Илюхин А.В. Логические автоматы. Типовые комбинационные схемы

Подождите немного. Документ загружается.

выходах Y

и Y

будет также присутствовать уровень логического

нуля.

Когда на входах X

и X

присутствуют уровни логического нуля

и логической единицы или наоборот, то на выходе Y

формируется

уровень логической единицы, а на выходе переноса в старший раз-

ряд Y

остаётся уровень логического нуля. Если же на входах X

присутствуют уровни логической единицы, то на выходе Y

фор-

мируется уровень логического нуля, а в старший разряд переносит-

ся логическая единица с выхода Y

Элемент «Исключающее ИЛИ» можно использовать в качестве

формирователя коротких импульсов по фронту или спаду входного

импульса (как показано на рис 3.3,а и рис. 3.3,б), например, для

формирования сигнала сброса в схемах, содержащих последова-

тельностные элементы. Принцип действия таких схем поясняется

временными диаграммами.

Рис.3.3 Формирователи импульсов на логических элементах «Исключаю-

щее ИЛИ»

Исключив из схемы всего один диод VD

, получим схему выде-

ления фронта и спада входных импульсов (рис. 3.3,в).

Наконец элемент «Исключающее ИЛИ» можно также исполь-

зовать в качестве инвертора, если на один из его входов постоянно

подавать логическую единицу.

3.3. ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ РАСШИРИТЕЛЕЙ

Логические расширители – специальные элементы ИЦМ, пред-

назначенные для увеличения количества логических входов у эле-

ментов ИЦМ, что позволяет реализовывать логические функции от

большого количества переменных и строить нетиповые схемы.

Поскольку в элементах ТТЛ - логики операция «И» реализует-

ся с помощью многоэмиттерного транзистора, то увеличить количе-

ство соответствующих входов внешним монтажом нельзя. Поэтому

элементы расширителей используются для увеличения количества

входов, которые объединены со штатными входами логических

элементов по «ИЛИ». В связи с этим элементы расширителей пре-

имущественно подсоединяются к ИЦМ, выполняющим функции «И-

ИЛИ-НЕ» или «ИЛИ-И-НЕ» и имеющим специальные входы для та-

кого подсоединения.

Схема расширителя приведена на рис. 3.4.

Рис. 3.4. Схема элемента расширителя

Как видно из рис. 3.4, выходами микросхемы расширителя яв-

ляются открытый коллектор и открытый эмиттер, т. е. коллектор и

эмиттер выходного каскада, не подключенные к нагрузкам. По этой

причине элементы расширителей нельзя использовать в качестве

логических элементов. Сами логические элементы расширителей

(как уже отмечалось) можно подсоединять не к любым ИЦМ, а толь-

ко к тем, которые имеют специальные входы (рис. 3.5).

Из рис. 3.5 ясно, что МЭТ - элемента расширителя подключен

к МЭТ самого логического элемента по операции ИЛИ, т.е. транзи-

стор VT

расширителя подключается параллельно транзистору VT

логического элемента, но сами эти МЭТ реализуют функцию «И».

Рис. 3.5. Логический элемент ТТЛ - логики с возможностью подключения

расширителя

Схема с использованием элементов расширителей приведена

на рис. 3.6.

Рис. 3.6. Схема с использованием логических элементов расширителей

В ней использован один логический элемент из ИЦМ 155ДЛ1,

которая имеет в своём составе два таких логических элемента с че-

тырьмя входами и один расширитель 155ЛД3 с восемью входами.

Как видно, соединение выходов расширителей осуществляется не-

посредственно (или, как говорят, – монтажно). Условные обозначе-

ния в поле графического изображения расширителей показывают,

что выходы данных элементов выполнены с открытым коллектором

(обозначается значком

) и открытым эмиттером (обозначается

значком

3.4. ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ С ОТКРЫТЫМИ ВЫХОДАМИ И ТРЕМЯ

СОСТОЯНИЯМИ ВЫХОДА

Физические параметры и функциональные возможности логи-

ческих элементов зависят от выполнения выходного каскада (усили-

теля тока). Наиболее часто используются четыре типа схем выход-

ных каскадов.

1. Логический элемент со стандартным выходом (см. рис 2.5):

напряжения на базе транзистора VT

(Uа) и базе транзистора VT

(Uв) всегда изменяются в противофазе (если Uа имеет низкий уро-

вень, то Uв – высокий). Такой выходной каскад обеспечивает боль-

шой ток уровня логического нуля I

вых

(открыт нижний транзистор) и

значительно меньший ток логической единицы I

вых

(открыт верхний

транзистор). Поэтому на выходе такого элемента может присутство-

вать либо уровень логической единицы, либо уровень логического

нуля.

2. В логическом элементе с открытым коллектором в качестве

выходного каскада используется транзистор, коллектор которого не

подключен к нагрузке (рис.3.7). Транзисторы у таких элементов из-

готовляются на различное допустимое напряжение питания: +5, +35,

+30, +35 В и др. Выходы таких ЛЭ должны быть подключены с по-

мощью внешнего резистора к соответствующему источнику питания

пит2

или +U

пит1

=5 В. Такое построение выходного каскада позво-

ляет управлять напряжениями, превышающими напряжение пита-

ния ИЦМ.

Рис. 3.7. Элемент с открытым коллектором

3. Выходные каскады с открытым эмиттером отличаются от

выходного каскада с открытым коллектором тем, что эмиттер не

подключен внутри микросхемы к общему выводу (корпусу), а под-

ключен к отдельному внешнему выводу, тогда как коллектор под-

ключён к выводу, на который подается напряжение питания. Нагруз-

ка к этим логическим элементам подключается между выводами

эмиттера и корпуса, т. е. выходной каскад представляет собой эмит-

терный повторитель, обеспечивающий большой выходной ток I

вых

(вытекающий ток) в отличие от выходного каскада с открытым кол-

лектором, обеспечивающим большой выходной ток I

вых

(втекающий

ток).

4. В составе большинства серий интегральных микросхем су-

ществуют элементы с тремя состояниями выхода. Они имеют

управляющий вход ОЕ (Output Enable - разрешение выхода) или для

краткости просто Е (Enable), одно из значений сигнала на котором

переводит оба выходных транзистора в закрытое состояние. Схема

ТТЛ - элемента с тремя состояниями выхода приведена на рис.3.8.

При ОЕ = 0 напряжения на базах транзисторов Uа и Ub прини-

мают низкий (закрывающий) уровень, что делает невозможным про-

текание выходных токов через транзисторы. Транзистор VT

закрыт

потому, что дополнительный диод находится в проводящем состоя-

нии и потенциал на базе равен нулю. Транзистор VT3 также будет

закрыт, поскольку на его эмиттере присутствует уровень логическо-

го нуля.

Такое состояние выхода логического элемента называют Z –

состоянием или высокоимпедансным состоянием выхода (сотни

кОм).

Для реальных логических элементов ТТЛ Z - состояние выхода

характеризуется током утечки 20...40 мкА.

Рис. 3.8. Схема ТТЛ - элемента с тремя состояниями выхода

При ОЕ = 1 логический элемент с тремя состояниями работает

так же, как и логический элемент со стандартным выходом, т.е. его

состояние будет полностью определяться состояниями других вхо-

дов.

У некоторых ИЦМ Z – состояние устанавливается при ОЕ = 1,

т.е на входе ОЕ установлен инвертор. Это сделано для удобства

эксплуатации при реализации логических автоматов с различными

алгоритмами функционирования.

На рис 3.9 приведено условное обозначение ИЦМ 155ЛЕ2.

Рис. 3.9. Условное обозначение ИЦМ 155ЛЕ2

Как видно, в её состав входят два четырёхвходовых элемента

ИЛИ-НЕ, причём один из них имеет возможность расширения по

ИЛИ и оба элемента имеют вход Output Enable.

Чтобы закончить описание логических элементов с открытыми

выходами, необходимо отметить ещё одно обстоятельство.

Все логические элементы с повышенной нагрузочной способ-

ностью (усилители тока) называются драйверами.

Драйверы с Z – состоянием выхода широко применяются в

микропроцессорных системах для подключения микропроцессора,

памяти и внешних устройств к системной шине адреса данных. Та-

кие драйверы называются шинными формирователями.

Чтобы различать микросхемы со специфическими свойствами,

применяются следующие условные значки.

Если в центральном поле условного обозначения логического

элемента находится символ

, то это означает, что этот элемент

имеет выход с открытым коллектором и Z-состоянием.

Если в центральном поле условного обозначения логического

элемента находится символ

, то это означает, что этот элемент

имеет выход с открытым эмиттером и Z-состоянием.

Если в центральном поле условного обозначения логического

элемента находится символ

, то это означает, что этот элемент

имеет выход с повышенной нагрузочной способностью, т.е. он явля-

ется драйвером.

Разумеется, возможны различные комбинации таких значков,

по которым можно определить, какие специфические особенности

имеет данная ИЦМ.

3.5. РЕАЛИЗАЦИЯ ЛОГИЧЕСКИХ ФУНКЦИЙ «МОНТАЖНОЕ И»

И «МОНТАЖНОЕ ИЛИ»

Наиболее важным свойством логических элементов с откры-

тым коллектором является возможность реализации с их помощью

так называемой монтажной логики. Это название отражает тот факт,

что можно реализовать логическую функцию путем простого соеди-

нения выходных линий от нескольких логических элементов. Реали-

зуемые таким образом логические функции получили названия

«монтажное ИЛИ» и «монтажное И».

Рассмотрим схему реализации монтажной логики, представ-

ленную на рис. 3.10.

Рис. 3.10. Реализация монтажной логики

Схема состоит из т логических элементов, каждый из которых

с учетом инвертирования сигнала в выходном каскаде выполняет

функцию

()

, где K = (X

, ..., X

). В соответствии с этим выходной

сигнал схемы принимает значение логического нуля в тех случаях,

когда выходной сигнал хотя бы одного логического элемента равен

нулю. Выходное напряжение может принять уровень логической

единицы только в том случае, если все выходные транзисторы за-

крыты. Таким образом, простое подсоединение коллекторов выход-

ных транзисторов нескольких логических элементов к общей нагруз-

ке Rн реализует функцию «монтажное ИЛИ» для нулевых выходных

уровней логических элементов и функцию «монтажное И» для еди-

ничных выходных уровней. В общем виде схема описывается функ-

цией

() () ()

kFkFKF

∏

∨

Преимущества, связанные с использованием монтажной логи-

ки, не ограничиваются возможностью создания многовходовых ло-

гических автоматов, по существу, без всяких аппаратных затрат (ес-

ли не принимать во внимание резистор нагрузки). Функции «мон-

тажное ИЛИ» и «монтажное И», реализуемые соединением выходов

вентилей, выполняются без дополнительной временной задержки.

Кроме того, поскольку практически количество соединяемых логиче-

ских элементов не ограничено, монтажная логика оказывается осо-

бенно выгодной в тех ситуациях, когда схемы должны иметь боль-

шой коэффициент объединения по входу (много переменных на вхо-

де).

Возможно, наиболее важное преимущество, предлагаемое

монтажной логикой при ее использовании в микрокомпьютерах, за-

ключается в том, что на ее основе легко реализуются логические

шины. Шиной называется линия или набор линий, соединяющих

между собой отдельные логические устройства и позволяющих ка-

кому-то устройству посылать данные одному или нескольким другим

устройствам.

Шина может быть однонаправленной - в этом случае одни уст-

ройства выступают всегда в качестве посылающих, а другие - все-

гда в качестве принимающих; шина может быть двунаправленной - в

этом случае каждое устройство, подключенное к шине, в какой-то

момент может посылать сигналы другим устройствам.

3.6. ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ УРОВНЕЙ НАПРЯЖЕНИЙ И ТОКОВ

Данные преобразователи применяются для согласования

входных и выходных сигналов по напряжению и току при использо-

вании в одном устройстве ИЦМ, выполненных по различным техно-

логиям и, следовательно, имеющих различные напряжения питания

и уровни логических единиц и нулей. Преобразование уровней на-

пряжения требуется также в устройствах, построенных на КМОП -

микросхемах, если различные части устройства имеют разное на-

пряжение питания.

Согласование уровней напряжений при управлении КМОП -

микросхемами от ТТЛ - микросхем осуществляется с использовани-

ем логических элементов ТТЛ с открытым коллектором, выходные

каскады которых выполнены на высоковольтных транзисторах при

напряжении питания КМОП U > +5 В.

Если ТТЛ и КМОП - микросхемы имеют одинаковое напряже-

ние питания (5 В), то можно использовать логические элементы ТТЛ

со стандартным выходом, но для надежности переключения логиче-

ских элементов КМОП рекомендуется подключать резистор R, как

показано на рис. 3.11 (уровень логической единицы на выходе ТТЛ

приближается к + 5 В). Если напряжение питания логических эле-

ментов КМОП U = +15 В, то все входы КМОП должны быть согласо-

ваны с ТТЛ - уровнями с помощью логических элементов с откры-

тыми коллекторами.

Рис. 3.11. Согласование ИЦМ ТТЛ и КМОП

Большинство КМОП ИЦМ имеют малые выходные токи (выхо-

ды не могут быть нагружены даже на один вход ТТЛ серии 155). По-

этому в КМОП - сериях выпускаются специальные ИЦМ, позволяю-

щие согласовывать КМОП с ТТЛ по уровням напряжений и токов.

Для такого согласования можно использовать ИЦМ К176ПУ1,

К176ПУ2, К176ПУЗ, условные обозначения и номера выводов кото-

рых приведены на рис. 3.12.

Рис. 3.12. ИЦМ для согласования от КМОП к ТТЛ

Стандартное напряжение питания (для серии 176) 9 В подает-