41

1. Классификация, параметры и характеристики схем ЭВМ

1. По функциональному значению

1. Логические элементы

1. Комбинационные. Относятся к классу логических схем в которых выходной сигнал в некоторый момент времени Z является функцией входного сигнала в этот же момент времени

2. Последовательные- Состояние на выходе зависит не только от входных текущих комбинаций, а так же от внутреннего состояния схемы в предыдущий момент

2. Запоминающие элементы

1. Элементы в которых двум значениям двоичных переменных соответствуют два различных состояния

2. Эл-ты в которых запись или считывание информации связано с изменением их физического состояния

3. Вспомогательные элементы

Предназначены для электрического и временного согласования элементов двух вышеописанных групп.

2. По типу сигналов

1. Потенциальный тип кодирования

Переменным 0 или 1 соответствует высокий или низкий уровень напряжения.

2. Импульсный тип кодирования

1 передается импульсом одной полярности, а 0 другой.

3. Импульсно потенциальный

Импульс передается по сигналу синхронизации

3. По способу электропитания

1. Статические элементы

Требует постоянного напряжения питания

2. Динамические

Переменное напряжение питания

4. По конструктивному оформлению технологией

1. Элементы выполненные методом дискретной технологии

2. На базе интегральных схем чипов

Основные параметры:

• быстродействие;

• U_пит;

• потребляемая мощность;

• коэффициент разветвленности по выходу;

• коэффициент объединения по входу;

• помехоустойчивость;

• энергия переключения;

• надежность;

• стойкость к климатическим и механическим воздействиям;

2. Счетчики импульсов (определения и виды)

Счётчик — устройство, на выходах которого получается двоичный (двоично-десятичный) код, определяемый числом поступивших импульсов. Счётчики могут строится на T-триггерах. Основной параметр счётчика — модуль счёта — максимальное число единичных сигналов, которое может быть сосчитано счётчиком. Счётчики обозначают через СТ (от англ. counter).

Счётчики классифицируют:

по модулю счёта:

двоично-десятичные;

двоичные;

с произвольным постоянным модулем счёта;

с переменным модулем счёта;

по направлению счёта:

суммирующие;

вычитающие;

реверсивные;

по способу формирования внутренних связей:

с последовательным переносом;

с параллельным переносом;

с комбинированным переносом;

кольцевые;

3. Функциональное назначение элементов ЭВМ

По функциональному назначению элементы принято разделять на типовые и элементы специального назначения. К типовым относятся логические, запоминающие и формирующие элементы. Логические элементы предназначены для преобразования информации, запоминающие - для ее хранения, а формирующие элементы - для восстановления стандартизированных значений физических параметров сигналов, изменяющихся во время прохождения сигналов по электрическим цепям. К элементам специального назначения относятся усилители слабых сигналов, генераторы токов и напряжений специальной формы и другие элементы, не изменяющие информационного содержания сигналов.

4. Асинхронные счетчики

Асинхронные счетчики строятся из простой цепочки JK-триггеров, каждый из которых работает в счетном режиме. Выходной сигнал каждого триггера служит входным сигналом для следующего триггера. Поэтому все разряды (выходы) асинхронного счетчика переключаются последовательно (отсюда название - последовательные счетчики), один за другим, начиная с младшего и кончая старшим. Каждый следующий разряд переключается с задержкой относительно предыдущего (рис. 9.2), то есть, вообще говоря, асинхронно, не одновременно с входным сигналом и с другими разрядами.

Чем больше разрядов имеет счетчик, тем большее время ему требуется на полное переключение всех разрядов. Задержка переключения каждого разряда примерно равна задержке триггера, а полная задержка установления кода на выходе счетчика равна задержке одного разряда, умноженной на число разрядов счетчика. Легко заметить, что при периоде входного сигнала, меньшем полной задержки установления кода счетчика, правильный код на выходе счетчика просто не успеет установиться, поэтому такая ситуация не имеет смысла. Это накладывает жесткие ограничения на период (частоту) входного сигнала, причем увеличение, к примеру, вдвое количества разрядов счетчика автоматически уменьшает вдвое предельно допустимую частоту входного сигнала.

5. Основные параметры и характеристики ИС

Каждая ИМС обладает не только переключательными, но и другими свойствами и оценивается рядом параметров, обусловленных внутренней структурой и конструктивным исполнением. Некоторые из этих параметров касаются конкретной МС, другие характеризуют все изделия данной серии. Если в условной эксплуатации эти параметры будут выдержаны, завод изготовитель гарантирует нормальную работу МС.

Значения параметров, как правило, задаются с запасом, однако превышать их не следует.

Основные параметры:

• быстродействие;

• U_пит;

• потребляемая мощность;

• коэффициент разветвленности по выходу;

• коэффициент объединения по входу;

• помехоустойчивость;

• энергия переключения;

• надежность;

• стойкость к климатическим и механическим воздействиям;

6. Синхронные счетчики

Синхронные (или параллельные) счетчики представляют собой наиболее быстродействующую разновидность счетчиков. Наращивание их разрядности при соблюдении определенных условий не приводит к увеличению полной задержки срабатывания. То есть можно считать, что именно синхронные счетчики работают как идеальные счетчики, все разряды которых срабатывают одновременно, параллельно. Задержка срабатывания счетчика в этом случае примерно равна задержке срабатывания одного триггера. Достигается такое быстродействие существенным усложнением внутренней структуры микросхемы.

Вместе с тем недостатком синхронных счетчиков является более сложное управление их работой по сравнению с асинхронными счетчиками и с синхронными счетчиками с асинхронным переносом. Поэтому синхронные счетчики целесообразно применять только в тех случаях, когда действительно требуется очень высокое быстродействие, очень высокая скорость переключения разрядов. Иначе усложнение схемы управления может быть не оправдано

7. Базовые схемы транзисторной логики. Инвертор и повторитель

распространенные логические функции — это И (ЛИ), И-НЕ (ЛА), ИЛИ (ЛЛ) и ИЛИ-НЕ (обозначается ЛЛ). Присутствие слова НЕ в названии элемента обозначает только одно — встроенную инверсию сигнала. Название самих функций И и ИЛИ говорит о том, при каком условии на входах появляется сигнал на выходе.

Элемент И формирует на выходе единицу тогда и только тогда, если на всех его входах (и на первом, и на втором, и на третьем и т.д.) присутствуют единицы. Например, 8И-НЕ — это восьмивходовой элемент И с инверсией на выходе.

Элемент ИЛИ формирует на выходе нуль тогда и только тогда, если на всех входах нуль. Элемент ИЛИ-НЕ дает на выходе нуль при наличии хотя бы на одном из входов единицы Пример обозначения: 4ИЛИ-НЕ — четырехвходовой элемент ИЛИ с инверсией на выходе.

Рис. 3.15. Обозначения элементов И, И-НЕ, ИЛИ, ИЛИ-НЕ: зарубежные (слева) и отечественные (справа)

Отечественные и зарубежные обозначения на схемах двухвходовых элементов И, И-НЕ, ИЛИ, ИЛИ-НЕ показаны на рис. 3.15. Все эти элементы бывают с выходами типа 2С, ОК и 3С. В последнем случае обязательно имеется вход разрешения –EZ.

Эмиттерный повторитель имеет наибольшее входное сопротивление и наименьшее выходное и используется для усиления сигнала по току.

8. Двоичные и двоично-десятичные счетчики

Счетчиком называется автомат, выполняющий функции под-счета количества импульсов единичных сигналов, поступивших на его вход, а также функции формирования и запоминания некоторого двоичного кода, соответствующего этому количе-ству. Другими словами - счетчик является преобразователем число-импульсного кода в некоторый двоичный код.

Схемы счетчиков можно классифицировать по следующим признакам:

1) По основанию системы счисления счетчики делятся на:

а) двоичные ;

б) десятичные (двоично- десятичные);

Двоичные счетчики в свою очередь подразделяются на счетчики, модуль пересчета которых не равен 2m (где m - разрядность счетчика). Последние называются счетчиками по модулю М ( где М - число не кратное степени двойки )

Двоично-десятичный код — форма записи целых чисел, когда каждый десятичный разряд числа записывается в виде его четырёхбитного двоичного кода. Например, число 311 будет записано в двоичном коде как 1 0011 0111, а в двоично-десятичном 0011 0001 0001

Преимущества

Упрощён вывод чисел на индикацию — вместо последовательного деления на 10 требуется просто вывести на индикацию каждый полубайт. Аналогично, проще ввод данных с цифровой клавиатуры.

Для дробных чисел (как с фиксированной, так и с плавающей запятой) при переводе в человекочитаемый десятичный формат и наоборот не теряется точность.

Упрощены умножение и деление на 10, а также округление.

По этим причинам двоично-десятичный формат применяется в калькуляторах — калькулятор в простейших арифметических операциях должен выводить в точности такой же результат, какой подсчитает человек на бумаге.

Недостатки

Усложнены арифметические операции.

Требует больше памяти.

9. Дифференциальный усилитель

Дифференциа́льный усили́тель — комбинация двух асимметричных усилителей, действующих в противофазе. Дифференциальный усилитель предназначен для усиления разности напряжений двух входных сигналов.

Инструментальный дифференциальный усилитель

Схема инструментального дифференциального усилителя на базе ОУ

Зачастую, для предварительного усиления слабого дифференциального сигнала в высокоточных системах от усилителя требуются высокие параметры точности коэффициента усиления, а так же большое входное сопротивление. Точность коэффициента усиления обычно обеспечивают применением глубокой отрицательной обратной связи(ООС), охватывая ею операционный усилитель(ОУ). Однако дифференциальный усилитель на базе одного ОУ не обеспечивает высокого входного сопротивления порядка нескольких МОм, поэтому зачастую применяют сборку, аналогичную изображённой на схеме. Здесь входное дифференциальное напряжение (V2-V1) подаётся на неинвертирующий вход ОУ, который не используется для создания ОС, а собственное входное сопротивление прецизионных ОУ составляет значения порядка нескольких сотен МОм. Инструментальные дифференциальные усилители применяются для точного съёма напряжений с плечей электронного моста и других датчиков с малым выходным импедансом. Промышленностью выпускаются микросхемы, подобные приведённой схеме, с дополнительными возможностями по настройке коэффициента усиления, фильтрации шумов и частотной коррекции.

Применение

Дифференциальный усилитель применяют в ситуациях, когда возможна потеря слабых сигналов на фоне шумов. В частности, он применяется при измерении электрических потенциалов, снимаемых с определенных точек живого организма: при снятии электрокардиограммы, электроэнцефалографии и подобных методах исследования. В электроэнцефалографах дифференциальные усилители используются в качестве предусилителей на первых каскадах усиления.

Схема дифференциального усилителя на базе электронного моста с n-p-n биполярными транзисторами

Схема дифференциального усилителя на базе одного ОУ

Схема инструментального дифференциального усилителя на базе ОУ

9. Кольцевые счетчики и счетчики Джонсона

На базе регистров сдвига можно построить кольцевые счетчики - счетчики Джонсона. Счетчик Джонсона имеет коэффициент пересчета, вдвое больший числа составляющих его триггеров. В частности, если счетчик состоит из трех триггеров (m=3), то он будет иметь шесть устойчивых состояний. Счетчик Джонсона используется в системах автоматики в качестве распределителей импульсов и т.д.

Таблица состояний счетчика Джонсона (рис. 3.29) содержит 2m (m - количество триггеров в составе регистра) строк и m-столбцов. Количество разрядов счетчика определяется количеством триггеров (рис. 3.29). Рассмотрим схему трехразрядного счетчика Джонсона, выполненного на базе D-триггеров (регистр сдвига реализован на D-триггерах). Для построения кольцевого счетчика достаточно соединить инверсный выход последнего триггера регистра (последнего разряда) с входом “D” (с входом, предназначенным для ввода последовательной информации) первого триггера.

Рис. 3.29. Таблица состояний а) и схема б) счетчика Джонсона на трехразрядном регистре сдвига

Предположим, что вначале все триггеры находятся в состоянии “0”, т.е. Q₀= Q₁=Q₂=0. При этом на входе “D” первого триггера присутствует уровень “1”, т.к =1. Первым синхроимпульсом в триггер Т1 запишется “1”, вторым - единица запишется в первый триггер, из первого - во второй и т.д. до тех пор, пока на всех выходах регистра не будет “1”. После заполнения регистра единицами, на инверсном выходе триггера Т3 появится=0 и четвертым синхроимпульсом в Т1 запишется логический “0” (рис. 3.29, б).

После поступления последующих трех синхроимпульсов регистр обнуляется и на его вход “D” снова подается уровень “1”. Таким образом, цикл повторения состояния кольцевого счетчика состоит из шести тактов синхросигнала. Как видим, при работе в начале от первого триггера до последнего триггера распространяется “волна единиц”, а затем “волна нулей”. Код, в котором работает счетчик Джонсона, называют кодом Либау-Крейга.

9. Транзисторные схемы с отрицательной нагрузкой

10. Реверсивные Счетчики

Импульсы, поступающие для счета, попадают на вход 1-го триггер а, а выходят с него по двум каналам: при прямом счете с прямого выхода, а при обратном – с инверсного. Для того, чтобы управлять путями движения, служат элементу И-НЕ. Такие ячейки ставятся после каждого триггера. Управляющим сигналом для прямого и обратного счета являются логические нули. Так, если на входах элементов ДД4.1 и ДД4.4 нули, то они заблокированы, а логические единицы на их выходах никакого влияния на работу элементов ДД4.2 и ДД5.1 не оказывают.

Аналогично с шиной +1. Происходит движение импульса при прямом счете. Пусть на шине –1 высокий потенциал –

логическая "1", а на +1 – логический "0", исходное состояние счетчика 000. Первый импульс срезом переводит младший разряд в "1" (т.е. на выходе 8 ДД1 будет "1"). На выходе ДД4.1 появится "0", а на выходе ДД4.2 – высокий потенциал. На входе ДД2 высокий потенциал изменения состояния ДД2 не вызовет, т.е. после 1-го импульса счетчик будет в состоянии 001. Следующим импульсом ДД1 перебросится в "0", ДД4.1- в "1", ДД4.2 – в "0" и ДД2 – в "1", ДД4.4 – в "0", ДД5.1 – в "1", т.е. счетчик будет в состоянии 010 и т.д.

Аналогично при вычитании: на шине –1 – логический "0", на шине +1 – логическая "1", на выходах ДД4.1 и ДД4.4 – логическая "1", исходное состояние счетчика 111. Импульсы проходят по нижним ячейкам.

Среди большого многообразия МС счетчиков можно выделить 155ИЕ6 и 155ИЕ7 – двоично-десятичный и двоичный четырех разрядные реверсные счетчики.

Входы С₁ и С₂ для подачи счетных импульсов, R – для установки в "0", S – для предварительной записи информации (S="0") установленной триггерами по спадам Р₁ на С₁ след МС при прямом счете (при переходе из 9 в 0), "перенос" Р₂ – при обратном счете ( при переходе из 0 в 9), выход "займа".

9. Схемотехника ТТЛ

Транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ, TTL) — разновидность цифровых логических микросхем, построенных на основе биполярных транзисторов и резисторов. Название транзисторно-транзисторный возникло из-за того, что транзисторы используются как для выполнения логических функций (например, И, ИЛИ), так и для усиления выходного сигнала (в отличие от резисторно-транзисторной и диодно-транзисторной логики).

МС ТТЛ широко применяются в цифровой аппаратуре. В них удачно сочетаются хорошие функциональные показатели: быстродействие, помехоустойчивость, нагрузочная способность – с умеренным потреблением энергии и невысокой стоимостью. Более половины объема мирового производства ИС приходится на долю ТТЛ.

Транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ) — способ преобразования дискретной информации (в частности, выполнения логических операций) с помощью электронных устройств, построенных на основе биполярных транзисторов и резисторов.

В ТТЛ схемах вместо параллельного соединения диодов используется многоэмиттерный транзистор. Физика работы этого элемента не отличается от работы диодного элемента "2И". Высокий потенциал на выходе многоэмиттерного транзистора получается только в том случае, когда на обоих входах элемента (эмиттерах транзистора) присутствует высокий потенциал (то есть нет эмиттерного тока).

В настоящее время применяются два вида ТТЛ микросхем - с пяти и и с трёхвольтовым питанием, но, независимо от напряжения питания микросхем, логические уровни нуля и единицы на выходе этих микросхем совпадают. Поэтому дополнительного согласования между ТТЛ микросхемами обычно не требуется. Допустимый уровень напряжения на выходе цифровой ТТЛ микросхемы показан на рисунке 6.

Рисунок 6. Уровни логических сигналов на выходе цифровых ТТЛ микросхем.

Как уже говорилось ранее, напряжение на входе цифровой микросхемы по сравнению с выходом обычно допускается в больших пределах. Границы уровней логического нуля и единицы для ТТЛ микросхем приведена на рисунке 7.

Рисунок 7. Уровни логических сигналов на входе цифровых ТТЛ микросхем.

Серии микросхем отечественного производства:

133, 155

553, 555 1533

9. Преобразователи кодов. Основные виды

Микросхемы преобразователей кодов служат для преобразования входных двоичных кодов в выходные двоично-десятичные и наоборот.

Если закон работы преобразователя не описывается каким – либо достаточно понятным правилом, как, например, работа дешифратора или шифратора, то единственной практически приемлемой формой задания преобразователя становится таблица. В общем случае при n входах и k выходах преобразователя соотношения между n и k могут быть любыми: n=k, n >k, n<k.

Преобразователи кодов (ПК) можно разделить на два типа:

-с невесовым преобразованием;

-с весовым преобразованием кодов.

Примером ПК первого типа являются преобразователи двоично-десятичного кода в код семисегментного индикатора десятичных цифр. ПК второго типа используются, как правило, для преобразования числовой информации. Их иногда называют трансляторами кодов.

Для формирования цифр и знаков на семисегментных и матричных индикаторах и запуска шкальных индикаторов используют различные преобразователи кодов, иногда неправильно называемые дешифраторами. Существуют также микросхемы для преобразования двоичного кода в двоично-десятичный, и наоборот. Рассмотрим такие микросхемы.

Микросхема К155ПП5 - преобразователь двоично-десятичного кода в код семисегментного индикатора (рис

Вход Е микросхемы может быть использован для гашения индикатора, которое происходит при подаче на этот вход лог. 1. Индикация осуществляется при лог. 0.

A,B,C- дополнительные выходы, которые не учувствуют в основном преобразовании, но позволяют преобразовывать двоично десятичный код от 0 до 9 в код дополнение до 9 или до 10

9. Быстродействующие схемы ТТЛ. Транзистор Шоттки