Простейшие ЛЭ имеют следующие характеристики. 1 страница

1. Быстродействие – один из важнейших параметров, характеризуемый средним временем задержки распространения сигнала:

где и - задержка включения и выключения схемы.

2. Нагрузочная способность – показывает, на сколько логических входов может быть одновременно нагружен выход данного ЛЭ без нарушения его работоспособности.

3. Коэффициент объединения по входу – определяет максимально возможное число входов ЛЭ. Увеличение входов ЛЭ расширяет их возможности за счет реализации функции от большего числа аргументов на одном элементе, однако при этом ухудшаются быстродействие и помехоустойчивость.

4. Помехоустойчивость – характеризует способность ЛЭ правильно функционировать при наличии помех. Она определяется максимально допустимым напряжением помехи, при котором обеспечивается работоспособность схемы.

5. Потребляемая мощность

где Р_о и Р_з – потребляемая мощность в открытом и закрытом состоянии.

ЛЭ характеризуются также количеством используемых источников питания и значениями напряжения питания, а также полярностью и уровнями водного и выходного сигналов.

Основные параметры ЛЭ.

1. Коэффициент разветвления по выходу К_раз. Определяет число входов однотипных интегральных ЛЭ, которые одновременно могут быть подключены к выходу данного ЛЭ при сохранении его работоспособности в заданных условиях эксплуатации.

2. Коэффициент объединения по входу К_об. Определяет число входных сигналов ЛЭ, которые участвуют в формировании заданной логической функции.

3. Статические. К ним относятся: входная, определяющая зависимость входного тока от входного напряжения; выходная, задающая связь между выходными напряжением и током; передаточная,которая определяет зависимость выходного напряжения от входного.

4. Динамические. От них зависит быстродействие ЛЭ. К ним относятся: время перехода ЛЭ из состояния 1 в состояние 0 t^1,0 , и перехода в обратное состояние t^0,1, указанные временные интервалы измеряются на уровнях 0,1-0,9 от установившихся значений в цепочке из однотипных ЛЭ; время задержки включения ; время задержки выключения ; время задержки распространения при включении ; время задержки распространения при выключении .

5. Вид реализуемой логической функции. И, НЕ, ИЛИ, И-НЕ, ИЛИ-НЕ, И-ИЛИ-НЕ.

ТРЕТИЙ ВОПРОС.

В настоящее время выпускается широкая номенклатура ИЛЭ в составе различных серий ИМС на основе биполярных и полевых транзисторов. При построении КЦУ выбор ИЛЭ осуществляется по их характеристикам и параметрам.

Наиболее широкое применение в микропроцессорной технике, используемой для построения устройств ЧПУ, нашли ИЛЭ построенные по технологиям ТТЛ, ТТЛШ, ЭСЛ и КМОП.

Условные графические обозначения интегральных логических

элементов на принципиальных электрических схемах.

а) элемент НЕ; б) элемент ИЛИ; в) элемент И; г) элемент ИЛИ-НЕ, стрелка Пирса, сложение с отрицанием; д) элемент И-НЕ, штрих Шеффера, умножение с отрицанием; е) элемент реализующий умножение и сложение нескольких аргументов.

Элементы, реализующие простейшие логические функции схематически изображают в виде прямоугольников, на поле которых изображается символ, обозначающих функцию, выполняемую данным элементом.

Входные переменные (х₁, х₂) принято изображать слева, а выходные (у) – справа. Считается, что передача информации происходит слева на право.

Если выходы одних элементов соединить с входами других, то получим схему, реализующую более сложную функцию.

Совокупность различных типов элементов, достаточных для воспроизведения любой логической функции, называют логическим базисом.

Логическим базисом являются логические элементы: И и НЕ, И-НЕ.

С помощью соединения ЛЭ И и НЕ можно получить элемент ИЛИ.

Логический базис может состоять и из одного типа элементов, например И-НЕ. Соединение таких элементов позволяет реализовать логические функции И, ИЛИ, НЕ.

Схема реализации в логическом базисе И-НЕ функций а) И; б) ИЛИ.

Универсальность элемента И-НЕ обеспечила ему широкое применение при создании логических устройств цифровой техники.

Существует и ряд других элементов, реализующих простейшие логические функции. К их числу, например, относятся элементы суммирования по модулю два, реализующих функцию неравнозначности двух переменных:

Функция неравнозначности равна единице лишь в случае, когда переменные х₁ и х₂ имеют разные значения.

При построении цифровых устройств на базе ИЛЭ часто возникает необходимость объединения выходов нескольких ЛЭ с целью перехода на общую выходную цепь. Эта задача может решаться разными способами. Можно выполнить объединение нескольких выходных цепей с помощью логического элемента ИЛИ.

При этом приходится мириться с дополнительными затратами и увеличением задержки прохождения цифровых сигналов. Другой способ основан на применении в ЛЭ выходных цепей с открытым коллектором или эмиттером.

На рисунке, а показано объединение выходных цепей с открытым коллектором, к которым через внешний резистор подключен источник питания. Такое включение эквивалентно использованию дополнительного ЛЭ ИЛИ, поэтому его иногда называют «проводным (монтажным) ИЛИ». На функциональных схемах наличие выхода с открытым коллектором часто отмечается специальным символом в обозначении элемента (рис. б). Аналогично может быть организовано объединение выходных цепей с открытым эмиттером. На функциональных схемах такой выход также отмечается специальным символом (рис. в).

Один из наиболее широко используемых способов объединения выходов элементов основан на применении выходных цепей, допускающих управляемое отключение от нагрузки, называемое часто переходом в третье состояние. Обычно для этой цели используется выходной каскад на двух транзисторах.

Кроме состояний на выходе U⁰ (транзистор VT2 открыт, VT1 – заперт) и U¹ (транзистор VT2 заперт, VT1 – открыт) может быть реализовано третье состояние, когда оба транзистора заперты. Такое состояние соответствует отключению выходного каскада от нагрузки. Наличие у ЛЭ выходов с тремя состояниями позволяет объединять выходы без использования дополнительных элементов.

Литература:

1. В.В. Стрыгин «Основы вычислительной, микропроцессорной техники и программирования» стр.: 72-82.

2. Б.Я. Лихтциндер «Микропроцессоры и вычислительные устройства в радиотехнике» стр.: 38-39, 45-46.

3. Э.В. Евреинов «Цифровая и вычислительная техника» стр.: 63-68.

4. В.А. Скаржепа «Электроника и микросхемотехника» ч. 1, стр.: 203-207.

ЗАНЯТИЕ 1.1.2 Назначение и классификация триггеров. Логика работы

функционально разных схем триггеров.

ВОПРОСЫ ЗАНЯТИЯ:

1. Триггеры. Общие сведения, назначение и классификация.

2. Логика работы функционально разных схем триггеров.

ПЕРВЫЙ ВОПРОС

Триггер – один из важнейших элементов цифровых вычислительных устройств. Триггеры могут быть собраны на транзисторах, на логических элементах в интегральном исполнении, а также выпускаются как готовые изделия в виде микросхем (один или несколько триггеров в общем корпусе).

Триггером называют устройство, которое может находиться в одном из двух устойчивых состояний и переходить из одного состояния в другое под воздействием входного сигнала с учетом состояния, в котором он находился в предшествующий момент времени.

Триггеры можно классифицироватьпо различным признакам.

1. По способу приема информации: асинхронные и синхронные.

Асинхронные триггеры воспринимают информационные сигналы и реагируют на них в момент их появления на входах триггера.

Синхронные триггеры реагируют на информационные сигналы при наличии разрешающего сигнала на специальном управляющем входе С, называемом входом синхронизации. Синхронные триггеры подразделяются:

- триггеры со статическим управлением воспринимают информационные сигналы при подаче на С-вход уровня 1 (прямой С-вход) или 0 (инверсный С-вход).

- триггеры с динамическим управлением воспринимают информационные сигналы при изменении сигнала на С-входе от 0 к 1 (прямой динамический С-вход) или от 1 к 0 (инверсный динамический С-вход).

Переход от 0 к 1 осуществляется по переднему фронту, а от 1 к 0 по заднему фронту. Наиболее широко используются – вторые. Их называют триггерами с внутренней задержкой. Возможность задержки момента опрокидывания триггера на время, равное длительности тактового импульса эффективно используется при обработке информации, позволяя по переднему фронту считывать, а по заднему записывать информацию.

2. По принципу построения триггеры со статическим управлением можно разделить на одноступенчатые и двухступенчатые.

Одноступенчатые триггеры характеризуются наличием одной ступени запоминания информации.

В двухступенчатых триггерах имеются две ступени запоминания информации. Вначале информация записывается в первую ступень, а затем переписывается во вторую и появляется на выходе.

3. По функциональным возможностям различаются:

-триггер на логических элементах И—НЕ.Наибо­лее распространенный вид логических элементов в интеграль­ном исполнении — это элементы И—НЕ. Как пример микро­схем ТТЛ на биполярных транзисторах можно назвать микро­схемы К155ЛАЗ и К555ЛАЗ, а микросхем КМОП на полевых транзисторах —К176ЛА7, К561ЛА7, 564ЛА7. На ос­нове всех этих микросхем легко построить триггеры.

На рис. 2.5 приведена схема и временная диаграмма про­стейшего асинхронного - триггера. Он содержит только два логических элемента И—НЕ. Один его вход обозначен и слу­жит для установки триггера в состояние 1, другой — и слу­жит для возвращения в состояние 0. Штрихи над обозначени­ями входов показывают, что управление осуществляется сиг­налами в момент их перехода от высокого уровня к низкому.

Как следует из рисунка, когда на входы и не посту­пают внешние сигналы (низкого уровня),триг­гер сохраняет свое состояние: неподключенный (открытый) вход микросхем ТТЛ «ведет» себя так, как если бы на нем был сигнал высокого уровня. Для микросхем КМОП входы откры­тыми оставлять нельзя. Неиспользуемые входы обязательно следует подключать к проводу питания или общему проводу в зависимости от конкретной реализуемой логической функции.

Если, например, Q=l и =0, т. е. триггер в единичном со­стоянии _(на выходе Q — напряжение высокого уровня, и на выходе — низкого),то вследствие соедине­ния выхода элемента DD1 с одним из входов DD2 и выхода DD2 с одним из входов DD1 на обоих входах элемента DD2

действует напряжение высокого уровня, а на его выходе — низ­кого, что соответствует =0. В это же время на одном из вхо­дов элемента DD1 напряжение низкого уровня (с выхода DD2),что достаточно для обеспечения на вы­ходе DD1 напряжения высокого уровня (Q=l).

Если в этом состоянии триггера на вход поступит сигнал указанной на диаграмме полярности (момент t₁), состояние триггера не изменится. Поступление сигнала на второй вход DD1 только временно изменит сочетание сигналов на обоих входах (было высокое и низ­кое напряжение, а стало низкое и низ­кое), но при этом уровень выходного напряжения остается неизменным. Если, однако, сигнал поступит на вход (момент t₂), то на одном входе DD2 будет высокий уровень, а на другом — низкий, уровень напряжения на выходе изменится и станет высоким.

Рис. 3. -триггер на логических элементах И—НЕ.

Рис. 4. Временные диаграммы работы -триггера.

С этого момента на обоих входах DD1 окажется напряжение высокого уровня и на выходе состояние изменится с высокого уровня на низкое, т. е. триггер скачком перейдет в другое состояние, при котором Q = 0 и =_l. Поэтому только при чередовании сигналов на входах и возможна смена состояний триггера.

При одновременном поступлении импульсов низкого уровня на оба входа и устройство теряет триггерные свойства и на обоих выходах возникает напряжение высокого уровня; с прекращением входных импульсов состояние триггера становится неопределенным. Поэтому одновременная подача им­пульсов на оба входа ( и ) не разрешается. Это ограничение не связано с опасностью повреждения интегральной микро­схемы, а только служит отражением того факта, что состояние триггера становится неопределенным и схема утрачивает свой­ства триггера. Исполнение логических элементов И—НЕ (ТТЛ или КМОП) не влияет на способ их включения в схеме триг­гера и на временные диаграммы, но всегда следует иметь в виду различие обоих видов интегральных микросхем и особенности их использования.

Таблица состояний -триггера имеет следующий вид:

-триггеp реализуется на двух логических элементах И— НЕ. Смена состояния -триггеpa происходит при поступлении на входы сигналов низкого уровня. Триггер реагирует на первый импульс в последовательности импульсов, поступаю­щих на вход или .

Напомним, что входные сигналы, обозначенные и , от­носятся к одному интервалу времени (такту) t_n, а выходные сигналы Q_n+1 и — к другому интервалу времени (такту) t_n+1, следующему после t_n.

RS-триггер на логических элементах И—НЕ. Как и -триггер (см. рис. 2.5), RS-триггер «запоминает» своим вы­ходным состоянием, на какой из двух входов (R или S) посту­пил последний импульс: если на вход R, триггер принимает ну­левое состояние (Q = 0 и =l), а если на вход S,— единичное

состояние (Q=l и =0).

На рис. 2.6 приведена схема RS-триггера на логических

элементах И—НЕ. Она повторяет схему -триггера (логиче­ские элементы DD1 и DD2 на рис. 2.5) — с той разницей, что к каждому входу добавлено по инвертору (DD3 и DD4), кото­рые только меняют уровень входных сигналов: переключаю­щим вместо сигнала с 0 на 1 становится сигнал с 1 на 0. Действие триггера поясняет временная диаграмма. Изменение уровней входных сигналов от низкого к высокому приводит к смене со­стояния триггера (моменты времени t₁, t₂, t₃ и t₅; в момент t₄ переключения не происходит, так как триггер уже установ­лен в единичное состояние в предшест­вующий момент t₃). Все сказанное о -триггере остается в силе и для RS-триггера. Единственное различие касается уровней входных сиг­налов: R вместо и S вместо .

Рис. 5. RS-триггер на логических элементах И—НЕ.

Рис. 6. Временная диаграмма работы RS-триггера.

Поведение RS-триггера отображает следующая таблица:

Одновременная подача сигналов высокого уровня на оба входа не разрешается.

Триггер меняет свое состояние при чередовании на входах

импульсов вида c 0 на1.Он реагирует на первый (из последо­вательности) импульс, поступающий на вход R или S.

RS-триггер на логических элементах ИЛИ—НЕ.Из ло­гических элементов ИЛИ—НЕ наибольшее распространение имеют следующие типы: К155ЛЕ1, К555ЛЕ1 (интегральные микросхемы ТТЛ) и К176ЛЕ5, К561ЛЕ5, 564ЛЕ5 (интеграль­ные микросхемы КМОП). В корпусе каждой из упомянутых микросхем содержится четыре независимых двухвходовых эле­мента, связанных общим питанием. RS-триггер, схема и вре­менная диаграмма которого приведены на рис. 2.7, собран из таких элементов.

Состояние этого триггера определяется сиг­налами, поступающими на входы R и S. Если R = S = 0, триггер сохраняет свое состояние, так как выходные уровни обоих ло­гических элементов не изменяются. При S=1и R=0 уровень выходного напряжения логического элемента DD2 становится низким, т. е. =0, независимо от значения сигнала на втором входе этого элемента.

Рис. 7. RS-триггер на логических элементах ИЛИ—НЕ.

Поскольку на обоих входах логического элемента DD1 в данный момент действуют сигналы низкого уро­вня, на его выходе будет сигнал высокого уровня и, следова­тельно, Q=l. Это напряжение обеспечит сохранение состояния =0 и в том случае, когда напряжение на входе S снова станет низкого уровня (S = 0). Подобным же образом при S = 0 и R=1 на выходе будет Q = 0 и =l, т. е. триггер установится в дру­гое устойчивое состояние.

При одновременном появлении на входах сигналов S = R=1напряжение на обоих выходах станет низкого уровня (Q = = 0), и если после этого входные сигналы одновременно изме­нятся на S = R=0, то выходное состояние триггера с равной ве­роятностью может стать Q=l и =0 либо Q = 0 и =l. По этой причине сочетание входных сигналов S = R=1считается запрещенным. Однако подчеркнем еще раз, что это ограничение не связано с опасностью для самой схемы. Оно лишь отражает тот факт, что при подаче такой комбинации сигналов на входы схема утрачивает триггерные свойства.

D-триггеры.Втриггерах этого типа на выходе Q устанав­ливается тот же уровень напряжения, что и на информацион­ном входе D, но не сразу, а после того как на тактовый вход С поступит синхронизирующий импульс, т. е. с некоторой за­держкой (рис. 1.3). На рисунке показаны два дополнительных

входа (S и R либо Рr и Сl), которые служат для установки начального (исходного) состояния триггера. На практике в основном используются синхронные D-триггеры.

D-триггер на логических элементах И—НЕ.На рис. 2.8 показано, что можно создать D-триггер, используя только логи­ческие элементы И—НЕ. Это интегральные схемы К155ЛАЗ, К555ЛАЗ (ТТЛ) либо К176ЛА7, К561ЛА7, 564ЛА7 (КМОП).

Схема D-триггера содержит четыре логических элемента И— НЕ. Здесь элементы DD1 и DD2 образуют знакомый -триггер (ср. с рис. 2.5).

Дополнительные элементы DD3 и DD4 обра­щают его в D-триггер. Действует этот триггер следующим обра­зом. Если D=1то при наличии на входе С тактового сигнала С= 1на выходе DD3 формируется сигнал, вид которого представлен на временной диаграмме и который дей­ствует подобно сигналу на входе -триггера (см. рис. 2.5), в резуль­тате чего на выходе Q установится напряжение высокого уровня (Q=l, a = 0).