Основные элементы цифровой логики

February 13, 2011 by admin Комментировать »

Цифровая логика, элементы, ее представляющие, работают с так называемыми цифровыми сигналами. В отличие от анало­говых, цифровые сигналы принимают два возможных значения: логическая единица и логический нуль. Логическая единица обозначается для краткости «1» или, в некоторых случаях, «высо­ким» уровнем («В»), Логический нуль, соответственно, обознача­ется «О» или «низким» уровнем («Н»), Логические элементы, или элементы цифровой логики, построены на биполярных и полевых транзисторах, работающих в режимах насыщения и отсечки.

Наибольшее распространение получили проверенные вре­менем цифровые логические элементы на основе биполярных транзисторов — ТТЛ-элементы (транзисторно-транзисторная ло­гика) и на основе полевых транзисторов — KTWO/7-элементы (комплементарные, на основе переходов металл-окисел-полу- проводник).

Логические элементы ТТЛ, ассортимент которых насчиты­вает до 200 наименований различной степени интеграции и функ­ционального назначения, работают при напряжении питания 5 В. Эти микросхемы способны работать до частот 20… 100 МГц и по­требляют от источника питания значительный ток.

KTWO/7-элементы работают в широком диапазоне напряже­ний питания 5… 15 Б, иногда от 3 В. Это исключительно экономич­ные элементы, которые можно использовать совместно с ТТЛ логикой. Заметный и малоустранимый недостаток большинства этих элементов — относительно низкие рабочие частоты, не пре­вышающие 1 …5 МГц.

Ниже будут рассмотрены основные логические элементы цифровой логики.

Поскольку история цифровых логических элементов насчи­тывает не столь уж много лет, условные символы, используемые для обозначения логических элементов в разных странах мира, заметно отличаются. Поэтому, в порядке сравнения, и для того, чтобы можно было уверенно разбираться в схемах, опублико­ванных в отечественных и зарубежных источниках информации, приведены условные обозначения, принятые у нас и в ряде англо­говорящих стран (Великобритания, США).

Повторитель (Repeater) — логический элемент, выполняю­щий функцию повторителя. Элемент может быть реализован на основе эмиттерного (рис. 3.2, 3.5) или истокового (рис. 3.8) повто­рителей. Переходные конденсаторы (рис. 3.2, 3.5) следует исклю­чить из схемы. Входной сигнал подается на базу транзистора (рис. 3.2, 3.5) через резистор R1 (10 кОм). Номинал резистора R2 — 1 кОм. При подаче на вход такого элемента управляющего сигнала А, на выходе элемента формируется сигнал У, полностью идентичный входному.

НЕ (NOT) — логический элемент, называемый также инвер­тором, может быть изготовлен на основе схем, показанных на рис. 3.1, 3.4, 3.7. Выходной сигнал Y является «зеркальной» или «перевернутой» копией входного: когда на входе элемента логи­ческая единица, на выходе — логический нуль, и наоборот.

ИЛИ (OR) — в этом элементе выходной сигнал Y принимает значение логической единицы при наличии на хотя бы одном из его нескольких входах сигнала логической единицы. Если на этих входах логический нуль, на выходе элемента также логический нуль.

ИЛИ-НЕ (OR-NOT) — представляет собой последователь­ное включение элементов ИЛИ (OR) и НЕ (NOT). Выходной сиг­нал У схемы ИЛИ-НЕ при наличии на его входах логического нуля принимает значение логической единицы. Стоит хотя бы одному из входных сигналов принять значение логической единицы, вы­ходной сигнал У переключится на логический нуль.

И (AND) — этот элемент выполняет функцию схемы совпа­дения. Его эквивалентную схему можно представить в виде двух или нескольких (по числу входов) последовательно включенных электрических ключей (выключателей): выходной сигнал будет иметь значение логической единицы только в том случае, если на все входы этого логического элемента будет подан уровень логи­ческой единицы.

И-НЕ (AND-NOT) — как следует из названия элемента, это устройство представляет собой последовательно включенные элементы И (AND) и НЕ (NOT). При одновременной подаче на вхо­ды этого элемента уровней логической единицы на выходе У эле­мента будет уровень логического нуля. Если хотя бы на одном из

Рис. 26.1

входов элемента сигнал примет уровень логической единицы, сигнал на выходе устройства немедленно переключится с «нуля» на «единицу».

Эквивалентность (Equivalence) — представляет собой бо­лее сложный по структуре логический элемент. Это логическое устройство имеет на выходе логическую единицу только в том случае, когда все без исключения сигналы на его входах будут иметь один и тот же (т.е. одинаковый, эквивалентный) логический уровень, причем не имеет значения, «ноль» это или «единица».

Исключающее ИЛИ (Excluding OR) — выходной сигнал Y этого логического элемента принимает значение логической еди­ницы только в том случае, когда на одном из его входов присутст­вует логическая единица, а на всех остальных — логический нуль. Стоит нарушить это условие, сигнал на выходе элемента примет значение логического нуля.

На основе простейших элементов цифровой логики могут быть синтезированы практически любые и сколь угодно более сложные устройства цифровой логики — триггеры, счетчики, шифраторы, дешифраторы и другие. В то же время из более сложных элементов могут быть получены более простые. В этом можно легко убедиться умозрительно, анализируя информацию, приведенную на рис. 26.1, либо экспериментально. Так, напри­мер, соединив вместе входы А и В элементов ИЛИ-НЕ или И-НЕ, можно получить элемент НЕ.

Отметим попутно, что чаще всего «лишние» неисполь­зуемые входы логических элементов объединяют с другими выводами, либо соединяют с общей «земляной» шиной или шиной питания (для ТТЛ-микросхем соединение незадейство- ванного входа с шиной питания лучше выполнять через рези­стор сопротивлением 1…2 кОм).

Для наглядного представления соотношения уровней сигна­лов на входах и выходах логических элементов приведены соот­ветствующие графики (рис. 26.1).

Для имитации, моделирования и изучения показаны про­стейшие схемные эквиваленты логических элементов, выполнен­ные на обычных переключателях. Подача сигнала логической единицы соответствует замыканию соответствующего ключа (или переключению сдвоенного ключа для схем, имитирующих функ­цию элементов Эквивалентность и Исключающее ИЛИ). В порядке изучения логических элементов рекомендуется самостоятельно собрать и исследовать работу схемных эквивалентов, использо­вав в качестве индикатора логического уровня авометр.

Таблица истинности в дополнение к графикам сигналов и схемным эквивалентам дает представление о взаимосвязи процессов на входах и выходах логических элементов. В других литературных источниках «1» может иметь обозначение «Н» — «High», а «О» — обозначение «L» — «Low».

Примеры существующих зарубежных логических элемен­тов серии ТТЛ (771) и КМОП (CMOS) и их отечественных ана­логов также имеются на рис. 26.1.

Цифровые микросхемы могут быть использованы в качест­ве аналоговых. Примеры нетрадиционного использования цифро­вых микросхем в аналоговой технике приведены в главе 29.

В то же время существуют микросхемы, способные рабо­тать как с аналоговыми, так и с цифровыми сигналами. К таким микросхемам можно отнести коммутаторы аналоговых и цифро­вых сигналов, выполненные на KTWO/7-элементах (микросхемы К176КТ1, К561КТЗ, К564КТЗ — четырехканальные коммутато­ры) и селекторы-мультиплексоры (многоканальные многопози­ционные переключатели, например, К561КП1, К561КП2).

Для перехода от цифровых сигналов к аналоговым и обрат­но используют аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобра­зователи (АЦП и ЦАП).

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