Андрей Смирнов
Время чтения: ~17 мин.
Просмотров: 0

Цифровые микросхемы — начинающим (занятие 1) — логические элементы

Логические КМОП (КМДП) элементы «ИЛИ»

Комментарии

Логические вентили с тремя состояниями


Буфер с тремя состояниями можно рассматривать как переключатель. Если B включен, переключатель замкнут. Если B выключен, переключатель разомкнут.

Логический вентиль с тремя состояниями — это тип логического элемента, который может иметь три разных выхода: высокий (H), низкий (L) и высокий импеданс (Z). Состояние с высоким импедансом не играет никакой роли в логике, которая является строго двоичной. Эти устройства используются на автобусах в CPU , чтобы несколько чипов для передачи данных. Группа из трех состояний, управляющая линией с подходящей схемой управления, в основном эквивалентна мультиплексору , который может быть физически распределен по отдельным устройствам или сменным картам.

В электронике высокий выходной сигнал будет означать, что выходной ток получает ток от положительной клеммы питания (положительное напряжение). Низкий выходной сигнал означает, что на выходе подается ток на отрицательную клемму питания (нулевое напряжение). Высокий импеданс означает, что выход фактически отключен от цепи.

Генераторы на логических элементах

Цифровые микросхемы нашли широкое применение в схемах различных генераторов с частотами от долей герца до десятков мегагерц и самой различной формой импульса. Вообще генераторы представляют собой усилительный каскад или несколько, который охвачен частотно-зависимой обратной связью. В качестве таких цепей используют RC-, LC-, RLC-цепи, а также пьезокерамические и кварцевые резонаторы.

Ниже показана схема генератора с RC частотно-зависимой цепью. Работа данного генератора связана с процессами зарядки-разрядки конденсатора С1 через резистор R1.



Схема RC-генератора

В данной схеме генератора через резистор R1 осуществляется ООС, которая выводит логический элемент в линейный режим, а через конденсатор С1 осуществляется частотно-зависимая ПОС. В таком генераторе используются как ТТЛ-элементы, так и КМОП. Сопротивление резистора R1 выбирается также как и для усилительного каскада с ООС, а емкость конденсатора – в зависимости от требуемой частоты колебаний. Частоту генерации можно определить по приближенной формуле

F \approx \frac{0,7}{RC}

При работе такой генератор вырабатывает прямоугольные импульсы со скважностью примерно равной 2. Максимальная частота генерации ограниченна величиной задержки переключения логических элементов, так для КМОП микросхем максимальная частота составляет 2 … 4 МГц, а для ТТЛ – несколько десятков МГц

С помощью цифровых микросхем можно также получить генератор синусоидального сигнала, для этого в качестве частотно-задающей цепи необходимо использовать LC-контур. Схема такого генератора приведена ниже.



Схема LC-генератора

В качестве частотно-зависимой связи применяются как последовательный так и параллельный колебательный контур, но в любом случае частота колебаний будет соответствовать формуле Томпсона

F=\frac{1}{2 \pi \sqrt{LC}}

Сопротивление резистора R1 выбирается также как и для усилительного каскада.

Недостатком вышеописанных генераторов является невысокая стабильность генерируемой частоты. Для её повышения применяются пьезокерамические и кварцевые резонаторы, включая их в цепи обратной связи вместо конденсатора или колебательного контура.



Схема генератора с кварцевой стабилизацией частоты

В данной схеме кварцевый резонатор ZQ1 применён в цепи обратной связи, конденсатор С2 служит для подавления паразитной генерации на частотах отличных от частоты кварцевого резонатора. Конденсатором С1 можно в небольших пределах подстроить частоту генерации. Величину конденсатора С2 выбирают ориентировочно: 1 нФ для частоты 10 МГц, 10 нФ для частоты 1 МГц. Конденсатор С1 может иметь значение от единиц пФ до нескольких нФ в зависимости от частоты кварцевого резонатора. Для повышения стабильности частоты на выходе генератора полезно будет установить буферный каскад на логическом элементе.

4.4 Транзистор-транзисторная логика (ттл)

Принципиальная
схема ТТЛ-элемента, являющегося основой
ряда полупроводниковых интегральных
микросхем для цифровых устройств,
приведена на рис. 4.18. В данной схеме
применен многоэмиттерный транзистор
VT1.
Если хотя бы один эмиттерно-базовый
переход его включён в прямом направлении,
то коллекторный переход многоэмиттерного
транзистора VT1
смещен в обратном направлении. При
отсутствии входных переходов включённых
в прямом направлении базо-коллекторный
переход включён в прямом направлении.
Пусть на всех входах вх1,
вх2
и вх3 схемы
(см. рис.4.18) действуют сигналы, уровень
которых соответствует уровню логической
«1» (напряжение около 3,5 В). При данном
уровне входных сигналов базо-коллекторный
переход смещён в прямом направлении и
через резистор R1
и коллекторный переход транзистора VT1
течет ток по следующей цепи: от источник
питания +Е через резистор R1,

базо-коллекторный переход транзистора
VT1,
базо-эмиттерный
переход VT2
и базо-эмиттерный переход VT4.
Все входящие в данную цепь переходы
включены в прямом направлении.
Эмиттерно-базовые переходы транзистора
VT1
смещены в обратном направлении. Режим
транзистора VT1
оказывается инверсным. Транзисторы VT2
и VT4
насыщены.
Потенциал VT2
ниже, что
обеспечивает запирание VT3.
Следовательно VT3
заперт (режим отсечки), VT4
открыт и насыщен, что обеспечивает на
выходе схемы низкий потенциал (уровень
«0»).

Рис.4.18

При
другом сочетании входных сигналов,
когда хотя бы один из них имеет низкий
уровень напряжения – уровень логического
«0» (примерно 0,3 В), тогда эмиттерно-базовый
переход, соответствующего входа, смещен
в прямом направлении. Прямой ток этого
перехода протекает по цепи, включающей
источник питания +Е, резистор R1,
эмиттерно-базовый переход и источник
входного сигнала. Считая напряжение на
эмиттерно-базовом переходе, смещенном
в прямом направлении, близким к 0,6 В,
получим, что напряжение на базе транзистора
VT1
относительно корпуса равно 0,9 В ().

Напряжение
на коллекторе многоэмиттерного
транзистора будет меньше
на значение падения напряжения на
включенном коллекторном переходе,
т.е. примерно 0,4 В, и составляет всего
0,5 В. Это напряжение меньше, чем сумма
напряжений отсечкии.
Входное сопротивление выключенного
транзистораVT2,
составляющее коллекторную нагрузку
многоэмиттеного транзистора VT1,
очень велико. Входным током запертого
транзистора VT2
служит малый ток
.
Этот ток и является коллекторным током
транзистора VT1.
Таким образом, транзистор VT1
имеет значительный ток базы, протекающий
через открытый базо-эмиттерный переход,
и очень малый коллекторный ток, равный
.

При
таком соотношении базового и коллекторного
токов транзистор VT1
насыщен; его коллекторный переход смещен
в обратном направлении. Эмиттерно-базовый
ток, протекающий через открытый входной
переход, складывается из тока базы
и
тока коллектора.
Значение эмиттерного тока соответствует
входному току элемента при наличии
напряжения уровня логического «0» на
входе. Остальные эмиттерыVT1
по-прежнему работают в инверсном режиме
и ток их мал.

Таким
образом, при напряжении соответствующем
уровню логического «0» хотя бы на одном
из входов транзистор VT2
заперт. Потенциал коллектора VT2
близок к +Е, что открываети насыщает
VT3.
При этом VT4
заперт,
т.к. потенциал его базы близок к нулю.
На выходе схемы при этом имеет место
высокое напряжение порядка 3,5В
(уровень
логической «1»), т.к. +Е поступает на выход
схемы через насыщенный транзистор VT3
и диод VD1
включённый в прямом направлении. Диоды
VD2-VD4
выполняют защитные функции микросхемы
от отрицательных входных импульсов.
Указанное преобразование сигнала
соответствует логической операции
«И-НЕ», которую выполняет каскад на
многоэмиттерном транзисторе VT1
операция «И» инвертор, собранный на
транзисторах VT2,
VT3
и VT4
(операция
«НЕ»).

Параметры
схемы «И-НЕ» серии К155:
;;;;;.

Смотрите также

  • Диодная логика
  • Логика высокого порога
  • НОРБИТ

Светофон

Светофон (рис. 5) представляет собой электронную игрушку — звуковой генератор [Р 1/90-60]. Частота генерации определяется уровнем освещенности чувствительного к свету (hv) элемента R1 (фотосопротивления, фотодиода) при приближении к нему руки. Для того чтобы звучание происходило по желанию «музыканта», включение звука происходит при отпускании пальца от сенсорных площадок Е1 и Е2.

Рис. 5. Схема светофона.

При использовании фоточувствительных приборов различного типа вероятно потребуется подбор емкости конденсатора С1, а также включение параллельно (или последовательно) фоточувствительному элементу (фотосопротивлению, фотодиоду) резисторов, задающих диапазон изменения генерируемой звуковой частоты.

Отметим попутно, что при самостоятельной доработке устройства в качестве управляющего элемента (рис. 5) можно использовать термосопротивление, имеющее малую тепловую инерцию, например, бусинкового типа.

Устройство, полученное при этом, можно наименовать термофоном или эолофоном (от греческого aiolos — ветер и phone — голос, звук) — оно будет изменять частоту звука при обдувании терморезистора.

Электромузыкальный прибор, управляемый наэлектризованным предметом (электронофон), можно получить, включив полевой транзистор вместо резистора R1.

Ход урока

1. Организационный момент.

Цель: подготовить учащихся к уроку.

Объявляется тема урока. Перед учащимися ставится задача: показать, как они научились решать задачи по теме.

2. Повторение изученного материала.

Выполнение в тестирующей оболочке MyTest теста на тему «Основные понятия алгебры логики».(приложение1.mtf)

3. Изучение нового материала.

Вопросы для изучения:

  1. Простые и сложные выражения.
  2. Основные логические операции.

При объяснении нового материала используется компьютерная презентация (презентация.PPT)

1. Простые и сложные выражения.

Логические выражения могут быть простыми и сложными.

Простое логическое выражение состоит из одного высказывания и не содержит логические операции. В простом логическом выражении возможно только два результата — либо «истина», либо «ложь».

Сложное логическое выражение содержит высказывания, объединенные логическими операциями. По аналогии с понятием функции в алгебре сложное логическое выражение содержит аргументы, которыми являются высказывания.

2. Основные логические операции.

По ходу объяснения нового материала ученики заполняют в тетради таблицу следующего вида.

Название логической операции Обозначение логической операции Результат выполнения логической операции Таблица истинности Примеры
Отрицание
Дизъюнкция
Конъюнкция
Импликация
Эквиваленция

В качестве основных логических операций в сложных логических выражениях используются следующие:

  • НЕ (логическое отрицание, инверсия);
  • ИЛИ (логическое сложение, дизъюнкция);
  • И (логическое умножение, конъюнкция)

Операция НЕ — логическое отрицание (инверсия)

Логическая операция НЕ применяется к одному аргументу, в качестве которого может быть и простое, и сложное логическое выражение. Результатом операции НЕ является следующее:

  • если исходное выражение истинно, то результат его отрицания будет ложным;
  • если исходное выражение ложно, то результат его отрицания будет истинным.

Для операции отрицания НЕ приняты следующие условные обозначения: НЕ, ‾, ˥ not А. Результат операции отрицания НЕ определяется следующей таблицей истинности.

Операция ИЛИ — логическое сложение (дизъюнкция, объединение)

Логическая операция ИЛИ выполняет функцию объединения двух высказываний, в качестве которых может быть и простое, и сложное логическое выражение. Высказывания, являющиеся исходными для логической операции, называют аргументами.

Результатом операции ИЛИ является выражение, которое будет истинным тогда и только тогда, когда истинно будет хотя бы одно из исходных выражений.

Результат операции ИЛИ определяется следующей таблицей истинности:

А В A v В
1 1
1 1
1 1 1

Применяемые обозначения: А или В; A v В; А ог В. При выполнении сложных логических преобразований для наглядности условимся пользоваться обозначением А + В, где А, В — аргументы (исходные высказывания).

Операция И — логическое умножение (конъюнкция)

Логическая операция И выполняет функцию пересечения двух высказываний (аргументов), в качестве которых может быть и простое, и сложное логическое выражение.

Результатом операции И является выражение, которое будет истинным тогда и только тогда, когда истинны оба исходных выражения.

Результат операции И определяется следующей таблицей истинности:

А В А^ В
1
1
1 1 1

Применяемые обозначения: А и В; А ^ В; А & В; A and В.

Условимся пользоваться при выполнении сложных логических преобразований обозначением A-В, где А, В — аргументы (исходные высказывания).

Операция «ЕСЛИ-TO— логическое следование (импликация)

Эта операция связывает два простых логических выражения, из которых первое является условием, а второе — следствием из этого условия.

Применяемые обозначения:

если А, то В; А влечет В; if A then В; А—»В.

Результат операции следования (импликации) ложен, только тогда, когда предпосылка А истинна, а заключение В (следствие) ложно.

Таблица истинности:

А В Если А, то В
1
1 1
1
1 1 1

Операция «А тогда и только тогда, когда В» (эквивалентность, равнозначность)

Применяемое обозначение: А ~В.

Результат операции эквивалентность истинен только тогда, когда А и В одновременно истинны или одновременно ложны.

Таблица истинности:

А В А ~ В
1
1 1
1
1 1 1

4. Закрепление изученного материала

5. Подведение итогов урока

Скажите был ли сегодняшний урок для вас познавательный?

Что больше всего запомнилось из урока?

6. Домашнее задание

  1. Учебник. п.23.2., заполнить таблицу «Логические операции» до конца.
  2. Выполнить задание (приложение 3)
  3. Подготовиться к тестированию.
  4. Знать ответы на вопросы:
    • какие высказывания бывают;
    • какие высказывания называются простыми, а какие – сложными;
    • основные логические операции и их свойства.

Устройство для рефлексотерапии

Схема прибора — электронного устройства для рефлексотерапии, разработанного И. Скулкиным — показана на рис. 13 [Рл 2/97-26]. Узел поиска биологически активных точек (БАТ) содержит усилитель на составном транзисторе VT1 — VT3 и генератор импульсов на микросхеме DD1.

Рис. 13. Схема прибора для рефлексотерапии.

Поисковый (активный) электрод (А) представляет собой закругленную иглу диаметром 1 мм. Пассивный электрод (П) состоит из отрезка телескопической антенны.

При поиске БАТ на теле человека этот электрод зажимают в руке. Когда поисковый электрод попадает на БАТ, сопротивление участка кожи резко уменьшается, а устройство реагирует на это включением светодиода.

Полярность напряжения, прикладываемого к биологически активной точке, можно изменять переключателем SA1, а переключатель SA2 переводит устройство из режима поиска БАТ в режим воздействия на них. Частоту и ток воздействия задают потенциометры R2 и R4, соответственно.

Для проверки готовности прибора к работе следует в режиме «Поиск» (SA2) установить максимальный ток воздействия и замкнуть электроды. При этом должен загореться светодиод HL1.

Диодные логические вентили

В логических вентилях логические функции выполняются параллельно или последовательно соединенными переключателями (такими как контакты реле или полевые транзисторы с изолированным затвором, такие как ), управляемые логическими входами или параллельными резисторами или диодами, которые являются пассивными компонентами. Диодная логика реализована с помощью диодов, которые демонстрируют низкий импеданс при прямом смещении и очень высокий импеданс при обратном смещении. Есть два типа логических вентилей на диодах — ИЛИ и И. Невозможно построить НЕ (инвертировать) диодные вентили, потому что для функции инвертирования требуется активный компонент, такой как транзистор.

Логический вентиль ИЛИ

Диодный вентиль ИЛИ с таблицей истинности положительной логики

На изображении справа показана диодная схема ИЛИ. Символ диода представляет собой стрелку, показывающую прямое направление тока с низким импедансом. Все диоды имеют входы на анодах, а их катоды соединены вместе для управления выходом. R подключен к выходу с некоторым отрицательным напряжением (-6 вольт), чтобы обеспечить ток смещения для диодов.

Если все входы A, B и C имеют 0 вольт (логический уровень 0), ток, протекающий через R, будет понижать выходное напряжение до тех пор, пока диоды не зафиксируют выход. Поскольку эти диоды считаются идеальными, на выходе устанавливается 0 вольт, что является логическим уровнем 0. Если какой-либо вход переключается на положительное напряжение (логическая 1), ток, протекающий через диод с прямым смещением, будет повышать выходное напряжение. , обеспечивая положительное напряжение на выходе, логическую 1. Любое положительное напряжение будет представлять состояние логической 1; суммирование токов через несколько диодов не изменяет логический уровень. Остальные диоды имеют обратное смещение и не проводят ток.

Если любой вход A OR B OR C равен 1, выход будет 1. Только если все входы, A и B и C равны 0, на выходе будет 0. Это определение логического ИЛИ. Таблица истинности справа от изображения показывает выходные данные для всех комбинаций входных данных.

Это можно записать так:

A ИЛИ B ИЛИ C = ВЫХОД
или
A + B + C = ВЫХОД

В булевой алгебре знак плюс (+) используется для обозначения ИЛИ.

R может вернуться к любому отрицательному напряжению. Если R подключен к 0 вольт, у него не будет тока возбуждения для управления следующей схемой; Практические диоды нуждаются в токе смещения. В практической схеме все уровни сигнала, значение R и его обратное напряжение выбираются разработчиком схемы в соответствии с проектными требованиями.

Логический вентиль И

Диодный логический элемент И с таблицей истинности положительной логики

Диод И в основном такой же, как ИЛИ, за исключением того, что он перевернут. Диоды перевернуты, так что катоды подключены к входам, а аноды подключены вместе для обеспечения выхода. R подключен к +12 В для обеспечения тока прямого смещения для диодов и тока для выходного привода.

Если все входы A, B и C имеют положительное напряжение (здесь +6 вольт), ток, протекающий через R, будет подтягивать выход положительным до тех пор, пока диоды не зафиксируют выход до +6 вольт, выходного уровня логической единицы. Если какой-либо вход переключается на 0 вольт (уровень логического 0), ток, протекающий через диод, понижает выходное напряжение до 0 вольт. Остальные диоды будут иметь обратное смещение и не будут проводить ток.

Если вход A, B или C равен 0, выход будет 0. Только если все входы, A AND B AND C равны 1, на выходе будет 1. Это определение логического И. Таблица истинности справа от изображения показывает выходные данные для всех комбинаций входных данных.

Это можно записать так:

А И В И С = ВЫХОД
или
A × B × C = ВЫХОД

(В булевой алгебре символ умножения обозначает И.)

Подобно диоду ИЛИ, R может вернуться к любому напряжению, которое более положительно, чем логический уровень 1. Если R подключен к напряжению, равному уровню 1, у него не будет тока возбуждения для управления следующей схемой. Все уровни сигнала, значение R и его обратное напряжение — это варианты, выбранные проектировщиком схемы для удовлетворения проектных требований.

Логический элемент RS-триггер

Триггер (или «защелка») представляет собой элементарную ячейку памяти. Триггер кардинально отличается от рассмотренных ранее логических элементов тем, что его выходной сигнал зависит не только от входных сигналов в данный момент времени, но и от его собственного предыдущего состояния.

Существует большое количество разнообразных триггеров. Рассмотрим наиболее распространенный тип триггера — RS-триггер, применяемый в микропроцессорных блоках релейной защиты.

Логический элемент RS-триггер представляет собой элемент, который изменяет свое состояние: по сигналу «S» (Set — установить) — переходит в единицу, по сигналу «R» (Reset — сбросить) — в ноль. При подаче «1» на вход «S» на выходе будет «1», при подаче «1» на вход «R» на выходе будет «0».

Если на входы «S» и «R» ничего не подано (т.е. поданы нули), то выход триггера сохранит свое предыдущее состояние.

Остается два вопроса: что будет, если подать единицы одновременно на «S» и на «R», и какое состояние имел триггер в первый момент времени, т.е. при включении блока? Однозначного ответа на эти вопросы нет.

Первый вопрос называется «приоритет». Может быть «приоритет по S» (триггер «взведется», «встанет в единицу») и «приоритет по R» (триггер «сбросится», «обнулится»).

Второй вопрос называется «начальное состояние». Оно может быть «нулевое», может быть «единичное», а еще может быть энергонезависимое (которое запоминается и восстанавливается после включения блока). Энергонезависимое начальное состояние обычно устанавливают «нулевое», хотя возможны варианты.

Оба эти вопроса влияют на работу схемы, и варианты решения выбираются разработчиком обдуманно, в зависимости от того, что реализуется.

Как же узнать, какой именно триггер применен в схеме? Во-первых, надо посмотреть внимательно на его условное обозначение. Часто обозначение приоритетного входа выделяют особо (скобками или шрифтом), а начальное состояние записывают символом в нижней части графического обозначения («0», «1» или «M» — для энергонезависимого, от Memory — память). Если таких особых обозначений нет, то следует уточнить работу триггеров конкретного производителя в приложении к руководству по эксплуатации (как правило, приложение называется «Элементы функциональных схем»). На рис. 6 приведена схема реализации обработки сигналов с помощью реле KL, а также логический элемент RS-триггер, который логически повторяет схему.

Следует отметить, что данная схема определяет триггер «с приоритетом по R» и нулевым начальным состоянием: при наличии на входах KL1 и KL2 логических «1» на выходе будет логический «0».

Рис. 6. Логический элемент RS-триггер

Применение логоческих элементов

На современном этапе развития цифровой электроники и микросхемотехники простые логические элементы всё меньше находят своё применение именно как выполняющие простые логические функции. Очень часто вышеописанные логические элементы выполняют функции разрешения/запрещения или смешивания/совпадения сигналов в более сложных цифровых схемах.

Схема разрешения/запрещения

Например, применение логического элемента 2И в качестве управляющего можно описать следующим образом. Один из входов считают управляющим, а второй информационным, тогда при лог. 1 на управляющем входе, сигнал с информационного входа проходит на выход без ограничения, но если на управляющем входе низкий логический уровень, то прохождение сигнала с входа на выход отсутствует. Очень часто логические элементы в таком качестве используют для работы на мультиплексированную или двунаправленную линию.

Точно также в качестве элементов разрешении/запрещения используются и другие элементы И, И-НЕ, ИЛИ, ИЛИ-НЕ. Применение того или иного элемента обуславливается уровнем управляющего сигнала, инверсии (или её отсутствия) входного сигнала. Ниже показаны схемы использования логических элементов в качестве разрешающих/запрещающих прохождение сигнала.

Реализация разрешение/запрещение прохождения сигналов на логических элементах

Схема смешивания сигналов

Довольно часто требуется реализовать смешивание сигналов, когда выходной сигнал должен появляться при приходе сигналов на любой вход логического элемента. Например, использую элемент 2ИЛИ можно реализовать смешивание двух сигналов без инверсии, то есть сигналы, которые приходят на первый и на второй вход, будут отображаться в выходном сигнале. Ниже показаны схемы использования логических элементов в качестве смешивающих с различными уровнями.

Реализация смешивания сигналов различных логических уровней на логических элементах

Схемы определения совпадения сигналов

На логических элементах И, И-НЕ, ИЛИ, ИЛИ-НЕ очень просто реализовать схемы совпадения входящих сигналов, когда выходной сигнал вырабатывается при совпадении логических уровней входящих сигналов. Ниже показаны схемы совпадения на логических элементах.

Реализация функции совпадения сигналов на логических элементах

Схемы инвертирования сигналов

Логические элементы И, И-НЕ, ИЛИ, ИЛИ-НЕ, как более сложные по сравнению с элементами НЕ и повторителями, позволяют реализовать функции инверторов и буферных элементов. Для этого просто необходимо соединить их входы или на один из входов подать сигнал соответствующего логического уровня. Ниже показаны схемы повторителей и инверторов на элементах И, И-НЕ, ИЛИ, ИЛИ-НЕ.

Реализация повторителей и инверторов на логических элементах

Этими простыми схемами не ограничивается применение логических элементов И, И-НЕ, ИЛИ, ИЛИ-НЕ. Больше про применение логических микросхем я обязательно напишу в одном из следующих постов.

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

Рейтинг автора
5
Материал подготовил
Максим Иванов
Наш эксперт
Написано статей
129
Ссылка на основную публикацию
Похожие публикации