Основные положения цифровой схемотехники

Для реализации основных логических функций имеется ряд различных схем, которые отличаются по потребляемой мощности, напряжению питания, значениям высокого и низкого уровней выходного напряжения, времени задержки распространения сигнала и нагрузочной способности. Чтобы правильно выбрать тип схемы, необходимо по крайней мере в общих чертах знать их внутреннюю структуру.

При соединении интегральных схем иногда к одному выходу подключается большое число входов логических элементов. Максимальное количество входов схем данного типа, подключаемых к выходу без уменьшения гарантируемого запаса помехоустойчивости, характеризуется нагрузочной способностью элемента, коэффициентом разветвления по выходу. Коэффициент разветвления по выходу, равный 10, означает, что можно подключить 10 входов логических элементов. Если нагрузочная способность стандартного элемента оказывается недостаточной, вместо него применяют элемент с повышенной мощностью (буфер).

По виду кодирования двоичных цифр электрическими сигна╜лами на входе и выходе элементы дискретной техники делятся на потенциальные и импульсные.

Потенциальные элементы.

В потенциальных элементах нулю и единице соответствуют два резко отличающихся уровня напряжения, называемые высоким (U_H)и низким (U_L) уровнями. При этом напряжения могут быть как положительными, так и отрицательными относительно корпуса (электрический потенциал которого принимается равным нулю).

Различают элементы, работающие в положительной (позитивной) и отрицательной (негативной) логике.

В положительной логике за логическую единицу принят высокий уровень напряжения. (Например, +2,5 В при положительной полярности уровней напряжений или ≈0,5 В при отрицательной полярности уровней напряжения, как показано в левой части таблицы), а за логический нуль - низкий уровень (т. е. +0,5 В при положительной или ≈2,5 В при отрицательной полярности уровней напряжения).

В отрицательной логике кодирование логических 1 и 0 противоположное (оно обозначено в правой части таблицы).

Импульсные элементы.

В импульсных элементах в одном варианте логической единице соответствует наличие импульса напряжения, причем он может быть как положительным, так и отрицательным, а нулю - отсутствие импульса или значительно меньший по значению импульс, называемый ╚помехой нуля╩. В другом варианте единице соответствует положительный, а нулю - отрицательный импульс.

Используются также комбинированные импульсно-потенциальные элементы, в которых одна часть сигналов кодируется различными уровнями напряжения, а другая - импульсами.

Логические устройства могут быть классифицированы по различным признакам. Так, в общем случае на входе логического устройства действуют n, а на выходе ≈ m переменных, т. е. присутствуют соответственно n - и m -разрядные коды. Поэтому логические устройства могут быть классифицированы по способу ввода-вывода переменных (информации). С этой точки зрения они подразделяются на последовательные, параллельные и последовательно-параллельные (смешанные).

Последовательным называется устройство, в котором входные переменные подаются на вход, а выходные переменные снимаются с выхода не одновременно, а последовательно, разряд за раз╜рядом.

Параллельным называется устройство, в котором все разряды входных переменных подаются на вход, и все разряды выходных переменных снимаются с выхода одновременно.

В последовательно-параллельных устройствах входные и выходные переменные представлены в различных формах. Либо на вход переменные подаются последовательно символ за символом, а с выхода они снимаются одновременно, либо наоборот.

По принципу действия все логические устройства делятся на два класса: комбинационные и последовательностные.

Комбинационными устройствами или автоматами без памяти называют логические устройства, выходные сигналы которых однозначно определяются только действующей в настоящий момент на входе комбинацией переменных и не зависят от значений переменных, действовавших на входе ранее.

Последовательностными устройствами, или автоматами с памятью, называют логические устройства, выходные сигналы которых определяются не только действующей в настоящий момент на входе комбинацией переменных, но и всей последовательностью годных переменных, действовавших в предыдущие моменты времени. Этот тип устройств часто называют цифровыми автоматами.

Цифровые устройства можно разделить на асинхронные и синхронные.

В асинхронных изменение входных сигналов сразу влечет за собой соответствующее изменение выходных сигналов;

В синхронных изменение выходных сигналов, соответствующее новому сочетанию входных, происходит только после подачи синхронизирующих (тактовых) импульсов, управ╜ляющих работой автомата.

Комбинационные части автоматов являются асинхронными. Значит, на их выходе могут проявляться гонки, которые могут привести к сбоям (ошибкам), т. е. к ошибочным сигна╜лам Ii в такт t и ошибочным состояниям элементов памяти, а следовательно, к выдаче ошибочных сигналов Zi в такт (t+l). В асинхронных автоматах (т. е. автоматах с асинхронными элементами памяти) такая опасность существует. В синхронных же автоматах элементы памяти управляются внешними тактовыми импульсами, а значит, переход элементов памяти из состояния t в состояние (t+1) и выдача сигналов Zi, происходят после затухания переходных процессов в момент подачи (или окончания) тактового импульса. Поэтому опасности сбоев из-за гонок нет.

Дата добавления: 2015-07-20