Часть 2 Импульсные сигналы и электрический ключ

Ранее рассматривались аналоговые сигналы, т.е. такие которые являются электронными аналогами информационных сигналов. Например, изменению окружающей температуры может соответствовать аналогичное изменение тока или напряжения.

У аналоговых сигналов каждое значение в любой момент времени может быть использовано для передачи информации.

В импульсных цифровых устройствах, в компьютерах используются импульсные сигналы.

Значение сигнала с уровнем меньшим 0.1 U_m соответствует отсутствию импульса – логическому нулю. Если сигнал превышает уровень 0.9 U_m , то это соответствует логической единице. Очевидно, что импульсные сигналы обладают информационной избыточностью, т.к. обогащают исходный информационный сигнал дополнительными гармоническими составляющими. Но при этом импульсные сигналы с большей надежностью сохраняют информацию о логическом значении в условиях помех, наводок и шумов.

Для получения импульсного (логического) сигнала используют электронный ключ, который является основой для построения более сложных цифровых устройств, включая микропроцессоры. При малом входном напряжении U_вх > транзистор полностью открывается и на выходе ключа устанавливается логический 0.В этом случае ключ удобно рассматривать как переменное сопротивление :

ключ открыт – сопротивление мало;

ключ закрыт (разомкнут) – сопротивление большое;

Базовые логические элементы – это схемы, содержащие электронные ключи и выполняющие основные логические операции.

Т.к. цифровые переменные имеют только два уровня, то их можно обозначить, как «включено», «выключено» (истина – ложь). Представление цифровых сигналов в виде последовательности нулей и единиц хорошо согласуется с двоичной системой исчисления.

Благодаря высокой эффективности цифровых методов они хорошо применяются для передачи, сбора и хранения информации. При выполнении арифметических операций цифровые методы не имеют ограничений по точности, как это имеет место в аналоговых системах.

Основные логические операции и их реализации

Элемент ИЛИ реализуется схемой с параллельными ветвями (дизъюнкция)

A	B	C
0	0	0	1
0	1	1	0
1	0	1	0
1	1	1	0

Элемент И, реализуется последовательной схемой (конъюнкция)

A	B	C
0	0	0	1
0	1	0	1
1	0	0	1
1	1	1	0

Тождества, связывающие логические переменные

На основе простейших логических устройств можно строить более сложные комбинационные логические схемы – преобразователей совокупности входных логических уровней (входного слова или кода) в выходное слово (выходной код) без запоминания.

Запись логических функций осуществляется в совершенной нормальной дизъюнктивной форме, при которой функция записывается в виде дизъюнкции слагаемых, каждое из которых есть конъюнкция всех аргументов или их инверсий. Например, И-НЕ записывается в виде:

её можно преобразовать

Пример: Пусть имеем двухпозиционный переключатель, с помощью которого цифровые данные из каналов А и В направляются в канал С, переключение осуществлялось с помощью переменной x, таким образом, что код х = 1, данные поступают из канала А, а код х = 0 ( = 1) – из канала В.

Это можно записать в виде:

Рассмотрим подробнее некоторые комбинационные схемы

Дешифратор – это комбинационная схема, у которой логическая единица на одном из выходов при 0 на остальных выходах соответствует определенному коду на входе.

Если DC имеет n входов, то max число входов ровно m = 2ⁿ

, , , ,

т.е. DC преобразовывает каждое двоичное слово (число) в одну и только одну логическую единицу на соответствующем выходе, помеченном десятичным числом. Такие дешифраторы используют для вывода двоичного числа в десятичном виде, для определения адресной шины в микросхемах памяти и т.п.

Функциональная схема DC представлена на рис.

Шифратор – цифровое устройство выполняющие логические операции обратные дешифратору. Он преобразует одну или несколько логических единицу, поступивших на входы, в двоичный код на выходе, используются в устройствах ввода десятичных чисел.

Мультиплексор (см. выше) – комбинационная схема предназначенная для преобразования нескольких информационных каналов последовательно в один информационный канал. Переключение каналов происходит под действием управляющего сигнала

Обратную задачу выполняет демультиплексор. С его помощью осуществляется разделение на отдельные составляющие сложного информационного сигнала, полученного с помощью мультиплексора.

Мультиплексоры и демультиплексоры широко используются в системах связи (телефакс) когда по одной линии передачи необходимо передавать информацию от нескольких источников.

Сумматор выполняет арифметическое сложение двух двоичных чисел. Это важнейшая часть арифметического-логического блока микропроцессора. Различают полусумматор и полный сумматор. Полный сумматор отличается тем, что на его дополнительный вход поступает сигнал переноса от предыдущей схемы суммирования. Такого входа у полусумматора нет. Сумматоры характеризуются разрядностью. Различают одно- и многоразрядные сумматоры. Многоразрядные сумматоры строятся на основе одноразрядных.

Здесь a и b – входные двоичные числа, s – сумма a и b, p, p₁ – сигналы переноса, p_n-1 – входной сигнал переноса

Вх		Вых
а	в	s	P
0	0	0	0
1	0	1	0
0	1	1	0
1	1	0	1

Полный сумматор строится на основе двух полусумматоров

Сигнал на выходе комбинационных устройств могут появляться не одновременно. Например, в полном сумматоре выходной сигнал переноса, как правило, появляется быстрее, чем сигнал суммы. Объясняется это тем, что сигналы проходят разное число ступеней обработки. Кроме того, в импульсном сигнале есть временной интервал, когда значение логического сигнала не определено. Все это может вызывать появление логичных сигналов. Такие нарушения в работе цифровых устройств называют «состязаниями». Для их устранения осуществляют синхронизацию всех элементов цифрового устройства с помощью дополнительных схем И, ИЛИ, НЕ, которые позволяют всем информационным сигналам появляться только в момент передачи короткого импульсного сигнала синхронизации.

Триггеры – это устройства с двумя устойчивыми состояниями («О» или «Л»). При бесперебойном питании и при отсутствии существенных помех эти состояния могут сохраняться сколько угодно долго. Перемена состояния осуществляется внешним управляющим сигналом. Основное назначение – хранение двоичной информации. В персональных компьютерах на триггерах собрана КЭШ-память первого и второго уровня.

Асинхронный RS-триггер

R	S	Q
0	0	Хром
1	0	0
0	1	1
1	1	Запрет

Для повышения помехоустойчивости и устранения «состязаний» используют синхронный RS-триггер

Одним из самых широко используемых триггеров является D-триггер (триггер задержки)

Информация в D-триггер записывается по заднему фронту синхроимпульса, поэтому сигнал на выходе Q при под-е n-ого импульса появляется с задержкой на один такт Q(n) = Q(n-1)

JK-триггеры обладают большими функциональными возможностями т.к. на входе элементов И подаются выходные сигналы RS-триггера, то один из элементов будет закрыт. По этой причине на входе JK-триггера можно одновременно подавать единичные сигналы. У простого RS-триггера такая комбинация запрещена. Если J=K=0 – получим режим хранения. Если J=K=1, то с приходом 1 на вход триггер изменит своё состояние.

Счетчики и регистры это устройства, содержащие несколько триггеров .

Если состояние устройства определяется числом поступивших на вход импульсов, то такое устройство называют счетчиком. Различают суммирующий, вычитывающий и реверсивный счетчики.

Наиболее часто используют последовательные двоичные счетчики.

Число состояний счетчика (модуль М) М ≤ 2ⁿ где n - число двоичных разрядов (триггеров)

Счетчики широко используют в ЭВМ для получения адресов команд, для деления частоты задающего генератора и т.п.

N
0	0	0	0
1	1	0	0
2	0	1	0
3	1	1	0
4	0	0	1
5	1	0	1
6	0	1	1
7	1	1	1
8	0	0	0

Регистром называются совокупность триггеров предназначенных для хранения двоичного слова.

Это последовательный регистр (сдвиговый).

Вводимый код (слово) подается поразрядно, начиная со старшего разряда. Синхронизирующий импульс подается на все триггеры одновременно. Если триггеров N то для заполнения регистра нужно подать N синхроимпульсов.

Вывод хранимого кода можно производить или параллельно, или последовательно.

Это параллельный регистр:

Регистры широко используются в компьютерах в качестве элементов памяти и при построении арифметических устройств микропроцессоров.

Литература:

1. Кучумов А.И. Электроника и схемотехника.- М.Гелиос АДВ.2002

2. Фишер Дж. Электроника от теории к практике.- М.Энергия 1980г.

3. Гутников Интегральные схемы в измерительной технике.

4. Титце, Шенк. Полупроводниковая схемотехника.- М.Энергия.