Майк Тули - Справочное пособие по цифровой электронике

Прежде чем рассматривать основные логические элементы, применяемые в цифровых схемах, упомянем об одном существенном отличии цифровых схем от аналоговых. Читатели, конечно, знают о том, что в электронных схемах сигналы представляются напряжениями и токами. В цифровых схемах сигналы существуют только на дискретных «этажах» или уровнях, а промежуточные состояния не допускаются. Обычная (позитивная) логика базируется всего на двух состояниях, которые называются логическим 0 (низкий уровень) и логической 1 (высокий уровень).

В аналоговых схемах сигналы могут иметь бесконечное число уровней напряжения или тока и плавно переходят с одного уровня на другой; в цифровых же схемах изменение напряжений или токов происходит резко и быстро.

Большинство сложных микросхем, предназначенных для микропроцессорных систем, разработаны с учетом возможности их подключения к шине. К шине разрешается подсоединять выходы и входы нескольких микросхем, поэтому возникает опасность одновременного появления на шине конфликтующих логических уровней.

Чтобы преодолеть эту трудность, требуются логические устройства, которые не только формируют на своих выходах логический 0 и логическую 1, но и при необходимости отключаются от шины. По существу, в них появляется третье, высокоимпедансное состояние, поэтому такие устройства (микросхемы) относят к семейству тристабильной (трехустойчивой) логики.

Специальный входной сигнал, обычно называемый разрешением EN или выбором кристалла CS, переводит тристабильную микросхему в рабочее состояние. Сигнал EN (CS) может быть активным при высоком или низком уровне: в первом случае выходные сигналы микросхемы действительны, когда EN или CS соответствует логической 1, а во втором — логическому 0. Сигнал с активным низким уровнем обозначается небольшим кружком в месте его входа (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Сравнение обычных и тристабильных логических схем:

а —обычная логическая схема; б — тристабильная логическая схема (разрешается высоким уровнем EN); в — тристабильная логическая схема (разрешается низким уровнем EN)

Под логическими уровнями понимают диапазоны напряжений, используемые для представления логических состояний 0 и 1. Неудивительно, что логические уровни для КМОП-схем существенно отличаются от уровней для TTЛ-схем. Действительно, уровни для КМОП-схем даются относительно напряжения питания (оно варьируется в диапазоне от +3 до +15 В), а для ТТЛ-схем уровни фиксированы. Значения логических уровней приведены в табл. 2.1.

В идеальном случае интерпретация логических уровней не должна вызывать ни неопределенности, ни неоднозначности. К сожалению, в реальных сигналах всегда действуют помехи (шум). Следовательно, важнейшим свойством логических схем становится способность подавлять помехи. Особенно это относится к устройствам, работающих в условиях сильных электрических помех, например на металлургическом заводе или судоверфи.

Способность логической схемы подавлять помехи измеряется запасом помехоустойчивости и определяется как разность между минимальными значениями выходного к входного напряжений в состоянии высокого уровня к максимальными значениями выходного, и входного напряжений в состоянии низкого уровня.

Запас помехоустойчивости для стандартных ТТЛ-схем серии 7400 обычно составляет 0,4 В, а для КМОП-схем равен 1/3 VDD (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Логические уровни КМОП- и ТТЛ-схем

Обозначения основных логических элементов в соответствии с английским (BS) и американским (MIL/ANSI) стандартами показаны на рис. 2.3. В Великобритании широко распространен американский стандарт, и лишь некоторые фирмы следуют стандарту BS[2]. Рассмотрим вкратце функции логических элементов, приведенных на рис. 2.3.

Рис. 2.3. Обозначения и таблицы истинности основных логических элементов.

Буфер. Буфер не изменяет логического состояния цифрового сигнала, т. е. логическая 1 (или 0) на входе вызывает логическую 1 (или 0) на выходе. Буферы обычно применяются для повышения нагрузочной способности по току, а также формирования логических уровней, действующих в интерфейсе (устройстве сопряжения).

Инвертор. Инвертор осуществляет дополнение логического состояния, т. е. логическая 1 на входе вызывает логический 0 на выходе и наоборот. Кроме того, инверторы усиливают сигнал по току и, как буферы, применяются в схемах интерфейсов.

Элемент И. На выходе элемента И логическая 1 появляется, если только все входы одновременно находятся в состоянии логической 1. Все остальные комбинации входов приводят к образованию на выходе логического 0.

Элемент НЕ-И. На выходе элемента НЕ-И образуется логический 0, когда все выходы одновременно находятся в состоянии логической 1. Любая другая комбинация входов вызывает появление на выходе логической 1. Следовательно, элемент НЕ-И — это просто элемент И с инвертированным выходом; кружок на выходе показывает эту инверсию.

Элемент ИЛИ. На выходе элемента ИЛИ появляется логическая 1, если хотя бы один из входов находится в состоянии логической 1. Другими словами, выход элемента ИЛИ соответствует логическому 0, если состояния всех входов одновременно равны логическому 0.

Элемент НЕ-ИЛИ. Элемент НЕ-ИЛИ выдает на выходе логическую 1, если только все его входы одновременно находятся в состоянии логического 0. Любая другая комбинация входов вызывает появление на выходе логического 0. Нетрудно заметить, что этот элемент представляет собой элемент ИЛИ с инвертированным выходом. По-прежнему на инверсию указывает небольшой кружок на выходе элемента.

Элемент исключающее ИЛИ. Выход элемента исключающее ИЛИ (сумматора по модулю 2) соответствует логической 1, если один из входов находится в состоянии логической 1, а другой — в состоянии логического 0. На выходе появляется логический 0, когда логические состояния обоих входов одинаковы. Отметим, что инверторы и буферы имеют по одному входу, элементы исключающее ИЛИ — два входа, а остальные логические элементы могут иметь до восьми входов.

В таблицах истинности на рис. 2.3 в удобной форме представлены функции логического элемента. Для логического элемента с n входами получается 2n входных комбинаций, т. е. двухвходовый элемент имеет четыре входные комбинации, а трехвходовый — восемь и т. д.

Попробуем найти практическое применение изложенному материалу. На рис. 2.4 показана схема охранной сигнализации с четырьмя входами. Каждым из входов управляет нормально замкнутое реле, которое соединяет вход с землей («общий»), т. е. обеспечивает на входе состояние логического 0. Когда реле размыкается, состояние соответствующего входа изменяется с логического 0 на логическую 1, что вызывает появление сигнала тревоги. Четыре светодиода, управляемых инверторами, индицируют логические состояния входов, а пятый светодиод показывает наличие питания. На выходе схемы включен динамик LSI, который импульсно включается с использованием звукового и низкочастотного сигналов. Эти сигналы формируют два генератора Шмитта (IC2) с времязадающими цепочками C1—R10 и С2—R11.

Рис. 2.4. Схема охранной сигнализации на четыре входа.

В микросхеме IC3 типа 7408 используются только два элемента из четырех, а два других просто оставлены незадействованными («плавающими»). На входные контакты 1 и 3 микросхемы IС3а подаются прямоугольные сигналы разных частот, а пульсирующий выход берется с контакта 3. На вставке показано соответствие элементов логической диаграмме микросхемы, а на рис. 2.5 приведена полная схема одного логического элемента. Линии питания +5 и 0 В являются общими для всех четырех элементов микросхемы. Как принято для 14-контактных корпусов DIP, питание подается на контакты 14 (+5 В) и 7 (0 В).

Рис. 2.5. Внутреннее устройство логического элемента IСЗа

Обычно, если хотя бы один из внутренних компонентов логического элемента выходит из строя, приходится заменять всю микросхему. Поиск элемента, неправильно выполняющего свою логическую функцию, можно вести разными способами, но эффективнее и проще всего воспользоваться для этой цели логическим пробником. Этот удобный и компактный прибор индицирует на светодиодах состояние входного сигнала своего зонда (щупа). Относительно длинный импульс (например, в одну секунду или более) логическим пробником, показывающим только состояния логического 0 и логической 1, обнаружить довольно легко. Короткий же импульс (0,1 с и менее) можно зафиксировать, только если в пробник встроен расширитель импульсов и третий светодиод будет включен на достаточное для визуального восприятия время.