Схемотехника / Учебники и методички / potehin
.pdfМинистерство образования и науки Российской Федерации Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники
В.А. Потехин
СХЕМОТЕХНИКА
ЦИФРОВЫХ
УСТРОЙСТВ
Рекомендовано Сибирским региональным учебно-методическим центром высшего профессионального образования для межвузовского использования в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по направлениям подготовки бакалавров 210400.62 «Радиотехника», 210700.62 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи » и по специаль-
ности 210601.65 «Радиоэлектронные системы и комплексы».
В-Спектр
Томск – 2012
Print to PDF without this message by purchasing novaPDF (http://www.novapdf.com/)
УДК 681.3.06
Потехин В.А.
Схемотехника цифровых устройств: учеб. пособие для вузов – Томск:
В-Спектр, 2012. – 250с.
Излагаются принципы построения и функционирования интегральных логических элементов, логические и арифметические основы цифровых устройств, методы синтеза устройств комбинационного и последовательного типов, различных узлов цифровых устройств, компараторов, шифраторов, дешифраторов, преобразователей кодов, мультиплексоров, сумматоров, триггеров, регистров, счетчиков, элементарных цифровых автоматов цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразователей, микросхем памяти.
Для студентов, обучающихся в соответствии с государственным образовательным стандартом по направлениям 654200 «Радиотехника», «Инфокоммуникационные технологии и системы связи» по следующим специальностям: 200700 «Радиотехника», 201400 «Аудиовизуальная техника», 201500 «Бытовая радиоэлектронная аппаратура», 201600 «Радиоэлектронные системы», 201700 «Средства радиоэлектронной борьбы», 071500 «Радиофизика и электроника», 210401 «Физика и техника оптической связи».
Книга может быть полезна студентам и аспирантам радиотехнических специальностей вузов, а также инженерам, занимающихся вопросами синтеза цифровых устройств.
Рецензенты:
В.К. Кулешов, д. т. н., профессор каф. ФМПК (физических методов и приборов контроля качества) Томского политехнического университета, НИ ТПУ (Томского национального исследовательского политехнического университета), г.
Томск; В.С. Титов, д. т. н., профессор, зав. кафедрой вычислитель-
ной техники Юго-западного государственного университета, г. Курск.
2
Print to PDF without this message by purchasing novaPDF (http://www.novapdf.com/)
ПРЕДИСЛОВИЕ
Радиолокация, автоматика и телемеханика, спутниковая связь и системы глобального позиционирования, медицина и фотография, аудиовизуальная техника и бытовая радиоэлектроника, системы видеонаблюдения и охранные системы – это области широкого применения разнообразных цифровых устройств и компьютеров. Это связано с тем, цифровые устройства не требуют индивидуальных настроек, что весьма важно при массовом производстве. Они малогабаритны, надежны, экономичны, многофункциональны. Развитие инфокоммуникационных технологий неразрывно связано с развитием цифровой и микропроцессорной техники.
Учебная дисциплина «Цифровые устройства и микропроцессоры» является одной из основных в профессиональной подготовке специалистов по направлению «Радиотехника» и ряда специальностей, в том числе специальности «Аудиовизуальная техника». При изучении этой дисциплины закладываются базовые инженерные знания о принципах работы, построения и применения цифровых устройств. Это позволяет будущему специалисту привить навыки и умения технически грамотного анализа и синтеза принципиальных схем цифровых трактов радиоэлектронной аппаратуры и ЭВМ, обоснованного выбора структуры и компонентов этих устройств, строящихся на единой элементной базе.
Учебное пособие «Схемотехника цифровых устройств» в полной мере освещает темы, связанные с цифровыми устройствами (часть 1). В связи с ограниченным объемом книги материалы по микропроцессорам носят ознакомительный характер.
При написании учебного пособия использованы литературные источники (учебники, учебные пособия, справочники) отечественных авторов и зарубежных авторов, из которых хотелось бы отметить Дж. Уэйкерли.
Учебник соответствует учебной программе бакалавров по дисциплине «Цифровые устройства и микропроцессоры» по направлению "Радиотехника" (специальность "Аудиовизуальная техника"). Содержание учебника основано на материале курса лекций, читаемого автором на кафедре “Телевидение и управление”. Автор выражает признательность всем, кто оказал практическую помощь в оформлении материалов при подготовке к изданию.
Автор благодарит рецензентов за ряд ценных замечаний, способствующих улучшению учебника.
3
Print to PDF without this message by purchasing novaPDF (http://www.novapdf.com/)
Содержание |
|
Предисловие .................................................................................................. |
3 |
Содержание..................................................................................................... |
4 |
Принятые сокращения ................................................................................... |
8 |
Введение ........................................................................................................ |
10 |
Часть 1. Основы цифровых устройств...................................................... |
11 |
Глава 1. Логические основы цифровых устройств....................................... |
11 |
1.1. Введение................................................................................................... |
11 |
1.2. Простейшие логические функции .......................................................... |
12 |
1.3. Основные положения алгебры логики................................................... |
14 |
1.4. Элементарные логические функции....................................................... |
16 |
1.5. Представление переключательных функций......................................... |
20 |
1.6. Минимизация переключательных функций .......................................... |
23 |
Глава 2. Арифметические основы цифровых устройств.............................. |
29 |
2.1. Позиционная система счисления............................................................ |
29 |
2.2. Перевод чисел из одной системы счисления в другую......................... |
31 |
2.3. Формы представления чисел в цифровых устройствах......................... |
36 |
2.4. Двоичная арифметика ............................................................................. |
38 |
2.4.1 Сложение и вычитание двоично-десятичных чисел............................ |
38 |
2.4.2. Кодирование отрицательных чисел..................................................... |
41 |
2.4.3 Модифицированные коды..................................................................... |
42 |
2.5. Умножение и деление двоичных чисел.................................................. |
45 |
Глава 3. Интегральные логические элементы............................................... |
47 |
3.1. Классификация и основные параметры логических элементов............ |
47 |
3.2. Транзисторно-транзисторная логика...................................................... |
51 |
3.2.1. Базовый логический элемент ТТЛ....................................................... |
51 |
3.2.2. Логические элементы ИЛИ-НЕ ........................................................... |
55 |
3.2.3. Логические элементы с открытым коллектором и тремя |
|
состояниями выхода.............................................................................. |
56 |
3.2.4. Разветвление и объединение ЛЭ.......................................................... |
58 |
3.2.5. Триггер Шмитта.................................................................................... |
61 |
3.2.6. Рекомендации по применению логических элементов ТТЛ.............. |
63 |
3.3. Микросхемы ТТЛ с транзисторами Шоттки.......................................... |
64 |
3.3.1. Введение................................................................................................ |
64 |
3.3.2. Транзисторы с диодами Шоттки.......................................................... |
65 |
3.3.3. Базовый логический элемент ИС К533 ............................................... |
66 |
3.3.4 Быстродействующие ТТЛШ ИС К530 ................................................ |
68 |
3.3.5. Базовый логический элемент ИС К1533 ............................................. |
69 |
3.4. Цифровые микросхемы с КМОП - транзисторами................................ |
71 |
3.4.1. Общие сведения.................................................................................... |
71 |
3.4.2. Инвертор КМОП................................................................................... |
73 |
3.4.3. Основные характеристики инвертора.................................................. |
76 |
3.4.4. Тактируемый двунаправленный ключ................................................. |
78 |
3.4.5. Логические элементы КМОП И-НЕ, ИЛИ-НЕ.................................... |
80 |
4 |
|
Print to PDF without this message by purchasing novaPDF (http://www.novapdf.com/)
3.4.6. Разновидности ЛЭ КМОП..................................................................... |
80 |
3.4.7. Рекомендации по применению ИС КМОП.......................................... |
83 |
3.4.8. Микросхемы серии КР1554 .................................................................. |
84 |
3.4.9. Микросхемы серии 5514БЦ ................................................................. |
86 |
3.5. Микросхемы на основе ЭСЛ.................................................................... |
87 |
3.5.1. Общие сведения..................................................................................... |
88 |
3.5.2. Базовый логический элемент ИС К1500 .............................................. |
88 |
3.5.3. Особенности применение ЭСЛ............................................................. |
91 |
3.6. Микросхемы на основе арсенида галлия ................................................ |
93 |
3.6.1. Введение................................................................................................. |
93 |
3.6.2. Базовый ЛЭ сверхбыстродействующих ИС К6500.............................. |
94 |
3.6.3. Логические элементы, регистры, счетчики.......................................... |
95 |
Часть 2. Комбинационные устройства....................................................... |
99 |
Глава 4. Устройства комбинационного типа................................................. |
99 |
4.1. Шифраторы............................................................................................... |
99 |
4.1.1. Приоритетные шифраторы.................................................................... |
102 |
4.2. Дешифраторы ........................................................................................... |
106 |
4.2.1. Основные положения ............................................................................ |
106 |
4.2.2 Ступенчатые дешифраторы ................................................................... |
108 |
4.2.3 Формирование логических функций..................................................... |
110 |
4.2.4. Дешифраторы-демультиплексоры ТТЛ ............................................... |
112 |
4.3 Мультиплексоры ....................................................................................... |
116 |
4.3.1. Назначение и принцип работы.............................................................. |
116 |
4.3.2. Мультиплексоры ТТЛ........................................................................... |
117 |
4.3.3. Наращивание разрядности мультиплексоров ...................................... |
119 |
4.3.4 Мультиплексоры КМОП........................................................................ |
120 |
4.3.5 Комбинационные схемы на мультиплексорах...................................... |
122 |
4.3.5.1 Число мест функции и число адресов MS равны .............................. |
123 |
4.3.5.2. Число мест функции больше числа адресов MS на единицу .......... |
125 |
4.3.5.3. Число мест функции больше числа адресов два .............................. |
130 |
4.4. Схемы сравнения цифровых кодов ......................................................... |
135 |
4.4.1. Введение................................................................................................. |
135 |
4.4.1. Цифровые компараторы........................................................................ |
138 |
4.5. Контроль правильности передачи информации .................................... |
141 |
4.5.1. Схема контроля четности (нечетности)................................................ |
142 |
4.6. Сумматоры................................................................................................ |
146 |
4.6.1. Комбинационные двоичные сумматоры.............................................. |
146 |
4.6.2. Многоразрядные двоичные сумматоры ............................................... |
150 |
4.6.3 Параллельный перенос........................................................................... |
151 |
4.6.4. Накапливающий 4-х разрядный двоичный сумматор ......................... |
153 |
4.6.5. Суммирование двоично-десятичных чисел ........................................ |
154 |
4.6.6. Суммирование чисел со знаками.......................................................... |
155 |
4.6.7. Арифметическо-логическое устройства............................................... |
157 |
4.7. Шинные формирователи.......................................................................... |
164 |
5 |
|
Print to PDF without this message by purchasing novaPDF (http://www.novapdf.com/)
4.7.2. Формирователи..................................................................................... |
162 |
4.7.2. Приемопередатчики ............................................................................. |
163 |
Часть 3. Устройства последовательностного действия.......................... |
164 |
Глава 5. Цифровые последовательностные устройства............................... |
164 |
5.1. Общие сведения ...................................................................................... |
164 |
5.2. Элементы с двумя устойчивыми состояниями...................................... |
164 |
5.3. Триггеры-защелки SR.............................................................................. |
167 |
5.3.1. SR-защелка на ЛЭ ИЛИ-НЕ ................................................................ |
167 |
5.3.2. SR-защелка на ЛЭ И-НЕ ...................................................................... |
169 |
5.3.3 Синхронные защелки SR-типа.............................................................. |
171 |
5.3.4. Синхронный D-триггер-защелка ......................................................... |
172 |
5.4. Двухступенчатый D-триггер................................................................... |
173 |
5.5. D-триггер переключающийся по переднему фронту ............................ |
174 |
5.6. Счетные триггеры.................................................................................... |
176 |
5.7. Универсальные J-K триггеры.................................................................. |
178 |
5.8. Регистры................................................................................................... |
180 |
5.8.1. Общая характеристика ......................................................................... |
180 |
5.8.2. Параллельные регистры....................................................................... |
180 |
5.9. Сдвигающие регистры............................................................................. |
181 |
5.9.1. Последовательный регистр сдвига вправо.......................................... |
183 |
5.9.2. Реверсивный регистр............................................................................ |
185 |
5.10. Кольцевые регистры-счетчики ............................................................. |
187 |
5.10.1. Кольцевой регистр сдвига единицы .................................................. |
187 |
5.10.2. Кольцевые счетчики........................................................................... |
189 |
5.11. Типовые счетчики.................................................................................. |
193 |
5.11.1. Асинхронные счетчики с последовательным переносом................. |
193 |
5.11.2. Синхронные счетчики ........................................................................ |
199 |
5.11.3. Реверсивные счетчики........................................................................ |
202 |
5.12. Программируемые делители................................................................. |
205 |
5.12.1. Программируемые делители с предварительной установкой.......... |
206 |
5.12.2. Программируемый делитель с использованием компаратора......... |
208 |
5.12.3. Программируемый делитель на кольцевых счетчиках..................... |
208 |
5.13. Цифровые автоматы .............................................................................. |
210 |
5.13.1 Общая теория цифровых автоматов................................................... |
210 |
5.13.1.1 Понятия и определения .................................................................... |
210 |
5.13.1.2 Способы задания цифровых автоматов........................................... |
213 |
5.13.1.3 Построение автомата Мура по схеме алгоритма ............................ |
215 |
5.13.1.4. Синтез автомата Мили..................................................................... |
218 |
5.13.2. Тактируемые синхронные конечные автоматы ................................ |
220 |
5.13.2.1. Структура конечного автомата ...................................................... |
220 |
5.13.2.2.Простой автомат на двух D-триггерах............................................. |
221 |
5.13.2.3. Цифровой автомат «суммирование-вычитание»........................... |
225 |
5.13.3. Синхронные автоматы на JK-триггерах............................................ |
227 |
5.13.3.1. Цифровой автомат для управления светодиодами ....................... |
227 |
6 |
|
Print to PDF without this message by purchasing novaPDF (http://www.novapdf.com/)
5.13.3.2. Цифровой автомат для 7-сегментных индикаторов ....................... |
233 |
Часть 4. Аналого-цифровое преобразование !....................................... |
239 |
Глава 6. Аналого-цифровое и цифро-аналоговое преобразование............... |
239 |
6.1. Дискретизация и квантование.................................................................. |
239 |
6.1.1. Введение................................................................................................. |
239 |
6.1.2. Принципы дискретизации аналоговых сигналов................................. |
239 |
6.2. Погрешности ЦАП и АЦП....................................................................... |
241 |
6.2.1. Погрешности квантования.................................................................... |
241 |
6.2.2. Погрешности преобразования ЦАП..................................................... |
242 |
6.3. Цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП)........................................... |
246 |
6.3.1. Классификация ЦАП ............................................................................ |
246 |
6.3.2. Параллельные ЦАП с суммированием весовых токов........................ |
246 |
6.4. Аналого-цифровые преобразователи (АЦП) .......................................... |
251 |
6.4.1. Классификация АЦП............................................................................. |
251 |
6.4.2. Параллельные АЦП............................................................................... |
251 |
6.5. Последовательные АЦП........................................................................... |
253 |
6.5.1. АЦП последовательного счета.............................................................. |
253 |
6.5.2. АЦП последовательного приближения................................................ |
254 |
6.6. Интегрирующие АЦП .............................................................................. |
256 |
6.7. АЦП многотактного интегрирования...................................................... |
257 |
6.8. Сигма-дельта АЦП................................................................................... |
258 |
Часть5. Введение в микропроцессорную технику.................................... |
260 |
Глава 7. Полупроводниковая память.............................................................. |
260 |
7.1. Введение.................................................................................................... |
260 |
7.2. Статическая память.................................................................................. |
262 |
7.3. Динамическая память............................................................................... |
263 |
7.4. Перепрограммируемая память................................................................. |
265 |
7.5. Флэш-память............................................................................................. |
266 |
Глава 8. Введение в микропроцессорную технику........................................ |
270 |
8.1. Введение.................................................................................................... |
270 |
8.2. Структура микропроцессорной системы ................................................ |
271 |
8.3. Обобщенная структура микропроцессора............................................... |
275 |
8.4. Устройство микроконтроллеров AVR..................................................... |
277 |
Приложения..................................................................................................... |
283 |
Литература....................................................................................................... |
285 |
7
Print to PDF without this message by purchasing novaPDF (http://www.novapdf.com/)
Список принятых сокращений
А – Address – адрес, адресный вход (выход) AD – Adder – сумматор
BD – Bus Driver – шинный драйвер
BI – Blanking Input – вход бланкирования, гашения C – Clock – синхронизация, вход тактовых импульсов Carry – перенос, вход (выход) переноса
CA – Column Anode – аноды столбцов
Collector – коллектор
CC – Cascade Connection – каскадное соединение ИС CD – Coder – шифратор
CRU – Carry Unit – устройство переноса
CS – Chip Select – выбор кристалла, вход выбора ЗУ
CT – Counter – счетчик
CU – Clock Up – суммирующий вход счетчика D – Data – данные, вход данных
D – Decimal – десятичный
DB – Data Bus Bidirectional – двунаправленная шина данных
DC – Decoding Circuit – дешифратор
DI – Data Input – вход данных DL – Data Left – вход сдвига влево
DO – Data Output – вход данных
DR – Data Right – вход сдвига вправо B – Binary – двоичный
O – Octanary – восьмеричный
H – Hexadecimal – шестнадцатиричный E – Enable – разрешение, вход разрешения
EEPROM – репрограммируемое ПЗУ c электрическим стиранием данных EI – Enable Input – разрешение ввода
EO – Enable Output –разрешение выхода
EF – Error Flove – поток ошибок, выход признака ошибок G – Generation – генерация, выход (вход) переноса генерации
I – Input – вход
L – Load – загрузка, вход загрузки
M – Mode – режим, вход выбора режима
MPL – Microcontrolled Programmable Logic – программируемое логическое устройство
MS – Multiplexer selector мультиплексор селектор MUX – Multiplexer – мультиплексор
P - PU – – выход переноса суммирования PC – Parity Control – контроль частоты
PE – Parity Even – четный паритет, выход четного паритета PO – Parity Odd – нечетный паритет, выход нечетного паритета PRCD – Priority Coder – шифратор приоритетов
8
Print to PDF without this message by purchasing novaPDF (http://www.novapdf.com/)
PROM – Programmable Read Only Memory – программируемое ПЗУ
R – Reset – сброс, вход обнуления
RAM – Random Access – память с произвольной выборкой (ОЗУ) RD – Read – чтение
Q – Quantity – величина, параметр
S – Set – установка, вход установки ИС в состояние логической "1" SU – Shift Unit – сдвигающее устройство
SU, SUB – Subtractor – вычитатель
T – Trigger – триггер
RG – Register – регистр
WR – Write – запись данных
WS – Word Select – выбор слова, вход выбора слова АЦП – аналого-цифровой преобразователь БИС – большая интегральная схема ЗУ – запоминающее устройство ИС – интегральная схема
КМОП – комплементарная МОП – структура ЛЭ – логический элемент МК микроконтроллер МП – микропроцессор
МОП – металл – окисел – полупроводник МПС микропроцессорная система МЭТ – многоэмиттерный транзистор ОЗУ – оперативное ЗУ ОК – открытый коллектор
ПЗУ – ROM– постоянное ЗУ
ПЛМ – PLA – программируемая логическая матрица ППЗУ – PROM– программируемое постоянное ЗУ РОН – регистр общего назначения СБИС сверхбольшая интегральная схема
СДНФ – совершенная дизъюнктивная нормальная форма СКНФ – совершенная конъюнктивная нормальная форма СОЗУ – SRAM – статическое ОЗУ
Z – третье состояние ЛЭ
ТТЛ – транзисторно-транзисторная логика ТТЛШ ТТЛ – с диодами Шотки УВВ устройство ввода/вывода
ЦАП – цифроаналоговый преобразователь ЦУ – цифровое устройство (узел)
ША – AB – шина адреса
ШД – DB– шина данных
ШУ – CB – шина управления ШФ – шинный формирователь ЭСЛ – эмиттерно-связанная логика
9
Print to PDF without this message by purchasing novaPDF (http://www.novapdf.com/)
ВВЕДЕНИЕ
Трудно найти какую либо сферу жизнедеятельности человека, в которой не применяется цифровая и вычислительная техника. По значимости для прогресса науки и техники появление ЭВМ настолько велико, что это явление можно поставить в один ряд с началом освоения космоса и практическим применением атомной энергии. Подготовка специалистов в области цифровой и микропроцессорной техники является важной задачей. Изучение материала можно вести шагая от общего к частному – от микропроцессорной системы к ее компонентам (базовым логическим элементам), либо от частного к общему. Это предопределило структуру построения учебного пособия. Был избран второй вариант, позволяющий пошагово накапливать знания, закрепляя их при изучении следующего, более сложного материала.
Первая глава посвящена алгебре логики. Здесь излагаются основные законы алгебры логики, принципы минимизации, анализа и синтеза цифровых логических элементов.
Во второй главе излагаются теоретические основы двоичной арифметики, суммирование двоичных чисел со знаками, умножение, деление.
Втретьей главе учебного пособия рассматриваются базовые логические элементы интегральных схем транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ), ТТЛ
сдиодами Шоттки (ТТЛШ), комплементарная логика металл-окисел- полупроводник (КМОПТЛ), эмиттерно связанная логика (ЭСЛ).
Глава 4 отдана комбинационным схемам. В ней подробно рассматриваются шифраторы, дешифраторы, компараторы, схемы контроля, шинные формирователи, сумматоры, арифметико-логические устройства. Для всех устройств приводятся таблицы истинности, условные графические обозначения.
Вглаве 5, отведенной последовательностным устройствам, излагаются материалы по триггерам, регистрам, счетчикам, структурам кольцевого типа, программируемым делителям. Для большинства устройств приводятся временные диаграммы, даются рекомендации по практическому применению.
Вшестой главе показаны принципы построения аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей, указываются источники погрешностей, приводятся структурные схемы.
Седьмая глава содержит описания некоторых разновидностей полупроводниковой памяти.
Ввосьмой главе излагаются общие принципы функционирования ЭВМ, даются структурные схемы микропроцессоров и микропроцессорных систем.
Взаключение дается краткое описание одного из популярных микроконтроллеров.
10
Print to PDF without this message by purchasing novaPDF (http://www.novapdf.com/)