Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги / Практическая цифровая схемотехника

..pdf
Скачиваний:
7
Добавлен:
12.11.2023
Размер:
2.55 Mб
Скачать

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»

С.Ф. Тюрин

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦИФРОВАЯ СХЕМОТЕХНИКА

Утверждено Редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

Издательство Пермского национального исследовательского

политехнического университета

2020

1

УДК 681.32

Т89

Рецензенты:

кандидат физико-математических наук,

доцент А.С. Епифанов

(Институт точной механики и проблем управления РАН, г. Саратов);

доктор технических наук, доцент В.И. Фрейман (Пермский национальный исследовательский политехнический университет)

Т89 Тюрин, С.Ф.

Практическая цифровая схемотехника : учеб. пособие / C.Ф. Тюрин. – Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2020. – 55 с.

ISBN 978-5-398-02397-8

Изложен материал практикума по цифровой схемотехнике, отсутствующий в других учебных пособиях автора по этой тематике. Учебное пособие предназначено для студентов бакалавриата и специалитета, изучающих дисциплину «Цифровая схемотехника». Может быть полезно для магистров и аспирантов.

УДК 681.399

ISBN 978-5-398-02397-8

© ПНИПУ, 2020

2

 

СОДЕРЖАНИЕ

 

Введение............................................................................................

5

1.

Логические элементы на основе транзисторов

 

и их условные графические обозначения.......................................

5

2.

Моделирование логических элементов

 

в системах схемотехнического моделирования.............................

9

3.

Уровни сигналов логических элементов..................................

10

4.

Потребляемая мощность логических элементов .....................

12

5.

Нагрузочная способность логических элементов

 

(коэффициент разветвления) .........................................................

13

6.

Быстродействие логических элементов ...................................

13

7.

Согласование уровней сигналов логических элементов.

 

Преобразователи уровней..............................................................

15

8.

Расширение местности логических операций .........................

16

9.

Неиспользуемые входы, неиспользуемые элементы ..............

17

10. Выходы биполярных элементов

 

с открытым коллектором. Монтажная логика .............................

18

11. Элемент с тремя состояниями (Тристабильный буфер) .......

19

12. Одновентильные логические устройства ...............................

22

13. Комбинационный автомат, комбинационная

 

логика на транзисторном уровне ..................................................

23

14. Задание комбинационного устройства

 

в виде программы языка VHDL ....................................................

30

 

14.1. Мультиплексор (Мультиплексор-селектор

 

 

MS, MUX, MX) ...........................................................................

31

 

14.2. Дешифратор .......................................................................

33

 

14.3. Кодер...................................................................................

35

 

14.4. Нестандартный кодопреобразователь .............................

36

15. Последовательностная логика.

 

Автомат-распознаватель 1011...................................................................

36

 

15.1. Граф автомат-распознавателя 1011..................................

37

3

15.2. Получение логических функций

 

автомата-распознавателя 1011 ..................................................

41

15.3. Задание автомата-распознавателя 1011

 

на языке VHDL ...........................................................................

48

16. Передача информации последовательным

 

кодом с помощью регистров .........................................................

49

Список литературы.........................................................................

52

4

ВВЕДЕНИЕ

Учебные пособия чем-то сродни несчетному множеству Кантора: любая попытка «уложить» материал в прокрустово ложе книг наталкивается на парадокс: всегда найдется тема, не вошедшая ни в одно учебное пособие. По крайней мере у автора. Нельзя объять необъятное…Тем не менее «Практическая цифровая схемотехника» – это n+1-я попытка дополнить уже имеющиеся пособия по цифровой схемотехнике, ибо очередное изменение учебных планов и их «цифровизация» как раз таки и предполагает расширение учебных часов по дисциплине. В то же время это очередная попытка согласования материала с другими, «смежными» учебными дисциплинами, рожденная в дискуссиях с О.В. Гончаровским, А.В. Гавриловым, В.И. Фрейманом и др. Причем упор сделан на описание обобщенных смыслов (семантики), а не конкретных деталей (синтаксиса). Предполагается, что учебное пособие будет доступно в электронном виде в библиотеке, поскольку опыт учебного процесса в «ковидный» период показал, что востребован именно такой формат литературы.

1.ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ НА ОСНОВЕ ТРАНЗИСТОРОВ

ИИХ УСЛОВНЫЕ ГРАФИЧЕСКИЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

Простейший логический элемент – инвертор [12, 15, 21] выполняет простейшую логическую функцию отрицания (рис. 1):

Рис. 1. Модель КМОП – инвертора в системе схемотехнического моделирования Multisim [23]

5

Условные графические обозначения (УГО) в РФ выполняют по ГОСТ 2.743-91 [9]. Там инвертор почему-то называют элементом НЕТ (NOT по-английски – НЕ) (рис. 2).

Рис. 2. УГО элемента НЕТ (инвертор) по ГОСТ 2.743-91

Имеются также рекомендации международной электро-

технической комиссии IEC (International Electrotechnical Commission) (рис. 3).

а

б

Рис. 3. Международная электротехническая комиссия IEC:

а– логотип; б – здание центрального офиса в Женеве

Всоответствии с ними треугольное обозначение инвертора, принятое в системах схемотехнического моделирования, называется «традиционным» (distinctive shape, отличительная форма), а прямоугольное (как у нас – rectangular shape, прямоугольная форма) (рис. 4).

6

Рис. 4. Два варианта условного графического обозначения инвертора по IEC

В то же время допускается другой вид rectangular shape (рис. 5).

Рис. 5. Еще один вариант условного графического обозначения инвертора по IEC

То есть инверсия обозначается не кружком, а раздвоением линии. Похожие обозначения встречаются и в ГОСТ2.743-91, правда, для так называемого статического выхода с указателем полярности. Примеры УГО других логических элементов приведены на рис. 6.

7

Рис. 6. Примеры УГО двухвходовых логических элементов по IEC

На этих УГО нет обозначения входов питания. Так, Vcc по ГОСТ2.743-91 называется выводом питания от источника напряжения. Допускается обозначение U. Хотя само обозначение Vcc идет от коллекторного питания биполярных элементов, для МОП используют Vdd (drain – сток, иногда расшифровывают как digital device). Обозначение номеров элементов с аббревиатурой DD (digital device) показано на рис. 7

Рис. 7. Обозначение номеров элементов с аббревиатурой DD (digital device) с выводами питания

8

Общий вывод, земля, корпус по ГОСТ2.743-91 обозначается GND, хотя в нашем случае это ноль вольт, такое обозначение (0В) также допускает ГОСТ.

2.МОДЕЛИРОВАНИЕ ЛОГИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

ВСИСТЕМАХ СХЕМОТЕХНИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Логические элементы могут быть представлены простейшей дискретной моделью логической функции одной переменной с блоком задержки td на выходе, например для инвертора

(рис. 8).

Рис. 8. Модель инвертора с задержкой на выходе

Такая модель, несмотря на ее условность, применяется на практике [21]. Но она не учитывает динамики, того, что задержка меняется в зависимости от технологического разброса элементов, направления переключения (с 0 на 1 или с 1 на 0), зависимости от емкостной нагрузки и пр. Уточнение модели возможно путем использования в так называемом алфавите кроме 0 и 1 дополнительного символа Х, обозначающего неопределенное состояние в переходном процессе. Кроме этого используют символ Z (отключено, высокоимпедансное состояние), о котором речь идет дальше. Получают четырехсимвольный алфавит {0,1, Х, Z}. Кроме того, вводится понятие силы сигнала: слабый ноль L, слабая единица H, слабое неопределенное состояние W. Получают семь символов. Добавляют еще «не инициализировано» (U) и «не важно»(-), получается девятисимвольный алфавит в соответствии со стандартом IEEE 1164 [6] (рис. 9).

9

Рис. 9. Девятисимвольный алфавит моделирования цифровых устройств в соответствии

со стандартом IEEE 1164

Еще большее приближение к реальности дает аналоговое моделирование с использованием дифференциальных уравнений (как, например, в программе SPICE – Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis). Но при этом резко увеличива-

ется объем вычислений, поэтому такой подход годится только для несложных элементов [21].

3. УРОВНИ СИГНАЛОВ ЛОГИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ

При проектировании цифровых схем необходимо знать и учитывать статические и динамические параметры элементов. Прежде всего это напряжения и токи. Мы уже упоминали выше Vcc – напряжение питания (Vdd), GND (0В). Поскольку в цифровых элементах используются два уровня сигнала – 0 (Low) и 1 (High), то, очевидно, что Vcc – это 1, а GND (0В) – это 0. Напряжение питания имеет некоторый разброс (например 5 %), очевидно, разброс есть и для логических уровней, то есть необходимо определить, где «заканчивается» 0 и «начинается» 1 (диапазоны уровней напряжений логического 0 и логической 1).

10

Соседние файлы в папке книги