Гласман К.Ф., Покопцева М.Н. Цифровые устройства и микропроцессоры (часть 1)

Подождите немного. Документ загружается.

БАЗОВЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ 41

Рис. 2.21. Динамический D-триггер в качестве

делителя частоты

Примеры ИС:

К555ТМ2 - два динамических D-триггера с асинхронными входами

R и S. Входы R и S имеют приоритет перед остальными.

К555ТВ9 - два динамических JK -триггера.

2.2.7. Триггер Шмитта

Бистабильная ячейка, являющаяся базовой схемой различных

триггеров, имеет симметричную структуру (рис. 2.12, 2.13). При

нейтральной комбинации входных сигналов она может находиться в

любом из двух возможных устойчивых состояний. В цифровой технике

широко применяются и несимметричные триггеры. Неидентичность

элементов или асимметрия цепей положительной обратной связи приводит

к тому, что при отсутствии входного сигнала состояние несимметричного

триггера однозначно определено. Такие триггеры не обладают памятью и

используются в качестве пороговых устройств и формирователей

импульсов. Они обычно носят название триггеров Шмитта.

Одна из возможных схем триггера показана на рис. 2.22. Триггер

представляет собой два инвертора, охваченных цепью резистивной

положительной обратной связью. Передаточная характеристика триггера

имеет вид петли гистерезиса.

вх

вых

Рис. 2.22. Триггер Шмитта

Когда входное напряжение превышает верхний порог срабатывания

, выходное напряжение увеличивается скачком с U

до U

. Обратное

изменение

вых

происходит тогда, когда входное напряжение становится

меньше е

- нижнего порога срабатывания (рис. 2.23).

вх

вых

ee t

Рис. 2.23. Триггер Шмитта как формирователь

импульсов

Нетрудно показать, что если пренебречь входными токами

логического элемента, то:

⋅−⋅

где

- порог переключения логического элемента,

и U

-напряжения логического 0 и 1.

Ширина петли гистерезиса, определяющая помехоустойчивость

триггера как формирователя, зависит от отношения сопротивлений

резисторов в цепи обратной связи:

)(

ee −⋅=−

Временные диаграммы, иллюстрирующие работу триггера Шмитта

как формирователя импульсов, приведены на рис. 2.23. Благодаря

положительной обратной связи выходное напряжение меняется

скачкообразно даже тогда, когда напряжение на входе изменяется

ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА И МИКРОПРОЦЕССОРЫ. ЧАСТЬ 1

БАЗОВЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ 43

медленно. Гистерезис предотвращает ложные срабатывания триггера при

колебаниях входного напряжения, вызванных помехами.

Пример ИС:

К155ТЛ2 - 6 триггеров Шмитта с инверторами.

2.3. Импульсные устройства на логических

элементах

В цифровой аппаратуре наряду с элементами, выполняющими

логические операции, применяются импульсные устройства, служащие для

генерации и формирования импульсов. Эти устройства могут быть

собраны из дискретных компонентов, однако применение интегральных

схем логических элементов в качестве усилителей и электронных ключей

более целесообразно. Это позволяет унифицировать элементную базу

аппаратуры и обеспечивает согласование амплитудных характеристик

отдельных устройств.

2.3.1. Интегральные схемы логических элементов в

линейном режиме

Логический элемент (например, инвертор) можно использовать для

усиления малых сигналов, если в его входной цепи создать постоянное

смещение, равное пороговому напряжению переключения U

П.

Коэффициент усиления при этом составляет 20-100, частотный диапазон

достаточно широк - до десятков мегагерц (в зависимости от микросхем).

Размах усиливаемых сигналов невелик (не более десятой доли вольта).

В схемах ТТЛ смещение входной цепи может быть создано

включением резистора R1 между входом общим проводом. Смещение

образуется за счет входного тока, протекающего по резистору (рис. 2.24а).

Величина R1 выбирается в пределах 1,5 - 2 кОм. Стабильность режима

весьма мала. Лучшие результаты дает способ создания смещения с

помощью отрицательной обратной связи (рис.2.24б). Оптимальное

значение R2 находится в пределах 300-1000 Ом. Надо иметь ввиду, что

резистор смещения уменьшает и так небольшое входное сопротивление.

Смещение с помощью обратной связи используется в случае применения

логических элементов других типов и серий.

а) б)

Рис. 2.24. Логические элементы как усилитель:

а – смещение за счет входного тока;

б – смещение с помощью обратной

связи

2.3.2. Ждущие мультивибраторы

Ждущим мультивибратором называют устройство,

предназначенное для генерации одиночного прямоугольного импульса

заданной длительности в ответ на входной сигнал запуска. Ждущий

мультивибратор имеет одно устойчивое состояние, в котором может

находиться неопределенное время. Под действием входного сигнала он

переходит в квазиустойчивое состояние, в котором может находиться в

течение определенного, зависящего от параметров схемы интервала. По

истечении этого интервала мультивибратор вновь возвращается в

устойчивое исходное состояние. Он называется также моностабильным

мультивибратором, одновибратором.

Схема ждущего мультивибратора (рис.2.25а) может быть построена

на основе бистабильной ячейки - триггера, в котором выход одного

элемента имеет емкостную связь с входом другого. В результате такой

модификации схема возвращается всего в одно состояние при отсутствии

входного сигнала.

ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА И МИКРОПРОЦЕССОРЫ. ЧАСТЬ 1

БАЗОВЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ 45

а) б)

Рис. 2.25. Ждущий мультивибратор на элементах

2И-НЕ ТТЛ: а – схема;

б – временные диаграммы

Если , то в исходном состоянии

Пвх

URI <⋅

1,0 == QQ

Под действием входного импульса запуска мультивибратор

переходит в другое состояние:

0,1 == QQ

В квазиустойчивом состоянии он находится в течение интервала

времени, в котором напряжение на резисторе R уменьшается от

до U

(рис. 2.25б). Длительность импульса определяется как

,ln

ttt ⋅=−≈

где

CR ⋅

- постоянная времени заряда конденсатора.

Если величина

R невелика, то нужно учесть выходное

сопротивление элемента в единичном состоянии (200-400 Ом ).

Имеются интегральные схемы ждущих мультивибраторов,

например, К555АГ1 (рис. 2.26). Кроме собственно мультивибратора,

микросхема содержит логические элементы в цепи запуска, что расширяет

функциональные возможности устройства. Предпочтительным способом

является подача положительного перепада (по фронту) на вход триггера

Шмитта

В при нулевом уровне хотя бы на одном из входов А.

Длительность импульса определяется внешними элементами (0,7

R C).

+5B

а) б)

A1 A2 B

H x

x H

Рис. 2.26. Ждущий мультивибратор К555АГ1:

а – УГО; б – таблица запуска

Формирователи импульсов типа мультивибраторов с внешними

времязадающими элементами обладают сравнительно низкими

помехоустойчивостью и стабильностью. В цифровых устройствах более

предпочтительными являются формирователи импульсов, реализованные

на логических элементах и триггерах. Примеры таких схем будут даны в

следующих разделах.

В качестве формирователя импульсов по фронту входного сигнала

можно рассматривать схему, которая иллюстрировала эффект логических

состязаний. Длительность импульса определяется временем задержки в

инверторе. Устанавливая различное число инверторов (нечетное!), можно

менять длительность выходного импульса. Комбинируя различные

логические элементы, нетрудно получить подобные формирователи,

работающие по срезу или по фронту и срезу входного сигнала (более

подробно этот вопрос будет рассматриваться в части 2 учебного пособия

по дисциплине «Цифровые устройства и микропроцессоры»).

2.3.3. Автоколебательные мультивибраторы

Интегральные схемы логических элементов могут использоваться и

для построения генераторов с самовозбуждением, создающих

непрерывную последовательность прямоугольных импульсов. Вариант

генератора, называемый автоколебательным мультивибратором, можно

получить на основе схемы рис. 2.25а, если и вторую цепь обратной связи

сделать емкостной рис.2.27. Оба состояния такого устройства оказываются

квазиустойчивыми.

ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА И МИКРОПРОЦЕССОРЫ. ЧАСТЬ 1

БАЗОВЫЕ ЛОГИЧЕСКИЕ СХЕМЫ 47

а) б)

Рис.2.27. Автоколебательный мультивибратор:

а – схема; б – временные диаграммы

Мультивибратор непрерывно переходит из одного состояния в

другое, генерируя прямоугольные колебания. Период колебания равен:

ПП

CRttT

1121

lnln ⋅⋅+⋅⋅=+=

Для обеспечения мягкого режима самовозбуждения, по крайней

мере, один из элементов переводится в линейный режим (рис. 2.28).

Третий логический элемент играет роль буферного усилителя.

Рис.2.28. Автоколебательный мультивибратор с

мягким самовозбуждением

Стабильность частоты колебаний мультивибратора невысока. Для

повышения стабильности в качестве времязадающего элемента

используют кварцевый резонатор, включаемый вместо конденсатора С1

(второй конденсатор при этом является разделительным или вообще

исключается из схемы).

3. КОМБИНАЦИОННЫЕ УСТРОЙСТВА

Все комбинационные устройства представляют собой логические

схемы без памяти. Выходные переменные Y однозначно определяются

значениями входных переменных X. Связь между входными и выходными

переменными задается с помощью таблиц истинности или логических

функций. Примерами комбинационных схем являются рассмотренные в

разделе 2.1 логические элементы.

3.1. Преобразователи кодов

3.1.1. Шифраторы

Шифратор служит для преобразования унитарного кода в двоичный

код. Если число входов шифратора, т.е. длина унитарного кода равна ,

то число выходов , определяющее разрядность выходного двоичного

кода, должно соответствовать условию .

≥2

Типичным примером преобразователя унитарного кода в двоичный

является шифратор клавиатуры для ввода данных в цифровые устройства.

При не нажатых клавишах на всех входах шифратора нейтральный уровень

(например, нулевой). Нажатая клавиша подает активный уровень

(единичный) на соответствующий вход шифратора. На выходе шифратора

формируется двоичный код номера нажатой клавиши. Для того, чтобы

отличить случаи, когда нажатая клавиша с нулевым номером и когда не

нажато ни одной клавиши, вырабатывается уведомительный сигнал (его

обозначают ). Сигнал формируется при нажатии любой клавиши.

GS GS

Рассмотрим принципы построения схемы шифратора на примере

преобразователя 4-разрядного унитарного кода в 2-разрядный двоичный.

Анализируя таблицу истинности такого шифратора (табл. 3.1), нетрудно

убедиться, что выходные переменные могут быть рассчитаны следующим

образом:

.;;

3210321310

xxxxGSxxyxxy +

Схема, соответствующая приведенным логическим функциям,

показана на рис. 3.1.

ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА И МИКРОПРОЦЕССОРЫ. ЧАСТЬ 1

КОМБИНАЦИОННЫЕ УСТРОЙСТВА

Таблица 3.1

Таблица истинности шифратора 4-2

0 0 0 0 0 0 0

0 0 0 1 0 0 1

0 0 1 0 0 1 1

0 1 0 0 1 0 1

1 0 0 0 1 1 1

а) б)

Рис. 3.1. Шифратор 4-2: а – схема; б - УГО

Известны также шифраторы с приоритетом. На их выходе

формируется двоичный код, соответствующий активизированному входу с

наибольшим номером. Применительно к шифратору клавиатуры это

означает, что при одновременном нажатии нескольких клавиш приоритет

будет иметь клавиша с большим номером.

Пример ИС

К155ИВ1 - приоритетный шифратор 8-3 (рис. 3.2).

Активные уровни входных и выходных сигналов К255ИВ1 -

нулевые. Шифратор имеет вход

и выход

разрешения. Работа

шифратора разрешена при

0=EI

. Если

, то на всех выходах

единичный уровень. Выход

00 =E

, если

0=EI

и на всех входах

нейтральный уровень (единичный). Во всех остальных случаях

10 =E

Если на -том информационном входе нулевой уровень, то величины

сигналов на входах с номерами от 0 до (

−

) не имеют значения. Наличие

входа и выхода разрешения позволяет наращивать разрядность входного

кода с сохранением приоритетности. На рис. 3.3 показана схема

шифратора шестнадцатеричной клавиатуры, построенная на двух ИС

К155ИВ1 и четырех логических элементах.

Рис. 3.2. Приоритетный шифратор К155 ИВ1

Рис. 3.3. Шифратор для шестнадцатеричной

клавиатуры

3.1.2. Дешифраторы

Дешифратор служит для преобразования двоичного кода в

унитарный. Это преобразование является обратным по отношению к

операции, выполняемой шифратором. Дешифраторы применяются в

ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА И МИКРОПРОЦЕССОРЫ. ЧАСТЬ 1