Electrónica digital para principiantes. Estructura interna de chips digitales TTL. Desventajas de los medios técnicos analógicos.
Comenzaremos tu viaje al mundo de la electrónica con una inmersión en la electrónica digital. En primer lugar, porque ésta es la cima de la pirámide del mundo electrónico y, en segundo lugar, conceptos basicos La electrónica digital es simple y comprensible.
¿Alguna vez has pensado en el fenomenal avance en ciencia y tecnología que se ha producido gracias a la electrónica y a la electrónica digital en particular? Si no es así, toma tu teléfono inteligente y míralo con atención. Un diseño tan simple es el resultado de una gran cantidad de trabajo y logros fenomenales de la electrónica moderna. La creación de esta técnica fue posible gracias a la simple idea de que cualquier información se puede representar en forma de números. Entonces, no importa con qué información esté trabajando el dispositivo, en el fondo está haciendo cálculos numéricos.
Probablemente estés familiarizado con los números romanos y arábigos. En el sistema romano los números se representan como una combinación de las letras I, V, X, L, C, D, M, y en árabe mediante la combinación de los símbolos 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9. Pero existen otras formas de representar números. Uno de ellos es la forma binaria. O, como se le llama más a menudo, el sistema numérico binario. En dicho sistema numérico, cualquier número es una secuencia de sólo "0" y "1".
| árabe | romano | Binario |
| 0 | - | 00 |
| 1 | I | 01 |
| 2 | II | 10 |
| 3 | III | 11 |
Los matemáticos e ingenieros han trabajado duro y hoy en día cualquier información se puede presentar como una combinación de ceros y unos: una señal de un sensor de movimiento, música, vídeo, fotografía, temperatura e incluso este texto que estás leyendo ahora está en realidad en el Las profundidades de su dispositivo parecen una secuencia de ceros y unos.
No importa qué información maneje un dispositivo digital, en el fondo está procesando números.
¿Por qué exactamente "0" y "1", y no "0", "1" y "2", por ejemplo? De hecho, hubo intentos bastante exitosos de crear tecnología digital que no utilice un sistema numérico binario, sino ternario ("0", "1" y "2"), pero el binario aún así ganó.
Quizás ganó porque la URSS colapsó, o quizás porque “0” y “1” son más fáciles de representar en forma de señales eléctricas. Esto significa que los dispositivos digitales basados en el sistema numérico binario son más fáciles y económicos de producir. Hablaré más sobre números binarios más adelante.
Estructura de un dispositivo digital.
Casi todos los dispositivos digitales contienen elementos típicos de los que consta una combinación. Algunos elementos son muy simples, otros son más complejos y otros son completamente complejos. En la práctica amateur los más habituales son: disparadores, temporizadores, contadores, registros, microcontroladores, comparadores, etc.
Elijamos algo de esta lista y veamos cómo funciona. ¡Que sea un microcontrolador (MK)! Está bien, lo admito. Elegí el microcontrolador por una razón. El hecho es que fue la llegada de los microprocesadores lo que supuso una auténtica revolución en la electrónica y llevó su desarrollo a un nuevo nivel.
MK es el tipo de microprocesador más numeroso y popular del mundo. Lo que lo hace especial es que el microcontrolador es un microPC: un ordenador completo en un solo chip. Imaginemos una computadora del tamaño de, digamos, un centavo. Este es MK.
Los microcontroladores se utilizan en todas partes: en televisores, refrigeradores, tabletas, sistemas de seguridad. Allí donde sea necesario controlar algo, un microcontrolador puede encontrar su lugar. Y todo gracias a que, como cualquier microprocesador, el MK se puede programar. Como resultado, el mismo tipo de chip se puede utilizar en cientos de dispositivos diferentes.
Hoy en día, los más populares son, por ejemplo, los microcontroladores AVR, PIC, ARM. Cada una de las empresas que produce especies listadas MK produce docenas, si no cientos, de variedades de microcontroladores diseñados para todas las tareas imaginables e inconcebibles.
¿Cómo funciona un microcontrolador?
A pesar de la complejidad del diseño de un microcontrolador real, cómo funciona se puede decir en una sola frase: "El texto del programa se escribe en la memoria del microcontrolador, el MK lee los comandos de este programa y los ejecuta", es decir. todo.
Por supuesto, MK no puede ejecutar ningún comando. Tiene un conjunto básico de comandos que comprende y sabe ejecutar. Al combinar estos comandos, puede obtener casi cualquier programa con el que el dispositivo hará exactamente lo que usted desea que haga.
En el mundo moderno, un microprocesador (MK también es un microprocesador, pero especializado) puede tener mucho comandos básicos, o muy poco. Se trata de una división tan condicional para la que incluso se acuñaron dos términos: CISC y RISC. CISC son muchos tipos diferentes de comandos para todas las ocasiones, RISC son solo los comandos más necesarios y utilizados con frecuencia, es decir. conjunto reducido de comandos.
La mayoría de los microcontroladores son RISC. Esto se explica por el hecho de que cuando se utiliza un conjunto reducido de comandos, los microcontroladores son más simples y más baratos de producir, y son más fáciles y rápidos de dominar para los desarrolladores de hardware. Hay muchas diferencias entre CISC y RISC, pero por ahora lo único importante a recordar es que CISC tiene muchos comandos, RISC tiene pocos comandos. En otro momento profundizaremos en estas dos ideas.
¿Qué sucede cuando se enciende el microcontrolador?
Entonces, imaginemos un mundo ideal en el que tienes un MK y un programa ya está grabado en su memoria. O, como suelen decir, el MK está "actualizado" (en este caso el programa se llama "firmware") y está listo para la batalla.
¿Qué sucede cuando suministra energía a su circuito MK? Resulta nada especial. Allí no hay ninguna magia. Sucederá lo siguiente:
Después de aplicar energía, el microcontrolador buscará lo que hay en la memoria. Al mismo tiempo, "sabe" dónde buscar para encontrar el primer comando de su programa..
La ubicación del inicio del programa se establece durante la producción del MK y nunca cambia. MK cuenta el primer comando, lo ejecuta, luego cuenta el segundo comando, lo ejecuta, luego el tercero, y así sucesivamente hasta el último. Cuando cuente el último comando, todo comenzará de nuevo, ya que el MK ejecuta el programa en círculo, a menos que le hayan dicho que se detenga. Así es como funciona.
Pero esto no le impide escribir programas complejos que ayuden a controlar frigoríficos, aspiradoras, máquinas industriales, reproductores de audio y miles de otros dispositivos. Tú también puedes aprender a crear dispositivos con MK. Hará falta tiempo, ganas y un poco de dinero. Pero son cosas tan pequeñas, ¿verdad?
¿Cómo funciona un MK típico?
Cualquier sistema de microprocesador se basa en tres pilares:
- UPC(ALU + dispositivo de control),
- Memoria(ROM,RAM,FLASH),
- Puertos de E/S .
El procesador, utilizando puertos de E/S, recibe/envía datos en forma de números, realiza diversas operaciones aritméticas con ellos y los almacena en la memoria. La comunicación entre el procesador, los puertos y la memoria se produce a través de cables llamados neumático(los neumáticos se dividen en varios tipos según su finalidad) . Ésta es la idea general de cómo funciona el sistema MP. Como en la imagen de abajo.
MK, como ya escribí, también es un microprocesador. Sólo especializado. La estructura física de los microcircuitos MK de diferentes series puede diferir significativamente, pero ideológicamente serán similares y tendrán, por ejemplo, bloques como: ROM, RAM, ALU, puertos de entrada/salida, temporizadores, contadores, registros.
| memoria de sólo lectura | Memoria permanente. Todo lo que está escrito en él permanece en la ROM incluso después de que el dispositivo se haya desconectado de la fuente de alimentación. |
| RAM | Memoria temporal. La RAM es la memoria de trabajo del MK. En él se colocan todos los resultados intermedios de la ejecución de comandos o datos de dispositivos externos. |
| ALU | El cerebro matemático de un microcontrolador. Es él quien suma, resta, multiplica y, a veces, divide, compara ceros y unos en el proceso de ejecución de comandos del programa. Uno de los órganos más importantes del MK. |
| Puertos de E/S | Solo dispositivos para comunicar MK con mundo exterior. Sin ellos, no se puede escribir en la memoria externa ni recibir datos del sensor o del teclado. |
| Temporizadores | ¿Cocinaste pastel o pollo? ¿Pusiste un cronómetro para que te avise cuando el plato esté listo? En el MK, el temporizador realiza funciones similares: cuenta intervalos, emite una señal de funcionamiento, etc. |
| Contadores | Resultan útiles cuando necesitas contar algo. |
| Registros | La palabra más incomprensible para aquellos que al menos una vez han intentado dominar Assembler por su cuenta. Y, por cierto, actúan como RAM rápida para el MK. Cada registro es una especie de celda de memoria. Y en cada MK solo hay unas pocas docenas. |
La escala moderna de desarrollo de la electrónica digital es tan enorme que incluso para cada elemento de esta tabla se puede escribir un libro completo, o incluso más de uno. Describiré las ideas básicas que le ayudarán a comprender de forma independiente cada uno de los dispositivos con más detalle.
El cerebro del microcontrolador
El microprocesador/microcontrolador siempre funciona según el programa incorporado en él. El programa consta de una secuencia de operaciones que puede realizar el MK. Las operaciones se realizan en la CPU, que es el cerebro del microcontrolador. Es este órgano el que puede realizar operaciones aritméticas y lógicas con números. Pero hay cuatro más. operaciones importantes cosas que puede hacer:
- leyendo desde una celda de memoria
- escribir en la celda de memoria
- leer desde el puerto de E/S
- escribir en el puerto de E/S
Estas operaciones son responsables de leer/escribir información en la memoria y dispositivos externos a través de puertos de E/S. Y sin ellos, cualquier procesador se convierte en basura inútil.
Técnicamente, el procesador consta de una ALU (calculadora de procesador) y una unidad de control que gestiona la interacción entre los puertos de E/S, la memoria y una unidad lógica aritmética (ALU).
Memoria del microcontrolador
Anteriormente, en la tabla con dispositivos típicos incluidos en el MK, indiqué dos tipos de memoria: ROM y RAM. La diferencia entre ellos es que en la ROM los datos se guardan entre el encendido del dispositivo. Pero al mismo tiempo, la ROM es una memoria bastante lenta. Por eso existe la RAM, que es bastante rápida, pero sólo puede almacenar datos cuando se suministra energía al dispositivo. Vale la pena apagar el aparato y de ahí quedan todos los datos… nada.
Si tiene una computadora portátil o personal, entonces está familiarizado con esta situación: escribió una montaña de texto, olvidó guardarlo en su disco duro y de repente se fue la electricidad. Enciendes la computadora, pero no hay texto. Así es. Mientras lo escribías, quedó almacenado en la RAM. Por eso el texto desapareció cuando se apagó la computadora.
En el mundo exterior, la RAM y la ROM se llaman RAM y ROM:
- RAM (memoria de acceso aleatorio): memoria de acceso aleatorio
- ROM (memoria de solo lectura): memoria de solo lectura
En nuestro país también se les llama memoria volátil y no volátil. Lo cual, en mi opinión, refleja con mayor precisión la naturaleza de cada tipo de memoria.
memoria de sólo lectura
Hoy en día, la memoria ROM del tipo FLASH (o, en nuestra opinión, EEPROM) está cada vez más extendida. Le permite guardar datos incluso cuando el dispositivo está apagado. Por lo tanto, en las MCU modernas, por ejemplo, en la MCU AVR, la memoria FLASH se utiliza como ROM.
Anteriormente, los chips de memoria ROM alguna vez eran programables. Por lo tanto, si se registró un programa o datos con errores, dicho microcircuito simplemente se desechó. Un poco más tarde aparecieron ROM que podían reescribirse muchas veces. Eran chips borrables por rayos UV. Han existido durante bastante tiempo e incluso ahora se encuentran en algunos dispositivos de los años 1990...2000. Por ejemplo esta ROM viene de la URSS.
Tenían un inconveniente importante: si el cristal (el que se ve en la ventana) se iluminaba accidentalmente, el programa podía dañarse. Además, la ROM sigue siendo más lenta que la RAM.
RAM
La RAM, a diferencia de ROM, PROM y EEPROM, es volátil y cuando se apaga el dispositivo, se pierden todos los datos de la RAM. Pero ningún dispositivo con microprocesador puede prescindir de él. Ya que durante el funcionamiento es necesario almacenar en algún lugar los resultados de los cálculos y los datos con los que trabaja el procesador. La ROM no es adecuada para estos fines debido a su lentitud.
MEMORIA DE PROGRAMA Y DATOS
Además de la división en volátiles (RAM) y memoria no volátil Los microcontroladores se dividen en memoria de datos y memoria de programa. Esto significa que MK tiene memoria especial, que está destinado únicamente a almacenar el programa MK. En los tiempos modernos suele ser una ROM FLASH. Es desde esta memoria que el microcontrolador lee los comandos que ejecuta.
Separada de la memoria del programa, hay una memoria de datos en la que se guardan los resultados intermedios del trabajo y cualquier otro dato requerido por el programa. La memoria del programa es RAM normal.
Esta separación es buena porque ningún error en el programa puede dañar el programa en sí. Por ejemplo, cuando por error el MK intenta escribir en lugar de algún comando en el programa numero aleatorio. Resulta que el programa está protegido de forma fiable contra daños. Por cierto, esta división tiene su propio nombre especial: "Arquitectura de Harvard".
En la década de 1930, el gobierno de Estados Unidos encargó a las universidades de Harvard y Princeton que desarrollaran arquitectura Computadora para artillería naval. A finales de la década de 1930, en la Universidad de Harvard, Howard Aiken desarrolló arquitectura computadora Mark I, que en adelante llevará el nombre de esta universidad.
A continuación he representado esquemáticamente la arquitectura de Harvard:
Así, el programa y los datos con los que trabaja se almacenan físicamente en lugares diferentes. En cuanto a sistemas de procesadores grandes como ordenador personal, entonces los datos y el programa se almacenan en el mismo lugar mientras el programa se está ejecutando.
JERARQUÍA DE LA MEMORIA
CÓMO SE FIRMA EL CEREBRO DE UN MICROCONTROLADOR
Ya sabes que el cerebro del MK es la CPU, la unidad central de procesamiento, que consta de una ALU (unidad aritmético-lógica) y una unidad de control (CU). La unidad de control controla toda la orquesta desde la memoria, dispositivos externos y ALU. Gracias a él, MK puede ejecutar comandos en el orden que queramos.
La ALU es una calculadora y la unidad de control le dice a la ALU qué, con qué, cuándo y en qué secuencia calcular o comparar. La ALU puede sumar, restar, a veces dividir y multiplicar, y realizar operaciones lógicas: Y, O, NO (más sobre esto más adelante)
Cualquier computadora, incluida la MK, hoy en día sólo puede funcionar con números binarios compuestos por “0” y “1”. Fue esta simple idea la que condujo a la revolución electrónica y al desarrollo explosivo de la tecnología digital.
Supongamos que la ALU necesita sumar dos números: 2 y 5. En forma simplificada se verá así:
En este caso, la unidad de control sabe en qué posición de la memoria tomar el número “2”, en cuál el número “5” y en qué posición de la memoria colocar el resultado. La unidad de control sabe todo esto porque lo leyó en el comando del programa que lee actualmente en el programa. Un poco más adelante te contaré con más detalle sobre las operaciones aremáticas con números binarios y cómo funciona el sumador ALU desde adentro.
Bueno, dirás, ¿qué pasa si necesitas obtener estos números no del programa, sino del exterior, por ejemplo, de un sensor? ¿Qué tengo que hacer? Aquí es donde entran en juego los puertos de E/S, con la ayuda de los cuales el MK puede recibir y transmitir datos a dispositivos externos: pantallas, sensores, motores, válvulas, impresoras, etc.
OPERACIONES LÓGICAS
¿Probablemente estás familiarizado con el chiste sobre la "lógica femenina"? Pero no hablaremos de eso, sino de lógica en principio. La lógica opera con relaciones de causa y efecto: si el sol ha salido, entonces se ha vuelto luz. La causa “salió el sol” provocó el efecto “se hizo luz”. Además, podemos decir “VERDADERO” o “FALSO” sobre cada afirmación.
Por ejemplo:
- "Los pájaros nadan bajo el agua" es mentira
- "El agua está mojada": a temperatura ambiente, esta afirmación es cierta.
Como notó, la segunda afirmación puede ser verdadera o falsa bajo ciertas condiciones. Nuestra computadora solo tiene números, y a los ingenieros y matemáticos se les ocurrió la idea de denotar la verdad como "1" y lo falso como "0". Esto hizo posible escribir la verdad de una declaración en la forma números binarios:
- "Los pájaros nadan bajo el agua" = 0
- "El agua está mojada" = 1
Y tal notación permitió a los matemáticos realizar operaciones completas con estas declaraciones: operaciones lógicas. George Boole fue el primero en pensar en esto. De ahí el nombre de esta álgebra: “álgebra booleana”, que resultó ser muy conveniente para las máquinas digitales.
La segunda mitad de la ALU son operaciones lógicas. Le permiten "comparar" declaraciones. Solo hay unas pocas operaciones lógicas básicas: Y, O, NO, pero esto es suficiente, ya que a partir de estas tres se pueden combinar otras más complejas.
Operación lógica Y denota la simultaneidad de declaraciones, es decir que ambas afirmaciones son verdaderas al mismo tiempo. Por ejemplo declaración será verdadera sólo si ambas afirmaciones más simples son verdaderas. En todos los demás casos, el resultado de la operación lógica AND será falso.
Operación lógica O será verdadera si al menos una de las afirmaciones involucradas en la operación es verdadera. "Los pájaros nadan bajo el agua" y "El agua está mojada" cierto, ya que la afirmación “el agua está mojada” es verdadera
Operación lógica NO cambia la verdad de una afirmación a su significado opuesto. Ésta es la negación lógica. Por ejemplo:
El sol sale todos los días = VERDADERO
NO (El sol sale todos los días) = NO ES VERDADERO = FALSO
Gracias a las operaciones lógicas podemos comparar números binarios, y como nuestros números binarios siempre significan algo, por ejemplo, alguna señal. Resulta que gracias al álgebra de Boole podemos comparar señales reales. Esto es lo que hace la parte lógica de la ALU.
DISPOSITIVO DE ENTRADA/SALIDA
Nuestro MK debe comunicarse con el mundo exterior. Sólo entonces se representará a sí mismo. dispositivo útil. Para ello MK ha dispositivos especiales, que se denominan dispositivos de entrada/salida.
Gracias a estos dispositivos podemos enviar señales desde sensores, teclados y otros dispositivos externos al microcontrolador. Y después de procesar dichas señales, el MK enviará una respuesta a través de los dispositivos de salida, con la ayuda de la cual será posible regular la velocidad de rotación del motor o el brillo de la lámpara.
Déjame resumir:
- Electrónica digital-- punta del iceberg de la electrónica
- Un dispositivo digital sólo conoce y entiende números
- Cualquier información: mensaje, texto, video, sonido, se puede codificar usando números binarios.
- Un microcontrolador es una microcomputadora en un solo chip.
- Cualquier sistema de microprocesador consta de tres partes: procesador, memoria y dispositivos de entrada/salida.
- El procesador consta de una ALU y una unidad de control.
- La ALU puede realizar operaciones aritméticas y lógicas con números binarios.
Manténganse al tanto. En los siguientes artículos te contaré con más detalle cómo están dispuestas la memoria MK, los puertos I/O y la ALU. Y después iremos aún más lejos y llegaremos finalmente a la electrónica analógica.
PD.
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Gran radioaficionado y diseñador de programas.
Hablé de elementos lógicos: los "bloques de construcción" que constituyen la base de la tecnología digital y sus propósitos. En esta publicación hablaré con más detalle sobre el uso de microcircuitos digitales que contienen elementos lógicos.
Los esquemas más simples.
El primer esquema es el más simple. dechado para probar circuitos eléctricos. Con esta sonda, puede determinar la confiabilidad del contacto eléctrico, encontrar un circuito abierto y verificar la capacidad de servicio de resistencias, diodos semiconductores y transistores.
Diagrama de una sonda para probar la continuidad de un circuito eléctrico.
Describamos su trabajo. Cuando las sondas XT están abiertas, se establece un nivel de voltaje lógico alto en las entradas del elemento lógico DD1 en relación con el cable común. En consecuencia, la salida del elemento DD1 tendrá un nivel lógico bajo, mientras que el LED VD1 no se encenderá. Si las sondas están conectadas entre sí, entonces la entrada DD1 tendrá un nivel lógico bajo y la salida será alta. Un diodo encendido indicará que las salidas están cerradas entre sí. Así, cuando las sondas están conectadas a un circuito en funcionamiento, el LED se encenderá, y si el LED no se enciende, significa que hay un circuito abierto en el circuito.
El siguiente diagrama a continuación es sonda lógica. Está destinado a determinar el nivel de voltaje lógico en circuitos eléctricos de dispositivos digitales.
Circuito de sonda lógica.
En el estado inicial, se establece un nivel lógico alto en las entradas del elemento lógico DD1 y la salida DD2 y, en consecuencia, se enciende el LED VD1. Cuando los LED están conectados a un circuito con un nivel lógico alto, el LED VD1 continúa encendiéndose, y cuando aparece un nivel lógico bajo en la entrada DD1, el LED VD1 se apagará en consecuencia.
No es posible contar más sobre el uso de microcircuitos digitales sin conocimiento. estructura interna Microcircuitos digitales TTL y CMOS y sus características de transmisión.
Estructura interna de chips digitales TTL.
Todas las familias de chips digitales se basan en elementos logicos basicos. Para todos los microcircuitos de la familia TTL, dicho elemento es elemento 2I-NO, que tiene la siguiente estructura interna. A continuación se muestra un diagrama del elemento 2I-NOT y su respuesta transitoria.
Esquema del elemento básico TTL 2I-NOT y su respuesta transitoria.
En la entrada del elemento está transistor multiemisor VT1 entonces etapa amplificadora en el transistor VT2 y etapa de salida push-pull en transistores VT3, VT4.
Describamos el funcionamiento del elemento lógico 2I-NOT. En el estado inicial, el voltaje de entrada no excede los 0,5 V y la unión del emisor del transistor VT1 está abierta. voltaje dado No es suficiente transferir la unión del colector al estado abierto, lo mismo se aplica a las uniones del emisor de los transistores VT2, VT4. Por lo tanto, estos transistores están cerrados y el transistor VT3 está abierto debido al voltaje proveniente de R2. El diodo VD3 está abierto y el voltaje en la salida del elemento es de aproximadamente 3...4 V ( punto A). Cuando el voltaje en los emisores VT1 comienza a aumentar, el transistor VT2 comienza a abrirse y el transistor VT3 se cierra suavemente ( sección A – B). Un aumento adicional en el voltaje en el transistor de entrada conduce al hecho de que el transistor VT2 se abre aún más, el voltaje en R3 también aumenta y el transistor VT4 se abre. Como resultado, la unión del emisor del transistor VT4 pasa por alto la resistencia R3, el transistor VT2 se abre bruscamente y el voltaje en la salida del elemento disminuye. En este momento ( sección B-C) todos los transistores están abiertos y en modo activo. Si continúa aumentando el voltaje de entrada, los transistores VT2 y VT4 entrarán en modo de saturación ( sección B-D), y el transistor VT3 se cerrará y el voltaje de salida será igual al voltaje de saturación del transistor VT4, y la corriente estará limitada por la resistencia R4.
Sección B-C Se puede utilizar una respuesta transitoria. para procesamiento de señales analógicas, en este modo la respuesta transitoria tiene alta linealidad y máximo consumo de energía.
Diseño interno de chips digitales CMOS.
Al igual que en la familia TTL, los chips CMOS el elemento básico es 2I-NO, cuya estructura interna se muestra a continuación
Diagrama del elemento básico 2I-NOT CMOS y su respuesta transitoria.
Este elemento lógico opera transistores de efecto de campo complementario. Transistores con canal tipo p (VT1, VT2) conectado al conductor positivo de la fuente de alimentación, con canal tipo n (VT3, VT4) conectados en serie.
Con un voltaje de entrada de 2 V o menos, los transistores VT1 y VT2 están abiertos, ya que el voltaje en las secciones puerta-fuente (con un voltaje de suministro de 9 V) es de al menos 7 V. El voltaje en las mismas secciones de los transistores VT3 y VT4 es insuficiente para abrirlos, por lo que en la salida del elemento habrá un voltaje casi igual al voltaje de alimentación, es decir, alrededor de 9 V ( punto A). A medida que aumenta el voltaje de entrada, los transistores comienzan a abrirse y VT1 y VT2 comienzan a cerrarse. En sección A – B este proceso ocurre relativamente suavemente, y sección B-C es más rápido y más lineal. en el punto b Los transistores VT1 y VT2 están casi completamente cerrados y VT3 y VT4 están abiertos. El voltaje de salida en este caso es pequeño y con un aumento adicional en el voltaje de entrada al nivel de la fuente de alimentación, tiende a cero ( punto g).
Elemento lógico en modo lineal.
El uso de elementos lógicos de microcircuitos digitales para trabajar con señales analógicas solo es posible si el modo cambia a lineal o cerca de él. Entonces en modo lineal elemento TTL es equivalente a un amplificador con una ganancia de 10...15 (aproximadamente 20 dB), y elemento CMOS– un amplificador con una ganancia de 10 ... 20 (20 ... 26 dB).
Salida de puerta lógica a modo lineal: de izquierda a derecha por corriente, voltaje, retroalimentación.
Se utilizan varios métodos para generar un elemento lógico en una sección lineal. Uno de ellos se basa en la inclusión. en la entrada de la resistencia del elemento TTL R. Esta resistencia hará que fluya una corriente a través de la unión del emisor del transistor de entrada del elemento TTL. Al cambiar la resistencia de una resistencia externa, es posible cambiar el voltaje en la salida del elemento, es decir, cambiar la posición de su punto de operación en la característica de transferencia. Para elementos TTL La resistencia de una resistencia externa de este tipo oscila entre 1 kOhm y 3 kOhm. Sin embargo, este método no aplicable para chips CMOS, ya que funcionan sin corrientes de salida (hay corrientes de fuga, pero son pequeñas e inestables).
La segunda forma de poner un elemento lógico en modo operativo puede ser aplicando a la entrada del voltaje correspondiente, por ejemplo usando divisor resistivo. Si, por elementos TTL el centro de la sección lineal de la característica de transferencia corresponde a tensión de entrada 1,5…1,8 V, y para CMOS 3…6V(con tensión de alimentación de 9 V). Para diferentes elementos lógicos este voltaje no es el mismo, por lo que se selecciona experimentalmente. Los valores de las resistencias de entrada se eligen de tal manera que las corrientes de entrada de los elementos no afecten el voltaje eliminado del divisor resistivo.
El tercer método es el más efectivo para esto. crear retroalimentación negativa (NF) por corriente continua entre la entrada y la salida del elemento, debido a que el punto de operación se mantiene automáticamente en la parte requerida de la característica de transferencia y no requiere una selección cuidadosa de resistencias externas. Este método se implementa para puertas lógicas con inversión señal de entrada: NO, Y-NO, O-NO.
Resistencia resistencia en el circuito OOS se seleccionan basándose en proporcionar al elemento la corriente de entrada requerida. Para elementos CMOS equivale a desde varios kiloohmios hasta decenas de megaohmios, y para TTL – de decenas de ohmios a 1 kOhm. Pero el uso de OOS reduce la ganancia del elemento.
amplificadores lógicos
Para utilizar elementos lógicos como amplificadores de señal, es necesario generar punto de operación a la sección lineal de la característica de transferencia. Las principales características de dichos amplificadores se muestran en la siguiente tabla.
| Serie | Esquema salida a lineal modo |
A nosotros, dB |
Fmáx, megahercio |
consumo de R mW |
Estás fuera, EN |
Rin, kOhmios |
R fuera, kOhmios |
R1, kOhmios |
R2, kOhmios |
| K155 | OOC | 18 | 40 | 20 | 1,2 | 0,6 | 0,05 | 0,68 | 0,68 |
| Actual | 21 | 0,8 | 1,9 | — | |||||
| K176 | OOC | 25 | 5,5 | 5 … 20 | 1,5 | 0,4 | 0,05 | 7,5 | 5,1 |
| Actual | 17 | 3 … 4 | 5,0 | 3,5 | 6 | 6,2 | 4 | ||
| 561 | OOC | 25 | 1000 | 7 | 1000 | 1000 |
A continuación se muestra el circuito del amplificador más simple basado en un elemento TTL. Ajustar el amplificador se reduce a establecer el punto de funcionamiento del elemento con la resistencia de recorte R1 en el medio de la sección lineal de la característica de transferencia.
El amplificador más simple basado en un elemento TTL.
Desventaja amplificadores simples es baja impedancia de entrada, lo que limita su ámbito de aplicación. Además, la ganancia es pequeña. Esta desventaja se elimina utilizándolo junto con transistores. La ganancia se incrementa conectando varias etapas en serie. Además, el chip digital contiene varios elementos idénticos, lo que permite crear amplificadores multicanal. Un ejemplo es el diagrama que se muestra a continuación. Características principales del amplificador: ganancia – 50; Impedancia de salida 50 ohmios, impedancia de entrada 5 kOhm, frecuencia límite superior 40 MHz.
Circuito amplificador con un transistor en la entrada.
Los elementos CMOS también se pueden utilizar para amplificadores, cuyo circuito se muestra a continuación. Desventaja general amplificadores basados en elementos CMOS – alta impedancia de salida. Se puede eliminar instalando un elemento lógico en la salida. seguidor de emisor en el transistor y conectándolo al circuito OOS.
Circuitos amplificadores basados en elementos CMOS.
Dispositivos de umbral basados en elementos lógicos.
Dispositivos de umbral, llamados comparadores, están diseñados para transformar señal analógica en información digital. El dispositivo de umbral más simple es el disparador Schmitt, que se describe en este artículo. Además de generar pulsos y restaurar señales digitales, los dispositivos de umbral se utilizan en analógico. convertidores digitales, generadores de impulsos de diversas formas.
Diagrama de un dispositivo de umbral basado en elementos lógicos.
En general, el elemento lógico es en sí mismo un dispositivo de umbral, pero característica de transferencia no del todo lineal. Para aumentar la linealidad de la característica de transferencia de un elemento lógico, se debe cubrir retroalimentación positiva (POF) por corriente continua a través de la resistencia R2. En este caso se convierte en una especie de gatillo schmitt con la capacidad de regular voltajes umbral. Ancho del bucle de histéresis(la diferencia entre los voltajes umbral) depende de la relación de los valores de las resistencias R1 y R2. La sensibilidad también depende de estas resistencias. A medida que R2 aumenta y R1 disminuye, la sensibilidad aumenta y el ancho del bucle de histéresis disminuye. Para chips TTL resistencia R1 = 0,1 ... 2 kOhm y R2 = 2 ... 10 kOhm. Los dispositivos de umbral basados en elementos CMOS son muy económicos, pero la desventaja es su baja sensibilidad. Para chips CMOS R1 tiene varias decenas de kiloohmios y R2 tiene varios cientos de kiloohmios.
Generadores basados en elementos lógicos
Chips digitales encontrados amplia aplicación V diagramas de circuitos de varios generadores con frecuencias desde fracciones de hercio hasta decenas de megahercios y una amplia variedad de formas de pulso. En general, los generadores representan una etapa de amplificación o varias, lo cual se cubre retroalimentación dependiente de la frecuencia. Como tales circuitos se utilizan circuitos RC, LC, RLC, así como resonadores piezocerámicos y de cuarzo.
Se muestra a continuación circuito generador con circuito RC dependiente de la frecuencia. El funcionamiento de este generador está asociado a los procesos de carga y descarga del condensador C1 a través de la resistencia R1.
circuito oscilador RC
En este circuito generador, se implementa un OOS a través de la resistencia R1, que pone el elemento lógico en modo lineal, y un POS dependiente de la frecuencia se implementa a través del condensador C1. Este generador utiliza elementos TTL y CMOS. La resistencia de la resistencia R1 se selecciona de la misma manera que para la etapa amplificadora con OOS, y la capacitancia del capacitor se selecciona dependiendo de la frecuencia de oscilación requerida. La frecuencia de generación se puede determinar mediante la fórmula aproximada.
F\aprox\frac(0,7)(RC)
Cuando está en funcionamiento, dicho generador produce pulsos cuadrados con un ciclo de trabajo aproximadamente igual a 2. La frecuencia máxima de generación está limitada por el valor del retardo de conmutación de los elementos lógicos, por lo que para chips CMOS frecuencia máxima equivale a 2…4MHz, y para TTL- alguno decenas de MHz.
Usando chips digitales también puedes obtener generador de onda sinusoidal, para ello es necesario utilizar circuito LC. El diagrama de dicho generador se muestra a continuación.
circuito oscilador LC
Tanto en serie como en paralelo se utilizan como comunicación dependiente de la frecuencia. circuito oscilatorio , pero en cualquier caso la frecuencia de oscilación corresponderá la fórmula de thompson
F=\frac(1)(2 \pi \sqrt(LC))
La resistencia de la resistencia R1 se selecciona de la misma manera que para la etapa del amplificador.
La desventaja de los generadores descritos anteriormente es la baja estabilidad de la frecuencia generada. Para aumentarlo se utilizan resonadores piezocerámicos y de cuarzo, incluidos sus en el circuito de retroalimentación en lugar de un condensador o circuito oscilante.
Circuito generador con estabilización de frecuencia de cuarzo.
La teoría es buena, pero sin aplicación práctica estas son solo palabras.
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curso de conferencias electronica tecnica
Conferencia 26
Fundamentos de los circuitos digitales.
26.1 puertas lógicas
Las computadoras digitales, los dispositivos de automatización y procesamiento de información utilizan dispositivos que realizan operaciones lógicas.
Operación lógicaes una transformación según las reglas del álgebra lógica (o álgebra booleana) de información digital de entrada en salida.
El dispositivo funcionalmente lógico más simple que realiza una operación lógica específica en señales de entrada se llamaelemento lógico.
En álgebra lógica, la verdad de un juicio o afirmación sobre los resultados de una operación lógica particular se denota con el símbolo 1, la falsedad con 0. Por lo tanto,Las variables lógicas en el álgebra de la lógica toman sólo dos valores: uno y cero.. Se llaman variables binarias. Para implementar el álgebra lógica en elementos electrónicos, es necesario traducir los valores de los parámetros de estos elementos al lenguaje del álgebra lógica (0 o 1). Puede configurar los valores de los parámetros por nivel de voltaje o polaridad del pulso.
Si las señales se suministran en forma de niveles de voltaje alto (polaridad positiva o negativa) y bajo (cerca de cero), entonces este método de suministro de señal se llama potencial.Si el nivel de alto voltaje tu 1 se le asigna el valor "uno", y bajo Ud. ° - “cero”, entonces la lógica se llama positiva (positiva), de lo contrario - negativo (negativo). La diferencia entre los niveles de uno y cero se llama arista lógica. U l = U 1 - U 0 . Debe ser significativo, de lo contrario no será posible separar claramente un nivel de otro.
Si las señales se suministran en forma pulsada, este método de suministro de señales se denomina pulsado. En este caso, un uno lógico corresponde a la presencia de un pulso y un cero lógico corresponde a la ausencia de un pulso (lógica positiva). Las señales correspondientes a 1 (o 0) pueden ser diferentes en la entrada y en la salida. Los elementos lógicos potenciales son los más utilizados porque pueden fabricarse utilizando tecnología de circuitos integrados.
Operaciones lógicas elementales y tipos de elementos lógicos..
Un sistema de elementos lógicos, a partir del cual se puede construir un circuito lógico de cualquier complejidad, se denomina funcionalmente completo.. Los elementos lógicos principales y más simples son los elementos que realizanoperaciones de negación (NO), conjunción (Y), disyunción (O).Constituyen un sistema funcionalmente completo y son un sistema de base mínima. Cada una de estas operaciones y elementos lógicos tiene un nombre diferente (Tabla 26.1).
Tabla 26.1 Tabla de verdad de cuatro puertas lógicas
Esta tabla proporciona los nombres de los elementos lógicos, la designación de esta operación, muestra cómo se lee el registro de la operación, la designación de los elementos lógicos en los diagramas funcionales, así como una tabla de verdad para el caso en que hay dos entradas y una salida. La tabla de verdad contiene las reglas y el resultado de las operaciones. Cada línea registra el estado de las señales en las entradas (x 1 x 2 ) y el resultado de la operación lógica en la salida (y). EN caso general un elemento lógico puede tener n entradas y n salidas.
Un sistema funcionalmente completo puede ser proporcionado por elementos lógicos compuestos (combinados) que realizan operaciones lógicas Y - NO, O - NO. Sus nombres y designaciones también se dan en la tabla. 26.1.
Los elementos lógicos se realizan tanto en dispositivos discretos como utilizando métodos tecnológicos integrados.Para la mayoría de las series de circuitos integrados. sistema básico son los elementos lógicos constituyentes Y - NO o O - NO.Se fabrican en forma de dispositivos microminiatura separados en una carcasa sellada.
Consideremos elementos lógicos en dispositivos semiconductores. Las puertas AND y OR se pueden implementar utilizando resistencias, diodos, transistores bipolares, transistores de efecto de campo y diodos de túnel. El elemento NO se realiza en transistores.
Los elementos lógicos compuestos en diferentes etapas se pueden implementar en diferentes dispositivos (resistencias, diodos, transistores, tanto bipolares como de efecto de campo), es decir, pueden tener diferentes opciones de circuito. De acuerdo con su diseño, se denominan lógica resistor-transistor (RTL); transistor de diodo (DTL); transistor-transistor (en transistores bipolares - TTL; en los de campo - MOPTL de canal p, norte -canal MOPTL; en transistores de efecto de campo complementarios: CMOS o CMOPTL; en transistores con conexiones de emisor: TLES o ESL).
La lógica específica de los transistores es la lógica de inyección: I2L, no tiene análogos en circuitos de transistores sobre elementos discretos. La comunicación entre etapas de elementos lógicos se realiza directamente, a través de una resistencia o mediante RC -cadena. Luego se agregan las designaciones de letras correspondientes al nombre de la lógica: NSTL - lógica de transistor con acoplamiento directo; NSTLM: lógica de transistor con acoplamiento directo en un transistor MOS; RETL: lógica de transistor con acoplamiento resistivo-capacitivo.
Elementos lógicos básicos en diseño discreto..
NO puerta(Tabla 26.1) tiene una entrada y una salida y realiza la operación NOT. Es una etapa de amplificación basada en un transistor bipolar o de efecto de campo, que funciona en modo clave. En la figura. 26.1 muestra el elemento NOT en un bipolar npn Transistor conectado según el circuito con OE.
El elemento está diseñado para funcionar con señales de polaridad positiva en lógica positiva. El transistor T está cerrado por un potencial negativo en la base suministrado desde la fuente EB. Cuando se aplica una señal de bajo nivel U al elemento de entrada en = U 0 , correspondiente al 0 lógico, el transistor permanece cerrado, la corriente del colector es cero, es decir, a través de la resistencia R k no fluye corriente y tensión de salida U fuera = +EK , es decir, nivel alto U 1 , correspondiente al 1 lógico.
A un nivel de alto voltaje en la entrada U en = U 1 el transistor está en modo de saturación, aparece una corriente de colector en la resistencia R k Se crea una caída de voltaje aproximadamente igual a E. k , y el voltaje de salida es aproximadamente cero (U fuera = U 0 ), es decir, habrá un cero lógico. Entonces, si x = 0, entonces y = 1, si x = 1, entonces y = 0, es decir, el elemento es inversor - realiza una operación de negación.
Nota: Cabe señalar que si el elemento está fabricado en un transistor de silicio de estructura n-p-n, la fuente de polarización E B No es posible encenderlo, ya que incluso con potenciales positivos en la base (hasta 0,6 V), el transistor está prácticamente cerrado.
Y puerta(Tabla 26.1)
Puede tener dos (o más) entradas y una salida y operar tanto en potencial como en señales de pulso. Un análogo puede ser un circuito de contactos de relé conectados en serie. Consideremos el funcionamiento del elemento Y, realizado sobre diodos.
Un elemento diseñado para trabajar con señales en forma de voltajes (o pulsos)polaridad positiva en lógica positiva, mostrado en la Fig. 26.3, a. Tiene tres entradas y una salida.El elemento implementa la operación AND siLa señal 1 aparece en la salida solo cuando la señal 1 está presente en todas las entradas simultáneamente.. En este caso, si al menos una entrada contiene una señal correspondiente al cero lógico, se debe transmitir a través de un diodo abierto a la salida y asegurar el bloqueo de aquellos diodos que se vean afectados por señales correspondientes al 1 lógico desde el lado de entrada. asumirá que la resistencia del diodo abierto es R puntokr << R, а потенциалы сигнала и источника питания E схемы имеют значения, удовлетворяющие соотношению U 0 < Е < U 1 .
Si en una de las entradas del circuito, por ejemplo Bx 1 La señal U está activa. 0, luego diodo D 1 estará abierto y la corriente fluirá a través del circuito +E, resistencia R, diodo D 1, fuente U 0 . Todo el voltaje de la fuente E se aplicará a la resistencia R y el voltaje de salida será igual a U 0 , es decir, la señal de salida es cero lógico. El resto de entradas tienen un alto potencial U 1 , por lo que los diodos están cerrados ya que su ánodo está conectado al terminal de salida con un potencial U bajo 0 , y cátodos - a un alto potencial positivo U 1 .
Si se aplica voltaje U a todas las entradas 1 , entonces todos los diodos estarán cerrados, la corriente en el circuito es +E k , R, diodo cerrado, fuente U 1 no pasa y la caída de voltaje a través de la resistencia R es cero. voltaje de salida mi > U 0 , que corresponde al 1 lógico. Así, si al menos una de las entradas se ve afectada por una señal correspondiente al cero lógico, la señal de salida también corresponde al cero lógico. La señal de salida corresponde al 1 lógico sólo si las señales en todas las entradas corresponden al 1 lógico.
En la figura. 26.3, b, d, e muestran elementos diseñados, respectivamente, para trabajar con señales de polaridad negativa en lógica positiva, polaridad positiva (Fig. 26.3, d) y negativa (Fig. 26.3, e) en lógica negativa. Tenga en cuenta que el mismo elemento puede funcionar tanto con señales positivas como negativas, pero la polaridad de la fuente de alimentación debe ser positiva (+E) para señales positivas y negativa (-E) para señales negativas. Los elementos funcionan de la misma manera que el elemento de la Fig. 26.3, a. Los elementos más comunes mostrados en la Fig. 26.3, a, d.
El elemento AND puede funcionar sin fuente de alimentación. En este caso, sólo son posibles dos opciones para encender el diodo, y el elemento de la Fig. 26.3, implementa la operación AND sólo a partir de señales de polaridad negativa en lógica positiva, y el elemento de la Fig. 26.3, e - sólo de señales de polaridad positiva en lógica negativa. Los artículos sin fuente de alimentación son menos preferibles que aquellos con fuente de alimentación.
O puerta(Tabla 26.1)
Puede tener dos (o más) entradas, una salida y funcionar tanto con señales de potencial como de impulsos. Un análogo puede ser un circuito de relés conectados en paralelo.
Consideremos un elemento OR fabricado sobre diodos y diseñado para funcionar a partir de señales en forma de voltajes (pulsos).Polaridad positiva en lógica positiva.Para que un elemento implemente la operación OR es necesario que la señal de salida tenga el valor 1 solo cuando al menos una de las entradas tenga una señal de 1. En este caso, la señal 1 en la entrada debe garantizar el bloqueo de todos los diodos que se ven afectados por la señal 0 del lado de entrada. Relación de potencial de la fuente de señal U baja. 0 y alto U 1 Los niveles y la fuente de alimentación E del circuito es la misma que en el circuito del elemento I: U. 0 < E < U 1 (если U 1 < E, то диоды будут всегда закрыты и выходное напряжение не будет изменяться). Сопротивление диода в открытом состоянии R Puntocr ≈ 0.
Si todas las entradas están suministradas bajo voltaje Ud. 0 , todos los diodos están cerrados, ya que el potencial de sus ánodos es menor que el potencial de los cátodos (φ k = -E); por lo tanto, el voltaje de salida es E< U 1 , es decir, en la salida la señal corresponde a un 0 lógico. Cuando se aplica a al menos una de las entradas, por ejemplo en 1 , alto voltaje U 1 El diodo D se abrirá. 1 , que está conectado a esta entrada, y dado que la resistencia del diodo abierto es cero, entonces el potencial φ K = +U 1 y la salida tiene una señal U 1 (lógico 1). Si en este momento se aplica un potencial U bajo a algunos diodos en el lado de entrada 0 , estarán cerrados, ya que a sus cátodos se les dará un potencial φ K = +U 1 . Así, la señal de salida corresponderá al 1 lógico si al menos en una de las entradas (ya sea la primera, la segunda o la tercera) la señal corresponde al 1 lógico.
Comparemos la Fig. 26.5, a, que muestra un elemento OR diseñado para operar a partir de señales de polaridad positiva en lógica negativa, de la Fig. 26.3, g. Son iguales. Por tanto, se puede observar que una puerta O en lógica positiva puede realizar una operación Y en lógica negativa y viceversa. Todos los elementos Y en la Fig. 26.3, en una lógica diferente a la del elemento AND, implementar la operación OR.
El elemento OR, al igual que el elemento AND, no puede contener una fuente de energía. Elemento en la Fig. 26.5,b está diseñado para operar a partir de señales de polaridad positiva en lógica positiva, y en la Fig. 26,5, en - de señales de polaridad negativa en lógica negativa. Comparación de estos elementos OR con los elementos AND de la Fig. 26.3, c, f confirma que ambos elementos pueden realizar ambas operaciones: AND y OR; elemento Y (O) - en lógica positiva, en lógica negativa - O (Y).
Las operaciones OR - NOT y AND - NOT se forman invirtiendo los resultados obtenidos al realizar las operaciones OR y AND, respectivamente:
O - NO (26.1)
Y - NO 
(26.2)
como se puede ver en la tabla de verdad para dos elementos de entrada (Tabla 26.2).
Tabla 26.2 - tabla de verdad para dos elementos de entrada
Un elemento que realiza la operación Y - NO en lógica positiva (Tabla 26.3) realizará la operación O - NO en lógica negativa (Tabla 26.4).
Tabla 26.3 Tabla 26.4
Los elementos lógicos integrados están diseñados para funcionar con señales en forma potencial. Se pueden ejecutar utilizando diferentes tipos de lógica. El tipo de lógica afecta las características del elemento. En los microcircuitos bipolares integrados, a menudo se utilizan transistores de silicio del tipo n-p-n (ver nota en el elemento NOT). En modo de saturación, el voltaje entre el emisor y el colector de dichos transistores es relativamente alto (0,4 V y más).
Conferencia 27
Fundamentos de los circuitos digitales.
27.1 elementos lógicos en transistores
El elemento lógico Y NO es lógica de diodo-transistor (DTL). Señales de entrada se alimentan al elemento AND, la señal de salida se toma del elemento NOT. Así, a la salida del elemento AND - NOT, la señal será 1 lógico si en la entrada del elemento NOT hay una señal correspondiente al 0 lógico. Para que esto ocurra, al menos una entrada del elemento AND debe ser. se suministra con una señal correspondiente al 0 lógico. El elemento lógico Y - NO para señales de polaridad positiva se muestra en la Fig. 27.1. Es una conexión a través de diodos D. Con dos elementos: un elemento de diodo Y y un elemento de transistor NO (ver, respectivamente, Fig. 26.3, a y Fig. 26.1, que muestran los elementos NOT y AND). En este caso, el elemento "NOT" no tiene fuente de desplazamiento E B , basado en un comentario hecho anteriormente sobre el funcionamiento de los transistores de silicio. Además, los valores de voltaje correspondientes al 0 y 1 lógico deben elegirse adecuadamente, ya que a un voltaje base ligeramente inferior a 0,6 V, el transistor se apagará, y en modo de saturación, el voltaje entre el emisor y el colector es 0,4 V (y superiores).
Consideremos el funcionamiento del elemento. Si se aplica voltaje U a todas las entradas 1 (lógico 1), todos los diodos (D 1D 2,D 3 ) se cerrará y la corriente en el circuito fuente E 1, resistencia R 1 , los diodos abiertos Dc pasarán a la base del transistor. Debido a la caída de voltaje a través de la resistencia R 1 potencial φ 1 estará ligeramente por debajo del potencial +E 1, diodo D 1 el potencial de la base φ también se abrirá B El transistor es menor que el potencial φ. 1 al valor de la caída de voltaje a través de los diodos Dc (pero por encima de 0,6 V, por lo que el transistor estará en modo de saturación). La salida del elemento NO se configurará en bajo voltaje U 0 , correspondiente al 0 lógico. Si al menos una entrada, por ejemplo In 1 , se aplicará voltaje U 0 , entonces el diodo correspondiente D 1 el potencial φ también estará abierto 1 será ≈ U 0 . Corriente de la fuente E 1 pasará por la resistencia R 1 . Parte de la corriente se cerrará a través del diodo abierto D. 1; fuente U 0, fuente E 1 , diodos de polarización parcial Dc, resistencia R 2 y fuente E 1 . Potencial base φ B = U SER estará por debajo del potencial φ 1 al valor de la caída de voltaje a través de los diodos de polarización Dc. En este caso, el elemento se calcula de tal manera que la caída de voltaje a través de los diodos Dc sea tal que φ B = U SER > 0, pero significativamente menos que 0,6 V. En este caso, el transistor estará cerrado y el voltaje en la salida del elemento NOT será igual a E K > U 0 , es decir, obtenemos el 1 lógico.
Puerta Y - NO lógica transistor-transistor (TTL). El elemento más simple Y - NO se muestra en la fig. 27.2, a. Consta de dos partes: un elemento Y en un transistor multiemisor T 1 y el elemento NOT en el transistor T 2 . Conexión directa: colector T 1 conectado a la base del transistor T 2 . Polarización en el circuito base del transistor T. 2 realiza la transición del colector T 1 . Tres uniones emisoras T 1 conectado a la entrada del elemento (Fig. 27.2,b), realiza las funciones de diodos de entrada en el circuito Y en diodos.
En comparación con los elementos DTL, los elementos TTL tienen un mayor rendimiento. El elemento está fabricado mediante tecnología de circuitos integrados, por lo que no contiene elementos reactivos. Opera a partir de señales en forma de voltajes de polaridad positiva.
Consideremos el principio de funcionamiento de tales elementos. Si se aplica voltaje U a todas las entradas 1 , entonces todas las uniones de emisores se desplazarán en la dirección opuesta. Potencial del colector del transistor T 2 resulta estar cerca de cero, la unión base-colector se desplaza hacia adelante debido a la fuente +E K. Transistor T 1 Estará en modo inverso, transistor T 2 - en modo saturación. Corriente del colector transistor T 1 fluye hacia la base del transistor T 2 , dejando este último en modo de saturación. Por lo tanto, la salida será un voltaje de bajo nivel U 0 , es decir, 0 lógico.
Si se aplica tensión U a una de las entradas 0 , entonces el potencial de base del transistor T 1 será mayor que los potenciales del emisor y del colector, por lo que T 1 estará en modo de saturación y la corriente de base se cerrará a través de las uniones del emisor T 1 y no irá a su recolector, y por tanto a la base T 2 . Por lo tanto, el transistor T 2 estará cerrado, y en su salida habrá un voltaje de alto nivel (1 lógico). Por lo tanto, el elemento realiza la operación Y - NO, ya que se puede emitir una señal cero lógica en la salida solo cuando se aplica una señal uno lógica a todas las entradas.
27.2.1 Puerta OR: NO lógica MOSFET de canal p (MOSTL)). En circuitos lógicos basados en transistores de efecto de campo sólo se utilizan transistores MOS con dieléctrico SiO 2 . Las principales ventajas de los circuitos de transistores MOS en comparación con otros circuitos son un alto grado de integración y una mayor inmunidad al ruido.
Consideremos un circuito O - NO en un transistor MOS con un canal n inducido (figura 27.3). A diferencia de los circuitos discutidos anteriormente, en lugar de una resistencia de carga R k hay un transistor MOS (en el diagrama de la Fig. 27.3 se designa T k ). Esto se debe a que una resistencia de carga aumentaría considerablemente el área del circuito. Transistores lógicos T 1 y T 2 conectados en paralelo. El voltaje de entrada en cada uno de ellos es igual al voltaje de la puerta: U VX1 = U ZI1, U VX2 = U ZI2 ; El voltaje de salida es igual al voltaje de drenaje: U SALIDA = USI . La tensión de alimentación suele elegirse para que sea tres veces mayor que el umbral Uthr (Uthr es la tensión de puerta a la que se forma un canal).
Si Upor = 2,0 V, entonces el diferencial lógico (la diferencia entre los voltajes de entrada y umbral) es 4 V. Los niveles lógicos corresponden a los voltajes de salida de los transistores abiertos y cerrados. Si ambas entradas reciben un voltaje menor que el umbral (correspondiente al cero lógico), entonces los transistores T 1 y T 2 se cerrará y la corriente de drenaje será casi igual a cero. En este caso, la corriente de drenaje del transistor de carga T k también será igual a cero. Por lo tanto, el voltaje de salida estará cerca del voltaje de la fuente de alimentación E. do y correspondiente al 1 lógico.
Si se aplica un voltaje que excede el umbral (correspondiente al 1 lógico) a la entrada de al menos un transistor, entonces este transistor se abrirá y aparecerá una corriente de drenaje. Luego, en la salida del circuito habrá un voltaje residual significativamente menor que el voltaje umbral, que corresponde al 0 lógico.
27.2.2 Lógica MOS de transistor complementario (CMOS).Una característica distintiva de los circuitos CMOS en comparación con las tecnologías bipolares (TTL, ECL, etc.) es un consumo de energía muy bajo en modo estático (en la mayoría de los casos, se puede suponer que la energía se consume solo durante el cambio de estado). Una característica distintiva de la estructura CMOS en comparación con otras estructuras MOS (N-MOS, P-MOS) es la presencia de transistores de efecto de campo de canal n y p (fig. 27.4); Como resultado, los circuitos CMOS tienen más alta velocidad acciones y un menor consumo de energía, sin embargo, se caracterizan por un proceso de fabricación más complejo y una menor densidad de embalaje.
Por ejemplo, considere un circuito de puerta 2I-NOT construido con tecnología CMOS (Figura 27.5).
Si se aplica un nivel alto a ambas entradas A y B, entonces ambos transistores en la parte inferior del circuito están abiertos y ambos transistores superiores están cerrados, es decir, la salida está conectada a tierra.
Si se aplica un nivel bajo a al menos una de las entradas, el transistor correspondiente estará abierto en la parte superior y cerrado en la parte inferior. De este modo, la salida se conectará a la tensión de alimentación y se desconectará de tierra.
No hay resistencias de carga en el circuito, por lo que en un estado estático, solo fluyen corrientes de fuga a través del circuito CMOS a través de los transistores fuera del circuito, y el consumo de energía es muy bajo. Durante la conmutación, la energía eléctrica se gasta principalmente en cargar las capacitancias de las compuertas y los conductores, de modo que la potencia consumida (y disipada) es proporcional a la frecuencia de estas conmutaciones (por ejemplo, frecuencia de reloj procesador).
El circuito 2OR-NOT (Figura 27.6) funciona de la siguiente manera: cuando ambas entradas están en nivel bajo, ambos transistores en la parte superior están abiertos y la salida está en nivel alto. Si se aplica un nivel alto a una de las entradas, entonces uno de los transistores en la parte inferior estará abierto y la salida se conectará a tierra.
En la figura con la topología del microcircuito 2I-NOT, se puede ver que utiliza dos transistores de efecto de campo de doble puerta. diferentes diseños. El FET superior de dos puertas realiza la función lógica 2OR y el FET inferior de dos puertas realiza la función lógica 2Y.
A continuación se muestra el esquema 2OR-NOT utilizado en OJSC Integral.
Todas las designaciones en la Figura 27.6 se toman de la biblioteca de niveles de válvulas de JSC Integral. Allí (en la biblioteca) se dan los retardos de tiempo y la disipación de energía en varias cargas de válvulas y su implementación topológica.
La gran mayoría de los modernos chips lógicos, incluidos los procesadores, utilizan circuitos CMOS.
Centro interuniversitario de educación a distancia de Tomsk
AV. Sharápov
MICROELECTRÓNICA
INGENIERÍA DE CIRCUITO DIGITAL
Tutorial
T Q 1 | |||||
transiciones | |||||
&D 3 |
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TOMSK – 2007
Crítico: cabeza. Departamento de Electrónica Industrial y Médica, Universidad Politécnica de Tomsk, Doctor en Ingeniería. ciencias, prof. G.S. Yevtushenko; Jefe de Departamento, Empresa Unitaria del Estado Federal "NPC "Polyus", Doctor en Ingeniería. Ciencias yu.m. Kazántsev
Corrector: Tarasova L.K.
Sharapov A.V.
Microelectrónica: libro de texto. - Tomsk: Centro interuniversitario de educación a distancia de Tomsk, 2007. - 158 p.
Se describen los principios de construcción y funcionamiento de elementos lógicos, decodificadores, multiplexores, sumadores, comparadores digitales, flip-flops, contadores, registros y chips de memoria. Se consideran ejemplos de síntesis de dispositivos digitales combinacionales y autómatas digitales.
El manual está destinado a estudiantes de universidades de radioelectrónica y contiene breves apuntes de conferencias, ejemplos de resolución de problemas y un taller de laboratorio de informática sobre circuitos digitales. Los estudiantes de educación a distancia realizan dos trabajos de laboratorio, una prueba de computadora y toman un examen de computadora.
Sharapov A.V., 2007 Centro interuniversitario de Tomsk
educación a distancia, 2007
1 Introducción................................................ .................................................... | ||
2 Conceptos básicos de microelectrónica................................................. .... | ||
Tipos de señales................................................. ......... ........................ | ||
Clasificación de microcircuitos y sus símbolos.... | ||
3 Conceptos básicos de matemáticas electrónica digital.................... | ||
Sistemas numéricos posicionales................................................ .... | ||
Tabla de verdad................................................. ... ................ | ||
Forma normal disyuntiva perfecta................................ | ||
Leyes básicas del álgebra de Boole................................................. ....... | ||
Diagramas de Venn................................................. ... ................... | ||
Mapas de Carnaugh................................................ ................................... | ||
Etapas de la síntesis de dispositivos digitales................................................ ...... | ||
Ejemplos de síntesis de dispositivos digitales................................................ ...... | ||
Elemento lógico mayoritario................................................ ..... | ||
4 Elementos lógicos básicos................................................ ...... .... | ||
Clasificación de elementos lógicos................................................ ..... | ||
Elemento TTL básico................................................ ................. .............. | ||
Expansor lógico................................................ ... ....... | ||
Elemento colector abierto................................................. .... | ||
Elemento con estado Z en la salida................................. .......... | ||
Elemento básico TTLSH................................................ ..... .......... | ||
Circuito ESL básico................................................ ................. ................... | ||
Elementos CMOS básicos................................................. ................. ....... | ||
4.10 Principales características de los elementos lógicos................. | ||
4.11 Ejemplos de microcircuitos de elementos lógicos................................. | ||
4.12 Microcircuitos a base de arseniuro de galio................................. | ||
5 Dispositivos digitales de tipo combinado................................. | ||
Encriptador................................................ ....... ................................. | ||
Descifrador................................................. ................................ | ||
Convertidores de binario a BCD, | ||
y viceversa................................................ .... ................................. | ||
Decodificador para controlar siete segmentos. | ||
indicador................................................. ....... ........................... | ||
Convertidores de código Gray................................................. .................... ..... | |||
Multiplexor................................................. ....................................... | |||
Implementación de funciones mediante un multiplexor.......... | |||
Sumador binario................................................. ... ................. | |||
Sumador binario-decimal................................................ ................... | |||
Esquemas de resta................................................ ... ................. | |||
Conversor de código directo a adicional.......... | |||
Comparador digital................................................ ... .......... | |||
Paridad ................................................. ................. ................ | |||
Ejemplos de construcción digital combinacional. | |||
dispositivos................................................. ....... ................................. | |||
6 Dispositivos digitales de tipo serie... | |||
Clasificación de desencadenantes................................................. .... ...... | |||
Flip-flop RS asíncrono................................................ ....... ........ | |||
Flip-flop RS cronometrado................................................. ....... ......... | |||
Gatillos D................................................. .... ................................ | |||
Gatillo en T................................................ .... ................................... | |||
Gatillo JK................................................ ......... ................................... | |||
Clasificación de contadores................................................. .... ...... | |||
Contador binario asíncrono................................................ ..... | |||
Contador BCD asíncrono................................ | |||
Contador binario síncrono................................................ ..... | |||
Contadores reversibles................................................ ... .......... | |||
Contadores con módulo de conteo arbitrario................................. | |||
Registros de desplazamiento................................................ ......................... | |||
Registros de memoria................................................ ........ ................... | |||
Registros universales................................................ ... ..... | |||
Registro de timbre................................................ ... ................ | |||
Contador de timbres.................................... ... ................ | |||
Contadores en registros de desplazamiento................................................ ...... | |||
Ejemplos de construcción de dispositivos digitales. | |||
tipo secuencial................................................ ........ | |||
7 Dispositivos de memoria semiconductores.... | |||
Clasificación de dispositivos de almacenamiento.................... | |||
ROM tipo máscara................................................. ................. .............. | |||
ROM programables de una sola vez.................................... ...... | |||
ROM reprogramables................................................ ... | |||
RAM estática................................................ ................... .......... | ||
RAM de tipo dinámico................................................. ................. ...... | ||
Ejemplos de chips de memoria................................................ ........... . | ||
Organización del bloque de memoria................................................ ........................ .... | ||
8 Ejemplos de resolución de problemas................................................ ..... .......... | ||
9 Taller de informática sobre circuitos digitales... | ||
10 opciones para tareas creativas................................................ ....... | ||
11 Ejemplo de realización de una tarea creativa................................. | ||
Referencias................................................ ....... ........................ | ||
Solicitud. Símbolos gráficos convencionales | ||
microcircuitos ................................................. ... ................................... |
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1 INTRODUCCIÓN
La electrónica es la rama de la ciencia y la tecnología que se ocupa de:
– el estudio de los fenómenos físicos y el desarrollo de dispositivos cuyo funcionamiento se basa en el flujo de corriente eléctrica en estado sólido, vacío o gaseoso;
– Estudiar las propiedades eléctricas, características y parámetros de estos dispositivos.;
– Aplicación práctica de estos dispositivos en diversos dispositivos y sistemas.
La primera de estas direcciones constituye la región electronica fisica. La segunda y tercera direcciones conforman el área. electrónica técnica.
diseño de circuito dispositivos electronicos es una encarnación de ingeniería de los principios de la electrónica para implementación práctica circuitos electrónicos diseñados para realizar funciones específicas de generación, conversión y almacenamiento de señales que transportan información en electrónica de baja corriente y funciones de conversión de energía de corriente eléctrica en electrónica de alta corriente.
Históricamente, la electrónica fue consecuencia del surgimiento y rápido desarrollo ingeniería radiofónica. La ingeniería de radio se define como un campo de la ciencia y la tecnología que se ocupa de la investigación, desarrollo, fabricación y uso de dispositivos y sistemas diseñados para transmitir información a través de canales de comunicación por radiofrecuencia.
La ingeniería de radio se basa en descubrimientos científicos del siglo XIX: el trabajo de M. Faraday (inglés), quien aclaró las leyes de interacción entre campos eléctricos y magnéticos; J. Maxwell (inglés), quien generalizó las leyes elementales del electromagnetismo y creó un sistema de ecuaciones que describe el campo electromagnético. J. Maxwell predijo teóricamente una nueva especie fenómenos electromagnéticos- ondas electromagnéticas que se propagan en el espacio a la velocidad de la luz. G. Hertz (alemán) confirmó experimentalmente la existencia de ondas electromagnéticas.
El primer receptor de radio fue inventado, diseñado y probado con éxito en 1895 por A.S. Popov (ruso). Un año más tarde, la comunicación por radio estuvo a cargo de G. Marconi (italiano), quien patentó su invento y se convirtió en premio Nobel en 1909.
CON Desde entonces, el desarrollo de la tecnología radioeléctrica ha estado determinado por el desarrollo
su base de elementos, que está determinada principalmente por los avances en la electrónica. Es interesante seguir brevemente las principales etapas de desarrollo de su base elemental.
El dispositivo electrónico más simple, un diodo de vacío, fue inventado por T. Edison (estadounidense) en 1883, quien montó un electrodo de metal en el cilindro de una lámpara eléctrica incandescente y registró una corriente en una dirección en un circuito externo. En 1904, J. Flemming utilizó por primera vez un diodo de vacío como detector en un receptor de radio. Louis de Forest (estadounidense) inventó un dispositivo amplificador de vacío eléctrico, un triodo, en 1906. Desde entonces, durante el primer cuarto del siglo XX, la tecnología de los dispositivos eléctricos de vacío ha ido madurando lentamente en varios laboratorios científicos de muchos países. países alrededor del mundo. En Rusia, esta dirección estuvo a cargo del jefe del laboratorio de Nizhny Novgorod, M.A. Bonch-Bruevich. Ya en 1922, los empleados de este laboratorio construyeron el primer
V estación de radiodifusión mundial que lleva el nombre. Internacional Comunista con una potencia de 12 kW. Y en 1927, se construyeron 57 estaciones de este tipo. En 1925 se creó una lámpara generadora de 100 kW. En 1933 entró en funcionamiento en Rusia la emisora de radio más potente del mundo (500 kW). El primer transmisor de televisión con una potencia de 15 kW se puso en funcionamiento en Moscú en 1948. A.I. Berg en 1927-1929 Creó la teoría clásica de los transmisores. VIRGINIA. Kotelnikov en el período de 1933 a 1946. Se demostró el teorema de cuantificación del tiempo, que sentó las bases para los métodos de procesamiento de señales digitales, se demostró la posibilidad de comunicación por radio en una banda lateral y se publicó la teoría de la inmunidad potencial al ruido.
Período de 1920 a 1955 Era la era de la electrónica de válvulas. Se crea el primer triodo semiconductor, el transistor
V 1948 por J. Bardin y W. Brattain (estadounidenses). A partir de 1955 comienza la era de la electrónica de semiconductores. Primero circuitos integrados apareció en Década de 1960. El primer microprocesador data de 1971.
EN En 1998, el transistor celebró su medio siglo de aniversario:
V El último día de junio de 1948, la empresa estadounidense Bell Telephon Laboratoris mostró al público un dispositivo electrónico recién inventado, que al día siguiente el New York Times informó de manera informal y sin patetismo: “Los elementos de trabajo del dispositivo constan de dos alambres delgados presionado contra un trozo de sustancia semiconductor... La sustancia amplifica la corriente que se le suministra a través de un cable y el otro cable elimina la corriente amplificada. En algunos casos se puede utilizar un dispositivo llamado transistor en lugar de tubos de vacío”.
Sí, así era exactamente el primer transistor y no es sorprendente que ni siquiera los expertos pudieran discernir de inmediato su triunfante futuro. Mientras tanto, el dispositivo presentado podría amplificar y generar señales eléctricas, así como realizar la función de una llave, al recibir la orden de abrir o cerrar. circuito electrico. Y, lo que es fundamentalmente importante, todo esto se llevó a cabo dentro de un cristal sólido, y no al vacío, como ocurre en un tubo de electrones. Esto dio lugar a toda una serie de ventajas potenciales del transistor: pequeñas dimensiones, resistencia mecánica, alta fiabilidad y, fundamentalmente, una durabilidad ilimitada. Tres o cuatro años más tarde, cuando se desarrollaron diseños de transistores mucho más avanzados, todas estas ventajas esperadas empezaron a hacerse realidad.
El honor de descubrir el efecto transistor, por el que se concedió el Premio Nobel de Física en 1956, corresponde a W. Shockley, J. Bardeen y W. Brattain. Es característico que los tres fueran físicos brillantes que persiguieron este descubrimiento con determinación. Shockley, el líder del grupo de investigación, ya en los años anteriores a la guerra dio conferencias sobre la teoría cuántica de los semiconductores y preparó una monografía fundamental que durante mucho tiempo se convirtió en un libro de referencia para los especialistas en este campo. Las más altas calificaciones de Bardeen como físico teórico quedan confirmadas no sólo por la invención del transistor y la predicción de una serie de efectos en el comportamiento de los semiconductores, sino también por el hecho de que más tarde, en 1972, junto con otros dos investigadores, fue Galardonado nuevamente con el Premio Nobel, ahora por la creación de la teoría de la superconductividad. Brattain, el más viejo del grupo en el momento de la invención
transistor tenía quince años de experiencia en la investigación de las propiedades superficiales de semiconductores.
Aunque el descubrimiento del efecto transistor en sí fue hasta cierto punto un feliz accidente (en el lenguaje actual, intentaron fabricar un transistor de efecto de campo, pero hicieron uno bipolar), la formación teórica de los investigadores les permitió darse cuenta casi instantáneamente lo que habían descubierto y predijeron toda una serie de dispositivos mucho más avanzados. En otras palabras, la creación de un transistor sólo fue posible para los físicos, quienes, necesariamente, también poseían un mínimo de habilidades inventivas.
En nuestro país, el transistor fue reproducido en 1949 en el laboratorio Fryazino, dirigido por A.V. Krasilov, un importante científico con la más amplia erudición.
Los primeros transistores se fabricaron a base de semiconductor germanio y permitían una temperatura de funcionamiento de sólo hasta 70 ° C, lo que no era suficiente para muchos problemas aplicados.
En la segunda mitad de los años cincuenta se produjo un salto cualitativo decisivo en el desarrollo de los transistores: en lugar de germanio se empezó a utilizar otro semiconductor: el silicio. Como resultado, la temperatura de funcionamiento de los transistores aumentó a 120-150 °C, mientras que sus características se mantuvieron muy estables y la vida útil de los dispositivos se volvió casi infinita. Pero quizás lo principal fue que en 1959 la empresa estadounidense Firechild desarrolló el llamado tecnología plana. El principio aquí era que la película más delgada de dióxido de silicio, que crece a altas temperaturas sobre la superficie del cristal, protege de manera confiable al silicio de influencias agresivas y es un excelente aislante. En esta película se crean “ventanas”, a través de las cuales, también a altas temperaturas, se introducen aditivos dopantes en el semiconductor: así se forman los fragmentos del futuro dispositivo. Luego, los conductores de corriente de aluminio de película delgada que conducen a las zonas activas se rocían sobre la superficie aislada del volumen y el transistor está listo. La peculiaridad del proceso es que todos los impactos sobre la placa se realizan en un solo plano y que el procesamiento simultáneo de miles y millones de
transistores en una oblea, lo que conduce al mayor grado de reproducibilidad del producto y alta productividad.
Utilizando métodos de tecnología plana, es fácil asegurar el aislamiento de los transistores del sustrato y entre sí, y desde aquí solo queda un paso para crear circuito integrado(microcircuitos), es decir creado
desarrollo de un circuito electrónico con componentes activos y pasivos y sus conexiones en un solo chip en un solo proceso tecnológico. Este paso se dio en el mismo 1959. El mundo ha entrado en una era. microelectrónica.
Un microcircuito típico es un cristal de silicio (chip), en cuya región cercana a la superficie están hechos muchos transistores, interconectados por pistas de película de aluminio en un determinado diagrama electrico. En el primer microcircuito, el "conjunto" constaba de sólo 12 transistores, pero en dos años el nivel de integración superó los cien elementos en el chip y, a mediados de los años 60, comenzaron a aparecer grandes circuitos integrados (LSI), que contenían miles de elementos. dominan, luego los ultragrandes ( VLSI), etc.
El microcircuito tiene mayor poder de información cuanto mayor es el número de transistores que contiene, es decir, mayor densidad de integración(densidad de empaquetamiento de elementos activos en el cristal). Y está determinado por las dimensiones mínimas. elemento activo y área cristalina que la tecnología es capaz de reproducir.
Los conceptos básicos cubiertos en este tutorial. diseño de circuitos digitales formar habilidades de diseño de circuitos para la construcción de dispositivos digitales basados en circuitos integrados. Se estudia el principio de funcionamiento de los elementos lógicos más simples y los métodos para diseñar convertidores de código, sumadores, interruptores digitales, flip-flops, registros, contadores y chips de memoria basados en ellos. El funcionamiento de muchos dispositivos se puede verificar mediante simulación por computadora utilizando el paquete Electronics Workbench.
La bibliografía recomendada incluye principalmente libros de referencia sobre circuitos integrados digitales. Entre otras fuentes utilizadas en este libro de texto, me gustaría destacar los trabajos de los profesores asociados de TUSUR Potekhin V.A. y Shibaeva A.A. , a quien el autor expresa su más sincero agradecimiento.
"Ingeniería de circuitos digitales"
JARKOV 2006
Prefacio
1 FUNDAMENTOS DE INGENIERÍA LÓGICA Y DE CIRCUITOS DE LA INGENIERÍA DE MICROCIRCUITO DIGITAL
1.2 Elementos lógicos
2 DIAGRAMAS DE COMBINACIÓN
2.1 Fundamentos
2.2 Decodificadores
2.3 Encriptadores
2.4 Demultiplexores
2.5 Multiplexores
2.6 Dispositivos aritméticos
3 DISPOSITIVOS DE DISPARO
3.1 Conceptos básicos
3.2 flip-flop RS asíncrono
3.3 Disparadores sincrónicos
4 REGISTROS
4.2 Registros de memoria
4.3 Registros de desplazamiento
4.4 Registros de inversión
4.5 Registros de propósito general
5 CONTADORES
5.4 Contadores reversibles
PREFACIO
Este manual metodológico contiene información que proporciona el estudio de las siguientes disciplinas:
- “Diseño de circuitos digitales” para estudiantes de la especialidad 5.091504 (Mantenimiento de sistemas y redes informáticas e inteligentes);
- “Ingeniería de microcircuitos” para estudiantes de la especialidad 5.090805 (Diseño, producción y mantenimiento de productos electrónicos);
- “Dispositivos electrónicos y microelectrónica” para estudiantes de la especialidad 5.090704 (Diseño, producción y mantenimiento de dispositivos de ingeniería radioeléctrica).
El material presentado en este trabajo está destinado a familiarizar a los estudiantes con los conceptos básicos de los microcircuitos digitales modernos e incluye los principales tipos de dispositivos digitales que se utilizan ampliamente como productos independientes en forma de microcircuitos con un grado de integración bajo y medio, y como Parte de microcircuitos con un alto grado de integración: microprocesadores y microcontroladores.
El manual consta de cinco secciones:
Fundamentos lógicos y de circuitos de microcircuitos digitales.
circuitos combinados,
dispositivos de activación,
registros,
Contadores.
La presentación del material está estructurada de tal manera que presente secuencialmente “de simple a complejo” los principios teóricos básicos del análisis y síntesis de dispositivos digitales. Cada sección contiene subsecciones que brindan información sobre la designación gráfica convencional del dispositivo en estudio, su tabla de operación, funcional o diagrama de circuito y cronogramas de trabajo cuando sea necesario. A cada uno de los esquemas se le da una descripción detallada de la lógica de su funcionamiento de tal manera que cada alumno de la materia domine los principios del análisis de operaciones. circuitos digitales y adquirió las habilidades necesarias. Cada uno de los diagramas anteriores es típico de de este dispositivo. Esto no excluye otra implementación de circuito.
Los conceptos, definiciones y reglas básicos están resaltados en negrita para que dominar el tema sea más conveniente y visual.
Teniendo en cuenta que la presentación del material se realiza en orden creciente de complejidad de los dispositivos digitales que se estudian, y que cada tema posterior se basa en el material del anterior, es recomendable utilizar este material didáctico en la secuencia en la que se ubican las secciones correspondientes.
Este manual es útil no solo para estudiar los fundamentos teóricos de los microcircuitos digitales, sino también para prepararse para realizar trabajo de laboratorio, cuyo objetivo es profundizar conocimientos y adquirir habilidades prácticas en el montaje y depuración de dispositivos digitales. La guía se puede utilizar para autoestudio, así como durante los trabajos de curso y el diseño de diplomas.
1 FUNDAMENTOS LÓGICOS Y DE CIRCUITO DE LA INGENIERÍA DE MICROCIRCUITO DIGITAL
1.1 Conceptos básicos de álgebra lógica.
La lógica es la ciencia de las leyes y formas de pensamiento.
La lógica matemática es la ciencia de aplicar métodos matemáticos para resolver problemas lógicos.
Todos los dispositivos informáticos digitales se basan en elementos que realizan determinadas operaciones lógicas. Algunos elementos proporcionan el procesamiento de símbolos binarios que representan información digital o de otro tipo, otros, cambian los canales a través de los cuales se transmite la información y, finalmente, otros, controlan, activan diversas acciones e implementan las condiciones para su implementación.
Las señales eléctricas que actúan en las entradas y salidas de estos elementos tienen, por regla general, dos diferentes niveles y, por lo tanto, puede representarse mediante símbolos binarios, por ejemplo 1 o 0. Acordemos denotar la ocurrencia de algún evento (por ejemplo, la presencia de un alto nivel de voltaje en algún punto del circuito) con el símbolo 1. Este símbolo se llama unidad lógica. La ausencia de cualquier evento se denota con el símbolo 0, llamado cero lógico.
Así, cada señal en la entrada o salida de un elemento binario está asociada a una variable lógica, que sólo puede tomar dos valores: el estado de uno lógico (el evento es verdadero) y el estado de un cero lógico (el evento es verdadero). FALSO). Estas variables se denominan booleanas en honor al matemático inglés J. Boole, quien desarrolló los principios básicos en el siglo XIX. lógica matemática. Denotemos una variable lógica por x.
Se pueden vincular diferentes variables booleanas mediante dependencias funcionales. Por ejemplo, la expresión y = f (x1, x2) indica la dependencia funcional de la variable lógica y de las variables lógicas x1 y x2, llamadas argumentos o variables de entrada.
Cualquier función lógica siempre se puede representar como un conjunto de operaciones lógicas simples. Tales operaciones incluyen:
Negación (operación "NO");
Multiplicación lógica (conjunción, operación “Y”);
Suma lógica (disyunción, operación O).
La negación (NO operación) es una conexión lógica entre la variable lógica de entrada x y la variable lógica de salida y tal que y es verdadera solo cuando x es falsa y, a la inversa, y es falsa solo cuando x es verdadera. Representemos esta relación funcional en forma de tabla 1.1, que se denomina tabla de verdad.
Una tabla de verdad es una tabla que muestra la correspondencia de todas las combinaciones posibles de valores de argumentos binarios con los valores de una función lógica.
Tabla 1.1- Tabla de verdad de la operación “NO”
| incógnita | y |
| 0 | 1 |
| 1 | 0 |
La función lógica NOT de la variable y se escribe como y = y dice "y no es x". Si, por ejemplo, x es una afirmación sobre la presencia de una señal de alto nivel (lógica), entonces y corresponde a una afirmación sobre la presencia de una señal de bajo nivel (cero lógico).
La multiplicación lógica (conjunción, operación Y) es una función que es verdadera solo cuando todas las variables que se multiplican son verdaderas al mismo tiempo. La tabla de verdad de la operación lógica de multiplicación corresponde a la tabla 1.2.
Tabla 1.2- Tabla de verdad de la operación de multiplicación lógica
| x2 | x1 | y |
| 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 0 |
| 1 | 1 | 1 |
La operación AND se indica con un punto ( ). A veces el punto está implícito. Por ejemplo, la operación AND entre dos variables x1 y x2 se denota como y = x1 x2.
La suma lógica (disyunción, operación O) es una función que es falsa solo cuando todas las variables que se agregan son falsas al mismo tiempo. La tabla de verdad de la operación de suma lógica corresponde a la tabla 1.3. La operación “O” se denota con el signo V. Por ejemplo, y = x1 V x2.
Tabla 1.3 - Tabla de verdad de la operación de suma lógica
| x2 | x1 | y |
| 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 1 |
| 1 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 1 |
1.2 Elementos lógicos
1.2.1 Información general sobre elementos lógicos
Los elementos lógicos son circuitos electrónicos que implementan las funciones lógicas más simples.
Los elementos lógicos se representan esquemáticamente en forma de rectángulos, en cuyo campo se representa un símbolo que indica la función que realiza este elemento. Por ejemplo, la Figura 1.1 muestra los símbolos de los elementos que implementan las funciones lógicas NO, Y, O, Y-NO, O-NO.
Figura 1.1 - Símbolos de elementos lógicos NOT, AND, OR, NAND, NOR-NOR
Las variables de entrada generalmente se muestran a la izquierda y las variables de salida a la derecha. Se cree que la transferencia de información se produce de izquierda a derecha.
Si las salidas de algunos elementos se conectan a las entradas de otros, obtenemos un circuito que implementa una función más compleja. Se denominará base lógica al conjunto de diferentes tipos de elementos suficientes para reproducir cualquier función lógica. Los elementos AND y NOT representan dicha base lógica.
Una base lógica puede consistir en un solo tipo de elemento, por ejemplo un elemento del tipo Y-NO, cuyo diagrama se muestra en la Fig. 1.2.
Figura 1.2 - Esquema para obtener el elemento Y-NO
La versatilidad del elemento AND─NOT aseguró su uso generalizado en la creación. dispositivos lógicos informática digital.
Hay una serie de otros elementos que implementan funciones lógicas simples. Estos incluyen, por ejemplo, el elemento de suma módulo dos (OR exclusivo), que implementa la función de significado desigual de dos variables:
La tabla de verdad y el símbolo de dicho elemento se muestran en la Fig. 1.3.
| X2 | X1 | Ud. |
| 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 1 |
| 1 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 0 |
Figura 1.3 - Tabla de verdad y símbolo del elemento “OR exclusivo”
La función de disparidad es igual a uno sólo en el caso de que las variables xl y x2 tengan valores diferentes.
1.2.2 Parámetros de elementos lógicos
Protozoos elementos digitales caracterizado por los siguientes parámetros:
Velocidad tз ср,
Capacidad de carga (relación de ramificación de salida) p,
Coeficiente de combinación de entradas (número de entradas del elemento lógico) t,
Inmunidad al ruido Un,
Consumo de energía Рср,
Tensión de alimentación U,
Nivel de señal.
El rendimiento es uno de los parámetros más importantes, caracterizado por el tiempo promedio de retardo de propagación de la señal.
donde y son los retrasos de encendido y apagado del circuito (Figura 1.4).
Figura 1.4 - Retardos de encendido y apagado del circuito
La capacidad de carga muestra cuántas entradas lógicas se pueden conectar simultáneamente a la salida de un elemento lógico determinado sin interrumpir su funcionamiento.
El coeficiente de combinación de entradas determina el número máximo posible de entradas de un elemento lógico. El aumento de m amplía las capacidades lógicas del circuito debido a la implementación de una función a partir de un mayor número de argumentos en un elemento Y-NO, O-NO, etc., sin embargo, al mismo tiempo, el rendimiento y la inmunidad al ruido se deterioran.
La inmunidad al ruido caracteriza la capacidad de un elemento para funcionar correctamente en presencia de interferencias. La inmunidad al ruido está determinada por la tensión perturbadora máxima permitida a la que se garantiza el funcionamiento del circuito.
El consumo de energía se caracteriza por un valor medio.
Рср = (Р0 + Р3)/ 2,
donde P0 y P3 son el consumo de energía en los estados abierto y cerrado del circuito. Se supone que aproximadamente la mitad de los circuitos del dispositivo están abiertos en un momento dado. Sin embargo, en dispositivos que tienen un inversor complejo, el consumo de energía depende de la frecuencia de su conmutación. Por lo tanto, aquí es necesario tener en cuenta el consumo de energía promedio con la tasa de repetición máxima permitida de los pulsos de conmutación y un ciclo de trabajo de dos. Al determinar esta potencia, se realiza un promedio durante todo el período de conmutación del circuito.
Los elementos lógicos también se caracterizan por el número de fuentes de alimentación utilizadas y los valores de tensión de alimentación, así como por la polaridad y el nivel de las señales de entrada y salida.
1.2.3 Circuitos básicos elementos lógicos
De toda la variedad de diseño de circuitos y diseño tecnológico de circuitos digitales, dos tipos principales son los más extendidos: los circuitos TTL y MOS.
1.2.3.1 Circuitos integrados TTL básicos
La característica principal de los elementos TTL es el uso de transistores multiemisor (MET), que implementan la función "Y". Los circuitos TTL integrados básicos implementan la función NAND y tienen dos tipos de salidas: con carga en el colector del transistor de salida VT4 (R3, VT3, VD) y con colector abierto. Ambas opciones se muestran en las Figuras 1.5 y 1.6.
Figura 1.5 - Circuito integrado TTL básico con carga en el colector del transistor de salida
Figura 1.6 - Circuito integrado TTL de colector abierto básico
En el circuito de la Figura 1.5, se implementa un inversor complejo en los transistores VT2-VT4, realizando la operación "NO", lo que permitió garantizar una alta capacidad de carga, suficiente velocidad e inmunidad al ruido del circuito. Además, en el circuito de salida no pasa corriente a través del circuito de +5V a través del cable común R3 – VT3 – VD – VT4 – porque En cualquier estado, uno de los transistores VT3 o VT4 está cerrado.
El circuito de la Figura 1.6 con colector abierto le permite tener muchas salidas en paralelo, lo que aumenta la capacidad de carga del circuito.
Consideremos el principio de funcionamiento del circuito TTL básico (Figura 1.5) para dos casos, correspondientes varios conjuntos señales de entrada.
Caso 1. Si todas las entradas de MET VT1 reciben voltajes correspondientes al nivel lógico, entonces las uniones del emisor de VT1 están cerradas y la corriente fluye a través de la resistencia R1, la unión del colector abierto a la base del transistor VT2, abriéndola. . Ahora la corriente fluye a través de la resistencia R2, abre VT2 y luego la corriente amplificada del emisor VT2 ingresa a la base del transistor inversor de salida VT4, abriéndolo hasta la saturación, conectando así la salida al cable común, y el voltaje en la salida Y será corresponden al nivel cero lógico. En este caso, el transistor VT3 estará cerrado, porque su potencial base no excederá 1V, lo que no es suficiente para abrir VT3.
En realidad:
UbVT3 = UbeVT4 + UkeVT2 = 0,7 + 0,3 = 1V;
UеVT3 = UеVT4 + UVD = 0,3 + 0,7 = 1V.
UеVT3 = UеVT3 – UеVT3 = 1 – 1 = 0.
Caso 2. Si aparece un voltaje de entrada correspondiente a un nivel cero lógico en al menos una entrada del MET VT1, entonces se abrirá la correspondiente transición base-emisor VT1, el MET entrará en estado de saturación y el potencial de su colector se convertirá en cerca de cero.
Más precisamente, si asumimos que el cero lógico no excede los 0,3 V y la caída de voltaje a través de la unión abierta base-emisor VT1 es de 0,7 V, entonces el potencial de base de VT1 no será más de 0,3 + 0,7 = 1 V. En consecuencia, VT2 se cerrará y VT4 se cerrará, porque para abrirlos necesitas 0,7V y más 0,7V para abrir la unión base-colector VT1. Entonces, para abrir la cadena VT2 - VT4, es necesario que en la base de VT1 haya al menos 0,7 + 0,7 + 0,7 = 2,1V, lo que corresponde al primer caso.
El transistor VT3 se abrirá por el siguiente motivo. Porque VT2 está cerrado, entonces no hay corriente a través de R2 y, en consecuencia, hay una caída de voltaje a través de él, por lo que el potencial en el colector de VT2 y, por lo tanto, en la base de VT3, aumentará a 5 V. En la salida del circuito se establecerá un voltaje correspondiente al nivel de una unidad lógica, que se suministra a través de VT3 abierto desde +5V.
Además de los circuitos TTL considerados, se encuentran disponibles circuitos de tres estados para asegurar la colaboración con las líneas troncales (Figura 1.7).
Figura 1.7 - Circuito integrado TTL de tres estados básico
El nombre de estos circuitos puede inducir a error, ya que en realidad no son puertas de tres voltajes. Estos son los circuitos lógicos más comunes que tienen un tercer estado de salida: "abierto". Combinan todas las ventajas de los elementos con resistencia en el circuito de carga y la capacidad de trabajar en un bus común, que tiene un circuito con colector abierto. Los circuitos de tres estados tienen una entrada de puerta separada C (generalmente designada CS (Chip Select)), con la ayuda de la cual (cuando se le aplica un cero lógico) se pueden configurar en el tercer estado, independientemente de en qué señales actúen. las entradas lógicas El tercer estado se caracteriza por el hecho de que ambos transistores VT3 y VT4 están cerrados y la salida no está conectada ni a +5V ni al cable común.
Debido a sus características mejoradas, se suelen utilizar como conductores de autobuses en lugar de circuitos de colector abierto. En este caso, no es necesario instalar una resistencia de carga.
1.2.3.2 Circuitos lógicos basados en transistores MOS
Actualmente se producen varios tipos de circuitos lógicos basados en transistores MOS. La peculiaridad de los circuitos integrados basados en estructuras MOS es que no hay resistencias en estos circuitos y el papel de las resistencias no lineales lo desempeñan los transistores conectados adecuadamente. Tienen una gran capacidad de carga e inmunidad al ruido y ocupan poca superficie en la superficie del chip; son tecnológicamente avanzados y económicos. Los MOSFET son similares en principio a los tubos de vacío, ya que están controlados por voltaje en lugar de corriente.
Los circuitos basados en transistores MOS son aún más lentos que los circuitos basados en transistores bipolares, lo que se explica por las capacitancias bastante significativas que se forman entre la puerta, la fuente, el drenaje y el sustrato del transistor MOS, que requieren un cierto tiempo para recargarse.
Los más utilizados son los circuitos CMOS (circuitos MOS complementarios), en los que se utilizan juntos transistores de canal p y de canal p.
Las ventajas de los circuitos basados en transistores CMOS son el bajo consumo de energía, el alto rendimiento y una mayor inmunidad al ruido. La base de todos los circuitos lógicos CMOS es el inversor CMOS (Figura 1.8).
Figura 1.8 - Inversor CMOS
Aquí el transistor inferior tiene un canal tipo n, el superior tiene un canal tipo p. Las puertas de ambos transistores se combinan y se les aplica un voltaje de control. Los sustratos están conectados a las fuentes. Cuando se recibe un voltaje de alto nivel (lógico) en la entrada, se abre un transistor con un canal tipo n (inferior) y se cierra un transistor con un canal tipo p (superior). La salida es una señal lógica cero.
Por el contrario, cuando se aplica a la entrada una tensión correspondiente a un nivel cero lógico, el transistor superior se abre y el inferior se cierra. La salida es una señal lógica.
En la Figura 1.9 se muestra un circuito que implementa la función NOR.
Figura 1.9 - Circuito CMOS NOR
Cuando se recibe un voltaje correspondiente a un nivel lógico en la entrada A, el transistor VT4 se abre y VT1 se cierra, como resultado de lo cual el voltaje de salida corresponderá a un nivel lógico cero. Cuando se aplica un voltaje correspondiente a un nivel cero lógico a las entradas A y B, los transistores VT3 y VT4 se cierran y VT1 y VT2 se abren. En este caso, el voltaje de salida corresponderá al nivel lógico (es decir, cercano al voltaje E).
El circuito que implementa la función NAND se muestra en la Figura 1.10.
Figura 1.10 - Circuito CMOS NAND
Las desventajas de la tecnología CMOS incluyen el hecho de que es imposible lograr la misma alta densidad de empaquetado que con la tecnología MOS debido a cierta redundancia de transistores. Sin embargo, los circuitos CMOS no hacen fluir corriente constantemente, lo que reduce significativamente el consumo de energía en modo estático. En modo dinámico, el consumo de energía aumenta debido a la recarga de las capacidades entre electrodos de los transistores y la apertura simultánea de todos los transistores en el momento de la conmutación, es decir, el consumo de energía de dichos circuitos aumenta al aumentar la frecuencia de conmutación.
1.3 Leyes básicas del álgebra lógica
En el álgebra de la lógica se aceptan las siguientes leyes básicas:
Conmutativo (propiedades conmutativas)
x1 V x2 = x2V x1
x1 x2 = x2 x1
Conjuntivo (propiedades de asociatividad)
x1 V (x2 V x 3) = (x1 V x2) V x 3
x1 (x2 x 3) = (x1 x2) x 3
Distributivo (propiedades distributivas)
x1 V x2 x 3 = (x1 V x2) (x1 V x3)
x1 (x2 V x 3) = x1 x2 V x1 x3
Ley de inversión (regla de de Morgan)
Ley de vinculación
Las leyes conmutativa y combinacional se encuentran en el álgebra ordinaria y están fuera de toda duda.
No existe una ley distributiva para la multiplicación ni la ley de inversión en el álgebra ordinaria. La prueba de estas leyes se puede realizar compilando tablas de verdad para los lados derecho e izquierdo de las ecuaciones que describen una ley particular.
La ley de inversión se puede utilizar para pasar de una disyunción a una conjunción y viceversa. Entonces, por ejemplo, si aplicamos inversión a las partes izquierda y derecha de expresiones que reflejan la ley de inversión, obtenemos 
, y más 
. Esta transformación puede ser necesaria al diseñar un circuito lógico para la transición a una base NAND.
En la ley de pegado, cada par de productos elementales que se combinan se diferencia en una sola variable (x2), que entra en el primer producto sin negación y en el segundo con negación. Estos productos elementales se denominan vecinos. La ley de pegado se aplica a los productos vecinos, como resultado de lo cual el número de productos sumados y el número de variables disminuyen en uno. La única variable que permanece es la que permanece sin cambios.
1.4 Formas normales disyuntivas
Para escribir la misma función de álgebra lógica, puedes usar muchas varias formas. Las formas que representan sumas de productos elementales se llaman disyuntivas. formas normales(Abandono).
Un producto elemental es un producto en el que los factores son sólo variables individuales o sus negaciones.
Obviamente, la misma función puede estar representada por muchos DNF diferentes. Sin embargo, existen tipos de DNF en los que la función se puede escribir de forma única. Estas formas se denominan formas normales disyuntivas perfectas (PDNF). SDNF se define como la suma de productos elementales en los que todas las variables están presentes, con o sin negación.
La regla para escribir una función SDNF según su tabla de verdad:
Para todas las combinaciones de variables de entrada que convierten la función en una, escriba productos elementales, invirtiendo las variables que son iguales a cero en una combinación dada, y conecte todos los productos elementales resultantes con signos de suma lógica.
Veamos un ejemplo. Sea la función especificada mediante una tabla de verdad (Tabla 1.4). Es necesario escribir la función SDNF utilizando su tabla de verdad.
Tabla 1.4- Tabla de verdad
| x2 | x1 | x0 | F(x2,x1,x0) |
| 0 | 0 | 0 | 0 |
| 0 | 0 | 1 | 1 |
| 0 | 1 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 0 | 1 |
| 1 | 0 | 1 | 1 |
| 1 | 1 | 0 | 0 |
| 1 | 1 | 1 | 0 |
La tabla de verdad de dicha función contiene tres filas en las que la función es igual a uno. Cada una de estas líneas corresponde a una combinación específica de variables de entrada, a saber: 001, 100 y 101.
Apliquemos la regla de registro SDNF a la función presentada en la Tabla 1.4 y obtengamos tres productos elementales correspondientes a las combinaciones de entrada. Conectando estos productos con signos de suma lógica, llegamos al SDNF:
F(x2, x1, x0) = .
1.5 Minimización de funciones lógicas
SDNF no siempre es la expresión más simple de una función. Transformaciones idénticas permiten simplificar (minimizar) significativamente las expresiones de funciones lógicas. Cada función lógica se implementa utilizando un conjunto específico de dispositivos. Cuantos menos elementos contenga una expresión, más esquema más simple, implementando la función lógica correspondiente. Por lo tanto, es de considerable interés considerar métodos para minimizar funciones lógicas.
Existen métodos de minimización analíticos y tabulares.
1.5.1 Métodos analíticos
El más común es el método de transformaciones de identidad directa. Este método consiste en aplicación consistente a una determinada fórmula para las leyes y reglas de transformaciones idénticas del álgebra de la lógica.
el método de transformaciones directas no se presta a una algoritmización clara. Las acciones utilizadas en la implementación de este método están determinadas por el tipo de expresión original que se convierte, las calificaciones del intérprete y otros factores subjetivos. La ausencia de dicha algoritmización aumenta significativamente la probabilidad de errores y la posibilidad de obtener una fórmula minimizada de forma incompleta.
El método de transformaciones directas es más adecuado para fórmulas simples cuando la secuencia de transformaciones es obvia para el ejecutante. Muy a menudo, este método se utiliza para la minimización final de expresiones obtenidas después de minimizarlas mediante otros métodos.
El deseo de algorítmicamente la búsqueda de productos elementales vecinos llevó al desarrollo de métodos tabulares para minimizar funciones lógicas. Uno de ellos es un método basado en el uso de mapas de Karnaugh.
1.5.2 Uso de mapas de Karnaugh
Un mapa de Karnaugh es una representación gráfica de la tabla de verdad de funciones lógicas.
Es una tabla que contiene 2n celdas rectangulares, donde n es el número de variables lógicas. Por ejemplo, un mapa de Karnaugh para una función de cuatro variables tiene 24 = 16 celdas. A continuación se muestra la estructura de los mapas de Karnaugh para funciones de dos y tres variables.
Figura 1.11 - Tabla de verdad (a) y estructura de los mapas de Carnaugh (b) para una función de dos variables
Figura 1.12- Tabla de verdad (a) y estructura de mapas de Carnaugh (b) para una función de tres variables
El mapa está marcado con un sistema de coordenadas correspondiente a los valores de las variables de entrada. Por ejemplo, la línea superior del mapa para una función de tres variables corresponde al valor cero de la variable x1, y la línea inferior corresponde a su valor unitario. Cada columna de este mapa se caracteriza por los valores de dos variables: x2 y x3. La combinación de números que marcan cada columna muestra para qué valores de las variables x2 y x3 se calcula la función colocada en las celdas de esta columna.
Si está en el conjunto especificado función variable es igual a uno, entonces su SDNF contiene necesariamente un producto elemental que toma el valor unitario en este conjunto. Así, las celdas del mapa de Carnot que representan una función contienen tantas unidades como productos elementales contenidos en su SDNF, y cada unidad corresponde a uno de los productos elementales.
Observemos que las coordenadas de las filas y columnas del mapa de Carnaugh no siguen el orden natural de los códigos binarios crecientes, sino el orden 00, 01, 11, 10. El cambio en el orden de los conjuntos se realiza de modo que los conjuntos vecinos son adyacentes, es decir. diferían en el valor de una sola variable. Las celdas en las que la función toma valores iguales a uno se rellenan con unos. Las celdas restantes están llenas de ceros.
Consideremos el proceso de minimización usando el ejemplo presentado en la Figura 1.13.
Primero, formamos rectángulos que contienen 2k celdas, donde k es un número entero. Las celdas vecinas que corresponden a productos elementales adyacentes se combinan en rectángulos.
Figura 1.13-Tabla de verdad (a) y mapa de Carnaugh (b)
Por ejemplo, en la figura 1.13b, se combinan celdas con coordenadas 001 y 101. Cuando se combinan estas celdas, se forma un rectángulo en el que la variable x1 cambia su valor. En consecuencia, desaparecerá al pegar los productos elementales correspondientes y solo quedarán x2 y x3, y tomamos la variable x2 en forma inversa, porque es igual a 0.
Las celdas ubicadas en la primera fila (Figura 1.13,b) contienen unidades y son adyacentes. Por lo tanto, todos se combinan en un rectángulo que contiene 22 = 4 celdas.
Las variables x2 y x3 dentro del rectángulo cambian su valor; por tanto, desaparecerán del producto elemental resultante. La variable x1 permanece sin cambios e igual a cero. Así, el producto elemental obtenido al combinar las celdas de la primera fila de la Figura 1.13.6 contiene sólo un x1, que tomamos en forma inversa, porque es igual a 0. Esto, en particular, se desprende del hecho de que las cuatro celdas de la primera fila corresponden a la suma de cuatro productos elementales:
La función correspondiente a la Figura 1.6 tiene la forma:
El conjunto de rectángulos que cubren todas las unidades se llama cobertura. Tenga en cuenta que la misma celda (por ejemplo, celda con coordenadas 001) se puede cubrir dos o más veces.
Entonces, podemos sacar las siguientes conclusiones:
1. La fórmula resultante de minimizar una función lógica utilizando mapas de Carnaugh contiene la suma de tantos productos elementales como rectángulos hay en la cobertura.
2. Cuantas más celdas haya en un rectángulo, menos variables habrá en el producto elemental correspondiente.
Por ejemplo, para el mapa de Carnot que se muestra en la figura 1.14a, un rectángulo que contiene cuatro celdas corresponde a un producto elemental de dos variables, y un cuadrado que consta de una sola celda corresponde a un producto elemental que incluye las cuatro variables.
Figura 1.14-Mapas de Carnaugh para funciones de cuatro variables
La función correspondiente a la cobertura mostrada en la Figura 1.14, a, tiene la forma:
A pesar de que los mapas de Carnot están representados en un plano, la vecindad de los cuadrados se establece en la superficie del toroide. Los límites superior e inferior del mapa de Carnaugh parecen estar "pegados", formando la superficie de un cilindro. Al pegar los límites laterales se obtiene una superficie toroidal. Siguiendo el razonamiento anterior, establecemos que las celdas con coordenadas 1011 y 0011, que se muestran en la Figura 1.14, b, son adyacentes y se combinan en un rectángulo. De hecho, las celdas indicadas corresponden a la suma de productos elementales.
Las cuatro celdas unitarias restantes se combinan de la misma manera. Como resultado de su combinación obtenemos un producto elemental. Finalmente, la función correspondiente a la cobertura que se muestra en la Figura 1.14, b, tiene la forma
El mapa de Karnaugh, que se muestra en la Figura 1.7, c, contiene celdas individuales ubicadas en las esquinas. Las cuatro celdas son adyacentes y, cuando se combinan, darán el producto elemental.
Los ejemplos discutidos anteriormente nos permiten formular:
La secuencia de minimizar funciones lógicas usando mapas de Karnaugh.
1. Se muestra una tabla para n variables y se marcan sus lados.
2. Las celdas de la tabla correspondientes a conjuntos de variables que convierten la función en uno se llenan con unos, las celdas restantes se llenan con ceros.
3. Seleccionado mejor cobertura tablas con rectángulos regulares, que delineamos. Cada rectángulo debe tener 2n celdas.
4. Las mismas celdas con unidades pueden incluirse en diferentes contornos.
5. El número de rectángulos debe ser mínimo y el área de los rectángulos debe ser máxima.
6. Para cada rectángulo, anotamos el producto de solo aquellas variables que no cambian su valor. Si esta variable es igual a cero, entonces se escribe en forma inversa.
7. Conectamos los productos resultantes con un signo de suma lógica.
Cuando se utilizan códigos BCD, los dígitos decimales se representan mediante cuatro dígitos binarios. De las 16 combinaciones de códigos posibles, solo se utilizan 10 y las combinaciones restantes están prohibidas y nunca pueden ocurrir. Si alguna función tiene conjuntos de variables prohibidos, entonces sus valores en los conjuntos especificados no están definidos y están marcados con una X en la tabla de verdad.
Las funciones binarias cuyos valores no están definidos para todos los conjuntos de variables de entrada se denominan definidas de forma incompleta.
Al minimizar una función incompletamente definida, se debe definir más, es decir, los valores inciertos de las celdas del mapa de Karnaugh se deben reemplazar arbitrariamente con unos o ceros. Es recomendable elegir la opción en la que la fórmula de la función minimizada sea la más sencilla.
1.6 Síntesis de circuitos lógicos combinacionales
La síntesis es el proceso de obtención de un circuito funcional que realiza una función lógica determinada.
El proceso de desarrollo de circuitos lógicos implica la siguiente secuencia de acciones:
1) De la tabla de verdad pasamos al mapa de Carnaugh
2) Realizamos la minimización y obtenemos una expresión lógica minimizada de la función dada (ver 1.5.2)
3) Transformar la expresión lógica resultante a la base Y-NO usando la ley de inversión
Veamos un ejemplo. Construir una estructura lógica, dado por la mesa verdad que se muestra en la Figura 1.15 a.
Figura 1. Tabla de 15 verdades (a) y mapa de Carnaugh (b)
1) Vaya al mapa de Carnaugh y dibuje contornos rectangulares alrededor de las celdas adyacentes con unidades, como se muestra en la Figura 1. 15 b.
2) Usando los contornos que se muestran en el mapa de Karnaugh, obtenemos la siguiente expresión lógica
3) Transformar la expresión lógica resultante a la base Y-NO
4) Construir una estructura lógica
Figura 1.16 - Estructura lógica que implementa la función especificada por la tabla de verdad en la Figura 1.15 a
2 DIAGRAMAS DE COMBINACIÓN
2.1 Fundamentos
Al conectar elementos lógicos, se forman dispositivos cuyos circuitos se denominan lógicos. Hay circuitos combinacionales y secuenciales.
Los circuitos combinacionales implementan funciones cuyos valores en un momento dado están determinados únicamente por el conjunto de valores de las variables de entrada en el mismo momento y no dependen de los valores anteriores de las variables de entrada.
Se acostumbra decir acerca de tales esquemas que no tienen la propiedad de la memoria (la prehistoria no afecta el resultado de la transformación). Tenga en cuenta que cada elemento lógico real tiene un cierto tiempo de retardo para los cambios en la señal de salida en relación con la entrada. Los circuitos combinacionales más importantes incluyen los siguientes dispositivos:
decodificadores,
cifradores,
demultiplexores,
multiplexores,
Sumadores.
2.2 Decodificadores
Un decodificador (decodificador) es un dispositivo que convierte un código posicional de n bits en un código unitario de m bits, es decir que contiene sólo un uno o cero.
El decodificador tiene n entradas y m (m ≤ 2n) salidas. En los símbolos gráficos, los decodificadores se designan como DC (del inglés decoder).
La Figura 2.1 muestra una designación gráfica convencional (UGO) y una tabla del funcionamiento de un decodificador de dos entradas (2: 4).
| Entradas | Salidas | ||||
| x1 | x0 | 0 | 1 | 2 | 3 |
| 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 0 | 1 | 0 | 0 |
| 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 |
| 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 |
Figura 2.1 - Símbolo gráfico y tabla de funcionamiento de un decodificador de dos entradas (2: 4).
De la tabla de funcionamiento de un decodificador de dos entradas se deduce que el número de la salida activa en la que está presente una unidad coincide con el código binario en las entradas, si se presenta como un número decimal. Por ejemplo, 012 = 110, 102 = 210, 112 = 310.
Construyamos un circuito decodificador de dos entradas, para el cual escribimos las funciones de cada salida usando la tabla de verdad y la regla de registro SDNF (ver 1.4): Salida 0 -, Salida 1 -, Salida 2 -, Salida 3 -. Con base en las expresiones lógicas obtenidas, obtenemos el circuito presentado en la Figura 2.2.
Figura 2.2-Esquema de un decodificador de dos entradas (2:4)
2.3 Encriptadores
Un codificador es un dispositivo que tiene m entradas yn salidas (m ≤ 2n) y convierte un código unitario de m bits en un código posicional de n bits.
En los símbolos gráficos, los codificadores se designan como CD.
El objetivo de los codificadores es convertir señales de entrada individuales en combinaciones de códigos correspondientes en las salidas, que se determinan mediante el método de codificación correspondiente de las señales de entrada. Cada entrada del codificador corresponde únicamente a uno de los posibles conjuntos de variables de salida. La combinación de código correspondiente aparece en las salidas del codificador si y sólo cuando aparece una única señal en su entrada que está asociada con una combinación de salida determinada.
Las entradas del codificador están numeradas de tal manera que la aparición de una única señal en la i-ésima entrada conduce a la aparición de un conjunto de salida, que es el número i escrito en sistema binario cálculo. La Figura 2.3 muestra el diagrama funcional y la tabla de verdad de un codificador de ocho entradas.
| Entradas | Salidas | |||||||||
| X0 | X1 | X2 | X3 | X4 | X5 | X6 | X7 | U2 | U1 | U0 |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 | 1 |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 | 1 | 0 |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 1 | 0 | 1 |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 |
| 0 | 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 |
| 0 | 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 0 |
| 0 | 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 |
| 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
Figura 2.3 - Diagrama funcional y tabla de verdad de un codificador de ocho entradas.
2.4 Demultiplexores
Un demultiplexor es un dispositivo en el que las señales de una entrada de información se distribuyen en la secuencia deseada entre varias salidas.
En los símbolos gráficos, los demultiplexores se denominan DMX. La Figura 2.3 muestra un símbolo gráfico convencional y una tabla del funcionamiento del demultiplexor.
| DIRECCIÓN | Salidas | ||||
| A1 | A0 | 0 | 1 | 2 | 3 |
| 0 | 0 | incógnita | 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 0 | incógnita | 0 | 0 |
| 1 | 0 | 0 | 0 | incógnita | 0 |
| 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | incógnita |
Figura 2.4-UGO y tabla de funcionamiento del demultiplexor 1:4
Aquí, la entrada x es una entrada de información, las entradas A0 A1 son direccionables, cuyo código determina cuál de las salidas generará señales que repiten x. El principio de determinar el número de salida por combinación de direcciones es el mismo que el del decodificador. Con t entradas direccionables, el demultiplexor puede tener hasta 2 m de salidas, según el diseño.
Si el demultiplexor 1:4 mantiene el potencial U1 (lógico) en la entrada de información x, entonces funcionará como un decodificador 2:4, cuyas entradas serán A0 y A1. Así, entre el decodificador y el demultiplexor no hay diferencia fundamental, y la diferencia se reduce al tipo de señales en la entrada x: si cambian con el tiempo, es un demultiplexor, si no, es un decodificador. Los decodificadores a menudo no tienen esta entrada y las señales de salida en la salida activa tienen un valor preconocido. Esto lo confirma el circuito demultiplexor, que se presenta en la Figura 2.5.
Figura 2.5 - Circuito demultiplexor 1:4
De hecho, si x = 1, entonces todas las puertas & están abiertas y las señales de salida repiten exactamente las señales del decodificador incluido en el demultiplexor. Para un valor arbitrario de la señal x, aparecerá en la salida de la puerta AND que se abre con la señal "1" de la salida del decodificador especificado por el código en las entradas A0 y A1.
2.5 Multiplexores
Un multiplexor es un dispositivo en el que las señales de una de las entradas de información se suministran en la secuencia deseada a una única salida.
En los símbolos gráficos, los multiplexores se denominan MUX. La Figura 2.6 muestra un símbolo y una tabla del funcionamiento de un multiplexor 4:1.
| DIRECCIÓN | Salida | |
| A1 | A0 | F |
| 0 | 0 | Entrada 0 |
| 0 | 1 | Entrada 1 |
| 1 | 0 | Entrada 2 |
| 1 | 1 | Entrada 3 |
Figura 2.6 - Símbolo gráfico y tabla de funcionamiento de un multiplexor 4:1
Aquí, las entradas 0,1,2,3 son entradas de información, A0 y A1 son entradas de direcciones, cuyo código determina de qué señales de entrada se tomarán para transmitirlas a la salida F. El principio de determinar el número de entrada mediante combinación de direcciones es el mismo que el del decodificador y el demultiplexor. Con t entradas direccionables, el multiplexor puede tener hasta 2 m de entradas, según el diseño. El circuito de un multiplexor de cuatro entradas (4:1) se muestra en la Figura 2.7.
Figura 2.7- Circuito multiplexor 4:1
Del diagrama se desprende que una de las señales de entrada pasa a través de la puerta AND, que se abre mediante la señal "1" de la salida del decodificador, especificada por el código en las entradas A0 y A1. En las salidas del resto de elementos Y, en este momento hay señales “0”, que no interfieren con el paso de información desde la entrada seleccionada a través del elemento O hasta la salida.
Se puede utilizar un multiplexor con t entradas de direcciones para implementar una función lógica arbitraria a partir de t argumentos.
La implementación de la función requerida se realiza sobre la base de su tabla de verdad. Los valores de los conjuntos de argumentos se especifican en las entradas de direcciones. Y sus entradas de información están conectadas a las fuentes de señal "0" y "1" de tal manera que la entrada, que está conectada a la salida en cada uno de los conjuntos de entradas, contiene un valor de señal que corresponde a la tabla de verdad. Como ejemplo, la Figura 2.8 muestra un diagrama de conexión de multiplexor para implementar la función que se muestra en la tabla de verdad.
Figura 2.8 - Uso de un multiplexor para implementar una función lógica determinada
Los decodificadores y demultiplexores, diseñados como microcircuitos con un grado medio de integración, se utilizan ampliamente en la tecnología de la información y la medición. Al igual que los multiplexores, suelen utilizarse en combinación con contadores y registros. Sirven como conmutadores-distribuidores de señales de información y pulsos de reloj, para demultiplexar datos y organizar la lógica de direcciones en dispositivos de almacenamiento operativos y permanentes, así como para convertir el código decimal binario en decimal con el fin de controlar los dispositivos indicadores y de impresión. El número de salidas y la distribución de señales en ellas están determinados por la naturaleza de la carga esperada.
Los decodificadores para trabajar con lámparas indicadoras de descarga de gas tienen transistores de alto voltaje en la salida y una disposición de salida "uno de cada diez". Los microcircuitos que funcionan con indicadores de siete segmentos (semiconductores, incandescentes, vacío) tienen siete salidas y una distribución adecuada de señales para cada combinación de señales de entrada.
Los demultiplexores-descifradores como productos independientes tienen 4; 8 o 16 salidas. Si el número requerido de salidas excede las capacidades de un chip, se agregan demultiplexores (decodificadores) al sistema. En este sentido no existe ninguna diferencia fundamental con los multiplexores.
Por ejemplo, considere el IC K561KP1, que contiene dos multiplexores de cuatro entradas. El microcircuito tiene dos entradas de dirección 1 y 2, comunes a ambos multiplexores, entrada general puerta S, entradas de información X0 - XZ del primer multiplexor, entradas U0 - USO del segundo multiplexor. En la Figura 2.9 se muestran dos versiones de la imagen KP1.
.
Figura 2.9 - Diagrama funcional y designación gráfica simbólica del microcircuito K561KP1
Cuando se aplica un código de dirección binario a las entradas 1 y 2 y una señal "0" a la entrada S, las salidas de los multiplexores se conectan a entradas cuyos números corresponden al equivalente decimal del código de dirección. Si hay una señal "1" en la entrada S, las salidas de los multiplexores se desconectan de las entradas y pasan a un estado de alta impedancia (tercer). Conexión de entradas La señal transmitida a través del multiplexor puede ser analógica o digital; puede transmitirse tanto de las entradas a la salida (el microcircuito funciona en modo multiplexor) como de la salida distribuida a las entradas (modo demultiplexor);
El chip desmultiplexor-decodificador K155IDZ (Figura 2.10) tiene cuatro entradas de dirección 1, 2, 4, 8, dos entradas de puerta inversa S, combinadas por AND, y 16 salidas 0-15. Si ambas entradas de compuerta tienen un registro. 0, en la salida cuyo número corresponde al equivalente decimal del código de entrada (la entrada 1 es el dígito menos significativo, la entrada 8 es el más significativo), habrá un registro. 0, en otras salidas - log. 1. Si al menos una de las entradas de activación S registra. 1, entonces, independientemente de los estados de las entradas, se forma un registro en todas las salidas del microcircuito. 1.
Figura 2.10-Designación gráfica simbólica del decodificador-demultiplexor K155IDZ
La presencia de dos entradas de activación amplía significativamente las posibilidades de utilizar microcircuitos. A partir de dos microcircuitos IDZ, complementados con un inversor, se puede montar un decodificador con 32 salidas (Figura 2.11).
Figura 2.11 - Decodificador para 32 salidas basado en el chip K155IDZ
2.6 Dispositivos aritméticos
2.6.1 Información general
Los dispositivos combinacionales discutidos hasta ahora realizan funciones lógicas. Para describir su comportamiento se utiliza el aparato del álgebra lógica. Las señales de entrada y salida de nivel alto y bajo se evalúan como 1 lógico y 0 lógico, respectivamente.
La tecnología discreta también opera con otra clase de dispositivos, cuyo propósito es realizar operaciones aritméticas con números binarios: suma, resta, multiplicación, división. Los dispositivos aritméticos también incluyen nodos que realizan operaciones aritméticas especiales, como identificar la paridad de números dados (determinar la paridad) y comparar dos números.
La peculiaridad de los dispositivos aritméticos es que a las señales no se les asignan valores lógicos, sino aritméticos 1 y 0, y las acciones sobre ellas están sujetas a las leyes. aritmética binaria. Aunque los dispositivos aritméticos funcionan con valores numéricos, también es conveniente utilizar tablas de verdad para describir su funcionamiento. Los dispositivos aritméticos se utilizan ampliamente en computadoras digitales y, con bastante frecuencia, en equipos de medición de información.
La más importante de las operaciones aritméticas es la suma (suma). Además de su finalidad directa, también se utiliza en otras operaciones: la resta es una suma en la que el sustraendo se introduce al revés o código adicional, y la multiplicación y la división son sumas y restas secuenciales.
Un sumador es una unidad funcional que realiza una operación. suma aritmética números.
En los dispositivos de tecnología discreta, la suma se realiza en código binario o, menos comúnmente, binario decimal. Según la naturaleza de su acción, los sumadores se dividen en dos categorías: - combinacionales: como todos los nodos considerados anteriormente que no tienen elementos de memoria; - acumulativo: guardar los resultados de los cálculos.
A su vez, cada uno de los sumadores que opera con sumandos multibit, dependiendo del método de procesamiento de los números, se puede clasificar en de tipo serie o paralelo.
Tanto los sumadores en serie como en paralelo se construyen sobre la base de circuitos sumadores de un solo bit. La suma de números en sumadores secuenciales se realiza bit a bit, secuencialmente en el tiempo. En los sumadores paralelos, la suma de todos los dígitos de números de varios dígitos se produce simultáneamente.
En lo que sigue sólo hablaremos de sumadores combinacionales.
2.6.2 Medio sumador
El elemento sumador más simple es un medio sumador. El origen de este término quedará claro a lo largo de la presentación. Uno de los dispositivos de suma más simples es un medio sumador, cuyo UGO y tabla de verdad se muestran en la Figura 2.12.
| Entradas | Salidas | ||
| A | EN | R | S |
Figura 2.12-UGO y tabla de verdad del semisumador
El medio sumador se designa con las letras HS (media suma). El semisumador tiene dos entradas A y B para dos términos y dos salidas: S (suma) y P (llevado).
La estructura lógica del semisumador se construye sobre la base de una tabla de verdad, de la cual se deduce que el funcionamiento del semisumador se describe mediante las siguientes ecuaciones:
La expresión de la salida S, así como la columna S de la tabla de verdad, coincide completamente con la tabla de verdad de la puerta OR exclusiva. Esta circunstancia explica por qué la operación “OR exclusiva” se llama suma módulo 2. La estructura lógica de un semisumador en forma general y expandida se muestra en la Figura 2.13.
Figura 2.13 - Estructura lógica de un semisumador en forma general y expandida
2.6.3 Sumador completo
El procedimiento para sumar dos números binarios de n bits se puede representar de la siguiente manera (Figura 2.14).
Figura 2.14-Suma de dos números de n bits
La suma de los dígitos menos significativos A1 y B1 produce el bit de suma S1 y el bit de acarreo P1. En el siguiente (segundo) dígito, se suman los números P1, A2 y B2, lo que forma la suma S2 y el acarreo P2. La operación dura hasta que se suma cada par de dígitos en todos los dígitos, el resultado de la suma será el número S = Pn Sn ... S1, donde Pi y Si representan 1 o 0 obtenidos como resultado de la suma bit a bit. El semisumador tiene dos entradas y, por lo tanto, es adecuado para su uso sólo en el dígito menos significativo.
Un dispositivo para sumar dos números de varios dígitos debe tener, a partir del segundo dígito, tres entradas: dos para los términos Ai y Bi y uno para la señal de transferencia Pi-1 del dígito anterior. Este nodo se llama sumador completo, cuyo UGO y cuya tabla de verdad se presentan en la Figura 2.15.
| Entradas | Salidas | |||
| Pi-1 | A | EN | Pi | S |
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 0 | 0 | 1 | 0 | 1 |
| 0 | 1 | 0 | 0 | 1 |
| 0 | 1 | 1 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 0 | 0 | 1 |
| 1 | 0 | 1 | 1 | 0 |
| 1 | 1 | 0 | 1 | 0 |
| 1 | 1 | 1 | 1 | 1 |
Figura 2.15-UGO y tabla de verdad del sumador completo
Usando la tabla de verdad podemos obtener las siguientes expresiones funciones de salida , . Estas expresiones le permiten construir la estructura lógica del sumador completo, que se presenta en la Figura 2.16.
Figura 2.16 - Estructura lógica de un sumador completo
2.6.4 Sumador multibit
Para construir un sumador multibit, se utilizan un medio sumador y un sumador completo de un solo bit, discutidos anteriormente. Las conexiones que se muestran en la Figura 2.17 se realizan de acuerdo con el algoritmo presentado en la Figura 2.14.
Figura 2.17-Sumador multibit (tres bits)
3 DISPOSITIVOS DE DISPARO
3.1 Conceptos básicos
Junto a los dispositivos combinables, existen elementos con memoria. Los más simples son los desencadenantes.
Un disparador es un elemento lógico que puede estar en uno de dos estados estables: 0 o 1.
La transición a cada estado posterior generalmente depende no solo de los valores actuales de las señales de entrada, sino también del estado anterior del flip-flop. La información sobre el estado anterior proveniente de las salidas de disparo, junto con señales externas, controla su funcionamiento. Por tanto, los flip-flops son dispositivos con conexiones lógicas de retroalimentación.
Una función lógica que establece la dependencia del estado al que pasa el disparador desde el estado actual cuando se expone a señales de control dadas se llama función de transición flip-flop. Las funciones de transición se especifican mediante fórmulas lógicas o en forma de tablas.
Dependiendo de la lógica de funcionamiento, los disparadores se dividen en los siguientes tipos principales RS, D, T y JK.
Dependiendo del método de registro de información, los desencadenantes se dividen en asíncronos y sincrónicos. Los flip-flops asíncronos pasan a un nuevo estado inmediatamente después de que se suministran las señales de control, mientras que los síncronos requieren para ello el suministro de una señal de sincronización a la entrada de sincronización C.
3.2 flip-flop RS asíncrono
Un flip-flop RS asíncrono sirve como elemento de memoria principal en disparadores de cualquier tipo. Se puede construir tanto sobre elementos AND-NO como OR-NO. Ambos métodos y sus símbolos gráficos se presentan en la Figura 3.1.
Figura 3.1 - Implementaciones de un flip-flop RS asíncrono basado en elementos AND-NOT y NOR-NOT y sus símbolos gráficos
El disparador RS tiene dos entradas: una entrada de instalación S (del inglés Set: instalación) y una entrada de reinicio R (del inglés Reset: reset).
Las señales de salida Q y , determinan el estado del flip-flop.
Si Q = 0, entonces el disparador está en el estado cero, si Q = 1, entonces en el estado unitario.
La Figura 3.2 contiene tablas de transición que reflejan el orden de operación del flip-flop RS en los elementos AND-NOT y NOR-NOT, respectivamente.
| qn | Qn+1 | Modo de funcionamiento | ||
| 0 | 0 | 0 | incógnita | Prohibido |
| 0 | 0 | 1 | incógnita | Prohibido |
| 0 | 1 | 0 | 1 | Instalación |
| 0 | 1 | 1 | 1 | Instalación |
| 1 | 0 | 0 | 0 | Reiniciar |
| 1 | 0 | 1 | 0 | Reiniciar |
| 1 | 1 | 0 | 0 | Almacenamiento |
| 1 | 1 | 1 | 1 | Almacenamiento |
| S | R | q | Qn+1 | Modo de funcionamiento |
| 0 | 0 | 0 | 0 | Almacenamiento |
| 0 | 0 | 1 | 1 | Almacenamiento |
| 0 | 1 | 0 | 0 | Reiniciar |
| 0 | 1 | 1 | 0 | Reiniciar |
| 1 | 0 | 0 | 1 | Instalación |
| 1 | 0 | 1 | 1 | Instalación |
| 1 | 1 | 0 | incógnita | Prohibido |
| 1 | 1 | 1 | incógnita | Prohibido |
Figura 3.2-Tablas de transiciones de un flip-flop RS basadas en elementos AND-NOT (izquierda) y NOR-NOT
En las tablas se utilizan las siguientes notaciones: Qn – estado inicial, Qn+1 – nuevo estado del disparador, x – estado indefinido.
Un disparador de elementos NOR está controlado por señales únicas que llegan a una de sus entradas. Cuando se aplica una sola señal a la entrada R, el disparador se establece en el estado cero (Qn+1 = 0 - modo "reset"), y cuando se recibe la misma señal en la entrada S, se establece en el estado único. estado (Qn+1 = 1).
Está prohibido enviar señales únicas simultáneamente a ambas entradas, porque el estado Qn+1 al que pasa el flip-flop no está definido: los valores lógicos cero de las señales se establecen en las salidas Q. R S = 1 es una combinación prohibida.
Cuando se reciben señales de nivel lógico cero en ambas entradas del disparador, su estado permanece sin cambios (Qn+1= Qn).
El disparador de los elementos NAND está controlado por señales cero, lo que se refleja en su símbolo en forma de entradas inversoras. Un estado prohibido es aquel en el que se aplican señales lógicas cero a ambas entradas.
3.3 Disparadores sincrónicos
3.3.1 Disparador RS
El papel más importante en dispositivos digitales Se reproducen disparadores con entradas de sincronización (reloj) e información (programación). En la Figura 3.3 se presenta una representación gráfica convencional y un diagrama funcional de un disparador RS síncrono.
Figura 3.3 - UGO y diagrama funcional de un disparador RS síncrono
Cambiar el estado del disparador solo es posible si hay una única señal en la entrada de sincronización C. Cuando la señal C es cero, la información en las entradas de control R y S no se percibe y el disparador conserva su estado anterior durante cualquier valores de las señales en las entradas de control R y S. La combinación prohibida es R S C = 1.
Además de los flip-flops RS síncronos, se utilizan tres tipos más de flip-flops: tipos D, T y JK.
3.3.2 Gatillo D
El símbolo gráfico y el diagrama funcional del flip-flop D se muestran en la Figura 3.4.
Figura 3.4-Símbolo y diagrama funcional del flip-flop D
Lógica de funcionamiento del disparador D: después del final del siguiente pulso de sincronización, el disparador acepta el estado de la señal en su entrada de información D. Por lo tanto, el disparador D se denomina disparador de retardo (del inglés Delay - retardo).
3.3.3 Gatillo en T
El flip-flop T tiene sólo una entrada de reloj y ninguna entrada de información. El símbolo gráfico de un disparador en T se muestra en la Figura 3.5.
Figura 3.5 - Símbolo gráfico del gatillo en T
La lógica del T-flip-flop: cuando se aplica cada pulso de reloj, cambia su estado al opuesto.
Es el elemento principal de los divisores de frecuencia, aunque no se produce por separado. Sin embargo, este flip-flop se puede implementar fácilmente usando un flip-flop D, como se muestra en la Figura 3.6.
Figura 3.6 - Implementación de un disparador T basado en un disparador D
3.3.4 flip-flop JK
El símbolo gráfico de un disparador JK se muestra en la Figura 3.7.
Figura 3.7 - Símbolo gráfico del disparador JK
El funcionamiento de un flip-flop JK se ilustra mediante la tabla de transición de un flip-flop RS con entradas directas, que se muestra en la Figura 3.2. Además, la entrada S corresponde a la entrada J y la entrada R corresponde a la entrada K.
De la tabla se deduce que el disparador JK no cambia su estado cuando se expone a un pulso de reloj si J = K = 0. A diferencia del disparador RS, las señales J = K = 1 no están prohibidas y provocan un cambio en el estado del disparador. al contrario, es decir. el gatillo funciona como un gatillo en T.
Si J = 1 y K = 0, entonces el pulso de reloj pone el disparador en el estado único (Qn+1= 1), y si J = 0 y K = 1, pone el disparador en el estado cero (Qn+1 = 0). El disparador no cambia su estado si la señal de reloj C = 0.
Un flip-flop T se puede implementar fácilmente desde un flip-flop JK combinando las entradas de control J y K, como se muestra en la Figura 3.8. El flip-flop JK es versátil porque se puede convertir fácilmente en flip-flop RS y T.
Figura 3.8-Esquema para activar un disparador JK en modo de disparador T
3.3.5 Disparadores sincrónicos de dos etapas
3.3.5.1 Gatillo R-S tipo push-pull tipo M-S
Una característica de los disparadores discutidos anteriormente es que si, durante la acción de un pulso de reloj, se produce incluso un cambio de señal a corto plazo en las entradas de información de un disparador sincrónico, lo que lleva a un cambio en el estado del disparador, esto inmediatamente afectar su producción. Los disparadores sincrónicos de dos etapas, que se denominan disparadores MS (del inglés Master - Slave: Master - Slave), funcionan de manera algo diferente. Estos flip-flops constan de dos elementos de memoria conectados como, por ejemplo, se muestra en la Figura 3.9. Este disparador tiene dos entradas de sincronización C1 y C2. La grabación se realiza aplicando secuencialmente dos señales de sincronización, primero a la entrada C1 y luego a C2. Por lo tanto, dicho disparador se llama push-pull.
Figura 3.9 - Gatillo push-pull R-S tipo M-S
Sin embargo, controlar un gatillo push-pull requiere un circuito de control más complejo. Por lo tanto, se utilizan flip-flops de ciclo único de dos etapas, que se construyen utilizando diversas técnicas de circuito para retrasar la conmutación del segundo flip-flop.
3.3.5.2 Disparadores de dos etapas de un solo extremo
La estructura de dos etapas del disparador se muestra en el símbolo en forma de dos letras T, como se muestra en la Figura 3.10.
Figura 3.10 - Símbolo de disparadores de dos etapas
También se dice que los desencadenantes de dos etapas están controlados por impulsos. De hecho, por ciclo completo Para operar un disparador de dos etapas, se requieren dos flancos de la señal de reloj.
La Figura 3.11 muestra un flip-flop RS con conexiones de inhibición y la Figura 3.12 con un inversor.
Figura 3.11 - Flip-flop RS de un solo extremo de tipo M-S con conexiones inhibidoras
Figura 3.12 - Gatillo R-S de un solo extremo tipo M-S con inversor
disparador de registro de circuito lógico
El flanco anterior del pulso del reloj escribe información determinada por el nivel de señales en las entradas de información del disparador en el primer elemento de memoria, llamado elemento de control (M). La disminución del pulso del reloj hace que la información se reescriba desde el elemento de control al elemento controlado (S). Una vez finalizado el pulso de reloj, no se perciben cambios en la información en las entradas R y S del disparador de control. El proceso de grabación se ilustra en la Figura 3.13.
Figura 3.13 - Diagrama de tiempos del proceso de escritura en un flip-flop R-S de ciclo único del tipo M-S
Las líneas de puntos en las Figuras 3.11 y 3.12 muestran comentarios, convirtiendo el flip-flop RS en un disparador en T, cuyos diagramas de tiempo se muestran en la Figura 3.14.
Figura 3.14 - Diagramas de tiempo del funcionamiento del disparador en T
Los flip-flops síncronos de dos etapas están disponibles como circuitos integrados separados. La Figura 3.15 muestra los símbolos gráficos de los tipos de CI 155TM2 y 155TV1.
155TM2 155TV1
Figura 3.15 - Símbolos gráficos de los tipos de IC 155TM2 y 155TV1
IC 155TM2 contiene dos flip-flops D síncronos controlados por el flanco anterior del pulso de reloj. Los disparadores tienen entradas de control internas R y S que operan independientemente de las señales de reloj.
El disparador JK síncrono 155TB1, que se muestra en la Figura 3.15, también tiene control independiente sobre las entradas S y R. El disparador está sincronizado por la caída del pulso y tiene tres entradas de información J y K. Las entradas del mismo nombre se combinan en él de acuerdo con el circuito Y.
Normalmente, en series de circuitos integrados producidos por la industria, los flip-flops D se conmutan mediante el flanco de un pulso y los flip-flops JK se conmutan mediante un pulso.
Tenga en cuenta que los flip-flops síncronos de dos etapas responden a cambios en las señales de información durante la acción de los pulsos de reloj. Si antes de la llegada del pulso de reloj las entradas de información tenían un estado en el que el disparador no debía cambiar su estado, y durante la acción del pulso de reloj las entradas de información incluso poco tiempo percibe señales que conducen a un cambio en el estado del disparador, entonces este cambio necesariamente ocurrirá. Por lo tanto, los disparadores considerados deben usarse solo cuando se excluye la posibilidad de cambiar las señales de información durante la acción de un pulso de sincronización.
Los disparadores sincrónicos de dos etapas, conmutados por el flanco o la caída del pulso, funcionan de manera algo diferente. Estos disparadores reaccionan únicamente a señales que están presentes en las entradas de información en el momento del flanco activo o de la caída del impulso de sincronización. En otras ocasiones, las entradas de información del disparador se bloquean y no se perciben las señales que contienen. Por lo tanto, los flip-flops conmutados por el flanco o la caída de un pulso tienen una mayor inmunidad al ruido en comparación con los flip-flops conmutados por un pulso.
4 REGISTROS
4.1 Información general sobre registros
Los registros son dispositivos diseñados para registrar, almacenar, emitir y convertir información presentada en forma de códigos binarios.
Aplicaciones: dispositivos de memoria, elementos de retardo, conversores de código serie a paralelo y viceversa, distribuidores de señal de timbre, etc. Dependiendo de las propiedades funcionales y la implementación del circuito, se dividen en:
Registros de memoria;
Registros de desplazamiento;
Registros universales.
4.2 Registros de memoria
El propósito de los registros de memoria es almacenar código binario durante un período de tiempo. Consisten en un conjunto de flip-flops, cada uno de los cuales almacena un bit de código. Por lo tanto, para almacenar código binario de n bits, el registro debe tener n flip-flops. La estructura y funcionamiento de dicho disparador se ilustra en el diagrama de la Figura 4.1.
Figura 4.1 - Estructura del registro de memoria
El código binario se suministra en paralelo a las entradas X0, X1, X2, después de lo cual se envía un pulso de reloj a la entrada C, que se escribe en el disparador correspondiente.
4.3 Registros de desplazamiento
Un registro de desplazamiento es un grupo de flip-flops conectados de tal manera que la información de cada flip-flop se puede pasar al siguiente, cambiando el código escrito en el registro. Dependiendo de la dirección del cambio, se distinguen los registros:
Con un desplazamiento hacia la derecha (hacia los dígitos inferiores),
Con un desplazamiento hacia la izquierda (hacia los dígitos más significativos),
Reversible (desplazamiento tanto a derecha como a izquierda).
El símbolo gráfico de un registro de desplazamiento a la derecha se muestra en la Figura 4.2. Aquí la flecha muestra la dirección del cambio.
Figura 4.2 - Símbolo gráfico de un registro de desplazamiento
La Figura 4.3 muestra un registro de desplazamiento que consta de flip-flops D conectados en serie, y la Figura 4.4 muestra un diagrama funcional de un registro de desplazamiento basado en flip-flops RS. Una característica importante de los registros de desplazamiento es su ejecución mediante activadores de una estructura MS exclusivamente de dos etapas.
Figura 4.3 - Diagrama funcional de un registro de desplazamiento basado en D-flip-flops
Figura 4.4 - Diagrama funcional de un registro de desplazamiento basado en flip-flops RS
En el flanco anterior del pulso de sincronización C, la información de la entrada se escribe en la parte M del primer disparador, y desde la salida del primero, en la parte M del segundo, del segundo, en el tercero. , etcétera. A medida que el pulso de sincronización C disminuye, la información se reescribe de la parte M a la parte S. Por tanto, la información se desplaza un bit después de cada pulso de reloj.
Un registro de este tipo desplaza los códigos en una dirección. La información recibida en la entrada durante cualquier ciclo de reloj aparecerá en la salida Qn del registro de desplazamiento después de n ciclos de reloj.
En el registro considerado, la información se registra en la entrada mediante un código secuencial (bit a dígito).
4.4 Registros de inversión
Hay registros que pueden desplazar datos en ambas direcciones. Estos registros se denominan reversibles. El principio de construcción de registros reversibles se muestra en el diagrama que se muestra en la Figura 4.5.
Figura 4.5 - Diagrama funcional de un registro inversor basado en D-flip-flops
La dirección del cambio la establece la señal suministrada a la entrada V. Si V = 1, entonces las puertas inferiores y los elementos del circuito 2I-OR están abiertos, cuyas entradas de control reciben una señal "1" y un cambio a la derecha ocurre. Si V=0, entonces las puertas superiores y los elementos del circuito 2I-OR están abiertos, porque la señal de control se les suministra a través del inversor; hay un giro hacia la izquierda.
4.5 Registros de propósito general
A menudo se requieren registros más complejos: con grabación sincrónica paralela de información, reversible, con grabación síncrona en serie paralela. Estos registros se denominan universales.
Un ejemplo de registro universal es un IC del tipo K155IR1, cuyo símbolo gráfico simbólico se muestra en la Figura 4.6.
Figura 4.6 - Designación gráfica del registro universal tipo K155IR1
Se trata de un registro de desplazamiento de cuatro bits con la capacidad de escribir información de forma secuencial y en paralelo. Su diagrama funcional se muestra en la Figura 4.7.
El registro se realiza en cuatro flip-flops RS y tiene dos entradas de temporización CI, C2 y una entrada V2, que controla el modo de funcionamiento del registro. Entrada de información V1 se usa para ingresar datos en un código de serie y las entradas D1-D4 se usan para ingresar datos en un código paralelo.
El registro puede funcionar en cuatro modos diferentes, en los que se realiza lo siguiente: desplazamiento de código hacia la derecha, desplazamiento de código hacia la izquierda, entrada de datos en paralelo, almacenamiento de información. La selección de uno u otro de ellos se realiza aplicando el nivel correspondiente de la señal lógica a la entrada de control V2. Cuando V2 = O, los códigos se desplazan hacia los bits más significativos. Si V2 = 1, entonces se produce un registro paralelo de información en las entradas D1-D4.
Figura 4.7-Diagrama funcional de un registro universal tipo K155IR1
Cuando el registro está operando en el modo de convertir un código de serie a paralelo con un desplazamiento hacia los bits más significativos (V2 = 0), las entradas de grabación en paralelo D1-D4 se desactivan, ingresando datos al registro en la entrada V1 en un Se permite el código de serie y el paso de señales de temporización a través de la entrada C1, así como se establecen conexiones entre la salida de cada bit de orden inferior y la entrada del siguiente de mayor orden. Con cada caída del pulso de reloj en la entrada C1 se realiza un desplazamiento de un bit hacia la derecha. La información en forma de código paralelo de cuatro bits aparecerá en las salidas Q1, Q2, Q3, Q4 después de cuatro ciclos del pulso de entrada.
La entrada de datos en paralelo se produce a través de las entradas D1-D4 en presencia de una señal de control V2=1 con la llegada de la caída del pulso a la entrada C2. En este caso, la entrada de entrada en serie V1 y la entrada de señal de temporización C1 están desactivadas.
Al organizar cambios de código hacia bits de orden inferior, es necesario realizar conexiones externas como se muestra en la Figura 4.8.
Figura 4.8-Esquema conexiones externas desplazarse hacia los dígitos más bajos
La escritura secuencial en el registro se realiza en la entrada D4 con la señal de control V2=1. Los códigos se desplazan hacia la izquierda con cada caída del pulso de reloj C2. La grabación en paralelo cuando se desplazan códigos hacia la izquierda es imposible, ya que los canales de grabación en paralelo se utilizan para transferir datos de bits de orden inferior a bits de orden superior. Tenga en cuenta que en el caso de las conexiones que se muestran en la Figura 4.8, no hay posibilidad de entrada de datos únicamente en paralelo. Es posible cambiar códigos hacia dígitos más altos y, como antes, se lleva a cabo aplicando señales de temporización a la entrada C1 en V2=0. Por lo tanto, el registro de desplazamiento que se muestra en la Figura 4.8 es reversible.
5 CONTADORES
5.1 Información general sobre contadores
Los contadores son dispositivos que cuentan el número de pulsos.
Los contadores se utilizan no solo para contar, sino también para realizar otras operaciones que pueden reducirse a contar pulsos, a saber: convertir el número de pulsos en código específico, división de frecuencia, suma o resta del número de señales, distribución de señales, etc.
El parámetro principal del contador es el coeficiente de conteo (módulo) Ксч.
El coeficiente de conteo es igual al número de estados diferentes del contador. Esta es exactamente la cantidad de pulsos que se necesitan para que el contador vuelva a su estado original. Cuando se utiliza un contador como divisor de frecuencia, la tasa de repetición de los pulsos de salida es menor que la frecuencia de entrada en un factor de 10. El número máximo que puede mostrar el contador es uno menos que Kcch. El elemento principal de los contadores es el gatillo en T. En la práctica, los flip-flops T se derivan de los flip-flops D o JK.
Dependiendo del sentido de conteo se distingue entre sumar, restar e invertir las cuentas.
En un contador sumador, cada señal de conteo aumenta el número registrado en el contador en uno (conteo progresivo); en un contador restador, cada señal de conteo disminuye el contenido del contador en uno (conteo descendente); Contador reversible: puede realizar conteo tanto hacia adelante como hacia atrás.
Las tablas 5.1 y 5.2 muestran la secuencia de cambio de códigos en los contadores de suma y resta, respectivamente.
Tabla 5.1 - Códigos de estado del contador total
| Número de señal | Rango | Número de contador | ||
| Q2 | Q1 | Q0 | ||
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 1 | 0 | 0 | 1 | 1 |
| 2 | 0 | 1 | 0 | 2 |
| 3 | 0 | 1 | 1 | 3 |
| 4 | 1 | 0 | 0 | 4 |
| 5 | 1 | 0 | 1 | 5 |
| 6 | 1 | 1 | 0 | 6 |
| 7 | 1 | 1 | 1 | 7 |
| 8 | 0 | 0 | 0 | 0 |
Tabla 5.2 - Códigos de estado del contador sustractivo
| Número de señal | Rango | Número de contador | ||
| Q2 | Q1 | Q0 | ||
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 1 | 1 | 1 | 1 | 7 |
| 2 | 1 | 1 | 0 | 6 |
| 3 | 1 | 0 | 1 | 5 |
| 4 | 1 | 0 | 0 | 4 |
| 5 | 0 | 1 | 1 | 3 |
| 6 | 0 | 1 | 0 | 2 |
| 7 | 0 | 0 | 1 | 1 |
| 8 | 0 | 0 | 0 | 0 |
Si se selecciona el número decimal 7 (código binario 111) como estado inicial del contador de resta, entonces una secuencia de pulsos de entrada reduce el contenido del contador a 000, después de lo cual se produce un desbordamiento, es decir, un retorno al estado inicial. estado 111.
Si tomamos el número 000 como estado inicial del contador, entonces se muestran los estados de las salidas de los disparadores del contador. número negativo pulsos contados, representados en código complemento a dos.
Dependiendo del método de construcción de los circuitos de transferencia, se distinguen contadores con transferencia secuencial y en paralelo.
5.2 Contadores de acarreo en serie
5.2.1 Totalizador en serie
Como se desprende de la Tabla 5.1, el dígito más bajo Q0 cambia su estado con cada pulso de conteo; el estado de cada dígito subsiguiente cambia si el anterior pasa del estado uno al cero. Si utilizamos T-flip-flops conectados como se muestra en la Figura 5.1, obtendremos exactamente la misma secuencia de cambios en los estados de activación.
Figura 5.1 - Contador de suma en serie
La Figura 5.2 muestra los diagramas de tiempos del contador sumador.
Figura 5.2 - Diagramas de tiempos del funcionamiento del contador sumador
La activación en cascada de n disparadores de este tipo forma un contador con un coeficiente de conteo Ksch = 2n. Es necesario recordar que cada disparador tiene Cc = 2, y cuando se conectan en serie, los coeficientes de conteo se multiplican. La Figura 2 muestra que el período de repetición del pulso después de cada disparo se duplica y después del último excede el período de los pulsos de entrada en un factor de 10. En consecuencia, la frecuencia disminuye el mismo número de veces, es decir se divide por un número igual a Kch. Esta propiedad es la base para utilizar contadores como divisor de frecuencia.
5.2.2 Contador sustractivo en serie
Otra opción para la conmutación secuencial de flip-flops es posible cuando sus entradas están conectadas a las salidas inversas de flip-flops anteriores, como se muestra en la Figura 5.3. Así se obtiene un contador sustractivo binario cuyo cambio de estados se muestra en la Tabla 5.2.
Figura 5.3 - Contador sustractivo en serie
La figura 5.4 muestra los diagramas de tiempos del contador sustractivo.
Figura 5.4 - Diagramas de tiempos del contador sustractivo
Las Figuras 5.1 y 5.3 muestran circuitos de contadores secuenciales binarios, es decir, contadores en los que, cuando cambia el estado de un disparador particular, se excita un disparador posterior y los disparadores cambian sus estados secuencialmente.
Si en una situación dada n desencadenantes deben cambiar de estado, entonces para completar este proceso se necesitarán n intervalos de tiempo correspondientes al tiempo de cambio de estado de cada uno de los desencadenantes. Esta naturaleza secuencial de funcionamiento provoca dos desventajas del contador en serie:
Menor velocidad de conteo en comparación con los contadores paralelos,
Posibilidad de que aparezcan señales falsas en la salida del circuito.
La velocidad de conteo permitida en contadores de ambos tipos está determinada por la velocidad de conmutación máxima de un flip-flop.
Al determinar la velocidad máxima de conteo de un contador secuencial, se debe tener en cuenta el caso más desfavorable de un cambio en el estado de todos los m flip-flops. La duración total del proceso transitorio se puede definir como la suma de los tiempos de retardo de los elementos individuales que conectan los disparadores y los tiempos de respuesta de todos los disparadores. El tiempo máximo encontrado de esta manera para que el contador pase de un estado a otro debe considerarse como límite. Normalmente, el tiempo de transición real es menor que el límite, ya que en una serie de disparadores conectados secuencialmente, este disparador comienza la transición de un estado a otro incluso antes del final del proceso de transición en el elemento que lo excita.
La naturaleza secuencial de las transiciones del disparador del contador es una fuente de señales falsas en sus salidas. Por ejemplo, en un contador que cuenta en código binario de cuatro bits con “escalas” 8421, al pasar del número 710 = 01112 al número 810 = 10002, aparecerá la siguiente secuencia de señales en la salida: 0111 – 0110 – 0100 – 0000 – 1000. Esto significa que al pasar del estado 7 al estado 8, los estados 6 aparecerán en las salidas del contador por un corto tiempo; 4; 0. Estas condiciones adicionales pueden causar operación incorrecta otros dispositivos.
5.3 Contadores de acarreo paralelo
En los contadores paralelos, las señales de sincronización se envían a todos los flip-flops simultáneamente, lo que reduce el tiempo de flujo. procesos transitorios. En este caso, obtenemos un contador paralelo. En la Figura 5.5 se muestra un ejemplo de un circuito contador sumador.
Figura 5.5 - Contador sumador paralelo en flip-flops de TV
Aquí, los pulsos de conteo se suministran simultáneamente a las entradas de sincronización T de todos los flip-flops, y las señales que definen disparadores específicos que cambian su estado con un pulso de entrada dado se envían a las entradas de habilitación V. Si V=1, entonces el disparador funciona como de costumbre, si V=0, entonces está en modo de almacenamiento. El principio de funcionamiento del contador se desprende de la Tabla 1: el disparador cambia su estado cuando llega el siguiente pulso de sincronización, si todos los disparadores anteriores estaban en el estado lógico.
Como disparador en T, puede utilizar un disparador JK universal, por ejemplo IC K155TV1. En la Figura 5.6 se muestra un contador sumador paralelo basado en flip-flops JK.
Figura 5.6 - Contador sumador paralelo en flip-flops JK
Aquí, cada disparador puede estar en sólo dos modos: conteo (modo T-flip-flop) y almacenamiento. En el primer caso, J=K=1, en el segundo – J=K=0. La lógica de funcionamiento corresponde completamente a la descripción del circuito presentado en la Figura 5.5.
5.4 Contadores reversibles
A veces se requieren contadores que permitan contar tanto en dirección directa como inversa, es decir, reversible. El principio de su construcción se basa en el uso de elementos de válvula que permiten organizar el cambio del modo de funcionamiento. Una de las opciones para un contador paralelo reversible en flip-flops de TV se muestra en la Figura 5.7.
Figura 5.7 - Contador paralelo arriba/abajo en chanclas de TV
El cambio de dirección de conteo se logra aplicando una señal de unidad lógica "1" a una de las entradas de control. Si se aplica "1" a la entrada "+1", entonces el modo de suma, si se aplica "-1" a la entrada, entonces el modo de resta. En el primer caso, las puertas AND superiores del circuito estarán abiertas, por lo que las señales de acarreo se tomarán de las salidas directas de los flip-flops; en el segundo caso, las puertas inferiores estarán abiertas y las señales de acarreo estarán abiertas; pasan desde las salidas inversas de los flip-flops.
5.5 Contadores con un factor de conteo arbitrario distinto de 2n
Algunos dispositivos requieren medidores con un factor de conteo distinto de 2n o con un factor de conteo variable. uno de formas posibles su cambio es cambiar estructura lógica circuitos dependiendo de las señales de control del coeficiente de conteo. El significado del cambio es cambiar el número de estados contadores, porque Kch es exactamente igual a este número.
Supongamos que es necesario desarrollar un contador paralelo que cuente módulo 5. El número mínimo de flip-flops que proporciona un coeficiente de conteo de 5 es tres. De hecho, un contador que contiene tres flip-flops puede estar en uno de ocho estados (incluido el estado cero 000). Pero para obtener Ksch =5, es necesario reducir el número de estados en 8-5=3. Se deben desactivar tres estados de contador.
Son posibles las siguientes formas principales de reducir el número de estados:
Instalación del código inicial,
Forzado en el proceso de contar,
Reinicio forzado.
Bajo instalación inicial código significa la entrada preliminar en el contador antes de comenzar a contar un número igual al número de estados redundantes (para Ksch = 5, hay 3). Por lo tanto, el número de pulsos que contará el contador antes de regresar al estado inicial disminuirá en el valor del número ingresado.
Un conteo forzado requiere la introducción de elementos adicionales en el circuito del contador, asegurando que en un momento determinado se ingrese en el contador un número igual al número de estados redundantes. Un ejemplo de construcción de un contador basado en este principio es un contador con Kch = 10, como se muestra en la Figura 5.8.
Figura 5.8 - Contador con conteo forzado con Count = 10
Durante los primeros ocho pulsos, los estados del contador cambian de la manera habitual, como se muestra en la Tabla 5.3.
Tabla 5.3 - Códigos de estado para un contador con conteo forzado con Count = 10
| Número de señal | Rango (peso) | Número de contador | |||
| T3 (8) | Q2 (4) | Q1 (2) | P0(1) | ||
| 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
| 1 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 |
| 2 | 0 | 0 | 1 | 0 | 2 |
| 3 | 0 | 0 | 1 | 1 | 3 |
| 4 | 0 | 1 | 0 | 0 | 4 |
| 5 | 0 | 1 | 0 | 1 | 5 |
| 6 | 0 | 1 | 1 | 0 | 6 |
| 7 | 0 | 1 | 1 | 1 | 7 |
| 8 | 1 | 0 | 0 | 0 | 8 |
| 9a | 1 | 1 | 1 | 0 | 14 |
| 9b | 1 | 1 | 1 | 1 | 15 |
| 10 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 |
Con la llegada del noveno pulso (línea 9a), aparecen tres unos en las entradas del elemento lógico AND, y “0” en su salida, lo que fija los flip-flops Q2 y Q1 en las entradas S, con pesos 4 y 2. , respectivamente. Esto equivale a introducir el número 6 en el contador; este es exactamente el número de estados redundantes en Ksch = 10. Después del final del noveno pulso (línea 9b), Q0 pasa al estado unitario y, como resultado, el contador contiene el número 15 en lugar del número 9. Con el décimo pulso, el contador pasa al estado cero inicial.
El principio de puesta a cero forzada se implementa en el IC K155IE5, que es un contador binario secuencial de cuatro bits con un contador variable dentro de 16. La designación gráfica simbólica del contador K155IE5 se presenta en la Figura 5.9.
Figura 5.9 - Contador con puesta a cero forzada K155IE5
La estructura del contador K155IE5 se muestra en la Figura 5.10.
Figura 5.10 - Estructura de un contador con puesta a cero forzada K155IE5
El contador K155IE5 consta de cuatro flip-flops de conteo basados en flip-flops JK, y contiene dos partes independientes con Count = 2 (entrada C1 y salida Q1) y con Count = 8 (entrada C2 y salidas Q2, Q3, Q4) . Utilizando las conexiones externas Q1 a C2, se puede obtener un contador en serie con Kch = 2 × 8 = 16. Las entradas R1 y R2 se utilizan para restablecer (poner a cero) el contador, lo que ocurrirá si R1 = R2 = 1.
El principio de obtener un coeficiente de conteo arbitrario se basa en el suministro de señales individuales desde las salidas del contador a las entradas de puesta a cero.
Por ejemplo, para obtener Kch=10, primero se determina el número de activadores. Debería haber cuatro de ellos, porque... 24=16, que es más de 10. Se realiza una conexión entre Q1 y C2. Luego escribe el número decimal diez en forma binaria: será Q1=0, Q2=1, Q3=0, Q4=1. Cuando Ksch = 1010, el código de salida máximo corresponde al número 910, y el siguiente número es 010, no 1010. Por lo tanto, conectando las salidas Q2 y Q4, en las que las unidades aparecen simultáneamente después del décimo pulso, con las entradas R1 y R2, conseguimos que el contador se ponga a cero con el décimo impulso, que corresponderá a Kch = 1010. La Figura 5.11 muestra un contador con Ksch=10, construido según el método descrito.
Figura 5.11-Contador con Ksch=10 basado en IC K155IE5
Los microcircuitos K155IE6, K555IE6, KR1533IE6 son un contador ascendente/descendente binario-decimal que funciona en el código 1-2-4-8. Su designación gráfica convencional se presenta en la Figura 5.12.
Figura 5.12-Contadores K155IE6, K555IE6, KR1533IE6
Finalidad de las salidas y entradas de los microcircuitos K155IE6, K555IE6, KR1533IE6:
Las entradas +1 y -1 se utilizan para suministrar impulsos de reloj, +1 para conteo directo y -1 para conteo inverso.
La entrada R se utiliza para establecer el contador en 0,
Entrada L: para registrar información recibida a través de las entradas D1 - D8 en el contador.
Los activadores del contador se establecen en 0 cuando se envía el registro. 1 entrada R, mientras que la entrada L debe tener un registro. 1. Para pregrabar cualquier número del 0 al 9 en el contador, su código debe enviarse a las entradas D1 - D8 (D1 es el dígito menos significativo, D8 es el más significativo), mientras que la entrada R debe tener un registro. 0, y aplique un pulso de polaridad negativa a la entrada L.
El modo de pregrabación se puede utilizar para construir divisores de frecuencia con una relación de división sintonizable. Si no se utiliza este modo, el nivel de registro debe mantenerse constantemente en la entrada L. 1.
El conteo directo se realiza aplicando pulsos de polaridad negativa a la entrada +1, mientras que debe haber un registro en las entradas -1 y L. 1, en la entrada R – log. 0. La conmutación de los activadores del contador se produce de acuerdo con la disminución de los pulsos de entrada, simultáneamente con cada décimo pulso de entrada, se forma un pulso de desbordamiento de salida negativo en la salida >9, que se puede suministrar a la entrada +1 del siguiente microcircuito del contador multibit. . Los niveles en las salidas 1-2-4-8 del contador corresponden al estado actual del contador (en código binario). Durante la cuenta regresiva, los pulsos de entrada se aplican a la entrada -1, los pulsos de salida se eliminan de la salida ≤ 0.
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