Обработка двоичных сигналов с помощью логических элементов

June 26, 2010 by admin Комментировать »

в начале главы мы упоминали, что логические элементы носят еще название вентилей. На самом деле вентиль — это устройство для регулирования пото­ка жидкости или газа. Каким же образом оправдано это название в приложе­нии к нашим схемам? Оказывается, если на один из входов логического эле­мента подавать последовательность прямоугольных импульсов (некую ана­логию потока), а на другой — логические уровни, то в этом случае элемент будет себя вести совершенно аналогично вентилю настоящему.

clip_image002

Рис. 15.8. Обработка цифровых сигналов при помощи логических элементов: а — диаграммы прохождения сигналов через основные типы логических элементов; б— «анитидребезг» на основе элемента «Исключающее ИЛИ»; в и г — использование элемента «Исключающее ИЛИ» для выявления разности фаз (в) и частот (г) сигналов; д — логический элемент «Исключающее ИЛИ» на двух переключателях

Соответствующие диаграммы показаны на рис. 15.8, а. Из них вытекают сле­дующие правила:

? для элемента «И-НЕ» логический уровень 1 является «разрешающим», то есть в этом случае последовательность на другом входе пропускается на выход без изменения (за исключением того, что она инвертируется, так как элемент у нас «И-НЕ», а не просто «И»). При логическом уровне О вентиль запирается, на выходе будет логическая 1;

? для элемента «ИЛИ-НЕ» ситуация полностью противоположна: «разре­шающим» является логический уровень О, то есть в этом случае последо­вательность на другом входе пропускается на выход (также с инверсией). При логическом уровне ,1 вентиль запирается, на выходе будет логиче­ский 0;

? для «Исключающего ИЛИ» все еще интересней: в зависимости от того, О на входе или 1, относительно другого входа элемент ведет себя, соответ­ственно, как повторитель или как инвертор, что дает довольно широкие возможности для управления двоичными последовательностями.

На рис. 15.8, б показана интересная схема на основе элемента «Исключающее ИЛИ». Эта схема устраняет неизбежный дребезг механических контактов, который может вызвать (более того, вызывает обязательно) многократное срабатывание некоторых электронных схем, например триггеров или счетчи­ков. При наличии свободного элемента «Исключающее ИЛИ» устранить дре­безг, как видите, очень просто. Чтобы понять, как это работает, надо учесть, что подвижные контакты кнопки, тумблера или реле никогда не пролетают несколько раз расстояние от одного неподвижного контакта до другого — подвижной контакт только несколько (иногда до нескольких десятков) раз за короткое время оказывается «висящим в воздухе» (представьте себе, что он как бы подпрыгивает на неподвижном контакте, причем как при размыкании, так и при замыкании). При этом подачи напряжения, соответствующего про-тивоположПому логическому уровню, не происходит.

При этих условиях на схеме рис. 15.8, б происходит следующее: при нали­чии О на одном из входов элемент «Исключающее ИЛИ» работает как по­вторитель. Если контакт был замкнут (надежно) с потенциалом питания (логической единицей), то на выходе будет также единица. Когда контакт в процессе дребезга разомкнётся и «повиснет в воздухе», то потенциал на выходе все равно останется равным единице, так как поддерживается об­ратной связью, замыкающей выход со входом. Сколько бы контакт не дре­безжал таким образом, потенциал останется равным единице до первого касания контактом «земли», когда элемент перебросится в другое состоя­ние и будет в нем пребывать опять-таки независимо от того, дребезжит контакт или нет. Разумеется, можно и инвертировать сигнал, если присое­динить второй вход к питанию, а не к «земле». Заметьте, что в схеме по рис. 15.8, б обязательно требуется именно перекидной контакт, для простой кнопки с двумя выводами нужно использовать иные способы антидребезга, и мы их еще будем разбирать.

Однако самое интересное будет, если на входы «Исключающего ИЛИ» по­дать две последовательности импульсов с разными частотами и/или фазами. На рис. 15.8, в показано, что произойдет, если обе последовательности имеют одинаковую частоту, но фазы при этом сдвинуты на пол периода. На выходе при этом возникнет колебание с удвоенной частотой! Попробуйте изменить фазу — вы увидите, что скважность результирующего колебания будет ме­няться, пока фазы не совпадут, и тогда сигнал на выходе исчезнет — одина­ковые состояния выходов дают на выходе «Исключающего ИЛИ» всегда ло­гический ноль. Это позволяет использовать такой элемент в качестве «фазового компаратора», что широко используется в фазовых модуляторах и демодуляторах сигнала.

Не менее интересный случай показан на рис. 15.8, г— здесь на входы пода­ются последовательности с различающейся частотой. Мы видим, что на вы­ходе возникнет сигнал с изменяющейся скважностью, причем легко показать, что период изменения этой скважности от минимума к максимуму и обратно будет в точности равен периоду сигнала с частотой, равной разности исход­ных частот. Если при этом поставить на выходе элемента фильтр низкой час­тоты (если разность частот невелика в сравнении с исходными частотами, то достаточно простой RC-цепочки), то мы получим синусоидальное колебание с частотой, равной этой разности! Это колебание можно как-то использовать или, например, можно его подать в качестве сигнала обратной связи на гене­ратор, управляемый напряжением (ГУН), который тогда изменит частоту од­ного из сигналов так, чтобы она в точности совпадала со второй (опорной). Таким образом, например, делают схемы умножителей частоты, получая це­лый набор точных частот с использованием одного-единственного опорного кварцевого генератора.

Наконец, на рис. 15.8, д показана очень простая, но полезная схема, которая реализует функцию «Исключающее ИЛИ» на двух выключателях с перекид­ными контактами. Если выключатели в этой схеме находятся в одном поло­жении, то лампочка горит, если в противоположных— выключена. Если лампочка находится в прихожей, то один из выключателей располагается при входе с улицы, а другой — при выходе во внутренние помещения. Заходя в прихожую, вы включаете свет одним выключателем, покинув ее — выклю­чаете либо вторым, либо тем же самым (смотря в какую сторону уходите), причем независимо от того, в какой последовательности это происходит. К сожалению, бытовые выключатели почти всегда имеют одну пару контак­тов, но некоторые клавишные конструкции несложно доработать так, чтобы они стали перекидными.

Другие, не менее интересные применения логических функций мы разберем в следующих главах, а пока остановимся еще на одной важной разновидно­сти логических элементов.

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты