Простейшие цифровые устройства Часть1

Рейтинг: 0 / 5

Подробности: Категория: Практические советы; Опубликовано: 25.03.2018 21:28; Просмотров: 3146

Понравилась статья - поделись с друзьями

Андрей Белый
Цифровые электронные схемы - это основа современной электроники. Устройства, использующие дискретные микросхемы (ИМС), так называемая жесткая логика, или системы, использующие программируемые логические матрицы обеспечивают куда более высокое быстродействие, чем устройства на программируемых микроконтроллерах. Об основных элементах цифровых систем будет рассказано в этой статье.

Разработка цифровых систем производится на основе математического аппарата алгебры логики, которую еще называют булевой алгеброй. В алгебре логики переменные могут принимать только два значения: лог. «0» или лог. «1». Над переменными величинами производится три основных действия:
• логическое отрицание (функция «НЕ»);
• логическое сложение (логическая функция «ИЛИ»);
• логическое умножение (функция «И»).
Логическое отрицание - это простейшая логическая функция. Ее математически можно обозначить как Y(x) = X’. Простейший пример такой функции - это реле, которое при срабатывании размыкает цепь. Важно, что осуществление функции «НЕ» (инверсии) таково: инверсия 1=0; инверсия 0 = 1; двойная инверсия не изменяет значение переменной.
Логическое сложение (его еще называют дизъюнкция). Его обозначают символом «+» или «V». Примером реализации такой функции может быть цепь, состоящая из параллельно включенных нормально разомкнутых контактов нескольких реле. При срабатывании любого из этих реле цепь замыкается. Таким образом, логическая сумма равна 1, когда равно единице одно или несколько слагаемых:
0+1 = 1; 1 + 1 +1...+1 = 1; 0 + 0 = 0.
Логическое умножение (его еще называют конъюнкция) обозначается точкой или символом «&». Эту функцию реализуют, например, несколько соединенных последовательно нормально разомкнутых контактов реле. Такая цепь будет замкнута только тогда, когда сработают все реле:
0&0 = 0;0&1 =0; 1&1 = 1.
0101
Наиболее распространенные типы логических элементов
Логические функции «И», «ИЛИ» и «НЕ» представляют собой функционально полную систему логических элементов, используя которые можно реализовать любую, даже самую сложную, логическую функцию. На практике, кроме этих элементов, также широко распространены элементы «ИЛИ-НЕ» и «И-НЕ».
В табл.1 приведены функции 4-х наиболее распространенных логических элементов, а на рис. 1 показано их графическое обозначение.

Каждая из перечисленных в табл. 1 логических функций может быть распространена не на 2, а на большее число логических переменных. Т.е. логические элементы микросхем (ИМС) могут иметь не только 2, но и 3, 4 или 8 входов (большее число входов, как правило, не используется из-за ограниченного числа выводов корпуса ИМС).
Кроме рассмотренных выше элементов часто используется также элемент «Исключающее ИЛИ». Его таблица истинности приведена в табл.2.

По виду реализуемой логической функции логические элементы могут быть разделены на элементы одноступенчатой логики: «И», «ИЛИ», «НЕ», «И-НЕ», «ИЛИ-НЕ»; и двухступенчатой логики: «И-ИЛИ», «И-ИЛИ-НЕ» и т.п.
В зависимости от того, решим ли мы, что лог. «1» - это высокий или низкий уровень напряжения, логика может быть «положительной» (в первом случае) или «отрицательной» (во втором случае). При этом один и тот же физический элемент ИМС будет выполнять функцию «ИЛИ-НЕ» в «положительной» логике и функцию «И-НЕ» в «отрицательной». Принято, что паспортное обозначение логического элемента соответствует той функции, которую он реализует при «положительной» логике.
Триггеры
На основе рассмотренных выше логических элементов можно создавать более сложные логические устройства, например, такие как сумматоры или устройства с памятью - триггеры. Триггер представляет собой устройство с двумя устойчивыми логическими состояниями «0» или «1». При этом после установки триггера в какое-либо состояние, например «1», он сохраняет его неограниченно длительное время, до тех пор, пока на него не поступят новые управляющие сигналы. Наибольшее распространение получили триггеры типов RS, JK и D.
RS- триггер
Он имеет два выхода Q и Q', а также два информационных выхода R и S. Вход R - это вход установки триггера в состояние лог. «0» (Q = 0, Q' = 1), которое сохраняется триггером и после того как
снят сигнал с входа R. Вход S устанавливает триггер в состояние лог. «1» (Q = 1, Q' = 0).
Основная особенность любого триггера - это память, поскольку после установки RS-триггера в состояние «1» сигналом по входу S, он сохраняет это состояние неограниченно долго до поступления новых сигналов по входам R и S. Таблица истинности RS-триггера приведена в табл.3.

Как видно из табл.3 при одновременной подаче на входы R и S сигналов лог. «1» состояние триггера будет неопределенным. Поэтому надо избегать ситуации, когда на оба входа (и на R, и на S) подается сигнал лог. «1». Начинающие разработчики цифровых устройств зачастую упускают это из виду, что приводит к неработоспособности устройств, где не учтена эта особенность RS-триггера.
RS-триггер как составной элемент присутствует в составе более сложных устройств - JK и D-триггеров, которые имеют дополнительные информационные входы и вход синхронизации.
JK-триггер
Он имеет два дополнительных информационных входа J и К и тактовый вход С. По сигналу лог. «1» на входе J триггер при поступлении тактового сигнала на вход С переключается в состояние «1». При наличии на входе К лог. «1» триггер по тактовому сигналу на входе С переключается в состояние «0». Если на входы J и К одновременно подать сигнал лог. «1», триггер по тактовому сигналу переключается в состояние противоположное предыдущему. Таблица истинности JK-триггера приведена в табл.4.

Важно отметить, что конкретный тип триггера может срабатывать или по переднему, или по заднему фронту тактового импульса. Это важно учитывать при разработке цифровых устройств. Разумеется, что JK-триггер также может иметь дополнительные информационные входы R и S, как и RS-триггер.
D- триггер
Это наиболее популярный вид триггера.
Он имеет информационный вход D и тактовый вход С. Состояние D-триггера после поступления тактового импульса совпадет с сигналом на входе D при поступлении тактового импульса (табл.5).

Т.е. в триггер тактовый импульс записывает информацию, которая в момент этого импульса присутствовала на входе D. При этом в разных видах D-триггеров запись информации может производиться или по переднему, или по заднему фронту тактового импульса. Можно сказать, что D-триггер осуществляет задержку входного сигнала на время до поступления тактового импульса.
Важно отметить, что у некоторых видов триггеров, записывающих информацию по заднему фронту импульса, их выходное состояние может изменяться, если сигнал по входу D изменяется во время длительности тактового импульса. В этом случае в триггер будет записана информация, присутствовавшая на выходе D в момент заднего фронта импульса.
Большинство типов D-триггеров, как и JK-триггеров, содержат входы R и S для асинхронного (не согласованного с приходом тактового импульса) изменения их состояния.
Желающие могут скачать полный цикл статей в формате pdf
Графическое обозначение различных видов триггеров показано на рис.2.

От редакции. О практическом применении D-триггеров в радиолюбительской практике рассказывается в статье, опубликованной на стр. 17-19 этого номера журнала.
Литература
1. Путников B.C. Интегральная электроника в измерительных устройствах. - М.: Энергоатомиз-дат, 1988.
2. Якубовский С.В. и др. Аналоговые и цифровые интегральные схемы. - М.: Советское радио, 1979.