Раздел 2. Схемотехника цифровых устройств




Тема 2.1. Интегральные логические элементы

1. Понятие логической функции и логического устройства

2. Основные логические функции

3. УГО и таблицы истинности логических элементов

1. В цифровой технике для обозначения различной информации пользуются кодовыми словами. Для их построения используются символы 0 и 1, которые называют логический ноль (лог. 0) и логическая единица (лог. 1), соответственно.

Информация, которая передается между отдельными узлами сложного устройства, представляется в виде кодовых слов. Таким образом, на входы каждого узла поступают одни кодовые слова, а на выходе образуется новое кодовое слово, представляющее собой результат обработки входных слов. Выходное слово зависит от того, какие слова поступают на входы узла. Поэтому можно говорить, что выходное слово есть функция, для которой аргументами являются входные слова. При этом и функция, и ее аргументы могут принимать только значения лог.0 и лог.1. Такая функция называется логической функцией или функцией алгебры логики. Устройство, предназначенное для формирования функции алгебры логики, называется логическим устройством или цифровым устройством (ЦУ).

Логическую функцию можно задать следующими способами:

- словесно. Например, функция принимает значение лог. 1, если оба аргумента принимают значение лог. 1.

- таблично. Функция задается в виде таблицы, в которой приводятся все возможные наборы аргументов и соответствующие им значения функции. Такая таблица называется таблицей истинности.

- аналитически. Функция задается в виде логического выражения.

2. Существует множество логических функций. Основными из них являются следующие функции:

1. Логическое отрицание; инверсия; операция НЕ

 
f = х

2. Логическое сложение; дизъюнкция; операция ИЛИ

f = х1 v х2

3. Логическое умножение; конъюнкция; операция И

f = х1 · х2

4. Отрицание логического сложения; отрицание дизъюнкции; операция ИЛИ-НЕ;

стрелка Пирса

f = х1 v х2

5. Отрицание логического умножения; отрицание конъюнкции; операция И-НЕ;

штрих Шеффера

f14 = х1 · х2

6. Функция неравнозначности; сумма по модулю 2; операция исключающее «ИЛИ»

f6 = х1 v х2

3. Логическое устройство, реализующее работу какой-либо логической функции, называется логическим элементом.

Общее условно-графическое обозначение (УГО) логических элементов:

элемент с прямыми входами и прямым выходом

 

элемент с прямыми входами и инверсным выходом

 

 

* - функция, которую выполняет логический элемент.

Характеристики логических элементов:

- напряжение лог.0 и лог.1 (U0, U1);

- коэффициент объединения по входу – определяет количество входов элемента, по которым реализуется логическая функция;

- коэффициент разветвления по выходу (нагрузочная способность) – определяет количество входов аналогичных элементов, которые можно подключить к выходам данного;

- быстродействие – определяется максимальной задержкой распространения сигнала от входа к выходу tз = 0,5·(tз0,1 +tз1,0);

- помехоустойчивость – определяется максимальной величиной помехи, не вызывающей нарушения работы элемента.

Условно-графическое обозначение и таблицы истинности основных логических элементов:

элемент НЕ элемент ИЛИ элемент И

х х х1 х21 х1 х2·х1

х2 х2

х2 х1 х21
     
     
     
     
х2 х1 х2·х1
     
     
     
     

 

х х
   
   

 

 

элемент ИЛИ-НЕ элемент И-НЕ элемент исключающее ИЛИ

х1 х21 х1 х2·х1 х1 х21

х2 х2 х2

х2 х1 х21
     
     
     
     
х2 х1 х2 v х1
     
     
     
     
х2 х1 х2·х1
     
     
     
     

 

 

 
 
 


Тема 2.2. Комбинационные цифровые устройства

1. Шифратор и дешифратор

2. Мультиплексор и демультиплексор

3. Сумматоры

1. Шифратор – КЦУ, служащее для преобразования десятичного числа в двоичный код.

УГО шифратора Таблица истинности шифратора

Десятичное число Двоичный код 8421
х8 х4 х2 х1
         
         
         
         
         
         
         
         
         
         

Шифраторы широко используются в разнообразных устройствах ввода информации в цифровые системы. Такие устройства могут снабжаться клавиатурой, каждая клавиша связана с определенным входом шифратора. При нажатии выбранной клавиши подается сигнал на соответствующий вход шифратора, и на его выходе возникает двоичное число, соответствующее выгравированному на клавише символу.

Дешифратор – КЦУ, служащее для преобразования двоичного кода в десятичное число.

УГО дешифратора Таблица истинности дешифратора

Двоичный код 8421 Десятичное число
х8 х4 х2 х1
         
         
         
         
         
         
         
         
         
         

 

Дешифраторы имеют широкое применение. В частности, они используются в устройствах, печатающих на бумаге выводимые из цифрового устройства числа и текст. В таких устройствах двоичное число, поступая на вход дешифратора, вызывает появление сигнала на определенном его выходе. С помощью этого сигнала производится печать символа, соответствующего входному двоичному числу.

2. Мультиплексор – КЦУ, служащее для коммутации одного из информационных входов с выходом в соответствии с адресом.

УГО мультиплексора Таблица истинности мультиплексора

Входы Выход
А0 А1 Q
* *  
    D0
    D1
    D2
    D3

 
 
 

 


Назначение выводов мультиплексора: D0 ÷ D3 – информационные входы

А0, А1 – адресные входы

С – синхровход

Q – информационный выход

При отсутствии стробирующего сигнала (С=0) связи между информационными входами и выходом нет. При С=1 на выход Q подключается вход D2, номер которого 2 соответствует двоичному коду на адресных входах 10.

Демультиплексор – КЦУ, служащее для коммутации информационного входа с одним из информационных выходов в соответствии с адресом.

УГО демультиплексора Таблица истинности демультиплексора

Входы Выходы
А0 А1 Q0 Q1 Q2 Q3
    D      
      D    
        D  
          D

 

Назначение выводов демультиплексора: D – информационный вход

А0, А1 – адресные входы

Q0 ÷ Q3 – информационные выходы

3. Сумматор – КЦУ, служащее для алгебраического сложения двух двоичных чисел.

В зависимости от разрядности складываемых чисел сумматоры бывают одноразрядными и многоразрядными.

В зависимости от способа ввода двоичных слагаемых сумматоры делятся на два типа: последовательного и параллельного действия. В сумматоры первого типа слагаемые вводятся в последовательной форме, т.е. разряд за разрядом (младшим разрядом вперед), в сумматоры второго типа каждое из слагаемых подается в параллельной форме, т.е. одновременно всеми разрядами.

УГО одноразрядного Таблица истинности

двоичного сумматора одноразрядного двоичного сумматора

Входы Выходы
Слагаемые Перенос Сумма Перенос
ai bi pi si pi+1
         
         
         
         
         
         
         
         

 

 

Назначение выводов сумматора:

ai, bi – входы слагаемых;

pi – вход переноса;

si – выход суммы;

pi+1 – выход переноса

УГО многоразрядного сумматора

параллельного действия

При подаче слагаемых цифры их разрядов поступают на соответствующие одноразрядные сумматоры. Каждый из одноразрядных сумматоров формирует на своих выходах цифру соответствующего разряда суммы и перенос, передаваемый на вход одноразрядного сумматора следующего (более старшего) разряда.

 

 
 
 


Тема 2.3. Последовательностные цифровые устройства

1. Общие сведения о триггерах

2. УГО, схемы, принцип работы триггеров

3. Общие сведения о регистрах

4. Регистры памяти и сдвига

5. Общие сведения о счетчиках

6. Суммирующий и вычитающий счетчики

1. Триггер – это ПЦУ, служащее для длительного хранения одного разряда двоичного числа.

Общее условно-графическое обозначение (УГО) триггера

Q

 

Q

 

Триггер может находиться в одном из двух состояний: лог. 0 или лог. 1.

Триггер имеет два выхода: прямой Q и инверсный Q. О состоянии триггера судят по уровню напряжения на выходе Q: если напряжение на выходе Q соответствует уровню лог. 0 (Q=0), то и триггер находится в состоянии лог. 0, при Q=1 триггер находится в состоянии лог.1.

Триггеры имеют различные типы входов, которыми определяется наименование триггера. Различают четыре типа триггеров: RS-триггер, JK-триггер, D-триггер, T-триггер.

Интегральные триггеры реализуются на логических элементах И-НЕ, ИЛИ-НЕ.

По характеру реакции на входные сигналы триггеры бывают асинхронными и синхронными.

Асинхронный триггер реагирует на входные сигналы с момента их подачи на входы триггера. Такой триггер не имеет управляющего (синхронизирующего) входа С.

Синхронный триггер имеет управляющий (синхронизирующий) вход С и реагирует на входные сигналы только при подаче синхронизирующего сигнала на этот вход.

2. Асинхронный RS-триггер имеет два информационных входа: R – раздельный вход установки состояния лог. 0, S – раздельный вход установки состояния лог.1, и не имеет синхронизирующего входа.

УГО RS-триггера Структура триггера Таблица истинности RS-триггера

на элементах ИЛИ-НЕ (бистабильная ячейка) на элементах ИЛИ-НЕ

 

Асинхронный RS-триггер переключается с момента поступления сигналов на его входы. Если на вход R подан сигнал лог.1 (активный уровень для элемента ИЛИ-НЕ), то триггер устанавливается в состояние 0. Если на вход S подан сигнал лог.1 (активный для элемента ИЛИ-НЕ), то триггер устанавливается в состояние 1. Если на оба входа подаются сигналы лог.0 (пассивные уровни для элементов ИЛИ-НЕ), то триггер не изменяет своего состояния, т.е. находится в режиме хранения. Если на оба входа подаются сигналы лог.1 (активные уровни для элементов ИЛИ-НЕ), то на выходах триггера появятся одинаковые сигналы, что противоречит определению триггера (такую комбинацию подавать на входы триггера нельзя).

Синхронный D-триггер имеет два входа: информационный вход D – вход установки триггера в состояние, соответствующее логическому уровню на этом входе и синхронизирующий вход С.

УГО D-триггера Структура D-триггера

       
   
 

 


 

Таблица истинности Временные диаграммы

       
   
 

 

 


При наличии на входе C положительного фронта импульса D-триггер переключается в состояние, соответствующее уровню, действующему на входе D (если D=0, то Q=0; если D=1, то Q=1).

При отсутствии на входе C положительного фронта импульса D-триггер находится в режиме хранения.

Синхронный Т-триггер имеет один вход Т – счетный вход.

УГО триггера Таблица истинности триггера Временные диаграммы

           
   
 
     
 

 


 

Т-триггер переключается в момент действия отрицательного фронта каждого импульса, поступающего на вход Т. Своими переключениями триггер как бы подсчитывает поступающие импульсы. Поэтому он называется счетным.

Синхронный JK-триггер имеет три входа: J – вход установки состояния лог.1, K – вход установки состояния лог.0, С – синхронизирующий вход. универсального триггера

УГО триггера Таблица истинности триггера

 

 

Временная диаграмма

JK-триггер переключается в соответствии с таблицей истинности в момент действия отрицательного фронта импульса на входе С. При отсутствии на входе С отрицательного фронта импульса JK-триггер находится в режиме хранения.

 

JK-триггер может использоваться в качестве двухступенчатого RS-триггера, D-триггера, Т-триггера, поэтому он называется универсальным.

Использование JK-триггера в качестве:

D-триггера Т-триггера

 

 
 
 


3. Регистр – ПЦУ, служащее для записи, хранения, сдвига и выдачи многоразрядного двоичного числа.

Регистр строится в виде набора триггеров, каждый из которых предназначается для хранения цифр определенного числа. Таким образом, регистр для хранения n-разрядного двоичного числа должен содержать n триггеров. Одновременно регистр может хранить только одно слово.

Регистры строятся на основе RS, JK, D-триггеров.

В зависимости от способа ввода и вывода двоичного числа регистры могут быть:

- параллельные;

- последовательные;

- параллельно-последовательные;

- последовательно-параллельные.

Параллельные регистры называются также регистрами памяти, остальные регистры являются регистрами сдвига.

УГО универсального регистра

Назначение выводов:

D0 ÷ D7 – информационные входы при

параллельной записи;

DR, DL – информационные входы при

последовательной записи;

S0, S1 – входы выбора режима работы

R – вход установки нуля;

Q0 ÷ Q7 – информационные выходы.

 

4. В параллельных регистрах ввод и вывод двоичного числа осуществляется одновременно всеми разрядами. Такие регистры могут только хранить двоичное число, поэтому называются регистрами памяти.

Схема регистра памяти на D – триггерах

 

Двоичное число поступает на входы D триггеров регистра одновременно всеми разрядами. В момент действия на входе C положительного фронта импульса число записывается в регистр, а затем он переходит в режим хранения.

Регистры, в которых ввод и/или вывод информации осуществляется последовательно, называются регистрами сдвига.

Суть сдвига заключается в перезаписи двоичного разряда из одного триггера в другой (соседний). Если перезапись разряда происходит из старшего разряда в младший, то осуществляется сдвиг вправо; если перезапись происходит из младшего разряда в старший, то осуществляется сдвиг влево.

 

 
 
 


Схема четырехразрядного регистра сдвига вправо на D – триггерах

Схема четырехразрядного регистра сдвига влево на D – триггерах

5. Счетчик – ПЦУ, служащее для счета импульсов, поступающих на его вход.

Счетчики строятся на основе JK и Т-триггеров. Если в схему счетчика входит n триггеров, то счетчик является n -разрядным.

Характеристики счетчика:

- коэффициент счета (Ксч) – число импульсов, после поступления которых на вход счетчика он переключается в исходное состояние. Коэффициент счета зависит от разрядности счетчика n и определяется по формуле Ксч= 2n;

- емкость счетчика – максимальное число импульсов, которое может сосчитать счетчик за один полный цикл счета;

- быстродействие – определяется временем переключения триггеров и скоростью передачи переноса между разрядами.

Классификация счетчиков:

По направлению счета:

- суммирующий (счет идет в возрастающем порядке);

- вычитающий (счет идет в убывающем порядке);

- реверсивный (счет может вестись как в возрастающем, так и в убывающем порядке).

По порядку изменения состояний:

- с естественным порядком счета (соседние состояния счетчика отличаются на единицу);

- с произвольным порядком счета (соседние состояния счетчика отличаются более чем на единицу).

По коэффициенту счета:

- двоичные (Ксч= 2n);

- десятичные (Ксч=10);

- недвоичные (Ксч= 2n).

УГО двоично-десятичного

реверсивного счетчика

Назначение выводов:

D8, D4, D2, D1 – входы предварительной записи;

С – вход разрешения предварительной записи;

+1, –1 – счетные входы при работе счетчика в суммирующем и

вычитающем режимах, соответственно;

R – вход установки нуля;

Q8, Q4, Q2, Q1 – информационные выходы;

≥9, ≤0 – выходы переноса при работе счетчика в суммирующем и

вычитающем режимах, соответственно.

 
 
 


6. Счетчик, в котором счет идет в возрастающем порядке, называется суммирующим. Триггеры в таком счетчике соединяются следующим образом: прямой выход младшего триггера со счетным входом старшего триггера. Информация о состоянии счетчика снимается с прямых выходов триггеров.

Схема трехразрядного суммирующего счетчика Таблица истинности счетчика

на Т-триггерах

 

 

Счетчик, в котором счет идет в убывающем порядке, называется вычитающим. Триггеры в таком счетчике соединяются следующим образом: обратный выход младшего триггера со счетным входом старшего триггера. Информация о состоянии счетчика снимается с прямых выходов триггеров.

Схема трехразрядного вычитающего счетчика Таблица истинности счетчика

на Т-триггерах

 

 

 

 

 
 
 




Поделиться:




Поиск по сайту

©2015-2024 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2018-01-31 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту: