Принципи функціонування, вибору й практичної реалізації електронних пристроїв різного призначення

Схемні особливості логічних елементів. D–тригери зі статичним та динамічним управлінням. Збільшення розрядності дешифраторів і демультиплексорів. Лічильники з послідовним та паралельним перенесенням. Збільшення розрядності комірок пам'яті і їх кількості.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

44

Размещено на

Анотація

Методична розробка для самостійної роботи складеться із розділів та тем передбачених згідно з учбовою програмою на самостійну роботу.

Дана розробка присвячена, в цілому, вивченню основних цифрових пристроїв і написана відповідно до програми курсу “Комп'ютерна схемотехніка” для студентів, що навчаються по спеціальностях 5.05010301 „ Розробка програмного забезпечення”

У даній методичній розробки викладені в стислій і доступній формі основні розділи програми курсу за темами для самостійного навчання, розглянуті принципи функціонування, вибору й практичної реалізації електронних пристроїв різного призначення, методи їх аналізу й розрахунків. Особлива увага приділяється питанням практичної побудови цифрових електронних пристроїв.

Зміст

1. Логічні функції й елементи

1.1 Основні положення алгебри-логіки

1.2 Перемикальні функції

1.3 Умовні позначки логічних функцій на схемах

1.4 Схемні особливості логічних елементів

1.4.1 Базовий логічний елемент

1.5 Елемент із відкритим колектором

1.6 Елементи логіки й розширники

1.7 Тристабильні елементи

1.8 Тимчасові параметри логічних елементів

1.9 Перехідні процеси в логічних схемах

2. Послідовні схеми

2.1 Тригери

2.2 D - тригер зі статичним управлінням

2.3 D - Тригер з динамічним управлінням

2.4 Взаємні перетворення тригерів

3. Дешифратор

4. Демультиплексор

4.1 Збільшення розрядності дешифраторів і демультиплексорів

5. Мультиплексор

6. Шифратор (пріоритетний, непріоритетний)

7. Схема порівняння кодів

8 Схема контролю парності (непарності)

9 Лічильники

9.1 Лічильники з послідовним перенесенням

9.2 Лічильники з паралельним перенесенням

9.3 Реверсивні лічильники

9.4 Лічильники з довільним коефіцієнтом рахунку не рівним 2n

10 Збільшення розрядності комірки пам'яті

11 Збільшення кількість комірок пам'яті

1. Логічні функції й елементи

1.1 Основні положення алгебри-логіки

На відміну від аналогових електронних пристроїв, у цифрових пристроях (ЦП) вхідні й вихідні сигнали можуть ухвалювати обмежену кількість станів. Відповідно до логічної угоди ( ДЕРЖСТАНДАРТ 2.743-82), залежно від конкретної фізичної реалізації елементів ЦП, більш позитивному значенню фізичної величини, "H" - рівень, відповідає стан "логічна 1", а менш позитивному значенню, "L - рівень" - "логічний 0". Така угода називається позитивною логікою. Зворотне співвідношення називається негативною логікою. У Гості 19480 - 89 дані найменування, визначення й умовні позначки основних параметрів і характеристик цифрових мікросхем.

Теоретичною основою проектування ЦП є алгебра-логіки або булева алгебра, що оперує логічними змінними. Для логічних зміни, що ухвалюють тільки два значення, існують 4 основних операції. Операція логічне "И" (AND) кон'юнкція або логічне множення, позначається * або /\. Операція логічне "АБО" (OR), диз'юнкція або логічне додавання, позначається + або \/ . Операція логічне "НЕ" (NOT), зміна значення, інверсія або заперечення, позначається рисою над логічним вираженням. Інверсія іноді буде в тексті позначатися знаком " ~ ". Операція еквівалентності позначається "=" . Наступні співвідношення є аксіомами.

(1)	0 + 0 = 0		1 * 1 = 1	(1')
(2)	1 + 1 = 1		0 * 0 = 0	(2')
(3)	1 + 0 = 0 + 1 = 1		0 * 1 = 1 * 0 = 0	(3')
(4)	~1 = 0		~0 = 1	(4')

З (1, 2) і (1',2') випливає: x + x = x і x * x = x. (5)

З (1, 3) і (2',3') випливає: x + 0 = x і 0 * x = 0. (6)

З (2, 3) і (1',3') випливає: 1 + x = 1 і x * 1 = x. (7)

З (3) і (3') випливає: x +~x = 1 и~x * x = 0. (8)

З (4) і (4') випливає: ~(~x) = x. (9)

І, нарешті, з (1,1'), (2,2'), (3,3') і (4,4') випливає:

~( x0+x1 ) = ~x0 * ~x1 і ~( x0 * x1) = ~x0 + ~x1 . (10)

Останні вираження (10) називають принципом подвійності або теоремою Де Моргана (інверсія логічної суми дорівнює логічному добутку інверсій і навпаки). Співвідношення подвійності для n змінних, часто записують у вигляді:

~(x1 + .. + xn) = ~x1 * . .* ~xn і ~(x1 * .. * xn) = ~x1 + .. + ~xn (11)

На функції И и АБО поширюються звичайні алгебраїчні закони - переміщувальний, сполучний і розподільний, які легко доводяться методом перебору: x1 op x0 = x0 op x1 - переміщувальний,, x2 op x1 op x0 = (x2 op x1) op x0 - сполучний і x2*(x1+x0) = (x2*x1) + (x2*x0) і x2 + (x1*x0) = (x2+x1) * (x2+x0) - розподільний, де операція op може бути, або И, або АБО. Поряд із трьома основними логічними функціями, називаними також перемикальними, існують і інші.

1.2 Перемикальні функції

Для n - логічних змінних (аргументів) існує 2n їх комбінацій або двійкових наборів. На кожному такому наборі може бути визначене значення функції 0 або 1. Якщо значення функції відрізняються хоча б на одному наборі, функції - різні. Загальне число перемикальних функцій (ПФ) від n аргументів рівно N=22n. Для n=2, N=16. При n=3, N=256 і далі дуже швидко росте. Практичне значення мають 16 функцій від 2-х змінних, тому що будь-яке складне вираження можна розглядати як композицію з найпростіших. У таблиці 1 наведені деякі із ПФ для n=2. i-номер набору вхідних змінних x1 і x0.

Функція "И" дорівнює одиниці, якщо дорівнюють одиниці ВСІ її аргументи. Функція "АБО" дорівнює одиниці, якщо дорівнює одиниці ХОЧА Б один аргумент. Функція ", ЩО ВИКЛЮЧАЄ АБО" (XOR) дорівнює одиниці, якщо дорівнює одиниці ТІЛЬКИ один її аргумент.

1.3 Умовні позначки логічних функцій на схемах

УГП логічних елементів: а) Інвертор, б) АБО, в) И, г), Що Виключає АБО, д) АБО-НЕ, е) І-НЕ.

Кількість входів логічного елемента, що брав участь у формуванні логічної функції, називається коефіцієнтом об'єднання - Коб ( не плутати з коофіціентом розвітвлення). В усіх вище наведених схем, за винятком інвертора, коефіцієнт об'єднання рівний двом. Промисловістю випускаються схеми з Коб=2,3,4,8. Для одержання схем з іншим числом входів основні елементи можна поєднувати. Наприклад, якщо потрібно п'яти входова схема И, те її можна одержати, використовуючи сполучний закон у такий спосіб: x0 * x1 * x2 * x3 * x4 = (x0*x1) * (x2*x3*x4) = (x0*x1) * x2 * x3 * x4, тобто потрібні дві двох входові й одна трьох входові схеми И, для першого варіанта, або одна двох входова й одна чотирьох входова - для другого (мал.1).

Можна використовувати й восьми входову схему И, подавши на незадіяні входи "1", або деякі зі змінних, відповідно до виражень (5) или (7).

1.4 Схемні особливості логічних елементів

Наведені вище логічні елементи (ЛЕ) И, АБО, НЕ, І-НЕ й інші можуть мати деякі схемотехничні особливості.

1.4.1 Базовий логічний елемент

На малюнку наведена спрощена схема Й-НЕ і його умовна позначка.

Напруги на базах транзисторів VT1 і VT2 перебувають у противофазі й, якщо x0*x1=1, те нижній транзистор відкритий, а верхній закритий, тому що ~(x0*x1)=0 . Потенціал колектора VT2 у цьому випадку приблизно дорівнює нулю й отже y=0. При інших значеннях x0 і x1 нижній транзистор закритий, а верхній відкритий і на виході схеми - високий рівень, тобто схема працює як елемент І-НЕ. Виходи декількох БЛЕ категорично не можна з'єднувати разом, тому що, якщо n-1 елементів перебувають у стані "1", а n-ий у стані "0", те n-1 транзисторів VT1 будуть "зливати" (sink) струми в єдиний транзистор VT2 n-го елемента. Сумарний струм може перевищити припустиме значення й VT2 вийде з ладу.

1.5 Елемент із відкритим колектором

Логічний елемент І-НЕ з відкритим колектором (ВК) (див.мал.2. ліворуч) позначається в поле елемента ромбом з рисою внизу.

До відкритого колектора зовні можуть підключатися резистори, обмотки реле й двигунів, світо діоди і т.д. Відкриті колект...