Цифровые интегральные микросхемы

4. МИКРОЭЛЕКТРОННЫЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ ЦИФРОВЫЕ УЗЛЫ КОМБИНАЦИОННОГО ТИПА

Интегральные логические элементы являются основой для построения цифровых устройств, выполняющих более сложные операции и относящихся к классу комбинационных устройств.

Основные из них: дешифраторы и шифраторы; мультиплексоры и демультиплексоры; двоичные сумматоры; цифровые компараторы и мажоритарные элементы; преобразователи кодов и др.

СУММАТОРЫ

Сумматорами называются цифровые функциональные устройства, предназначенные для выполнения операции сложения чисел, представленных в различных кодах.

По характеру действия сумматоры подразделяются на комбинационные, не имеющие элементов памяти, и накапливающие - запоминающие результаты вычислений при снятии входных сигналов.

В дальнейшем будут рассматриваться только комбинационные сумматоры, на основе которых выполняется большинство суммирующих ИС.

Сумматор по модулю два. Это устройство с двумя входами (а и b), на выходе у которого сигнал «1» появляется только в том случае, когда на входах действуют противоположные сигналы, т. е. «0» и «1». Сумматор не обладает памятью, а его таблица истинности и логическое уравнение имеют вид:

116

25

Название «по модулю два» этот сумматор получил потому, что y соответствует значению младшего разряда при суммировании одноразрядных двоичных чисел A и B. Построим в базисе И-НЕ схему сумматора по модулю два (рис. 21)

a б

Рис. 21. Реализация сумматора по модулю два:

а - принципиальная схема; б - функциональная схема

Полусумматор. Обеспечивает операцию сложения двух одноразрядных двоичных чисел a и b. Так как при a = 1 и b = 1 получается перенос единицы в следующий разряд, полусумматор должен иметь два выхода: с одного снимается сигнал суммы по модулю два, а с другого - сигнал переноса. Таблица истинности полусумматора и его логические уравнения имеют вид:

P' = ab

Реализация полусумматора в базисе И-НЕ представлена на рис. 22

а б

Рис. 22. Схема полусумматора:

а - реализация в базисе И-НЕ; б - условное обозначение

Условное обозначение полусумматора на схемах - HS (halfsum - полусумма), а полного сумматора - SM.

Полный сумматор. Это устройство для сложения трех одноразрядных двоичных чисел a, b, c, где c - сигнал переноса из предыдущего младшего разряда. Имеет два выхода S (сумма) и Р (перенос). Полный сумматор можно построить из двух полусумматоров (рис. 23), отсюда и название - полусумматор, используя следующие логические уравнения

Рис. 23. Полный сумматор

На основе полного сумматора можно построить суммирующие устройства параллельного или последовательного действия для сложения многоразрядных двоичных чисел.

В цифровой схемотехнике операцию вычитания обычно заменяют сложением уменьшаемого с вычитаемым, представленным в дополнительном коде, поэтому вычитатели могут быть выполнены на основе сумматоров.

Дешифраторы, шифраторы, преобразователи кодов

Дешифратор. Комбинационное устройство, позволяющее преобразовать n-разрядный двоичный код в позиционный 2n-разрядный код. Имеет n входов и 2n или меньше выходов. В зависимости от входного набора сигнал 1 появится только на одном определенном выходе, а на всех остальных выходах будут сигналы 0.

Таблица истинности полного дешифратора на три входа имеет вид (табл.4):

Логические функции выходов дешифратора:

По способу реализации дешифраторы могут быть линейные, прямоугольные и пирамидальные.

Более совершенными являются пирамидальные дешифраторы, относящиеся к многоступенчатым структурам и содержащие ряд логических элементов для выделения общих частей функций.

В ниже следующей таблице дана сравнительная оценка линейных, пирамидальных и прямоугольных дешифраторов по аппаратным затратам NЛЭ в пересчете на 2-входные ЛЭ для m-разрядного входного кода (табл. 5).

Как видно из таблицы 5, преимущества многоступенчатых дешифраторов заметно нарастают с увеличением m. В специализированных ИС тем не менее предпочтение часто отдают более простым линейным (одноступенчатым) дешифраторам, обладающим к тому же повышенным быстродействием.

Шифратор. Комбинационное устройство, преобразующее управляющий сигнал на одном из входов в соответствующий двоичный код.

Для шифратора на четыре входа и два выхода, например, логические уравнения в ДНФ, полученные из таблицы, будут следующими:

116

25

Наибольшее применение шифраторы находят в цифровых устройствах ввода информации с пультов управления для преобразования десятичных чисел в двоичный код. При нажатии на клавишу на один их входов шифратора подается логическая единица (на остальные - логические нули), на выходе формируется соответствующий двоичный код.

Условное обозначение дешифратора и шифратора приведено на рис. 24:

а б

Рис. 24. Условное обозначение:

а - дешифратор; б - шифратор

Преобразователи кодов. Это устройства для автоматического изменения по заданному алгоритму соответствия между входным и выходным кодами без изменения их смыслового содержания.

По другому, преобразователь кода представляет собой устройство с m входами и n выходами, взаимно и однозначно преобразующее входные слова из некоторого алфавита {X1, X2, …, Xp} и выходные слова другого алфавита {Y1, Y2, …, Y}.

Задача преобразования кодов возникает прежде всего в связи с необходимостью сведения цифровых устройств с разнообразными способами кодирования в единую систему.

Для преобразования параллельных двоичных кодов можно построить достаточно простые преобразователи на комбинационных логических схемах. Однако на практике это часто осуществляется алгоритмическим путем, используя запоминающие устройства.

Мультиплексоры, демультиплексоры

Демультиплексоры (распределители). Устройства, передающие сигнал, поступивший на его вход x, на один из S выходов в зависимости от управляющего сигнала (УС), заданного двоичным кодом.

Структура демультиплексора имеет вид (рис. 25):

Рис.25. Структура демультиплексора

Демультиплексоры по своей логике работы близки к дешифраторам. Если на вход x подать логическую единицу, то показанный на рис. 25 демультиплексор превращается в дешифратор. Поэтому некоторые промышленно выпускаемые дешифраторы могут выполнять функции демультиплексоров.

Мультиплексор. Устройство для коммутации информации, поступающей по нескольким входным каналам, на один выходной канал в зависимости от управляющего сигнала, заданного двоичным кодом.

Рис. 26. Условное обозначение мультиплексора

Цифровые компараторы

Компаратором называется устройство сравнения кодов чисел. В общем случае компаратор параллельных кодов двух m-разрядных двоичных чисел представляет собой комбинационную схему с 2m входами и тремя выходами («равно», «больше», «меньше»). При поступлении на входы кодов двух сравниваемых чисел сигнал логической единицы появляется только на одном из выходов. В некоторых случаях компаратор может иметь менее трех выходов.

Одноразрядный компаратор имеет два входа на которые одновременно поступают одноразрядные двоичные числа x1 и x2, и три выхода (=, >, <).

Из таблицы истинности логические уравнения компаратора при сравнении x1 с x2 получаются в виде

116

25

Реализация такого компаратора в базисе И-НЕ приводит к следующей схеме (рис. 27):

Многоразрядные компараторы обычно выполняют на базе одноразрядных. При этом используется принцип последовательного сравнения разрядов многоразрядных чисел, начиная с их старших разрядов, так как уже на этом этапе, если x1m x2m, задача может быть решена однозначно, и сравнение следующих за старшими разрядов не потребуется.

5. интегральные ТРИГГЕРЫ

Триггером называется устройство, имеющее два устойчивых состояния и способное под действием управляющих сигналов скачкообразно переходить из одного состояния в другое.

Можно выделить две основные области их применения: формирование импульсов и работу в качестве элементарных автоматов цифровых устройств.

Как формирователи, триггеры позволяют получать стандартные по амплитуде прямоугольные импульсы с малой длительностью фронта и среза, практически не зависящей от скорости изменения управляющего сигнала. В роли цифровых автоматов с двумя внутренними состояниями различные типы триггеров выполняют функции ячеек памяти, каскадов задержки, пересеченных ячеек и т. д.

Триггер, как элементарный конечный автомат, характеризуется следующими свойствами:

число внутренних состояний - два (единица и нуль), что соответствует одной внутренней переменной, обозначаемой для триггеров буквой Q;

число выходных переменных y - одно, значение переменной y совпадает со значением Q;

число входных переменных x зависит от типа триггера.

Наряду с выходом Q, называемым прямым, триггер имеет и инверсный выход . Состояние триггера определяется значением его прямого выхода.

Все известные на сегодняшний день триггеры по функциональному признаку можно разделить на четыре основных типа:

RS-триггеры - триггеры с двумя установочными входами;

D-триггеры - триггеры задержки с одним входом;

Т-триггеры с одним счетным входом;

универсальные триггеры с несколькими входами.

Как и любые цифровые автоматы, триггеры могут быть асинхронными и синхронными.

Различают также триггеры со статическими и динамическими входами. Входы, управляемые потенциальными (уровнями напряжений), называются статическими (включая и сигнал синхронизации).

Причем, если триггер переключается сигналами логической единицы, то его называют триггером с прямым управлением, в противном случае - триггером с инверсным управлением.

Входы же управляемые перепадами потенциалов называют динамическими.

5.1 RS-триггер

Асинхронный RS-триггер

В простейшем исполнении триггер это симметричная структура из двух логических элементов ИЛИ-НЕ либо И-НЕ, охваченных перекрестной положительной обратной связью. Схема триггера на элементах ИЛИ-НЕ и его условное обозначение приведены на рис. 28.

Рис. 28. Асинхронный RS-триггер на элементах ИЛИ-НЕ: а - логическая структура; б - условное обозначение

Этот триггер (бистабильная ячейка) обладает двумя устойчивыми состояниями, которые обеспечиваются за счет связи выхода каждого элемента с одним из входов другого. Свободные входы служат для управления и называются информацион-ными или логическими. Одному из выходов присвоено наименование прямого, его обозначают буквой Q, а другому - наименование инверсного и обозначают .

Вход, по которому триггер устанавливается в единичное состояние (Q = 1, = 0), называют входом S (от английского Set - установка), а в нулевое (Q = 0, = 1) - входом R (reset - возврат).

Работа триггера характеризуется таблицей переходов состояний (табл. 6), из которой следует, что на двух наборах переменных его состояние не определено. Карта Карно для нахождения логической функции переходов RS-триггера приведена на рис. 29.

Таблица 6

Доопределив ее единицами на запрещенных наборах и применив правила минимизации получим

.

Возможны следующие состояния триггера, в зависимости от комбинации входных сигналов:

Rn, Rn = 0, сигнал на выходе может быть Qn+1 = 1 или Qn+1 = 0, что соответствует нейтральному состоянию (режим хранения информации);

Sn = 1, Rn = 0, Qn+1 = 1 - установка триггера в единичное состояние;

Sn = 0, Rn = 1, Qn+1 = 0 - установка в нулевое состояние;

Sn = 1, Rn = 1 - состояние не определено. Если затем входная комбинация станет Sn = 0, Rn = 0, то триггер с равной вероятностью может установиться или в нулевое, или в единичное состояние, поэтому входная комбинация Sn = 1, Rn = 1 недопустима.

Минимизированная таблица состояний RS-триггера и его временная диаграмма имеют вид (рис. 30):

При синтезе устройств на триггерах возникает задача определения требуемых входных комбинаций для перехода триггера из одного (заданного) состояния Qn в другое (требуемое) Qn+1.

Эту задачу удобно решать с помощью таблицы, называемой матрицей переходов.

Рассмотрим функцию переходов для всех возможных изменений выхода триггера Qn Qn+1:

0 0; 0 1; 1 0; 1 1.

С учетом этого, получим систему уравнений

.

Результаты анализа этих уравнений позволяют составить матрицу переходов RS-триггера (табл. 7), показывающую сочетания входных сигналов, которые обеспечивают требуемое состояние триггера при его переходе из такта n в такт (n + 1). Если RS-триггер выполнить на элементах И-НЕ, то получим схему, приведенную на рис. 31.

Такой вариант триггера называют -триггером или RS-триггером с инверсным управлением.

Синхронный RS-триггер. Известно, что из-за задержек переключения логических элементов могут возникнуть ложные состояния. Устранить это помогает временное стробирование. Временное стробирование обеспечивается синхронизирующими (тактовыми) импульсами, поэтому синхронный RS-триггер кроме информационных входов R и S имеется вход C, на который подается синхронизирующий сигнал (рис. 32).

Такой триггер функционирует как RS-триггер только при условии наличия синхронизирующих импульсов. В противном случае, т.е. при отсутствии синхронизирующих импульсов, состояние его сохраняется неизменным Qn+1 = Qn , какие бы сигналы ни подавались на информационные входы, причем возможна подача сочетания R=S=1 (или R=S=0 для триггера с инверсными входами).

Рис.32. Синхронный RS-триггер с прямыми статическими входами на элементах И-НЕ и его условное обозначение

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11