Конспект по дисциплине «Схемотехника»


НазваниеКонспект по дисциплине «Схемотехника»
страница1/5
Дата публикации07.04.2013
Размер0.71 Mb.
ТипКонспект
referatdb.ru > Информатика > Конспект
  1   2   3   4   5

Опорный конспект





Форма

Ф СО ПГУ 7.18.2/05



Министерство образования и науки Республики Казахстан
Павлодарский государственный университет им. С. Торайгырова
Кафедра Информатики и информационные системы

Опорный конспект

по дисциплине «Схемотехника»

специальности 050703- Информационные системы



Павлодар




Лист утверждения к опорному конспекту




Форма

Ф СО ПГУ 7.18.1/05


УТВЕРЖДАЮ

Декан ФФМиИТ

__________С.К.Тлеукенов

«__»_____________20___ г.


^

Составитель: старший преподаватель Бельгибаева С.А.



Кафедра Информатика и информационные системы


опорный конспект




по дисциплине «Схемотехника»


для студентов специальности 050703- Информационные системы

Рекомендована на заседании кафедры от «__»________20___ г. Протокол №____.
Заведующий кафедрой _______________ Нурбекова Ж.К.

(подпись)

Одобрена методическим советом факультета ФМиИТ

«___»___________20___г. Протокол №______
Председатель МС____________________ А.Т.Кишубаева

(подпись)
^ 1 Базовые полупроводниковые приборы и логические элементы

Аналоговые и цифровые сигналы. Базовые логические элементы представляют собой электронные схемы, в которых входные и выходные логические переменные представляются раз­личными электрическими сигналами, обычно напряжениями высокого и низкою уровня. Вообще, сигналами Moгyт служить любые физические явления или объекты, изменение параметров которых во времени несет информацию в прямом или закодиро­ванном виде (свет, звук, напряжение, ток, давление и т.д.).




Рис.1. Представление аналогового (а) и цифрового (б) сигнала


В общем случае информация может быть представлена в непрерывной (аналоговой) и дискретной (цифровой) формах (рис.1). Непрерывная форма характеризует процесс, который не имеет перерывов и теоретически может изменяться в любой мо­мент времени и на любую величину. Цифровой сигнал может из­меняться лишь в определенные моменты времени и принимать лишь заранее обусловленные значения.

Для преобразования аналогового сигнала в цифровой сиг­нал требуется провести дискретизацию непрерывного сигнала во времени, квантование по уровню, а затем кодирование отобранных значений.

Дискретизация - замена аналогового сигнала последова­тельностью отдельных во времени отсчетов этого сигнала. Наибо­лее распространена равномерная дискретизация, в основе которой лежит теорема Котельникова.

На рис.2 схематично показан процесс преобразования ана­логового сигнала X(t) в цифровой сигнал. Цифровой сигнал в данном случае может принимать лишь шесть различных уровней. Естественно, что качество такого преобразования невысокое. Из рисунка видно, что изменение цифрового сигнала возможно лишь в некоторые моменты времени.



Рис.2. Графическая иллюстрация процесса преобразования аналогового сигнала в цифровой сигнал

После такого преобразования непрерывный сигнал пред­ставляют последовательностью чисел. Показанный на рисунке не­прерывный сигнал заменяют числами 2-3-4-4-5-5-5-4-4. Затем пе­речисленные десятичные числа кодируют в двоичной системе счисления. Результаты данного преобразования можно представить таблицей:


Время

Десятичное

число

Двоичное число

t1

2

0010

t2


3

0011

t3

4

0100

t4

ttttt

4

0100

t5

5

0101

t6

5

0101

t7

5

0101

t8

4

0100

t9

4

0100

В данном случае цифровые сигналы представлены четырь­мя разрядами двоичных чисел. Очевидно, чем больше разрядов у двоичных чисел (а значит, тем больше число уровней квантования) и чем чаще во времени осуществляются отсчеты (выборки), тем точнее будет осуществляться преобразование непрерывного сигна­ла в аналоговый.

^ Импульсные цифровые сигналы. Электрическим им­пульсом называют отклонение напряжения или тока от первона­чального значения в течение короткого промежутка времени. На рисунке 11а изображен простейший импульс прямоугольной фор­мы. В реальных устройствах из-за влияния нелинейных и реактив­ных сопротивлений форма импульса (рис.116) искажается: затяги­вается время нарастания и уменьшения напряжения (или тока), скашивается вершина, появляются выбросы. В результате стано­вится неоднозначной длительность импульса, которая зависит от уровня напряжения (или тока) при котором она определяется.

Для устранения неоднозначности в описании импульсов ус­ловились использовать следующие параметры: Um - амплитуда импульса; Aw - скос (завал) вершины; tф, (tс) - длительность фрон­та (спада), равная времени нарастания (уменьшения) импульса от 0,lUm(0,9Um) до 0.9Um(0,1Um);tu -длительность импульса, изме­ряемая на уровне 0,1Um (в вычислительной технике длительность импульса часто определяют и на уровне 0,5Um.

Из последовательности импульсных сигналов можно соста­вить сообщение, отображающее как дискретную, так и аналоговую информации. Например, в виде последовательности импульсов с десятью дискретными значениями амплитуд можно абсолютно точно отобразить любое десятичное число или приближенно су­точный ход температуры.

Представление сообщений в виде комбинаций небольшого чис­ла исходных знаков называется кодированием информации. Число разных символов, используемых при кодировании, называется ос­нованием кода, а число элементов, образующих кодовую комбина­цию, называется значностью кода. Код, все комбинации которого имеют одинаковую значность, называется равномерным.

Например, телеграфный код Морзе имеет основание, равное трем (точка, тире, пауза), и является неравномерным, так как при кодировании букв и цифр образуются комбинации различной дли­ны. Почтовый адресный код на конвертах писем имеет основание, равное десяти (цифры от 0 до 9), и является равномерным, так как при кодировании любого почтового отделения всегда используется только шестизначная комбинация.

Как видно из примеров, кодирование позволяет представ­лять различные сообщения в стандартной форме, имеющей некото­рые свойства чисел. В самом деле, кодированный сигнал, так же как и число, дискретен и составляется из ограниченного набора элементов. Поэтому кодированные сигналы принято называть циф­ровыми сигналами.

Наиболее простой является рассмотренная нами в первом разделе двоичная система счисления. При этом, если логическому 0(1) соответствует низкий (высокий) уровень напряжения, то такую логику называют положительной. И наоборот, если логическому 0(1) соответствует высокий (низкий) уровень напряжения, то такую логику называют отрицательной.

Укажем причины, по которым в вычислительной технике преимущественное применение находят электрические цифровые сигналы:

• они имеют очень большую скорость распространения, что
обеспечивает один из важнейших качественных показателей характеристик компьютеров - быстродействие;

• повышенная помехоустойчивость цифровых сигналов и цифровых устройств, являющаяся следствием дискретностью уровней цифровых сигналов.

  • современный уровень развития техники позволяет создавать простые и достаточно точные преобразователи любого вида энер­гии в электрическую энергию (датчики) и электрической энергии в любой другой вид энергии (исполнительные устройства);

  • именно электрические управляющие устройства наиболее тех­нологичны, надежны, имеют малые габариты и массу, позволяют создавать простые конструкции, удобные в обслуживании.

Указанные причины позволяют выделить электрические сигналы из всех других сигналов и говорить об их прикладной универсальности. Поэтому в более узком смысле сигналами чаще называют не все возможные носители сообщений, а только лишь колебания электрического тока и напряжения. Поэтому и мы в дальнейшем под сигналами будем подразумевать только электри­ческие цифровые сигналы.

Однако не надо считать, что такое положение сохранится всегда. Современный уровень развития науки и технологии дает основание думать, что в скором будущем наибольшей прикладной универсальностью будут обладать не электрические, а оптические сигналы.

^ Базовый элемент транзисторно-транзисторной ло­гики (ТТЛ). Любая логическая операция может быть реализована с помощью базовых логических элементов одного типа, например И-НЕ либо ИЛИ-НЕ. Однако на практике редко ограничиваются од­ним типом элементов. Промышленность выпускает развитые серии интегральных микросхем с большим числом логических элементов. В настоящее время наиболее широкое распространение получили серии микросхем транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ), тран­зисторно-транзисторной логики с диодами Шотки (ТТЛШ), эмит-терно-связанной логики (ЭСЛ), на МОП - структурах (на транзи­сторах р- и n-типов с обогащенным каналом, КМОП - схемы на до­полняющих транзисторах), так как они отличаются более высоким уровнем интеграции и большим функциональным разнообразием.

Рассмотрим устройство и принцип работы базового логиче­ского элемента И-НЕ транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ), который выполнен на базе биполярных транзисторов. Здесь под «логикой» подразумевается понятие «электронного ключа».



Рис.12. Базовый ТТЛ-элемент с простым ключом

На рисунке 12 показана схема элемента с простым одно-транзисторным ключом. На входе элемента включен многоэмиттерный транзистор VT1. Принцип действия такого транзистора тот же, что и у обычного биполярного транзистора. Единственное от­личие заключается в том, что инжекция носителей заряда в базу осуществляется через несколько самостоятельных эмиттерных р п переходов. Видно, что логическая единица U1вx, поступившая на входы VT1, запирает все эмиттерные переходы. Ток, текущий че­рез резистор R6, замкнется через открытые р - п переходы — коллекторный VT1 и эмиттерный VT2. Этот ток откроет транзистор VT2, и напряжение на его выходе станет близким к нулю, т. е. Y = U0вых. Если же на все или хотя бы на один вход VT1 будет подан сигнал U0вх, то ток, текущий по R6, замкнется через откры­тый эмиттерный переход VT1. При этом входной ток VT2 будет близок к нулю, и выходной транзистор окажется запертым, то есть

Y = U1вых. Таким образом, рассмотренная схема реализует логиче­скую операцию И— НЕ Y = X1Х2ХЗ...

Рассмотренная схема базового элемента ТТЛ с простым инвертором находит ограниченное применение только в качестве схемы с открытым коллектором. Большая задержка выключения и сильная зависимость выходного напряжения от нагрузки привели к появлению более сложного базового элемента (рис.13). Он состоит из следующих каскадов: входного многоэмиттерного транзистора VT1, выполняющего логическую операцию И; управляющего транзистора VT1 и двухтактного инвертирующего выходного каскада на VT3 и VT4. При этом транзистор VT4 рассчитан на большой рабочий ток, так как через него стекают на землю входные токи многоэмиттерных транзисторов следующих логических элементов.



Рис.13. Схема базового ТТЛ - элемента со сложным ключом
^ Анализ работы базового ТТЛ - элемента. На рис.14 по­казаны временные характеристики логического элемента 2И-НЕ: входной ток Iex(t) (рис.146), выходное напряжение U(t)(рис. 14в), выходной ток I(t) (рис.14г) и ток, потребляемый от источника пи­тания In(t)(рис.14д). На рисунке приведены некоторые парамет­ры элемента: 013 (013) - задержка перехода элемента из состояния 0(1) в состояние 1(0); t01ф (t10ф) - время нарастания (спада) фронта сигнала; U°(U1) - уровень логического 0(1); V0cp (V10cp) - порог сра­батывания элемента по переднему (заднему) фронту. Знание дан­ных характеристик позволяет полнее понять физические про­цессы в схеме ТТЛ элемента. Проанализируем работу отдельных каскадов базового ТТЛ элемента в различных режимах для поясне­ния характерных точек и участков кривых полюсных токов и на­пряжений.

При низком напряжении на входе, равном логическому

нулю V0, из схемы вытекает входной ток I0вх, величина которого определяется выражением

I­­­­0вх = (En-Vвх-Uбэ1)/R1, где Еп - напряжение источника питания, U6эх- падение напряже­ния на участке база - эмиттер транзистора VT1.

Это обусловливает низкий потенциал базы транзистора VT3, вследствие чего он будет закрыт. Соответственно отпирается транзистор VT3 и запирается транзистор VT4. На выходе схемы образуется логическая единица, уровень которой определяется выражением

U'=En-Ik3,R4 -Uкэ3 -Ud,

где 1к3- коллекторный ток транзистора VT3; Uкэ3- падение на­пряжения на участке коллектор-эмиттер открытого транзистора VТЗ; Ud) - падение напряжения на открытом диоде.



Рис. 14. Временные характеристики элемента 2И-HE

Значение ^ U в большей степени зависит от величины тока Ik3, который является выходным током схемы I1, вытекающим в нагрузку. Его значение можно вычислить по формуле

^ I1=(En-Uкэз -∆Ud)/(RH +R4).

Ток , потребляемый схемой от источника питания в со­стоянии логической единицы, имеет небольшое значение. Он пред­ставляет собой сумму токов, протекающих через транзисторы VТ1 и VТ3 , и определяется выражением

=(En-V°-Uбз1)/R1 +Iбз +Iкз

(Iбз - базовый ток открытого транзистора VТ3 ). Цепь прохождения

тока питания включает цепи прохождения входного и выходного тока, поэтому можно записать



Последние формулы для эквивалентны, так как первое слагае­мое в первой формуле и есть , а второе и третье слагаемые - .

При высоком напряжении на входе, равном логической еди­нице V1, транзистор VТ1, работающий в инверсном режиме, пе­реключает направление тока из эмиттерной цепи в коллекторную.

Входной ток Iвх втекает при этом в схему, что приводит к откры­тию транзисторов VT2, VT4 и закрытию транзистора VТ3 вслед­ствие уменьшения потенциала его базы. На выходе схемы образу­ется логический нуль, уровень которого определяется напряжением

коллектор-эмиттер открытого транзистора VT4, то есть U0 — Uкэ4.. Выходной ток схемы I0 представляет собой ток, втекающий из внешней цепи, определяемый выражением

,

где Rвых4 - выходное сопротивление открытого транзистора VT4.

Ток , потребляемый от источника питания в состоянии логического нуля, немногим больше и определяется в основном коллекторным током открытого транзистора VT2..

Рассмотрим процессы перехода фрагмента из одного сос­тояния в другое. Они сильно влияют на величины токов и напря­жений, фронты сигналов, приводят к появлению выбросов на ха­рактеристиках и помех в цепях питания. Форма характеристик при переключениях определяется инерционностью переходов транзи­сторов из одного состояния в другое и связана с изменением на­пряжения на барьерных емкостях переходов, емкостях, шунти­рующих базу и коллекторную цепь (монтажные емкости), а также необходимостью перераспределения неосновных носителей заря­дов в объемах транзисторов.

Включение. При возрастании входного напряжения (уча­сток АВ, рис. 14а) входной ток будет линейно уменьшаться до по­рога переключения фрагмента Vср (участок АВ, рис. 15). В порого­вой точке В входной характеристики (рис. 15) ток, протекающий



Рис. 15. Входная характеристика элемента 2И-HЕ

через резистор R1, переключается из эмиттерной цепи в коллек­торную цепь транзистора ^ VТ1 и базу транзистора VT2 . В резуль­тате входной ток резко падает (участок АВ на рис. 146 и участок ВС на рис. 15). При превышении входным напряжением порога срабатывания Vср входной ток изменяет свое направление и пред­ставляет собой ток инверсного включения, включающий и ток утечки закрытого транзистора VТ1.

Одновременно с увеличением значения V происходит уве­личение напряжения на базе транзистора ^ VТ1, за которым "следит" напряжение на базе транзистора VТ2. Его повышение вызывает коллекторный ток через транзистор VT2, что обусловливает повышение потенциала базы транзистора VT4 и снижение потенциа­ла базы транзистора VТ3. С момента открывания транзистора VТ4 начинается формирование фронта выходного сигнала U(t) (точка А, рис.14в). Длительность его в основном определяется по­стоянной времени выходной цепи, образованной выходной емко­стью и сопротивлением нагрузки.

Выходной ток I(t) но отношению к предыдущему сос­тоянию изменяет свое направление, вследствие чего образуется выброс (участок АВС, рис.14г). При отпирании транзистора VТ4 сопротивление R3 шунтируется небольшим входным сопротивле­нием транзистора VТ4, что снижает потенциал его базы и приво­дит к уменьшению выходного тока (участок ВС, рис. 14г) до ус­тановившегося значения I0. Экстремальная точка В на pиc.l4г со­ответствует по времени моменту отпирания транзистора VТ4. Ток I(t) состоит из двух составляющих - коллекторного тока транзи­стора VТ4, обусловленного в основном сопротивлением нагрузки, неизменного во времени Iк4 = En /Rн, и тока разряда конденсатора

Cн (с учетом выходной емкости транзистора VТ4) через транзи­стор VТ4. Максимальное значение его в точке В (рис.14г) равно , где Rвых4 - выходное сопротивление открытого

транзистора VТ4. Длительность участка спада коллекторного тока (участок ВС, рис.14г) с достаточной точностью определяется вы­ражением .

Выключение. При выключении фрагмента, пока входное напряжение не снизится до порога срабатывания Vср, никаких изменений токов и напряжений в цепях VТ3 и VТ4 не происходит. Изменяется лишь входной ток (участок ГК, рис. 146), но эти из­менения весьма малы и их практически можно не учитывать. С достижением порога срабатывания входной ток резко изменяет свое направление и величину. Он состоит из двух направляющих - тока утечки и инверсного тока. Действуют также факторы пере­зарядки входной емкости и рассасывания накопленных зарядов в базе транзистора VТ1. Поэтому на участке КЕЖ (рис. 146) вход­ной ток не только возрастает, но и появляется выброс (точка Е).

По достижении порога срабатывания начинается форми­рование фронта выходного сигнала U(t) (участок СД, рис. 14в), длительность фронта которого определяется постоянной времени цепи заряда емкости нагрузки и выходной емкости фрагмента и временем рассасывания избыточного заряда неосновных носителей в базе транзистора VT4. При действии указанных факторов в вы­ходном токе появляется выброс (участок ДЕМ, pиc.l4г), ток при этом вытекает из схемы. Максимальное его значение (точка Е, рис. 14г) можно вычислить по формуле

,

где Rвых3 - выходное сопротивление открытого транзистора VТ3, Rд - сопротивление открытого диода.

Выбросы тока питания при переключении. Во время вы­ключения фрагмента отпирание транзистора ^ VТ3 происходит раньше запирания транзистора VT4 (рис. 13), что вызывает вы­брос потребляемого от источника питания тока (участок СДЕ, pиc. l4д), протекающего вплоть до момента выключения транзи­стора VT4. В процессе выключения фрагмента ток питания растет (участок СД, рис. 14д) и превышает ток питания во включенном состоянии . Как только транзистор VT2 выключается и напря­жение на его коллекторе начинает нарастать, включается транзи­стор VТ3, через который начинает протекать ток заряда емкости нагрузки. Точка Д соответствует моменту отпирания транзистора VТ3. По мере заряда емкости ток через транзистор VТ3 уменьша­ется и в конце концов достигает значения, соответствующего по­требляемому току в выключенном состоянии .

Во время включения элемента (участок AВ) также воз­можен выброс тока питания (участок АВС) из-за наличия емко­сти в коллекторной цепи транзистора VT2. Обычно емкость мала, поэтому в нормальных условиях этот выброс имеет незначитель­ную амплитуду и может не моделироваться.

Из анализа физических процессов в фрагменте следует, что представленные на pиc.14 временные характеристики зависят от многих факторов, что затрудняет задачу анализа. Поэтому любое уменьшение числа характеристик и их упрощение, сохраняю­щее адекватность описания, является очень важным.

Рассмотрим фрагмент схемы (рис. 16). Для простоты в элементах нагрузки изображена только входная часть. Выходной ток i- го элемента можно вычислить по формуле

, (7)

где ^ N — количество элементов в схеме; ni - количество нагрузок i -го элемента; Iвхj - входной ток j- й нагрузки. Для логического нуля на выходе, например, можно записать,

, (8)




Рис. 16. Пример взаимного влияния входов


где mj - коэффициент объединения по входу j-й нагрузки; Кj -количество проводящих входов j-ой нагрузки; - ну­левой входной ток j- й нагрузки при условии, что Кj = 1.

С учетом (8) формулу (7) можно переписать в виде




Очевидно, что реализация формулы (9), являющейся след­ствием взаимного влияния входов - трудоемкая задача. Необхо­димо знать состояние всех элементов схемы, связанных с анализи­руемой. Например, для состояния схемы на рис. 16, выходной ток i-го элемента равен 19/2∙I0вх, а для состояния, показанного в скобках - 4/3∙Iвx1 (считается, что входные характеристики всех элементов идентичны).

В интегральных элементах проводят ток лишь входы с ми­нимальным или максимальным входным напряжением, в зависи­мости от выполняемой логической функции. Рассмотрим вход­ную цепь ТТЛ элемента (рис. 17).

Пусть проводящими являются все три входа с одинаковым напряжением V. Тогда можем записать, что ток но каждому из входов определяется выражением

I1,2,3=(En-Uд-V)/(R+R1/3),

где Rx - выходное сопротивление элемента. Если же проводящим является только один вход, например первый, то имеем




Рис. 17. Входная часть ТТЛ элемента


I1=(En - Uд - V)/(R + R1).

Обычно в ТТЛ схемах R1 имеет значение порядка десятков Ом, а R1 - несколько КОм. Поэтому можно записать, что

I1,2,3=I1

Таким образом, можно рассматривать только один входной сигнал. Токи непроводящих входов Iвхj (mj – kj) обычно малы, оп­ределяются токами обратно смещенных р-п переходов и учиты­вают влияние межэмиттерного транзисторного эффекта и режима инверсного включения многоэмитгернего транзистора.

^ Основные электрические параметры базовых элементов. Параметры микросхем конкретной серии в основном оп­ределяются параметрами базовых элементов логики. К основным параметрам любого логического элемента относятся быстродейст­вие, потребляемая мощность, помехоустойчивость, нагрузочная способность, коэффициент объединения по входу, уровни напря­жений источника питания, логической единицы и нуля.

Быстродействие определяется динамическими параметрами цифровых микросхем, среди которых наиболее универсальным яв­ляется среднее время задержки распространения сигнала:




Зная время задержки базового элемента, можно суммирова­нием времен задержек каждого элемента рассчитать быстродейст­вие любой сложной логической схемы для всех последовательно включенных элементов. Если схема имеет цепи обратной связи, то очередной перепад входного напряжения должен начинаться не раньше, чем закончится предыдущее изменение напряжения, по­ступающего по цепи обратной связи с выхода схемы на ее вход. Эта закономерность связывает время задержки распространения с предельной рабочей частотой, которая является основным дина­мическим параметром цифровых автоматов:

Логические элементы в процессе работы находятся либо в состоянии логической 1 или 0 (статический режим), либо в режиме переключения (динамический режим). В статическом режиме мощность, потребляемая элементом от источника питания, различна в состояниях логического нуля P0 и логической единицы – P1. Поэтому вводится понятие статической средней мощности Pcp = 0.5(P0 + Р1 ). Динамическая мощность Pд определяется на

предельной рабочей частоте и зависит от формы, длительности, амплитуды помехи, скорости переключения и статической помехо­устойчивости логического элемента. При конструировании цифро­вых устройств необходимо учитывать, что мощность, потребляемая микросхемами, увеличивается с повышением частоты сигналов.

Помехоустойчивость логических элементов оценивают в статическом и динамическом режимах. При этом статическая по­мехоустойчивость определяется уровнем случайного входного на­пряжения, при котором еще не происходит ложное срабатывание микросхемы. Динамическая помехоустойчивость зависит от фор­мы, длительности и амплитуды помехи, а также от скорости пере­ключения и статической помехоустойчивости элемента.

^ Нагрузочная способность, или коэффициент разветвления по выходу Kраз, определяет число входов аналогичных элементов,

которое может быть подключено к выходу предыдущего элемента без нарушения его работоспособности. Чем выше нагрузочная спо­собность, тем меньшее число элементов может понадобиться при реализации цифрового устройства. Однако при повышении нагру­зочной способности ухудшаются другие параметры: уменьшаются быстродействие и помехоустойчивость, возрастает потребляемая мощность. Поэтому помимо базовых элементов, имеющих необхо­димую нагрузочную способность, в состав развитых серий вклю­чают специальные элементы с повышенным коэффициентом раз­ветвления.

Коэффициент объединения по входу Коб определяет мак­симальное число входов цифровых микросхем.

3 Функциональные узлы

Полусумматор. Сложение одноразрядных двоичных чисел а и b производится в соответствии со следующей таблицей истинности:


a

b

S

C

0

0

0

0

0

1

1

0

1

0

1

0

1

1

0

1


Из нее имеем выражения для суммы S и переноса С:

S= C=a∙b

Реализуем логические схемы для суммы и переноса в бази­се Пирса. Для этого преобразуем выражения к виду, удобному для реализации на элементах ИЛИ-НЕ.

S=
C= a∙b=

На основании полученных формул может быть синтезиро­ван полусумматор - устройство, которое реализует сложение двух одноразрядных чисел (рис.26а). Поскольку полусумматор имеет широкое применение, он имеет собственное обозначение (рис.26б).

Составляя дизъюнктивную нормальную форму для полу­сумматора, мы получили следующие булевы функции:

S = C=a∙b


Рис.26. схема полусумматора и его условное обозначение
Следовательно, перенос происходит с помощью функции И, а вы­работка сигнала суммы - сложением по модулю 2 чисел а и b.
Одноразрядный сумматор. В одноразрядном сумма­торе в отличие от полусумматора добавляется сигнал переноса из младшего разряда. При этом если последний отсутствует, то пере­нос в старший разряд может быть только тогда, когда оба числа равны единице. Если же имеется перекос из младшего разряда, то перенос в старший разряд будет всегда, кроме одного случая, когда оба слагаемых равны нулю.

Схема сумматора может быть реализована на двух: полусумматорах (рис. 28). В этой схеме выделим промежуточные сигналы pi, gi, ri. Введем эти сигналы в таблицу истинности сумматора. Соответствие работы этой схемы и таблицы Функционирования можно проверить перебором всех возможный вариантов.
Таблица истинности сумматора

Входы

Промежуточные величины

Выходы

ai

bi

ci

pi

gi

ri

si

ci+1

0

0

0

0

0

0

0

0

0

0

1

0

0

0

1

0

0

1

0

1

0

0

1

0

0

1

1

1

0

1

0

1

1

0

0

1

0

0

1

0

1

0

1

1

0

1

0

1

1

1

0

0

1

0

0

1

1

1

1

0

1

0

1

1


Сумматор с последовательным переносом. Суммато­ром называется логическое устройство, реализующее операцию арифметического сложения двух многоразрядных чисел. Он стро­ится на базе одноразрядных полных сумматоров, каждый из кото­рых, кроме младшего, должен воспринимать три входных сигнала: два слагаемых и сигнал переноса с младшего разряда. Только в младшем разряде можно обойтись полусумматором. На рис. 29 приведена схема, предназначенная для сложения двух четырехразрядных чисел А и В. Сигнал переноса с4 может принять истинное значение только тогда, когда будет установлено правильное значение с3. Такие сумматоры называются сумматорами с последовательным переносом. Очевидно, что время выполнения операции в таком сумматоре намного больше времени сложе­ния в одноразрядном сумматоре.

Эта схема выпускается в интегральном исполнении. В ее младшем разряде также используется полный сумматор, чтобы иметь возможность наращивания разрядности схемы.

Сумматоры с параллельным переносом. Для уменьшения времени сложения многоразрядных чисел используются сумматоры с параллельным переносом (рис.30). При этом все сиг­налы переноса вычисляются непосредственно по значениям вход­ных переменных.

Согласно таблице переключений, в общем случае для сигнала переноса любого i-гo разряда справедливо соотношение:

ci+1=ai bi + (ai bi) ∙ ci = gi + pi ci (10)

Величины gi, ri вычисляются в качестве промежуточных результатов и в полном сумматоре. Следовательно, их получение не требует дополнительных затрат. Смысл этих величин объясня­ется совсем просто. Сигнал gi вырабатывается тогда, когда в дан­ном разряде перенос происходит из-за комбинации входных пере­менных ai и bi. Поэтому его называют функцией генерации пе­реноса. Сигнал pi показывает, передается ли полученный в младшем разряде сигнал переноса сi, дальше. Поэтому он называется функцией распространения переноса.

Пользуясь выражением (10), можно вывести следующие формулы для вычисления сигналов переноса:

C1=g0 + p0 ∙ c0,

C2= g1 + p1 ∙ c1= g1 + p1 ∙ g0 + p1 ∙ p0 ∙ c0,

C3= g2 + p2 ∙ c2 = g2 + p2 ∙ g1 + p2 ∙ p1 ∙ g0 + p2 ∙ p1 ∙ p0 ∙ c0 (11)

C4= g3 + p3 ∙ c3 = g3 + p3 ∙ g2 + p3 ∙ p2 ∙ g1 + p3 ∙ p2 ∙ p1 ∙ g0 + p3 ∙ p2 ∙ p1 ∙ p0 ∙ c0

На рис. 31 изображена схема устройства параллельного переноса в четырехразрядном сумматоре, которая реализует систему уравнений (11).

Из схемы видно, что время формирования сигнала переноса в любой разряд определяется только временем задержки распространения сигнала на двух элементах.

Сложение чисел, содержащих более четырех разрядов, можно реализовать подключением нескольких четырехразрядных сумматоров.



^ Мультиплексоры, демультиплексоры, дешифраторы, коммутаторы

Дешифраторы. Дешифратором (обозначается симво­лом DC, от англ. decoder) называется комбинационное устройство, предназначенное для преобразования параллельного двоичного ко­да числа на входе в сигнал только на одном из его выходов. Де­шифраторы широко применяются в устройствах управления, в сис­темах цифровой индикации с газоразрядными индикаторами, для построения распределителей импульсов по различным цепям и т. д.

Условное обозначение дешифратора показано на рис. 18.

Дешифратор двоичного n-разрядного кода имеет 2n выхо­дов, так как каждому из 2n значений входного кода должен соот­ветствовать единичный сигнал на одном из выходов дешифратора. Ниже приводится таблица истинности для дешифратора трехраз­рядного двоичного кода десятичных цифр.

Как следует из таблицы состояния, каждой функции соот­ветствует только один минтерм, следовательно, не требуется ми-­нимизировать эти функции.
  1   2   3   4   5

Похожие рефераты:

Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплинам «Электроника»
«Электроника», «Основы электроники», «Микроэлектроника», «Схемотехника», «Электроника и схемотехника аналоговых устройств», «Электропреобразовательные...
Методические указания к выполнению лабораторных работ по дисциплинам «Электроника»
«Электроника», «Основы электроники», «Микроэлектроника», «Схемотехника», «Электроника и схемотехника аналоговых устройств», «Электропреобразовательные...
Электроника и схемотехника аналоговых устройств
По изучению дисциплины «Электроника и схемотехника аналоговых устройств» для студентов специальности 5В071900
Титульный лист программы обучения по дисциплине (Syllabus) Форма
Интегральная и микропроцессорная схемотехника для студентов специальности 050716 «Приборостроение»
Конспект лекций по дисциплине «Основы лесоводства и лесной таксации»
Конспект лекций предназначен для студентов заочного отделения указанной специальности
Вопросы к экзамену по дисциплине “Технические средства информационных систем”
Полупроводниковые приборы. Понятие логического нуля и единицы. Позитивная и негативная логики. Схемотехника базовых логических элементов...
Конспект лекций по дисциплине «Государственное регулирование экономики»
Конспект лекций предназначен для студентов специальностей: 050510 «Государственное и местное управление»
Краткий конспект лекций по дисциплине “ Особенности бухгалтерского учета в других отраслях”
Краткий конспект лекций по дисциплине “Особенности бухгалтерского учета в других отраслях” / Е. В. Борисенко: Краткий конспект лекций....
Опорный конспект лекции ффсо пгу 18. 2/05 Министерство образования и науки Республики Казахстан
Опорный конспект лекции по дисциплине Параллельные вычисления для студентов специальности 050602 «Информатика»
Вопросы к экзамену по дисциплине «схемотехника аналоговых и цифровых устройств»
Основные технические показатели и характеристики аналоговых электронных устройств

Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2013
контакты
referatdb.ru
referatdb.ru
Рефераты ДатаБаза