Илюхин А.В. Логические автоматы. Типовые комбинационные схемы

Подождите немного. Документ загружается.

ся на вывод 14 для К176ПУ1 и на вывод 16 для К176ПУ2 и К176ПУЗ,

а дополнительное напряжение (стандартное для ТТЛ) 5 В на вывод

1 для всех микросхем. При таких напряжениях питания выходные

сигналы имеют уровни, соответствующие микросхемам ТТЛ - серий.

Паспортная нагрузочная способность - один логический элемент се-

рии 155. Реальная нагрузочная способность существенно выше - в

состоянии логического нуля при напряжении на выходе 0,5 В вте-

кающий ток может составлять 6...10 мА, в состоянии логической

единицы при напряжении на выходе 2,4 В вытекающий ток 3...6 мА.

Для обоих источников питания техническими условиями допускают-

ся напряжения от 5 до 10 В, реально микросхемы работоспособны

при напряжениях питания от 4 до 15В, однако необходимо, чтобы

напряжение питания КМОП - уровня было не менее, чем напряже-

ние ТТЛ - уровня. Максимальные выходные токи в первом прибли-

жении пропорциональны напряжениям питания.

Микросхемы К561ПУ4 и КР1561ПУ4 аналогичны по своему

функционированию микросхеме К176ПУЗ, но требуют лишь одного

источника питания, который подключается к выводу 1 микросхемы,

вывод 16 свободен. При напряжении питания 10 В микросхема

К561ПУ4 может обеспечить выходной ток 8 мА в состоянии логиче-

ского нуля и 1,25 мА в состоянии логической единицы. Эта микро-

схема имеет входную цепь, отличающуюся от входных цепей всех

остальных логических элементов КМОП - серий, поскольку отсутст-

вуют диоды защиты от статического электричества, подключенные к

Uи.п. Благодаря этому, на их входы можно подавать Uвх>5 В при

Uи.п = 5 В (что недопустимо для других типов микросхем), обеспе-

чивая согласование уровней напряжений при управлении ТТЛ от

КМОП. В этом случае на микросхему К561ПУ4 (КР1561ПУ4) подают

напряжение питания 5 В, входы подключают к выходам КМОП - мик-

росхем, выходы к входам ТТЛ - микросхем. Нагрузочная способ-

ность микросхемы К561ПУ4 для такого включения - 3 мА в состоя-

нии логического нуля, что практически позволяет подключать два

входа микросхем серии 155.

Нагрузочная способность микросхемы КР1561ПУ4 больше, она

позволяет при питании от напряжения 5 В нагружать выходы на два

входа микросхем серии 155 или восемь входов микросхем серии

555.

В сериях КМОП ИЦМ выпускаются микросхемы для управле-

ния КМОП от ТТЛ (рис. 3.13).

Микросхема К176ПУ5 предназначена для согласования выхо-

дов микросхем ТТЛ с входами микросхем КМОП. При напряжении

питания 5 В на выводе 15 и 9...10 В на выводе 16 на входы микро-

схемы можно подавать сигналы с выходов микросхем ТТЛ, выход-

ные сигналы будут соответствовать уровням микросхем КМОП.

Микросхема 564ПУ6 - четыре преобразователя уровней ТТЛ в

уровни КМОП с индивидуальной возможностью перевода выходов в

высокоимпедансное состояние. Микросхема имеет два вывода для

подачи питания - вывод 1 для подачи напряжения 5 В (питание мик-

росхем ТТЛ) и вывод 16 для подачи напряжения питания микросхем

КМОП, оно должно находиться в пределах 5...15 В, вывод 8 - общий

провод.

Рис. 3.13. Согласователи от ТТЛ к КМОП

Каждый преобразователь уровня имеет вход ОЕ для управле-

ния выходом. При логической единице на этом входе выход преоб-

разователя активен и повторяет входной сигнал, увеличенный по

амплитуде до напряжения питания, поданного на вывод 16, при ло-

гическом нуле на входе ОЕ выход переходит в высокоимпедансное

состояние.

Микросхемы К561ПУ7 (К564ПУ7) и К561ПУ8 (К564ПУ8) - соот-

ветственно шесть инвертирующих и шесть неинвертирующих пре-

образователей уровней ТТЛ ИЦМ в уровни КМОП ИЦМ. Принципи-

альное отличие этих микросхем от микросхем К176ПУ5 и 564ПУ6,

выполняющих ту же функцию, - использование одного источника пи-

тания. При напряжении питания 10…15 В порог переключения эле-

ментов микросхем составляет 1,5...1,8 В, что хорошо согласуется с

выходными уровнями микросхем серий ТТЛ. Выходные сигналы

микросхем имеют уровни, близкие к напряжению питания и потен-

циалу общего провода.

Гарантированная величина выходного тока микросхем при на-

пряжении питания 12В составляет не менее 1,3 мА в состоянии ло-

гического нуля и напряжении на выходе 0,5 В или в состоянии логи-

ческой единицы и напряжении на выходе 11,5 В, реально выходные

токи больше.

Из-за того, что микросхемы К561ПУ7 и К561ПУ8 используют

один источник питания, при их управлении от микросхем ТТЛ теря-

ется одно из наиболее интересных и полезных свойств микросхем

КМОП - крайне малое потребление тока от источника питания в ста-

тическом режиме. Естественно, что микросхемы К561ПУ7 и

К561ПУ8 можно использовать и в устройствах, целиком выполнен-

ных на микросхемах КМОП в качестве инверторов и буферных по-

вторителей соответственно, но при напряжении питания менее 9 В

это нецелесообразно из-за снижения помехоустойчивости.

Некоторые микросхемы, входящие в КМОП - серии и не яв-

ляющиеся специализированными преобразователями уровней, так-

же могут быть использованы для согласования ИЦМ КМОП и ТТЛ

(рис. 3.14).

Рис. 3.14. Микросхемы, которые можно использовать для согласования

ТТЛ и КМОП

Микросхема К561ЛН1 имеет повышенную по сравнению с дру-

гими микросхемами этой серии нагрузочную способность - при на-

пряжении питания 10 В ее выходной ток может достигать 5,3 мА в

состоянии логического нуля и 0,5 мА в состоянии логической едини-

цы, что позволяет нагружать на её выход до трёх входов серии

К155.

ИЦМ К561ЛН1 - шесть инверторов со стробированием и воз-

можностью перевода выходов в высокоимпедансное состояние.

Микросхема имеет шесть информационных входов D1 … D6, вход

стробирования С, вход переключения в высокоимпедансное состоя-

ние ОЕ и шесть выходов. Вход ОЕ является приоритетным - при по-

даче на него логической единицы все выходы переходят в высоко-

импедансное состояние независимо от других входных сигналов.

При логическом нуле на входе ОЕ и логической единице на входе С

на всех выходах устанавливается уровень логического нуля. При

логическом нуле на обоих управляющих входах ОЕ и С на выходах -

инверсия сигналов с информационных входов.

Микросхема К561ЛН2 - шесть инверторов с повышенной на-

грузочной способностью. Ее электрические параметры аналогичны

параметрам микросхемы К561ПУ4, она также позволяет подавать на

входы напряжение, большее напряжения питания, и может приме-

няться для согласования КМОП ИЦМ с ТТЛ ИЦМ.

Микросхема К561ЛНЗ - шесть повторителей сигнала с возмож-

ностью перевода выходов в высокоимпедансное состояние. Повто-

рители разделены на две группы - четыре и два элемента, в каждой

группе управляющие входы ОЕ элементов объединены. При подаче

на входы ОЕ соответствующей группы логического нуля выходы

элементов этой группы активны и повторяют входные сигналы. Если

на входы ОЕ подать логическую единицу, выходы элементов пере-

ходят в высокоимпедансное состояние.

Нагрузочная способность элементов микросхемы К561ЛНЗ в

активном состоянии весьма высока. При напряжении питания 5 В в

состоянии логического нуля выходной втекающий ток может дости-

гать 16 мА при выходном напряжении 0,5 В, в состоянии логической

единицы вытекающий ток не менее 3 мА при выходном напряжении

4 В, что позволяет при необходимости нагружать на каждый выход

микросхемы К561ЛНЗ до 10 входов микросхем серии К155.

Основное назначение микросхем К561ЛНЗ - поочередная по-

дача на одну магистраль сигналов от различных источников, причем

благодаря большой нагрузочной способности микросхемы магист-

раль может иметь большую емкость и большое количество подклю-

ченных клемм нагрузок и источников сигналов. Эти микросхемы мо-

гут найти также широкое применение в качестве буферных элемен-

тов, в особенности в микропроцессорных системах.

Как уже отмечалось, с помощью логических элементов с от-

крытыми выходами можно осуществлять согласование ИЦМ раз-

личных технологий.

ИЦМ 564ЛА10 (рис. 3.15) имеет выходной каскад с открытым

стоком, обеспечивающий выходной ток достаточный для подключе-

ния десяти входов интегральных микросхем серии 155 при подклю-

чении к выходам резисторов, сопротивлением 3,3 кОм.

В КМОП - сериях интегральных микросхем отсутствуют эле-

менты для согласования с логическими элементами ЭСЛ – серий,

поскольку в реальных разработках логические элементы этих тех-

нологий вместе практически никогда не используются из-за слишком

больших различий в быстродействии и потребляемой энергии.

Рис. 3.15. Использование ИЦМ 564ЛА10 для согласования КМОП с ТТЛ

Чаще всего осуществляют согласование интегральных микро-

схем ЭСЛ - логики с микросхемами ТТЛ - логики, однако уровни на-

пряжения, используемые в ЭСЛ, заметно отличаются от соответст-

вующих уровней в ТТЛ, поэтому эти два логических семейства не-

посредственно не совместимы. Логические элементы - согласовате-

ли входят в состав ЭСЛ - серий ИЦМ и имеют достаточно сложное

построение, поскольку ЭСЛ - логика является отрицательной, т.е.

напряжения уровней логического нуля и единицы находятся в об-

ласти отрицательных напряжений по отношению к общему проводу.

Для согласования ИЦМ ТТЛ и ЭСЛ используются микросхемы

ПУ124 и ПУ125, входящие в состав серий 100, 500, 1500 (рис. 3.16).

Рис. 3.16. Согласователи ТТЛ и ЭСЛ

Для преобразования ТТЛ - уровней в ЭСЛ - уровни служит

микросхема ПУ124. Микросхема представляет собой четырёхка-

нальный преобразователь ТТЛ - уровней в ЭСЛ - уровни с входом

стробирования ОЕ, общим для всех четырёх каналов.

При Е=0 (ТТЛ - уровня) на всех прямых выходах микросхемы

появятся напряжения низкого логического уровня ЭСЛ (логический

нуль), а на всех инверсных выходах появятся напряжения высокого

логического уровня ЭСЛ (логическая единица), независимо от ТТЛ –

уровней, находящихся на входах микросхемы.

При Е=1 (ТТЛ - уровня) на ЭСЛ - выходах появятся логические

уровни, соответствующие логическим уровням ТТЛ, поданным на

входы микросхемы с учётом инверсии на инверсных ЭСЛ - выходах.

Для преобразования ЭСЛ - уровней в ТТЛ - уровни служит мик-

росхема ПУ125.

Заканчивая описание ИЦМ различных технологий, способов их

включения и особенностей эксплуатации, сделаем ещё несколько

замечаний.

Необходимо стремиться к тому, чтобы как можно меньше ис-

пользовать в одной схеме элементы, относящиеся к разным техно-

логиям, поскольку это приводит к уменьшению быстродействия схем

из-за задержек сигналов в микросхемах преобразователей уровней

и усложнению блоков питания.

Несмотря на меры защиты, логические элементы КМОП - се-

рий могут быть выведены из строя статическим электричеством, по-

этому микросхемы поступают с завода с закороченными выводами

через фольгу или специальные пластины, а паять микросхемы не-

обходимо паяльником с заземлённым жалом. На руки монтажника

нужно надевать заземляющие браслеты.

4. ТИПОВЫЕ КОМБИНАЦИОННЫЕ СХЕМЫ

Логические элементы, описанные в предыдущей главе, пред-

ставляют собой элементарные базовые компоненты, из которых

строятся логические автоматы. Сложные логические автоматы, во-

обще говоря, состоят из типовых логических узлов, представляющих

собой элементарные логические автоматы, строящиеся из логиче-

ских элементов. Цель данной главы - рассмотреть типовые логиче-

ские узлы комбинационных схем, играющие важную роль в построе-

нии логических автоматов, применяющихся для автоматизации тех-

нологических процессов, а также в микропроцессорной технике.

4.1. ДЕШИФРАТОРЫ

Дешифратор это комбинационная схема, предназначенная для

преобразования двоичного кода, поданного на её вход в напряже-

ние активного логического уровня, появляющееся на том выходе

схемы, десятичный номер которого соответствует двоичному коду

на входах.

4.1.1. Основные понятия о дешифраторах

Из определения дешифратора следует, что он выполняет пре-

образование всех комбинаций значений «n» булевых аргументов в

один из 2

выходных сигналов, который будет соответствовать мин-

терму. Такие дешифраторы называются полными, так как они реа-

лизуют 2

минтермов, т.е. все возможные. Поскольку выходной сиг-

нал появляется только на одном выходе дешифратора, то говорят,

что дешифратор преобразует двоичный код в «позиционный», т.е.

значение выходной функции дешифратора зависит от того, в какой

позиции располагается выходной сигнал.

Полный дешифратор выполняет логические функции

()

∏

=ν=

pii

XKf

где

ν = (X

,…,X

), i = e

,…e

– двоичное число, f

= 0,…2

n-1

– десятич-

ное число.

Для тех, кто забыл приведённые выше обозначения, рекомен-

дую учебное пособие «Логические автоматы. Булева алгебра как

математическая система», являющееся первой частью серии «Ло-

гические автоматы».

В соответствии со свойствами минтермов, при каждой комби-

нации значений входных сигналов дешифратора Xp, только один из

его выходов принимает значение логической единицы. Такие де-

шифраторы называют прямыми полными дешифраторами структу-

ры n x 2

Теперь, когда мы сформулировали основные понятия о де-

шифраторах, рассмотрим таблицу истинности и схему дешифрато-

ра 2 х 4 (преобразующего двухразрядный двоичный код в четырёх-

разрядный позиционный). Таблица истинности такого дешифратора

представлена в табл. 4.1.

Мы рассматриваем дешифратор такой структуры с целью по-

лучения наиболее простой схемы реализации, поскольку с увеличе-

нием разрядности дешифрируемого двоичного кода резко усложня-

ется схема реализации дешифратора. Но принципы построения

схем дешифраторов остаются одинаковыми для любой разрядности

двоичного кода.

Таблица 4.1

0 0 1 0 0 0

0 1 0 1 0 0

1 0 0 0 1 0

1 1 0 0 0 1

Из таблицы истинности легко получить схему реализации, ко-

торая представлена на рис. 4.1.

Рис. 4.1. Схема дешифратора структуры 2 х 4

Все дешифраторы, выпускаемые в виде интегральных микро-

схем, работают в коде 8-4-2-1, который является наиболее употре-

бимой системой кодирования десятичных цифр. Этот код часто на-

зывают кодом BCD (Binary Coder Decimal). В этом коде десятичные

цифры кодируются первыми десятью четырёхразрядными двоич-

ными числами. Обозначение 8-4-2-1 отражает значение весовых

множителей, приписываемых соответствующим битам в кодирую-

щей группе. Поэтому такую систему кодирования называют двоич-

но-взвешенным кодом или, что встречается ещё чаще, двоично-

десятичным кодом:

Например, десятичное число 658 в коде 8-4-2-1 BCD запишет-

ся следующим образом

321321321

856

1000 0101 0110 ,

а разложение цифры 6 в двоичном коде по весовым множителям

будет таким:

0110 = 0x2

+ 1x2

+ 0x2

= 0x8 + 1x4 + 1x2 + 0x1 = 4+2 = 6.

Надеюсь, теперь понятно, что означают цифры 8-4-2-1? Они

показывают, какой разряд двоичного кода имеется в виду. Именно

поэтому эти цифры и применяются для обозначения входов де-

шифраторов (забегая вперёд, отметим, что такие обозначения ис-

пользуются и для других ИЦМ).

Для обозначения ИЦМ дешифраторов применяется типономи-

нал ИД, а условное графическое изображение дешифратора на

схемах имеет вид, представленный на рис. 4.2. Для примера здесь

представлено условное обозначение дешифратора ИД3, который

входит во многие ТТЛ - серии.

Рис. 4.2. Условное графическое обозначение ИЦМ дешифратора

Данная микросхема имеет четыре адресных входа 1-2-4-8, два

инверсных входа стробирования S, объединенных по И, и 16 ин-