Импульсные устройства.

Широко применяемыми узлами электронной техники и систем обработки информации являются импульсные устройства, которые мо­гут быть выполнены как на аналоговых, так и на цифровых микро­схемах (МС). Они используются в аналоговых вычислительных маши­нах (АВМ), в блоках управления, ввода и вывода цифровых ЭВМ, в телеметрической, радионавигационной аппаратуре, в системах ав­томатического регулирования и управления.

Импульсные устройства (ИУ) предназначены для формирования и преобразования электрических сигналов, имеющих характер им­пульсов и перепадов напряжений (потенциалов) или тока, а также для управления информацией, предоставленной упомянутыми сигна­лами.

Применение импульсного способа передачи информации обус­ловлено рядом причин: большинство технологических процессов имеют дискретный (тактовый) характер (пуск, останов, срабаты­вание защиты и т.д.), передача информации в виде импульсов поз­воляет снизить потребляемую мощность; повышается помехоустойчи­вость, точность и надежность электронных устройств, т.к. информа­ция передается в виде кодового набора импульсов и существенным является только наличие или отсутствие импульса.

Они характеризуются следующими параметрами:

U_m- амплитуда импульса;

t_И - длительность импульса;

t_П - длительность пауз между импульсами;

Т_П- период повторения импульсов;

f = 1/ Т_П - частота повторения импульсов;

Q = Т_П / t_П - скважность импульсов.

Реальный прямоугольный импульс имеет определенную длитель­ность фронта t_Ф (время нарастания от 0,1 до 0,9 U_m) и среза t_C. Обычно t_Ф и t_C << t_И , поэтому приближенно можно считать t_Ф = t_Ф = 0.

Т.к. прямоугольный импульс представляет перепад низкого и высокого потенциальных уровней, его можно представить измене­нием двоичного числа 0 и 1 или логического уровня Н (низкий) и В (высокий). Для работы с такими дискретными сигналами предназ­начены цифровые интегральные микросхемы (ЦИМС). Основой для их построения являются электронные ключи. Они могут находиться в одном из двух состоянии: В(1) и Н(0). Их действие заключается в переходе из одного состояния в другое под воздействием вход­ных логических сигналов. По функциональному назначению ЦИМС подразделяются на подгруппы: логические элементы (ЛЭ), тригге­ры, одно вибраторы, мультивибраторы, элементы арифметических и дискретных устройств и др. В зависимости от схемотехнической реализации ЦИМС делятся на следующие типы: транзисторной логики (ТЛ), диодно-транзисторной логики (ДТП), транзисторно-транзис­торной логики (ТТЛ), транзисторной логики на МОП-транзисторах (МОП ТЛ). К основным параметрам ЦИМС относятся:

- входное и выходное напряжения логического 0;

- входное и выходное напряжения логической 1;

- время задержки при включении – интервал времени меж­ду входным и выходным импульсами при переходе от к и другие.

Численные значения параметров зависят от типа используемых серий ЦИМС. Например, для серии К155 более 0,4 В, не менее 2,4 В, не более 1,6 мА, не более 0,04 мА.

Для анализа и синтеза ЦИМС широко применяется аппарат ал­гебры логики. Основным понятием последней является понятие "высказывание" - некоторое предложение, о котором можно утверж­дать, что оно истинно или ложно. Любое высказывание можно обоз­начить символом Х и считать, что Х=1, если высказывание истинно и Х=0 если высказывание ложно. Логическая переменная - такая величина X, которая может принимать только два значения: 0 или 1. Логическая функция у = f (Х₁, Х₂,…,Х_n) как и ее аргументы (Х₁, Х₂,…,Х_n) может принимать значения 0 или 1. При техничес­кой реализации логических функций логические переменные Х₁, Х₂,…,Х_n отождествляются с входными сигналами логических элемен­тов, а значения функции у = f (Х₁, Х₂,…,Х_n) - с выходными сигналами.

Функция у = f₁ (X), повторяющая значение переменной - тож­дественная, а функция у = f₂ (X), противоположная значениям Х -логическое отрицание (НЕ) f₂(X)= . Она реализуется логическим элементом НЕ (рис.2а), представляющим собой инвертирующий ключ. Дизъюнкция (логическое сложение "ИЛИ") - функция у = f₃ (Х₁, Х₂) = (может также обозначаться у = f₃ (Х₁, Х₂) = X₁ +X₂ истинно, когда истинны или Х₁ или Х₂, или обе переменные. Обозна­чение см. рис.2б).

Конъюнкция (логическое сложение, "И") - у = f₄ (Х₁, Х₂) = X₁ L X₂ (может также обозначаться у = f₄ (Х₁, Х₂) = X₁ × X₂ истинна только тогда, когда истинны Х₁ и Х₂. Обозначение рис. 2в).

Логические элементы "И" или "ИЛИ" обладают свойством двой­ственности, т.е. один и тот же элемент в зависимости от исполь­зуемой логики (положительной или отрицательной) может выполнять функции либо элемента "И", либо "ИЛИ" т.е. если логический элемент реализует функцию "ИЛИ" при положительной логике, то он одновременно может реализовать функцию "И" при отрицательной ло­гике.

Функция Пирса (отрицание дизъюнкции, "ИЛИ / НЕ") - у = f₅ (Х₁, Х₂) = X₁¯X₂ = истинна тогда, когда Х₁ или X₂ ложны. Обозначение – рис.2г).

Штрих Шеффера - (отрицание конъюнкции) функция у = f₆(Х₁, Х₂) = X₁ çX₂ = истинна тогда, когда Х₁ и Х₂ ложны. Обозначение – рис.2д).

В таблице 1 представлены состояния переключательной функ­ции у = f (Х₁, Х₂) при различных сочетаниях значений логических переменных Х₁ X₂. Эта таблица называется таблицей истинности.

Таблица 1

(1)

Если создавать устройство непосредственно реализующее эту функцию, потребуется структура, представленная на рис. 3. Однако эту структуру можно упростить, минимизировав выражение (1) на основе тождеств алгебры логики:

А+А = А (2) А×А = А (6) (10)

А+ = 1 (3) А× = 0 (7) А+АВ+АС = А (11)

А+0 = А (4) А×0 = 0 (8) А+ = А+В (12)

А+1 = 1 (5) А×1 = А (9) (13)

(14)

Выносим в выражении ( 1) за скобки и используем тождество (3) и (9):

y = × + × + × = ( + )+ × = ×1+ × ­­= +

Обозначим = А и воспользуемся тождеством (12), (13):

А+ × =A+ = + =

Получилось, что выражение(1) реализуется с помощью одного эле­мента И-НЕ. При проектировании логических элементов стремятся использовать ограниченную номенклатуру логических элементов. В частности любое устройство может быть реализовано исключительно на элементах "И-НЕ" (или "ИЛИ/НЕ"). Так операция "НЕ" может быть реализована элементом "И-НЕ", в котором на каждом из входов пе­ременная X. Тогда у = × = . Схема представлена на рис.4а. Операция "ИЛИ" реализуется следующим образом: .Схема устройства - на рис.4б. Операция "И" реализуется: Х₁×Х₂ = . Использовано тождество (10). Схема – рис.4в.

Следует отметить, что входной сигнал воспринимается логи­ческим элементом на уровне 0 только в том случае, если протека­ет ток с входа МС во внешнюю цепь. Если к входу ничего не подклю­чено ("висит в воздухе"), нет пути для протекания тока через вход и данное положение воспринимается также, как если бы на вход был подан сигнал 1. Схема внутренних элементов логической ячейки И-НЕ представлена на рис.5.