Элементы цифровой схемотехники

Размещено на http://www.allbest.ru/

Элементы цифровой схемотехники



1. Аналогово-цифровые преобразователи (АЦП). Функциональная схема

Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) - устройство, преобразующее входной аналоговый сигнал в дискретный код (цифровой сигнал). Обратное преобразование осуществляется при помощи ЦАП (цифро-аналогового преобразователя).

Как правило, АЦП - электронное устройство, преобразующее напряжение в двоичный цифровой код. Тем не менее, некоторые неэлектронные устройства, такие как преобразователь угол-код, следует также относить к АЦП.

Размещено на http://www.allbest.ru/

ГТИ - Генератор тактовых импульсов

КОМП - Компаратор

Сч - Счетчик - это набор тригеров, состояние которых инкретируется частотными импульсами.

При изменении тактов импульса:

Е-Enable

Е=1 - разрешает на вход импульсы,

0 - запрещает

ЦАП - Цифровой аналоговый преобразователь - подает на вход напряжение.

Устройством, определяющим точность АЦП, является компаратор, поэтому точность цифровой системы ограничивается точностью аналогового сигнала.

2. Базовые элементы цифровых микросхем «2И-НЕ» «2ИЛИ-НЕ»

1. Элемент Шеффера. Этот элемент, реализующий функцию отрицания конъюнкции, называется «И-НЕ» .

Таблица истинности:

X1	X2	y
0	0	1
0	1	1
1	0	1
1	1	0



2. Элемент Пирса. Этот элемент, реализующий функцию отрицания дизъюнкции, называется «ИЛИ - НЕ»

Таблица истинности:

X1	X2	y
0	0	1
1	0	0
0	1	0
1	1	0

3. Принципиальные схемы входных и выходных цепей основных серий цифровых микросхем

КМОП

Первой и основной особенностью КМОП микросхем является большое входное сопротивление этих микросхем. В результате на вход этой цифровой микросхемы может наводиться любое напряжение, в том числе и равное половине напряжения питания, и храниться на нём достаточно долго. При подаче на вход КМОП микросхемы половины питания открываются транзисторы как в верхнем, так и в нижнем плече выходного каскада микросхемы, в результате микросхема начинает потреблять недопустимо большой ток и может выйти из строя. Вывод: входы цифровых микросхем ни в коем случае нельзя оставлять неподключенными!

Второй особенностью КМОП микросхем является то, что они могут работать при отключенном питании. Однако работают они чаще всего неправильно. Эта особенность связана с конструкцией входного каскада КМОП микросхем. Полная схема КМОП инвертора приведена на рисунке 6.

Рисунок 6. Полная схема КМОП инвертора

Диоды VD1 и VD2 были введены для защиты входного каскада от пробоя статическим электричеством. В то же самое время при подаче на вход микросхемы высокого потенциала он через диод VD1 попадёт на шину питания микросхемы, и так как она потребляет достаточно малый ток, то микросхема начнёт работать. Однако в ряде случаев тока может не хватить. В результате микросхема может работать неправильно. Вывод: при неправильной работе микросхемы тщательно проверьте питание микросхемы, особенно выводы корпуса. При плохо пропаянном выводе отрицательного питания его потенциал будет отличаться от потенциала общего провода схемы.

Третья особенность КМОП микросхем связана с паразитными диодами VD3 и VD4, которые могут быть пробиты при неправильно подключенном источнике питания (микросхемы ТТЛ выдерживают кратковременную переполюсовку питания). Для защиты микросхем от переполюсовки питания следует в цепи питания предусмотреть защитный диод.

Четвёртая особенность КМОП микросхем - это протекание импульсного тока по цепи питания при переключении микросхемы из нулевого состояния в единичное и наоборот. В результате при переходе с ТТЛ микросхем на КМОП резко увеличивается уровень помех. В ряде случаев это важно и приходится отказываться от применения КМОП микросхем в пользу ТТЛ или BICMOS.

Логические уровни КМОП микросхем.

Логические уровни КМОП микросхем существенно отличаются от логических уровней ТТЛ микросхем. При отсутствии тока нагрузки напряжение на выходе КМОП микросхемы совпадает с напряжением питания (логический уровень единицы) или с потенциалом общего провода (логический уровень нуля). При увеличении тока нагрузки напряжение логической единицы может уменьшается до 2,8В (Uп=15В) от напряжения питания. Допустимый уровень напряжения на выходе цифровой КМОП микросхемы (серия микросхем К561) при пятивольтовом питании показан на рисунке 7.

Рисунок 7. Уровни логических сигналов на выходе цифровых КМОП микросхем.

Как уже говорилось ранее, напряжение на входе цифровой микросхемы по сравнению с выходом обычно допускается в больших пределах. Для КМОП микросхем договорились о 30% запасе. Границы уровней логического нуля и единицы для КМОП микросхем при пятивольтовом питании приведена на рисунке 8.



Рисунок 8. Уровни логических сигналов на входе цифровых КМОП микросхем.

При уменьшении напряжения питания границы логического нуля и логической единицы можно определить точно так же (разделить напряжение питания на 3).

1) ТТЛ

Рисунок 2. Уровни логических сигналов на выходе цифровых ТТЛ микросхем.

Рисунок 3. Уровни логических сигналов на входе цифровых ТТЛ микросхем.

+5В Епит «2И-НЕ»

2-кол-во входов

вых

Вх1

Вх2 0 В

Вх3

+5В

Uвых=+5В Uвых=0В

0 В

Лог 1 при +5В, лог 0 при 0В

Табл истинности вых=вх1*вх2*вх3*вхn

Вх1	Вх2	Вх3
0	0	1
0	1	1
1	0	1
1	1	0

Особенности ТТЛ серии в том, что неподключенный вход равносилен подаче на этот вход лог.1, т.к если подкл. Вход к +5В-лог. 1, то ток в эмитторе = 0 и наоборот.

4. Основные характеристики интегральных цифровых схем

Известно, что любую сложную логическую функцию можно реализовать, используя только три типа ЛЭ: И, ИЛИ и НЕ. В современных цифровых интегральных схемах (ЦИС) на базе указанных трех типов элементов реализуются более сложные логические функции.

Современные ЛЭ и более сложные устройства на их основе выполняются в виде ЦИС с различной степенью интеграции. При этом под ЦИС понимают микроэлектронное изделие, выполняющее определенную функцию преобразования и обработки цифровых сигналов и имеющее высокую плотность упаковки электрически соединенных элементов на полупроводниковом кристалле.

ЦИС как функциональные устройства и элементы электрической цепи характеризуются совокупностью параметров и характеристик, которые условно можно разбить на следующие группы:

* функциональные;

* динамические;

* электрические;

* эксплуатационные;

* технико-экономические.

Функциональные параметры. К основным функциональным параметрам относятся:

1. Реализуемая логическая функция (например, 2И-НЕ , 8ИЛИ-НЕ).

2. Коэффициент разветвления по выходу Kраз, определяющийнагрузочную способность ЛЭ и показывающий, сколько входов элементов этой же серии может быть одновременно подключено к выходу ( Kраз можетсоставлять от 10 до 100).

3. Коэффициент объединения по входу Kоб , характеризующий максимально допустимое число входов ЦИС, с помощью которых реализуется логическая функция ( Kоб обычно равен 2 - 16).

Тип выхода ЛЭ: обычный, с повышенной нагрузочной способностью, с открытым коллектором (ОК), с тремя выходными состояниями.

Динамические параметры. Динамические параметры характеризуют быстродействие ЛЭ и определяются по времени задержки распространения сигналов с использованием временных диаграмм входных и выходных (рис. 1. 1).

К динамическим параметрам относятся:

1. Время задержки при включении.

2. Время задержки при выключении.

3. Среднее время задержки распространения.

Технико-экономические параметры.

К основным технико-экономическим параметрам ЦИС относятся:

1. Стоимость.

2. Степень интеграции, характеризующая число транзисторов и других компонентов N на кристалле.

3. Функциональная сложность, характеризующая число условных логических преобразований, выполняемых ЦИС.

преобразователь микросхема цифровой компаратор

5. Варианты выполнения выходов ТТЛ-микросхем

1) базовый вариант-«2с» (с двумя состояниями)

+Еп

вых

2) Открытый коллектор «Ок»

R=1КОм

3) Высокоимпедансный «ВИ»-«3с» (стабильный с тремя состояниями)

+5В

Применение выходов типа 2с при формировании сигнала IRQ не допустимо, т.к. возможно возникновение короткого замыкания. Грамотное использование сх. «Ок» любое количество устройств выход. На линию IRQ не вызовет КЗ.

IRQ1

IRQ8

«2с»



6. Инверторы и их применение. Автогенераторные схемы

Самый простой логический элемент - это инвертор (логический элемент НЕ, "inverter"). Инвертор выполняет простейшую логическую функцию - инвертирование, то есть изменение уровня входного сигнала на противоположный. Он имеет всего один вход и один выход. Выход инвертора может быть типа 2С или типа ОК. На рис. показаны условные обозначения инвертора, принятые у нас и за рубежом, а в табл. представлена таблица истинности инвертора. (рис.1 зарубежн., рис.2 отечеств.)

Таблица истинности инвертора:

Вход	Выход
0	1
1	0

Две основные области применения инверторов - это изменение полярности сигнала и изменение полярности фронта сигнала (рис.). То есть из положительного входного сигнала инвертор делает отрицательный выходной сигнал и наоборот, а из положительного фронта входного сигнала - отрицательный фронт выходного сигнала и наоборот. Еще одно важное применение инвертора - буферирование сигнала (с инверсией), то есть увеличение нагрузочной способности сигнала. Это бывает нужно в том случае, когда какой-то сигнал надо подать на много входов, а выходной ток источника сигнала недостаточен.

7. Триггеры. Назначение, классификация, реализация

Тримггер -- электронная логическая схема с положительной обратной связью, имеющая два устойчивых состояния - единичное и нулевое, которые обозначаются соответственно 1 и 0. Такое устройство может сохранять своё состояние теоретически бесконечно долго (при наличии питания). Любой триггер является схемой с памятью или автоматом. Переключение триггера происходит по входному сигналу извне.

Триггеры классифицируют по следующим признакам:

· способу приёма информации;

· принципу построения;

· функциональным возможностям.

По способу синхронизации различают синхронные и асинхронные и смешанные триггерные схемы.

Асинхронный триггер изменяет своё состояние непосредственно в момент появления соответствующего информационного сигнала. Синхронные триггеры реагируют на информационные сигналы только при наличии соответствующего сигнала на так называемом входе синхронизации С (от англ. clock). Этот вход также обозначают терминами «строб», «такт». Синхронные триггеры в свою очередь подразделяют на триггеры со статическим (статические) и динамическим (динамические) управлением по входу синхронизации С. Статические триггеры воспринимают информационные сигналы при подаче на вход С логической единицы (прямой вход) или логического нуля (инверсный вход). Динамические триггеры воспринимают информационные сигналы при изменении (перепаде) сигнала на входе С от 0 к 1 (прямой динамический С-вход) или от 1 к 0 (инверсный динамический С-вход). Статические триггеры в свою очередь подразделяют на одноступенчатые (однотактные) и двух-ступенчатые (двухтактные). В одноступенчатом триггере имеется одна ступень запоминания информации, а в двухступенчатом - две такие ступени. Вначале информация записывается в первую ступень, а затем переписывается во вторую и появляется на выходе.

По структурному построению - однотактные (триггеры защёлки), двухтактные и триггеры с динамическим управлением. По способу реакции на помехи - прозрачные и непрозрачные. Непрозрачные, в свою очередь, делятся на проницаемые и непроницаемые. По функциональному назначению - RS, D, JK, T, RR, SS, EE, DV.

При изготовлении триггеров применяются преимущественно полупроводниковые приборы (обычно полевые транзисторы), в прошлом - электронные лампы

Используются в основном в вычислительной технике для организации компонентов вычислительных систем: в процессорах, регистров, счётчиков, ОЗУ.

Структурная схема триггера

На схеме сигналы имеют следующие наименования:

A1...An - информационные сигналы;

C1....Cm - тактовые (синхронизирующие) сигналы;

S?(set) и R?(reset) - входные сигналы триггерной ячейки;

Q и Q - выходные сигналы триггера.



8. Применение RS - триггера в антидребезговых схемах

RS-триггер или SR-триггер - триггер, который сохраняет своё предыдущее состояние при нулевых входах, и меняет своё выходное состояние при подаче на один из его входов единицы. При подаче единицы на вход S (от английского англ. Set - установить) выходное состояние становится равным логической единице. А при подаче единицы на вход R (от английского англ. Reset - сбросить) выходное состояние становится равным логическому нулю.

Схема RS-триггера изображённая на рисунке, при подаче на оба инверсных входа логического нуля перейдёт в состояние, когда на обоих выходах будут единицы, что не соответствует логике выхода триггера, поскольку инверсный выход будет равен неинверсному Q, т.е. Ш=1.

Таблица истинности:

R	S	Q(t)	Q(t+1)
1	1	1/0	1/0	Хранение
0	1	1/0	0/0	Сброс в ноль
1	0	1/0	1/1	Установка «1»
0	0	-	-	Это состояние нельзя использовать



Например, с помощью триггера (любого типа) очень просто и эффективно решается задача устранения влияния дребезга контактов механических переключателей (рис. 7.6). Правда в данном случае необходим тумблер (или кнопка) с тремя выводами, один из которых попеременно подключается к двум другим. При этом первый отрицательный импульс на входе -R перебрасывает триггер в состояние нуля, а первый отрицательный импульс на входе -S -- в состояние единицы. Последующие же импульсы на обоих этих входах, вызванные дребезгом контактов, уже никак не влияют на триггер. Нижнее (по рисунку) положение выключателя соответствует нулю на выходе триггера, а верхнее - единице.

9. Применение D - триггера

D-триггер (D от англ. delay - задержка) - запоминает состояние входа и выдаёт его на выход. D-триггеры имеют, как минимум, два входа: информационный D и синхронизации С. Сохранение информации в D-триггерах происходит в момент прихода активного фронта на вход С. Так как информация на выходе остаётся неизменной до прихода очередного импульса синхронизации, D-триггер называют также триггером с запоминанием информации или триггером-защёлкой. Рассуждая чисто теоретически, D-триггер можно образовать из любых RS- или JK-триггеров, если на их входы одновременно подавать взаимно инверсные сигналы.



D-триггер в основном используется для реализации защёлки. Так, например, для снятия 32 бит информации с параллельной шины, берут 32 D-триггера и объединяют их входы синхронизации для управления записью информации в защёлку, а 32 D входа подсоединяют к шине.



Список литературы

1. Прянишников В.А. Электроника: Полный курс лекций. - 4-е изд. - СПБ.: КОРОНА принт,200 - 416с., ил.

2. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: Пер. с англ. - Изд. 6-е. - М.: Мир, 2003. - 704 с., ил.

3. Москатов Е. А. Электронная техника. Специальная редакция для журнала «Радио». - Таганрог, 200 - 121 стр.

Размещено на Allbest.ru

...