Общее описание

УСТРОЙСТВА КОМБИНАЦИОННОГО ТИПА

ГЛАВА 8

ШИФРАТОРЫ

Общее описание

Шифратор – ENCODER - устройство, осуществляющее преобразование десятичных чисел (позиционный код) в двоичный код. Шифратор имеет m входов, пронумерованных десятичными числами (0, 1, 2 ... m – 1), и n выходов, причем 2ⁿ ³ m . Подача управляющего сигнала на один из входов приводит к появлению на выходе n-разрядного двоичного числа, соответствующего номеру возбужденного входа. Если т – число входных однопозиционных кодов, то минимальная разрядность п двоичного кода будет равна ближайшему большему целому от 1 до 2ⁿ . Из данного определения следует, что шифратор выполняет микрооперацию обратную микрооперации дешифратора. Шифраторы широко применяются в устройствах автоматики и системах телекоммуникаций, в вычислительной технике и цифровой бытовой электронике, особенно в устройствах ввода/вывода информации. На клавиатуре ввода имеются клавиши с десятичными цифрами, буквенный алфавит, а при нажатии клавиши позиционный код должен преобразоваться в двоичный код.

Строят шифраторы, как правило, на небольшое число (8–16) входов и синтез устройства осуществляют с помощью достаточно простых алгебраических преобразований. При большом числе входов пользуются вычислительными приемами, позволяющими перевести любое десятичное число в двоичный код.

Проанализируем способ построения и структуру шифратора, предназначенного для обработки зависимых однопозиционных сигналов. Этот термин применительно к шифраторам клавиатуры обозначает, что из всех клавиш должна быть нажата только одна.

Имеется наборное поле с восьмью клавишами, пронумерованными цифрами 0–9. Клавиша, как правило, связана с простым механическим ключом, который выдает при нажатии кнопки либо высокий уровень, либо низкий. При этом в текстах и таблицах используются следующие обозначения: высокий уровень – «В», лог. «1» или «Н» (от англ. High); низкий – «Н», лог. «0» или «L» (от англ. Low). Механические ключи можно дополнить буферными логическими элементами инвертирующего (не инвертирующего) типа, которые нормализуют параметры управляющего сигнала по логическим уровням и временам нарастания и спада. Формирование управляющего сигнала производится с использованием инверторов или повторителей, а

Дадим краткую характеристику показанных формирователей.

Формирователи, показанные на рис. 8.1, а и представляют собой механические ключи. В первом случае (рис. 8.1, а) в исходном состоянии ключ разомкнут, напряжение на выходе высокое. При нажатии кнопки выход замыкается на общую шину и на выходе устанавливается физический 0. Во втором случае (рис. 8.1, b) исходном состоянии ключ замкнут на «землю» и при нажатии кнопки выход подключается через резистор к источнику питания – на выходе формируется положительный импульс. Основными недостатками обоих ключей являются: ненормированные параметры получаемых импульсов по амплитуде, временам нарастания и спада и помех из-за дребезга контактов.

Следующие два переключателя (рис. 8.1, c и d) имеют на выходах инверторы (можно устанавливать повторители), вследствие чего имеется согласование с цепями нагрузок. Однако дребезг контактов имеется, и этот недостаток является весьма существенным.

Формирователь, показанный на рисунке 8.1, е, выполнен на базе двух логических элементах (ЛЭ) И-НЕ, образующих асинхронный SR-триггер. В исходном состоянии на входе b ячейки D2 уровень лог. 0, следовательно, на инверсном выходе высокий уровень. Этот уровень по цепи обратно связи поступает на один из входов ЛЭ ячейки D1, на втором входе которой также высокий уровень, поучаемый через резистор R от источника питания. При наличии двух единиц на входе ячейки D1 типа И-НЕ на её выходе устанавливается лог. 0.

При нажатии кнопки SB на вход а D1 поступает лог. 0 и на выходе х₁ устанавливается высокий уровень на время удержания кнопки. После отпускания кнопки устройство возвращается к исходному состоянию.

Достоинством формирователя на SR-триггере является полное отсутствие эффекта дребезга контактов. Действительно, если после нажатия кнопки контакты начинают отскакивать (дребезжать), то в то время когда контакт находится в воздухе, на входе а ячейки D1 появляется высокий уровень. Но это не приводит к переключению, т.к. на её втором входе лог. 0. во время переходного процесса появляются единичные импульсы. Низкий уровень на втором входе ячейки D1 удерживает высокий уровень на прямом выходе х₁ триггера в течение времени удержания кнопки в нажатом состоянии.

Здесь не рассматриваются варианты использования интегрирующих цепочек для защиты от дребезга, поскольку они не являются достаточно надежными.

Следует отметить, что программный способ устранения дребезга является наиболее предпочтительным в тех случаях, когда его возможно применить.

Теперь перейдем непосредственно к вопросу построения шифраторов.

Рассмотрим вариант построения 10-входового 0–9 шифратора с единичными активными значениями входных сигналов (х₀–х₉). Закон функционирования шифратора представлен в таблице 8.1.

В крайнем левом столбце таблицы вписаны порядковые номера строк, в столбцах «Входные сигналы» помещены значения управляющих сигналов (х₀–х₉). Необходимо найти логические выражения, обеспечивающие формирование двоично-десятичного нормально взвешенного кода 8–4–2–1 при нажатии соответствующих кнопок 0–9 (четыре столбца «Выходного кода» – Y₃÷Y₀).

Решение задачи в общем виде в случае для восьми переменных представляется весьма трудной задачей. Однако можно заметить, что исходная функция принимает единичное значение в каждой строке всего лишь один раз, что упрощает решение задачи.

Судя по таблице 8.1, логическая единица на выходе Y₃ получается в случае, если логически просуммировать аргументы x₈, x₉:

Y₃ = x₈ Ú x₉.

По аналогии запишем остальные выражения:

Y₂ = x₇ Ú x₆ Ú x₅ Ú x₄;

Y₁ = x₇ Ú x₆ Ú x₃ Ú x₂; (8.1)

Y₀ = x₉ Ú x₇ Ú x₅ Ú x₃ Ú x₁.

При рассмотрении схемы, представленной на указанном рисунке, выясняем, что входной сигнал x₀ вообще не участвует в формировании выходного кода. Косвенным признаком включения нулевой позиции является отсутствие сигнала на любом из выходов Y₃÷Y₀.

Условное изображение шифратора приведено на рис. 8.4, а.

Следующий вид структурной схемы шифратора получим, если управляющие входные сигналы x₀–x₉ имеют нулевой активный уровень, на выходах Y₃÷Y₀ сигналы по-прежнему получают с высоким активным уровнем. Функционирование шифратора с низкими активными уровнями на входе показано в таблице 8.2.

Выходные сигналы шифратора Y₃÷Y₀ описываются следующими выражениями:

Y₃ = ; Y₂ = ;

Y₁ = ; Y₀ = . (8.2)

Конечно, эти логические выражения можно было получить из формул (8.1) путем преобраз ования по закону отрицания, не прибегая к помощи таблиц. Но при этом нет наглядной связи между активными уровнями входных и выходных сигналов.

Структурная схема устройства может быть выполнена на четырех логических элементах И-НЕ, как показано на рис. 8.3. В отсутствии входных управляющих сигналов на входах x₀–x₉ низкого уровня все выходы Y₃÷Y₀ также имеют низкий уровень, поскольку на всех входах высокие уровни.

Условное изображение шифратора приведено на рис. 8.4, б.

Структуры рассмотренных шифраторов предназначены для обработки зависимых однопозиционных сигналов, когда из всех клавиш должна быть нажата только одна (клавиатура ПК или сотового телефона и т.д.). При нажатии нескольких клавиш x₉–x₀ одновременно на выходе шифратора получается код, соответствующий операции «поразрядное ИЛИ» над кодами отдельных клавиш, и выходной код искажается.

Например, на вход одновременно поступили несколько сигналов: x₈, x₅ и x₂. Каждому входному сигналу сопоставляется своя комбинация управляющих сигналов на входах шифратора: 0100000000, 0000100000 и 0100000000, соответственно, записанных в порядке, принятом в табл. 8.1 и 8.2. При этом на выходах устанавливается соответствующие им выходные двоичные коды Y₃÷Y₀: 1000₂, 0101₂ и 0010₂. В результате поразрядного логического суммирования на выходе устанавливается код 1111₂ (15₁₀) не существующего входного сигнала. Произошла ошибка кодирования, что в некоторых ситуациях совершенно недопустимо.