Комбинационные микросхемы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Комбинационные микросхемы

Сумматоры

сумматор преобразователь код одновибратор

Микросхемы сумматоров (английское Adder), как следует из их названия, предназначены для суммирования двух входных двоичных кодов, то есть выходной код будет равен арифметической сумме двух входных кодов. Например, если один входной код - 7 (0111), а второй - 5 (0101), то суммарный код на выходе будет 12 (1100). Сумма двух двоичных чисел с числом разрядов N может иметь число разрядов (N + 1). Например, при суммировании чисел 13 (1101) и 6 (0110) получается число 19 (10011). Поэтому количество выходов сумматора на единицу больше количества разрядов входных кодов. Этот дополнительный (старший) разряд называется выходом переноса.

На схемах сумматоры обозначаются буквами SM. В отечественных сериях код, обозначающий микросхему сумматора, - ИМ.

Сумматоры бывают одноразрядные (для суммирования двух одноразрядных чисел), 2-х разрядные (суммируют 2-х разрядные числа) и 4-х разрядные (суммируют 4-х разрядные числа). Чаще всего применяют именно 4-разрядные сумматоры. На рис. 1 показаны для примера 2-разрядный и 4-разрядный сумматоры. Микросхема ИМ6 отличается от ИМ3 только повышенным быстродействием и номерами используемых выводов микросхемы, функция же выполняется та же самая.

Рис. 1.  Примеры микросхем сумматоров

Помимо выходных разрядов суммы и выхода переноса, сумматоры имеют вход расширения (другое название - вход переноса) С для объединения нескольких сумматоров с целью увеличения разрядности. Если на этот вход приходит единица, то выходная сумма увеличивается на единицу, если же приходит нуль, то выходная сумма не увеличивается. Если используется одна микросхема сумматора, то на ее вход расширения С необходимо подать нуль.

Для примера в табл. 1 приведена полная таблица истинности 2-разрядного сумматора ИМ2. Как видно из таблицы, выходной 3-разрядный код (Р, S1, S0) равен сумме входных 2-разрядных кодов (А1, А0) и (В1, В0), а также сигнала С. Нулевые разряды - младшие, первые разряды - старшие. Полная таблица истинности 4-разрядного сумматора будет чрезмерно большой, поэтому она не приводится. Но суть работы остается точно такой же, как и в случае 2-разрядного сумматора.

Сумматоры могут использоваться также для суммирования чисел в отрицательной логике (когда логической единице соответствует электрический нуль, и наоборот, логическому нулю соответствует электрическая единица). Но в этом случае входной сигнал переноса С также становится инверсным, поэтому при использовании одной микросхемы сумматора на вход С надо подать электрическую единицу (высокий уровень напряжения). Инверсным становится и выходной сигнал переноса Р, низкий уровень напряжения на нем (электрический нуль) соответствует наличию переноса. То есть получается, что сумматор абсолютно одинаково работает как с положительной, так и с отрицательной логикой.

Таблица 1. Таблица истинности микросхемы 2-разрядного сумматора ИМ2

Рассмотрим пример. Пусть нам надо сложить два числа 5 и 7 в отрицательной логике. Числу 5 в положительной логике соответствует двоичный код 0101, а в отрицательной - код 1010. Числу 7 в положительной логике соответствует двоичный код 0111, а в отрицательной - код 1000. При подаче на вход сумматора кодов 1010 (десятичное число 10 в положительной логике) и 1000 (десятичное число 8 в положительной логике) получаем сумму 10 + 8 = 18, то есть код 10010 в положительной логике. С учетом входного сигнала переноса С=1 (отсутствие входного переноса в отрицательной логике) выходной код сумматора получится на единицу больше: 18 + 1 = 19, то есть 10011. При отрицательной логике это будет соответствовать числу 01100, то есть 12 при отсутствии выходного переноса. В результате получили 5+7=12.

Сумматор может вычислять не только сумму, но и разность входных кодов, то есть работать вычитателем. Для этого вычитаемое число надо просто поразрядно проинвертировать, а на вход переноса С подать единичный сигнал (рис. 2).

Рис. 2.  4-х разрядный вычитатель на сумматоре ИМ6 и инверторах ЛН1

Например, пусть нам надо вычислить разность между числом 11 (1011) и числом 5 (0101). Инвертируем поразрядно число 5 и получаем 1010, то есть десятичное 10. Сумматор при суммировании 11 и 10 даст 21, то есть двоичное число 10101. Если сигнал С равен 1, то результат будет 10110. Отбрасываем старший разряд (выходной сигнал Р) и получаем разность 0110, то есть 6.

Еще пример. Пусть надо вычислить разность между числом 12 (1100) и числом 9 (1001). Инвертируем поразрядно 9, получаем 0110, то есть десятичное 6. Находим сумму 12 и 6, получаем 18, а с учетом С = 1 получаем 19, то есть двоичное 10011. В четырех младших разрядах имеем 0011, то есть десятичное 3.

Каскадировать сумматоры для увеличения разрядности очень просто. Надо сигнал с выхода переноса сумматора, обрабатывающего младшие разряды, подать на вход переноса сумматора, обрабатывающего старшие разряды (рис. 3). При объединении трех 4-разрядных сумматоров получается 12-разрядный сумматор, имеющий дополнительный 13-й разряд (выход переноса Р).

Рис. 3.  Каскадирование сумматоров ИМ6 для увеличения разрядности

Неопределенные состояния на выходах сумматора могут возникать при любом изменении любого из входных кодов (рис. 6.4). Выходной код суммы может принимать в течение короткого времени значения, никак не связанные с входными кодами, а на выходе переноса могут появляться короткие паразитные импульсы. Это связано прежде всего с неодновременным изменением разрядов входных кодов. Чтобы избежать влияния этих неопределенных состояний на дальнейшую схему, необходимо предусматривать синхронизацию или стробирование выходных сигналов. Но для этого надо располагать информацией о моментах изменения входных кодов, которая имеется далеко не всегда.

Рис. 4.  Неопределенные состояния на выходах сумматора при изменении входных кодов

Задержки сумматора ИМ6 от входов до выходов суммы примерно вдвое превышает задержку логического элемента, а от входов до выхода переноса - примерно в полтора раза. Задержки сумматора ИМ3 больше задержек ИМ6 почти вдвое. Поэтому в схемах, где важно быстродействие, лучше использовать ИМ6. Особенно это существенно при каскадировании для увеличения разрядности, так как там задержки отдельных микросхем суммируются. Точные величины задержек надо смотреть в справочниках.

Преобразователи кодов

Микросхемы преобразователей кодов (англ. сonverter) служат для преобразования входных двоичных кодов в выходные двоично-десятичные и наоборот - входных двоично-десятичных кодов в выходные двоичные. Они используются довольно редко, так как применение двоично-десятичных кодов ограничено узкой областью, например, они применяются в схемах многоразрядной десятичной индикации. К тому же при правильной организации схемы часто можно обойтись без преобразования в двоично-десятичный код, например, выбирая счетчики, работающие в двоично-десятичном коде. Преобразование двоично-десятичного кода в двоичный встречается еще реже.

На схемах микросхемы преобразователей обозначаются буквами X/Y. В отечественных сериях преобразователи имеют обозначения ПР.

Кроме того, надо учесть, что любые преобразования параллельных кодов, даже самые экзотические, могут быть легко реализованы на микросхемах постоянной памяти нужного объема. Обычно это намного удобнее, чем брать стандартные микросхемы преобразователей кодов.

Рис. 5.  Микросхемы преобразователей кодов

В стандартные серии входят две микросхемы преобразователей кодов: ПР6 для преобразования двоично-десятичного кода в двоичный и ПР7 для преобразования двоичного кода в двоично-десятичный (рис. 5). Обе микросхемы имеют выходы ОК, поэтому к ним надо присоединять нагрузочные резисторы величиной около 1 кОм, но для удобства в дальнейших схемах эти резисторы не показаны. Обе микросхемы имеют также вход разрешения выхода -ЕО при нулевом уровне на котором все выходы активны, а при единичном - переходят в состояние единицы. Преобразователь ПР6 имеет дополнительные выходы А, В, С, не участвующие в основном преобразовании.

Таблица 2. Таблица истинности преобразователя ПР6

Таблицы истинности преобразователей просты (табл. .2 и .3). Например, двоично-десятичный код без младшего разряда на входе ПР6 преобразуется в двоичный код без младшего разряда на выходе ПР6. Младший разряд не участвует в преобразовании, он непосредственно передается со входа на выход. Одна микросхема ПР6 обрабатывает входные коды в диапазоне от 0 (двоично-десятичный код 00 000) до 39 (код 11 1001).

Таблица 3. Таблица истинности преобразователя ПР7

Точно так же двоичный код без младшего разряда на входе ПР7 преобразуется в двоично-десятичный код без младшего разряда на выходе ПР7. Одна микросхема ПР7 может обрабатывать входные коды в диапазоне от 0 (двоичный код 000000) до 63 (код 111111). Младшие разряды входных кодов передаются на выход без обработки в обход микросхемы, так как они одинаковые как в двоичном, так и в двоично-десятичном кодах. Простейшие схемы включения одиночных микросхем ПР6 и ПР7 приведены на рис. 6.

Рис. 6.  Простейшее включение одиночных преобразователей кода ПР6 и ПР7

Рис. 7.  Преобразователь двоично-десятичного кода от 0 до 99 в двоичный код

Каскадировать преобразователи ПР6 и ПР7 для увеличения разрядности также несложно. Для преобразования двоично-десятичных кодов от 0 до 99 достаточно двух микросхем ПР6 (рис. 6.7), а для преобразования двоичных кодов от 0 до 255 требуется три микросхемы ПР7 (рис. 8). Если надо преобразовывать двоично-десятичные коды до 999, то понадобится 6 микросхем ПР6, а для преобразования двоичных кодов до 511 потребуется 4 микросхемы ПР7. На всех выходах микросхем необходимо включать нагрузочные резисторы.

Рис. 8.  Преобразователь двоичного кода от 0 до 255 в двоично-десятичный код

Наличие дополнительных выходов А, В, С у микросхемы ПР6 позволяет преобразовывать двоично-десятичный код от 0 до 9 в код дополнения до 9 или до 10 (рис. 6.9). То есть сумма входного и выходного кодов в этом случае равна, соответственно, 9 или 10. Например, при входном коде 6 на выходе схемы а будет код 3, а на выходе схемы б - код 4. В схеме б при входном коде 0 на выходе также формируется код 0. Как и все остальные выходы микросхемы ПР6, выходы А, В, С имеют тип ОК, поэтому к ним необходимо присоединять нагрузочные резисторы, для удобства не показанные на схеме. Такие схемы "дополнителей" применяются редко, поэтому о них упоминают не во всех справочниках и учебниках, но иногда подобные функции бывают довольно удобны.

Рис.9.  Преобразователи входного кода в дополнение до 9 (а) и в дополнение до 10 (б)

Задержки преобразователей кодов примерно вдвое превосходят задержки логических элементов. Точные величины задержек надо смотреть в справочниках.

Одновибраторы и генераторы

Одновибраторы и генераторы вообще-то нельзя отнести к комбинационным микросхемам. Они занимают промежуточное положение между комбинационными микросхемами и микросхемами с внутренней памятью. Их выходные сигналы не определяются однозначно входными сигналами, как у комбинационных микросхем. Но в то же время они и не хранят информацию длительное время.

Одновибраторы ("ждущие мультивибраторы", английское название "Monostable Multivibrator") представляют собой микросхемы, которые в ответ на входной сигнал (логический уровень или фронт) формируют выходной импульс заданной длительности. Длительность определяется внешними времязадающими резисторами и конденсаторами. То есть можно считать, что у одновибраторов есть внутренняя память, но эта память хранит информацию о входном сигнале строго заданное время, а потом информация исчезает. На схемах одновибраторы обозначаются буквами G1.

В стандартные серии микросхем входят одновибраторы двух основных типов (отечественное обозначение функции микросхемы - АГ):

Одновибраторы без перезапуска (АГ1 - одиночный одновибратор, АГ4 - два одновибратора в корпусе).

Одновибраторы с перезапуском (АГ3 - два одновибратора в корпусе).

Разница между этими двумя типами иллюстрируется рис. 10. Одновибратор без перезапуска не реагирует на входной сигнал до окончания своего выходного импульса. Одновибратор с перезапуском начинает отсчет нового времени выдержки Т с каждым новым входным сигналом независимо от того, закончилось ли предыдущее время выдержки. В случае, когда период следования входных сигналов меньше времени выдержки Т, выходной импульс одновибратора с перезапуском не прерывается. Если период следования входных запускающих импульсов больше времени выдержки одновибратора Т, то оба типа одновибраторов работают одинаково.

Рис. 10.  Принцип работы одновибраторов без перезапуска и с перезапуском

На рис. 11 приведены обозначения микросхем одновибраторов стандартных серий. Микросхемы АГ3 и АГ4 отличаются друг от друга только тем, что АГ3 работает с перезапуском, а АГ4 - без перезапуска.

Рис. 6.11.  Микросхемы одновибраторов

Рис.12.  Варианты запуска одновибратора АГ1

Микросхемы имеют входы запуска, объединенные по И и ИЛИ, прямые и инверсные выходы, а также выводы для подключения внешних времязадающих цепей (резисторов и конденсаторов). Запускается работа всех одновибраторов по фронту результирующего входного сигнала. Использованная логика объединения входов микросхем позволяет запустить все одновибраторы как по положительному, так и по отрицательному фронту входного сигнала ( рис..12 и 13).

Рис. 13.  Варианты запуска одновибраторов АГ3 и АГ4

На неиспользуемые входы при этом надо подавать сигналы логического нуля или логической единицы. Можно также использовать остающиеся входы для разрешения или запрещения входного запускающего сигнала.

Одновибраторы АГ3 и АГ4 имеют также дополнительный вход сброса -R, логический нуль на котором не только запрещает выработку выходного сигнала, но и прекращает его. Вход -R можно также использовать для запуска одновибратора.

Таблица истинности одновибратора АГ1

Таблица истинности одновибраторов АГ3 и АГ4

Таблицы истинности одновибраторов приведены выше. Здесь инверсные входные сигналы обозначены -А, -А1, -А2, прямые входные сигналы - В, а прямой и инверсный выходные сигналы - соответственно, Q и -Q.

Стандартное включение одновибраторов предполагает подключение внешнего резистора и внешнего конденсатора (рис. 14).

Для одновибратора АГ1 длительность выходного импульса можно оценить по формуле T = 0,7RC. Эта формула работает при величине сопротивления резистора в пределах от 1,5 кОм до 43 кОм. Емкость конденсатора может быть любой. Внутри микросхемы имеется внутренний резистор сопротивлением около 2 кОм, подключенный к выводу R, поэтому можно включать одновибратор без внешнего резистора, подключая вывод R к напряжению питания. Повторный запуск одновибратора невозможен сразу после окончания выходного импульса, до повторного запуска обязательно должен пройти интервал t = C (если емкость измеряется в нанофарадах, то временной интервал получается в микросекундах).

Рис. 14.  Стандартные схемы включения одновибраторов

Для одновибраторов АГ3 и АГ4 длительность импульса можно оценить по формуле: T = 0,32C(R + 0,7), где сопротивление резистора измеряется в килоОмах. Сопротивление резистора может находиться в пределах от 5,1 кОм до 51 кОм, емкость конденсатора - любая. Перезапуск одновибратора возможен только в том случае, когда интервал между входными запускающими импульсами больше 0,224С (если емкость измеряется в нанофарадах, то временной интервал - в микросекундах).

Наиболее распространенные применения одновибраторов следующие (рис. 15):

увеличение длительности входного импульса;

уменьшение длительности входного импульса;

деление частоты входного сигнала в заданное число раз;

формирование сигнала огибающей последовательности входных импульсов.

Для увеличения или уменьшения длительности входного сигнала (а и б) надо всего лишь выбрать сопротивление резистора и емкость конденсатора, исходя из требуемой длительности выходного сигнала. В этом случае можно использовать одновибратор любого типа: как с перезапуском, так и без перезапуска.

Рис. 15.  Стандартные применения одновибраторов

Для деления частоты входных импульсов в заданное число раз (в) применяется только одновибратор без перезапуска. При этом надо выбрать такую длительность выходного сигнала, чтобы одновибратор пропускал нужное количество входных импульсов. Например, если требуется разделить на 3 частоту входных импульсов f, то длительность выходного сигнала одновибратора надо выбрать в пределах от 2/f до 3/f. При этом одновибратор будет пропускать два входных импульса из каждых трех.

Для формирования огибающей входного сигнала (г) используется только одновибратор с перезапуском. При этом длительность его выходного импульса должна быть выбрана такой, чтобы каждый следующий входной сигнал перезапускал одновибратор. Если частота входного сигнала равна f, то длительность выходного сигнала одновибратора должна быть не меньше, чем 1/f.

Еще одно важное применение одновибратора состоит в подавлении дребезга контактов кнопки. Одновибратор с большим временем выдержки (порядка нескольких десятых долей секунды) надежно подавляет паразитные импульсы, возникающие из-за дребезга контактов, и формирует идеальные импульсы на любое нажатие кнопки ( рис.16).

Рис. 16.  Использование одновибратора для подавления дребезга контактов кнопки

Для этого можно использовать как одновибратор с перезапуском, так и одновибратор без перезапуска (на рисунке). Можно также подобрать время выдержки так, что одновибратор будет давать один импульс по нажатию кнопки, а другой импульс - по отпусканию кнопки. Иногда это бывает удобнее.

Одновибраторы можно также применять для построения генераторов (мультивибраторов) прямоугольных импульсов с различными значениями длительности импульсов и паузы между ними. При этом два одновибратора замыкаются в кольцо так, что каждый из них запускает другой после окончания своего выходного импульса (рис. 17). Один одновибратор формирует длительность импульса, а другой определяет паузу между импульсами. Изменяя номиналы резисторов и конденсаторов, можно получить нужные соотношения импульса и паузы.

Рис. 17.  Генератор импульсов на двух одновибраторах

Таким образом, одновибраторы довольно легко позволяют решать самые разные задачи. Однако, применяя одновибраторы, надо всегда помнить, что длительность их выходных импульсов нельзя задать очень точно - ведь одновибратор имеет аналоговые цепи. На длительность выходного импульса одновибратора влияют разбросы номиналов резисторов и конденсаторов, температура окружающей среды, старение элементов, помехи по цепям питания и другие факторы. Поэтому применение одновибраторов нужно по возможности ограничивать только теми случаями, когда время выдержки можно задавать с не слишком высокой точностью (погрешность не менее 20-30%).

Любую функцию одновибратора может выполнить синхронное тактируемое устройство (на основе кварцевого генератора, триггеров, регистров, счетчиков), причем выполнить гораздо точнее и надежнее. И ему не нужно никаких дополнительных времязадающих элементов (резисторов и конденсаторов). Количество одновибраторов, использованных в схеме, как правило, обратно пропорционально уровню мастерства разработчика этой схемы.

Задержки запуска одновибраторов примерно в два-три раза превосходят задержку логического элемента. Точные величины задержек надо смотреть в справочниках.

Помимо одновибраторов, в стандартные серии включены также специализированные генераторы ("мультивибраторы", англ. "мultivibrator"). Обозначаются они на схемах буквой G. В отечественных сериях этот тип микросхемы кодируется буквами ГГ. Например, микросхема ГГ1 представляет собой два генератора в одном корпусе.

Микросхемы генераторов используют довольно редко, чаще применяют генераторы на инверторах или на триггерах Шмитта, описанные в лекциях 3, 4. Однако в некоторых случаях генераторы ГГ1 не могут быть заменены ничем. Дело в том, что они допускают изменение частоты выходных импульсов с помощью уровней двух входных управляющих напряжений. Поэтому они называются также "генераторы, управляемые напряжением" или ГУН. Эффект изменения частоты можно использовать, например, в системах автоподстройки частоты (АПЧ) или в устройствах с частотной модуляцией (ЧМ).

Рис. 18.  Схема включения генератора ГГ1

Стандартная схема включения генератора ГГ1 приведена на рис. 18. Генератор имеет выводы для подключения внешнего конденсатора С1 и С2, к которым можно также подключать кварцевый резонатор, но при этом уже нельзя управлять частотой. Имеется два входа управления частотой U1 и U2, а также вход разрешения -Е, при подаче на который логической единицы генерация прекращается и на выходе F устанавливается единица.

Один из входов управления (U1) обычно называется диапазонным или U_д, а другой (U2) - входом управления частоты или U_ч. При увеличении напряжения U_ч частота увеличивается, при увеличении напряжения на входе U_д - уменьшается. Рекомендуемый диапазон изменения напряжения U_д составляет от 2 до 4,5 В, а диапазон изменения U_ч - от 0 до 5 В. В зависимости от напряжения U_д , меняется диапазон изменения частоты из-за изменения напряжения U_ч. Например, при U_д = 2 В и изменении U_ч от 1 до 5 В частота изменяется примерно на 15%, а при U_д = 4 В - приблизительно в 4 раза.

Частота выходного сигнала ГГ1 определяется также внешним конденсатором, например, при U_д = U_ч = 2 В и при С = 1 мкФ частота будет около 100 Гц, а при С = 100 пФ - порядка 10 МГц. Максимально возможное значение частоты генератора составляет около 80 МГц. В справочниках приводятся графики зависимости частоты выходного сигнала ГГ1 от уровней управляющих напряжений и от величины внешнего конденсатора. Однако точно определить значение частоты по этим графикам невозможно, в любом случае требуется подстройка. К тому же наличие в схеме аналоговых узлов делает генератор ГГ1 чувствительным к разбросу номиналов конденсаторов, к изменению температуры окружающей среды, к старению элементов, к помехам по цепям питания и к другим факторам. Именно поэтому использование этих генераторов крайне ограничено.

И последнее. В микросхеме ГГ1 существует взаимное влияние двух генераторов друг на друга, хотя в ней и приняты меры по снижению этого влияния. Поэтому не рекомендуется использовать одновременно два генератора одной микросхемы в режиме генерации частоты, управляемой напряжением.

Размещено на Allbest.ru