Wiadomości wstępne Systemy dwójkowe Reguła algebry Boole’aOperacje logiczneUkłady logiczne Bloki funkcjonalnePrzerzutnikiRejestryLicznikiUkłady komutacyjneMultiplekseryDemultipleksery DekoderKoderPamięci Przetworniki CAPrzetworniki ACProcesoryUkłady TTLUkłady MOS, CMOSBibliografia

-slajdy 3-4-slajdy 5-10-slajdy 11-12-slajd 13-slajdy 14-22-slajd 23-slajdy 23-27-slajdy 28-31-slajdy 32-36-slajd 37-slajdy 37-39-slajdy 40-41-slajdy 42-45-slajd 46-slajdy 47-48-slajd 49-slajdy 50-51-slajdy 52-54-slajdy 55-57-slajdy 58-60-slajd 61

Spis treści

Układem cyfrowym jest nazywany układ elektroniczny służący do przetwarzania informacji cyfrowej, tzn. takiej, w której informacja jest przenoszona przez sposób następowania (sekwencję) standardowych impulsów. Właściwość ta odróżnia sygnał cyfrowy (rys. b) od sygnału analogowego (rys. a), tzn. takiego, w którym informacja jest przenoszona przez płynnie zmieniającą się w czasie wartość sygnału. W przypadku wyróżnienia w układzie cyfrowym dwu poziomów napięć sygnału cyfrowego, poziom o niższym potencjale jest nazywany poziomem zera logicznego (stan ,,0", stan niski, ang. Low Level), natomiast poziom o wyższym potencjale — poziomem jedynki logicznej (stan ,,1", stan wysoki, ang. High Level).

Sygnał analogowy

Sygnał cyfrowy

Spis treści

Przyporządkowanie wartości logicznych poziomom napięcia

Poziom napięcia

Logika

Niski L

Wysoki H

Dodatnia

Ujemna

0 1

1 0

Spis treści

(27)10 = 2*10 + 7*1

(325)10 = 3*100 + 5*1

(3,7)10 = 3*1 + 7*0,1

Liczby zapisuje się za pomocą cyfr i znaków pomocniczych. Powszechnie jest używany system dziesiętny zapisu liczb. Używa się w nim dziesięciu cyfr:0,1,2,...,9; zapisy liczb interpretuje się zgodnie z podanymi przykładowo zależnościami

Spis treści

System dziesiętny jest używany na całym świecie do obliczeń; na nim też opiera się konstrukcja niektórych urządzeń liczących , przede wszystkim mechanicznych (elektromechanicznych), np. liczników (energii elektrycznej , przebytej drogi), arytmometrów i rejestratorów kasowych. Znany jest również rzymski system zapisu liczb; nie stosuje się go do obliczeń i nie wykorzystuje przy konstruowaniu urządzeń liczących. W systemie dziesiętnym zależność między zapisem liczby całkowitej nieujemnej (C k C k-1...C1C0)10 gdzie Ci, i = 0,1,...k są

cyframi (0,1,...9) a jej rozwinięciem dziesiętnym ma postać

Spis treści

Otóż analogiczny wzór obowiązuje przy dowolnej podstawie g numeracji,niekoniecznie równej 10.

gdzie C i są cyframi danego systemu (O, l, ...).

W systemie o podstawie g używa się g cyfr: jeżeli g jest mniejsze bądź równe 10, to stosuje się g kolejnych cyfr systemu dziesiętnego (np. w systemie piątkowym — cyfr O, l, 2, 3 i 4); jeżeli g > 10, to należy użyć dodatkowych symboli

Spis treści

Dwie cyfry O oraz l umożliwiają utworzenie systemu dwójkowego (binarnego). Cyfry dwójkowe nazywa się bitami (ang. binary digit }. W systemie dwójkowym zapis liczby interpretuje się zgodnie ze wzorem

Przykładowo :

(1)2 = 1 * 20 = 1* 1 = (1)10

 (10)2 = 1 * 21 + 0 * 20 = 2 + 0 (2)10

Spis treści

Pewne znaczenie mają także inne systemy. Należy do nich tzw. dwójkowy kod Graya, w którym zapisy dwóch kolejnych liczb różnią się tylko na jednej pozycji (tab.8.5). Kod Graya wykorzystuje się przy konstruowaniu tarcz kodowych i liniałów kodowych służących do cyfrowego pomiaru kąta obrotu i przesunięcia. System dwójkowy ma podstawowe znaczenie przy konstruowaniu elektronicznych układów cyfrowych.

(101)2 = 1 * 22 + 0 * 21 = 1 * 20 = 4 + 0 + 1 = (5)10

 (1001)2 = 1* 23 + 0 * 22 + 0 * 21 + 1 * 20 = 8 + 0 + 0 + 1 = (9)10

Spis treści

Liczbadziesiętna

Kod dwójkowy

8 4 2 1 8 4 2 1

Kod BCD Kod GrayaDla 16 znaków

Kod Graya+3 dla 10znaków

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 11 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 02 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 1 0 1 1 13 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 0 14 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 0 05 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 1 0 06 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 17 0 1 1 1 0 1 1 1 0 1 0 0 1 1 1 18 1 0 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 1 09 1 0 0 1 1 0 0 1 1 1 0 1 1 0 1 0

10 1 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 1 111 1 0 1 1 0 0 0 1 0 0 0 1 1 1 1 012 1 1 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 1 0 1 013 1 1 0 1 0 0 0 1 0 0 1 1 1 0 1 114 1 1 1 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 0 115 1 1 1 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 0 0 Spis treści

Wartości logiczne złożonych zdań logicznych mogą być badane przy pomocy rachunku zwanego algebrą Boole`a, która początkowo została stworzona do celów definiowania i analizy procesów myślowych. Później stała się ona podstawą analizy i projektowaniabinarnych układów cyfrowych. George Boole odkrył, że struktura funkcji logicznej możebyć wyrażona w postaci algebraicznej, w której konjunkcja jest bardzo podobna do zwykłego mnożenia zmiennych, dysjunkcja zaś odpowiada dodawaniu, z tym , że reguła 1+1=2 w zwykłej algebrze musi być zastąpiona regułą 1 v 1=1. Negację wprowadza się jako oddzielną operację. Algebra jest systemem matematycznym, który nie zależy od rodzajów zmiennych; dlatego też nie należy mieszać rachunku zdań z algebrą Boole`a , w której w istocie mamy do czynienia z liczbami. Jednakże takie terminy jak „wartość logiczna’’, ,,prawda’’(=1) ,,fałsz”(=0), ,,funkcja logiczna” „nie” „i”, „lub” itd. są ogólnie przyjęte w technice cyfrowej i mogą być także sporadycznie używane w algebrze Boole`a, jeśli tylko nie prowadzi to do nieporozumień. Zmienna boolowska może przyjmować tylko dwie wartości 0 i 1. Funkcje boolowskie są funkcjami, w których argumenty i same funkcje są zmiennymi boolowskimi.W bardziej ograniczonym sensie algebra Bool`a lub algebra funkcji przełączających operuje zmiennymi i funkcjami boolowskimi rozpatrywanymi łącznie ze zdefiniowanymi na nich operacjami negacji, koniunkcji i dysjunkcji.Oto przykład bardziej szczegółowej algebry(funkcji przełączających) Boole`a.

Spis treści

Spis treści

Operacjami logicznymi posługujemy się w języku potocznym do wyrażania złożonych warunków. Do wyrażania złożonych warunków, oprócz spójników „i” oraz „lub” stosujemy także zaprzeczenie „nie” oraz inne słowa i wyrażenia (np. albo, albo; ani, ani).

Operacje logiczne stosuje się nie tylko w układach logicznych, lecz także w programach komputerowych. Kiedy na sygnały patrzy się jako na zmienne logiczne, to działanie układów cyfrowych można przedstawiać jako wykonywanie operacji logicznych na tych zmiennych. Sygnałom wejściowym odpowiadają zmienne będące argumentami tych operacji, zaś wyjściowym-zmienne będące wynikami. Z tego względu układy cyfrowe nazywa się także układami logicznymi.

Spis treści

Układ logiczny jest to elementarny blok mający jedno lub więcej wejść i jedno lub więcej wyjść. Jest on zwykle projektowany jako standardowa jednostka funkcjonalna. Zadaniem układu logicznego jest przyjmowanie standardowych sygnałów logicznych na swoich wejściach i produkowanie na wyjściach innych, również standardowych sygnałów logicznych

A

B

C

X

Y

Z

Ogólne oznaczenie układu logicznego

Struktura wewnętrzna układu logicznego może zawierać różne rodzaje układów przełączających i sygnały wewnętrzne nie muszą być standaryzowane..Zmienne logiczne(mające wartości 0 lub 1) są oznaczone przez A, B, C..., X, Y, Z.

Spis treści

Istnieją dwa rodzaje układów logicznych: kombinacyjne i sekwencyjne.

Układy kombinacyjne realizują funkcje logiczne; wartość zmiennej wyjściowej zależy w nich wyłącznie od aktualnej kombinacji zmiennych wejściowych. Funktory (bramki) logiczne są układami kombinacyjnymi.

Ogólna postać układu kombinacyjnego

X1

X2

X n

Y1 = f1 (X1,X2,...,Xn )

Y2 = f2 (X1,X2,...,Xn )

Ym = fm (X1,X2,...,Xn )

Ogólny układ kombinacyjny jest blokiem z n niezależnymi wejściami sygnałów logicznych oznaczonych przez X1 , X 2, ..., X n i m

sygnałami wyjściowymi Y1, Y 2,..., Y m

Spis treści

Układy logiczne realizujące funkcje logiczne nazywa się funktorami logicznymi, a potocznie także bramkami logicznymi. Rozróżnia się następujące bramki:

1

Bramka LUB - określenie sumy x v y OR

Napięciowy sygnał wyjściowy tego układu przyjmuje wartość logiczną 1wtedy i tylko wtedy, gdy co najmniej jeden sygnał wejściowy ma wartość odpowiadającą jedynce logicznej.

Układ scalony serii SN7432 bramek LUB

Spis treści

Bramka I –określenie iloczynu x y AND

&

Napięciowy sygnał wyjściowy tego układu przyjmuje wartość logiczną l wtedy i tylko wtedy, gdy wszystkie sygnały wejściowe mają wartości odpowiadające jedynce logicznej.

^

Układ scalony serii SN7408bramek I

Spis treści

Bramka NIE-określenie negacji x

1

Napięciowy sygnał wyjściowy tego układu przyjmuje wartość logiczną A jeśli sygnał wejściowy ma wartość logiczną A

Układ scalony serii SN7405 bramek NIE

Spis treści

Bramka NIE-LUB określenie negacji sumy x y x v y NOR x y

^

1

Napięciowy sygnał wyjściowy tego układu przyjmuje wartość logiczną O wtedy i tylko wtedy, gdy co najmniej l z sygnałów wejściowych ma wartość logiczną l.

Układ scalony serii SN7402 bramek NIE

Spis treści

Bramka NIE-I określenie negacji iloczynu x y x y NAND x y

^

^

Napięciowy sygnał wyjściowy tego układu przyjmuje wartość logiczną O wtedy i tylko wtedy, gdy wszystkie sygnały wejściowe mają wartość logiczną l.

&

Układ scalony serii SN7401 bramek NIE-I

Spis treści

Bramka ALBO określenie różnicy symetrycznej x y ( x y )

( x v y )

^

1

Napięciowy sygnał wyjściowy tego układu przyjmuje wartość logiczną l wtedy i tylko wtedy, gdy jeden sygnał wejściowy ma wartość logiczną l.

Układ scalony serii SN7486bramek ALBO

Spis treści

W układach sekwencyjnych wartość zmiennej wyjściowej zależy nie tylko od aktualnej wartości zmiennych wejściowych, ale i od dotychczasowego ich przebiegu, np.. od tego, jak dawno zmienna wejściowa zmieniała się z 0 na 1 lub od tego, czy dane zmienne wejściowe zmieniły wartość 00 na 11 zgodnie z sekwencją 00 10 11.

A1

A2

Am

A1

A2

Am

Z1

Z2

Z p X 1

X 2

X n

Układ kombinacyjny

Układ kombinacyjny

Ogólny schemat blokowy asynchronicznego układu sekwencyjnego

Spis treści

Przerzutniki

S

R

Q

Q

Q

Q

Przerzutnik statyczny RS

Wejście Wyjście

Zapalające

Gaszące

Wyjścia Q i Q przerzutnika są względem siebie zanegowane: Q może przyjmować jedną z dwu wartości O lub l, przy czym stan wyjść nie ulega zmianie dopóty, dopóki obydwa wejścia mają wartość 0. Jeśli S = l, to Q przyjmuje wartość l i zachowuje ją także wówczas, gdy S powraca do stanu 0. Jeśli R = l, to Q przyjmuje wartość O i podtrzymuje ją także wówczas, gdy R powraca do stanu 0. Jeśli obydwa wejścia mają wartość l, to działanie przerzutnika jest nieokreślone; sytuacji takiej należy unikać.

Symbol

Tablica przejść

Spis treści

Przerzutnik synchroniczny typu D

Przerzutniki

D

C

Q

Q

Q

Q

Sygnał taktujący

Wyjścia Q i Q przerzutników są względem siebie zanegowane. Q może przyjmować jedną z dwu wartości O lub l, przy czym stan wyjść nie ulega zmianie dopóty, dopóki nie występują zmiany sygnałów taktujących. Wejścia sterujące D, S, R, J, K, zwane wejściami przygotowującymi, nie są w stanie zmienić stanu przerzutników przy nieobecności sygnału taktującego. Po pojawieniu się sygnału taktującego następuje przełączenie sygnału wyjściowego z wartości Q n do wartości Q n+1.

Tablica przejść

Symbol

Spis treści

PrzerzutnikiPrzerzutnik synchroniczny typu RS

S

R

Q

Q

Q

Q Q

S

R

Sygnał taktujący

Sn Rn

Qn+1

Qn 0

1

0

1

0

1

0

1

0

1

stan nieokreślony

C

W przerzutniku RS poprzednia wartość Q jest podtrzymywana, jeśli S i R mają wartość 0. Trzeba unikać niezdefiniowanego działania przerzutnika dla jednoczesnej wartości l na wejściach R i S w chwili taktowania. Nie jest jednak zabronione, aby między kolejnymi sygnałami taktującymi obydwa wejścia statyczne miały wartość l. Jeśli S i R są wzajemnie zanegowane, to w chwili taktowania wyjście Q zostanie ustawione wg wartości S.

Tablica przejść

SymbolSpis treści

Przerzutniki

Przerzutnik synchroniczny JK

Sygnał taktujący

J

K

J

K

Q

Q

Q

Q

C

Jn Kn Qn+1

Qn

Qn

0

1

0

1

0

1 0

1

0 1

W przerzutniku, JK, najbardziej uniwersalnym ze wszystkich nie ma zakazanych kombinacji sygnałów sterujących. Jeśli J i K są wzajemnymi negacjami, to w chwili taktowania wyjście zostanie ustawione zgodnie z J, niezależnie od poprzedniej wartości Q. Poprzednia wartość Q jest podtrzymywana jeśli J = Q = 0; jeśli J = K = l, to poprzednia wartość Q zostaje zanegowana (działanie zliczające).

Symbol

Tablica przejść

Spis treści

PrzerzutnikiPrzerzutnik synchroniczny typu T

T

C

Q

Q

Sygnał taktujący

T Q

Q

T Qn Qn+1

0

0

1

1

0

1

0

1

0

1

1

0Przerzutnik T zmienia swój stan na przeciwny za każdym razem, gdy w okresie poprzedzającym synchronizację na wejściu przygotowującym T jest odpowiedni sygnał.

Tablica przejść

Symbol

Spis treści

Rejestr równoległy

Schemat

Symbol

Rejestry

W rejestrze równoległym zarówno wprowadzanie, jak i wyprowadzanie informacji odbywa się równolegle. Rejestr równoległy można przedstawić jako zestaw przerzutników typu D których ani wejścia informacyjne D, ani wyjścia nie są ze sobą połączone. Połączone są jedynie wejścia synchronizujące i ewentualnie asynchroniczne wejścia zerujące (rys. a). Rejestr taki (rys. b) realizuje dwie mikrooperacje: wpisania x do rejestru informacji wejściowej (R: = x) i zerowanie zawartości rejestru (R: = 0).

Spis treści

RejestryW rejestrach szeregowych wejścia i wyjścia informacyjne kolejnych przerzutników wchodzących w skład rejestru są połączone ze sobą tak, że możliwe jest „przepisywanie" zapamiętanych wartości logicznych do sąsiednich przerzutników (mikrooperacja) i w rezultacie „przesuwanie" zapamiętywanego słowa w kolejnych taktach sygnału zegarowego.

Rejestr szeregowy

Spis treści

Konstruowane są rejestry, w których możliwe jest przesuwanie zapamiętanej informacji w obie strony, w lewo i w prawo. Działanie takie można interpretować odpowiednio jako mnożenie lub dzielenie przez dwa (mikrooperacje). W przypadku liczb całkowitych dodatnich zapisanych w systemie dwójkowym możliwość takiej interpretacji jest oczywista.

Rejestry

Słowo zapamiętane

Słowo przesunięte w lewo

Słowo przesunięte w prawo

Wagi

Spis treści

Zapis dziesiętny

Rejestry

22

44

11

11

6 zamiast 22

5 zamiast 5,5

Należy tylko liczyć się z możliwością błędów, jeżeli rejestr jest za krótki oraz z błędami zaokrągleń . W przypadku liczb zapisanych w innych systemach, np. uzupełnienia do dwóch, zachowanie możliwości takiej interpretacji wymaga zazwyczaj dodatkowych zabiegów.

Spis treści

LicznikiLicznikiem nazywany jest sekwencyjny układ cyfrowy służący do zliczania i pamiętania liczby impulsów podawanych w określonym przedziale czasu na jego wejście zliczające.

Schemat blokowy licznika

Oprócz wejścia dla impulsów zliczanych, licznik ma zazwyczaj wejście ustawiające jego stan początkowy asynchronicznie względem impulsów zliczanych lub synchronicznie z nimi. Ustawienie wszystkich przerzutników, wchodzących w skład licznika, w stan O nazywa się zerowaniem.

Spis treści

Liczniki ze względu na długość cyklu można podzielić na:- liczniki o stałej długości cyklu- liczniki o nastawianej długości cyklu

Jeśli liczby reprezentujące zawartość informacyjną licznika wzrastają w trakcie liczenia kolejnych impulsów, to liczniki takie nazywane są licznikami zliczającymi w przód, natomiast jeśli maleją to licznikami zliczającymi wstecz. Liczniki zliczające impulsy zarówno w przód, jak i wstecz określa się jako liczniki dwukierunkowe lub rewersyjne.

Jeśli jako kryterium podziału liczników przyjąć sposób oddziaływania impulsów zliczanych na przerzutniki licznika, to można je sklasyfikować na:-liczniki asynchroniczne -liczniki synchroniczne-liczniki asynchroniczno-synchroniczne W liczniku synchronicznym impulsy zliczane są podawane na wejścia zegarowe wszystkich przerzutników licznika, natomiast w liczniku asynchronicznym oraz asynchroniczno-synchronicznym na jedno lub tylko na niektóre z wejść zegarowych przerzutników, z których zbudowany jest licznik. Podstawowymi parametrami liczników są:— szybkość działania,— czas ustalania ich zawartości.

Schemat logiczny licznika asynchronicznego

Spis treści

Układ kombinacyjny, generujący odpowiednie przeniesienia dla wejść informacyjnych przerzutników, wchodzących w skład licznika synchronicznego, może być zrealizowany w dwojaki sposób, a mianowicie jako układ równoległy lub jako układ szeregowy. Stąd wynika podział liczników synchronicznych na:

- liczniki synchroniczne z przeniesieniami równoległymi

Spis treści

-liczniki synchroniczne z przeniesieniami szeregowymi (ang. Serial Curry lub Ripple Carry).

Najprostszym układem asynchronicznego licznika dwójkowego jest układ szeregowy, tj. szeregowe połączenie dwójek liczących.. Na poniższym rysunku przedstawiony jest schemat logiczny prostego asynchronicznego licznika zbudowanego z trzech dwójek liczących A, B i C, zliczającego w przód w naturalnym kodzie dwójkowym. Wejście liczące każdej dwójki, oprócz pierwszej, jest połączone z wyjściem pozycyjnym Q dwójki poprzedzającej.

Spis treści

Pod wpływem trzeciego impulsu przerzutnik A zmieni stan z O na l. Ta zmiana stanu nie powoduje zmiany stanu przerzutnika B: Czwarty impuls zmieni stan przerzutnika A z l na 0. Zmiana ta powoduje zmianę stanu z l na O przerzutnika B, a ta z kolei zmianę stanu z O na l przerzutnika C. Przed pojawieniem się ósmego impulsu wszystkie przerzutniki licznika są w stanie l. Po ósmym impulsie przerzutnik A zmieni stan z l na 0. Ta zmiana powoduje zmianę stanu z l na O przerzutnika B, a. ta z kolei zmianę stanu z l na O przerzutnika C.

W chwili początkowej wszystkie przerzutniki są w stanie O (A == B = C = 0). Jeśli na wejście licznika, oznaczone na schemacie przez We, zostanie podany impuls, to powoduje on zmianę stanu jego wyjścia A z O na l. Stan przerzutnika B nie ulegnie zmianie, ponieważ na wejściu zegarowym przerzutnika B nie wystąpiła zmiana sygnału z l na 0. Pod wpływem drugiego impulsu przerzutnik A zmieni stan z l na 0. Ta zmiana stanu powoduje zmianę stanu przerzutnika B z O na l.

Dwójkowy licznik asynchroniczny zliczający w przód

Przebiegi czasoweTablica stanówSchemat logiczny

Spis treści

Układy komutacyjne służą do łączenia ze sobą bloków funkcjonalnych i przełączania sygnałów cyfrowych. Są one układami kombinacyjnymi.Do tych układów zalicza się:

Multiplekser l-bitowy: a) schemat uproszczony — zasada budowy; b) symbol

Multipleksery

Multiplekser 1-bitowy

Symbol

-multipleksery-demultipleksery-dekodery-kodery

Spis treści

Z multiplekserów l-bitowych można utworzyć multipleksery n-bitowe, łącząc je w sposób jak pokazano na rysunku. Multipleksery 1-bitowe przełączają tu poszczególne bity słowa n-bitowego; przełączanie wszystkich bitów następuje jednocześnie w taki sam sposób, ponieważ na wejścia adresowe wszystkich multiplekserów l-bitowych jest podany ten sam sygnał (adres).

Multipleksery

Multiplekser n-bitowy

Spis treści

Zwiększenie liczby słów komutowanych można osiągnąć przez połączenie multiplekserów w sposób hierarchiczny, zilustrowany na rys. Liczba pięter tej struktury i zarazem długość słowa adresowego zależy od liczby słów komutowanych. Przy użyciu multiplekserów służących do wybierania jednego z czterech słów, takich jak na rys. b, dwa piętra pozwalają dokonywać wyboru spośród szesnastu słów komutowanych; całkowity adres składa się z czterech bitów. Przy trzech piętrach można już dokonywać wyboru spośród sześćdziesięciu czterech słów komutowanych (górne piętro składałoby się z szesnastu multiplekserów, środkowe z czterech i dolne z jednego); adres miałby sześć bitów (po dwa na piętro).

Multipleksery

Multiplekser o dużej liczbie słów komutowanych

Spis treści

Demulipleksery pełnią rolę odwrotną do multiplekserów, a zatem w zależności od podanego adresu kierują podane słowo danych na jedno z M wyjść danych.

0 1

X

M-1

Y0 Y1 YM-1

A

Symbol demultipleksera

Spis treści

  

 

 

W technice TTL są produkowane demultipleksery o 16 oraz o 4 wyjściach informacyjnych i odpowiednio o 4 i 2 wejściach adresowych.Typowym reprezentantem demultiplekserów scalonych jest układ 154 . Układ ten spełnia funkcję dekodera naturalnego 4-bitowego kodu dwójkowego na kod l z 16 i jest wyposażony w wejścia strobujące G1, i G2 z których jedno może służyć jako wejście informacyjne, a drugie jako wejście strobujące. Słowo adresowe (dekodowane) jest podawane na wejścia A, B, C i D powodując, że jedno z wyjść znajdzie się w stanie niskim, jeśli na obydwu wejściach strobujących jest poziom niski.

Demultiplekser 154

Schemat blokowy

Spis treści

0 1

y

A

M-1

Symbol dekodera

Dekoderem nazywany jest układ kombinacyjny n/m (liczba wejść/liczba wyjść) służący do konwersji kodu innego niż kod pierścieniowy na kod pierścieniowy. Dekoder zmienia liczbęwejściową m-bitową na słowo w kodzie 1 z M. Rolę dekodera może pełnić demultiplekser, na wejście którego podano sygnał 1. W układzie takim jest dekodowany m-bitowy adres. W zależności od adresu na jednym z M wyjść pojawia się jedynka.

Spis treści

Dekodery jednopoziomowe. Obecność dowolnego słowa na równoległych liniach sygnałowych lub w rejestrze może być wykrywana przez układ kombinacyjny zwany dekoderem. Dla prostoty możemy przyjąć, że dostępne są sygnały reprezentujące zmienne pierwotne oraz ich negacje. Dla m zmiennych binarnych istnieje 2m różnych możliwych kombinacji ich wartości, którym są przyporządkowane odpowiednie iloczyny normalne. Łącznie tworzą one sieć kombinacyjną z 2m wyjściami, z których każde daje jako odpowiedź jedynkę logiczną dla szczególnej kombinacji wartości zmiennych wejściowych. Oczywiście, można wykorzystywać tylko część wszystkich możliwych dekoderów.

Dekoder jednopoziomowy

Dekoder jednopoziomowy stosowany jest w systemach cyfrowych.

Spis treści

Dekodery piramidalne. Alternatywnym rozwiązaniem w stosunku do najprostszego dekodera jednopoziomowego jest dekoder piramidalny, zwany także drzewem dekodującym, który jest wielopoziomowym układem kombinacyjnym. Dla n zmiennych pierwotnych wszystkie iloczyny normalne (n— l) zmiennych są łączone z n-tą zmienną na ostatnim poziomie. Na przedostatnim poziomie wszystkie iloczyny normalne (n—2) zmiennych są łączone z (n-l) zmienną itd. Dekoder piramidalny zawiera więcej bramek, lecz mniejszą całkowitą liczbę wejść w stosunku do dekodera jednopoziomowego. Dla małych układów dekoder jednopoziomowy jest prostszy.

Dekoder piramidalny

Dekoder piramidalny

Spis treści

Dekoder matrycowy. Ze wzrostem liczby zmiennych pierwotnych dekoder jednopoziomowy staje się, ze względu na liczbę wejść bramek, niepraktycznie wielki. Często stosowanym układem dekodującym jest wówczas matryca, w której wszystkie bramki wyjściowe mają tylko 2 wejścia. W każdym punkcie przecięcia poziomych i pionowych przewodów matrycy jest włączona jedna bramka. Za pomocą mniejszych dekoderów jest wybierana jedna linia poziomowa i jedna pionowa. Jakkolwiek liczba bramek ciągle jest większa niż w dekoderze jednopoziomowym, to w dużych matrycach całkowita liczba wejść jest znacznie zmniejszona, co umożliwia zredukowanie także liczby użytych elementów. Układ taki nosi nazwę dekodera matrycowego.

Dekoder matrycowy

Spis treści

Koder zamienia słowo w kodzie l z M na słowo w innym kodzie. Układy zamieniające słowo w jednym kodzie na słowo w innym kodzie są nazywane konwerterami kodu.

Przykładem konwertera kodu jest układ 7447, służący do sterowania 7-segmentowego wyświetlacza, takiego jak stosowane w kalkulatorach. Koder ten na podstawie czterobitowego słowa wejściowego przedstawiającego liczby 0:9 generuje siedmiobitowe słowo wyjściowe, którego każdy bit steruje jednym segmentem (kreseczką) wskaźnika cyfrowego. Tablicę zależności przedstawiono na rys. ; poszczególne segmenty oznaczono literami a:g. W systemie TTL są produkowane rozmaite multipleksery, kodery i konwertery kodów.

Tablica zależności dekodera 7447 sterującego wskaźnikiem 7-segmentowym

Spis treści

Pamięci dzieli się na:

-pamięci zapisywalne (pamięci typu zapis-odczyt), których zapisywanie jest równie łatwe jak odczytywanie,

- pamięci stałe (ROM — ang. Read Oniy Memory — pamięć wyłącznie odczytywalna), których zapisywanie jest znacznie trudniejsze niż odczytywanie. Pamięci ROM w układach cyfrowych służą wyłącznie do przechowywania zapisanej wcześniej informacji.

Symbole pamięci

Y — słowo odczytywane,

A — adres, Q(A) — zawartość komórki pamięci o adresie A

Symbol pamięci ROM

Pamięć ROM

Spis treści

Rozróżnia się również : pamięci o dostępie swobodnym (RAM — ang. Pandom Access Memory), które zapewniają jednakowo szybki dostęp do każdej komórki pamięci, oraz pamięci o dostępie sekwencyjnym (szeregowe), z których informacje są wyprowadzane (i doprowadzane) w określonej kolejności, w związku z czym dostęp do konkretnej informacji zależy od miejsca jej umieszczenia oraz od chwili rozpoczęcia operacji odczytu (od oczekiwania na odczyt).

Pamięć RAM

Symbole pamięci

X — słowo zapisywane,

Y — słowo odczytywane,

A — adres, Q(A) — zawartość komórki pamięci o adresie A

Symbol pamięci RAM

W zasadzie nazwa RAM obejmuje pamięci ROM,ale przyjęło się odnosić nazwę RAM wyłączniedo pamięci zapisywalnych.

Spis treści

Poszczególnym bitom liczby zapisanej w rejestrze są przyporządkowane prądy na wejściu wzmacniacza proporcjonalne do wagi bitu, Napięcia wyjściowe odpowiadające poszczególnym bitom są również proporcjonalne do wagi bitu itd. Napięcie wynikowe odpowiadające kombinacji bitów uzyskuje się w układzie sumatora analogowego; jest ono sumą napięć odpowiadających poszczególnym bitom.

Przetwornik cyfrowo-analogowy zasada działania

Przy współpracy urządzeń cyfrowych i analogowych zachodzi konieczność przetwarzania sygnałów cyfrowych na analogowe i analogowych na cyfrowe. Jako najprostszy przetwornik cyfrowo-analogowy (C/A) można traktować przekaźnik sterowany sygnałem cyfrowym.

Spis treści

Schemat funkcjonalny woltomierza cyfrowego napięć stałych

W każdym woltomierzu cyfrowym napięcia stałego można wyróżnić następujące zespoły: układ wejściowy (odpowiedzialny za wybór zakresu i adaptację przetwornika do rodzaju biegunowości mierzonego napięcia U x—

operacje te są wykonywane ręcznie lub automatycznie), przetwornik A/C, dekoder (przetwarzający kod licznika na napięcia potrzebne do wysterowania wskaźnika cyfrowego), wskaźnik oraz układ sterujący (kontrolujący i wymuszający poszczególne stany pracy woltomierza)..

Układ sterujący zeruje przed rozpoczęciem pomiaru licznik w przetworniku A/C, a po zakończeniu cyklu przetwarzania daje sygnał przepisania zawartości licznika do dekodera.

Spis treści

Schemat funkcjonalny przetwornika A/C z bezpośrednim porównaniem równoległym

Do najszybszych przetworników A/C należą przetworniki z bezpośrednim porównaniem. Istnieje kilka odmian takich przetworników. Najszybszymi spośród nich są przetworniki z bezpośrednim porównaniem równoległym. Ich działanie polega na jednoczesnym porównaniu napięcia mierzonego U x ze wszystkimi (2n-1)

poziomami kwantowania i bezpośrednim zakodowaniu wyniku tego porównania w równoważnym słowie n-bitowym. Przetwarzanie składa się więc tylko z jednego kroku i na jego czas trwania składają się czasy odpowiedzi komparatorów i bramki (jednej lub dwóch).

Spis treści

Konstruowane urządzenia cyfrowe charakteryzują się rozmaitymi strukturami. Wielość struktur wynika z różnorodności zadań realizowanych przez układy cyfrowe, a także z pewnej dowolności w projektowaniu układów. Struktura która ma duże znaczenie to struktura z centralnym sterowaniem, w której jest rozdzielone przetwarzanie informacji oraz sterowanie procesem przetwarzania; odpowiednie części urządzenia cyfrowego są nazywane procesorem oraz układem sterowania. W urządzeniu, które zazwyczaj zawiera układy pracujące synchronicznie, wyróżnia się ponadto układ taktujący (zegar).

Struktura urządzeń cyfrowych z centralnym sterowaniem

Spis treści

Procesor zawiera określoną liczbę bloków funkcjonalnych, służących do przetwarzania informacji. Sygnały sterujące wykonywaniem operacji (mikro-operacji) przez poszczególne bloki funkcjonalne są wytwarzane w układzie sterowania zgodnie z algorytmem przetwarzania informacji. Algorytm ten jest szczegółowym przepisem, określającym rodzaj wykonywanych operacji (mikro-operacji), ich kolejność oraz warunki, od których ta kolejność zależy; układ sterowania otrzymuje informacje dotyczące spełnienia tych warunków z procesora (mogą to być także sygnały zewnętrzne, np. z przycisków).

Schemat procesora

Spis treści

Procesor uniwersalny zawiera jednostkę arytmetyczno-logiczną (ALU), elementy pamiętające w postaci zespołu rejestrów lub pamięci RAM oraz układy pomocnicze. Procesor uniwersalny może być zbudowany z bloków funkcjonalnych w średniej skali scalenia. Wytwarza się też procesory uniwersalne jako układy o dużym stopniu scalenia.

Rozróżnia się procesory specjalizowane i uniwersalne.

Procesor specjalizowany dostosowany jest do wykonywania przez urządzenie określonego zadania.

Schemat procesora uniwersalnego

Spis treści

TTL oznacza układy tranzystorowo-tranzystorowe (ang. Transistor--Transistor Logie) i zarazem oznacza powszechnie przyjęty standard układów logicznych. Układy te są najbardziej rozpowszechnione wśród układów małej i średniej skali scalenia.

Charakterystyczną cechą układów TTL jest zastosowanie tranzystorów wieloemiterowych.

Tranzystor wieloemiterowy

Symbol tranzystora

Schemat zastępczy

Spis treści

 

Tranzystor wieloemiterowy może zastąpić wejściowy obwód diodowy układu NAND. Układy TTL mają także inne stopnie wyjściowe, np. układ NAND.

Wejściowy obwód diodowy układu NAND

Schemat układu NAND w technice TTL

Spis treści

Napięcie zasilania podstawowej rodziny układów TTL wynosi 5 V (4,75-5,25 V), pobór mocy jest dość mały, ok. 10mV na bramkę, czasy propagacji są krótkie, ok. 10 ns, obciążalność na ogół N = 10, margines zakłóceń wynosi ok. 0,8 V*. Pewna podatność na zakłócenia jest związana z bardzo dużym „szpilkowym" wzrostem mocy podczas przełączania z O na l lub odwrotnie.Ze względu na szerokie rozpowszechnienie techniki TTL — ważną cechą układów realizowanych w innych technikach jest możliwość sprzęgania ich z układami TTL.

Charakterystyka przejściowa układu NAND w technice TTL

Spis treści

W rodzinach układów bipolarnych istnieje wiele sposobów realizacji bramek logicznych. Natomiast w układach logicznych MOS praktycznie wykorzystuje się tylko jedną zasadę. Zgodnie z podstawowym rodzajem pracy tranzystora unipolarnego jako przełącznika napięciowego jest to logika inwerterowa. Bardzo przydatnym tranzystorem dla zastosowania w przełączniku negującym, ze względu na możliwość bezpośredniego sprzężenia bez potrzeby stosowania impedancji dopasowującej oraz układu przesuwającego poziom sygnału, jest MOSFET normalnie wyłączony.

W logice inwerterowej układ przełączników negujących jest dołączony przez rezystor do źródła napięcia zasilającego. W wersji scalonej natomiast zamiast tego rezystora stosuje się specjalny MOSFET jako generator prądu.

Inwerter z tranzystorami polowymi MOS

Rozwiązanie to jest bardziej ekonomiczne i umożliwia osiągnięcie lepszych charakterystyk elektrycznych.

Spis treści

Układy logiczne MOS są budowane przez szeregowe i równoległe połączenia przełączników negujących. W charakterze przykładu posłużą nam poniższe rysunki na których pokazano układy NAND, NOR. Ze względu na ujemne napięcie zasilające w układach MOS jest przyjęta logika ujemna.

Bramka logiczna z tranzystorami polowymi MOS:

a) NAND

b)NOR (logika ujemna)

Spis treści

Układy CMOS mają korzystne właściwości, odróżniające je od realizowanych w technice PMOS i NMOS:-napięcia zasilające mogą zmieniać się w dużym zakresie (3—16 V);-moc pobierana w stanach spoczynkowych jest znikomo mała, rzędu nanowatów, i bierze się pod uwagę głównie moc traconą podczas przełączania;-odporność na zakłócenia jest bardzo duża;-układy CMOS mogą współpracować z układami TTL i MOS.Układy CMOS wytwarza się w małej, średniej i dużej skali scalenia.

Schemat układu w technice CMOS:

a) NOT

b) NAND

Spis treści

Bibliografia:

Augustyn Chwaleba

Bogdan Moeschke Elektronika Warszawa Wydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne 1998

Grzegorz Płoszajski

Teuvo Kohonen Elementy i Układy Elektronicznych Maszyn Cyfrowych Wydawnictwa Naukowo-Techniczne Warszawa 1975

Jan Pieńkos Układy scalone TTL w systemach cyfrowychJanusz Turczyński Wydawnictwa Komunikacji i Łączności Warszawa 1980

Włodzimierz Sasal Układy scalone serii UCA64/UCY74 Parametry i zastosowania Wydawnictwa Komunikacji i Łączności Warszawa 1990

Spis treści