Теоретические аспекты устройств цифровой электроники

Введение

Современный прогресс развития электроники, широкое внедрение интегральных микросхем и микропроцессоров дали возможность в десятки раз уменьшить массу и размеры электронной аппаратуры управления и контроля технологическими процесс сами многих отраслей промышленности, причем микросхемы и микропроцессоры используются в совокупности аппаратных и программных средств с преобразователями аналоговых сигналов, с унификацией информационных магистралей. [3, с.8]
В современных электронных устройствах (дешифраторах, сумматорах, триггерах, регистрах, счетчиках и многих других) основным видом сигналов являются цифровые. Цифровая техника относится к наиболее динамично развиваемой сфере и во многом определяет общий технический прогресс.
Однако и в цифровой век аналоговые компоненты остаются востребованными, причем именно цифровые технологии стимулируют разработку и выпуск аналоговых и аналого-цифровых микросхем.
Ускоренное развитие электроники как области науки и техники вызывает потребность к ее познанию при подготовке специалистов многих направлений.
Целью написания данного реферата является изучение теоретических аспектов устройств цифровой электроники.
Из выше указанной задачи можно выделить следующие задачи:
преобразователи уровня сигналов и шинные формирователи
триггеры
программируемые логические матрицы
генераторы прямоугольных импульсов
Преобразователи уровня сигналов и шинные формирователиПреобразователи уровней используются для согласования входных и выходных сигналов по напряжению и току при построении цифровых устройств на различных логических элементах. [4, с.28]
Логические элементы, в зависимости от элементной базы, имеют разное напряжение питания и разные значения входных и выходных сигналов. Кроме того, однотипные интегральные микросхемы могут иметь разное напряжение питания, и при их использовании в одном цифровом устройстве также требуется согласование уровней сигналов.
Например, для микросхем ТТЛ, которые построены на биполярных транзисторах, уровень логического 0 входного напряжения ≤ 0,8 В, уровень 0 выходного напряжения ≤ 0,4 В; уровень логической 1 входного напряжения ≥ 2,4 В, а уровень логической 1 выходного напряжения ≥ 2,8 В. Напряжение питания ТТЛ равно 5 В.
Для микросхем на полевых транзисторах (КМОП) напряжение питания Е лежит в диапазоне от 5-15 В, а уровень логического 0 входного напряжения ≤ 0,2Е, уровень логического 0 выходного равен 0 В; уровень логической 1 входного напряжения ≥ 0,8Е, а уровень логической 1 выходного напряжения равен Е.
Большинство элементов КМОП имеют малые выходные токи, поэтому к ним нельзя подключать даже один вход элементов ТТЛ при одинаковом напряжении Е.
Для согласования выходов КМОП элементов с входами ТТЛ применяются различные микросхемы, например, К176ПУ1 и другие. По принципу работы они аналогичны друг другу, но имеют разное число входов.
Для согласования выходов ТТЛ микросхем со входами КМОП элементов применяются микросхемы К176ПУ5, К561П8 и другие. По принципу функционирования они аналогичны, но имеют разное число преобразователей, требуют одного или двух источников питания и осуществляют инвертирование сигнала или нет.
Сигналы между логическими элементами, узлами и блоками передаются по линиям связи, объединенным в шины, к которым могут быть подключены входы и выходы нескольких микросхем, осуществляющих прием и передачу данных. [4, с.29]
Для коммутации сигналов в цифровых устройствах, например, сигналов адреса, сигналов управления, подключения внешних устройств к системной шине данных в микропроцессорной системе, используются шинные формирователи (буферные элементы). Реализуются они на логических элементах с повышенной нагрузочной способностью, имеющих открытый выход (коллекторный или стоковый) или три состояния выхода.
Они могут быть как однонаправленные, так и двунаправленные (могут осуществлять передачу данных как со входов на выход, так и наоборот).
Логический элемент буфер реализует операцию повторения, не изменяющую логического состояния входного сигнала, и применяются для формирования логических уровней и повышения нагрузочной способности. Так, микросхема М555АП6 представляет собой восемь двунаправленных буферных элементов, все выводы которых имеют три состояния, а также имеются два входа (Е, Т) управления. Логический 0 на входе Е разрешает включение буферных элементов, и если при этом на вход Т подана логическая 1, то выводы А1–А8 микросхемы являются входами, а выводы В1-В8 – выходами. При логическом 0 на входе Т выводы В1-В8 являются входами, а выводы А1-А8 – выходами. При логической 1 на входе Е все выводы переводятся в третье состояние.
ТриггерыТриггером (от англ. trigger – защелка, курок) называется устройство, имеющее два устойчивых состояния, и может скачком переходит из одного устойчивого состояния в другое под воздействием управляющего напряжения. При отсутствии внешних воздействий триггер может сколько угодно долго находиться в одном из устойчивых состояний, из которого выводится управляющим входным сигналом. [5, с.11]
Простейшим является асинхронный RS–триггер, построенный  на  двух  транзисторах,  работающих в  ключевом  режиме,  охваченных  глубокой положительной  обратной  связью. 
Причем выходное напряжение одного триггера непосредственно принимает участие в управлении другим (рис. 1). Если сигналы на входах этого устройства обозначить через S и R, а на выходах – через Q и Q, то связь между этими переменными можно выразить следующим образом: 
Q=S+Q, Q=R+Q. (1)При этом значения выходных сигналов инверсны по отношению друг-другу. В этой схеме элементы VD1, Rб1, VT1 и Rк1 образуют одно плечо, а элементы VD2, Rб2, VT2 и Rк2 – другое плечо триггера и выбираются строго идентичными. Пусть на входах триггера появятся потенциалы S=0, R=1. Тогда транзистор VT1 закрывается и переходит в режим отсечки, а на его коллекторе и в узле В появится высокий потенциал (Q=1). Этим потенциалом транзистор VT2 открывается, переходя в режим насыщения, а на его коллекторе и в узле А появится низкий (нулевой) потенциал (Q=0).
В этом состоянии триггер может находится сколь угодно долго, пока значения потенциалов на входах не поменяются местами, то есть S=1 R=0. Тогда триггер немедленно поменяет свое состояние на противоположное: Q=0; Q=1. Такая схема называется асинхронным RS-триггером от первых букв английских слов Set – установка, Reset – сброс, имея ввиду, что при S=0, R=1 триггер устанавливается в единичное состояние (Q=1), а при S=1, R=0 – в нулевое (Q=0). Работа такого триггера отражается в соответствующей таблице истинности (табл. 1). Команда S=R=0 является недопустимой, так как при этом оба плеча триггера переходит в единичное состояние и неизвестно, какое состояние он займет после снятия входных сигналов. [5, с.12]
Таблица 1 – Истинность асинхронного триггера
S R Q Q
0 1 1 0
1 0 1 0
1 1 Неопределенность
0 0 Недопустимое состояние
Асинхронный триггер можно построить на двух базовых логических элементах 2И-НЕ или 2ИЛИ-НЕ, где 2 – означает количество входных цепей элемента (рис. 2, а). Обратная связь в схеме создана за счет подачи выходного сигнала каждого элемента на один из входов другого. Именно наличие обратной связи отличает триггеры от ранее рассмотренных комбинационных устройств: сигнал обратной связи позволяет в триггере учитывать его предшествующие состояние. Связь между входными и выходными величинами такого триггера может быть выражена как
Q=S ⋀ Q, Q=R ⋀ Q. (5)Условное графического изображение асинхронного RS-триггера, управляемого нулевым потенциалом, показано на рис. 2, б. Можно создать асинхронный RS-триггер, управляемый единичным сигналом путем введения двух дополнительных элементов И-НЕ, включенных по схеме НЕ (рис. 3, а).
В этом случае смена состояния триггера происходит в результате преобразования S→S или R→R через входные логические элементы НЕ.
Рис. 1. Принцип построения триггера на дискретных элементах
Рис. 2. Построение асинхронного RS-триггера на базовых логических элементах типа 2И-НЕ (а) и его условное изображение (б)
Рис. 3. Схема триггера, управляемого единичным потенциалом (а) и его условное изображение (б)
Рис. 4. Тактируемый асинхронный триггер на базовых логических элементах (а) и его графическое изображение (б)
Асинхронный триггер мгновенно переключается при поступлении входного сигнала. Во многих устройствах автоматики часто возникает необходимость синхронизировать во времени переключения триггеров. Такие триггеры имеют дополнительный тактируемый вход – С, на который подаются тактовые, положительные импульсы. [5, с.13]
Информацию на S- и R-входах в этом случае триггер воспринимает только при наличии тактового импульса на дополнительном входе. Такой триггер может быть построен путем преобразования входных цепей элементов 1 и 2 предыдущего триггера (рис. 4, а). Тактируемые триггеры обладают большими логическими возможностями, чем асинхронные.
Программируемые логические матрицыПрограммируемая логическая матрица (ПЛМ) представляет собой функциональный блок, созданный на базе полупроводниковой технологии и предназначенный для реализации логических схем цифровых систем. [2, с.8]
В зависимости от внутренней организации, программируемые логические матрицы можно разделить на ПЛМ комбинационной логики и ПЛМ с памятью. Среди ПЛМ первого типа наибольшее распространение получили двухуровневые (рис.5,а), которые состоят из двух матриц М1 и М2, образующих соответственно первый и второй уровни схемы. [Марарев, с.8]
Матрица М1 имеет s входов и q выходов. Она позволяет реализовать q элементарных конъюнкций P1, …, Pq переменных x1,…,xs, поступающих на ее входы. Матрица М2 имеет q входов и t выходов. Она позволяет реализовать t элементарных дизъюнкций y1,…, yt переменных P1, …, Pq, поступающих на ее входы с матрицы М1.
Выходы матрицы М1, соединенные с входами матрицы М2, образуют промежуточные шины ПЛМ. ПЛМ с s входами, t выходами и q промежуточными шинами называется ПЛМ (s, t, q). В дальнейшем ПЛМ (s, t, q) будем условно изображать так, как это показано на рис.5,б.
Рис.5. ПЛМ комбинационной логики: а – двухуровневая реализация; б – условное обозначение
Разновидностью ПЛМ s (, t, q) является их усовершенствованный вариант: ПЛМ (z, q). В ПЛМ (z, q) фиксируются лишь два параметра: суммарное число входов и выходов z = s+t и число промежуточных шин q. Конкретные значения s и t могут выбираться произвольно при настройке ПЛМ (z, q). Например, ПЛМ (6, 10) путем соответствующей настройки может быть использована как ПЛМ (3, 3, 10), ПЛМ (5, 1, 10) и т.д.
Рис.6. Трехуровневая реализация ПЛМ комбинационного типа
Трехуровневые ПЛМ комбинационного типа (рис.6), в отличие от двухуровневых, содержат дополнительный s-входовый блок D. Число выходов блока D равно числу h горизонтальных шин в матрице М1, и каждый i-выход соединен с i-горизонтальной шиной этой матрицы (i = 1,2,…,h). Блок D может иметь самую различную внутреннюю структуру.
Он может быть представлен в виде матрицы, позволяющей образовать h элементарных дизъюнкций переменных x1,…, xs. На рис.7 показана матрица М0, настроенная на реализацию функций трехвходового дешифратора с низким активным уровнем на его выходах (наличие сигнала индицируется низким уровнем напряжения на соответствующем выходе дешифратора, а отсутствие – высоким). Наиболее часто блок D состоит из набора s/2 двухвходовых полных дешифраторов. [2, с.10]
Рис.7. Трехвходовый дешифратор с низким активным уровнем на выходах
Трехуровневую ПЛМ с s входами, q промежуточными шинами и t выходами, первый уровень которой образует схема из двухвходовых дешифраторов, будем обозначать ПЛМД (s, t, q).
Для ПЛМД (s, t, q) блок D имеет s входов и 2s выходов (h = 2s), а число горизонтальных шин матрицы М1 кратно четырем.
Входы каждого дешифратора DC1,…,DCs/2 являются входами блока D, а четыре выхода каждого j-го из них DCj соединены с соответствующими четырьмя горизонтальными шинами j-группы матрицы. [2, с.11]
Использование ПЛМД позволяет по сравнению с ПЛМ сократить число требуемых промежуточных шин для реализации заданной системы БФ.
Генераторы прямоугольных импульсовВ вычислительной технике, радиотехнике, телевидении, системах автоматического управления используют генераторы, колебаний несинусоидальной формы (прямоугольной, треугольной и т. д.). Генераторы, предназначенные для получения колебаний прямоугольной формы, называют мультивибраторами. [6]
Мультивибратор – это электронный узел для формирования импульсов прямоугольной формы с требуемыми параметрами. Он представляет собой двухкаскадный резистивный усилитель со 100% положительной обратной связью. [1, с.76]
На рис. 8 представлена схема мультивибратора, выполненная на транзисторах.
Элементами положительной обратной связи являются конденсаторы Сб1 и Сб2, которые соединяют коллектора транзисторов VT1, VT2 с базами транзисторов VT2, VT1.
Рис. 8. Схема мультивибратора (а) и временная диаграмма его работы (б).
В мультивибраторе генерирование импульсов происходит сразу же после включения питания (рис.89 б).
Пусть в момент времени t1 транзистор VT1 закрывается, а транзистор VT2 открывается. На базе VT2 напряжение Uб2>0, а на базе VT1 Uб1<0 (Uб1= -Un).
Емкость Сб1 начинает разряжаться через открытый транзистор VT2. Ток ig2, а следовательно, и напряжение на Rб1 уменьшается по экспоненциальному закону. В момент времени t2 напряжение Uб1 будет положительным и транзистор VT1 будет открываться. При этом появляется ток в коллекторной цепи транзистора VT1 и Uk1↓, Uб2↓, Uk2↑. Происходит лавинообразный процесс, при котором транзистор VT1 открывается, а транзистор VT2 закрывается.
Далее начинается процесс разряда емкости Сб2 через открытый транзистор VT1. [Лаврентьев, с.77]
В момент времени t3 произойдет следующий переход и т.д. Длительность формируемых импульсов определяется постоянной времени RбCб.
T1=0,7Rg1Cg1, T2=0,7Rg2Cg2, T=T1+T2.Для симметричного мультивибратора: Rg1=Rg2; Cg1=Cg2;T=1,4RgCg.Длительность переднего фронта формируемых импульсов равна tф=2,2CбRk.
Обычно Rg>3Rk.
Мультивибратор может быть построен на базе ОУ с положительной и отрицательной обратными связями (рис. 9).
Рис. 9. Схема мультивибратора на ОУ (а), временная диаграмма его работы (б)
Положительный коэффициент передачи впос=Rпос2(Rпос1+Rпос2)Здесь ОУ выполняет роль инвертирующего компаратора напряжения. При переключении схемы напряжения на инверсном входе ОУ изменяется и конденсатор С перезаряжается до напряжения Uпос=Umax∙Rпос2(Rпос1+Rпос2);где Umax≈Un – максимальное напряжение на выходе ОУ.
Затем вновь происходит переключение ОУ. Период следования импульсов зависит от величины положительной обратной связи и от элементов С и Rоос. С емкости С можно снимать пилообразное напряжение.
Одновибратор (ждущий мультивибратор) имеет одно устойчивое состояние и предназначен для формирования прямоугольных импульсов определенной длительности (рис. 10). [1, с.78]
Рис. 10. Схема одновибратора (а) и его временная диаграмма работы (б).
В исходном состоянии транзистор VT1 закрыт, а VT2 открыт за счет положительного напряжения, поступающего на базу VT2 через резистор Rg.
Запуск схемы, производится импульсом положительной полярности, поступающим на базу транзистора VT1. При этом транзистор VT1 открывается, по нему протекает ток Ik1, напряжение Uk1↓, напряжение Uб2↓, напряжение Uk2↑, напряжение Uб1↑. Следовательно, из-за положительной обратной связи через конденсатор Cg транзистор VT1 открывается и переходит в режим насыщения, а транзистор VT2 закрывается. После этого начинается разряд емкости Cg через Rg и открытый транзистор VT1. Напряжение на базе VT2 Uб2 уменьшается по экспоненциальному закону и в момент времени t1 (Uб2>0) произойдет обратный перепад напряжения.
Длительность формируемого импульса TU: TU = 0,7RgCg , tф ≈ 2,2CgRk1.
Заключение. При написании данного реферата мы выяснили, что преобразователи уровней используются для согласования входных и выходных сигналов по напряжению и току при построении цифровых устройств на различных логических элементах.
Для коммутации сигналов в цифровых устройствах, например, сигналов адреса, сигналов управления, подключения внешних устройств к системной шине данных в микропроцессорной системе, используются шинные формирователи (буферные элементы).
Триггером (от англ. trigger – защелка, курок) называется устройство, имеющее два устойчивых состояния, и может скачком переходит из одного устойчивого состояния в другое под воздействием управляющего напряжения. 
Простейшим является асинхронный RS–триггер, построенный  на  двух  транзисторах,  работающих в  ключевом  режиме,  охваченных  глубокой положительной  обратной  связью. 
Программируемая логическая матрица (ПЛМ) представляет собой функциональный блок, созданный на базе полупроводниковой технологии и предназначенный для реализации логических схем цифровых систем. В зависимости от внутренней организации, программируемые логические матрицы можно разделить на ПЛМ комбинационной логики и ПЛМ с памятью.
В вычислительной технике, радиотехнике, телевидении, системах автоматического управления используют генераторы, колебаний несинусоидальной формы (прямоугольной, треугольной и т. д.). Генераторы, предназначенные для получения колебаний прямоугольной формы, называют мультивибраторами.
Список литературы: Лаврентьев Б. Ф. Аналоговая и цифровая электроника: Учебное пособие. – Йошкар-Ола: МарГТУ , 2000. – 155 с.
Маларев В. И., Зырин В. О. Автоматизация проектирования систем электропривода и автоматизации производственных процессов / Методические указания к практическим занятиям / Санкт-Петербургский горный университет. – СПб, 2017. – 44 с.
Марченко А. Л. Основы электроники. Учебное пособие для вузов / А. Л. Марченко. – М.: ДМК Пресс, 2008. – 296 с., ил. Табл. 25. Ил. 252. Библиогр. 26 назв. ISBN 97885594074443220
Пономаренко В. К., Хардиков Е. В, Файзуллаева А. В. Элементы систем автоматики: учебное пособие/ ВШТЭ СПбГУПТД. – СПб., 2019. – 138 с.
Шадинова К. С., Жусипбекова Ш. Е., Жакипова Ш. А., Суранчиева З. Т. И др. Асинхронные и тактируемые RS-триггеры // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований, 2017. – № 2. – СС. 11-15.
Интернет ресурс http://ikit.edu.sfu-kras.ru/CP_Electronics/pages/mm/6_4/text.pdf