Цифровые микросхемы

                            Содержание

 

Введение 3

1. Цифровые  интегральные микросхемы 4

2.Логические  элементы И, ИЛИ, НЕ. 5

3. Триггеры 8

4. Шифраторы  и дешифраторы. 16

5. Мультиплексор 17

Заключение 18

Литература 19

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

     Важной особенностью цифровой техники является однотипность элементов и узлов, из которых собираются самые различные устройства современной радиоэлектроники, автоматики и вычислительной техники. Подобный принцип построения сложных устройств из ограниченного числа простых элементов широко используется в технике. В цифровой технике любую сложную схему переработки информации, предназначенную, например, для вычисления или автоматического управления, можно составить всего из трех основных логических элементов И (операция логического умножения или конъюнкция), ИЛИ (операция логического сложения или дизъюнкция) и НЕ (логическая операция отрицания или инверсия), и триггера (состоит из логических элементов).

          Название "логические" элементы  получили потому, что с их помощью  моделируются правила формальной  логики. Электрические цепи, моделирующие  выполнение логических операций, обеспечивают появление выходного  сигнала по определенным правилам  в зависимости от наличия входных  сигналов и их комбинаций. При  этом истинному высказыванию  соответствует сигнал, равный единице,  а ложному высказыванию соответствует  нулевой сигнал. Физическая природа  сигнала может быть самой различной,  например появление на выходе  схемы напряжения или силы  тока определенной величины, или  какое-либо другое изменение в  электрической цепи. Напряжение  в пределах от 2,4 В до 5 В соответствует появлению единичного сигнала или напряжения высокого уровня, а если напряжение не превышает 0,4 В, то сигнал отсутствует или равен нулю, присутствует напряжение низкого уровня. При этом существенно, чтобы имелось два резко отличающихся состояния физических величин, моделирующих истинность (TRUE) или ложность (FALSE) логического высказывание. Этим двум отличающимся состояниям можно сопоставить наличие или отсутствия сигнала, который принимает два значения "1" и "0".

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Цифровые интегральные микросхемы

      Интегральные  микросхемы являются элементной  базой современной радиоэлектроники, автоматики и электронно-вычислительной  техники. Интегральные микросхемы  могут быть аналоговыми и цифровыми.  Цифровые микросхемы используются  в современных ЭВМ, выполняющих  миллионы операций в секунду.  Интегральные микросхемы нельзя  представлять как обычные схемы уменьшенные в тысячи раз, они имеют принципиальное отличие в способах изготовления и монтажа радиоэлементов.

       В зависимости  от технологии изготовления интегральные  микросхемы могут быть полупроводниковыми, пленочными и гибридными. В полупроводниковой  микросхеме все элементы и  межэлементные соединения выполнены  на одном кристалле полупроводника. На пластинке 1 мм квадратный  по единой технологии изготавливаются  транзисторы, диоды и резисторы.  В пленочных интегральных микросхемах  элементы выполнены в виде  различных пленок, нанесенных на  изолирующую пластинку. Таким  образом получают пассивные элементы, не усиливающие сигнала: конденсаторы, резисторы, катушки индуктивности.  Гибридные интегральные микросхемы состоят из пленочных резисторов и конденсаторов, а также соединительных проводников и контактных площадок, к которым припаиваются миниатюрные радиодетали. Вся схема помещается в пластмассовый корпус и имеет большие размеры, чем размеры полупроводниковых и пленочных микросхем.

      Цифровые  интегральные микросхемы предназначены  для преобразования дискретных  и импульсных сигналов. Основу  их составляют транзисторные  ключи, которые могут находиться  в двух крайних положениях - открытом  и закрытом. Интегральные микросхемы  имеют особые обозначения, по  которым можно,пользуясь справочником, узнать их назначение и все электрические характеристики. Например, микросхемы имеют названия: К155ЛА3 и К155ТВ1. Буква Л обозначает, что микросхема предназначена для выполнения логических операций, а буква Т обозначает, что микросхема является триггером.  На практике получили применение различные сочетания логических элементов: И-НЕ, ИЛИ-НЕ, И-ИЛИ-НЕ и др. Корпуса интегральных микросхем могут иметь различный вид. Но большинство микросхем выпускаются в прямоугольном пластмассовом или керамическом корпусе, с выводами, изогнутыми под прямым углом. На корпусе микросхемы всегда присутствует метка, обозначающая начало отсчета ног против часовой стрелки. В данном реферате все разбираемые микросхемы только из серии ТТЛ ( транзисторно -транзисторной логики). Сейчас в блоках аппаратуры можно встретить различные варианты микросхем ТТЛ. Напряжение питания у них одинаковые (5 В + 10%), а входные и выходные логические уровни совместимы. Микросхемы ТТЛ более новых серий имеют улучшенные электрические параметры, но их цоколевка остается прежней. Полная электрическая и конструктивная совместимость однотипных микросхем ТТЛ из разных серий стимулирует наращивание степени внутренней интеграции выпускаемых микросхем (на одном кристалле размещается все большее число функциональных узлов, многие из которых ранее были самостоятельными микросхемами).

2.Логические элементы И, ИЛИ, НЕ.

        Логический  элемент моделирует операцию  логического сложения - операцию  дизъюнкции. А+В=С или А\/В=С - алгебраическая  запись операции, где А и В-  простые высказывания или двоичные  переменные, а С - сложное высказывание или переключательная функция. Зависимость между двоичными переменными А и В и переключательной функцией С может быть задана таблицей истинности:

 

 

 

 

 

Электрическая цепь, реализующая  эту функцию, должна иметь сигнал на выходе, если имеется сигнал хотя бы на одном из входов. Это можно  сделать, соединив параллельно замыкающие контакты А и В.

 

 

 

 

а) устройство дизъюнктора   б) условное обозначение дизъюнктора

   Если параллельно  включить дополнительные контакты, то можно получить элемент ИЛИ на любое число входов. Логический элемент И выполняет операцию логического умножения, или конъюнкции. Алгебраически эта операция записывается так: А*В=С или А/\В=С, при этом С=1, только тогда, когда А и В одновременно равны 1. Так выглядит таблица истинности для элемента И:

 

 

 

Сравнив таблицы истинности логических элементов И и ИЛИ, легко заметить, что из одной таблицы легко получить другую, заменив единицы нулями и нули единицами.Электрическая цепь, соответствующая логической операции И, должна иметь сигнал на выходе только в том случае, если имеются сигналы одновременно на всех входах. Эта логическая операция легко моделируется при последовательном соединении.

          а) Устройство конъюнктора     б) Условное обозначение конъюнктора

     Выходной сигнал  появляется только в том случае, если на оба входа подаются  единичные сигналы. Логический  элемент НЕ выполняет операцию отрицания, или инверсии. Алгебраическая запись инверсии выглядит так:  На выходе будет единица, если на входе имеется 0 и, наоборот, выходной сигнал равен 0, при входном сигнале 1. Таблица истинности для элемента НЕ выглядит следующим образом:

 

 

 

 

 

     В электрических  цепях эта операция реализуется  только с помощью активных  элементов, усиливающих сигнал, например  транзисторов. Из полупроводниковых  диодов ее составить нельзя. Для  моделировании логической операции НЕ используется однокаскадный транзисторный усилитель, так как возрастание напряжения на его входе вызывает уменьшение выходного напряжения, снимаемого с коллектора, и наоборот.

3. Триггеры

      Триггерами  называют электронные устройства  с двумя устойчивыми электрическими  состояниями. Переключение триггера  из одного устойчивого состояния  в другое происходит под воздействием  входных импульсов. Название "триггер"  происходит от английского слова  "trigger", означающего "защелка" или "спусковой крючок". Иногда триггер называют спусковой схемой или бистабильной ячейкой, так как он имеет два устойчивых состояния. Механическим аналогом триггера является обычный выключатель или тумблер, который может находиться только в двух положениях - включенном или выключенном. Триггеры, наряду с логическими элементами, являются основными элементами цифровой техники. Их широко используют в качестве запоминающих ячеек автоматических и вычислительных устройств.

       Простейший  триггер состоит из двух элементов НЕ, входы и выходы которых соединены кольцом: выход первого с входом второго и выход второго с входом первого. При этом получается система с двумя устойчивыми состояниями. Триггер является элементарной ячейкой, "запоминающей" поступление на ее вход единичного сигнала. С его помощью можно моделировать один разряд двоичного числа. Очевидно, что для записи N разрядного двоичного числа нужно N триггеров. Например, с помощью четырех триггеров можно записать числа от 0 до 15.

 

В настоящее время в  цифровой технике используются только триггеры в интегральном исполнении.

        Виды  триггеров: RS-триггер

 

 

Условное графическое  обозначение RS-триггера:

  RS-триггер состоит  из двух входов S (set - установка) и R (reset - сброс) и двух выходов Q и q. Входы и выходы в триггерах всегда находятся в противоположных состояниях. То есть, если на выходе Q уровень логической единицы (Q=1), то на выходе q логического нуля (q=0), и наоборот.

 

 

 

 

 

 

Условное обозначение  RS-триггера.Входы R и S рассматриваемого триггера называют соответственно входом установки 1 и входом установки 0.        Принцип работы RS-триггера иллюстрирует его таблица истинности:

 

При подаче на оба входа  триггера уровня логического нуля (S=R=0) на обоих выходах устанавливается  уровень логической единицы (Q=q=1). Это  запрещенное состояние триггера; оно не используется. Согласно второй строке таблицы истинности, при S=0 и R=1 на выходе Q триггера устанавливается  уровень логической единицы. В этом случае говорят, что триггер установлен в состояние 1. Согласно третьей строке, при R=0 и S=1 происходит сброс сигнала  на выходе Q (очистка выхода Q) к уровню логического нуля. Это значит, что  триггер установлен в состояние 0. Четвертая строка таблицы истинности соответствует S=R=1. В этом случае триггер  находится в состоянии покоя: на выходах Q и q сохраняются прежние комплиментарные уровни сигнала. Это режим хранения. Из таблицы видно, что установку триггера в состояние 1 инициирует логический ноль на входе S. Точно так же установку триггера в состояние 0 инициирует логический ноль на входе R.

 

 

 

 

RS-триггер на двух логических  элементах И-НЕ. Этот триггер работает в соответствии с таблицей истинности, приведенной выше. RS-триггеры можно приобрести в готовом виде (в виде однокорпусных микросхем).

Временные диаграммы сигналов показывают уровни напряжения, временные  интервалы между входными и выходными  сигналами и соответствуют той  картине, которую вы наблюдали бы на экране осциллографа. По горизонтали  откладывается время, по вертикали - уровень напряжения. Здесь приведены  временные диаграммы для входов S, R и выходов Q, Q` RS-триггера. RS-триггер  также называют RS-фиксатором или  триггером с раздельными входами.

      На практическом  примере разберем работу RS-триггера, который получается из микросхемы  К155ЛА3 соединением входов: второго  и шестого, третьего и четвертого.

 

 

 

 

      Выходы Q и  Q` соединим со светодиодами. На  входы S и R подадим высокий(1) и  низкий(0) уровень соответственно, что  соответствует состоянию "Установка  0" (на выходе Q - единица, это  показывает горящий светодиод  Q). Затем подадим на входы S и R высокие уровни, т. е. они  не заземлены ("висят в воздухе") - это состояние называется состоянием "Хранения" (светодиоды остаются  в прежнем положении).Чтобы получить состояние "Установка 1", на вход S подадим напряжение низкого уровня, на R - высокого (горит светодиод Q`). Теперь на оба входа R и S подадим напряжение низкого уровня, что соответствует "Запрещенному состоянию" (горят оба светодиода).

    Тактируемый (синхронный) RS-триггер  

 

 

Условное обозначение  тактируемого RS-триггера. Отличие от RS-триггера состоит в появлении  одного дополнительного, так называемого  синхронизирующего входа, обозначаемого CLK. Таблица истинности для тактируемого RS-триггера приведена ниже:

Тактируемый RS-триггер на четырёх логических элементах И-НЕ.

  Чтобы получить тактируемый  RS-триггер, в схему обычного RS-триггера  нужно ввести два дополнительных  логических элемента И — НЕ.

   D-триггер:

Отличие этого триггера в  том, что у него имеется только один информационный вход D и синхронизирующий вход CLK. Вот как выглядит упрощенная таблица истинности для D-триггера:

 

 

 

 

D-триггер часто называют  триггером с задержкой. Слово  "задержка" здесь характеризует  то, что происходит с данными  (информацией), поступающими на вход D. Информационный сигнал (О или  1), поступающий на этот вход, задерживается  в триггере ровно на один  такт, прежде чем появляется на  выходе Q.

 

Этот триггер имеет  два дополнительных входа - предварительной  установки (PS) и очистки (CLR). Сигнал на выходе Q в такте n + 1 повторяет сигнал, который был на входе D в предыдущем такте n. D-триггер можно получить из тактируемого RS-триггера, если к последнему добавить инвертор. Логический ноль на входе инициирует установку логической единицы на выходе Q. Логический ноль на входе CLR инициирует очистку выхода Q (установку логического нуля на выходе Q). В активных состояниях входы PS и CLR блокируют действие входов D и CLK; при разблокировании входы D и CLK действуют точно же, как в обычном D-триггере.Ниже представлена подробная таблица истинности для D-триггера входящего в состав интегральной ТТЛ-схемы 7474: