- •А. В. Шарапов
- •Содержание
- •1. Введение
- •2. Основные понятия микроэлектроники
- •2.1. Виды сигналов
- •2.2. Классификация микросхем и их условные обозначения
- •3. Математические основы цифровой электроники
- •3.1. Позиционные системы счисления
- •3.3. Совершенная дизъюнктивная нормальная форма
- •3.4. Основные законы булевой алгебры
- •Базовые логические элементы
- •4.1. Классификация логических элементов
- •4.2. Базовый элемент ттл
- •4.3. Логический расширитель
- •4.4. Элемент с открытым коллектором
- •4.5. Элемент с z-состоянием на выходе
- •4.7. Базовый элемент ттлш
- •4.8. Базовая схема эсл
- •4.9. Базовые элементы кмоп
- •4.10. Основные характеристики логических элементов
- •4.11. Примеры микросхем логических элементов
- •4.12. Микросхемы на основе арсенида галлия
- •5. Цифровые устройства комбинационного типа
- •5.1. Шифратор
- •5.2. Дешифратор
- •5.3. Преобразователи двоичного кода в двоично-десятичный и наоборот
- •5.4. Дешифратор для управления семисегментным
- •5.5. Преобразователи кода Грея
- •5.6. Мультиплексор
- •5.7. Реализация функций с помощью мультиплексора
- •5.8. Двоичный сумматор
- •5.9. Двоично-десятичный сумматор
- •5.10. Схемы вычитания
- •5.11. Преобразователь прямого кода в дополнительный
- •5.12. Цифровой компаратор
- •5.13. Контроль четности
- •5.14. Примеры построения комбинационных цифровых устройств
- •6. Цифровые устройства последовательностного типа
- •6.7.Классификация счетчиков
- •6.9. Асинхронный двоично-десятичный счетчик
- •Полупроводниковые запоминающие устройства
- •7.7. Примеры микросхем памяти
- •7.8. Организация блока памяти
- •8. Примеры решения задач
- •9. Компьютерный практикум по цифровой схемотехнике
- •Лабораторная работа №1
- •Исследование цифровых устройств
- •Комбинационного типа
- •Программа работы
- •Контрольные вопросы
- •Содержание отчета
- •Исследование цифровых устройств последовательностного типа
- •Пример синтеза счетчика
- •Пример оформления результатов моделирования
- •Программа работы Программа работы
- •Контрольные вопросы
- •Содержание отчета
- •10. Варианты творческих заданий
- •11. Пример выполнения творческого задания
- •Литература
2. Основные понятия микроэлектроники
2.1. Виды сигналов
Назначение радиоэлектронных устройств, как известно, – получение, преобразование, передача и хранение информации, представленной в форме электрических сигналов. Сигналы, действующие в электронных устройствах, и соответственно сами устройства делят на две большие группы: аналоговые и цифровые.
Аналоговый сигнал– сигнал, непрерывный по уровню и во времени, т.е. такой сигнал существует в любой момент времени и может принимать любой уровень из заданного диапазона.
Квантованный сигнал– сигнал, который может принимать только определенные квантованные значения, соответствующие уровням квантования. Расстояние между двумя соседними уровнями – шаг квантования.
Дискретизированный сигналсигнал, значения которого заданы только в моменты времени, называемые моментами дискретизации. Расстояние между соседними моментами дискретизации – шаг дискретизации. При постоянномприменима теорема Котельникова:, где– верхняя граничная частота спектра сигнала.
Цифровой сигналсигнал, квантованный по уровню и дискретизированный во времени. Квантованные значения цифрового сигнала обычно кодируются некоторым кодом, при этом каждый выделенный в процессе дискретизации отсчет заменяется соответствующим кодовым словом, символы которого имеют два значения – 0 и 1.
Типичными представителями устройств аналоговой электроники являются устройства связи, радиовещания, телевидения. Общие требования, предъявляемые к аналоговым устройствам, – минимальные искажения. Стремление выполнить эти требования приводит к усложнению электрических схем и конструкции устройств. Другая проблема аналоговой электроники – достижение необходимой помехоустойчивости, ибо в аналоговом канале связи шумы принципиально неустранимы.
Цифровые сигналы формируются электронными схемами, транзисторы в которых либо закрыты (ток близок к нулю), либо полностью открыты (напряжение близко к нулю), поэтому на них рассеивается незначительная мощность и надежность цифровых устройств получается более высокой, чем аналоговых.
Цифровые устройства более помехоустойчивы, чем аналоговые, так как небольшие посторонние возмущения не вызывают ошибочного срабатывания устройств. Ошибки появляются только при таких возмущениях, при которых низкий уровень сигнала воспринимается как высокий или наоборот. В цифровых устройствах можно также применить специальные коды, позволяющие исправить ошибки. В аналоговых устройствах такой возможности нет.
Цифровые устройства нечувствительны к разбросу (в допустимых пределах) параметров и характеристик транзисторов и других элементов схем. Безошибочно изготовленные цифровые устройства не нужно настраивать, а их характеристики полностью повторяемы. Все это очень важно при массовом изготовлении устройств по интегральной технологии. Экономичность производства и эксплуатации цифровых интегральных микросхем привела к тому, что в современных радиоэлектронных устройствах цифровой обработке подвергаются не только цифровые, но и аналоговые сигналы. Распространены цифровые фильтры, регуляторы, перемножители и др. Перед цифровой обработкой аналоговые сигналы преобразуются в цифровые с помощью аналого-цифровых преобразователей (АЦП). Обратное преобразование – восстановление аналоговых сигналов по цифровым – выполняется с помощью цифроаналоговых преобразователей (ЦАП).
При всем многообразии задач, решаемых устройствами цифровой электроники, их функционирование происходит в системах счисления, оперирующих всего двумя цифрами: нуль (0) и единица (1).
Работа цифровых устройств обычно тактируется достаточно высокочастотным генератором тактовых импульсов. В течение одного такта реализуется простейшая микрооперация – чтение, сдвиг, логическая команда и т.п. Информация представляется в виде цифрового слова. Для передачи слов используется два способа – параллельный и последовательный. Последовательное кодирование применяется при обмене информацией между цифровыми устройствами (например, в компьютерных сетях, модемной связи). Обработка информации в цифровых устройствах реализуется при использовании параллельного кодирования информации, обеспечивающего максимальное быстродействие.
Элементную базу для построения цифровых устройств составляют интегральные микросхемы (ИМС), каждая из которых реализуется с использованием определенного числа логических элементов – простейших цифровых устройств, выполняющих элементарные логические операции.