4, 8, δύο εισόδους αντίστροφης πύλης S, συνδυασμένες με AND, και 16 εξόδους 0-15. Εάν και οι δύο είσοδοι πύλης έχουν ένα αρχείο καταγραφής. 0, στην έξοδο της οποίας ο αριθμός αντιστοιχεί στο δεκαδικό ισοδύναμο του κωδικού εισόδου (η είσοδος 1 είναι το λιγότερο σημαντικό ψηφίο, η είσοδος 8 είναι το πιο σημαντικό), θα υπάρχει ένα αρχείο καταγραφής. 0, σε άλλες εξόδους - ημερολόγιο. 1. Εάν τουλάχιστον μία από τις εισόδους πύλης εισάγει S log. 1, τότε, ανεξάρτητα από τις καταστάσεις των εισόδων, σχηματίζεται ένα ημερολόγιο σε όλες τις εξόδους του μικροκυκλώματος. 1.
Εικόνα 2.10-Συμβολική γραφική ονομασία του αποκωδικοποιητή αποπολυπλέκτη K155IDZ
Η παρουσία δύο εισόδων πύλης διευρύνει σημαντικά τις δυνατότητες χρήσης μικροκυκλωμάτων. Από δύο μικροκυκλώματα IDZ, που συμπληρώνονται από έναν μετατροπέα, μπορείτε να συναρμολογήσετε έναν αποκωδικοποιητή με 32 εξόδους (Εικόνα 2.11).
Εικόνα 2.11 - Αποκωδικοποιητής για 32 εξόδους με βάση το τσιπ K155IDZ
2.6 Αριθμητικές συσκευές
2.6.1 Γενικές πληροφορίες
Οι συνδυαστικές συσκευές που συζητήθηκαν μέχρι τώρα εκτελούν λογικές λειτουργίες. Για να περιγράψει τη συμπεριφορά τους, χρησιμοποιείται η συσκευή της λογικής άλγεβρας. Τα σήματα εισόδου και εξόδου υψηλού και χαμηλού επιπέδου αξιολογούνται ως λογική 1 και λογική 0, αντίστοιχα.
Η διακριτή τεχνολογία λειτουργεί επίσης με μια άλλη κατηγορία συσκευών, σκοπός της οποίας είναι η εκτέλεση αριθμητικών πράξεων με δυαδικούς αριθμούς: πρόσθεση, αφαίρεση, πολλαπλασιασμός, διαίρεση. Οι αριθμητικές συσκευές περιλαμβάνουν επίσης κόμβους που εκτελούν ειδικές αριθμητικές πράξεις, όπως ο προσδιορισμός της ισοτιμίας δεδομένων αριθμών (καθορισμός ισοτιμίας) και η σύγκριση δύο αριθμών.
Η ιδιαιτερότητα των αριθμητικών συσκευών είναι ότι τα σήματα δεν αποδίδονται λογικές, αλλά αριθμητικές τιμές 1 και 0 και οι ενέργειες σε αυτές υπόκεινται στους νόμους της δυαδικής αριθμητικής. Αν και οι αριθμητικές συσκευές λειτουργούν με αριθμητικές τιμές, είναι επίσης βολικό να χρησιμοποιούνται πίνακες αλήθειας για να περιγράψουν τη λειτουργία τους. Οι αριθμητικές συσκευές χρησιμοποιούνται ευρέως σε ψηφιακούς υπολογιστές και αρκετά συχνά σε εξοπλισμό μέτρησης πληροφοριών.
Η πιο σημαντική από τις αριθμητικές πράξεις είναι η πρόσθεση (άθροιση). Εκτός από τον άμεσο σκοπό του, χρησιμοποιείται επίσης και για άλλες πράξεις: η αφαίρεση είναι η πρόσθεση, στην οποία το subtrahend εισάγεται σε αντίστροφο ή συμπληρωματικό κώδικα και ο πολλαπλασιασμός και η διαίρεση είναι διαδοχική πρόσθεση και αφαίρεση.
Ο αθροιστής είναι μια λειτουργική μονάδα που εκτελεί την αριθμητική πρόσθεση αριθμών.
Σε συσκευές διακριτής τεχνολογίας, η άθροιση πραγματοποιείται σε δυαδικό ή, λιγότερο συχνά, δυαδικό δεκαδικό κώδικα. Με βάση τη φύση της δράσης τους, οι αθροιστές χωρίζονται σε δύο κατηγορίες: - συνδυαστικοί - όπως όλοι οι κόμβοι που θεωρήθηκαν προηγουμένως που δεν έχουν στοιχεία μνήμης. - σωρευτική - αποθήκευση των αποτελεσμάτων των υπολογισμών.
Με τη σειρά του, καθένας από τους αθροιστές που λειτουργεί με προσθήκες πολλών bit, ανάλογα με τη μέθοδο επεξεργασίας των αριθμών, μπορεί να ταξινομηθεί ως σειριακός ή παράλληλος τύπος.
Τόσο οι σειριακές όσο και οι παράλληλες αθροιστές κατασκευάζονται με βάση κυκλώματα προσθήκης ενός bit. Η πρόσθεση αριθμών σε διαδοχικούς αθροιστές πραγματοποιείται κατά bit, διαδοχικά στο χρόνο. Στους παράλληλους αθροιστές, η πρόσθεση όλων των ψηφίων των πολυψήφιων αριθμών γίνεται ταυτόχρονα.
Στη συνέχεια θα μιλήσουμε μόνο για συνδυαστικούς αθροιστές.
2.6.2 Ημιαθροιστής
Το απλούστερο στοιχείο άθροισης είναι ο ημιαθροιστής. Η προέλευση αυτού του όρου θα γίνει σαφής στην πορεία της παρουσίασης. Μία από τις απλούστερες συσκευές προσθήκης είναι ένας μισός αθροιστής, ο πίνακας UGO και αλήθειας του οποίου φαίνονται στην Εικόνα 2.12.
| Εισροές | Έξοδοι | ||
| ΕΝΑ | ΣΕ | R | μικρό |
Εικόνα 2.12-UGO και πίνακας αλήθειας του ημιαθροιστή
Ο ημιαθροιστής χαρακτηρίζεται με τα γράμματα HS (μισό άθροισμα). Ο ημιαθροιστής έχει δύο εισόδους Α και Β για δύο όρους και δύο εξόδους: S (άθροισμα) και P (μεταφορά).
Η λογική δομή του ημιαθροιστή βασίζεται σε έναν πίνακα αλήθειας, από τον οποίο προκύπτει ότι η λειτουργία του ημιαθροιστή περιγράφεται από τις ακόλουθες εξισώσεις:
Η έκφραση για την έξοδο S, καθώς και η στήλη S του πίνακα αλήθειας, συμπίπτει πλήρως με τον πίνακα αλήθειας για την αποκλειστική πύλη OR. Αυτή η περίσταση εξηγεί γιατί η πράξη «αποκλειστική OR» ονομάζεται συντελεστής πρόσθεσης 2. Η λογική δομή ενός ημιαθροιστή σε γενική και διευρυμένη μορφή φαίνεται στο Σχήμα 2.13.
Εικόνα 2.13 - Λογική δομή ημιαθροιστή σε γενική και διευρυμένη μορφή
2.6.3 Πλήρης αθροιστής
Η διαδικασία για την προσθήκη δύο δυαδικών αριθμών n-bit μπορεί να αναπαρασταθεί ως εξής (Εικόνα 2.14).
Εικόνα 2.14-Προσθήκη δύο αριθμών n-bit
Η προσθήκη των λιγότερο σημαντικών ψηφίων A1 και B1 παράγει το άθροισμα bit S1 και το bit μεταφοράς P1. Στο επόμενο (δεύτερο) ψηφίο προστίθενται οι αριθμοί P1, A2 και B2, που σχηματίζει το άθροισμα S2 και τη μεταφορά P2. Η λειτουργία διαρκεί έως ότου προστεθεί κάθε ζεύγος ψηφίων σε όλα τα ψηφία, το αποτέλεσμα της πρόσθεσης θα είναι ο αριθμός S = Pn Sn ... S1, όπου τα Pi και Si αντιπροσωπεύουν το 1 ή το 0 που προκύπτει ως αποτέλεσμα της προσθήκης κατά bit. Ο ημιαθροιστής έχει δύο εισόδους και επομένως είναι κατάλληλος για χρήση μόνο στο λιγότερο σημαντικό ψηφίο.
Μια συσκευή άθροισης δύο πολυψήφιων αριθμών πρέπει να έχει, ξεκινώντας από το δεύτερο ψηφίο, τρεις εισόδους: δύο για τους όρους Ai και Bi και μία για το σήμα μεταφοράς Pi-1 από το προηγούμενο ψηφίο. Αυτός ο κόμβος ονομάζεται πλήρης αθροιστής, το UGO και ο πίνακας αλήθειας του οποίου παρουσιάζονται στην Εικόνα 2.15.
| Εισροές | Έξοδοι | |||
| Pi-1 | ΕΝΑ | ΣΕ | Πι | μικρό |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 0 | 0 | 1 | 0 | 1 |
| 0 | 1 | 0 | 0 | 1 |
| 0 | 1 | 1 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 0 | 0 | 1 |
| 1 | 0 | 1 | 1 | 0 |
| 1 | 1 | 0 | 1 | 0 |
| 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
Εικόνα 2.15-UGO και πίνακας αλήθειας του πλήρους αθροιστή
Χρησιμοποιώντας τον πίνακα αλήθειας, μπορούμε να λάβουμε τις ακόλουθες εκφράσεις για τις συναρτήσεις εξόδου, . Αυτές οι εκφράσεις σας επιτρέπουν να δημιουργήσετε τη λογική δομή του πλήρους αθροιστή, η οποία παρουσιάζεται στο Σχήμα 2.16
Εικόνα 2.16 - Λογική δομή ενός πλήρους αθροιστή
2.6.4 Προσθετης πολλών bit
Για τη δημιουργία ενός αθροιστή πολλών bit, χρησιμοποιούνται ένας αθροιστής μισού και ένας αθροιστής πλήρους μονού bit, που συζητήθηκαν παραπάνω. Οι συνδέσεις που φαίνονται στο Σχήμα 2.17 γίνονται σύμφωνα με τον αλγόριθμο που παρουσιάζεται στο Σχήμα 2.14.
Εικόνα 2.17-Αθροιστής πολλαπλών bit (τριών bit).
3 ΣΥΣΚΕΥΕΣ ΣΚΑΝΔΙΣΤΗΣ
3.1 Βασικές έννοιες
Μαζί με τις συνδυαστικές συσκευές, υπάρχουν στοιχεία με μνήμη. Τα πιο απλά από αυτά είναι οι σκανδάλες.
Η σκανδάλη είναι ένα λογικό στοιχείο που μπορεί να βρίσκεται σε μία από τις δύο σταθερές καταστάσεις: 0 ή 1.
Η μετάβαση σε κάθε επόμενη κατάσταση εξαρτάται συνήθως όχι μόνο από τις τρέχουσες τιμές των σημάτων εισόδου, αλλά και από την προηγούμενη κατάσταση του flip-flop. Οι πληροφορίες σχετικά με την προηγούμενη κατάσταση που προέρχονται από τις εξόδους της σκανδάλης, μαζί με εξωτερικά σήματα, ελέγχουν τη λειτουργία της. Επομένως, τα flip-flops είναι συσκευές με λογικές συνδέσεις ανάδρασης.
Μια λογική συνάρτηση που καθορίζει την εξάρτηση της κατάστασης στην οποία μεταβαίνει η σκανδάλη από την τρέχουσα κατάσταση όταν εκτίθεται σε δεδομένα σήματα ελέγχου ονομάζεται συνάρτηση μετάβασης flip-flop. Οι συναρτήσεις μετάβασης καθορίζονται με λογικούς τύπους ή με τη μορφή πινάκων.
Ανάλογα με τη λογική λειτουργίας, οι σκανδάλες χωρίζονται στους ακόλουθους κύριους τύπους RS, D, T και JK.
Ανάλογα με τη μέθοδο καταγραφής πληροφοριών, οι ενεργοποιητές χωρίζονται σε ασύγχρονες και σύγχρονες. Οι ασύγχρονες σκανδάλες μεταβαίνουν σε νέα κατάσταση αμέσως μετά την παροχή των σημάτων ελέγχου, ενώ οι σύγχρονες σκανδάλες απαιτούν επίσης την παροχή ενός σήματος συγχρονισμού στην είσοδο συγχρονισμού C.
3.2 Ασύγχρονη flip-flop RS
Ένα ασύγχρονο flip-flop RS χρησιμεύει ως το κύριο στοιχείο μνήμης σε ενεργοποιητές οποιουδήποτε τύπου. Μπορεί να κατασκευαστεί και σε στοιχεία AND-NOT και OR-NOT. Και οι δύο μέθοδοι και τα γραφικά τους σύμβολα παρουσιάζονται στην Εικόνα 3.1.
Εικόνα 3.1 - Υλοποιήσεις ενός ασύγχρονου flip-flop RS που βασίζεται σε στοιχεία AND-NOT και NOR-NOT και τα γραφικά τους σύμβολα
Η σκανδάλη RS έχει δύο εισόδους: μια είσοδο εγκατάστασης S (από το English Set: install) και μια είσοδο επαναφοράς R (από το English Reset: reset).
Τα σήματα εξόδου Q και , καθορίζουν την κατάσταση του flip-flop.
Εάν Q = 0, τότε η σκανδάλη είναι σε κατάσταση μηδέν, εάν Q = 1, τότε σε κατάσταση μονάδας.
Το Σχήμα 3.2 περιέχει πίνακες μετάβασης που αντικατοπτρίζουν τη σειρά λειτουργίας του flip-flop RS στα στοιχεία AND-NOT και NOR-NOT, αντίστοιχα.
| Qn | Qn+1 | Τρόπος λειτουργίας | ||
| 0 | 0 | 0 | Χ | Απαγορευμένος |
| 0 | 0 | 1 | Χ | Απαγορευμένος |
| 0 | 1 | 0 | 1 | Εγκατάσταση |
| 0 | 1 | 1 | 1 | Εγκατάσταση |
| 1 | 0 | 0 | 0 | Επαναφορά |
| 1 | 0 | 1 | 0 | Επαναφορά |
| 1 | 1 | 0 | 0 | Αποθήκευση |
| 1 | 1 | 1 | 1 | Αποθήκευση |
| μικρό | R | Q | Qn+1 | Τρόπος λειτουργίας |
| 0 | 0 | 0 | 0 | Αποθήκευση |
| 0 | 0 | 1 | 1 | Αποθήκευση |
| 0 | 1 | 0 | 0 | Επαναφορά |
| 0 | 1 | 1 | 0 | Επαναφορά |
| 1 | 0 | 0 | 1 | Εγκατάσταση |
| 1 | 0 | 1 | 1 | Εγκατάσταση |
| 1 | 1 | 0 | Χ | Απαγορευμένος |
| 1 | 1 | 1 | Χ | Απαγορευμένος |
Εικόνα 3.2-Πίνακες μεταβάσεων ενός flip-flop RS με βάση στοιχεία AND-NOT (αριστερά) και NOR-NOT
Οι παρακάτω συμβολισμοί χρησιμοποιούνται στους πίνακες: Qn – αρχική κατάσταση, Qn+1 – νέα κατάσταση της σκανδάλης, x – απροσδιόριστη κατάσταση.
Μια σκανδάλη στα στοιχεία NOR ελέγχεται από μεμονωμένα σήματα που φτάνουν σε μία από τις εισόδους του. Όταν εφαρμόζεται ένα μεμονωμένο σήμα στην είσοδο R, η σκανδάλη τίθεται στη μηδενική κατάσταση (Qn+1 = 0 - λειτουργία "επαναφοράς") και όταν λαμβάνεται το ίδιο σήμα στην είσοδο S, ρυθμίζεται σε μία κατάσταση (Qn+1 = 1).
Η ταυτόχρονη υποβολή μεμονωμένων σημάτων και στις δύο εισόδους απαγορεύεται, γιατί η κατάσταση Qn+1 στην οποία πηγαίνει το flip-flop είναι απροσδιόριστη - οι μηδενικές λογικές τιμές των σημάτων ορίζονται στις εξόδους Q. Το R S = 1 είναι ένας απαγορευμένος συνδυασμός.
Όταν λαμβάνονται σήματα μηδενικού λογικού επιπέδου και στις δύο εισόδους της σκανδάλης, η κατάστασή της παραμένει αμετάβλητη (Qn+1= Qn).
Η σκανδάλη στα στοιχεία NAND ελέγχεται από μηδενικά σήματα, τα οποία αντανακλώνται στο σύμβολό της με τη μορφή αναστροφής εισόδων. Απαγορευμένη κατάσταση είναι αυτή στην οποία εφαρμόζονται μηδενικά λογικά σήματα και στις δύο εισόδους της.
3.3 Σύγχρονες ενεργοποιήσεις
3.3.1 Σκανδάλη RS
Ο πιο σημαντικός ρόλος στις ψηφιακές συσκευές παίζουν οι σκανδάλες με εισόδους συγχρονισμού (ρολόι) και πληροφοριών (προγραμματισμός). Μια συμβατική γραφική αναπαράσταση και λειτουργικό διάγραμμα ενός σύγχρονου flip-flop RS παρουσιάζονται στο Σχήμα 3.3
Εικόνα 3.3 - UGO και λειτουργικό διάγραμμα μιας σύγχρονης σκανδάλης RS
Η αλλαγή της κατάστασης της σκανδάλης είναι δυνατή μόνο εάν υπάρχει ένα μόνο σήμα στην είσοδο συγχρονισμού C. Όταν το σήμα C είναι μηδέν, οι πληροφορίες στις εισόδους ελέγχου R και S δεν γίνονται αντιληπτές και η σκανδάλη διατηρεί την προηγούμενη κατάστασή της για οποιαδήποτε τιμές των σημάτων στις εισόδους ελέγχου R και S. Ο απαγορευμένος συνδυασμός είναι R S C = 1.
Εκτός από τις σύγχρονες σαγιονάρες RS, χρησιμοποιούνται τρεις ακόμη τύποι σαγιονάρες: τύποι D-, T- και JK.
3.3.2 Δ-σκανδάλη
Το γραφικό σύμβολο και το λειτουργικό διάγραμμα του D-flip-flop φαίνονται στην Εικόνα 3.4
Εικόνα 3.4-Σύμβολο και λειτουργικό διάγραμμα του D-flip-flop
Λογική λειτουργίας της σκανδάλης D: μετά το τέλος του επόμενου παλμού συγχρονισμού, η σκανδάλη δέχεται την κατάσταση του σήματος στην είσοδο πληροφοριών της D. Επομένως, η σκανδάλη D ονομάζεται ενεργοποίηση καθυστέρησης (από τα αγγλικά Delay - delay) .
3.3.3 Τ-σκανδάλη
Το T flip-flop έχει μόνο είσοδο ρολογιού και καμία είσοδο πληροφοριών. Το γραφικό σύμβολο για μια σκανδάλη T φαίνεται στο Σχήμα 3.5.
Εικόνα 3.5 - Γραφικό σύμβολο της σκανδάλης T
Η λογική του T-flip-flop: όταν εφαρμόζεται κάθε παλμός ρολογιού, αλλάζει την κατάστασή του στο αντίθετο.
Είναι το κύριο στοιχείο των διαιρετών συχνότητας, αν και δεν παράγεται χωριστά. Ωστόσο, αυτό το flip-flop μπορεί εύκολα να υλοποιηθεί χρησιμοποιώντας ένα flip-flop D, όπως φαίνεται στην Εικόνα 3.6.
Εικόνα 3.6 - Εφαρμογή μιας σκανδάλης T που βασίζεται σε μια σκανδάλη D
3.3.4 JK flip-flop
Το γραφικό σύμβολο για μια σκανδάλη JK φαίνεται στην Εικόνα 3.7.
Εικόνα 3.7 - Γραφικό σύμβολο της σκανδάλης JK
Η λειτουργία ενός flip-flop JK απεικονίζεται από τον πίνακα μετάβασης ενός flip-flop RS με άμεσες εισόδους, που φαίνεται στο Σχήμα 3.2. Επιπλέον, η είσοδος S αντιστοιχεί στην είσοδο J και η είσοδος R αντιστοιχεί στην είσοδο K.
Από τον πίνακα προκύπτει ότι η σκανδάλη JK δεν αλλάζει την κατάστασή της όταν εκτίθεται σε παλμό ρολογιού εάν J = K = 0. Σε αντίθεση με τη σκανδάλη RS, τα σήματα J = K = 1 δεν είναι απαγορευμένα και προκαλούν αλλαγή στην κατάσταση ενεργοποίησης στο αντίθετο, δηλ. η σκανδάλη λειτουργεί σαν T-σκανδάλη.
Εάν J = 1 και K = 0, τότε ο παλμός ρολογιού θέτει τη σκανδάλη στη μοναδική κατάσταση (Qn+1= 1), και εάν J = 0 και K = 1, θέτει τη σκανδάλη στη μηδενική κατάσταση (Qn+1 = 0). Η σκανδάλη δεν αλλάζει την κατάστασή της εάν το σήμα ρολογιού C = 0.
Ένα T flip-flop μπορεί εύκολα να υλοποιηθεί από ένα JK flip-flop συνδυάζοντας τις εισόδους ελέγχου J και K, όπως φαίνεται στο Σχήμα 3.8. Το JK flip-flop είναι ευέλικτο επειδή μπορεί εύκολα να μετατραπεί σε σαγιονάρες RS και T.
Εικόνα 3.8-Σχέδιο για την ενεργοποίηση μιας σκανδάλης JK σε λειτουργία T-trigger
3.3.5 Σύγχρονη σκανδάλη δύο σταδίων
3.3.5.1 Σκανδάλη τύπου M-S push-pull R-S
Ένα χαρακτηριστικό των ενεργοποιητών που συζητήθηκαν προηγουμένως είναι ότι εάν, κατά τη διάρκεια της δράσης ενός παλμού ρολογιού, συμβεί ακόμη και μια βραχυπρόθεσμη αλλαγή σήματος στις εισόδους πληροφοριών μιας σύγχρονης σκανδάλης, που οδηγεί σε αλλαγή στην κατάσταση της σκανδάλης, αυτό θα επηρεάσει την παραγωγή του. Οι σύγχρονοι εκκινητές δύο σταδίων, οι οποίοι ονομάζονται MS-triggers (από το αγγλικό Master - Slave: Master - Slave), λειτουργούν κάπως διαφορετικά. Αυτά τα flip-flops αποτελούνται από δύο στοιχεία μνήμης συνδεδεμένα όπως, για παράδειγμα, φαίνεται στην Εικόνα 3.9. Αυτή η σκανδάλη έχει δύο εισόδους συγχρονισμού C1 και C2. Η εγγραφή πραγματοποιείται με τη διαδοχική υποβολή δύο σημάτων συγχρονισμού, πρώτα στην είσοδο C1 και μετά στην C2. Επομένως, μια τέτοια σκανδάλη ονομάζεται push-pull.
Εικόνα 3.9 - Push-pull R-S σκανδάλη τύπου M-S
Ωστόσο, ο έλεγχος μιας σκανδάλης ώθησης απαιτεί ένα πιο περίπλοκο κύκλωμα ελέγχου. Ως εκ τούτου, χρησιμοποιούνται σαγιονάρες δύο σταδίων ενός κύκλου, οι οποίες κατασκευάζονται χρησιμοποιώντας διάφορες τεχνικές κυκλώματος για την καθυστέρηση της μεταγωγής του δεύτερου flip-flop.
3.3.5.2 Ενεργοποιήσεις δύο σταδίων ενός άκρου
Η δομή δύο σταδίων της σκανδάλης φαίνεται στο σύμβολο με τη μορφή δύο γραμμάτων Τ, όπως φαίνεται στην Εικόνα 3.10.
Εικόνα 3.10 - Σύμβολο σκανδάλης δύο σταδίων
Οι πυροδοτήσεις δύο σταδίων λέγεται επίσης ότι ελέγχονται από παρόρμηση. Πράγματι, για έναν πλήρη κύκλο λειτουργίας μιας σκανδάλης δύο σταδίων, απαιτούνται δύο σταγόνες του σήματος συγχρονισμού.
Το Σχήμα 3.11 δείχνει ένα flip-flop RS με συνδέσεις αναστολής και το Σχήμα 3.12 με έναν μετατροπέα.
Εικόνα 3.11 - Flip-flop RS τύπου M-S με ανασταλτικές συνδέσεις
Εικόνα 3.12 - Σκανδάλη R-S με ένα άκρο τύπου M-S με μετατροπέα
σκανδάλη καταχωρητή λογικού κυκλώματος
Το μπροστινό άκρο του παλμού ρολογιού εγγράφει πληροφορίες που καθορίζονται από το επίπεδο των σημάτων στις εισόδους πληροφοριών της σκανδάλης στο πρώτο στοιχείο μνήμης, που ονομάζεται στοιχείο ελέγχου (M). Η μείωση του παλμού ρολογιού προκαλεί την επανεγγραφή πληροφοριών από το στοιχείο ελέγχου στο ελεγχόμενο στοιχείο (S). Μετά το τέλος του παλμού ρολογιού, οι αλλαγές στις πληροφορίες στις εισόδους R και S της σκανδάλης ελέγχου δεν γίνονται αντιληπτές. Η διαδικασία εγγραφής απεικονίζεται στο Σχήμα 3.13.
Σχήμα 3.13 - Διάγραμμα χρονισμού της διαδικασίας γραφής σε flip-flop R-S ενός κύκλου τύπου M-S
Οι διακεκομμένες γραμμές στα Σχήματα 3.11 και 3.12 δείχνουν την ανάδραση που μετατρέπει ένα flip-flop RS σε T flip-flop, τα διαγράμματα χρονισμού του οποίου φαίνονται στο Σχήμα 3.14.
Εικόνα 3.14 - Διαγράμματα χρονισμού λειτουργίας της σκανδάλης T
Οι σύγχρονες σαγιονάρες δύο σταδίων διατίθενται ως ξεχωριστά IC. Το σχήμα 3.15 δείχνει τα γραφικά σύμβολα των τύπων IC 155TM2 και 155TV1.
155TM2 155TV1
Εικόνα 3.15 - Γραφικά σύμβολα τύπων IC 155TM2 και 155TV1
Το IC 155TM2 περιέχει δύο σύγχρονα D-flip-flops που ελέγχονται από το μπροστινό άκρο του παλμού ρολογιού. Οι σκανδαλισμοί έχουν εισόδους εσωτερικού ελέγχου R και S που λειτουργούν ανεξάρτητα από τα σήματα ρολογιού.
Η σύγχρονη σκανδάλη JK 155TB1, που φαίνεται στο Σχήμα 3.15, έχει επίσης ανεξάρτητο έλεγχο στις εισόδους S και R. Η σκανδάλη χρονίζεται από τη μείωση του παλμού και έχει τρεις εισόδους πληροφοριών J και K η καθεμία. Οι είσοδοι με το ίδιο όνομα συνδυάζονται σε αυτήν σύμφωνα με το κύκλωμα ΚΑΙ.
Συνήθως, σε σειρές IC που παράγονται από τη βιομηχανία, τα D-flip-flops αλλάζουν από την άκρη ενός παλμού και τα JK-flip-flops με έναν παλμό.
Σημειώστε ότι τα σύγχρονα flip-flops δύο σταδίων ανταποκρίνονται σε αλλαγές στα σήματα πληροφοριών κατά τη διάρκεια της δράσης των παλμών ρολογιού. Εάν πριν από την άφιξη του παλμού ρολογιού, οι είσοδοι πληροφοριών είχαν μια κατάσταση στην οποία η σκανδάλη δεν έπρεπε να αλλάξει την κατάστασή της, και κατά τη διάρκεια της δράσης του παλμού ρολογιού, οι είσοδοι πληροφοριών ακόμη και για μικρό χρονικό διάστημα λαμβάνουν σήματα που οδηγούν σε αλλαγή της κατάσταση της σκανδάλης, τότε αυτή η αλλαγή θα συμβεί αναγκαστικά. Επομένως, οι εξεταζόμενοι ενεργοποιητές θα πρέπει να χρησιμοποιούνται μόνο όταν αποκλείεται η πιθανότητα αλλαγής σημάτων πληροφοριών κατά τη διάρκεια της δράσης ενός συγχρονιστικού παλμού.
Οι σύγχρονες σκανδάλες δύο σταδίων, που αλλάζουν από την άκρη ή την πτώση ενός παλμού, λειτουργούν κάπως διαφορετικά. Τέτοιοι ενεργοποιητές ανταποκρίνονται μόνο σε σήματα που υπάρχουν στις εισόδους πληροφοριών τη στιγμή του ενεργού άκρου ή της πτώσης του παλμού συγχρονισμού. Σε άλλες περιπτώσεις, οι είσοδοι πληροφοριών της σκανδάλης μπλοκάρονται και τα σήματα σε αυτές δεν γίνονται αντιληπτά. Επομένως, οι σαγιονάρες που αλλάζουν από την άκρη ή την πτώση ενός παλμού έχουν υψηλότερη ατρωσία θορύβου σε σύγκριση με τις σαγιονάρες που αλλάζουν από έναν παλμό.
4 ΜΗΤΡΩΑ
4.1 Γενικές πληροφορίες σχετικά με τα μητρώα
Οι καταχωρητές είναι συσκευές σχεδιασμένες για την καταγραφή, αποθήκευση, έκδοση και μετατροπή πληροφοριών που παρουσιάζονται με τη μορφή δυαδικών κωδικών.
Εφαρμογές: συσκευές μνήμης, στοιχεία καθυστέρησης, μετατροπείς σειριακών σε παράλληλων κωδικών και αντίστροφα, διανομείς σημάτων δακτυλίου κ.λπ. Ανάλογα με τις λειτουργικές ιδιότητες και την υλοποίηση του κυκλώματος, χωρίζονται σε:
Μητρώα μνήμης;
Μητρώα Shift;
Καθολικά μητρώα.
4.2 Καταχωρητές μνήμης
Ο σκοπός των καταχωρητών μνήμης είναι να αποθηκεύουν δυαδικό κώδικα για μια χρονική περίοδο. Αποτελούνται από ένα σύνολο flip-flops, καθένα από τα οποία αποθηκεύει ένα bit κώδικα. Επομένως, για την αποθήκευση δυαδικού κώδικα n-bit, ο καταχωρητής πρέπει να έχει n flip-flops. Η δομή και η λειτουργία μιας τέτοιας σκανδάλης απεικονίζεται από το διάγραμμα στο σχήμα 4.1.
Εικόνα 4.1 - Δομή καταχωρητή μνήμης
Ο δυαδικός κώδικας παρέχεται σε παράλληλη μορφή στις εισόδους X0, X1, X2, μετά την οποία αποστέλλεται ένας παλμός ρολογιού στην είσοδο C, ο οποίος γράφεται στην αντίστοιχη σκανδάλη.
4.3 Μητρώα βάρδιας
Ένας καταχωρητής shift είναι μια ομάδα από flip-flop που συνδέονται με τέτοιο τρόπο ώστε οι πληροφορίες από κάθε flip-flop να μπορούν να περάσουν στο επόμενο flip-flop, μετατοπίζοντας τον κώδικα που είναι γραμμένος στον καταχωρητή. Ανάλογα με την κατεύθυνση μετατόπισης, οι καταχωρητές διακρίνονται:
Με μετατόπιση προς τα δεξιά (προς τα κάτω ψηφία),
Με μετατόπιση προς τα αριστερά (προς τα πιο σημαντικά ψηφία),
Αναστρέψιμη (μετατόπιση δεξιά και αριστερά).
Το γραφικό σύμβολο για έναν καταχωρητή μετατόπισης δεξιά φαίνεται στο Σχήμα 4.2. Εδώ το βέλος δείχνει την κατεύθυνση της μετατόπισης.
Εικόνα 4.2 - Γραφικό σύμβολο για έναν καταχωρητή μετατόπισης
Το Σχήμα 4.3 δείχνει έναν καταχωρητή μετατόπισης που αποτελείται από σαγιονάρες D συνδεδεμένες σε σειρά και το σχήμα 4.4 δείχνει ένα λειτουργικό διάγραμμα ενός καταχωρητή μετατόπισης που βασίζεται σε flip-flops RS. Ένα σημαντικό χαρακτηριστικό των καταχωρητών shift είναι η εκτέλεσή τους σε ενεργοποιητές μιας δομής MS αποκλειστικά δύο σταδίων.
Εικόνα 4.3 - Λειτουργικό διάγραμμα ενός καταχωρητή μετατόπισης που βασίζεται σε D-flip-flops
Εικόνα 4.4 - Λειτουργικό διάγραμμα ενός καταχωρητή μετατόπισης που βασίζεται σε flip-flops RS
Στο μπροστινό άκρο του παλμού συγχρονισμού C, οι πληροφορίες από την είσοδο γράφονται στο τμήμα M της πρώτης σκανδάλης και από την έξοδο του πρώτου - στο τμήμα M του δεύτερου, από το δεύτερο - στο τρίτο , και ούτω καθεξής. Καθώς ο παλμός συγχρονισμού C μειώνεται, οι πληροφορίες ξαναγράφονται από το τμήμα M στο τμήμα S. Έτσι, οι πληροφορίες μετατοπίζονται ένα bit μετά από κάθε παλμό ρολογιού.
Ένας τέτοιος καταχωρητής μετατοπίζει τους κωδικούς προς μία κατεύθυνση. Οι πληροφορίες που λαμβάνονται στην είσοδο κατά τη διάρκεια οποιουδήποτε κύκλου ρολογιού θα εμφανίζονται στην έξοδο Qn του καταχωρητή shift μετά από n κύκλους ρολογιού.
Στον υπό εξέταση μητρώο, η πληροφορία καταγράφεται στην είσοδο χρησιμοποιώντας έναν διαδοχικό κωδικό (bit προς ψηφίο).
4.4 Αντιστροφή καταχωρητών
Υπάρχουν καταχωρητές που μπορούν να μετατοπίσουν δεδομένα και προς τις δύο κατευθύνσεις. Τέτοιοι καταχωρητές ονομάζονται αναστρέψιμοι. Η αρχή της κατασκευής αναστρέψιμων καταχωρητών φαίνεται στο διάγραμμα που φαίνεται στο σχήμα 4.5.
Εικόνα 4.5 - Λειτουργικό διάγραμμα ενός καταχωρητή αναστροφής που βασίζεται σε D-flip-flops
Η κατεύθυνση της αλλαγής ρυθμίζεται από το σήμα που παρέχεται στην είσοδο V. Εάν V = 1, τότε οι κάτω πύλες και τα στοιχεία του κυκλώματος 2I-OR είναι ανοιχτά, οι είσοδοι ελέγχου του οποίου λαμβάνουν σήμα "1" και μετατόπιση προς τα δεξιά εμφανίζεται. Αν V=0, τότε οι άνω πύλες & στοιχεία του κυκλώματος 2I-OR είναι ανοιχτά, γιατί το σήμα ελέγχου τους παρέχεται μέσω του μετατροπέα. υπάρχει μετατόπιση προς τα αριστερά.
4.5 Μητρώα γενικής χρήσης
Συχνά απαιτούνται πιο σύνθετοι καταχωρητές: με παράλληλη σύγχρονη καταγραφή πληροφοριών, αναστρέψιμη, με παράλληλη σειριακή σύγχρονη εγγραφή. Τέτοια μητρώα ονομάζονται καθολικά.
Ένα παράδειγμα καθολικού καταχωρητή είναι ένα IC τύπου K155IR1, το συμβολικό γραφικό σύμβολο του οποίου φαίνεται στο Σχήμα 4.6.
Εικόνα 4.6 - Γραφική ονομασία του γενικού καταχωρητή τύπου K155IR1
Πρόκειται για έναν καταχωρητή μετατόπισης τεσσάρων bit με δυνατότητα εγγραφής πληροφοριών διαδοχικά και παράλληλα. Το λειτουργικό του διάγραμμα φαίνεται στο Σχήμα 4.7.
Ο καταχωρητής κατασκευάζεται σε τέσσερα flip-flops RS και έχει δύο εισόδους χρονισμού CI, C2 και μία είσοδο V2, η οποία ελέγχει τον τρόπο λειτουργίας του καταχωρητή. Η είσοδος πληροφοριών V1 χρησιμοποιείται για την εισαγωγή δεδομένων σε έναν σειριακό κωδικό και οι είσοδοι D1-D4 χρησιμοποιούνται για την εισαγωγή δεδομένων σε παράλληλο κωδικό.
Ο καταχωρητής μπορεί να λειτουργήσει σε τέσσερις διαφορετικούς τρόπους λειτουργίας, στους οποίους εκτελούνται τα εξής: μετατόπιση κώδικα προς τα δεξιά, μετατόπιση κώδικα προς τα αριστερά, παράλληλη εισαγωγή δεδομένων, αποθήκευση πληροφοριών. Η επιλογή ενός ή του άλλου από αυτά πραγματοποιείται με την εφαρμογή του αντίστοιχου επιπέδου του λογικού σήματος στην είσοδο ελέγχου V2. Όταν V2 = O, οι κωδικοί μετατοπίζονται προς τα πιο σημαντικά bits. Εάν V2 = 1, τότε πραγματοποιείται παράλληλη εγγραφή πληροφοριών στις εισόδους D1-D4.
Εικόνα 4.7-Λειτουργικό διάγραμμα ενός γενικού καταχωρητή τύπου K155IR1
Όταν ο καταχωρητής λειτουργεί στη λειτουργία μετατροπής ενός σειριακού κωδικού σε παράλληλο με μετατόπιση προς τα πιο σημαντικά bit (V2 = 0), οι παράλληλες είσοδοι εγγραφής D1-D4 απενεργοποιούνται, εισάγοντας δεδομένα στον καταχωρητή στην είσοδο V1 σε ένα Επιτρέπεται ο σειριακός κωδικός και η διέλευση των σημάτων χρονισμού μέσω της εισόδου C1, καθώς και οι συνδέσεις μεταξύ της εξόδου κάθε bit χαμηλής τάξης και της εισόδου του επόμενου υψηλότερου. Μια μετατόπιση ενός bit προς τα δεξιά πραγματοποιείται σε κάθε πτώση του παλμού ρολογιού στην είσοδο C1. Οι πληροφορίες με τη μορφή παράλληλου κώδικα τεσσάρων bit θα εμφανιστούν στις εξόδους Q1, Q2, Q3, Q4 μετά από τέσσερις κύκλους του παλμού εισόδου.
Η παράλληλη εισαγωγή δεδομένων γίνεται μέσω των εισόδων D1-D4 παρουσία ενός σήματος ελέγχου V2=1 με την άφιξη της αποσύνθεσης παλμού στην είσοδο C2. Σε αυτήν την περίπτωση, η είσοδος σειριακής εισόδου V1 και η είσοδος σήματος χρονισμού C1 απενεργοποιούνται.
Όταν οργανώνετε τις μετατοπίσεις κώδικα προς bits χαμηλότερης τάξης, είναι απαραίτητο να κάνετε εξωτερικές συνδέσεις που φαίνονται στην Εικόνα 4.8.
Εικόνα 4.8-Σχήμα εξωτερικών συνδέσεων για μετατόπιση προς bit χαμηλής τάξης
Η διαδοχική εγγραφή στον καταχωρητή πραγματοποιείται στην είσοδο D4 με σήμα ελέγχου V2=1. Οι κωδικοί μετατοπίζονται προς τα αριστερά σε κάθε πτώση του παλμού του ρολογιού C2. Η παράλληλη εγγραφή κατά τη μετατόπιση κωδικών προς τα αριστερά είναι αδύνατη, καθώς χρησιμοποιούνται κανάλια παράλληλης εγγραφής για τη μεταφορά δεδομένων από bit χαμηλής τάξης σε υψηλής τάξης. Σημειώστε ότι στην περίπτωση των συνδέσεων που φαίνονται στην Εικόνα 4.8, δεν υπάρχει δυνατότητα μόνο παράλληλης εισαγωγής δεδομένων. Η μετατόπιση κωδικών προς υψηλότερα ψηφία είναι δυνατή και, όπως πριν, πραγματοποιείται με την εφαρμογή σημάτων χρονισμού στην είσοδο C1 στο V2=0. Επομένως, ο καταχωρητής μετατόπισης που φαίνεται στο Σχήμα 4.8 είναι αναστρέψιμος.
5 ΜΕΤΡΗΤΕΣ
5.1 Γενικές πληροφορίες για τους μετρητές
Οι μετρητές είναι συσκευές που μετρούν τον αριθμό των παλμών.
Οι μετρητές χρησιμοποιούνται όχι μόνο για την καταμέτρηση, αλλά και για την εκτέλεση άλλων λειτουργιών που μπορούν να περιοριστούν σε μέτρηση παλμών, συγκεκριμένα: μετατροπή του αριθμού των παλμών σε συγκεκριμένο κωδικό, διαίρεση της συχνότητας, άθροιση ή αφαίρεση του αριθμού των σημάτων, διανομή σημάτων κ.λπ. .
Η κύρια παράμετρος του μετρητή είναι ο συντελεστής μέτρησης (μέτρο) Ксч.
Ο συντελεστής μέτρησης είναι ίσος με τον αριθμό των διαφορετικών καταστάσεων του μετρητή. Αυτός είναι ακριβώς πόσοι παλμοί χρειάζονται για να επιστρέψει ο μετρητής στην αρχική του κατάσταση. Όταν χρησιμοποιείται ένας μετρητής ως διαιρέτης συχνότητας, ο ρυθμός επανάληψης των παλμών εξόδου είναι μικρότερος από τη συχνότητα εισόδου κατά 10. Ο μέγιστος αριθμός που μπορεί να εμφανίσει ο μετρητής είναι ένα λιγότερο από το Kcch. Το κύριο στοιχείο των μετρητών είναι η σκανδάλη T. Στην πράξη, οι σαγιονάρες T προέρχονται από τις σαγιονάρες D ή JK.
Ανάλογα με την κατεύθυνση της μέτρησης, γίνεται διάκριση μεταξύ μετρητών πρόσθεσης, αφαίρεσης και αντιστροφής.
Σε έναν αθροιστικό μετρητή, κάθε σήμα μέτρησης αυξάνει τον αριθμό που καταγράφεται στον μετρητή κατά ένα (μέτρηση προς τα εμπρός), σε έναν μετρητή αφαίρεσης, κάθε σήμα μέτρησης μειώνει τα περιεχόμενα του μετρητή κατά ένα (μετρώντας προς τα κάτω). Αναστρέψιμος μετρητής - μπορεί να εκτελέσει μέτρηση τόσο προς τα εμπρός όσο και προς τα πίσω.
Οι πίνακες 5.1 και 5.2 εμφανίζουν τη σειρά αλλαγής κωδικών στους μετρητές πρόσθεσης και αφαίρεσης, αντίστοιχα.
Πίνακας 5.1 - Συνολικοί κωδικοί κατάστασης μετρητή
| Αριθμός σήματος | Τάξη | Αριθμός μετρητή | ||
| Ε2 | Q1 | Q0 | ||
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 1 | 0 | 0 | 1 | 1 |
| 2 | 0 | 1 | 0 | 2 |
| 3 | 0 | 1 | 1 | 3 |
| 4 | 1 | 0 | 0 | 4 |
| 5 | 1 | 0 | 1 | 5 |
| 6 | 1 | 1 | 0 | 6 |
| 7 | 1 | 1 | 1 | 7 |
| 8 | 0 | 0 | 0 | 0 |
Πίνακας 5.2 - Κωδικοί κατάστασης αφαιρετικού μετρητή
| Αριθμός σήματος | Τάξη | Αριθμός μετρητή | ||
| Ε2 | Q1 | Q0 | ||
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 1 | 1 | 1 | 1 | 7 |
| 2 | 1 | 1 | 0 | 6 |
| 3 | 1 | 0 | 1 | 5 |
| 4 | 1 | 0 | 0 | 4 |
| 5 | 0 | 1 | 1 | 3 |
| 6 | 0 | 1 | 0 | 2 |
| 7 | 0 | 0 | 1 | 1 |
| 8 | 0 | 0 | 0 | 0 |
Εάν ο δεκαδικός αριθμός 7 (δυαδικός κωδικός 111) επιλεγεί ως η αρχική κατάσταση του μετρητή αφαίρεσης, τότε μια ακολουθία παλμών εισόδου μειώνει τα περιεχόμενα του μετρητή στο 000, μετά την οποία εμφανίζεται μια υπερχείλιση, δηλ. μια επιστροφή στην αρχική κατάσταση 111.
Αν πάρουμε τον αριθμό 000 ως την αρχική κατάσταση του μετρητή, τότε οι καταστάσεις των εξόδων των ενεργοποιητών του μετρητή εμφανίζουν τον αρνητικό αριθμό των μετρητών παλμών, που παρουσιάζεται στο συμπλήρωμα δύο.
Ανάλογα με τη μέθοδο κατασκευής κυκλωμάτων μεταφοράς, διακρίνονται μετρητές με διαδοχική και παράλληλη μεταφορά.
5.2 Σειριακούς μετρητές μεταφοράς
5.2.1 Σειριακός αθροιστής
Όπως προκύπτει από τον Πίνακα 5.1, το χαμηλότερο ψηφίο Q0 αλλάζει την κατάστασή του με κάθε παλμό μέτρησης· η κατάσταση κάθε επόμενου ψηφίου αλλάζει εάν το προηγούμενο μεταβεί από το ένα στο μηδέν. Εάν χρησιμοποιήσουμε T-flip-flops συνδεδεμένα όπως φαίνεται στην Εικόνα 5.1, θα λάβουμε ακριβώς την ίδια ακολουθία αλλαγών στις καταστάσεις ενεργοποίησης.
Εικόνα 5.1 - Μετρητής σειριακής προσθήκης
Το σχήμα 5.2 δείχνει το διάγραμμα χρονισμού της λειτουργίας του αθροιστικού μετρητή
Εικόνα 5.2 - Διαγράμματα χρονισμού της λειτουργίας του αθροιστικού μετρητή
Η κλιμακωτή ενεργοποίηση n τέτοιων ερεθισμάτων σχηματίζει έναν μετρητή με συντελεστή μέτρησης Ksch = 2n. Είναι απαραίτητο να θυμάστε ότι κάθε σκανδάλη έχει Cc = 2 και όταν συνδέονται σε σειρά, οι συντελεστές μέτρησης πολλαπλασιάζονται. Το σχήμα 2 δείχνει ότι η περίοδος επανάληψης παλμού μετά από κάθε έναυσμα διπλασιάζεται και μετά την τελευταία υπερβαίνει την περίοδο των παλμών εισόδου κατά 10 φορές. Αντίστοιχα, η συχνότητα μειώνεται κατά τον ίδιο αριθμό φορών, δηλ. διαιρούμενο με αριθμό ίσο με Kch. Αυτή η ιδιότητα είναι η βάση για τη χρήση μετρητών ως διαιρέτη συχνότητας.
5.2.2 Σειριακός αφαιρετικός μετρητής
Μια άλλη επιλογή για διαδοχική εναλλαγή σαγιονάρων είναι δυνατή, όταν οι είσοδοι τους είναι συνδεδεμένες με τις αντίστροφες εξόδους προηγούμενων flip-flop, όπως φαίνεται στην Εικόνα 5.3. Έτσι προκύπτει ένας δυαδικός αφαιρετικός μετρητής, η αλλαγή των καταστάσεων του οποίου φαίνεται στον Πίνακα 5.2.
Εικόνα 5.3 - Σειριακός αφαιρετικός μετρητής
Το σχήμα 5.4 δείχνει τα διαγράμματα χρονισμού του αφαιρετικού μετρητή.
Εικόνα 5.4 - Διαγράμματα χρονισμού του αφαιρετικού μετρητή
Τα σχήματα 5.1 και 5.3 δείχνουν κυκλώματα δυαδικών διαδοχικών μετρητών, δηλαδή μετρητές στους οποίους, όταν αλλάζει η κατάσταση μιας συγκεκριμένης σκανδάλης, διεγείρεται μια επόμενη σκανδάλη και οι σκανδαλισμοί αλλάζουν τις καταστάσεις τους διαδοχικά.
Εάν σε μια δεδομένη κατάσταση n εναύσματα πρέπει να αλλάξουν τις καταστάσεις τους, τότε για να ολοκληρωθεί αυτή η διαδικασία θα χρειαστούν n χρονικά διαστήματα που αντιστοιχούν στο χρόνο αλλαγής στην κατάσταση καθενός από τους εναύσματα. Αυτή η διαδοχική φύση της λειτουργίας προκαλεί δύο μειονεκτήματα του σειριακού μετρητή:
Χαμηλότερη ταχύτητα μέτρησης σε σύγκριση με τους παράλληλους μετρητές,
Πιθανότητα εμφάνισης ψευδών σημάτων στην έξοδο του κυκλώματος.
Ο επιτρεπόμενος ρυθμός καταμέτρησης σε μετρητές και των δύο τύπων καθορίζεται από τη μέγιστη ταχύτητα μεταγωγής ενός flip-flop.
Κατά τον προσδιορισμό του μέγιστου ρυθμού καταμέτρησης ενός διαδοχικού μετρητή, θα πρέπει να ληφθεί υπόψη η πιο δυσμενής περίπτωση αλλαγής της κατάστασης όλων των t flip-flops. Η συνολική διάρκεια της μεταβατικής διαδικασίας μπορεί να οριστεί ως το άθροισμα των χρόνων καθυστέρησης των μεμονωμένων στοιχείων που συνδέουν τις σκανδάλες και των χρόνων απόκρισης όλων των ενεργειών. Ο μέγιστος χρόνος που βρέθηκε με αυτόν τον τρόπο για τη μετάβαση του μετρητή από τη μια κατάσταση στην άλλη θα πρέπει να θεωρείται ως όριο. Συνήθως ο πραγματικός χρόνος μετάβασης είναι μικρότερος από τον περιοριστικό, αφού σε μια σειρά από διαδοχικά συνδεδεμένες σκανδαλώσεις, αυτή η σκανδάλη ξεκινά τη μετάβαση από τη μια κατάσταση στην άλλη ακόμη και πριν από το τέλος της διαδικασίας μετάβασης στο στοιχείο που τον διεγείρει.
Η διαδοχική φύση των μεταβάσεων του μετρητή ενεργοποίησης είναι μια πηγή ψευδών σημάτων στις εξόδους του. Για παράδειγμα, σε έναν μετρητή που μετράει σε έναν δυαδικό κώδικα τεσσάρων bit με "κλίμακες" 8421, όταν μετακινηθείτε από τον αριθμό 710 = 01112 στον αριθμό 810 = 10002, θα εμφανιστεί η ακόλουθη σειρά σημάτων στην έξοδο: 0111 – 0110 – 0100 – 0000 – 1000. Αυτό σημαίνει ότι κατά τη μετάβαση από την κατάσταση 7 στην κατάσταση 8, οι καταστάσεις 6 θα εμφανίζονται στις εξόδους του μετρητή για μικρό χρονικό διάστημα. 4; 0. Αυτές οι πρόσθετες συνθήκες μπορεί να προκαλέσουν δυσλειτουργία άλλων συσκευών.
5.3 Μετρητές παράλληλης μεταφοράς
Στους παράλληλους μετρητές, τα σήματα συγχρονισμού αποστέλλονται σε όλα τα flip-flops ταυτόχρονα, γεγονός που μειώνει τον χρόνο των μεταβατικών διεργασιών. Σε αυτή την περίπτωση, παίρνουμε έναν παράλληλο μετρητή. Ένα παράδειγμα κυκλώματος αθροιστικού μετρητή φαίνεται στο Σχήμα 5.5.
Εικόνα 5.5 - Παράλληλος αθροιστικός μετρητής σε σαγιονάρες τηλεόρασης
Εδώ, οι παλμοί μέτρησης παρέχονται ταυτόχρονα στις εισόδους συγχρονισμού T όλων των flip-flops και σήματα που ορίζουν συγκεκριμένους ερεθισμούς που αλλάζουν την κατάστασή τους με έναν δεδομένο παλμό εισόδου αποστέλλονται στις εισόδους ενεργοποίησης V. Εάν V=1, τότε η σκανδάλη λειτουργεί ως συνήθως, εάν V=0, τότε είναι σε λειτουργία αποθήκευσης. Η αρχή λειτουργίας του μετρητή προκύπτει από τον Πίνακα 1: η σκανδάλη αλλάζει την κατάστασή της όταν φτάσει ο επόμενος παλμός συγχρονισμού, εάν όλοι οι προηγούμενοι εκκινητές ήταν στη λογική μία κατάσταση.
Ως σκανδάλη T, μπορείτε να χρησιμοποιήσετε μια γενική σκανδάλη JK, για παράδειγμα IC K155TV1. Ένας παράλληλος αθροιστικός μετρητής βασισμένος σε σαγιονάρες JK φαίνεται στο Σχήμα 5.6.
Εικόνα 5.6 - Παράλληλος αθροιστικός μετρητής σε σαγιονάρες JK
Εδώ, κάθε έναυσμα μπορεί να είναι μόνο σε δύο λειτουργίες: μέτρηση (λειτουργία T-flip-flop) και αποθήκευση. Στην πρώτη περίπτωση J=K=1, στη δεύτερη – J=K=0. Η λογική λειτουργίας αντιστοιχεί πλήρως στην περιγραφή του κυκλώματος που παρουσιάζεται στο Σχήμα 5.5.
5.4 Μετρητές όπισθεν
Μερικές φορές απαιτούνται μετρητές που επιτρέπουν την καταμέτρηση τόσο προς την εμπρός όσο και προς την αντίστροφη κατεύθυνση, π.χ. αναστρεπτός. Η αρχή της κατασκευής τους βασίζεται στη χρήση στοιχείων βαλβίδας, τα οποία καθιστούν δυνατή την οργάνωση της εναλλαγής του τρόπου λειτουργίας. Μία από τις επιλογές για έναν αναστρέψιμο παράλληλο μετρητή σε σαγιονάρες τηλεόρασης παρουσιάζεται στο Σχήμα 5.7.
Εικόνα 5.7 - Παράλληλος μετρητής πάνω/κάτω σε σαγιονάρες τηλεόρασης
Η εναλλαγή της κατεύθυνσης μέτρησης επιτυγχάνεται με την εφαρμογή ενός σήματος λογικής μονάδας "1" σε μία από τις εισόδους ελέγχου. Εάν το "1" εφαρμόζεται στην είσοδο "+1", τότε ο τρόπος άθροισης, εάν το "-1" εφαρμόζεται στην είσοδο, τότε ο τρόπος αφαίρεσης. Στην πρώτη περίπτωση, οι άνω πύλες ΚΑΙ στο κύκλωμα θα είναι ανοιχτές, επομένως τα σήματα μεταφοράς θα λαμβάνονται από τις άμεσες εξόδους των σαγιονάρων, στη δεύτερη περίπτωση, οι κάτω πύλες θα είναι ανοιχτές και τα σήματα μεταφοράς θα περνούν από τις αντίστροφες εξόδους των flip-flops.
5.5 Μετρητές με αυθαίρετο συντελεστή μέτρησης όχι ίσο με 2n
Ορισμένες συσκευές απαιτούν μετρητές με συντελεστή μέτρησης διαφορετικό από 2n ή με μεταβλητό συντελεστή μέτρησης. Ένας από τους πιθανούς τρόπους αλλαγής του είναι η αλλαγή της λογικής δομής του κυκλώματος ανάλογα με τα σήματα ελέγχου του συντελεστή μέτρησης. Το νόημα της αλλαγής είναι να αλλάξει ο αριθμός των καταστάσεων μετρητή, επειδή Το Kch ισούται ακριβώς με αυτόν τον αριθμό.
Ας υποθέσουμε ότι είναι απαραίτητο να αναπτυχθεί ένας παράλληλος μετρητής που να μετράει modulo 5. Ο ελάχιστος αριθμός flip-flops που παρέχει συντελεστή μέτρησης 5 είναι τρεις. Πράγματι, ένας μετρητής που περιέχει τρία flip-flops μπορεί να βρίσκεται σε μία από τις οκτώ καταστάσεις (συμπεριλαμβανομένης της μηδενικής κατάστασης 000). Αλλά για να λάβουμε Ksch =5, είναι απαραίτητο να μειώσουμε τον αριθμό των καταστάσεων κατά 8-5=3. Τρεις καταστάσεις μετρητή πρέπει να απενεργοποιηθούν.
Είναι δυνατοί οι ακόλουθοι κύριοι τρόποι μείωσης του αριθμού των πολιτειών:
Αρχική εγκατάσταση κωδικού,
Αναγκάστηκε στη διαδικασία της καταμέτρησης,
Αναγκαστική επαναφορά.
Η αρχική ρύθμιση του κωδικού σημαίνει την προκαταρκτική εισαγωγή στον μετρητή πριν από την έναρξη της μέτρησης ενός αριθμού ίσου με τον αριθμό των περιττών καταστάσεων (για Ksch = 5 υπάρχουν 3 από αυτές). Έτσι, ο αριθμός των παλμών που θα μετρήσει ο μετρητής πριν επιστρέψει στην αρχική κατάσταση θα μειωθεί κατά την τιμή του εισαγόμενου αριθμού.
Μια αναγκαστική μέτρηση απαιτεί την εισαγωγή πρόσθετων στοιχείων στο κύκλωμα μετρητή, διασφαλίζοντας ότι σε μια συγκεκριμένη στιγμή ένας αριθμός ίσος με τον αριθμό των περιττών καταστάσεων εισάγεται στον μετρητή. Ένα παράδειγμα κατασκευής ενός μετρητή με βάση αυτή την αρχή είναι ένας μετρητής με Kch = 10, που φαίνεται στο Σχήμα 5.8.
Εικόνα 5.8 - Μετρητής με αναγκαστική μέτρηση με Count = 10
Κατά τη διάρκεια των πρώτων οκτώ παλμών, οι καταστάσεις μετρητή αλλάζουν με τον συνήθη τρόπο όπως φαίνεται στον Πίνακα 5.3.
Πίνακας 5.3 - Κωδικοί κατάστασης για μετρητή με αναγκαστική μέτρηση με Αρίθμηση = 10
| Αριθμός σήματος | Κατάταξη (βάρος) | Αριθμός μετρητή | |||
| Ε3 (8) | Ε2 (4) | Ε1 (2) | Q0(1) | ||
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 |
| 2 | 0 | 0 | 1 | 0 | 2 |
| 3 | 0 | 0 | 1 | 1 | 3 |
| 4 | 0 | 1 | 0 | 0 | 4 |
| 5 | 0 | 1 | 0 | 1 | 5 |
| 6 | 0 | 1 | 1 | 0 | 6 |
| 7 | 0 | 1 | 1 | 1 | 7 |
| 8 | 1 | 0 | 0 | 0 | 8 |
| 9α | 1 | 1 | 1 | 0 | 14 |
| 9β | 1 | 1 | 1 | 1 | 15 |
| 10 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
Με την άφιξη του ένατου παλμού (γραμμή 9a), τρεις εμφανίζονται στις εισόδους του λογικού στοιχείου AND και «0» στην έξοδό του, που θέτει τα flip-flops Q2 και Q1 στις εισόδους S, με βάρη 4 και 2, αντίστοιχα. Αυτό ισοδυναμεί με την εισαγωγή του αριθμού 6 στον μετρητή - αυτός είναι ακριβώς ο αριθμός των περιττών καταστάσεων στο Ksch = 10. Μετά το τέλος του ένατου παλμού (γραμμή 9β), το Q0 μεταβαίνει στη μοναδιαία κατάσταση, και ως αποτέλεσμα, ο μετρητής περιέχει τον αριθμό 15 αντί για τον αριθμό 9. Με τον δέκατο παλμό, ο μετρητής πηγαίνει στην αρχική κατάσταση μηδέν.
Η αρχή του εξαναγκασμένου μηδενισμού εφαρμόζεται στο IC K155IE5, το οποίο είναι ένας σειριακός δυαδικός μετρητής τεσσάρων bit με μεταβλητό μετρητή εντός 16. Το συμβολικό γραφικό σύμβολο του μετρητή K155IE5 παρουσιάζεται στην Εικόνα 5.9.
Εικόνα 5.9 - Μετρητής με εξαναγκασμένο μηδενισμό K155IE5
Η δομή του μετρητή K155IE5 φαίνεται στο Σχήμα 5.10.
Εικόνα 5.10 - Δομή μετρητή με εξαναγκασμένο μηδενισμό K155IE5
Ο μετρητής K155IE5 αποτελείται από τέσσερις σαγιονάρες μέτρησης που βασίζονται σε σαγιονάρες JK και περιέχει δύο ανεξάρτητα μέρη με Count = 2 (είσοδος C1 και έξοδος Q1) και με Count = 8 (είσοδος C2 και έξοδοι Q2, Q3, Q4) . Χρησιμοποιώντας εξωτερικές συνδέσεις Q1 έως C2, μπορείτε να αποκτήσετε έναν σειριακό μετρητή με Kch = 2 × 8 = 16. Οι είσοδοι R1 και R2 χρησιμοποιούνται για την επαναφορά (μηδέν) του μετρητή, η οποία θα συμβεί εάν R1 = R2 = 1.
Η αρχή της απόκτησης ενός αυθαίρετου συντελεστή μέτρησης βασίζεται στην παροχή μεμονωμένων σημάτων από τις εξόδους του μετρητή στις εισόδους μηδενισμού.
Για παράδειγμα, για να ληφθεί Kch=10, προσδιορίζεται πρώτα ο αριθμός των ερεθισμάτων. Θα έπρεπε να είναι τέσσερις, γιατί... 24=16, που είναι περισσότερο από 10. Γίνεται σύνδεση μεταξύ Q1 και C2. Στη συνέχεια γράψτε τον δεκαδικό αριθμό δέκα σε δυαδική μορφή: θα είναι Q1=0, Q2=1, Q3=0, Q4=1. Όταν Ksch = 1010, ο μέγιστος κωδικός εξόδου αντιστοιχεί στον αριθμό 910 και ο επόμενος αριθμός είναι 010, όχι 1010. Επομένως, συνδέοντας τις εξόδους Q2 και Q4, στις οποίες εμφανίζονται μονάδες ταυτόχρονα μετά τον δέκατο παλμό, με τις εισόδους R1 και Q4 R2, παίρνουμε την επαναφορά του μετρητή με τη δέκατη ώθηση, η οποία θα αντιστοιχεί σε Kch = 1010. Το Σχήμα 5.11 δείχνει έναν μετρητή με Ksch=10, κατασκευασμένο σύμφωνα με την περιγραφόμενη μέθοδο.
Εικόνα 5.11-Μετρητής με Ksch=10 με βάση το IC K155IE5
Τα μικροκυκλώματα K155IE6, K555IE6, KR1533IE6 είναι ένας δυαδικός-δεκαδικός μετρητής πάνω/κάτω που λειτουργεί στον κώδικα 1-2-4-8. Η συμβατική γραφική του ονομασία παρουσιάζεται στην Εικόνα 5.12.
Εικόνα 5.12-Μετρητής K155IE6, K555IE6, KR1533IE6
Σκοπός των εξόδων και των εισόδων των μικροκυκλωμάτων K155IE6, K555IE6, KR1533IE6:
Οι είσοδοι +1 και -1 χρησιμοποιούνται για την παροχή παλμών ρολογιού, +1 για μέτρηση προς τα εμπρός, -1 για αντίστροφη μέτρηση.
Η είσοδος R χρησιμοποιείται για να ορίσετε τον μετρητή στο 0,
Είσοδος L – για καταγραφή πληροφοριών που λαμβάνονται μέσω των εισόδων D1 - D8 στον μετρητή.
Οι ενεργοποιητές μετρητή ορίζονται στο 0 όταν υποβάλλεται το αρχείο καταγραφής. 1 είσοδος R, ενώ η είσοδος L πρέπει να είναι log. 1. Για να προεγγράψετε οποιονδήποτε αριθμό από το 0 έως το 9 στον μετρητή, ο κωδικός του θα πρέπει να υποβληθεί στις εισόδους D1 - D8 (το D1 είναι το λιγότερο σημαντικό ψηφίο, το D8 το πιο σημαντικό), ενώ η είσοδος R πρέπει να έχει ένα αρχείο καταγραφής. 0 και εφαρμόστε έναν παλμό αρνητικής πολικότητας στην είσοδο L.
Η λειτουργία προεγγραφής μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη δημιουργία διαιρέσεων συχνότητας με συντονιζόμενο λόγο διαίρεσης. Εάν αυτή η λειτουργία δεν χρησιμοποιείται, το επίπεδο καταγραφής πρέπει να διατηρείται συνεχώς στην είσοδο L. 1.
Η απευθείας μέτρηση πραγματοποιείται με την εφαρμογή παλμών αρνητικής πολικότητας στην είσοδο +1, ενώ θα πρέπει να υπάρχει ένα ημερολόγιο στις εισόδους -1 και L. 1, στην είσοδο R – log. 0. Η εναλλαγή των ενεργοποιητών μετρητή πραγματοποιείται σύμφωνα με τις μειώσεις των παλμών εισόδου· ταυτόχρονα με κάθε δέκατο παλμό εισόδου, σχηματίζεται ένας αρνητικός παλμός υπερχείλισης εξόδου στην έξοδο >9, ο οποίος μπορεί να τροφοδοτηθεί στην είσοδο +1 του επόμενου μικροκυκλώματος μετρητή πολλαπλών bit . Τα επίπεδα στις εξόδους 1-2-4-8 του μετρητή αντιστοιχούν στην τρέχουσα κατάσταση του μετρητή (σε δυαδικό κώδικα). Κατά την αντίστροφη μέτρηση, οι παλμοί εισόδου εφαρμόζονται στην είσοδο -1, οι παλμοί εξόδου αφαιρούνται από την έξοδο ≤ 0.
ΚΑΤΑΛΟΓΟΣ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΗΜΕΝΩΝ ΑΝΑΦΟΡΩΝ
1. Aleksenko A.G. Μικροκύκλωμα. - Μ.: Ραδιόφωνο και επικοινωνίες. - 1982.
2. Biryukov S.A. Εφαρμογή ψηφιακών μικροκυκλωμάτων της σειράς TTL και CMOS. -Μ.: DMK. -2000
3. Bukreev Ya.P. Μικροηλεκτρονικά κυκλώματα ψηφιακών συσκευών - Μ.: Ραδιόφωνο και Επικοινωνίες - 1990.
4. Zeldin E.A. Ψηφιακά ολοκληρωμένα κυκλώματα σε εξοπλισμό πληροφοριών και μετρήσεων - L.: Energoatomizdat. - 1986.
5. ολοκληρωμένα κυκλώματα: Κατάλογος. Εκδ. Tarabrina B.V. -Μ.: Energoatomizdat. -1985.
6. Malyshev A.A. Βασικές αρχές της ψηφιακής τεχνολογίας - M.: Ραδιόφωνο και επικοινωνία. - 1984
7. Ovechkin Yu.A. μικροηλεκτρονική - Μ.: Ραδιόφωνο και επικοινωνία. - 1982.
8. Βασικές αρχές ψηφιακών κυκλωμάτων / I.P.Barbash, M.P. Blagodarny, V.Ya.Zhikharev, V.M.Ilyushko, V.S.Krivtsov, P.M.Kulikov, M.V.Nechiporuk, G. M.Timonkin, V.S.Kharchenko-N.Kharkharev αεροπορία in-t." - 2002.
Μίλησα για λογικά στοιχεία - τα «δομικά στοιχεία» που αποτελούν τα θεμέλια της ψηφιακής τεχνολογίας και τους σκοπούς τους. Σε αυτή την ανάρτηση θα μιλήσω πιο αναλυτικά για τη χρήση ψηφιακών μικροκυκλωμάτων που περιέχουν λογικά στοιχεία.
Τα πιο απλά σχήματα
Το πρώτο σχήμα είναι το απλούστερο κέντημαγια τη δοκιμή ηλεκτρικών κυκλωμάτων. Χρησιμοποιώντας αυτόν τον αισθητήρα, μπορείτε να προσδιορίσετε την αξιοπιστία της ηλεκτρικής επαφής, να βρείτε ένα ανοιχτό κύκλωμα και να ελέγξετε τη δυνατότητα συντήρησης των αντιστάσεων και των διόδων ημιαγωγών και των τρανζίστορ.
Διάγραμμα ανιχνευτή για τον έλεγχο της συνέχειας ενός ηλεκτρικού κυκλώματος.
Ας περιγράψουμε το έργο του. Όταν οι ανιχνευτές XT είναι ανοιχτοί, ρυθμίζεται ένα υψηλό επίπεδο λογικής τάσης στις εισόδους του λογικού στοιχείου DD1 σε σχέση με το κοινό καλώδιο. Αντίστοιχα, η έξοδος του στοιχείου DD1 θα είναι χαμηλό λογικό επίπεδο, ενώ το LED VD1 δεν θα ανάψει. Εάν οι ανιχνευτές συνδέονται μεταξύ τους, τότε η είσοδος DD1 θα έχει χαμηλό λογικό επίπεδο και η έξοδος θα είναι υψηλή. Μια λαμπερή δίοδος θα υποδεικνύει ότι οι έξοδοι είναι κλειστές μεταξύ τους. Έτσι, όταν οι ανιχνευτές συνδέονται σε ένα κύκλωμα εργασίας, το LED θα ανάψει και εάν το LED δεν ανάβει, σημαίνει ότι υπάρχει ανοιχτό κύκλωμα στο κύκλωμα.
Το παρακάτω διάγραμμα είναι λογικός ανιχνευτής. Προορίζεται για τον προσδιορισμό του λογικού επιπέδου τάσης στα ηλεκτρικά κυκλώματα των ψηφιακών συσκευών.
Λογικό κύκλωμα ανιχνευτή.
Στην αρχική κατάσταση, ρυθμίζεται ένα υψηλό λογικό επίπεδο στις εισόδους του λογικού στοιχείου DD1 και της εξόδου DD2, και ανάλογα ανάβει το LED VD1. Όταν οι λυχνίες LED συνδέονται σε ένα κύκλωμα με υψηλή λογική στάθμη, η λυχνία LED VD1 συνεχίζει να ανάβει και όταν εμφανίζεται μια χαμηλή λογική στάθμη στην είσοδο DD1, η λυχνία LED VD1 θα σβήσει ανάλογα.
Περαιτέρω αφήγηση σχετικά με τη χρήση ψηφιακών μικροκυκλωμάτων δεν είναι δυνατή χωρίς γνώση εσωτερική δομήψηφιακά μικροκυκλώματα TTL και CMOS και τους χαρακτηριστικά μετάδοσης.
Εσωτερική δομή ψηφιακών τσιπ TTL
Όλες οι οικογένειες ψηφιακών τσιπ βασίζονται σε βασικά στοιχεία λογικής. Για όλα τα μικροκυκλώματα της οικογένειας TTL, ένα τέτοιο στοιχείο είναι στοιχείο 2I-NOT, το οποίο έχει την ακόλουθη εσωτερική δομή. Παρακάτω είναι ένα διάγραμμα του στοιχείου 2I-NOT και της παροδικής απόκρισής του
Σχέδιο του βασικού στοιχείου TTL 2I-NOT και η παροδική απόκρισή του.
Στην είσοδο του στοιχείου είναι τρανζίστορ πολλαπλών εκπομπών VT1 τότε στάδιο ενισχυτήστο τρανζίστορ VT2 και στάδιο εξόδου push-pullστα τρανζίστορ VT3, VT4.
Ας περιγράψουμε τη λειτουργία του λογικού στοιχείου 2I-NOT. Στην αρχική κατάσταση, η τάση εισόδου δεν υπερβαίνει τα 0,5 V και η διασταύρωση εκπομπού του τρανζίστορ VT1 είναι ανοιχτή, αυτή η τάση δεν είναι αρκετή για να μεταφέρει τη διασταύρωση συλλέκτη στην ανοιχτή κατάσταση, το ίδιο ισχύει και για τις διασταυρώσεις εκπομπών των τρανζίστορ VT2, VT4. Επομένως, αυτά τα τρανζίστορ είναι κλειστά και το τρανζίστορ VT3 είναι ανοιχτό, λόγω της τάσης που προέρχεται από το R2. Η δίοδος VD3 αποδεικνύεται ότι είναι ανοιχτή και η τάση στην έξοδο του στοιχείου είναι περίπου 3...4 V ( σημείο Α). Όταν η τάση στους εκπομπούς του VT1 αρχίζει να αυξάνεται, το τρανζίστορ VT2 αρχίζει να ανοίγει και το τρανζίστορ VT3 κλείνει ομαλά ( τμήμα Α – Β). Μια περαιτέρω αύξηση της τάσης στο τρανζίστορ εισόδου οδηγεί στο γεγονός ότι το τρανζίστορ VT2 ανοίγει ακόμη περισσότερο, η τάση στο R3 αυξάνεται επίσης και το τρανζίστορ VT4 ανοίγει. Ως αποτέλεσμα, η διασταύρωση εκπομπού του τρανζίστορ VT4 παρακάμπτει την αντίσταση R3 και το τρανζίστορ VT2 ανοίγει απότομα και η τάση στην έξοδο του στοιχείου μειώνεται. Σε αυτήν την στιγμή ( ενότητα Β – Γ) όλα τα τρανζίστορ είναι ανοιχτά και σε ενεργή λειτουργία. Εάν συνεχίσετε να αυξάνετε την τάση εισόδου, τότε τα τρανζίστορ VT2 και VT4 θα μεταβούν σε λειτουργία κορεσμού ( ενότητα Β – Δ), και το τρανζίστορ VT3 θα κλείσει και η τάση εξόδου θα γίνει ίση με την τάση κορεσμού του τρανζίστορ VT4 και το ρεύμα θα περιοριστεί από την αντίσταση R4.
Ενότητα Β – Γμπορεί να χρησιμοποιηθεί παροδική απόκριση για επεξεργασία αναλογικού σήματος, σε αυτή τη λειτουργία η μεταβατική απόκριση έχει υψηλή γραμμικότητα και μέγιστη κατανάλωση ενέργειας.
Εσωτερικός σχεδιασμός ψηφιακών τσιπ CMOS
Ακριβώς όπως στην οικογένεια TTL, τα τσιπ CMOS το βασικό στοιχείο είναι 2I-NOT, η εσωτερική δομή του οποίου φαίνεται παρακάτω
Διάγραμμα του βασικού στοιχείου 2I-NOT CMOS και η μεταβατική απόκρισή του.
Αυτό το λογικό στοιχείο λειτουργεί τρανζίστορ συμπληρωματικών φαινομένων πεδίου. Τρανζίστορ με κανάλι τύπου p (VT1, VT2)συνδεδεμένο με τον θετικό αγωγό της πηγής ισχύος, με κανάλι τύπου n (VT3, VT4)συνδεδεμένο σε σειρά.
Σε τάση εισόδου 2 V ή μικρότερη, τα τρανζίστορ VT1 και VT2 είναι ανοιχτά, καθώς η τάση στα τμήματα πύλης πηγής (με τάση τροφοδοσίας 9 V) είναι τουλάχιστον 7 V. Η τάση στα ίδια τμήματα των τρανζίστορ VT3 και το VT4 είναι ανεπαρκές για να τα ανοίξει, επομένως στην έξοδο του στοιχείου θα υπάρχει τάση σχεδόν ίση με την τάση τροφοδοσίας, δηλαδή περίπου 9 V ( σημείο Α). Καθώς η τάση εισόδου αυξάνεται, τα τρανζίστορ αρχίζουν να ανοίγουν και τα VT1 και VT2 αρχίζουν να κλείνουν. Επί τμήμα Α – Βαυτή η διαδικασία συμβαίνει σχετικά ομαλά, και ενότητα Β – Γείναι πιο γρήγορο και γραμμικό. Στο σημείο ΒΤα τρανζίστορ VT1 και VT2 είναι σχεδόν εντελώς κλειστά και τα VT3 και VT4 είναι ανοιχτά. Η τάση εξόδου σε αυτή την περίπτωση είναι μικρή και με περαιτέρω αύξηση της τάσης εισόδου στο επίπεδο της πηγής ισχύος, τείνει στο μηδέν ( σημείο Ζ).
Λογικό στοιχείο σε γραμμική λειτουργία
Η χρήση λογικών στοιχείων ψηφιακών μικροκυκλωμάτων για εργασία με αναλογικά σήματα είναι δυνατή μόνο εάν αυτά η λειτουργία αλλάζει σε γραμμικήή κοντά σε αυτό. Έτσι σε γραμμική λειτουργία στοιχείο TTLισοδυναμεί με έναν ενισχυτή με κέρδος 10 ... 15 (περίπου 20 dB) και Στοιχείο CMOS– ένας ενισχυτής με απολαβή 10 ... 20 (20 ... 26 dB).
Έξοδος ενός λογικού στοιχείου σε γραμμική λειτουργία: από αριστερά προς τα δεξιά με ρεύμα, τάση, ανάδραση.
Διάφορες μέθοδοι χρησιμοποιούνται για την έξοδο ενός λογικού στοιχείου σε μια γραμμική τομή. Ένα από αυτά βασίζεται στην ένταξη στην είσοδο της αντίστασης του στοιχείου TTL R. Αυτή η αντίσταση θα προκαλέσει τη ροή ρεύματος μέσω της διασταύρωσης εκπομπού του τρανζίστορ εισόδου του στοιχείου TTL. Αλλάζοντας την αντίσταση της εξωτερικής αντίστασης, μπορείτε να αλλάξετε την τάση στην έξοδο του στοιχείου, δηλαδή να αλλάξετε τη θέση του σημείου λειτουργίας του στο χαρακτηριστικό μεταφοράς. Για στοιχεία TTLΗ αντίσταση μιας τέτοιας εξωτερικής αντίστασης κυμαίνεται από 1 kOhm έως 3 kOhm. Ωστόσο, αυτή η μέθοδος δεν ισχύει για τσιπ CMOS, αφού λειτουργούν χωρίς ρεύματα εξόδου (υπάρχουν ρεύματα διαρροής, αλλά είναι μικρά και ασταθή).
Ο δεύτερος τρόπος για να φέρετε ένα λογικό στοιχείο σε κατάσταση λειτουργίας μπορεί να είναι η εφαρμογή στην είσοδο της αντίστοιχης τάσης, για παράδειγμα χρησιμοποιώντας ωμικό διαχωριστικό. Ναι, για στοιχεία TTLτο μέσο του γραμμικού τμήματος του χαρακτηριστικού μεταφοράς αντιστοιχεί σε Τάση εισόδου 1,5…1,8 V, και για CMOS 3…6 V(σε τάση τροφοδοσίας 9 V). Για διαφορετικά λογικά στοιχεία αυτή η τάση δεν είναι η ίδια, επομένως επιλέγεται πειραματικά. Οι τιμές των αντιστάσεων εισόδου επιλέγονται με τέτοιο τρόπο ώστε τα ρεύματα εισόδου των στοιχείων να μην επηρεάζουν την τάση που αφαιρείται από τον ωμικό διαχωριστή.
Η τρίτη μέθοδος είναι η πιο αποτελεσματική για αυτό δημιουργία αρνητικών σχολίων (NF)με συνεχές ρεύμα μεταξύ της εισόδου και της εξόδου του στοιχείου, λόγω του οποίου το σημείο λειτουργίας διατηρείται αυτόματα στο απαιτούμενο τμήμα του χαρακτηριστικού μεταφοράς και δεν απαιτεί προσεκτική επιλογή εξωτερικών αντιστάσεων. Αυτή η μέθοδος εφαρμόζεται για λογικές πύλες με αντιστροφήσήμα εισόδου: NOT, AND-NOT, OR-NOT.
Αντίσταση αντίσταση στο κύκλωμα OOSεπιλέγονται με βάση την παροχή στο στοιχείο με το απαιτούμενο ρεύμα εισόδου. Για Στοιχεία CMOSανέρχεται σε από αρκετά κιλά-Ωμ έως δεκάδες mega-Ωμ, και για TTL – από δεκάδες Ohm έως 1 kOhm. Αλλά η χρήση του OOS μειώνει το κέρδος του στοιχείου.
Λογικοί ενισχυτές
Για να χρησιμοποιήσετε λογικά στοιχεία ως ενισχυτές σήματος, είναι απαραίτητο να φέρετε το σημείο λειτουργίας στο γραμμικό τμήμα του χαρακτηριστικού μεταφοράς. Τα κύρια χαρακτηριστικά τέτοιων ενισχυτών φαίνονται στον παρακάτω πίνακα.
| Σειρά | Σχέδιο έξοδο προς γραμμικός τρόπος |
Σε εμάς, dB |
Fmax, MHz |
R κατανάλωση mW |
Εσύ έξω, ΣΕ |
Ριν, kOhm |
Έξω, kOhm |
R1, kOhm |
R2, kOhm |
| Κ155 | OOC | 18 | 40 | 20 | 1,2 | 0,6 | 0,05 | 0,68 | 0,68 |
| Ρεύμα | 21 | 0,8 | 1,9 | — | |||||
| Κ176 | OOC | 25 | 5,5 | 5 … 20 | 1,5 | 0,4 | 0,05 | 7,5 | 5,1 |
| Ρεύμα | 17 | 3 … 4 | 5,0 | 3,5 | 6 | 6,2 | 4 | ||
| 561 | OOC | 25 | 1000 | 7 | 1000 | 1000 |
Το κύκλωμα του απλούστερου ενισχυτή που βασίζεται σε στοιχείο TTL φαίνεται παρακάτω. Η ρύθμιση του ενισχυτή καταλήγει στη ρύθμιση του σημείου λειτουργίας του στοιχείου με την αντίσταση περικοπής R1 στο μέσο του γραμμικού τμήματος του χαρακτηριστικού μεταφοράς.
Ο απλούστερος ενισχυτής που βασίζεται σε στοιχείο TTL
Το μειονέκτημα των απλών ενισχυτών είναι χαμηλή αντίσταση εισόδου, γεγονός που περιορίζει το πεδίο εφαρμογής τους. Επιπλέον, το κέρδος είναι μικρό. Αυτό το μειονέκτημα εξαλείφεται με τη χρήση του σε συνδυασμό με τρανζίστορ. Το κέρδος αυξάνεται συνδέοντας πολλά στάδια σε σειρά. Επιπλέον, το ψηφιακό τσιπ περιέχει πολλά πανομοιότυπα στοιχεία, γεγονός που καθιστά δυνατή τη δημιουργία πολυκαναλικών ενισχυτών. Ένα παράδειγμα είναι το διάγραμμα που φαίνεται παρακάτω. Κύρια χαρακτηριστικά του ενισχυτή: κέρδος – 50; σύνθετη αντίσταση εξόδου 50 Ohm, σύνθετη αντίσταση εισόδου 5 kOhm, ανώτερη οριακή συχνότητα 40 MHz.
Κύκλωμα ενισχυτή με τρανζίστορ στην είσοδο
Τα στοιχεία CMOS μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για ενισχυτές, το κύκλωμα ενός εκ των οποίων φαίνεται παρακάτω. Ένα κοινό μειονέκτημα των ενισχυτών CMOS είναι υψηλή αντίσταση εξόδου. Μπορεί να εξαλειφθεί με την εγκατάσταση ενός λογικού στοιχείου στην έξοδο εκπομπός οπαδόςστο τρανζίστορ και συνδέοντάς το στο κύκλωμα OOS.
Κυκλώματα ενισχυτών βασισμένα σε στοιχεία CMOS.
Συσκευές κατωφλίου βασισμένες σε λογικά στοιχεία
Συσκευές κατωφλίου, που ονομάζονται συγκριτές, έχουν σχεδιαστεί για να μετατρέπουν ένα αναλογικό σήμα σε ψηφιακή πληροφορία. Η απλούστερη συσκευή κατωφλίου είναι η σκανδάλη Schmitt, η οποία περιγράφεται σε αυτό το άρθρο. Εκτός από τη δημιουργία παλμών και την αποκατάσταση ψηφιακών σημάτων, οι συσκευές κατωφλίου χρησιμοποιούνται σε μετατροπείς αναλογικού σε ψηφιακό και σε γεννήτριες παλμών διαφόρων σχημάτων.
Διάγραμμα συσκευής κατωφλίου που βασίζεται σε λογικά στοιχεία.
Σε γενικές γραμμές, το λογικό στοιχείο είναι από μόνο του μια συσκευή κατωφλίου, αλλά χαρακτηριστικό μεταφοράςόχι εντελώς γραμμικό. Για να αυξηθεί η γραμμικότητα του χαρακτηριστικού μεταφοράς ενός λογικού στοιχείου, πρέπει να καλυφθεί θετικά σχόλια (POF)με συνεχές ρεύμα μέσω της αντίστασης R2. Σε αυτή την περίπτωση, μετατρέπεται σε ένα είδος σκανδάλη Schmittμε δυνατότητα ρύθμισης τάσεων κατωφλίου. Πλάτος βρόχου υστέρησης(η διαφορά μεταξύ των τάσεων κατωφλίου) εξαρτάται από την αναλογία των τιμών των αντιστάσεων R1 και R2. Η ευαισθησία εξαρτάται επίσης από αυτές τις αντιστάσεις. Καθώς το R2 αυξάνεται και το R1 μειώνεται, η ευαισθησία αυξάνεται και το πλάτος του βρόχου υστέρησης μειώνεται. Για Τσιπ TTLαντίσταση R1 = 0,1 ... 2 kOhm, και R2 = 2 ... 10 kOhm. Οι συσκευές κατωφλίου που βασίζονται σε στοιχεία CMOS είναι ιδιαίτερα οικονομικές, αλλά το μειονέκτημα είναι η χαμηλή ευαισθησία. Για Τσιπ CMOSΤο R1 είναι αρκετές δεκάδες kilo-ohms και το R2 είναι αρκετές εκατοντάδες kilo-ohms.
Γεννήτριες βασισμένες σε λογικά στοιχεία
Τα ψηφιακά μικροκυκλώματα χρησιμοποιούνται ευρέως σε διαγράμματα κυκλωμάτων διαφόρων γεννητριώνμε συχνότητες από κλάσματα Hertz έως δεκάδες megahertz και μεγάλη ποικιλία σχημάτων παλμών. Γενικά, οι γεννήτριες αντιπροσωπεύουν ένα στάδιο ενίσχυσης ή περισσότερα, τα οποία καλύπτονται ανατροφοδότηση ανάλογα με τη συχνότητα. Ως τέτοια κυκλώματα χρησιμοποιούνται κυκλώματα RC, LC, RLC, καθώς και πιεζοκεραμικοί συντονιστές και συντονιστές χαλαζία.
Φαίνεται παρακάτω κύκλωμα γεννήτριας με κύκλωμα που εξαρτάται από τη συχνότητα RC. Η λειτουργία αυτής της γεννήτριας σχετίζεται με τις διαδικασίες φόρτισης και εκφόρτισης του πυκνωτή C1 μέσω της αντίστασης R1.
Κύκλωμα ταλαντωτή RC
Σε αυτό το κύκλωμα γεννήτριας, ένα OOS υλοποιείται μέσω της αντίστασης R1, η οποία θέτει το λογικό στοιχείο σε γραμμική λειτουργία και ένα POS που εξαρτάται από τη συχνότητα υλοποιείται μέσω του πυκνωτή C1. Αυτή η γεννήτρια χρησιμοποιεί στοιχεία TTL και CMOS. Η αντίσταση της αντίστασης R1 επιλέγεται με τον ίδιο τρόπο όπως για τη βαθμίδα του ενισχυτή με OOS και η χωρητικότητα του πυκνωτή επιλέγεται ανάλογα με την απαιτούμενη συχνότητα ταλάντωσης. Η συχνότητα παραγωγής μπορεί να προσδιοριστεί χρησιμοποιώντας τον κατά προσέγγιση τύπο
F\approx\frac(0.7)(RC)
Κατά τη λειτουργία, μια τέτοια γεννήτρια παράγει τετράγωνοι παλμοίμε κύκλο λειτουργίας περίπου ίσο με 2. Η μέγιστη συχνότητα παραγωγής περιορίζεται από την τιμή της καθυστέρησης μεταγωγής των λογικών στοιχείων, έτσι για Τσιπ CMOSη μέγιστη συχνότητα είναι 2…4 MHz, και για TTL- μερικοί δεκάδες MHz.
Χρησιμοποιώντας ψηφιακά τσιπ μπορείτε επίσης να αποκτήσετε γεννήτρια ημιτονοειδών κυμάτων, για το σκοπό αυτό είναι απαραίτητη η χρήση Κύκλωμα LC. Το διάγραμμα μιας τέτοιας γεννήτριας φαίνεται παρακάτω.
Κύκλωμα ταλαντωτή LC
Τόσο η σειριακή όσο και η παράλληλη χρησιμοποιούνται ως επικοινωνία που εξαρτάται από τη συχνότητα ταλαντευτικό κύκλωμα, αλλά σε κάθε περίπτωση θα αντιστοιχεί η συχνότητα ταλάντωσης Ο τύπος του Thompson
F=\frac(1)(2 \pi \sqrt(LC))
Η αντίσταση της αντίστασης R1 επιλέγεται με τον ίδιο τρόπο όπως για το στάδιο του ενισχυτή.
Το μειονέκτημα των γεννητριών που περιγράφηκαν παραπάνω είναι η χαμηλή σταθερότητα της παραγόμενης συχνότητας. Για την αύξησή του, χρησιμοποιούνται πιεζοκεραμικά και χαλαζιακά αντηχεία, συμπεριλαμβανομένων αυτών στο κύκλωμα ανάδρασηςαντί για πυκνωτή ή ταλαντευόμενο κύκλωμα.
Κύκλωμα γεννήτριας με σταθεροποίηση συχνότητας χαλαζία
Η θεωρία είναι καλή, αλλά χωρίς πρακτική εφαρμογή είναι μόνο λόγια.
