1. Характеристики электрических сигналов.

Если логическая или арифметическая переменная последовательно изменяет свое значение 0-1,1-0, и это изменение многократно, то кодирующее переменную электрическое напряжение имеет вид импульсной последовательности показанной на рисунке 2.

Рис.2. Характеристики электрических сигналов.

Значения уровней сигналов, кодирующих логические или арифметические переменные, определяются выбранной системой кодирования, что на рисунке отображено относительным значением напряжения 1,0.

Для определения временных характеристик проводят вспомогательные линии по уровням напряжения 0,9 и 0,1. Отрезок времени в течении которого сигнал изменяется от уровня 0,1 до 0,9 называется длительностью фронта --t(фр). Время в течении которого сигнал остается на уровне 0,9 или выше -- длительность импульса -- t(имп). Время в течении которого сигнал изменяется от уровня 0,9 до 0,1 -- длительность спада -- t(сп).

Сигналы могут быть периодическими, тогда интервал времени, замеренный по одному из уровней , например по уровню 0,1 , в соседних импульсах определяет период импульсной последовательности -- Т. Все временные характеристики измеряются в секундах (сек) или производных от них единицах : миллисекунды (мс), микросекунды (мкс), наносекунды (нс). Часто , когда длительности фронтов и спадов не имеют большого значения, длительность импульса и период определяют по уровню сигнала 0,5. Реальные элементы имеют различные длительности фронта и спада, но разница очень мала и поэтому их принимают равными и определяют по формуле

Лекция 3.

2. Простейшие логические операции и их схемотехническая реализация (диодные схемы).

Логическая система считается полной если в ней предусматривается выполнение трех основ -

ных логических функции: конъюнкция (логическое умножение, операция “И”), дизъюнкция (логическое сложение, операция “ИЛИ”), отрицание (инверсия, операция “НЕ”).

Таблица 1.

A	B	F		A	B	F
0	0	0		0	0	0
0	1	0		0	1	1
1	0	0		1	0	1
1	1	1		1	1	1

Обозначим -- логические (входные) переменные А и В, функция - F. Логическая функция может быть описана аналитически или таблицей. Для конъюнкции будем иметьили F(A,B)=AB. Для дизъюнкции функция имеет видилиF(A,B) = A+B. Отрицание --.

Функция “И” истинна только тогда, когда все ее аргументы истинны, а функция “ИЛИ” истинна, когда хотя бы один ее аргумент имеет истинное значение.

В таблице 1 показано табличное задание логических функций; левая часть таблицы -- функция “И”, правая часть -- функция “ИЛИ”.

В положительной логике схемотехническая реализация указанных функций может быть выполнена на диодах. Схемы показаны на рис. 3 и 4.

Рассмотрим работу схем с учетом того, что источники напряжения U1 и U2 имеют величины напряжения, соответствующие значениям входных переменных А и В. Выходное напряжение Uout соответствует значениям функции F. Для предметного рассмотрения примем систему кодирования ТТЛ и соответственно напряжение питания Up=5В.

Рис.3. Диодная Рис.4. Диодная

схема “И”. схема “ИЛИ”.

Следовательно, U1 и U2 могут принимать значения 0В -- нулевой уровень “0” или 2,4-5В -- единичный уровень “1”.

На рис.3 если хотя бы одно из входных напряжений равно нулю, то соответствующий ему диод будет смещен в прямом направлении, и напряжение на выходе будет определяться соотношением Uout= (U1=0 или U2=0)+Uvd, где Uvd -- падение напряжения на прямосмещенном диоде и Uout=0,7В, что соответствует F=0. Если оба входных напряжения имеют единичный уровень, то выходное напряжение определяется соотношением резисторов R1 и Rn -- сопротивлением нагрузки

.

Из уравнения видно, что выходное напряжение сильно зависит от величины сопротивления нагрузки. Так если Rn=0,5R1, то Uout=1,67В -- находится в запрещенном диапазоне кодирующих напряжений. Функция “И” не выполняется. При Rn=R1 -- Uout=2,5В и функция “И” выполняется. Зависимость выполнения функции от параметров схемы -- существенный недостатокдиодной схемы “И”.

На рис.4 если хотя бы одно из входных напряжений имеет единичное значение (2,4-5В), то и функция будет иметь единичное значение, так как один из диодов будет смещен в прямом направлении.

Выходное напряжение мало зависит от сопротивления нагрузки, если источники входных напряжений имеют малое внутреннее сопротивление. Однако, если последовательно включено четыре схемы “ИЛИ” при входном напряжении 5В и на каждом прямосмещенном диоде падение напряжения равно 0,7В, то на выходе будем иметь Uout=5 - 4*0,7=2,2В. Полученное значение находится в запрещенном диапазоне и функция “ИЛИ” не выполняется, что является существенным недостаткомдиодной схемы “ИЛИ”.

У диодных схем существует важная особенность: схема выполняющая в положительной логике функцию “И” (“ИЛИ”) в отрицательной логике выполняет функцию “ИЛИ” (“И”).

Рис. 5. Схема, реализующая функцию «НЕ».

Рис. 6. Схема ДТЛ, реализующая функцию «2И НЕ».

Схемотехническая реализация функции “НЕ” выполняется на транзисторном ключе, показанном на рис.5. Сопротивление в цепи коллектора Rk вместе с сопротивлением нагрузки Rn определяют выходное напряжение при закрытом транзисторе. Сопротивление в цепи базы Rb формирует ток базы таким образом, чтобы транзистор в открытом состоянии находился в режиме насыщения. Режим насыщения необходим для того, чтобы при открытом транзисторе выходное напряжение не зависело от нагрузки. Если Ui принимает значение единичного уровня, то базовый ток транзистора, определяемый соотношением, переключает транзистор в режим насыщения, при котором напряжение коллектор-эмиттер имеет малую величину, обычно Uke =0-0,5В . Если же Ui принимает значение нулевого уровня, то этого напряжения недостаточно чтобы сформировать базовый ток для открывания транзистора и он находится в режиме отсечки. При этом выходное напряжение определяется соотношением резисторов Rk и Rn.

Из приведенных рассуждений можно сделать вывод: если входная переменная истинна, то выходная переменная ложна (и наоборот), т.е. реализуется логическая функция отрицания. Зависимость выходного напряжения от сопротивления нагрузки ─ существенный недостатокприведенной схемы. Соединение диодных схем со схемой инвертора позволяет получить схемотехническую реализацию совмещенных функций.

На рис.6 приведена схема, реализующая функцию 2И-НЕ.

На основе рассмотренных схем была разработана серия логических элементов под общим названием диодно-транзисторная логика ─ ДТЛ. Из за ранее указанных недостатков серии интегральных микросхем на базе ДТЛ были быстро сняты с производства.

Дальнейшие разработки схемотехнических реализаций логических элементов направленные на использование единой системы кодирования и улучшение электрических характеристик (малая зависимость выходных напряжений от величины нагрузки и высокая помехоустойчивость) привели к появлению транзисторно-транзисторной логики ─ ТТЛ.

Лекция 5.