Studiul circuitelor digitale trebuie să înceapă cu teoria automatelor. În acest articol puteți găsi câteva lucruri de bază care vă vor ajuta să nu vă pierdeți în articolele ulterioare. Am încercat să fac articolul ușor de citit și sunt încrezător că un cititor neinstruit îl va putea înțelege cu ușurință.

Semnal- un mediu de stocare a materialelor utilizat pentru transmiterea mesajelor printr-un sistem de comunicații. Un semnal, spre deosebire de mesaj, poate fi generat, dar recepția lui nu este necesară (mesajul trebuie acceptat de partea care primește, altfel nu este un mesaj, ci doar un semnal).

Articolul discută despre un semnal digital discret. Acesta este un semnal care are mai multe niveluri. Evident, un semnal binar are două niveluri - și sunt luate ca 0 și 1. Când un nivel ridicat este notat cu unu și un nivel scăzut cu zero, o astfel de logică se numește pozitivă, altfel negativă.

Un semnal digital poate fi reprezentat ca o diagramă de timp.

În natură, semnalele discrete nu există, așa că sunt înlocuite cu cele analogice. Un semnal analogic nu poate trece de la 0 la 1 instantaneu, așa că un astfel de semnal are o margine înainte și o margine descendentă.
Dacă îl desenezi într-un mod simplificat, arată astfel:

1 - nivel scăzut semnal, 2 - nivel ridicat al semnalului, 3 - creștere a semnalului (margine), 4 - scădere a semnalului (tăieri)

Semnalele pot fi convertite. În acest scop, în practică, se folosesc elemente logice, iar pentru a nota acest lucru formal se folosesc funcții logice. Iată pe cele principale:

Negație - inversează semnalul.
Pe diagrame este indicat astfel:

SAU logic (adunare logică, disjuncție)

Pe diagramă:

ȘI logic (înmulțire logică, conjuncție)

Pe diagramă:

Ultimele două pot avea o ieșire negativă (NAND, NOR). Valorile funcțiilor lor logice sunt inversate, iar rezultatul este desenat ca un cerc în diagramă.

Un tabel rezumat al funcțiilor logice a două argumente arată astfel:

Lucrul cu funcții logice se bazează pe legile algebrei logice, ale căror elemente de bază sunt prezentate în fișierul atașat. Există și sarcini pentru autocontrol și Întrebări de control pe această temă.

Proiectarea circuitelor logice folosind funcții de algebră logică

Circuit logic numit un set de logici elemente electronice, conectate între ele în așa fel încât legea de funcționare specificată a circuitului să fie îndeplinită, cu alte cuvinte, funcția logică specificată este îndeplinită.
Pe baza dependenței semnalului de ieșire de semnalul de intrare, toate circuitele logice electronice pot fi împărțite în:

Scheme de primul fel, adică circuite combinaţionale, al cărui semnal de ieșire depinde numai de starea semnalelor de intrare în fiecare moment de timp;

Scheme de al doilea fel sau circuite de acumulare(sistem secvenţial), care conțin circuite de acumulare ( elemente cu memorie), al cărui semnal de ieșire depinde atât de semnalele de intrare, cât și de starea circuitului în momentele anterioare.

In functie de numarul de intrari si iesiri, circuitele pot fi: cu o intrare si o iesire, cu mai multe intrari si o iesire, cu o intrare si mai multe iesiri, cu mai multe intrari si iesiri.

Conform metodei de sincronizare, schemele sunt împărțite în cu sincronizare externă (mașini sincrone), cu sincronizare internă(automatele asincrone sunt cazul lor special).

Aproape orice computer constă dintr-o combinație de circuite de primul și al doilea tip de complexitate variabilă. Astfel, baza oricărei mașini digitale care prelucrează informații digitale sunt două tipuri de elemente electronice: joc de inteligență sau combinaționalăȘi memorând. Elementele logice efectuează cele mai simple operații logice asupra informațiilor digitale, iar elementele de stocare servesc la stocarea acesteia. După cum știți, o operație logică constă în transformarea intrării după anumite reguli informatii digitaleîntr-o zi liberă.

Putem presupune că funcțiile logice elementare sunt operatori logici elementele electronice menționate, i.e. scheme Fiecare astfel de schemă este desemnată de un anumit simbol grafic. (Au fost prezentate mai sus - Elemente AND, OR, NOT, NOR-NOT, AND-NOT)

Ca exemplu, mai jos este o diagramă funcțională electrică a unui convertor logic (mașină combinată) care implementează o funcție logică în baza elementară a elemente logiceȘI, SAU, NU.

Pentru a consolida, vă sugerez să îl sintetizați singur circuit logic, implementând următoarele funcții logice:

Acest lucru se poate face, de exemplu, în Electronic workbench.

Iată un exemplu al primei sarcini finalizate:

„INGINERIA CIRCUITULUI DIGITAL”

HARKOV 2006

Prefaţă

1 INGINERIA LOGICĂ ȘI A CIRCUITĂȚII FUNDAMENTELE ALE INGINERIEI MICROCIRCUITĂȚII DIGITALE

1.2 Elemente logice

1.3 Legile de bază ale algebrei logicii

1.4 Forme normale disjunctive

1.5 Minimizarea funcțiilor logice

1.6 Sinteza circuitelor logice combinaționale

2 DIAGRAME DE COMBINAȚIE

2.1 Fundamente

2.2 Decodoare

2.3 Criptoare

2.4 Demultiplexoare

2.5 Multiplexoare

2.6 Dispozitive aritmetice

3 DISPOZITIVE DE DEclanșare

3.1 Concepte de bază

3.2 Flip-flop RS asincron

3.3 Declanșatoare sincrone

4 REGISTRE

4.1 Informații generale despre registre

4.2 Registre de memorie

4.3 Registru de deplasare

4.4 Inversarea registrelor

4.5 Registre de uz general

5 CONTARE

5.1 Informații generale despre contoare

5.2 Contoare de transport în serie

5.3 Contoare de transport paralel

5.4 Contoare reversibile

5.5 Contoare cu un factor de numărare arbitrar care nu este egal cu 2n

LISTA REFERINȚELOR UTILIZATE

PREFAŢĂ

Acest manual metodologic conține informații care oferă studiul disciplinelor:

- „Proiectare circuite digitale” pentru studenții specialității 5.091504 (Întreținere computere și sisteme și rețele inteligente);

- „Inginerie microcircuite” pentru studenții specialității 5.090805 (Proiectare, producție și întreținere produse electronice);

- „Aparate electronice și microelectronice” pentru studenții specialității 5.090704 (Proiectare, producție și întreținere dispozitive de inginerie radio).

Materialul prezentat în această lucrare are scopul de a familiariza elevii cu elementele de bază ale microcircuitelor digitale moderne și include principalele tipuri de dispozitive digitale care sunt utilizate pe scară largă atât ca produse independente sub formă de microcircuite cu un grad scăzut și mediu de integrare, cât și ca parte a microcircuitelor cu un grad ridicat de integrare: microprocesoare și microcontrolere.

Manualul metodologic este format din cinci secțiuni:

Fundamentele logice și ale circuitelor microcircuitelor digitale,

Circuite combinate,

dispozitive de declanșare,

Registre,

Contoare.

Prezentarea materialului este structurată astfel încât să prezinte secvenţial „de la simplu la complex” principiile teoretice de bază ale analizei şi sintezei dispozitivelor digitale. Fiecare secțiune conține subsecțiuni care oferă informații despre denumirea grafică simbolică a dispozitivului studiat, tabelul de funcționare al acestuia, schema funcțională sau de circuit și diagramele de timp de funcționare acolo unde este necesar. Fiecare dintre scheme este dată descriere detaliata logica muncii sale în așa fel încât fiecare student al materiei să stăpânească principiile analizei muncii circuite digitaleși a dobândit abilitățile necesare. Fiecare dintre diagramele de mai sus este tipică pentru un dispozitiv dat. Acest lucru nu exclude o altă implementare a circuitului.

Conceptele de bază, definițiile și regulile sunt evidențiate cu caractere aldine pentru a face stăpânirea subiectului mai comodă și mai vizuală.

Avand in vedere ca prezentarea materialului se realizeaza in ordinea complexitatii tot mai mari a dispozitivelor digitale studiate, si ca fiecare subiect ulterioar se bazeaza pe materialul celui precedent, este recomandabil sa se foloseasca aceasta. manual metodologicîn ordinea în care se află secțiunile relevante.

Acest manual este util pentru a fi folosit nu numai atunci când studiați fundamentele teoretice ale microcircuiturilor digitale, ci și atunci când vă pregătiți pentru a efectua munca de laborator, al cărui scop este aprofundarea cunoștințelor și dobândirea de abilități practice în asamblarea și depanarea dispozitivelor digitale. Manualul poate fi folosit pentru auto-studiu, precum și pentru cursuri și proiecte de diplomă.

1 FUNDAMENTELE LOGICE ȘI DE CIRCUIT ALE INGINERIEI MICROCIRCUITURILOR DIGITALE

1.1 Concepte de bază ale algebrei logice

Logica este știința legilor și a formelor de gândire.

Logica matematică este știința aplicării metodelor matematice pentru a rezolva probleme logice.

Toate dispozitivele de calcul digital sunt construite pe elemente care efectuează anumite operații logice. Unele elemente asigură prelucrarea simbolurilor binare reprezentând informații digitale sau de altă natură, altele - comutarea canalelor prin care se transmite informațiile și, în final, altele - control, activare diverse actiuniși implementarea condițiilor de implementare a acestora.

Semnalele electrice care acționează la intrările și ieșirile acestor elemente au, de regulă, două niveluri diferite și, prin urmare, pot fi reprezentate prin simboluri binare, de exemplu 1 sau 0. Să fim de acord să notăm apariția unui eveniment (de exemplu , prezența unui nivel de tensiune înaltă în care - punct al circuitului) simbol 1. Acest simbol se numește unitate logică. Absența oricărui eveniment este notată prin simbolul 0, numit zero logic.

Astfel, fiecare semnal la intrarea sau ieșirea unui element binar este asociat cu o variabilă logică, care poate lua doar două valori: starea uneia logice (evenimentul este adevărat) și starea unui zero logic (evenimentul este fals). Aceste variabile sunt numite variabile booleene după matematicianul englez J. Boole, care în secolul al XIX-lea a dezvoltat principiile de bază ale logicii matematice. Să notăm o variabilă logică cu x.

Diferite variabile booleene pot fi legate prin dependențe funcționale. De exemplu, expresia y = f (x1, x2) indică dependența funcțională a variabilei logice y de variabilele logice x1 și x2, numite argumente sau variabile de intrare.

Orice funcție logică poate fi întotdeauna reprezentată ca un set de operații logice simple. Astfel de operațiuni includ:

Negație (operația „NU”);

Înmulțirea logică (conjuncție, operație „ȘI”);

Adunarea logică (disjuncție, operație SAU).

Negația (operația NU) este o conexiune logică între variabila logică de intrare x și variabila logică de ieșire y astfel încât y este adevărat numai când x este fals și, invers, y este fals numai când x este adevărat. Să descriem această relație funcțională sub forma tabelului 1.1, care se numește tabel de adevăr.

Un tabel de adevăr este un tabel care afișează corespondența tuturor combinațiilor posibile de valori ale argumentelor binare cu valorile unei funcții logice.

Tabelul 1.1- Tabelul de adevăr al operațiunii „NU”.

X	y
0	1
1	0

Funcția logică NOT a variabilei y se scrie ca y =

și citește „y nu este x”. Dacă, de exemplu, x este o afirmație despre prezența unui semnal de nivel înalt (cel logic), atunci y corespunde unei afirmații despre prezența unui semnal de nivel scăzut (zero logic).

Înmulțirea logică (conjuncție, operație ȘI) este o funcție care este adevărată numai atunci când toate variabilele înmulțite sunt adevărate în același timp. Tabelul de adevăr al operației de înmulțire logică corespunde tabelului 1.2.

Tabelul 1.2- Tabelul de adevăr al operației de înmulțire logică

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

Operația AND este indicată de un punct ( ). Uneori punctul este subînțeles. De exemplu, operația AND dintre două variabile x1 și x2 se notează ca y = x1 x2.

Adunarea logică (disjuncție, operație SAU) este o funcție care este falsă numai atunci când toate variabilele de adunare sunt false în același timp. Tabelul de adevăr al operației de adăugare logică corespunde tabelului 1.3. Operația „SAU” se notează prin semnul V. De exemplu, y = x1 V x2.

Tabelul 1.3 - Tabelul de adevăr al operației de adunare logică

PAGINA 173

Curs de curs Electronica tehnica

Cursul 26

Fundamentele circuitelor digitale

26.1 porți logice

Calculatoarele digitale, dispozitivele de automatizare și procesare a informațiilor folosesc dispozitive care efectuează operații logice.

Operație logicăeste o transformare conform regulilor algebrei logice (sau algebrei booleene) a informațiilor digitale de intrare în ieșire.

Cel mai simplu din punct de vedere funcțional dispozitiv logic, care efectuează o operație logică specifică asupra semnalelor de intrare este numităelement logic.

În algebra logicii, adevărul unei judecăți sau afirmații despre rezultatele unei anumite operații logice este notat cu simbolul 1, falsitatea cu 0. Astfel,variabilele logice din algebra logicii iau doar două valori: una și zero. Ele sunt numite variabile binare. Pentru a implementa algebra logică pe elementele electronice, este necesar să se traducă valorile parametrilor acestor elemente în limbajul algebrei logice (0 sau 1). Puteți seta valorile parametrilor după nivelul de tensiune sau polaritatea impulsului.

Dacă semnalele sunt furnizate sub formă de niveluri de tensiune ridicate (polaritate pozitivă sau negativă) și scăzute (aproape de zero), atunci această metodă de furnizare a semnalului se numește potențial.Dacă nivelul de tensiune înaltă U 1 i se atribuie valoarea „unu” și scăzută U ° - „zero”, atunci logica se numește pozitivă (pozitivă), în caz contrar - negativ (negativ). Diferența dintre nivelurile unu și zero se numește margine logică U l = U 1 - U 0 . Trebuie să fie semnificativ, altfel nu va fi posibil să se separe clar un nivel de altul.

Dacă semnalele sunt furnizate sub formă de impulsuri, atunci această metodă de furnizare a semnalului se numește pulsat. În acest caz, unul logic corespunde prezenței unui impuls, iar un zero logic corespunde absenței unui impuls (logică pozitivă). Semnalele corespunzătoare lui 1 (sau 0) pot fi diferite la intrare și la ieșire. Elementele logice potențiale sunt cele mai utilizate pe scară largă deoarece pot fi fabricate folosind tehnologia circuitelor integrate.

Operații logice elementare și tipuri de elemente logice.

Un sistem de elemente logice, pe baza căruia se poate construi un circuit logic de orice complexitate, se numește complet funcțional. Elementele logice principale și cele mai simple sunt elementele care performeazăoperații de negație (NU), conjuncție (ȘI), disjuncție (OR).Ele constituie din punct de vedere funcțional sistem completși sunt un sistem de bază minimă. Fiecare dintre aceste operații și elemente logice are un nume diferit (Tabelul 26.1).

Tabelul 26.1 Tabelul de adevăr al celor patru porți logice

Acest tabel oferă numele elementelor logice, denumirea acestei operații, arată cum este citită înregistrarea operației, desemnarea elementelor logice în diagramele funcționale, precum și un tabel de adevăr pentru cazul în care există două intrări și o ieșire. Tabelul de adevăr conține regulile și rezultatul operațiunilor. Fiecare linie înregistrează starea semnalelor la intrări (x 1 x 2 ) și rezultatul operației logice la ieșirea (y). În general, un element logic poate avea n intrări şi n ieşiri.

Un sistem complet funcțional poate fi furnizat de elemente logice compuse (combinate) care efectuează operații logice ȘI - NU, SAU - NU. Numele și denumirile lor sunt, de asemenea, date în tabel. 26.1.

Elementele logice sunt realizate atât pe dispozitive discrete, cât și folosind metode tehnologice integrate.Pentru majoritatea serii de circuite integrate, sistemul de bază este elementele logice constitutive ȘI - NU sau SAU - NU.Ele sunt produse sub formă de dispozitive microminiaturale separate într-o carcasă etanșă.

Să luăm în considerare elementele logice ale dispozitivelor semiconductoare. Porțile AND și OR pot fi implementate folosind rezistențe, diode, tranzistoare bipolare, tranzistoare cu efect de câmp și diode tunel. Elementul NU se realizează pe tranzistori.

Elementele logice compozite în diferite etape pot fi implementate pe diferite dispozitive (rezistoare, diode, tranzistoare, atât bipolare, cât și cu efect de câmp), adică pot avea diferite opțiuni de circuit. În conformitate cu designul lor, ele sunt numite logica rezistență-tranzistor (RTL); diodă-tranzistor (DTL); tranzistor-tranzistor (pe tranzistoare bipolare - TTL; pe cele de câmp - MOPTL cu canal p, n -canal MOPTL; pe tranzistoare complementare cu efect de câmp - CMOS sau CMOPTL; pe tranzistoare cu conexiuni la emitator - TLES sau ESL).

Logica specifică pe tranzistori este logica de injecție - I2L nu are analogi în circuitele de tranzistori pe elemente discrete. Comunicarea între etapele elementelor logice se realizează fie direct, fie printr-un rezistor, fie prin R.C. -lanţ. Apoi, denumirile logicii sunt adăugate denumirile de litere corespunzătoare: NSTL - logica tranzistorului cu cuplare directă; NSTLM - logica tranzistorului cu cuplare directa pe un tranzistor MOS; RETL - logica tranzistorului cu cuplare rezistiv-capacitiva.

Elemente logice de bază în design discret.

NU poarta(Tabelul 26.1) are o intrare și o ieșire și efectuează operația NOT. Este o treaptă de amplificare bazată pe un tranzistor bipolar sau cu efect de câmp, care funcționează în modul comutator. În fig. 26.1 arată elementul NOT pe un bipolar npn tranzistor conectat conform circuitului cu OE.

Elementul este proiectat să funcționeze cu semnale de polaritate pozitivă în logică pozitivă. Tranzistorul T este închis de un potențial negativ la baza alimentată de la sursa EB. Când un semnal de nivel scăzut U este aplicat elementului de intrareîn = U 0 , corespunzător lui 0 logic, tranzistorul rămâne închis, curentul colectorului este zero, adică prin rezistența R K nu curge curent și tensiune de ieșire U afară = +E K , adică U de nivel înalt 1 , corespunzătoare logicii 1.

La un nivel de tensiune ridicat la intrarea Uîn = U 1 tranzistorul este în modul de saturație, pe rezistorul R apare un curent de colector K se creează o cădere de tensiune aproximativ egală cu E K , iar tensiunea de ieșire este aproximativ zero (U afară = U 0 ), adică va exista un zero logic. Deci, dacă x = 0, atunci y = 1, dacă x = 1, atunci y = 0, adică elementul este invertor - efectuează o operație de negație.

Notă: Trebuie remarcat faptul că, dacă elementul este realizat pe un tranzistor de siliciu cu structură n-p-n, sursa de polarizare E B nu îl puteți porni, deoarece chiar și la potențiale pozitive la bază (până la 0,6 V) tranzistorul este practic închis.

SI poarta(Tabelul 26.1)

Poate avea două (sau mai multe) intrări și o ieșire și poate funcționa atât cu semnale potențiale, cât și cu impulsuri. Un analog al acestuia poate fi un circuit de contacte releu conectate în serie. Să luăm în considerare funcționarea elementului AND, realizat pe diode.

Un element proiectat să lucreze cu semnale sub formă de tensiuni (sau impulsuri)polaritate pozitivă în logica pozitivă, prezentată în fig. 26.3, a. Are trei intrări și o ieșire.Elementul implementează operația AND dacăsemnalul 1 apare la ieșire numai când semnalul 1 este prezent la toate intrările simultan. În acest caz, dacă cel puțin o intrare conține un semnal corespunzător zeroului logic, acesta trebuie transmis printr-o diodă deschisă la ieșire și să asigure blocarea acelor diode care sunt afectate de semnalele corespunzătoare 1 logic din partea de intrare va presupune că rezistența diodei deschise este R dotkr << R, а потенциалы сигнала и источника питания E схемы имеют значения, удовлетворяющие соотношению U 0 < Е < U 1 .

Dacă la una dintre intrările circuitului, de exemplu Bx 1 Semnalul U este activ 0, apoi dioda D 1 va fi deschis și curentul va curge prin circuitul +E, rezistența R, dioda D 1, sursa U 0 . Întreaga tensiune a sursei E va fi aplicată rezistorului R și tensiunea de ieșire va fi egală cu U 0 , adică semnalul de ieșire este zero logic. Intrările rămase au un potențial ridicat U 1 , deci diodele sunt închise deoarece anodul lor este conectat la borna de ieșire cu un potențial scăzut U 0 , iar catozii - la un potențial pozitiv ridicat U 1 .

Dacă la toate intrările se aplică tensiunea U 1 , atunci toate diodele vor fi închise, curentul din circuit este +E K , R, diodă închisă, sursă U 1 nu trece și căderea de tensiune pe rezistorul R este zero. Tensiune de ieșire E > U 0 , care corespunde cu 1 logic. Astfel, dacă cel puțin una dintre intrări este afectată de un semnal corespunzător zero logic, semnalul de ieșire corespunde și zero logic. Semnalul de ieșire corespunde cu 1 logic numai dacă semnalele de la toate intrările corespund celui logic.

În fig. 26.3,b, d, e prezintă elemente concepute, respectiv, să lucreze cu semnale de polaritate negativă în logica pozitivă, pozitivă (Fig. 26.3, d) și negativă (Fig. 26.3, e) polaritate în logica negativă. Rețineți că același element poate funcționa atât de la semnale pozitive, cât și de la negative, dar polaritatea sursei de alimentare trebuie să fie pozitivă (+E) pentru semnale pozitive și negativă (-E) pentru semnale negative. Elementele funcționează în același mod ca elementul din fig. 26.3, a. Cele mai comune elemente prezentate în Fig. 26.3, a, d.

Elementul ȘI poate funcționa fără sursă de alimentare. În acest caz, sunt posibile doar două opțiuni pentru pornirea diodei, iar elementul din fig. 26.3, în implementează operația AND numai din semnale de polaritate negativă în logică pozitivă, iar elementul din Fig. 26.3, e - numai din semnale de polaritate pozitivă în logica negativă. Articolele fără sursă de alimentare sunt mai puțin preferabile decât cele cu sursă de alimentare.

SAU poarta(Tabelul 26.1)

Poate avea două (sau mai multe) intrări, o ieșire și poate funcționa atât cu semnale potențiale, cât și cu impulsuri. Un analog al acestuia poate fi un circuit de relee conectate în paralel.

Să luăm în considerare un element OR realizat pe diode și proiectat să funcționeze din semnale sub formă de tensiuni (impulsuri)polaritate pozitivă în logica pozitivă.Pentru ca un element să implementeze operația SAU, este necesar ca semnalul de ieșire să aibă valoarea 1 numai atunci când cel puțin una dintre intrări are un semnal de 1.. În acest caz, semnalul 1 la intrare trebuie să asigure blocarea tuturor diodelor care sunt afectate de semnalul 0 din partea de intrare raportul de potențial al sursei de semnal U scăzut 0 și mare U 1 nivelurile și alimentarea E a circuitului este aceeași ca și în circuitul elementului I: U 0 < E < U 1 (если U 1 < E, то диоды будут всегда закрыты и выходное напряжение не будет изменяться). Сопротивление диода в открытом состоянии R Dotcr ≈ 0.

Dacă toate intrările sunt alimentate cu tensiune joasă U 0 , toate diodele sunt închise, deoarece potențialul anozilor lor este mai mic decât potențialul catozilor (φ K = -E); prin urmare, tensiunea de ieșire este E< U 1 , adică la ieșire semnalul corespunde cu 0 logic. Când este aplicat la cel puțin una dintre intrări, de exemplu In 1 , înaltă tensiune U 1 dioda D se va deschide 1 , care este conectat la această intrare și, deoarece rezistența diodei deschise este zero, atunci potențialul φ K = +U 1 iar ieșirea are un semnal U 1 (logic 1). Dacă în acest moment se aplică un potențial scăzut U unor diode de pe partea de intrare 0 , vor fi închise, deoarece catozilor lor li se va da un potențial φ K = +U 1 . Astfel, semnalul de ieșire va corespunde cu 1 logic dacă cel puțin una dintre intrări (fie prima, fie a doua, fie a treia) semnalul corespunde cu 1 logic.

Să comparăm Fig. 26.5, a, care prezintă un element SAU proiectat să opereze din semnale de polaritate pozitivă în logică negativă, din Fig. 26.3, g. Sunt la fel. Astfel, se poate observa că o poartă SAU în logică pozitivă poate efectua o operație AND în logică negativă și invers. Toate elementele Și în Fig. 26.3, într-o logică diferită decât pentru elementul AND, implementați operația SAU.

Elementul SAU, ca și elementul AND, nu poate conține o sursă de alimentare. Elementul din fig. 26.5,b este proiectat să funcționeze din semnale de polaritate pozitivă în logica pozitivă, iar în Fig. 26.5, în - din semnale de polaritate negativă în logica negativă. Comparația acestor elemente SAU cu elementele AND din Fig. 26.3, c, f confirmă că ambele elemente pot efectua ambele operații: AND și SAU; element ȘI (SAU) - în logică pozitivă, în logică negativă - SAU (ȘI).

Operațiile SAU - NU și ȘI - NU se formează prin inversarea rezultatelor obținute prin efectuarea operațiilor SAU și ȘI, respectiv:

SAU - NU (26.1)

SI NU (26.2)

după cum se poate observa din tabelul de adevăr pentru două elemente de intrare (Tabelul 26.2).

Tabelul 26.2 - tabel de adevăr pentru două elemente de intrare

Un element care efectuează operația AND - NOT în logică pozitivă (Tabelul 26.3) va efectua operația OR - NOT în logică negativă (Tabelul 26.4).

Tabelul 26.3 Tabelul 26.4

Elementele logice integrate sunt proiectate să funcționeze cu semnale în formă potențială. Ele pot fi executate folosind diferite tipuri de logică. Tipul de logică afectează caracteristicile elementului. În microcircuitele bipolare integrate, se folosesc adesea tranzistori de siliciu de tip n-p-n (vezi nota despre elementul NOT). În modul de saturație, tensiunea dintre emițătorul și colectorul unor astfel de tranzistoare este relativ ridicată (0,4 V și mai sus).

Cursul 27

Fundamentele circuitelor digitale

27.1 elemente logice pe tranzistoare

Elementul logic ȘI NU este logic diodă-tranzistor (DTL). Semnale de intrare sunt alimentate la elementul AND, semnalul de ieșire este preluat de la elementul NOT. Astfel, la ieșirea elementului AND - NOT, semnalul va fi 1 logic dacă există un semnal corespunzător 0 logic la intrarea elementului NOT pentru ca acest lucru să se întâmple, trebuie să fie cel puțin o intrare a elementului AND furnizat cu un semnal corespunzător lui 0 logic. Element logic ȘI - NU pentru semnalele de polaritate pozitivă este prezentat în Fig. 27.1. Este o conexiune prin diode D Cu două elemente: un element de diodă AND și un element tranzistor NOT (vezi, respectiv, Fig. 26.3, a și Fig. 26.1, care arată elementele NOT și AND). În acest caz, elementul „NU” nu are o sursă de deplasare E B , pe baza unui comentariu făcut mai devreme despre funcționarea tranzistoarelor cu siliciu. În plus, valorile tensiunii corespunzătoare logice 0 și 1 trebuie alese corect, deoarece la o tensiune de bază puțin mai mică de 0,6 V, tranzistorul va fi închis, iar în modul de saturație, tensiunea dintre emițător și colector este de 0,4 V (și mai mare).

Să luăm în considerare funcționarea elementului. Dacă la toate intrările se aplică tensiunea U 1 (logic 1), toate diodele (D 1 D 2, D 3 ) va fi închis și curentul din circuitul sursă E 1, rezistența R 1 , diodele deschise Dc vor trece în baza tranzistorului. Datorită căderii de tensiune pe rezistorul R 1 potențial φ 1 va fi ușor sub potențialul +E 1, dioda D 1 se va deschide şi potenţialul bazei φ B tranzistorul este mai mic decât potențialul φ 1 la valoarea căderii de tensiune pe diodele Dc (dar peste 0,6V, deci tranzistorul va fi în modul de saturație). Ieșirea elementului NU va fi setată la tensiune joasă U 0 , corespunzător lui 0 logic. Dacă cel puțin o intrare, de exemplu In 1 , se va aplica tensiunea U 0 , apoi dioda corespunzătoare D 1 potenţialul φ va fi şi el deschis 1 va fi ≈ U 0 . Curent de la sursa E 1 va trece prin rezistorul R 1 . O parte din curent se va închide prin dioda deschisă D 1; sursa U 0, sursa E 1 , diode de polarizare parțială Dc, rezistență R 2 și sursa E 1 . Potențialul de bază φ B = U BE va fi sub potențialul φ 1 la valoarea căderii de tensiune pe diodele de polarizare Dc. În acest caz, elementul este calculat în așa fel încât căderea de tensiune la nivelul diodelor Dc să fie astfel încât φ B = U BE > 0, dar semnificativ mai mic de 0,6V. În acest caz, tranzistorul va fi închis și tensiunea la ieșirea elementului NOT va fi egală cu E K > U 0 , adică obținem 1 logic.

poarta AND - NU logica tranzistor-tranzistor (TTL). Cel mai simplu element AND - NOT este prezentat în Fig. 27.2, a. Este alcătuit din două părți: un element și pe un tranzistor cu emițător multiplu T 1 și elementul NOT de pe tranzistorul T 2 . Conexiune directa: colector T 1 conectat la baza tranzistorului T 2 . Polarizarea circuitului de bază al tranzistorului T 2 realizează tranziția colectorului T 1 . Trei joncțiuni emițătoare T 1 conectat la intrarea elementului (Fig. 27.2,b), îndeplinesc funcțiile diodelor de intrare în circuitul AND pe diode.

În comparație cu elementele DTL, elementele TTL au performanțe mai mari. Elementul este realizat folosind tehnologia circuitelor integrate, deci nu conține elemente reactive. Funcționează din semnale sub formă de tensiuni cu polaritate pozitivă.

Să luăm în considerare principiul de funcționare a unor astfel de elemente. Dacă la toate intrările se aplică tensiunea U 1 , atunci toate joncțiunile emițătorului se vor deplasa în direcția opusă. Potențialul de colector al tranzistorului T 2 va fi aproape de zero, joncțiunea bază-colector este deplasată în direcția înainte datorită sursei +E K. Tranzistorul T 1 va fi în modul invers, tranzistorul T 2 - în modul de saturație. Curentul colectorului tranzistorul T 1 curge în baza tranzistorului T 2 , lăsându-l pe acesta din urmă în modul de saturație. Astfel, ieșirea va fi o tensiune de nivel scăzut U 0 , adică 0 logic.

Dacă la una dintre intrări se aplică tensiunea U 0 , apoi potențialul de bază a tranzistorului T 1 va deveni mai mare decât potențialul emițătorului și al colectorului, deci T 1 va fi în modul de saturație și curentul de bază se va închide prin joncțiunile emițătorului T 1 și nu va merge la colectorul său și, prin urmare, la baza T 2 . Prin urmare tranzistorul T 2 va fi închisă, iar la ieșirea sa va exista o tensiune de nivel înalt (1 logic). Astfel, elementul efectuează operația AND - NOT, deoarece un semnal logic zero poate fi scos la ieșire numai atunci când un semnal logic este aplicat tuturor intrărilor.

27.2.1 Poarta SAU - NU logica MOSFET pe canal p (MOPTL)). În circuitele logice bazate pe tranzistoare cu efect de câmp, sunt utilizate numai tranzistoare MOS cu dielectric SiO 2 . Principalele avantaje ale circuitelor tranzistoare MOS în comparație cu alte circuite sunt un grad ridicat de integrare și imunitatea crescută la zgomot.

Să considerăm un circuit OR - NOT pe un tranzistor MOS cu un canal n indus (Fig. 27.3). Spre deosebire de circuitele discutate anterior, în loc de un rezistor de sarcină R K există un tranzistor MOS (în diagrama din Fig. 27.3 este desemnat T K ). Acest lucru se datorează faptului că un rezistor de sarcină ar crește foarte mult aria circuitului. Tranzistoare logice T 1 și T 2 conectat în paralel. Tensiunea de intrare pe fiecare dintre ele este egală cu tensiunea de poartă: U VX1 = U ZI1, U VX2 = U ZI2 ; tensiunea de ieșire este egală cu tensiunea de scurgere: U OUT = U SI . Tensiunea de alimentare este de obicei aleasă să fie de trei ori mai mare decât pragul Uthr (Uthr este tensiunea de poartă la care se formează un canal).

Dacă Upor = 2,0 V, atunci diferența logică (diferența dintre intrare și tensiune de prag) este 4 V. Niveluri logice corespund tensiunilor de ieșire ale tranzistoarelor deschise și închise. Dacă ambele intrări sunt alimentate cu o tensiune mai mică decât pragul (corespunzător cu zero logic), atunci tranzistoarele T 1 și T 2 va fi închis, iar curentul de scurgere va fi aproape egal cu zero. În acest caz, curentul de scurgere al tranzistorului de sarcină T K va fi de asemenea egal cu zero. Prin urmare, tensiunea de ieșire va fi apropiată de tensiunea sursei de alimentare E C și corespunzătoare logicii 1.

Dacă la intrarea a cel puțin un tranzistor este aplicată o tensiune care depășește pragul (corespunzător cu 1 logic), atunci acest tranzistor se va deschide și va apărea un curent de drenaj. Apoi, la ieșirea circuitului va exista o tensiune reziduală semnificativ mai mică decât tensiunea de prag, care corespunde cu 0 logic.

27.2.2 Logica MOSFET activată tranzistoare complementare(CMOS). Trăsătură distinctivă Circuitele CMOS în comparație cu tehnologiile bipolare (TTL, ECL etc.) au un consum foarte scăzut de energie în modul static (în cele mai multe cazuri, se poate presupune că energia este consumată doar în timpul comutării stării). O trăsătură distinctivă a structurii CMOS în comparație cu alte structuri MOS (N-MOS, P-MOS) este prezența atât a tranzistorilor cu efect de câmp cu canal n cât și pe canal (fig. 27.4); Ca urmare, circuitele CMOS au o viteză de operare mai mare și un consum mai mic de energie, dar în același timp se caracterizează printr-un proces de fabricație mai complex și o densitate mai mică a ambalajului.

De exemplu, luați în considerare un circuit de poartă 2I-NOT construit folosind tehnologia CMOS (Figura 27.5).

Dacă se aplică un nivel înalt ambelor intrări A și B, atunci ambele tranzistoare din partea de jos a circuitului sunt deschise și ambele tranzistoare de sus sunt închise, adică ieșirea este conectată la masă.

Dacă se aplică un nivel scăzut la cel puțin una dintre intrări, tranzistorul corespunzător va fi deschis în partea de sus și închis în partea de jos. Astfel, ieșirea va fi conectată la tensiunea de alimentare și deconectată de la masă.

Nu există rezistențe de sarcină în circuit, astfel încât, într-o stare statică, curg doar curenții de scurgere prin circuitul CMOS prin tranzistoarele în afara circuitului, iar consumul de energie este foarte scăzut. La comutare, energia electrică este cheltuită în principal pentru încărcarea capacităților porților și conductoarelor, astfel încât puterea consumată (și disipată) este proporțională cu frecvența acestor comutări (de exemplu, viteza de ceas a procesorului).

Circuitul 2OR-NOT (Figura 27.6) funcționează după cum urmează: când ambele intrări sunt scăzute, ambele tranzistoare din partea de sus sunt deschise și ieșirea este ridicată. Dacă se aplică un nivel ridicat uneia dintre intrări, atunci unul dintre tranzistoarele din partea de jos va fi deschis și ieșirea va fi conectată la masă.

În figura cu topologia microcircuitului 2I-NOT, puteți vedea că acesta utilizează două tranzistoare cu efect de câmp cu două porți de design diferite. FET-ul superior cu două porți îndeplinește funcția logică 2OR, iar FET-ul inferior cu două porți îndeplinește funcția logică 2I.

Mai jos este schema 2OR-NOT utilizată la OJSC Integral.

Toate denumirile din Figura 27.6 sunt preluate din biblioteca de nivel de supapă a JSC Integral. Acolo (în bibliotecă) sunt date întârzieri de timp și disiparea puterii la diferite sarcini ale supapelor și implementarea sa topologică.

Marea majoritate a cipurilor logice moderne, inclusiv procesoarele, folosesc circuite CMOS.

Ministerul Federației Ruse

Universitatea Politehnică din Tomsk

__________________________________________________________________

E.L. Sobakin

INGINERIA CIRCUITURILOR DIGITALE

Parteeu

Tutorial

UDC 681.325.6

Sobakin E.L. Circuite digitale. Manual indemnizatie. Partea I Tomsk: Editura. TPU, 2002. - 160 p.

Manualul conturează principalele probleme ale cursului de prelegeri pentru studenții specialității 210100 Management și informatică în sisteme tehnice. Manualul a fost întocmit la Departamentul de Automatizare și sisteme informatice TPU, conform curriculum disciplină și este destinat studenților Institutului de Învățământ la Distanță.

Publicat conform rezoluției Consiliului Editorial și de Publicare al Universității Politehnice din Tomsk

Recenzători:

V.M. Dmitriev profesor, doctor stiinte tehnice, Șef al Departamentului de Fundamente Teoretice ale Ingineriei Electrice, Universitatea Tomsk de Sisteme de Control și Radioelectronică;

SI. Korolev Director al NPO Spetstekauditservis LLP,

Candidat la Științe Tehnice, Cercetător Superior.

Templan 2002

Universitatea Politehnică din Tomsk, 2002

Introducere

Acest manual este destinat studenților instituțiilor de învățământ superior care studiază la specialitatea 210100 „Informatică și management în sisteme tehnice”. Este compilat pe baza unui curs de prelegeri susținute de autor la Universitatea Politehnică din Tomsk de-a lungul mai multor ani și este dedicat unei prezentări sistematice a metodelor de construcție oficială a dispozitivelor. tehnologie digitala pe microcircuite pentru utilizare pe scară largă.

Disciplina „Ingineria circuitelor digitale” ar trebui considerată o continuare a cursului „Electronică”, pe care studenții trebuie să-l stăpânească mai întâi, deoarece sunt necesare cunoașterea bazei elementare a dispozitivelor analogice. dispozitive electronice.

Majoritate sisteme moderne automatizările, sistemele de calcul, sistemele de transmitere și procesare a informațiilor sunt realizate pe dispozitive digitale, fie complet, fie parțial. Prin urmare, cunoașterea principiilor de utilizare a dispozitivelor digitale și de construire a sistemelor bazate pe acestea pentru diverse scopuri are semnificație actuală și o mare valoare practică atât în ​​activitățile de inginerie, cât și în cercetarea cu caracter metodologic.

Materialul din manual poate fi împărțit aproximativ în trei părți: 1) Fundamentele microelectronicii; 2) Dispozitive combinate de tehnologie digitală; 3) Dispozitive logice secvenţiale ale tehnologiei digitale.

Când începeți să stăpâniți cursul, ar trebui să studiați materialul în ordinea în care sunt enumerate părțile specificate, deoarece materialul următor se bazează pe cunoașterea celui precedent, iar schimbarea secvenței poate duce la dificultăți în stăpânirea acestuia. Acest lucru este agravat și de faptul că alte manuale și literatura tehnică de specialitate folosesc termeni și concepte diferiți pentru a explica aceleași fenomene, procese, transformări efectuate etc. Diferența dintre conceptele utilizate sau incorectitudinea acestora duce la o înțelegere greșită a esenței materialului prezentat și, în consecință, la dificultăți în asimilarea acestuia.

Primele două dintre aceste secțiuni sunt incluse în prima parte a acestui manual (Partea 1). Un manual separat este dedicat celei de-a treia secțiuni.

ÎN 1.Aplicarea dispozitivelor digitale

În prezent, în legătură cu crearea și introducerea pe scară largă a dispozitivelor și sistemelor cu microprocesoare în practica ingineriei, interesul pentru metodele digitale de procesare și transmitere a informațiilor nu scade și este din nou stimulat. Aceste metode, la rândul lor, conferă sistemelor o serie de proprietăți și calități pozitive. Fidelitatea informaţiei transmise creşte, şi de mare vitezăși performanța sistemelor de procesare a informațiilor, asigurând costul lor acceptabil, fiabilitate ridicată, consum redus de energie etc.

Problemele rezolvate de aceste sisteme sunt foarte diverse și predetermină funcțiile dispozitivelor care formează un sistem specific. Prin urmare, este recomandabil să luați în considerare dispozitivele și funcțiile acestora în lumina acelor sarcini care sunt rezolvate de sisteme și, în special, a acelor subsarcini care sunt efectuate de dispozitive sau blocuri individuale.

Principal sarcini tipice care apar în timpul gestiunii și controlului automat sau automat al producției sau al altor procese sunt:

Colectie informație (primirea acesteia);

transformare informații (scalare, normalizare, filtrare, codificare etc.);

transmisie-recepție informație;

prelucrare si utilizare informație;

depozitare informație.

În funcție de scopul propus și de funcțiile principale, există:

Sisteme automate (sau automatizate) de control și monitorizare.

Sisteme de transmitere a informațiilor.

Sisteme de procesare a informațiilor (sisteme de calcul).

Pentru a înțelege relația dintre aceste sarcini, locul și rolul dispozitivelor electronice digitale utilizate în aceste sisteme, să luăm în considerare diagramele structurale generalizate ale acestor sisteme și scopul funcțional al componentelor lor.

B1.1. Sisteme automate de control

Administra înseamnă a cunoaște starea (poziția) obiectului controlat și în conformitate cu un algoritm dat ( algoritm de control) influențează obiectul, încercând să elimine abaterile apărute.

Prin urmare, controlul în cazul general este asociat cu următoarele acțiuni:

obținerea de informații despre starea obiectului;

compararea informațiilor primite cu informațiile specificate despre starea obiectului;

generarea semnalelor de control (influențe);

influenţarea unui obiect pentru a-l aduce în starea cerută.

În conformitate cu acțiunile enumerate, sistemul de control automat (ACS) în cazul general ar trebui să includă un dispozitiv de măsurare a informațiilor, un dispozitiv de control și un actuator (Fig. B1).

Dispozitiv de informare și măsurare (AIU) primește informații despre obiectul de control (OU) și le preprocesează. Obținerea informațiilor constă în generarea de semnale primare, ale căror valori sunt proporționale cu valorile parametrilor care caracterizează starea amplificatorului operațional. Un obiect poate fi înțeles fie ca unitate de producție separată, fie ca proces de producție în ansamblu. Și sub parametri se află „coordonatele de ieșire” ale obiectului. Acestea ar putea fi, de exemplu, valori ale temperaturii, presiunii, consumului de material sau energie și altele asemenea. Deoarece majoritatea acestor parametri de coordonate sunt prezentați în formă analogică și sunt caracterizați printr-un set infinit de valori, semnalele trebuie să fie normalizate prin parametrii lor, scalate și să aibă o formă unificată.

Prin urmare, IMU trebuie să aibă traductoare și senzori de măsurare primari, convertoare analog-digitale și alte unități funcționale cu ajutorul cărora se realizează următoarele conversii:

valorile mărimilor fizice în semnale analogice unificate de curent continuu sau alternativ;

scalarea sau normalizarea semnalelor după nivel și formă;

conversia semnalelor analogice în semnale discrete (digitale);

codificarea semnalului și alte câteva transformări.

Semnalele despre valorile coordonatelor curente sunt trimise dispozitiv de control (UU). Funcțiile acestui dispozitiv includ compararea valorilor curente cu valorile de coordonate specificate și generarea de semnale de control (semnale de control) pe baza rezultatelor comparației. Puncte de referință poate fi introdus de un operator uman sau automat de software. În primul caz, un regulator automat sau mai multe regulatoare automate pot fi folosite ca unitate de control, ale căror setări sunt determinate și stabilite de o persoană. În cel de-al doilea caz, unitatea de control este o mașină de program mini sau microcalculator și rolul operatorului uman se reduce la intrarea în program și la pornirea inițială a sistemului.

Pentru a îndeplini aceste funcții, unitatea de control trebuie să efectueze operații aritmetice și logice pentru calcularea valorilor și compararea semnalelor, memorarea (stocarea) pe termen scurt și lung a semnalelor și generarea de semnale de control unificate. Acestea din urmă conțin informații pe baza cărora se formează în continuare influențe asupra obiectului de control (acțiuni de control), aducându-l la starea necesară.

Impactul direct al naturii fizice necesare se formează actuator (IU). Convertește semnalele de control, de exemplu, sub formă de tensiune DC sau curent de impuls, în viteza de rotație a motorului actuatorului, în mișcarea mecanică a supapei pe linia de abur și așa mai departe. Pentru a efectua aceste conversii veți avea nevoie de: convertoare digital-analogice; convertoare de semnale electrice în semnale neelectrice; dispozitive de amplificare etc. În acest caz, pot fi necesare convertoare de cod de semnal digital sau forme de reprezentare a semnalului ca intermediare. De exemplu, codurile numerelor binare într-un număr proporțional de impulsuri, semnalele monofazate în cele polifazate, utilizate pentru controlul motoarelor pas cu pas etc.

Sub influența influențelor perturbatoare, obiectul își părăsește starea (modul) normală, iar ACS îl readuce în modul de funcționare (normal) necesar. Procesul de control are loc în timp real, adică la o viteză determinată de natura proceselor fizice. Dacă acțiunile de control sunt întârziate în timp sau excesive, atunci poate apărea un mod instabil de funcționare a sistemului, în care coordonatele obiectului pot lua valori inacceptabile și fie obiectul în sine, fie dispozitivele individuale ale sistemului vor eșua. modul de urgență. Prin urmare, în teoria pistoalelor autopropulsate principal sunt probleme de aprovizionareCustabilitate si control de precizie.

Majoritatea acestor transformări pot fi efectuate folosind dispozitive microelectronice digitale. O unitate de control este complet digitală atunci când este construită pe baza de microcalculatoare de control sau pe microcircuite digitale.

Senzorii digitali de mărimi fizice sunt realizați pe microcircuite digitale, precum și senzori parțial analog-digitali și digitali. convertoare analogice semnale.

B1.2. Sisteme de transmitere a informațiilor (ITS)

Cu o creștere a distanței dintre IU și unitatea de control (Fig. B1), precum și între unitatea de control și unitatea de control, se pune problema transmiterii informaţiei. Necesitatea de a transmite informații pe distanțe semnificative apare nu numai în sistemele de control și monitorizare automate dezvoltate spațial, ci și în sisteme alții tipuri de comunicare(telegraf, telefon, telefax etc.). În plus, nevoia de a transmite informații apare în sistemele de calcul, sistemele de transmisie a datelor, sistemele telemecanice etc. Această sarcină este complicată de faptul că în procesul transmisii prin linii de comunicație parametrii sunt distorsionați semnale iar acest lucru, la rândul său, poate duce la denaturarea informațiilor și la scăderea acurateței acesteia (probabilitatea recepționării corecte a acesteia). Distorsiunea semnalelor se datorează interferențelor, apărând în liniile de comunicare. Interferența, de regulă, este de natură aleatorie și este posibil ca parametrii săi să nu difere de parametrii semnalelor. Prin urmare, sunt „capabili” să distorsioneze semnalele și chiar să „reproducă” informații transforma mesaj transmis . Ultimul eveniment cel mai nedorit în transferul de informații.

Pentru a asigura fidelitate ridicată și viteză maximă ( uhfeficienţă) sunt necesare transmisii de informații, conversii suplimentare de semnal și metode speciale de transmitere a acestora.

Astfel de transformări includ codificareși procedură inversă decodificarea informațiilor(și semnale). Codificareasunt procenteeprost transformând un mesaj într-un semnal. În acest caz, transformările sunt efectuate în funcție de anumite reguli, totalitatea cărora apelTcod.

Codificarea informațiilor se realizează pe partea de transmisie, iar decodificarea pe partea de recepție. Distinge codare rezistentă la zgomot și eficientă. Ţintărezistent la zgomot codificare construi (sfoRedit) un semnal mai puțin susceptibil la interferență, dați-i aAo astfel de structură astfel încât erorile care apar în timpul procesului de transmisie pe partea de recepție să poată fi detectate sau corectate. Și, astfel, asigură o fidelitate ridicată a transmisiei.

Ţintăefectiv codificare asigura viteza maximaOcreșterea transferului de informații, deoarece valoarea acestuia este în mare măsură determinată de cât de oportun este primită. Conform acestei cerințe, mesajul codificat trebuie să transporte cantitatea necesară de informații și, în același timp, să aibă o lungime minimă, astfel încât transmisia să dureze un timp minim.

Semnalele (și informațiile) sunt transmise prin canale de comunicatie. Legătură aceasta este o cale (cale) de transmitere independentă a semnalelor de la sursăhporecla destinatarului (destinatarului) corespunzător al informațiilor. Canalele de comunicație sunt formate prin mijloace tehnice ale echipamentelor de formare a canalelor și, la fel ca liniile de comunicație, sunt supuse interferențelor.

Una dintre principalele sarcini rezolvate în SPI este sarcina de a crea numărul necesar de canale de comunicare. Eficiența și imunitatea la zgomot a transmisiei este în mare măsură determinată de canalele de comunicare utilizate. Sub pomerezistența se referă la capacitatea unui sistem(semnal, cod) etcAbine făcutlîși îndeplinește funcțiile în prezența interferențelor.

De obicei, același sistem poate fi utilizat pentru a transmite informații din mai multe surse către un număr adecvat de receptori. Prin urmare, formarea numărului necesar de canale cu imunitatea necesară la zgomot este atribuită dispozitivului de comunicație. În acest caz, în dispozitivul de comunicare pot fi efectuate următoarele transformări: modulare și demodulare semnale; amplificarea celor transmise în linie și primite de pe linieȘiinstitut de cercetare comunicații de semnal; limitarea nivelului și a spectrului de frecvență semnale și altele.

În funcție de aria de utilizare (aplicație) a SPI, este nevoie de transformări suplimentare, cum ar fi conversia formei semnalelor, natura lor fizică, normalizarea parametrilor semnalelor primite din exterior și a semnalelor emise de sistem către dispozitive externe; stocarea temporară a semnalelor transmise în canalul de comunicație și emise de sistem.

Transformările enumerate predetermină compoziția funcțională a echipamentelor emitente și receptoare ale sistemelor de transmisie a informațiilor (Fig. B2).

După cum se poate vedea din diagramă, transmisia se realizează într-o singură direcție de la stânga la dreapta. Dispozitivul de intrare și conversie a informațiilor primare (IPID) convertește semnalele provenite din surse de informații în semnale „primare” unificate care nu pot fi transmise direct pe distanțe lungi. De obicei, aceste semnale unificate sunt tensiuni DC cu niveluri fixe. În blocul UVPI, semnalele primare sunt stocate pe durata transmisiei (într-un dispozitiv de memorie tampon), după care sunt șterse din memorie. Un dispozitiv de codare (CU) convertește semnalele primare în semnale codificate care au o anumită structură și format, permițându-le (semnalelor) să fie transmise pe distanțe lungi („telesemnale”). De regulă, acest dispozitiv este combinațional, deși în unele cazuri poate fi făcut și secvenţial (multiciclu). Operațiile logice și aritmetice ale procedurilor de codificare sunt implementate aici.

Scopul principal al dispozitivului de comunicare (Fig. B2) este de a crea sau organizarea canalelor de comunicare pe linia de comunicare furnizată. Linie de comunicare acesta este mediul material dintre emițătorul (Prd) și receptorul (Prm) al sistemului. Figura arată aproximativ o linie de comunicație electrică cu două fire. Cu toate acestea, pot fi utilizate legături radio și linii de comunicație prin fibră optică și altele. În funcție de tipul de linie, în Prd și Prm se efectuează diverse conversii de semnal pentru a-și armoniza parametrii și caracteristicile cu parametrii și caracteristicile liniei de comunicație și transformări care vizează imunitate crescută la zgomot semnale.

Pe partea de recepție, semnalele codificate primite de la linia de comunicație sunt din nou convertite de dispozitivul de decodare (DCU) în semnale primare. În același timp, erorile în semnalele primite sunt detectate și pot fi corectate prin proceduri de decodare, asigurând astfel acuratețea necesară a transmiterii informațiilor. A convertoare de ieșire(VP) transformă aceste semnale primare într-o formă și formă (natura fizică) care poate fi percepută de destinatarii informațiilor.

Trebuie remarcat faptul că majoritatea „nodurilor” și „blocurilor” funcționale prezentate în Fig. B2 pot fi implementate pe cipuri digitale. Prin urmare, sistemele de transmitere a informațiilor sunt de obicei digitale.

B1.3. Sisteme de prelucrare a informațiilor

(sisteme de calcul)

Problemele tipice enumerate mai sus pot fi rezolvate și formalizate folosind metode matematice și logice. La rândul lor, aceste metode operează cu cele mai simple operații (aritmetice sau logice), a căror execuție asupra unor „date inițiale” produce un rezultat nou, necunoscut anterior. Această comunitate a metodelor de rezolvare a diferitelor probleme de procesare a informațiilor a făcut posibilă crearea unei clase separate de dispozitive și sisteme, al căror scop (inițial) a fost automatizarea procedurilor de calcul (calculatoare electronice). În stadiul actual de dezvoltare tehnologia calculatoarelor Calculatoarele s-au „transformat” în calculatoare, pe baza cărora sunt construite sisteme informatice moderne de procesare și transmitere a informațiilor. Generalizat schema structurala niste sistem de calcul este prezentat în Fig. B3.

Datele sunt prelucrate anterior prin dispozitiv de intrare UVV Vino la Dispozitiv de memorie memorie, unde sunt stocate pe toată durata procesării. Programul de procesare a informațiilor primite este de asemenea stocat în aceeași memorie.

Programul de funcționare a sistemului, precum și „date”, sunt stocate într-un dispozitiv de stocare sub formă de numere binare pe mai mulți biți scrise în celulele de memorie la adrese specifice (adresele celulelor de memorie). Numerele binare, a căror totalitate reprezintă un program de prelucrare a datelor, sunt structurate în un anumit număr părți, fiecare dintre ele având un scop specific. În cel mai simplu caz, există următoarele părți: 1) codul operației care trebuie efectuată pe două numere binare care reprezintă valorile „date” și se numesc „operanzi”; 2) adresa primului operand; 3) adresa celui de-al doilea operand. Combinația acestor părți formează o „echipă”.

Munca computerului este executie secventiala comenzile date de program. Coordonează activitatea tuturor blocurilor în timp și le gestionează dispozitiv de control UU. Și realizează direct operații (acțiuni) logice și aritmetice asupra operanzilor aritmeticȘidispozitiv co-logic ALU, care, pe baza unui semnal de la unitatea de control „cod de funcționare”, este configurat de fiecare dată pentru a efectua o anumită operație.

Dispozitivul de control decriptează comanda primită din memorie (Fig. B3 „următoarea comandă”), trimite codul de operare către ALU și se pregătește pentru a efectua operația corespunzătoare. Apoi generează semnale de eșantionare din memoria operanzilor (vezi semnalul „Adrese de date”) și determină adresa următoarei comenzi care ar trebui să fie executată la următorul ciclu al computerului („Adresa de comandă următoare”). Pe baza semnalelor de la unitatea de control, operanzii sunt citiți din memorie, iar ALU efectuează acțiunile necesare. În acest caz, se formează un rezultat intermediar („Rezultatul operației”), care salvează și memoria. În funcție de rezultatul operațiunii, poate fi necesară modificarea secvenței de execuție a comenzii sau oprirea procesării datelor sau afișarea mesajelor de eroare către operator. În acest scop, semnalul „Semn rezultat” este trimis de la ALU către unitatea de control. Procesul de prelucrare a datelor (informațiilor) introduse continuă până când este preluată comanda „Sfârșitul calculelor” sau operatorul, la propria discreție, oprește procesul de prelucrare a datelor.

Rezultatul procesării rezultat este, de asemenea, stocat în memorie și poate fi scos prin intermediul dispozitiv de ieșire Vai la sfârșitul procesului de prelucrare sau în timpul procesului, dacă este prevăzut de program.

Pentru „comunicarea” între operator și computer sunt prevăzute dispozitive terminale ACEA, destinat operatorului să introducă comenzi și alte mesaje și să transmită „mesaje” operatorului de pe computer.

Figura B3 nu prezintă conexiunile dispozitivului de control, care asigură sincronizarea funcționării tuturor componentelor computerului. Săgețile largi indică posibilitatea transmiterii în paralel a datelor (transmiterea simultană a tuturor biților de numere binare pe mai mulți biți).

Aproape toate blocurile prezentate în Fig. B3 (cu excepția dispozitivelor terminale) pot fi implementate complet numai pe circuite integrate digitale (CI). În special, unitatea de control, ALU și o parte din memorie (memoria de înregistrare SRAM) pot fi realizate sub forma unui singur IC cu un grad ridicat de integrare. Se formează setul numit de blocuri microprocesor CPU Un computer realizat folosind tehnologie integrată pe un singur cip semiconductor.

Dispozitivele de intrare și ieșire de date, de regulă, constau din registre de stocare tampon care servesc pentru stocarea temporară a datelor de intrare și respectiv de ieșire și pentru coordonarea sistemului cu dispozitivele externe.

Dispozitivul de stocare (SRAM) este de obicei împărțit în două părți: memorie cu acces aleatoriu (RAM) și memorie permanentă. Primul servește la stocarea rezultatelor intermediare ale calculelor, „conținutul” acestuia se schimbă constant în timpul procesării datelor. RAM funcționează în modurile de „citire” și „scriere” a datelor. Iar a doua, memoria de numai citire (ROM), este folosită pentru a stoca subrutine standard și unele subrutine de sistem (serviciu) care controlează procesele de pornire și oprire a computerului. În mod obișnuit, ROM-ul este implementat pe ROM IC programabil în câmp (FPROM), fie ROM IC preprogramată din fabrică, fie ROM reprogramabilă de utilizator (RePROM). De obicei, acestea sunt dispozitive de stocare nevolatile în care informațiile înregistrate nu sunt „distruse” chiar și atunci când sunt deconectate de la sursa de alimentare.

ALU include un IC cu același nume care efectuează operații logice și aritmetice cu numere binare, elemente logice și o serie de alte unități funcționale care servesc la compararea numerelor, comparatoare digitale, pentru a crește viteza operațiilor aritmetice efectuate, de exemplu, „ unități de transfer rapid”, etc.

Unitatea de control include dispozitive de cronometru care se setează frecvența ceasului funcționarea sistemului și, în ultimă instanță, determinarea performanței acestuia, decodoare de coduri de comandă, matrici logice programabile, registre, unități de control al microprogramelor, precum și „porturi” de intrare/ieșire.

Toate unitățile funcționale enumerate sunt implementate sub formă de dispozitive digitale integrate.

Principalele probleme sistemele de calcul, în primul rând, le îmbunătățesc productivitate(performanţă). Și în al doilea rând, asigurarea funcționării sistemelor in timp real.

Prima problemă este de natură la nivelul întregului sistem și este rezolvată prin utilizarea unei noi elemente de bază și a metodelor speciale de procesare a informațiilor.

A doua problemă apare atunci când se utilizează sisteme informatice pentru control Procese de producțieși constă în faptul că viteza proceselor de producție și de calcul trebuie coordonată. Într-adevăr, funcționarea unui sistem informatic (CS) are loc în așa-numitul timp „mașină”, când un anumit interval de timp fix și indivizibil, numit „ciclu de lucru” al unui computer sau computer, este luat ca unitate de timp. , în timp ce procesele fizice reale, de exemplu procese tehnologice, apar în timp real, măsurate în secunde, fracțiuni de secundă, ore etc. Pentru a face posibilă utilizarea computerelor, este necesar ca viteza de procesare a informațiilor să nu fie mai mică decât viteza proceselor fizice reale. Soluția acestei probleme se realizează prin organizarea unor metode speciale de schimb de informații (date) între computerul de control și dispozitiv perifericși utilizarea de special, așa-numitele inteRcircuite și dispozitive de față. Funcțiile circuitelor de interfață includ:

determinarea adresei unui dispozitiv extern care necesită schimb de informații cu procesorul sau dispozitivul de stocare a sistemului;

generarea semnalelor de întrerupere pentru procesorul BC și inițializarea trecerii la programul de service a obiectului care a solicitat întreruperea. Acest lucru se realizează conform unui special sistem de priorități;

implementarea de cozi pentru deservirea dispozitivelor externe;

coordonarea parametrilor și sincronizarea semnalelor de schimb etc.

Mulțumită realizări moderneîn domeniul tehnologiei integrate în fabricarea dispozitivelor microelectronice, crearea de microcalculatoare și calculatoare caracterizate prin dimensiuni reduse, consum redus de energie și costuri rezonabile, a devenit posibilă utilizarea lor ca parte a sistemelor pentru o mare varietate de scopuri. În același timp, aceste sisteme capătă noi calități și devin multifuncționale cu posibilitatea unei tranziții flexibile de la un mod de operare la altul prin simpla schimbare a configurației sistemului. La rândul lor, aceste avantaje deschid noi perspective pentru utilizarea sistemelor informatice într-o mare varietate de domenii ale activității umane: în știință, medicină, educație și formare, și cu atât mai mult în tehnologie.

De exemplu, comunicațiile telefonice erau efectuate în mod tradițional de dispozitive analogice, unde vorbirea umană era transmisă (prin fire) prin semnale sub formă de curenți alternativi de frecvențe audio. Acum a existat o tranziție intensivă către comunicațiile telefonice digitale, în care semnalele analogice (de la un microfon) sunt convertite în cele digitale, transmise pe distanțe mari fără distorsiuni semnificative. Pe partea de recepție, aceste semnale digitale sunt din nou convertite în analog și livrate la telefon. Trecerea la comunicatii digitale vă permite să îmbunătățiți calitatea transmisiei vocale, în plus, rețeaua telefonică poate fi utilizată pentru alte servicii: alarmă anti-efracție; alarma de incendiu; pentru „conferință telefonică” a mai multor abonați și așa mai departe.

LA 2. Evaluare comparativă dispozitive digitale și analogice

tehnologie microelectronică

Când decideți asupra construcției sau proiectării oricărui dispozitiv, trebuie mai întâi să vă decideți asupra direcției de proiectare, cum va fi dispozitivul? Analogic sau discret(digital)? La rândul său, această decizie poate fi luată cunoscând avantajele și dezavantajele ambelor dispozitive. Să definim mai întâi conceptele de dispozitive „analogice” și „digitale”.

Analogic aceasta se numeste dispozitiv, în care toate semnalele de intrare, ieșire și intermediare (interne) sunt continue, descrise de funcții matematice continue. Aceste semnale sunt caracterizate de un set infinit de valori în nivel (stări) și sunt continue în timp, deși intervalul de modificări ale valorilor unui semnal continuu este limitat. Prin urmare, astfel de dispozitive sunt uneori numite aranjathstvami neacțiune intermitentă.

Dispozitive discrete sau dispozitive acțiune discretăTViya sunt cele ale căror semnale de intrare, ieșire și intermediare sunt caracterizate de un set numărabil de valori în nivel și existență în anumite intervale de timp. Astfel de semnale pot fi afișate într-unul sau altul sistem numeric pozițional (cu numerele corespunzătoare). De exemplu, în sistem zecimal socoteala sau sistem binar Socoteala Reprezentarea binară a semnalelor și-a găsit cea mai mare aplicație în tehnologie și în logica formală în calculul enunțurilor și în tragerea de concluzii din mai multe premise. Prin urmare, sunt numite dispozitive discrete logic(similar logicii binare formale) sau digital, ținând cont de posibilitatea de a le descrie folosind numere sistem de pozitionare Socoteala

Dezavantajele mijloacelor tehnice analogice

Prezența „deriva” și „zgomot”. În derivă aceasta este o schimbare lentă a semnalului, datorită naturii discrete a fenomenelor, în raport cu valoarea lui dată. De exemplu, pentru semnalele electrice, natura discretă a fluxului de curent electric este determinată de electroni și „găuri”, care sunt purtători. sarcini electrice. Zgomote acestea sunt modificări aleatorii ale semnalului cauzate de externe sau factori interni, de exemplu, temperatura, presiunea, tensiunea camp magnetic Teren, etc.

Dificultăți metodologice în definirea conceptelor de „egalitatea la zero” și „egalitatea semnalelor analogice”. Și, în consecință, existența problemei „asigurării preciziei (erorii) specificate” a transformărilor și transmiterii semnalului.

Posibilitatea apariției unor moduri de funcționare instabile și existența problemei „asigurării stabilității” a funcționării sistemelor și dispozitivelor. Un mod instabil se caracterizează prin apariția într-un dispozitiv sau sistem de oscilații neamortizate în schimbarea anumitor semnale. În electronică, acest fenomen este utilizat pe scară largă în construcția generatoarelor de impulsuri și a generatoarelor de oscilații armonice.

Dificultăți tehnice în implementarea dispozitivelor de stocare și a dispozitivelor de întârziere pentru semnale analogice.

Nivel insuficient de integrare a elementelor analogice și versatilitatea acestora.

Raza de transmisie relativ scurtă a semnalelor analogice datorită disipării energiei în liniile de comunicație.

Consum relativ mare de energie, deoarece elementele analogice operează în secțiunile liniare ale caracteristicilor lor tranzitorii și „consumă” energie în stările inițiale (inițiale).

Avantajele mijloacelor tehnice analogice

Adecvarea afișării proceselor și modelelor fizice: ambele sunt descrise prin dependențe continue. Acest lucru ne permite să simplificăm semnificativ soluțiile tehnice fundamentale ale dispozitivelor și sistemelor analogice.

Eficiență și ușurință în schimbarea modurilor de funcționare: de multe ori este suficient să schimbați rezistența unui rezistor sau capacitatea unui condensator, astfel încât un mod instabil să se schimbe într-unul stabil sau pentru a asigura un anumit proces tranzitoriu în dispozitiv.

Nu este nevoie să convertiți valori analogice în valori discrete. Aceste transformări sunt însoțite de erori și de o anumită pierdere de timp.

Avantajele tehnologiei digitale

Posibilitatea controlului programului, care mărește flexibilitatea modificării structurii și a algoritmului de operare al sistemelor, face posibilă simplificarea implementării legilor de control adaptiv.

Ușurința de a asigura fiabilitatea specificată, acuratețea și imunitatea la zgomot a sistemelor.

Ușurința asigurării compatibilității dispozitivelor cu dispozitivele digitale de procesare a informațiilor (calculatoare, calculatoare).

Grad ridicat de integrare constructivă și funcțională, versatilitate cu capacitatea de a construi sisteme conform standardului solutii de proiectare. La rândul său, acest lucru vă permite să reduceți costurile de producție și operare a sistemelor și dispozitivelor.

Capacitatea de a proiecta folosind metode logice formale, care vă permite să reduceți timpul de proiectare al dispozitivelor și face posibilă modificarea funcțiilor dispozitivelor (și sistemelor bazate pe acestea) prin metode de construcție agregată în timpul funcționării.

Dezavantajele tehnologiei digitale

Necesitatea de a converti semnalele analogice în unele discrete. Aceste transformări sunt însoțite de erori și întârzieri.

Dificultatea relativă a schimbării modurilor de operare. Pentru a face acest lucru, este necesar să schimbați structura sistemului sau algoritmul funcționării acestuia.

Complexitatea proceselor de analiză a funcționării sistemelor, atât la verificarea corectitudinii funcționării acestora, cât și la căutarea defecțiunilor apărute. Dispozitivele digitale se caracterizează printr-o mare complexitate funcțională, ceea ce necesită dispozitive speciale de „diagnostic”, care sunt studiate într-un domeniu special de tehnologie numit tehnic dȘiagnostȘiwhoa.

Cerințe crescute pentru cultura de producție și cultura de întreținere a echipamentelor digitale. La rândul său, acest lucru stimulează nevoia de îmbunătățire a calificărilor personalului de serviciu și impune ca acesta să fie înalt calificat.

O analiză comparativă a avantajelor și dezavantajelor enumerate oferă concluzie în favoarea mijloace tehnice tehnologie digitala. Prin urmare, în prezent, dispozitivele digitale sunt introduse pe scară largă în domenii aparent tradiționale ale tehnologiei analogice: televiziunea, comunicare telefonică, în tehnologia de înregistrare a sunetului, inginerie radio, în sisteme automate de control și reglare.

1. Fundamentele tehnologiei microelectronice

1.1. Concepte de bază și definiții

Microelectronica domeniul principal al electronicii, care studiază problemele de proiectare, cercetare, creare și aplicare a dispozitivelor electronice cu un grad ridicat de funcţionalȘi constructeVNoah integrare.

Produs microelectronic, implementat prin intermediul tehnologiei integrate și care îndeplinește o funcție specifică de conversie și procesare a semnalelor, se numește circuit integrat(IC) sau pur și simplu integralăbnoua schema(ESTE).

Dispozitiv microelectronic un set de circuite integrate interconectate care îndeplinesc o funcție completă, destul de complexă (sau mai multe funcții) pentru procesarea și conversia semnalelor. Un dispozitiv microelectronic poate fi proiectat structural sub forma unui singur microcircuit sau pe mai multe circuite integrate.

Sub integrare funcționalăînțelege o creștere a numărului de funcții implementate (realizate) de un anumit dispozitiv. În acest caz, dispozitivul este considerat ca întreg, indivizibil. A int constructivegraţie este o creștere a numărului de componente dintr-un dispozitiv, considerat ca întreg. Un exemplu de dispozitiv microelectronic cu grad înalt integrarea constructivă și funcțională, este miLaroprocesor(vezi mai sus), care, de regulă, se realizează sub forma unui IC „mare”.

Proiectarea circuitelor face parte din microelectronică, al cărei subiect este metode de construcție dispozitive pentru diverse scopuri pe microOscheme de aplicare largă. Subiectul proiectarea circuitelor digitale sunt metode pentru construirea (proiectarea) dispozitivelor folosind numai circuite integrate digitale.

Caracteristicile circuitelor digitale este utilizat pe scară largă pentru a descrie procesele de funcționare ale dispozitivelor formal sau limbaje naturale formaleși pe baza lor metode de proiectare formalizate. Limbile formale sunt algebră booleană(algebra logicii, algebra Boole) și limbajul funcțiilor logice „automate”. algebra stărilor și evenimentelor. Datorită utilizării metodelor formalizate, se realizează multivariantaîn rezolvarea problemelor aplicate, devine posibil alegere optimă soluții de circuit după unul sau altul criteriu.

Metode formale sunt caracterizate de un nivel ridicat de abstractizare, neglijarea proprietăților particulare ale obiectului descris. Atenția este concentrată doar asupra tiparelor generale în relațiile reciproce dintre componentele obiectului și părțile sale constitutive. Astfel de „regularități”, de exemplu, includ regulile operațiilor aritmetice din algebra numerelor (reguli de adunare, scădere, înmulțire, împărțire). În același timp, ei sunt distrași de la semnificația numerelor (fie că este vorba de numărul de mere, sau de tabele etc.). Aceste reguli sunt strict formalizate și regulile de obținere a expresiilor aritmetice complexe, precum și procedurile de calcul a unor astfel de expresii. În astfel de cazuri se spune, formale sunt și sinaceaLasoraȘi gramatica limbajului descrieri.

În limbile naturale formale, sintaxa este formalizată, iar gramatica (reguli pentru construirea expresiilor complexe) este supusă gramaticii unei limbi naturale, de exemplu, rusă sau engleză. Exemple de astfel de limbi sunt diverse limbaje de descriere tabelare. În special, baza teoretică pentru descrierea dispozitivelor digitale este „Teoria automatelor finite” sau „Teoria dispozitivelor releu și a automatelor finite”.

1.2. Clasificarea dispozitivelor microelectronice

Întreaga varietate de dispozitive microelectronice (MED) poate fi clasificată în funcție de diferite criterii:

prin principiul și natura acțiunii;

după scopul funcțional și funcțiile îndeplinite;

prin tehnologia de fabricație;

după domeniul de aplicare;

conform designului și caracteristicilor tehnice și așa mai departe.

Să luăm acum în considerare mai detaliat împărțirea MEU în funcție de criteriile de clasificare.

Conform principiului(caracter) actiuni toate MEU sunt împărțite în roAvizuini și digitală. Conceptele de dispozitive analogice și discrete, inclusiv cele digitale, au fost deja prezentate mai sus. Aici observăm că dacă în dispozitivele discrete toate semnalele iau doar două valori condiționale de zero logic (log.0) și una logică (log.1), atunci dispozitivele sunt numite logic. De regulă, toate dispozitivele digitale sunt clasificate ca dispozitive logice.

În funcție de funcțiile îndeplinite (scopul funcțional), se disting următoarele dispozitive microelectronice:

I. Analogic

1.1. Dispozitive de amplificare (amplificatoare).

1.2. Convertoare funcționale care efectuează operații matematice pe semnale analogice (de exemplu, integrare, diferențiere etc.).

1.3. Traductoareși senzori de mărimi fizice.

1.4. Modulatoare și demodulatoare, filtre, mixere și generatoare de armonice.

1.5. Dispozitive de stocare.

1.6. Stabilizatori de tensiune și curent.

1.7. Circuite integrate motiv special(de exemplu, pentru procesarea semnalelor radio și video, comparatoare, comutatoare etc.).

II. MEA digitale

2.1. Elemente logice.

2.2. Codificatoare, descifratoare de cod și convertoare de cod.

2.3. Elemente de memorie (declanșatoare).

2.4. Dispozitive de stocare (RAM, ROM, PROM, PLM etc.).

2.5. Dispozitive aritmetico-logice.

2.6. Selectoare, modelatori și generatoare de impulsuri.

2.7. Dispozitive de numărare (contoare de impulsuri).

2.8. Comparatoare digitale, comutatoare de semnal discrete.

2.9. Registrele.

2.10. Microcircuite cu destinație specială (de exemplu, cronometre, kituri IC cu microprocesor etc.).

Clasificarea de mai sus este departe de a fi exhaustivă, dar ne permite să concluzionam că gama de dispozitive digitale este mult mai largă decât gama de MEA analogice.

Pe lângă cele enumerate, există microcircuite de convertizor de nivel de semnal, de exemplu declanșatoarele Schmitt, în care semnalele de intrare sunt analogice, iar semnalele de ieșire sunt discrete, binare. Astfel de microcircuite ocupă o poziție intermediară. În mod similar, microcircuitele convertoarelor analog-digital și digital-analogic (ADC și DAC), comutatoare de semnal analogic controlate de semnale discrete ar trebui clasificate ca MEA „intermediare”.

În funcție de numărul de funcții implementate, acestea se disting unuOfuncţional(simplu) și multifuncțional(complex) MEU. În dispozitivele multifuncționale, funcțiile pot fi efectuate simultan sau secvenţial la timp. În funcție de aceasta, în primul caz, dispozitivele sunt numite dispozitive de acțiune „paralelă”, iar în al doilea caz, dispozitive acţiune secvenţială sau „secvențial”. Dacă un dispozitiv multifuncțional este configurat să îndeplinească o anumită funcție prin comutarea intrărilor (re-comutare fizică circuite electrice), atunci un astfel de dispozitiv se numește dispozitiv cu „ logica grea" muncă. Și dacă modificările funcțiilor efectuate sunt efectuate folosind semnale externe suplimentare (la așa-numitele intrări de control), atunci astfel de MEA ar trebui clasificate drept „controlate de software”. De exemplu, circuitele integrate de unitate aritmetică logică (ALU) pot implementa operații aritmetice sau logice cu doi numere binare pe mai mulți biți. Și setarea pentru a efectua operații aritmetice (sau logice) este efectuată de un semnal extern suplimentar, în funcție de valoarea căreia vor fi efectuate acțiunile dorite. Prin urmare, ALU-urile ar trebui clasificate ca MEU controlate de software.

Conform tehnologiei de fabricație toate circuitele integrate sunt împărțite în:

Semiconductor;

Film;

Hibrid.

ÎN semiconductor IC toate componentele și conexiunile sunt realizate în volum și pe suprafața cristalului semiconductor. Aceste CI sunt împărțite în bȘipolar microcircuite (cu polaritate fixă ​​a tensiunilor de alimentare) și pornit unipolar cu capacitatea de a schimba polaritatea tensiunii de alimentare. În funcție de designul circuitului „conținutului intern”, microcircuitele bipolare sunt împărțite în următoarele tipuri:

Logica tranzistor-tranzistor TTL;

Logica tranzistor-tranzistor TTLsh cu tranzistori și diode Schottky;

Logica cuplată emițător ESL;

Logica de injecție I2L și altele.

Microcircuitele de tehnologie unipolară sunt realizate pe tranzistoare MOS („metal-dielectric-semiconductor”) sau pe tranzistoare MOS („metal-oxide-semiconductor”) sau pe tranzistoare CMOS („metal-oxid-semiconductor”).

ÎN film Într-un circuit integrat, toate componentele și conexiunile sunt realizate numai pe suprafața cristalului semiconductor. Distinge film subtire(cu grosimea stratului mai mică de 1 micron) și peliculă groasă cu o grosime de peliculă mai mare de un micron. Circuitele integrate cu peliculă subțire sunt fabricate folosind depunerea în vid termic și pulverizarea catodică, în timp ce circuitele integrate cu peliculă groasă sunt fabricate folosind imprimare serigrafică, urmată de ardere în aditivi.

Hibrid Circuitele integrate constau din componente „simple” și „complexe” situate pe același substrat. Chipurile IC semiconductoare sau cu film sunt de obicei utilizate ca componente complexe. Cele simple includ componente electronice discrete (tranzistoare, diode, condensatoare, inductori etc.). Toate aceste componente sunt amplasate structural pe același substrat și pe acesta se realizează și conexiunile electrice între ele. Mai mult, un substrat cu componentele situate pe el formează un „strat” al unui IC hibrid. Distinge un singur stratȘi multistrat circuite integrate hibride. CI hibrid multistrat este capabil să îndeplinească funcții de procesare a semnalului destul de complexe. Un astfel de microcircuit este echivalent în acțiune cu un „microbloc” de dispozitive sau, dacă este destinat utilizării independente, cu acțiunea unui bloc „întreg”.

În plus, orice microcircuite sunt evaluate cantitativ spectacolAtelecom al lor dificultăți. Ca un astfel de indicator, „ grad integrare» k, egal cu logaritmul zecimal al cantității totale N componente plasate pe un cip semiconductor, adică

k = lq N. (1)

În conformitate cu formula (1), toate microcircuitele sunt împărțite în microcircuite de gradul 1, 2, 3 și așa mai departe de integrare. Gradul de integrare caracterizează doar indirect complexitatea microcircuitelor, deoarece ia în considerare doar constructiv integrare. De fapt, complexitatea microcircuitului depinde și de numărul de conexiuni reciproce dintre componente.

În practica inginerească este utilizat caracteristica de calitate complexitatea microcircuitelor în conceptele de IC „mic”, „mediu”, „mari” și „ultra-mari”.

Tabelul 1.1 oferă informații cu privire la corespondența reciprocă a măsurilor calitative și cantitative ale complexității SI după tipurile lor.

Tabelul 1.1

nume IP		Tehnologia de fabricație	Numărul de componente pe cip	Gradul de integrare k
Mic (MIS)	Digital	Bipolar
		Unipolar
	Analogic	Bipolar
Medie (SIS)	Digital	Bipolar
		Unipolar
	Analogic	Bipolar
		Unipolar
Mare (BIS)	Digital	Bipolar
		Unipolar
	Analogic	Bipolar
		Unipolar
Extra Large (VLSI)	Digital	Bipolar
		Unipolar	Mai mult de 10000
	Analogic	Bipolar
		Unipolar

Din analiza tabelului 1.1 rezultă că, în comparație cu circuitele integrate digitale, microcircuitele analogice cu aceleași grade de integrare au componente de peste trei ori mai puține în compoziția lor (pe un cip semiconductor). Acest lucru se datorează faptului că componentele active (tranzistoare) microcircuit analogic funcționează în modul liniar și disipă mai multă energie. Necesitatea de a elimina căldura generată de disiparea energiei limitează numărul de componente plasate pe un singur cip. În microcircuitele digitale, componentele active funcționează în modul de comutare (tranzistoarele sunt fie blocate, fie deschise și în modul de saturație). În acest caz, puterea disipată este neglijabilă și cantitatea de căldură generată este de asemenea neglijabilă și, prin urmare, numărul de componente de pe cip poate fi plasat mai mult. (Dimensiunile cristalelor sunt standardizate și limitate.) Cu tehnologia unipolară, volumul cristalului ocupat de un tranzistor cu efect de câmp este de aproximativ trei ori mai mic decât volumul ocupat de tranzistor bipolar (n- p- n sau p- n- p tip). Acest lucru explică faptul că componentele active de pe cip dimensiuni standard Mai multe pot fi găzduite într-un cip unipolar.

De proiectaÎn funcție de complexitatea funcțională, dispozitivele microelectronice sunt împărțite în:

la microcircuite simple (IC);

pentru microansambluri;

la microblocuri.

IC produs microelectronic fabricat în tehnologie unificatăOciclul logic, potrivit pentru utilizare independentă sau ca parte a unor produse mai complexe (inclusiv microansambluri și microblocuri). Microcircuitele pot fi neîncadrate și au o carcasă individuală care protejează cristalul de influențele externe.

Microasamblare un produs microelectronic care îndeplinește o funcție (funcții) destul de complexă și este format din componente electrice și radio și microcircuite, fabricate în scopul miniaturizării echipamentelor electronice. În esență, cipurile hibride sunt microansambluri. Cel mai simplu microansamblu poate fi, de exemplu, un set de microrezistoare realizate pe un cristal semiconductor și găzduite într-un singur pachet (precum un microcircuit).

Microbloc este, de asemenea, un produs microelectronic, constă din componente electrice și radio și circuite integrate și îndeplinește o (funcții) complexă(e).

De regulă, microansamblurile și microblocurile sunt fabricate în diferite cicluri tehnologice și, probabil, în diferite fabrici de producție.

La fel de clasificare caracteristici tehnice folosit de obicei consumul de energie(un cip) și rapidthefect.

De consumul de energie toate circuitele integrate pot fi împărțite în: A) microOputernic(Mai putin decât 10 mW); b) de putere redusă(nu mai mult de 100 mW); V) putere medie(până la 500 mW) Și G) puternic(mai mult de sau = 0,5 W).

De viteză(întârzieri maxime pentru propagarea semnalului prin IC), microcircuitele sunt împărțite condiționat în: A) ultra-rapid cu frecvență de tăiere f g comutări peste 100 MHz; b) cu acțiune rapidă ( f g de la 50 MHz pana la 100 MHz); V) viteza normala ( f gr de la 10 MHz pana la 50 MHz). În acest caz, întârzierile de propagare sunt de ordinul a câteva nanosecunde (10-9 Cu.) până la 0,1 microsecunde (1s =10-6 Cu.).

Dispozitive microelectronice digitale, inclusiv microcircuite și altele dispozitive cu acțiune discretă, convenabil de clasificat De X A natura dependenței semnale de ieșire de la semnalele de intrare. După cum este obișnuit în teoria mașinilor cu stări finite. În conformitate cu această caracteristică, toate dispozitivele sunt de obicei împărțite în combinaționalăȘi secvenţial.

ÎN dispozitive combinate valorile semnalelor de ieșire în orice moment sunt determinate în mod unic de valorile semnalelor de intrare în același moment în timp. Prin urmare, putem presupune că funcționarea unor astfel de dispozitive nu depinde de timp. Ele sunt denumite și „fără” dispozitive memorie», un singur ciclu dispozitive sau dispozitive cu acțiune simplă. În teoria mașinilor cu stări finite, dispozitivele combinaționale sunt numite „mașini cu stări finite primitive”.

ÎN dispozitive seriale valorile semnalelor de ieșire (semnale de ieșire) depind de valorile semnalelor de intrare nu numai la momentul considerat, ci și de valorile semnalelor de intrare în momentele anterioare. Prin urmare, astfel de dispozitive sunt numite dispozitive cu „ memorie», multiciclu dispozitive, dar în teoria mașinilor cu stări finite, pur și simplu? mașină cu stări finite(nu banal).

Când se are în vedere materialul educațional, pe viitor, pt principal hai sa-l luam pe acesta clasificare, deoarece metode de construcție(sinteză) și procesele de funcționare ale dispozitivelor numite semnificativ diferiteASunt.

În încheierea prezentării problemelor de clasificare, observăm că lista dată de caracteristici de clasificare și lista denumirilor produselor microelectronice (cipuri) este departe de a fi exhaustivă. În viitor, după caz, vom adăuga la această listă.

1.3. Elemente logice

Elemente logice aparțin celor mai simple „dispozitive” combinaționale, având o ieșire și una sau două intrări. Și-au primit numele pentru că funcționarea lor poate fi descrisă pe deplin funcții logiceși în special funcții booleene.

Ca și în logica formală, toate afirmațiile pot fi adevărate sau false, iar funcțiile logice pot lua doar două valori condiționate: una logică (log.1) „adevărat” și zero logic (log.0) „fals”.

La descrierea funcționării elementelor logice semnale de ieșire pune în corespondență unu-la-unu funcții, A semnale de intrare argumente aceste funcții. Astfel, atât funcțiile, cât și argumentele funcției, precum și semnalele de intrare și de ieșire ale porților logice, sunt binare. Dacă neglijezi în timp real trecerea unui element logic de la o stare (state log.1) la alta (state log.0), atunci nici argumentele si nici functiile nu vor depinde de factorul de timp al variabilei de timp. Sunt luate în considerare regulile de obținere și conversie a expresiilor logice algebra logicii sau boolean algebră.

Funcții logice de bază în algebra logicii este general acceptat funcții de doi argumente. Li se dau nume, sunt introduse simboluri logice pentru a desemna operațiile logice corespunzătoare atunci când sunt scrise în formă algebrică, iar aceste simboluri sunt folosite și în simbolurile grafice (GSD) ale elementelor logice din documentația circuitului.

Înainte de a lua în considerare direct tipurile de elemente logice, să luăm în considerare mai întâi intrebare generala despre sistemul de desemnare pentru microcircuite care conțin elemente logice. Asemenea microcircuite îi aparțin microshemame cu grad scăzut de integrare.

1.3.1. Sistem de desemnări alfanumerice convenționale ale elementelor logice IC

În literatura tehnică internă, precum și la marcarea circuitelor integrate produse pe plan intern, în timpul fabricării lor la fabricile de producție, este adoptată o formă de 4 elemente a denumirilor de microcircuite (Fig. 1.1).

Primul elementîn notaţie este număr , care indică grupa de proiectare și execuție tehnologică a IP. Această cifră poate lua următoarele valori:

1, 5, 6, 7 corespund circuitelor integrate semiconductoare. Mai mult, numărul 7 este folosit pentru a desemna numai circuitele integrate neambalate;

2, 4, 8 sunt microcircuite hibride;

Alte 3 microcircuite, inclusiv cele de film.

Primul element al denumirii poate fi precedat de o literă sau două litere (din alfabetul rus, acestea nu sunt necesare, dar indică tipul și materialul carcasei microcircuitului și posibilitățile de aplicare a acestuia). De exemplu, scrisoarea LA reprezintă microcircuite aplicare largă V plastic caz de primul tip. Există microcircuite aplicație specială, de exemplu, pentru dispozitivele operate în climat tropical.

Al doilea element 2 sau 3 cifre, indică ordinal număr serie microcircuite Toate cele multe produse industria autohtona microcircuitele sunt împărțite în serie. Serie Un IC este un set de circuite integrate cu un singur design și design tehnologic care îndeplinesc diverse funcții și sunt destinate utilizării în comun.

Al treilea element în desemnarea sunt doi ruși scrisori, dintre care prima desemnează un subgrup al IC prin scopul funcțional, iar a doua literă corespunde tipului de IC și prin scopul funcțional al microcircuitului. De exemplu, prima literă L„spune” că acesta este un IC de poartă logică (subgrup logici), a doua litera A corespunde elementelor logice ale formei SI NU. Tabelul 1.2 prezintă cele mai comune coduri de litere ale tipurilor de IS în funcție de funcțiile îndeplinite.

Și în sfârșit, a 4-a elepoliţistîn denumirile microcircuitelor sunt unu sau Două numere , indicând numărul condiționat al microcircuitului din seria în cauză. Astfel, exemplul de desemnare prezentat în Fig. 1.1 corespunde desemnării unui microcircuit semiconductor din seria K155, utilizat pe scară largă, într-o carcasă din plastic de primul tip. Este format din 4 elemente logice cu două intrări de tip AND-NOT (2AND-NOT).

De obicei, cel de-al patrulea element din denumirea IC „criptează” numărul de serie al modificării elementelor de același tip, care diferă în numărul de intrări și metoda de „organizare” a ieșirii.

În plus față de simbolurile de mai sus, conform GOST 2.743-91 „Simboluri grafice convenționale în circuitele electrice. Elemente de tehnologie digitală”, alte coduri din două litere sunt folosite pentru a indica scopul funcțional al microcircuitelor, de exemplu: decodor-demultiplexoare ID, decodore, registre IR, comutatoare CP de semnale discrete și așa mai departe. În special, litera I corespunde unui subgrup de microcircuite folosite pentru a construi dispozitive de calcul digital.

Serii diferite de circuite integrate diferă în ceea ce privește numărul de microcircuite și nomenclatura lor (evaluări de tip). Evaluare standard IC este un simbol specific care conține informații de bază despre microcircuit. Pe măsură ce tehnologia se dezvoltă, numărul de tipuri de circuite integrate dintr-o anumită serie poate crește.

Dintre seria de microcircuite, circuitele integrate logice tranzistor-tranzistor (TTL și TTLsh) sunt cele mai dezvoltate funcțional. Aceste serii sunt caracterizate de o gamă largă de circuite integrate, așa că vom ilustra în principal prezentarea materialului educațional cu exemple ale acestor microcircuite.

GOST-ul menționat mai sus conține, de asemenea, simboluri grafice convenționale ale elementelor logice și oferă reguli pentru formarea UGO a elementelor și modulelor logice mai complexe. Prin urmare, ar trebui în primul rând să vă familiarizați cu GOST specificat.

Tabelul 1.2

	Desemnare
Elemente NAND
Elemente ȘI-NU/SAU-NU
Expanders prin OR
elemente SAU-NU
Elementele I
Elem. ȘI-SAU-NU/ȘI-SAU
elemente SAU
Elemente de OR-NOT/OR
Elementele NU
Alte articole
Elemente ȘI-SAU-NU
elemente ŞI-SAU

1.3.2. Utilizarea algebrei booleene pentru a descrie

elemente logice şiTroiuri

După cum sa menționat mai sus, funcționarea elementelor logice nts pot fi descrise prin funcții logice (booleene). La rândul lor, funcțiile logice pot fi definite (setate) prin enumerarea tuturor condițiilor în care funcția ia valoarea log.1, adică. după condiţiile de adevăr şi după condiţiile de fals (valori log.0). În mod similar, luând în considerare funcționarea unui (orice) element logic, putem enumera toate condițiile în care un semnal logic 1 apare la ieșire, sau condițiile în care un semnal logic 0 va fi prezent la ieșirea elementului. Aceasta este principiul dualității(dualitate) în descriere dispozitive logice.

În tehnologie, atunci când descrii munca diverse dispozitive, conceptul de „activ”, spre deosebire de valoarea „inactiv” a unui semnal, este utilizat pe scară largă. În același timp, sub activ Valoarea (nivelul) unui semnal este înțeleasă ca o acțiune care provoacă acțiunea dorită la ieșirea dispozitivului sau, cu alte cuvinte, dispozitivul are acțiuni active asupra dispozitivelor externe. Dimpotrivă, acțiunile inactive au un efect pasiv asupra dispozitivelor externe. Astfel, în logică ele se concentrează de obicei pe adevărul enunțurilor, astfel încât adevărul enunțurilor ar trebui să fie considerat implicit sensul lor activ. În mod similar, atunci când descriem dispozitivele tehnice, se poate concentra asupra condițiilor de „funcționare” a acestora sau a condițiilor de „nefuncționare”.

Acordurile conform cărora semnalul log.1 este considerat activ se numesc acorduri „ pozitiv» logică. Dimpotrivă, când valoare activă level log.0 este acceptat, astfel de acorduri se numesc acorduri „ negativ» logică. De regulă, un nivel „mai ridicat” al semnalelor este luat ca un semnal log.1, iar un nivel de semnal „mai scăzut” este luat ca un semnal log.0. De exemplu, atunci când se utilizează un circuit integrat TTL, semnalul log.1 este considerat a fi o tensiune de cel puțin +2,4 ÎN, iar tensiunea semnalului log.0 este mai mare decât zero, dar nu mai mare de 0,4 ÎN. Acestea sunt niveluri de semnal standard în dispozitivele bazate pe circuite integrate TTL.

Descrieri întocmite în baza acordurilor logica pozitiva si cu acorduri logica negativă, echivalent din punct de vedere logic, deoarece descriu același dispozitiv. in orice caz complexitate tehnic realȘițiuni dispozitivele logice, în funcție de acordul ales, se pot dovedi a fi semnificativ diferite. Prin urmare, problema alegerii unei metode de descriere se pune întotdeauna pentru a obține cea mai simplă soluție tehnică.

După cum sa menționat deja, principalele funcții ale algebrei logicii sunt funcţiile a două variabile. Puteți compune aceste funcții pur formal, dând argumentelor tot felul de valori (combinații ale valorilor lor), apoi dați funcțiilor tot felul de valori. Deoarece atât argumentele, cât și funcțiile pot lua doar două valori, nu este dificil să se determine numărul de combinații alcătuite din argumente și numărul tuturor funcții posibile. Fie numărul de argumente n, și numărul de combinații ale acestora N, Apoi

N = 2n. (1.1)

Numărul tuturor funcțiilor logice posibile poate fi apoi calculat folosind formula

M = 2N = . (1.2)

După cum se poate observa din formula (1.2), numărul de funcții booleene (logice) crește rapid odată cu creșterea numărului de argumente n. Da cand n=2 obținem N=22=4 și M=24=16, adică șaisprezece funcții logice a două argumente.

În tabel 1.3 arată denumirile și denumirile funcțiilor, semnificațiile acestora pe un anumit set de valori argument AȘi b, precum și expresii algebrice ale acestor funcții în forma normală perfectă disjunctivă(DSNF) și forma normală perfectă conjunctivă(KSNF).

Din analiza acestui tabel rezultă că printre numeroasele funcții date există funcții constante Funcțiile „zero” și „unu”, „repetiție” și „inversie” (NU funcții) ale variabilelor de intrare A Și b, care sunt de fapt funcții unu argument, și există funcții care depind semnificativ din Două argumente.

În expresiile algebrice de mai sus, semnul + (plus) indică operația de adunare logică (disjuncție), bara deasupra unei variabile sau deasupra unei expresii logice indică operația de inversare, iar simbolurile pentru înmulțirea logică (produs) sunt omise.

Tabelul 1.3

Funcțiile logice ale două argumente

Nu.	Numele funcției	Valorile funcției pentru valorile argumentului	Desemnare	Forme algebrice ale funcțiilor
	Zero
	Interzice b					Ab
	Con Intersecție (I)					A&b sau ab
	Repetație A
	Interzice A					bA
	Inegal sens					Ab
	Repetație b
	Diz conjuncție (funcție SAU)					A+b		A+b
	Pierce (SAU-NU)
	Inversiuneab(NU)
	Ravn sens
	Impl ication b					bA
	InversiuneaA
	Schaeffer (ȘI-NU)
	Impl ication A					Ab
	Unitate privat

Funcțiile constante exprimă de fapt independența față de argumente și, în același timp, pot fi considerate „funcții” pe un număr mare de argumente. Notă, zero funcția nu are un DSNF pentru că nu ia niciodată valoarea log.1 și singur funcția nu are KSNF, deoarece nu ia niciodată valoarea log.0. Rezultă că DSNF corespunde Descriere(atribuirea) funcţiilor logice conform condiţiilor de adevăr(conform log.1), și KSNF în condiţii de falsitate(log.0). Orice funcție logică, cu excepția funcțiilor constante, are atât DSNF, cât și CSNF. Acest lucru corespunde faptului că orice dispozitiv logic (indiferent cât de complex ar fi) poate fi descris prin condiții de declanșare și condiții nedeclanșate.

Valorile funcțiilor „repetiție” și „inversie” (V3, V6, V9, V12) fie repetă valorile unuia dintre argumente, fie iau valori opuse (inverse). De aceea au primit acele nume.

Funcții de inversare sunt numite cel mai adesea funcții NOT. Aceste funcții sunt implementate de porți NOT (sau invertoare). Funcțiile de repetare sunt implementate de repetoare. Se obișnuiește să se spună că funcțiile de inversare și repetare " imaterial» depind de al doilea argument, deși pot fi reprezentate ca funcții a două, trei sau mai multe argumente.

În tehnologie, funcțiile „Disparitate” și „Echivalență” sunt mai bine cunoscute ca „suma modulo doi (mod 2)” și, respectiv, „modul de inversare a sumei 2”. Funcțiile Schaeffer și Peirce sunt, respectiv, cunoscute ca „inversarea unui produs logic” (funcții NAND) și „inversarea unei sume logice” (SAU-NU). Aceste funcții sunt implementate de elemente logice cu același nume.

ÎN algebră booleană iar de acum înainte în expresii logice se obişnuieşte să se desemneze funcții cu litere mari alfabetul latin și argumente funcții litere mici(mic) scrisori acelasi alfabet.

1.3.3. Metode și forme pentru specificarea funcțiilor logice

La descrierea dispozitivelor logice, se dovedește că metoda de specificare (definire) a funcțiilor logice și forma de prezentare a acestora influențează semnificativ dificultatea de a obține rezultatul final. În funcție de scop, metodele de precizare și forma de prezentare a funcțiilor pot fi diferite. De exemplu, atunci când se construiesc dispozitive logice pe memorii programabile doar pentru citire (PROM), formele algebrice ale funcțiilor logice sunt nedorite și impracticabile. Cu toate acestea, atunci când se construiesc dispozitive pe microcircuite cu un grad scăzut de integrare, pe circuite integrate ale elementelor logice, sunt necesare forme algebrice minime ale funcțiilor logice, deoarece în caz contrar este imposibil să se asigure costuri hardware minime. Astfel, alegerea metodei de atribuire depinde de scopul urmărit de a descrie dispozitivele.

Distinge tabular, matrice, graficȘi analitic metode de atribuire.

La tabular sarcinile folosesc așa-numitul „ tabele șiCuminuscul» funcții logice, în care valorile funcțiilor sunt indicate pe întregul set de combinații ale argumentelor lor. Astfel, numărul de coloane din tabelul de adevăr este determinat de numărul de argumente și numărul de funcții, iar numărul de rânduri este determinat de formula (1.1). Tabelele de adevăr sunt utilizate pentru familiarizarea generală cu funcționarea dispozitivelor combinaționale atunci când numărul de intrări (argumente ale funcției) și numărul de ieșiri (număr de funcții) nu depășește 4. Tabelele de adevăr devin greoaie cu un număr mai mare de argumente și, prin urmare, sunt puțin utile pentru analiză. Folosind tabele de adevăr, este destul de ușor să găsiți forme algebrice ale funcțiilor în DSNF sau în KSNF, dar nu sunt potrivite pentru căutarea formelor algebrice minime.

Matrice modul de specificare (sau specificarea funcțiilor folosind bdematrice de ieșire) se bazează pe o afișare grafică a întregului set de combinații de argumente ale funcției pe un „plan” (în spațiu bidimensional). Conceptul de „matrici booleene” a fost introdus de A.D. Zakrevsky, i s-a oferit și el matricea vizuală metoda de minimizare a functiilor logice. În literatura străină, această metodă de specificare și minimizare a funcțiilor logice este cunoscută sub numele de „metoda de specificare și minimizare folosind Harta Carnot" (Conceptul de „matrice” folosit în matematică nu trebuie confundat cu conceptul de „matrice booleană”). Alături de concept boolean matrȘitsaîn cele ce urmează se va folosi conceptul Harta Carnot, deoarece conceptele sunt sinonime.

O matrice booleană este un dreptunghi cu un raport de aspect de 1:2 (pentru un număr impar de argumente ale funcției) sau un pătrat (pentru un număr par de argumente), împărțit în pătrate elementare (celule). Numărul de celule din matrice este întotdeauna un multiplu al unei puteri de doi și este determinat de formula (1.1). Astfel, numărul de pătrate elementare este egal cu setul complet de combinații alcătuit din argumente de funcție. Sus în dreaptaȘi partea stanga matricele, parantezele dreptunghiulare sau o linie dreaptă continuă marchează zonele valorilor cu un singur argument (Fig. 1.2). Mai mult, aceste paranteze sunt marcate cu identificatori de argument, care sunt plasați sub paranteză sau în dreapta (jos) a parantezelor. În mod convențional, se crede că aria limitată de paranteză este aria valorilor unice ale argumentului, iar în afara acestei zone argumentul are o valoare zero. Astfel, harta Karnaugh etichetată este, parcă, „codificată” prin combinații de argumente. În acest caz, fiecare celulă va corespunde unei combinații foarte specifice de argumente ale funcției. Harta în sine este marcată identificatorul funcției în partea de jos sau pe dreapta.

Pentru a seta o funcție cu un card, trebuie să puneți valorile acestei funcții (0 sau 1 sau ~) în celulele corespunzătoare.

Astfel, Fig. 1.2 prezintă hărțile Carnaugh pentru funcții cu 4, 5 și 6 argumente.

În special, funcțiile X și Y sunt complet specificate, dar funcția Z este subdeterminată deoarece, împreună cu valorile fixe de 1 și 0, celulele arată valori „condiționale” marcate cu simbolul ~ (tildele tipografice simbol). Condiţional valorile funcțiilor logice sunt utilizate în cazurile în care valorile specifice (0 sau 1) nu pot fi determinate în prealabil. Astfel de cazuri apar, de exemplu, la sintetizarea dispozitivelor conform condițiilor incomplet specificate sau atunci când combinațiile de argumente corespunzătoare celulelor cu simbolul ~ nu pot apărea dintr-un motiv oarecare. În procesul de găsire a expresiilor logice minime ale funcțiilor subdeterminate, aceste valori condiționate sunt definite cu valorile 1 sau 0, încercând să se obțină cele mai simple expresii algebrice.

În principiu, forma matriceală de specificare a funcțiilor logice este mai convenabilă pentru căutarea formelor algebrice minime ale funcțiilor de până la 10 (sau mai multe) argumente. Secvența de construire a unei hărți Karnaugh pentru funcții cu un număr mare de argumente poate fi înțeleasă comparând Fig. 1.2, A cu imagini 1.2, bȘi V.

Grafic metoda de specificare a funcţiilor logice se bazează pe utilizare n-cuburi dimensionale. Dimensiunea unui cub este determinată de număr n argumente ale funcției, de exemplu, o funcție de trei argumente poate fi specificată ca un cub tridimensional, al cărui vârf corespunde unei anumite combinații de argumente. Pentru a defini o funcție folosind un cub tridimensional, vârfurile cubului sunt etichetate corespunzător. Această metodă nu este utilizată pe scară largă și nu o vom folosi.

Analitic metoda de specificare a funcţiilor este cea mai utilizată pentru a găsi diagrame funcționale dispozitive sintetizate. Datorită simbolurilor grafice convenționale (CG) ale elementelor logice, este posibilă trecerea în mod adecvat direct de la o expresie algebrică la o diagramă funcțională și, invers, folosind diagrama funcțională pentru a obține o expresie algebrică a unei funcții care descrie semnalul de ieșire al dispozitivul. În plus, folosind legile și consecințele algebrei logicii, puteți efectua transformări echivalente ale expresiilor logice și, prin urmare, puteți obține versiuni noi de diagrame funcționale.

În algebra booleană, se disting mai multe tipuri de forme algebrice de funcții, două forme DSNF și KSNF au fost date în Tabelul 1.3. Prima se obține atunci când funcția este determinată de condițiile de adevăr (prin 1), iar a doua când funcția este determinată de „zerouri”.

De exemplu, funcția X specificată de harta din Fig. 1.2, A, va avea următoarele forme perfecte:

După cum se poate observa din Fig. 1.2, A, iar din expresiile (1.3) și (1.4), rezultă că funcția ia valoarea „1” dacă un număr impar de argumente ia valoarea log.1, în caz contrar ia valoarea „0”. Astfel de funcții sunt implementate de circuite „pare/impare” sau elemente logice „suma mod2”. Dacă folosim simbolul pentru suma mod2 (funcția de disparitate V5 din Tabelul 1.3), atunci putem scrie

X = A b c d. (1.5)

Această expresie este mai scurtă și este echivalentă cu expresia (1.3). Vă rugăm să rețineți (Fig. 1.2, A), funcția sum mod2 și inversarea acesteia corespund „modelului de șah” de pe harta Karnaugh. Aceasta poate fi folosită în viitor atunci când căutați alte forme algebrice de funcții logice. Apropo, aceste funcții nu au normal minim formele disjunctive și conjunctive ale MDNF și ICNF.

Să luăm în considerare circuitele integrate utilizate frecvent ale elementelor logice și le vom folosi diverse forme descrieri ale funcţiilor logice implementate de aceste elemente.

1.3.4. NU porti

Acestea sunt cele mai simple elemente, având o intrare și o ieșire. Astfel de elemente sunt descrise de funcția logică de negație și inversare și sunt numite pur și simplu funcții NOT. Figura 1.3 prezintă UGO a elementelor HE recomandate de GOST. După cum puteți vedea, indicatorul de inversare poate fi plasat fie la ieșire, fie la intrarea elementului logic. Potrivit GOST, nu puteți pune marcajul principal al funcției „1” în câmpul principal al UGO.

Expresia algebrică pentru funcția de inversare are forma

X =

și citește „nu A" Semnalul de ieșire al elementului NOT ia întotdeauna valoarea opusă față de valorile semnalului de intrare. Există mai multe tipuri de elemente logice IC, care diferă în modul în care este organizată ieșirea. De exemplu, în seria IC K155 există microcircuite K155LN1 care conțin 4 elemente logice NOT cu capacitate de încărcare standard. NU există elemente cu capacitate de încărcare crescută, dar toate sunt descrise prin aceeași expresie logică.

Elementele logice „repetoare” au, de asemenea, o intrare și o ieșire, dar semnalul de ieșire repetă valoarea semnalului de intrare. Astfel de elemente sunt folosite pentru a „decupla” ieșirile elementelor logice și pentru a crește capacitatea de încărcare a acestora.

1.3.5. ȘI porți

Aceste elemente implementează funcția de înmulțire logică (conjuncție). Funcțiile sunt cel puțin duble sau multi-loc și sunt descrise prin următoarele expresii logice:

X = A&b = Ab = A· b = ab. (1.6)

Simbolurile de conjuncție & și pot fi înlocuite cu un punct sau pot fi omise. Semnal de ieșire element ȘI ia valoarea log.1 numai dacă toate semnalele de intrare iau valoarea log.1. Fig. 1.4 prezintă simboluri grafice și hărți Carnaugh pentru o intrare cu două intrări (Fig. 1.4, AȘi b) și cu trei intrări (Fig. 1.4, VȘi G) element logic ȘI.

Fig.1.4. Denumirile grafice convenționale ale elementelor ȘI: cu două intrări ( A),

cu trei intrări ( V), hărți ale funcțiilor logice Carnaugh 2I ( b) și 3I ( G)

După cum se poate vedea din matricele booleene de mai sus, conjuncția este egală cu log.1 numai în singurul caz în care toate argumentele iar primul, Și al doilea, Și al treilea Și etc. ia simultan valoarea log.1. Prin urmare, astfel de elemente sunt numite modele de potrivire, denumirea de „conjunctori” este mai puțin comună, iar funcțiile care îi descriu sunt uneori funcții I. În seria IC sunt produse diverse elemente logice ȘI, de exemplu, microcircuitul K155LI1 conține 4 elemente 2I (cu două intrări). Diferența constă în numărul diferit de intrări pentru diferite elemente.

Prezentat în Fig. 1.4, bși Fig. 1.4, G ilustrate prin matrici reguli logice de multiplicare, iar UGO-urile afișate corespund Sunt de acordeprincipiile logicii pozitive.

Datorită legilor comutative și combinaționale care sunt valabile în algebra booleană, intrări elemente logice cu mai multe intrări ȘI sunt echivalent din punct de vedere logic, și un element logic cu mai multe intrări ȘI poate fi obținută din mai multe elemente cu două intrări ȘI. Deci, în Fig. 1.5 puteți vedea

Avem două opțiuni pentru a construi un element logic ȘI cu șase intrări (6I) pe elemente cu două intrări ȘI(2I).

Toate circuitele prezentate în Fig. 1.5 sunt echivalente din punct de vedere logic și, la rândul lor, sunt echivalente cu denumirea grafică convențională a unui element logic cu 6 intrări ȘI(Fig. 1.5, V). În același timp, circuitele sunt descrise prin expresii logice care diferă în forma de notație:

X = ((((A· b)· c)· d)· k)· m? diagrama fig. 1,5, A; (1.7)

Y = ((ab)·(CD))·( km) ? diagrama fig. 1,5, b; (1.8)

iar următoarea expresie corespunde simbolului elementului 6I:

Z = abcdkm. (1.9)

Deși, în conformitate cu legile algebrei booleene menționate, schimbarea locurilor factorilor nu modifică produsul logic, iar parantezele în expresiile produsului logic nu trebuie plasate, totuși, expresiile (1.7), (1.8) și (1.9) transportă informații despre moduri de a construi scheme. Astfel, expresiile indicate pot fi considerate „modele logico-matematice” ale circuitelor date, inclusiv UGO al elementului 6I.

Trebuie remarcat faptul că atunci când descriem dispozitive combinaționale logice folosind expresii booleene, de regulă, factorul timp este abstractizat. Această descriere corespunde descrierii dispozitivelor în condiții statice la valori constante ale semnalelor de intrare (și variabilelor). Se crede că modificările semnalelor de intrare și de ieșire apar instantaneu și, în mod similar, se schimbă valorile argumentelor și valorile funcțiilor logice. În același timp, elementele reale au un timp finit de tranziție de la o stare la alta sau, după cum se spune, au un timp finit (diferit de zero) de propagare a semnalelor de la intrările la ieșirea unui element sau dispozitiv. Având în vedere acest lucru, ar trebui să se acorde preferință diagramei din Fig. 1.5, b, în care timpul de propagare a semnalelor de la intrările etichetate cu argumente de funcție la ieșirea circuitului este în medie mai scurt. Sursa conține informații despre funcțiile logice de temporizare care pot fi utilizate pentru a descrie circuite cu întârzieri de timp.

1.3.6. SAU porți

SAU implementează porți logice suma logică semnale binare multiple (și variabile de intrare). Funcția care descrie astfel de elemente este numită disjuncție sau funcție complex logicenia. Figura 1.6 prezintă simbolurile (UGO) elementelor OR și hărțile Carnaugh ale funcțiilor care le descriu.

Expresie algebrică pentru suma logică a două variabile AȘi b scris astfel

X = A b = A + b. (1.10)

În algebra booleană, un simbol este folosit pentru a reprezenta o disjuncție. În aplicațiile sale tehnice, semnul + (al adunării aritmetice) este de obicei folosit, dar numai atunci când acest lucru nu duce la incorecte la scrierea formulelor și a expresiilor logice. (Acest semn va fi folosit în primul rând pentru a indica disjuncția.)

După cum se poate observa din hărțile din Fig. 1.6, bși Fig. 1.6, G, funcția de adăugare logică ia valoarea log.0 numai în singurul caz în care toate argumentele iau valoarea log.0. Are valoarea log.1 dacă primul argument sau al doilea, sau al treilea etc., sau toate împreună argumentele iau valoarea log.1. Prin urmare, această funcție se numește funcție SAU.

La fel ca în cazul conjuncției mai multor variabile, legile comutative și combinaționale ale algebrei booleene sunt aplicabile disjuncției. Și consecința acestui lucru este echivalența logică a intrărilor elementelor logice SAU, precum și posibilitatea de a construi elemente SAU cu mai multe intrări din elemente similare, dar cu un număr mai mic de intrări. Dacă în Fig. 1.5 toate elementele ŞI sunt înlocuite cu elemente SAU cu două intrări (2OR), atunci toate concluziile trase cu privire la circuitele din Fig. 1.5 vor fi valabile pentru circuitele obţinute printr-o astfel de înlocuire. De asemenea, puteți scrie modele logico-matematice pentru circuitele rezultate și UGO-ul elementului 6OR, înlocuind în expresiile (1.7), (1.8) și (1.9) toate simbolurile înmulțirii logice cu semnele + (disjuncții).

Diverse serii de circuite integrate au elemente logice SAU. De exemplu, în seria TTL acesta este microcircuitul K155LL1 care conține 4 elemente 2OR.

1.3.7. Porți NAND

Aceste elemente implementează inversarea unui produs logic semnale de intrare. Cu alte cuvinte, elementele NAND sunt descrise de funcția de „negație a conjuncției”. În algebra booleană, astfel de funcții sunt numite funcții Schaeffer un simbol special „? ", numit accident vascular cerebral Schaeffer. Pentru ușurință de citire, vom folosi simbolul de inversare (overbar) deasupra expresiei conjuncție pentru a indica funcțiile Schaeffer. De exemplu, forma algebrică de scriere a funcției Schaeffer a două argumente va fi după cum urmează:

X = A / b = = . (1.11)

În expresia (1.11) semnele egale corespund identității logice a expresiilor și partea dreaptă expresia corespunde CSNF-ului funcției AND-NOT (funcția V13 din Tabelul 1.3). Dar, în general, expresia sună astfel: „ inversul unui produs logic este egal cu suma logică a inverselor argumentelor" Această afirmație este cunoscută în algebra booleană ca legea lui de Morgan relativ inversarea produsului logic(inversarea conjuncției) . Figura 1.7 prezintă simbolurile grafice ale elementului 2I-NOT, circuitul său echivalent funcțional și harta Carnot pentru funcția în cauză. Comparând hărțile Carnaugh ale funcțiilor AND și ale funcțiilor NAND, este ușor de observat că celulele conțin valori opuse ale funcțiilor numite. Prin compararea hărților cu expresii algebrice ale funcției AND și ale funcției NAND, se pot trage următoarele concluzii:

Fiecare unitate, stând într-o celulă matriceală, corespunde logic muncă(conjuncție) toate argumentele funcții; luate o dată cu sau fără semnul inversării. Dacă pe zonă se află o celulă cu o unitate valorile unui singur argument, apoi acest argument inclusîn conjuncţie fără inversare zero cifreAargumente, apoi acest argument intră cu semn şinversiuni.

Pentru fiecare zero, stând într-o celulă matriceală, corespunde jurnaluluiȘisuma tehnica(disjuncție) a tuturor argumentelor funcției, luate o dată cu sau fără semn de inversare. Dacă pe zonă se află o celulă cu zero valorile unui singur argument, apoi acest argument inclusîn disjuncție cu semn de inversare. Dacă celula este situată în zonă valori zero ale argumentului, apoi acest argument intră fără semnRaceste.

Aceste concluzii sunt de natura regulilor pentru găsirea DSNF (prima concluzie) și KSNF (a doua concluzie) din matrice booleene de funcții logice. Ar trebui adăugat doar că pt căutare DSNF aceste funcții sunt necesare eleconjuncţii mentale„conecta” cu simboluri disjuncţii(plus), și cu găsirea KSNF funcții disjuncţii elementare ar trebui să fie conectate prin simboluri conjuncţii.

Sub conjuncție elementară funcțiile logice sunt înțelese lOprodusul logic al tuturor argumentelor funcției, luate o dată cu sau fără semn de inversare.

Sub disjuncție elementară funcțiile logice sunt înțelese lOsuma logică a tuturor argumentelor funcției, luate o dată cu sau fără semnAka inversiune.

În serii de microcircuite există elemente NAND care diferă în ceea ce privește numărul de intrări, numărul de elemente dintr-un microcircuit și, de asemenea, modul în care este organizată ieșirea. De exemplu, microcircuitul K155LA3 conține 4 elemente 2I-NOT cu capacitate de încărcare standard. Microcircuitul K155LA8 conține un element 8I-NOT cu capacitate de încărcare crescută (este egal cu 30, iar capacitatea standard de încărcare este 10).

Elementul 2I-NOT este de bază pentru microcircuite logice tranzistor-tranzistor (TTL), adică Acest element stă la baza construcției tuturor microcircuitelor denumite, inclusiv microcircuitelor TTLsh.

1.3.8. elemente SAU-NU

Funcțiile care descriu elementul 2OR-NOT sunt numite funcții Peirce în algebra booleană a fost introdus un simbol special pentru ele (Pierce arrow). În aplicațiile tehnice, aceste funcții sunt numite „inversa unei sume logice (disjuncție)” sau pur și simplu funcții NOR. În special, funcția Peirce cu două locuri, funcția 2SAU-NU, are următoarele expresii algebrice:

Z = A b = = . (1.12)

În cele ce urmează, aceste funcții vor fi notate prin simbolul inversării deasupra expresiei sumei logice. Partea dreaptă a expresiei (1.12) corespunde afirmației că „ inversarea sumei logice esteîn același timp produs logic al termenilor, luat din simboluri inverse opuse" Această afirmație este a doua legea lui de Morganîn ceea ce priveşte inversarea disjuncţiei. Conform expresiei (1.12), elementul 2SAU-NU poate fi reprezentat prin simboluri grafice convenționale folosind convenții de logică pozitivă, convenții de logică negativă și un circuit echivalent funcțional (Fig. 1.8).

În versiunea integrată, sunt disponibile elemente logice OR-NOT cu numere diferite de intrări. Un exemplu este microcircuitul K155LE1, care conține 4 elemente logice 2OR-NOT, sau K155LE3 cu două elemente 4OR-NOT. Ca și în cazul elementelor OR, la fel și cu elementele OR-NOT, toate intrările sunt echivalente din punct de vedere logic.

1.3.9. Elementele „BAN”

Aceste elemente cu două intrări au primit această denumire deoarece semnalul de la una dintre intrări „interzice” sau „permite” trecerea semnalului aplicat celei de-a doua intrări către ieșirea elementului. Prin urmare, o intrare se numește intrare de prohibiție, iar a doua intrare se numește „informație”. Valorile semnalului de ieșire coincid cu valorile semnalului de informații de intrare în starea de permis, iar în starea de interdicție, semnalul de ieșire are o valoare de log.0, indiferent de valoarea semnalului la introducerea de informații. Tabelul 1.3 prezintă două funcții de inhibare V1 (inhibare b) și funcția V4 (interdicție A). În fig. 1.9 arată elementul UGO „interdicție” A„(interzis de A), expresia algebrică și harta Carnaugh a unei funcții cu același nume și un circuit funcțional echivalent al elementului.

La A= 0 valoarea funcției Z se potrivesc cu valoarea argumentului b.

Dacă A= 1 (stare inhibată) ieșirea elementului va avea în mod constant un semnal log.0. Deci intrarea A este intrarea de prohibiție și intrarea b informativ. Evident, același UGO va corespunde elementului „interdicție b» doar intrare b va fi invers, iar intrarea A va fi drept. În mod similar, în expresia algebrică a unei astfel de funcții, argumentul b va avea un semn de inversare, dar argumentul A va intra fără semnul de inversare.

Trebuie remarcat faptul că elementele de PROHIBITION au intrări inegale din punct de vedere logic. Acest lucru înseamnă, la rândul său, că semnalele de intrare nu pot fi schimbate.

Elementele logice BAN sunt produse într-o versiune integrată, dar nu în toate seriile. De exemplu, în seria K161 (pe tranzistoare MOS cu R-canal) exista un microcircuit K161LP2 ce contine 4 elemente INHIBITION cu intrare comuna de interzicere. În Fig. 1.9, A se dă un simbol grafic convenţional (UGO) care corespunde convenţiilor logicii pozitive. Este posibil să compuneți un UGO folosind acorduri cu logică negativă. Pentru a face acest lucru, peste partea dreaptă a expresiei algebrice a funcției, trebuie să „luați” semnul dublu de inversare, apoi să extindeți un semn conform legii lui De Morgan:

Astfel, cu convenții de logică negativă, analogul elementului BAR UGO va fi un element 2SAU-NU UGO doar una dintre intrări ar trebui să aibă un indicator de inversare.

1.3.10. Elemente logice „additoare mod2” și

circuite de paritate/ paritate impară

Funcția logică V5 „inechivalență” (Tabelul 1.3) ia valoarea log.1 numai când număr impar de argumente Accept znAjurnalul de citire.1. Deoarece funcțiile și argumentele pot lua doar două valori, această funcție este echivalentă cu operația de adunare mod2 pe numere binare, reprezentând seturi binare de valori ale argumentelor. Această operație este indicată prin utilizarea unui simbol între argumente. Aceste funcții sunt cel puțin duble, cu toate acestea, pot fi cu mai multe locuri, adică depind de mai multe argumente.

Formele algebrice de scriere a funcției de adunare mod2 din două argumente au următoarea formă:

Y = A b = . (1.14)

Părțile din dreapta ale expresiei (1.14) sunt DSNF și, respectiv, KSNF. În conformitate cu aceste forme, este posibil să se construiască circuite echivalente funcționale ale unui adunator mod2 cu două intrări. Aceste scheme, precum și UGO recomandat de GOST și matricea booleană a acestei funcții sunt prezentate în Fig. 1.10.

Vă rugăm să rețineți că în diagrama din Fig. 1.10, A Au fost utilizate elementele de interdicție UGO și elementul 2ILI. În diagrama Fig. 1.10, V Pentru a implementa disjuncția inversiilor de argumente se utilizează elementul 2I-NOT și, în plus, elementele 2OR și 2I. Diagramele de mai sus arată încă o dată că pot fi create mai multe diagrame funcționale pentru un adunator mod2 cu două intrări!

Mai sus, în Fig. 1.2, A, harta Karnaugh a funcției de adăugare mod2 cu 4 locuri a fost dată ca exemplu. Poate fi implementat de un adunator mod2 cu 4 intrări cu un simbol grafic similar cu Fig. 1.10, G(trebuie să aibă 4 intrări) . Deoarece schimbarea pozițiilor termenilor nu modifică suma mod2, toate intrările la sumele mod2 sunt echivalente din punct de vedere logic. Să-l notăm din nou! Ce se întâmplă dacă numărul de semnale de intrare care iau valoarea log.1 este par, atunci semnalul de ieșire al sumatorului mod2 va fi egal cu log.0, adică. are o valoare inactivă, paritatea „nu este încălcată”. Prin urmare, astfel de elemente sunt numite „circuite de paritate”.

Acum acordați atenție funcției V 10 functie ra logicVsens, (Tabelul 1.3). Ia valori opuse față de suma mod2, adică este inversarea acesteia. Prin urmare, denumirea grafică convențională a elementului care îl implementează va diferi de Fig. 1.10, G numai prin prezența unui pointer de inversare la ieșirea elementului.

Folosind expresiile algebrice ale funcției de echivalență cu două locuri (1.15), este posibil să se obțină circuite echivalente funcționale ale unui sumator mod2 cu două intrări cu o ieșire inversă (2-NOT).

X = = = . (1.15)

Harta Karnaugh a acestei funcții va diferi de harta din Fig. 1.10, b faptul că valorile opuse ar trebui plasate în celule (zerourile trebuie înlocuite cu unele, iar cele cu zerouri). Nu este greu de stabilit sensul semantic al acestei funcții, deoarece ia valoarea log.1 pentru un număr par și valoarea log.0 pentru ciudat numărul de valori individuale ale argumentelor sale. Schemele care o implementează se numesc „ circuite de paritate impare».

Elementele logice 2 sunt produse într-o versiune integrată, de exemplu, microcircuitul K155LP5 conține 4 astfel de elemente.

Există microcircuite care îndeplinesc funcția de adunator mod2 cu mai multe intrări cu ieșire directă și inversă. De exemplu, cipul K155IP2 este un circuit de 8 biți controlează ceTness/ paritate impară cu ieșire directă și inversă și două intrări de control. Un astfel de microcircuit implementează simultan funcția 8 și funcția 8-NU. Denumirea grafică convențională a acestui microcircuit și tabelul care descrie modurile de funcționare ale CI sunt prezentate în Fig. 1.11.

În Tabelul 1.4, în coloanele de valori ale semnalului de ieșire XȘi Y, sunt date expresii algebrice prescurtate ale funcțiilor de ieșire cu același nume. Din aceste expresii rezultă că cu o combinație de semnale la intrările de control v 1 =0 și v 2 =1 ieșire X se va realiza suma mod2 a tuturor celor opt semnale de informare. În același timp, la ieșire Y se va implementa o inversare a acestei sume. În plus, tabelul arată că, cu combinații de semnale la intrările de control 0-0 sau 1-1, microcircuitul se află într-o stare „inoperabilă” atunci când semnalele la ambele ieșiri iau aceleași valori, indiferent de valorile semnalele de informare de intrare.

1.3.11. Porți logice majoritare

Aceste elemente sunt descrise de funcții logice, care au mai mult de două argumente și sunt ciudat. În consecință, pentru orice element majoritar, numărul de intrări este întotdeauna ciudat. Semnalul de ieșire devine activ atunci când majoritatea semnalelor de intrare ia valori active. Prin urmare, astfel de elemente implementează „ principiul majoritățiiTva„în procesarea sau recepția semnalelor.

Să presupunem că nivelul log.1 este luat ca valoare activă a semnalelor de intrare și de ieșire. Apoi, pentru elementul majoritar „2 din 3” (cu trei intrări), semnalul de ieșire va fi egal cu log.1 dacă două (oricare) sau toate cele trei semnale de intrare iau valoarea log.1.

Figura 1.12 prezintă UGO al unui astfel de element, harta Carnot a funcției de ieșire și circuitul său echivalent funcțional.

După harta funcțiilor F puteți găsi forma sa normală disjunctivă minimă (MDNF):

F = ab + bc + ac. (1.16)

Această formulă descrie direct circuitul din Fig. 1.12, b. După cum se poate observa din harta Carnot (Fig. 1.12, V), cele sunt în celule situate în zonele de valori unitare a două și a tuturor celor trei argumente. Prin analogie, puteți construi o hartă Carnot pentru elementul majoritar „3 din 5”, puteți găsi expresia algebrică minimă a funcției sale de ieșire și apoi construiți o diagramă funcțională.

În varianta integrală există elemente majoritare, dar nu în toate seriile. De exemplu, în seria KR1533 există un microcircuit KR1533LP3, care reprezintă trei elemente majoritare „2 din 3” cu o intrare de control invers comună. Semnalul log.0 la intrarea de control permite executarea functiilor majoritare, iar semnalul log.1 interzice implementarea acestora. Schema funcțională a acestui microcircuit și UGO a acestuia sunt prezentate în Fig. 1.13. Comparând diagrama funcțională din Fig. 1.13, b cu diagrama elementului majoritar Fig. 1.12, b, puteți înțelege cum este organizat controlul și ce valori iau semnalele de ieșire atunci când un semnal logic 1 este aplicat la intrarea de control (este marcat pe UGO cu eticheta „E”). (Pe UGO și, în consecință, pe diagrama din Fig. 1.13, b numerele indică numerele de pin ale microcircuitului.)

Există elemente majoritare cu ieșire inversă, de exemplu, microcircuitele 533LP3 și KR134LP3 conțin fiecare trei astfel de elemente. În acest caz, principiul „majorității” va fi implementat cu privire la semnalele de nivel scăzut (semnale log.0). De asemenea, trebuie remarcat faptul că pentru elementele majoritare, precum și pentru elementele ȘI-NU și SAU-NU, toate intrările sunt echivalente din punct de vedere logic, i.e. Ordinea în care sunt furnizate semnalele de intrare nu este semnificativă.

1.3.12. Elemente și elemente de prag logic

"exclusiv sau"

Printre elementele logice cu mai multe intrări, se poate distinge un grup de elemente în care semnalul de ieșire capătă o valoare activă numai în cazurile în care un anumit număr dat semnalele de intrare iau, de asemenea, o valoare activă. Astfel de elemente sunt de obicei numite elemente „prag logic”. În special, dacă semnal de ieșire ia valoare log.1, Când numai unul si numai unul din semnalele de intrare ia valoarea log.1, atunci astfel de elemente se numesc elemente „SAU exclusiv”. Acestea sunt, de asemenea, elemente ale unui prag logic, doar „prag” egal cu unu. Pentru ei, GOST-urile reglementează și UGO, în domeniul principal al căruia este plasată eticheta „=1” (pentru elemente exclusiv SAU), sau o etichetă precum „= n", Unde n un număr întreg mai mic decât numărul de intrări ale unui element logic.

Deci, Fig. 1.14 arată UGO al elementului exclusiv SAU cu trei intrări, UGO al elementului de prag logic „=2 din 4”, hărți Carnaugh ale funcțiilor lor de ieșire și circuite echivalente funcționale.

Analizând hărțile Karnaugh reduse ale funcțiilor X Și Y, observăm că aceste funcții nu au forme algebrice disjunctive minime (metoda matricei vizuale de minimizare a funcțiilor logice va fi discutată mai jos). Prin urmare, diagramele funcționale ale elementelor numite pot fi construite prin găsirea de expresii algebrice în DSNF sau în alte forme.

Deci, diagrama din Fig. 1.14, d obtinut din urmatoarea expresie:

X = . (1.17)

Acesta este DSNF al funcției exclusive OR. Dacă am putea găsi în mod similar expresia funcției Y, atunci ar consta din 6 termeni (termeni) disjunctivi, fiecare dintre care ar reprezenta produsul tuturor celor 4 argumente. Apoi diagrama funcțională a elementului prag logic „=2 din 4” ar consta dintr-un element 6OR, șase elemente logice 4I și 4 elemente NOT. Diagrama este în Fig. 1.14, e obtinut din urmatoarea expresie logica:

Y = (Ad)(bc) + (Ab)(cd). (1.18)

Regulile pentru obținerea acestui tip de expresii algebrice din matrice booleene de funcții logice vor fi discutate mai jos. Acum este oportun să ne amintim că suma mod2 este afișată pe hărțile Carnaugh printr-un model de șah de unu și zero. Astfel, expresia (1.18) a fost obținută din „modele private de șah” evidențiate cu diferite umpleri (Fig. 1.14, G) pentru funcție Y folosind operația de eliminare a factorilor comuni din paranteze. O expresie similară ar putea fi obținută pentru funcția „SAU exclusiv” folosind harta din Fig. 1.14, b.

Trebuie remarcat că în cazul special când numărul de intrări ale elementului „SAU exclusiv” este de două, atunci această funcție este, de asemenea, egală cu funcția de adunare mod2 a două argumente (2). Din păcate, elementele logice „SAU exclusiv” și „prag logic” cu mai mult de două intrări nu sunt disponibile într-un design integrat.

1.3.13. Elemente logice „IMPLICATORE”

Aceste elemente logice sunt descrise de funcția „implicație” (Tabelul 1.3 funcții V 11 și V 14).

V 11 = b A = ,

V 14 = A b = . (1.19)

Prima dintre funcții se numește „implicație” b", iar a doua "implicație A" Figura 1.15 prezintă simbolurile grafice ale elementului logic IMPLICATOR Ași harta Karnaugh a funcției sale de ieșire. Partea dreaptă a expresiilor (1.19) indică faptul că funcția de implicare este, în același timp, o inversă a funcției PROHIBITION.

Din harta Fig. 1.15, V urmează că funcția de implicare este falsă Doar cand unu din argumente acceptă falseție, si celalalt Adevărat.

IMPLICATOARELE integrate practic nu sunt produse în serii de circuite integrate utilizate pe scară largă. În același timp, conform UGO Fig. 1.15, AȘi V, funcția de implicare poate fi implementată de elementul 2OR prin aplicarea unui semnal la una dintre intrările sale prin intermediul invertorului, sau de către elementul PROHIBITION prin pornirea invertorului la ieșirea acestuia. Nu prezentăm aceste circuite echivalente funcționale deoarece sunt triviale.

Trebuie remarcat faptul că intrările la elementele logice ale implicatorilor lOinegal din punct de vedere logic, prin urmare ordinea semnalelor de intrare este strict fixă.

1.3.14. Porți logice multifuncționale

Cele de mai sus au fost discutate" simplu» elemente logice care implementează simple sau destul de simplu operatii logice. În același timp, într-o versiune integrată sunt produse elemente logice (LE) mai complexe, care sunt capabile să implementeze (simultan sau prin reconectarea intrărilor la magistralele logice 0 sau logic 1) mai multe funcții simple. De fapt, aceste elemente permit posibilitatea implementării funcțiilor logice multiloc din fragmente din formele lor algebrice normale disjunctive sau conjunctive normale. Tabelul 1.2 a dat deja denumirile circuitelor integrate în funcție de scopul funcțional și simbolurile acestora. Să luăm în considerare doar cele mai utilizate LE-uri multifuncționale.

Porți logice ȘI-SAU-NU

Astfel de elemente implementează inversiune forme normale disjunctive(DNF) a expresiilor de funcții algebrice, ceea ce este echivalent cu implementarea forme normale conjunctive(CNF) a acestor funcții. Astfel, Fig. 1.16 prezintă UGO al microcircuitelor K155LR1 și K155LR3. Microcircuitul K155LR1 conține două elemente 2-2I-2OR-NOT, iar microcircuitul K155LR3 este un element 2-2-2-3I-4OR-NOT, extensibil prin SAU.

Conform diagramei funcționale (Fig. 1.16, b) a unuia dintre elementele microcircuitului K155LR1, puteți crea următoarea expresie algebrică pentru funcția sa de ieșire:

F = = . (1.20)

Astfel, această funcție are 4 argumente, iar partea dreaptă a expresiei (1.20) corespunde formei normale conjunctive minime a funcției F(ICNF). Partea stângă a acestei expresii corespunde direct UGO-ului elementului 2-2I-2OR-NOT. Al doilea element similar al acestui microcircuit are intrări de expansiune SAU „non-logice”. Acestea sunt marcate în câmpul suplimentar din stânga al UGO cu etichetele „e” ieșire emițător și „k” ieșire colector. Ilogic pinii (intrări sau ieșiri) sunt de obicei numiți cei pe care semnalele pot lua valori non-standardTnivelurile finale Voltaj. Astfel de concluzii sunt marcate pe UGO de elemente logice (sau microcircuite) cu un indicator special sub forma unei „cruci”. În special, pentru circuitele integrate luate în considerare, aceste concluzii sunt făcute de la colectorul și emițătorul tranzistorului etapei de divizare de fază a elementului logic de bază al seriei de circuite integrate TTL. Conectând la acestea ieșirile CI-urilor de expansiune OR corespunzătoare, puteți crește numărul de intrări ale elementului NOR inclus în elementul multifuncțional. De exemplu, pentru microcircuitele luate în considerare, factorul de combinare de intrare este 8, iar expandoarele SAU implementează produsul logic al mai multor semnale de intrare. În esență, expansoarele OR sunt elemente SI cu mai multe intrări, cu singura diferență că semnalele de ieșire nu au nivelurile standard de log.0 și log.1. Cele de mai sus ne permit să scriem, prin analogie cu expresia (1.20), o expresie algebrică pentru funcția de ieșire V pentru al doilea element:

V = . (1.21)

Numărul maxim de termeni următori din expresia (1.21) poate fi egal cu 8 (în conformitate cu coeficientul de integrare peste intrări), iar fiecare termen poate fi afișat ca o conjuncție de maximum opt argumente. Astfel, expresiile (1.20) și (1.21) definesc modelul logico-matematic al microcircuitului K155LR1.

Vă sugerăm să găsiți în mod independent modelul logic-matematic al microcircuitului K155LR3, folosind pentru aceasta ceea ce este prezentat în Fig. 1.16, G denumirea sa grafică convențională.

porți SAU-ȘI

Aceste elemente logice implementează fragmente de forme normale conjunctive (CNF) ale funcțiilor booleene, adică produsul logic al sumelor logice a mai multor argumente. De exemplu, cel mai simplu element ar fi 2-2OR-2I. Un astfel de element este descris de o funcție a formei

X = (A + b)(c + d). (1.22)

Figura 1.17 prezintă UGO al acestui element, harta Carnot a funcției sale de ieșire Xși circuit echivalent funcțional.

LE similare sunt produse într-o versiune integrată, de exemplu, în seria ESL IC există un microcircuit K500LS118, care este două elemente logice 2-3ILI-2I cu o intrare comună. În Fig. 1.17, G Este prezentat UGO al acestui microcircuit. Folosind denumirea sa grafică convențională, puteți crea următoarele expresii logice ale funcțiilor de ieșire Y Și Z:

Y = (X 1 + X 2 + X 3)(X 4 + X 5 + X 6), (1.23)

Z = (X 6 + X 7 + X 8)(X 9 + X 10 +X 11).

Expresiile (1.23) sunt un model logico-matematic al microcircuitului luat în considerare. Disponibilitatea unei intrări comune X 6 face posibilă utilizarea microcircuitului K500LS118 ca două elemente independente de tip 2-3ILI-2I (cu X 6=0),

sau ca două elemente independente 3OR (cu X 6 =1). Acest lucru poate fi ușor verificat prin înlocuirea valorilor corespunzătoare X 6 în expresii (1.23).

Porți logice NOR/NOR

În esență, aceste elemente sunt elemente SAU cu două ieșiri, directe și inverse. Prin urmare, ele implementează simultan disjuncția și inversarea disjuncției din același set de semnale de intrare și sunt descrise de funcții logice cu același nume. Deci, în Fig. 1.18, A arată UGO al elementului 3OR-NOT / 3OR și simbolurile grafice simbolice ale microcircuitelor din seria K500 care conțin elemente logice similare. Figura prezintă și hărțile Carnaugh ale funcțiilor de ieșire element specificat, circuitul său echivalent funcțional (Fig. 1.18, b) și microcircuite UGO K500LM105 (Fig. 18, d), K500LM109 (Fig. 1.18, e) și K500LM101 (Fig. 1.18, și). Trebuie remarcat faptul că versiunea dată a diagramei funcționale nu este singura în loc de elementul 3OR-NOT, se pot folosi elementul 3OR și, de asemenea, elementul NOT. Pe baza simbolurilor grafice ale microcircuitelor enumerate, este ușor de înțeles că IC-ul K500LM105 conține trei elemente independente: două elemente 2OR-NOT/2OR și un element 3OR-NOT/3OR.

În mod similar, puteți înțelege compoziția microcircuitului K500LM109

(Fig. 1.18, e).

Acordați atenție microcircuitului UGO K500LM101 (Fig. 1.18, și). Microcircuitul conține 4 elemente identice de tip 2OR-NOT / 2OR cu ieșiri separate și o intrare comună X 5. Dacă semnalul la această intrare X 5 = 0, atunci microcircuitul poate fi considerat ca un set de 4 elemente NOT și, în același timp, ca un set de patru repetoare de semnal la intrări X 1, X 2, X 3 și X 4. Dacă X 5 = 1, atunci, indiferent de valorile altor semnale de intrare, semnalele logice 1 vor fi instalate la ieșirile directe, iar semnalele logice 0 vor fi instalate la ieșirile inverse. Astfel, fiecare element din cip joacă un rol inversare controlatăOra-repetator.

În plus, observăm că în seria K500 există elemente logice de tip SAU-ȘI-NU/SAU-ȘI, de exemplu microcircuitul K500LK117. Acesta este practic un analog al microcircuitului K500LS118 (Fig. 1.17, G) cu diferența că fiecare element 2-2ILI-2I are ieșiri directe și inverse.

Am examinat aproape toate elementele logice utilizate pe scară largă în construcția dispozitivelor digitale. Analizând materialul prezentat, putem ajunge la următoarele concluzii:

Există din analiticOdescrierea LE la el denumire grafică convențională fie la funcțiiObani gheata echivalent cu acesta sistem.

Există posibilitatea unei tranziții clare din UGO element sau din acesta diagrama functionala La descrierea sa analitică. În acest caz, funcționarea elementului este descrisă prin expresii algebrice ale funcțiilor logice implementate de element.

3. Diagramele funcționale ale LE-urilor complexe pot fi construite variat mai simplu (mai puțin complex) elemente logice, si aici este ambiguitate(multivariantă) construcție de circuite echivalente funcționale pentru același LE.

Deoarece dispozitivele logice sunt în esență o colecție de elemente logice interconectate, atunci cele formulate concluzii poate fi extins cu succes la dispozitive.

În același timp, apare problemă Cum poți construi un dispozitiv cu o cantitate minima LE și pe elemente minimbnomenclatură. Cu alte cuvinte, cum să construiți un dispozitiv cu minȘicosturi hardware reduse.

Soluţie acest Probleme bazată pe cunoaștere seturi complete funcțional de elemente logiceȘi selecție după anumite criteriieriam a setului corespunzător.

1.3.15. Seturi complete funcțional de porți logice

Complet funcțional numit un astfel de set LE, pe care (din care) este posibil construi orice dispozitiv logic oricât de greu ar fi. Completitudine funcțională un set de elemente logice, la rândul său, este determinat completitudine niste sisteme logiceefuncțiile cerului, care sunt modele logico-matematice ale setului selectat de LE-uri.

În algebra booleană există Teorema post-Jablonski, conform cărora sunt stabilite criterii de completitudine niste sisteme cu funcții logice. Esența acestei teoreme se rezumă la următoarele.

Un anumit sistem de funcții logice va fi complet dacă conține:

o functie, 0,

f (X 1, X 2, X n) = f (0, 0, 0) 0;

b) funcția, neconservare constantă logică 1,

f (X 1, X 2, X n) = f (1, 1, 1) 1;

c) funcția, nu auto-dual,

d) funcția, neliniară,

f (X 1, X 2, X n) X 1 X 2 X n X 1X 2 X 1 X 2X n;

d) funcția, nu monoton.

Dacă X1 este un set fix de valori ale argumentului funcției f(X 1,X 2,X 3,X 4), de exemplu X1 =<X 1, X 2, X 3, X 4> = <1,1,0,1>și X2 =<X 1, X 2, X 3, X 4> = <0,0,0,1>un alt set de aceste argumente, atunci putem presupune că X1 > X2, i.e. setul X2 este mai mic decât setul X1.

25 aprilie 2010 la 16:16

Autostudiu ingineri de circuite. Noțiuni de bază. Partea 1

• Electronice pentru începători

Studiul circuitelor digitale trebuie să înceapă cu teoria automatelor. În acest articol puteți găsi câteva lucruri de bază care vă vor ajuta să nu vă pierdeți în articolele ulterioare. Am încercat să fac articolul ușor de citit și sunt încrezător că un cititor neinstruit îl va putea înțelege cu ușurință.

Semnal- un mediu de stocare a materialelor utilizat pentru transmiterea mesajelor printr-un sistem de comunicații. Un semnal, spre deosebire de mesaj, poate fi generat, dar recepția lui nu este necesară (mesajul trebuie acceptat de partea care primește, altfel nu este un mesaj, ci doar un semnal).

Articolul discută despre un semnal digital discret. Acesta este un semnal care are mai multe niveluri. Evident, un semnal binar are două niveluri - și sunt luate ca 0 și 1. Când un nivel ridicat este notat cu unu și un nivel scăzut cu zero, o astfel de logică se numește pozitivă, altfel negativă.

Un semnal digital poate fi reprezentat ca o diagramă de timp.

În natură, semnalele discrete nu există, așa că sunt înlocuite cu cele analogice. Un semnal analogic nu poate trece de la 0 la 1 instantaneu, așa că un astfel de semnal are o margine înainte și o margine descendentă.
Dacă îl desenezi într-un mod simplificat, arată astfel:

1 - nivel scăzut al semnalului, 2 - nivel ridicat al semnalului, 3 - creștere a semnalului (margine), 4 - scădere a semnalului (tăieri)

Semnalele pot fi convertite. În acest scop, în practică, se folosesc elemente logice, iar pentru a nota acest lucru formal se folosesc funcții logice. Iată pe cele principale:

Negație - inversează semnalul.
Pe diagrame este indicat astfel:

SAU logic (adunare logică, disjuncție)

Pe diagramă:

ȘI logic (înmulțire logică, conjuncție)

Pe diagramă:

Ultimele două pot avea o ieșire negativă (NAND, NOR). Valorile funcțiilor lor logice sunt inversate, iar rezultatul este desenat ca un cerc în diagramă.

Un tabel rezumat al funcțiilor logice a două argumente arată astfel:

Lucrul cu funcții logice se bazează pe legile algebrei logice, ale căror elemente de bază sunt prezentate în fișierul atașat. Există, de asemenea, sarcini pentru autocontrol și întrebări de control pe această temă.

Proiectarea circuitelor logice folosind funcții de algebră logică

Circuit logic este un ansamblu de elemente electronice logice legate între ele în așa fel încât să fie îndeplinită o anumită lege de funcționare a circuitului, cu alte cuvinte, este îndeplinită o funcție logică dată.
Pe baza dependenței semnalului de ieșire de semnalul de intrare, toate circuitele logice electronice pot fi împărțite în:

Scheme de primul fel, adică circuite combinaţionale, al cărui semnal de ieșire depinde numai de starea semnalelor de intrare în fiecare moment de timp;

Scheme de al doilea fel sau circuite de acumulare(sistem secvenţial), care conțin circuite de acumulare ( elemente cu memorie), al cărui semnal de ieșire depinde atât de semnalele de intrare, cât și de starea circuitului în momentele anterioare.

In functie de numarul de intrari si iesiri, circuitele pot fi: cu o intrare si o iesire, cu mai multe intrari si o iesire, cu o intrare si mai multe iesiri, cu mai multe intrari si iesiri.

Conform metodei de sincronizare, schemele sunt împărțite în cu sincronizare externă (mașini sincrone), cu sincronizare internă(automatele asincrone sunt cazul lor special).

Aproape orice computer constă dintr-o combinație de circuite de primul și al doilea tip de complexitate variabilă. Astfel, baza oricărei mașini digitale care prelucrează informații digitale sunt două tipuri de elemente electronice: joc de inteligență sau combinaționalăȘi memorând. Elementele logice efectuează cele mai simple operații logice asupra informațiilor digitale, iar elementele de stocare servesc la stocarea acesteia. După cum știți, o operație logică constă în transformarea informațiilor digitale de intrare în ieșire conform anumitor reguli.

Putem presupune că funcțiile logice elementare sunt operatori logici ai elementelor electronice menționate, i.e. scheme Fiecare astfel de schemă este indicată printr-un simbol grafic specific. (Au fost prezentate mai sus - Elemente AND, OR, NOT, NOR-NOT, AND-NOT)

Ca exemplu, mai jos este o diagramă funcțională electrică a unui convertor logic (mașină combinată) care implementează o funcție logică într-o bază elementară de elemente logice ȘI, SAU, NU.

Pentru a consolida, îmi propun să sintetizez independent un circuit logic care implementează următoarele funcții logice:

Acest lucru se poate face, de exemplu, în Electronic workbench.

Iată un exemplu al primei sarcini finalizate: