БОЛЕЕ СЛОЖНЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ
На прошлых занятиях мы познакомились с простейшими логическими элементами. Сегодня мы с вами рассмотрим сложные логические элементы.
ЭЛЕМЕНТЫ«ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ»
Элементы Исключающее ИЛИ (по -английски — Exclusive-OR) также можно было бы отнести к простейшим элементам, но функция, выполняемая ими, несколько сложнее, чем в случае элемента И или элемента ИЛИ. Все входы элементов Исключающее ИЛИ равноправны, однако ни один из входов не может заблокировать другие входы, установив выходной сигнал в уровень единицы или нуля.
| Таблица 4.1. Таблица истинности двухвходовых элементов исключающего ИЛИ | ||
| Вход 1 | Вход 2 | Выход |
Рис. 4.1. Обозначения элементов Исключающее ИЛИ: зарубежные (слева) и отечественные (справа)
Под функцией Исключающее ИЛИ понимается следующее: единица на выходе появляется тогда, когда только на одном входе присутствует единица. Если единиц на входах две или больше, или если на всех входах нули, то на выходе будет нуль. Таблица истинности двухвходового элемента Исключающее ИЛИ приведена в табл. 4.1. Обозначения, принятые в отечественных и зарубежных схемах, показаны на рис. 4.1. Надпись на отечественном обозначении элемента Исключающее ИЛИ "=1" как раз и обозначает, что выделяется ситуация, когда на входах одна и только одна единица.
Элементов Исключающее ИЛИ в стандартных сериях немного. Отечественные серии предлагают микросхемы ЛП5 (четыре двухвходовых элемента с выходом 2С), ЛЛ3 и ЛП12, отличающиеся от ЛП5 выходом ОК. Слишком уж специфическая функция реализуется этими элементами.
С точки зрения математики, элемент Исключающее ИЛИ выполняет операцию так называемого суммирования по модулю 2. Поэтому эти элементы также называются сумматорами по модулю два. Как уже отмечалось в предыдущей лекции, обозначается суммирование по модулю 2 знаком плюса, заключенного в кружок.
Основное применение элементов Исключающее ИЛИ, прямо следующее из таблицы истинности, состоит в сравнении двух входных сигналов. В случае, когда на входы приходят две единицы или два нуля (сигналы совпадают), на выходе формируется нуль (см. табл. 4.1). Обычно при таком применении на один вход элемента подается постоянный уровень, с которым сравнивается изменяющийся во времени сигнал, приходящий на другой вход. Но значительно чаще для сравнения сигналов и кодов применяются специальные микросхемы компараторов кодов, которые будут рассмотрены в следующей лекции.
В качестве сумматора по модулю 2 элемент Исключающее ИЛИ используется также в параллельных и последовательных делителях по модулю 2, служащих для вычисления циклических контрольных сумм. Но подробно эти схемы будут рассмотрены в лекциях 14,15.
Важное применение элементов Исключающее ИЛИ — это управляемый инвертор (рис. 4.2). В этом случае один из входов элемента используется в качестве управляющего, а на другой вход элемента поступает информационный сигнал. Если на управляющем входе единица, то входной сигнал инвертируется, если же нуль — не инвертируется. Чаще всего управляющий сигнал задается постоянным уровнем, определяя режим работы элемента, а информационный сигнал является импульсным. То есть элемент Исключающее ИЛИ может изменять полярность входного сигнала или фронта, а может и не изменять в зависимости от управляющего сигнала.
Рис. 4.2. Элемент Исключающее ИЛИ как управляемый инвертор
В случае, когда имеется два сигнала одинаковой полярности (положительные или отрицательные), и при этом их одновременный приход исключается, элемент Исключающее ИЛИ может быть использован для смешивания этих сигналов (рис. 4.3). При любой полярности входных сигналов выходные сигналы элемента будут положительными. При положительных входных сигналах элемент Исключающее ИЛИ будет работать как элемент 2ИЛИ, а при отрицательных он будет заменять элемент 2И-НЕ. Такие замены могут быть полезны в тех случаях, когда в схеме остаются неиспользованными некоторые элементы Исключающее ИЛИ. Правда, при этом надо учитывать, что задержка распространения сигнала в элементе Исключающее ИЛИ обычно несколько больше (примерно в 1,5 раза), чем задержка в простейших элементах И, И-НЕ, ИЛИ, ИЛИ-НЕ.
Рис. 4.3. Применение элемента Исключающее ИЛИ для смешивания двух неодновременных сигналов
Рис. 4.4. Выделение фронтов входного сигнала с помощью элемента Исключающее ИЛИ
Еще одно важнейшее применение элемента Исключающее ИЛИ — формирование коротких импульсов по любому фронту входного сигнала (рис. 4.4). В данном случае не важно, положительный фронт входного сигнала или отрицательный, на выходе все равно формируется положительный импульс. Входной сигнал задерживается с помощью конденсатора или цепочки элементов, а затем исходный сигнал и его задержанная копия поступают на входы элемента Исключающее ИЛИ. В обеих схемах в качестве элементов задержки используются также двувходовые элементы Исключающее ИЛИ в неинвертирующем включении (на неиспользуемый вход подается нуль). В результате такого преобразования можно говорить об удвоении частоты входного сигнала, так как выходные импульсы следуют вдвое чаще, чем входные.
Данную особенность элементов Исключающее ИЛИ надо учитывать в том случае, когда на оба входа элемента поступают изменяющиеся одновременно сигналы. При этом на выходе элемента возможно появление коротких паразитных импульсов по любому из фронтов входных сигналов. Исключить их влияние на дальнейшую схему можно, например, с помощью синхронизации, подобной рассмотренной в предыдущем разделе.
Помимо простейших логических элементов, рассмотренных в предыдущих разделах, в состав стандартных серий входит и несколько более сложных логических элементов. Они представляют собой несложную комбинацию из простейших логических элементов. От более сложных комбинационных микросхем, которым будет посвящена следующая лекция, эти элементы отличаются именно очевидной сводимостью к простейшим элементам. Поэтому в справочниках обычно даже не приводятся таблицы истинности этих элементов.
Рис. 4.5. Логический элемент ЛР1 и его эквивалентная схема
Типичный пример сложного логического элемента — ЛР1. В корпусе микросхемы содержится два элемента, каждый из которых представляет собой комбинацию из двух элементов 2И и одного элемента 2ИЛИ-НЕ (рис. 4.5). По такому же принципу строятся и другие микросхемы ЛР. Разница между ними только в количестве элементов И и в количестве входов этих элементов (рис. 4.6). Некоторые из микросхем ЛР (ЛР1, ЛР3) допускают подключение к специальным входам микросхем расширителей ЛД, хотя такое расширение применяется на практике довольно редко. Микросхема ЛР10 отличается от ЛР9 выходом ОК.
Рис. 4.6. Примеры логических элементов ЛР
Рис. 4.7. Примеры использования элементов ЛР1
На рис. 4.7 приведено несколько примеров наиболее типичных применений микросхемы ЛР1. Самое распространенное ее использование (а) состоит в организации двухканального мультиплексирования, то есть в переключении сигналов с двух входов на один выход. При этом один из входов каждого из элементов 2И используется в качестве информационного, а другой — в качестве разрешающего. Вариант этого включения (б) — использование одного управляющего входа переключения каналов и дополнительного инвертора. При единице на управляющем входе работает верхний канал, при нуле — нижний. Еще один вариант использования элемента ЛР1 (в) — смешивание двух отрицательных входных сигналов с возможностью разрешения/запрета выходного сигнала. Наконец, последний показанный на рисунке вариант (г) — смешивание двух положительных сигналов, один из которых может быть разрешен или запрещен. То есть такое объединение в одном элементе функций И и ИЛИ довольно удобно.
На других элементах ЛР можно строить более сложные схемы. Например, элемент ЛР9 позволяет построить четырехканальный мультиплексор, так как в его структуре четыре элемента И и элемент 4ИЛИ-НЕ. Однако в большинстве случаев применение элементов ЛР для мультиплексирования оказывается не слишком удобным, так как в стандартных сериях имеются специальные микросхемы мультиплексоров с более удобным управлением.
Рис. 4.8. Использование элементов ЛР в качестве элементов 2И-НЕ и 2ИЛИ-НЕ
При необходимости элементы ЛР1 могут использоваться в качестве более простых элементов 2И-НЕ и 2ИЛИ-НЕ (рис. 4.8). Элемент 2ИЛИ-НЕ получается при попарном объединении входов. Элемент 2И-НЕ получается при отключении половины схемы путем подачи нулей на два входа. При желании можно, конечно, свести элемент ЛР даже к простому инвертору, но это, наверное, уже недопустимая роскошь.
К сложным логическим элементам, помимо ЛР, можно отнести также и элементы И-НЕ с выходом 3С (например, ЛА17 — 4И-НЕ, ЛА19 — 12И-НЕ). Их можно рассматривать как комбинацию обычного элемента И-НЕ и выходного буфера с выходом 3С. Наличие дополнительного управляющего входа EZ и выход 3С создают принципиально новые возможности применения этих элементов. Например, их можно использовать для работы на мультиплексированную или двунаправленную линию, при этом они еще и выполняют функцию И-НЕ над входными сигналами. Но на практике значительно чаще элемент ЛА19 используют как самый обычный элемент 12И-НЕ с выходом 2С, для чего на управляющий вход EZ постоянно подается сигнал логического нуля.
Среди элементов И, ИЛИ, ИЛИ-НЕ элементы с выходом 3С отсутствуют.
ТРИГГЕРЫШМИТТА
Триггер - это логическое устройство, способное хранить 1 бит информации. К триггерам относятся устройства, имеющие два устойчивых состояния. Простейший триггер - RS-триггер, образован из двух элементов И-НЕ (или ИЛИ-НЕ). Он позволяет запоминать 1 бит информации, поскольку информация в компьютере представляется в двоичном виде. Его схема приведена ниже.
Действие RS-триггера поясняется в приведенной ниже таблице истинности. S-вход установки (Set), R-вход сброса (Reset).
В обычном (исходном) состоянии на входы триггера поданы 1. Длязаписи информации на вход R подан 0. Для сброса информации и подготовки к приёму новой информации на вход S подается 0 и триггер вернётся в исходное состояние.
Поскольку один триггер запоминает 1 бит информации, то для запоминания 1 байта (8 бит) нужно 8 триггеров, для запоминания 1 Кб (1024 байт) надо 8192 триггеров. Современные микросхемы ОЗУ способны запоминать десятки мегабайт информации.
Триггеры Шмитта представляют собой специфические логические элементы, специально рассчитанные на работу с входными аналоговыми сигналами. Они предназначены для преобразования входных аналоговых сигналов в выходные цифровые сигналы. Появление таких микросхем связано в первую очередь с необходимостью восстановления формы цифровых сигналов, искаженных в результате прохождения по линиям связи. Фронты таких сигналов оказываются пологими, в результате чего форма сигналов вместо прямоугольной может стать близкой к треугольной или синусоидальной. К тому же сигналы, передаваемые на большие расстояния, сильно искажаются шумами и помехами. Восстановить их форму в исходном виде, устранить влияние помех и шумов как раз и призваны триггеры Шмитта.
На первом и втором уровнях представления (логическая модель и модель с временными задержками) триггеры Шмитта представляют собой обычные логические элементы, которые с определенной задержкой распространения выполняют логическую функцию над входными цифровыми сигналами. Но на третьем уровне представления их отличие от обычных логических элементов очень существенно.
Рис. 4.9. Передаточные характеристики обычного инвертора и триггера Шмитта с инверсией
Если построить график зависимости выходного напряжения элемента от входного (передаточную характеристику), то для триггера Шмитта он будет гораздо сложнее, чем для обычного элемента (рис. 4.9).
В случае обычного элемента с инверсией (а) при входных напряжениях ниже определенного порога срабатывания Uпор выходной сигнал имеет высокий уровень, а при входных напряжениях выше этого порога Uпор — низкий уровень. При этом не имеет значения, возрастает входное напряжение или убывает.
А в случае триггера Шмитта с инверсией (б) принципиально как раз направление изменения сигнала. При возрастании входного сигнала от нуля до напряжения питания порог срабатывания будет одним (Uпор1), а при уменьшении сигнала от напряжения питания до нуля — другим (Uпор2), причем Uпор1 > Uпор2. В результате на графике образуется своеобразная петля. Выходной сигнал как бы запаздывает переключаться при возврате входного к исходному уровню. Это называется эффектом гистерезиса (запаздывания).
Наличие гистерезиса приводит к тому, что любой шум, любые помехи с амплитудой, меньшей величины (Uпор1 – Uпор2), отсекаются, а любые фронты входного сигнала, даже самые пологие, преобразуются в крутые фронты выходного сигнала. Главное — чтобы амплитуда входного сигнала была большей, чем (Uпор1 – Uпор2). На рис. 4.10 показано, как будет реагировать на сигнал с пологими фронтами и с шумами обычный инвертор и триггер Шмитта с инверсией.
Рис. 4.10. Реакция на искаженный входной сигнал инвертора (слева) и триггера Шмитта с инверсией (справа)
В стандартные серии цифровых микросхем входят триггеры Шмитта, представляющие собой инверторы (ТЛ2 — 6 инверторов), элементы 2И-НЕ (ТЛ3 — 4 элемента) и элементы 4И-НЕ (ТЛ1 — 2 элемента). Пороговые напряжения составляют для всех этих микросхем около 1,7 В (Uпор1) и около 0,9 В (Uпор2). Графическое обозначение триггера Шмитта представляет собой упрощенное изображение его передаточной характеристики с гистерезисом (рис. 4.11).
Наиболее распространенное применение триггеров Шмитта — это формирователь сигнала начального сброса по включению питания схемы. Необходимость такого сигнала сброса вызвана тем, что при включении питания выходные сигналы сложных микросхем, имеющих внутреннюю память (например, регистров, счетчиков), могут принимать произвольные значения, что не всегда удобно. Привести их в необходимое состояние (чаще всего — установить их в нуль) как раз и призван сигнал начального сброса.
Рис. 4.11. Триггеры Шмитта
Рис. 4.12. Формирователь импульса начальной установки по включению питания
Для формирования сигнала начального сброса используется простая RC-цепочка, причем конденсатор берется с большой емкостью. Напряжение на конденсаторе при включении питания нарастает медленно, в результате чего на выходе триггера Шмитта формируется положительный импульс (рис. 4.12). Использовать для этого обычный инвертор не рекомендуется.
Точно так же триггеры Шмитта рекомендуется применять во всех случаях, когда с помощью емкости формируется сигнал с пологими, затянутыми фронтами. В отличие от обычных логических элементов, триггеры Шмитта всегда обеспечивают надежную и стабильную работу. Правда, надо учитывать, что триггеры Шмитта имеют несколько большую задержку, чем обычные логические элементы.
Еще одно применение использование триггера Шмитта состоит в построении генераторов импульсов. В отличие от генераторов на обычных инверторах, в данном случае схема получается гораздо проще: достаточно всего лишь одного инвертирующего триггера Шмитта, одного резистора (порядка сотен Ом) и одного конденсатора (рис. 4.13). При этом очень удобно, что конденсатор одним выводом присоединен к общему проводу, к "земле". Это позволяет применять электролитические конденсаторы большой емкости, а также переменные конденсаторы. Использование двухвходовых триггеров Шмитта дает возможность легко разрешать или запрещать генерацию с помощью управляющего сигнала Разр. При уровне логической единицы на входе Разр. генерация идет, при уровне логического нуля генерации — нет.
Рис. 4.13. Управляемый генератор на триггере Шмитта
Нестандартные триггеры Шмитта можно строить также на основе самых обычных логических элементов с обратной связью через резисторы. При этом путем подбора величин этих резисторов можно выбирать значения пороговых напряжений триггера Шмитта.
Для примера на рис. 4.14 показана схема триггера Шмитта на инверторах, которая работает с входными сигналами, симметричными относительно нулевого уровня. Такие сигналы могут быть, например, в передающем кабеле с трансформаторной развязкой. В данном случае триггер Шмитта не только позволяет восстановить искаженную форму сигнала, но еще и усиливает сигнал, а также сдвигает его уровни до значений стандартных нуля и единицы.
Рис. 4.14. Триггер Шмитта, построенный на обычных логических элементах
Но чаще всего вполне хватает возможностей стандартных триггеров Шмитта, которые не требуют включения внешних элементов и имеют гарантированные характеристики.
Наконец, последнее применение триггеров Шмитта, которое мы здесь рассмотрим, состоит в подавлении так называемого дребезга контактов. Дело в том, что любой механический контакт (в кнопках, тумблерах, переключателях и т.д.) не замыкается и не размыкается сразу, мгновенно. Любое замыкание и размыкание сопровождается несколькими быстрыми замыканиями и размыканиями, приводящими к появлению паразитных коротких импульсов, которые могут нарушить работу дальнейшей цифровой схемы. Триггер Шмитта с RC-цепочкой на входе позволяет устранить этот эффект (рис. 4.15).
Рис. 4.15. Триггер Шмитта с RC-цепочкой на входе
Конденсатор заряжается и разряжается довольно медленно, в результате чего короткие импульсы подавляются и не проходят на выход триггера Шмитта. Номинал верхнего по схеме резистора должен в данном случае быть в 6–7 раз больше номинала нижнего, чтобы резистивный делитель при замкнутом тумблере давал на входе триггера Шмитта уровень логического нуля. Сопротивления резисторов должны быть порядка сотен Ом — единиц килоОм. Емкость конденсатора может выбираться в широком диапазоне и зависит от того, какова продолжительность дребезга контактов конкретного тумблера.