Импульсные устройства.

Широко применяемыми узлами электронной техники и систем обработки информации являются импульсные устройства, которые мо­гут быть выполнены как на аналоговых, так и на цифровых микро­схемах (МС). Они используются в аналоговых вычислительных маши­нах (АВМ), в блоках управления, ввода и вывода цифровых ЭВМ, в телеметрической, радионавигационной аппаратуре, в системах ав­томатического регулирования и управления.

Импульсные устройства (ИУ) предназначены для формирования и преобразования электрических сигналов, имеющих характер им­пульсов и перепадов напряжений (потенциалов) или тока, а также для управления информацией, предоставленной упомянутыми сигна­лами.

Применение импульсного способа передачи информации обус­ловлено рядом причин: большинство технологических процессов имеют дискретный (тактовый) характер (пуск, останов, срабаты­вание защиты и т.д.), передача информации в виде импульсов поз­воляет снизить потребляемую мощность; повышается помехоустойчи­вость, точность и надежность электронных устройств, т.к. информа­ция передается в виде кодового набора импульсов и существенным является только наличие или отсутствие импульса.

Н аиболее часто применяются импульсы прямоугольной формы (рис.1).

Они характеризуются следующими параметрами:

U_m- амплитуда импульса;

t_И - длительность импульса;

t_П - длительность пауз между импульсами;

Т_П- период повторения импульсов;

f = 1/ Т_П - частота повторения импульсов;

Q = Т_П / t_П - скважность импульсов.

Реальный прямоугольный импульс имеет определенную длитель­ность фронта t_Ф (время нарастания от 0,1 до 0,9 U_m) и среза t_C. Обычно t_Ф и t_C << t_И , поэтому приближенно можно считать t_Ф = t_Ф = 0.

Т.к. прямоугольный импульс представляет перепад низкого и высокого потенциальных уровней, его можно представить измене­нием двоичного числа 0 и 1 или логического уровня Н (низкий) и В (высокий). Для работы с такими дискретными сигналами предназ­начены цифровые интегральные микросхемы (ЦИМС). Основой для их построения являются электронные ключи. Они могут находиться в одном из двух состоянии: В(1) и Н(0). Их действие заключается в переходе из одного состояния в другое под воздействием вход­ных логических сигналов. По функциональному назначению ЦИМС подразделяются на подгруппы: логические элементы (ЛЭ), тригге­ры, одно вибраторы, мультивибраторы, элементы арифметических и дискретных устройств и др. В зависимости от схемотехнической реализации ЦИМС делятся на следующие типы: транзисторной логики (ТЛ), диодно-транзисторной логики (ДТП), транзисторно-транзис­торной логики (ТТЛ), транзисторной логики на МОП-транзисторах (МОП ТЛ). К основным параметрам ЦИМС относятся:

- входное и выходное напряжения логического 0;

- входное и выходное напряжения логической 1;

- время задержки при включении – интервал времени меж­ду входным и выходным импульсами при переходе от к и другие.

Численные значения параметров зависят от типа используемых серий ЦИМС. Например, для серии К155 более 0,4 В, не менее 2,4 В, не более 1,6 мА, не более 0,04 мА.

Д ля анализа и синтеза ЦИМС широко применяется аппарат ал­гебры логики. Основным понятием последней является понятие "высказывание" - некоторое предложение, о котором можно утверж­дать, что оно истинно или ложно. Любое высказывание можно обоз­начить символом Х и считать, что Х=1, если высказывание истинно и Х=0 если высказывание ложно. Логическая переменная - такая величина X, которая может принимать только два значения: 0 или 1. Логическая функция у = f (Х₁, Х₂,…,Х_n) как и ее аргументы (Х₁, Х₂,…,Х_n) может принимать значения 0 или 1. При техничес­кой реализации логических функций логические переменные Х₁, Х₂,…,Х_n отождествляются с входными сигналами логических элемен­тов, а значения функции у = f (Х₁, Х₂,…,Х_n) - с выходными сигналами.

Функция у = f₁ (X), повторяющая значение переменной - тож­дественная, а функция у = f₂ (X), противоположная значениям Х -логическое отрицание (НЕ) f₂(X)= . Она реализуется логическим элементом НЕ (рис.2а), представляющим собой инвертирующий ключ. Дизъюнкция (логическое сложение "ИЛИ") - функция у = f₃ (Х₁, Х₂) = (может также обозначаться у = f₃ (Х₁, Х₂) = X₁ +X₂ истинно, когда истинны или Х₁ или Х₂, или обе переменные. Обозна­чение см. рис.2б).

Конъюнкция (логическое сложение, "И") - у = f₄ (Х₁, Х₂) = X₁  X₂ (может также обозначаться у = f₄ (Х₁, Х₂) = X₁  X₂ истинна только тогда, когда истинны Х₁ и Х₂. Обозначение рис. 2в).

Логические элементы "И" или "ИЛИ" обладают свойством двой­ственности, т.е. один и тот же элемент в зависимости от исполь­зуемой логики (положительной или отрицательной) может выполнять функции либо элемента "И", либо "ИЛИ" т.е. если логический элемент реализует функцию "ИЛИ" при положительной логике, то он одновременно может реализовать функцию "И" при отрицательной ло­гике.

В таблице 1 представлены состояния переключательной функ­ции у = f (Х₁, Х₂) при различных сочетаниях значений логических переменных Х₁ X₂. Эта таблица называется таблицей истинности.

Таблица 1

С остояние функции у = f_K(Х₁, Х₂)

П ереключательная функция у составляется на основании таб­лицы истинности. Например, для функции "И-НЕ" можно сформулиро­вать словесно: "Функция у истинна (равна 1), когда истинны не Х₁ и не Х₂ (1-я строка), или не Х₁ и Х₂ (2-я строка) или Х₁ и не X₂ (3-я строка). Заменив слова не, и, или на соответствующие знаки логических операций получим:

(1)

Если создавать устройство непосредственно реализующее эту функцию, потребуется структура, представленная на рис. 3. Однако эту структуру можно упростить, минимизировав выражение (1) на основе тождеств алгебры логики:

А+А = А (2) АА = А (6) (10)

А+ = 1 (3) А = 0 (7) А+АВ+АС = А (11)

А+0 = А (4) А0 = 0 (8) А+ = А+В (12)

А+1 = 1 (5) А1 = А (9) (13)

(14)

Выносим в выражении ( 1) за скобки и используем тождество (3) и (9):

y =  +  +  = ( + )+  = 1+  ­­= +

Обозначим = А и воспользуемся тождеством (12), (13):

А+  =A+ = + =

Получилось, что выражение (1) реализуется с помощью одного эле­мента И-НЕ. При проектировании логических элементов стремятся использовать ограниченную номенклатуру логических элементов. В частности любое устройство может быть реализовано исключительно на элементах "И-НЕ" (или "ИЛИ/НЕ"). Так операция "НЕ" может быть реализована элементом "И-НЕ", в котором на каждом из входов пе­ременная X. Тогда у =  = . Схема представлена на рис.4а. Операция "ИЛИ" реализуется следующим образом: . Схема устройства - на рис.4б. Операция "И" реализуется: Х₁Х₂ = . Использовано тождество (10). Схема – рис.4в.

Следует отметить, что входной сигнал воспринимается логи­ческим элементом на уровне 0 только в том случае, если протека­ет ток с входа МС во внешнюю цепь. Если к входу ничего не подклю­чено ("висит в воздухе"), нет пути для протекания тока через вход и данное положение воспринимается также, как если бы на вход был подан сигнал 1. Схема внутренних элементов логической ячейки И-НЕ представлена на рис.5.

2. ТРИГГЕРЫ

Триггером называется устройство, имеющее два устойчивых состояния. При отсутствии внешних воздействий триггер может сколь угодно находиться в одном из устойчивых состояний. Вход­ной сигнал может перевести триггер из одного устойчивого состоя­ния в другое. Триггеры могут выполнять функции реле, переключа­телей, элементов памяти. Обычно триггеры имеют один или несколько управляющих входов и два выхода: основной ( Q ) и инверсный ( ).

Триггеры могут быть асинхронными и синхронными (тактируемыми). В асинхронном триггере информация на выходе изменяется од­новременно с изменением входной информации. В синхронных - только в моменты действия тактового (синхронизирующего) импульса. При отсутствии тактового импульса состояние триггера остается неиз­менным несмотря на изменение информации на входе.

Триггеры выполняются на отдельных стандартных (базовых) интегральных логических элементах одной и той же серии. По этому принципу обычно строят RS -триггеры и простые D - триггеры. Более сложные JК- триггеры, Т-триггеры изготовляют в виде от­дельной МС, включающей в себя от одного до четырех отдельных триггеров.

2.1. Асинхронный RS-триггер

Закон функционирования RS -триггера поясняется таблицей истинности (табл.2). S и R - информационные сигналы на входах триггера. Сокращения даны от слов S ( set - установка) и R(reset - сброс). Q_n - выходной логический сигнал до поступ­ления входных сигналов, Q_n+1- то же после воздействия входных сигналов.

Таблица 2

Таблица истинности R-S триггера

При подаче сигнала 1 на вход S(set - установка "вклю­чить") триггер переходит в состояние Q_n+1 = 1. При поступлении 1 на вход R (reset - сброс, "отключить") устанавливается Q_n+1 = 0. Следовательно, триггер является аналогом реле. Наряду с этим он служит элементом памяти, т.е. сохраняет информацию о послед­ней из поступивших команд и при отсутствии новых команд на вхо­дах. При S=R=0 состояние триггера не меняется. Совпадение команд S = R= 1 ("включить" - "отключить") недопустимо. При таком сочетании входных сигналов состояние выхода неопределенно и это сочетание не используется.

На рис.6 приведено обозначение Р-триггера, а на рис.7 временные диаграммы, иллюстрирующие его работу. На рис.8 показа­на реализация RS -триггера на логических элементах И-НЕ. Осо­бенностью триггера являются обратные связи, позволяющие учиты­вать предыдущее состояние.

RS -триггер может иметь инверсные входы и S. Такой триггер запускается переходом информационного сигнала от 1 к 0 (низкий активный уровень).

В ряде серий ЦИМС имеются готовые схемы RS триггеров.

2.2. Синхронный JК – триггер

В отличие от асинхронного триггера, который переключается мгновенно при изменении входного сигнала, синхронный триггер воспринимает информацию только при положительном (от 0 к 1) пе­реходе импульсов на тактовом входе и переходит в новое устойчи­вое состояние в момент среза тактового импульса (триггер является двухступенчатым). Такая особенность позволяет синхронизировать во времени изменение состояния многих ячеек одного устройства тем самым исключая его непредусмотренные состояния. Назначение входов К и J аналогичны R и S (сброс и установка). Микросхема К155ТВ1 представляет собой синхронный JК-триггер с дополни­тельными асинхронными установочными инверсными входами R и S.

Таблица 3

Таблица истинности JК-триггера К155ТВ1

В табл.3 Н - неопределенное (любое) состояние. Информацию можно загружать от входов J и К или задерживать ее только при = = 1. Если = =0 состояние и неопределенное. Из временной диаграммы рис.10 видно, что на интервале времени (отсутствие тактового импульса) информация по входам J и К не воспринимается и состояние триггера не меняется.

2.3. Счетный Т-триггер

Этот триггер получается из JК/триггера путем присоединения J и К входов к потенциалу, соответствующему логической 1 (мож­но оставить их "висящими в воздухе"). Таким образом остался толь­ко один тактовый вход - Т. В момент среза тактового импульса триггер переключается на противоположное состояние. Обозначение Т-триггера приведено на рис. II, а временная диаграмма на рис. 12. Из диаграммы видно, что частота повторения сигнала Q в 2 раза меньше, чем сигнала Т, т.е. Т-триггер делит частоту импульсов на 2. Т-триггер широко применяется в делителях частоты, счетчи­ках и др.

D-триггер

Д - триггер или триггер задержки (delay) передает на вы­ход информацию, поступающую на вход при появлении тактового импульса, поэтому момент смены выходной информации несколько за­держивается относительно момента смены входной информации. Ло­гика работы Д-триггера определяется уравнением Q^t+1=D. Д - триггер помимо тактового входа имеет только один вход Д=J= . Сигнал на входе Д запоминается в момент тактового им­пульса и хранится до следующего тактового импульса. Поэтому Д-триггер является элементом памяти, находит широкое применение в регистрах.

М икросхема К155ТМ2 содержит в корпусе два Д-триггера. Обоз­начение на. рис.1З, таблица истинности - табл.4, временная диаг­рамма - рис. 14.

Таблица 4

Таблица истинности Д-триггера К155ТМ2

Входы и - асинхронные установочные с низ­ким активным уровнем. Сбрасывают состояние триггера независимо от сигнала на тактовом входе. Если состояние = = 0, состоя­ние Q и неопределенно. Информация на выход Q и при на­личии входного Д и тактового С сигнала передается только при = =1. Сигнал Д передается на выходы Q и по фронту так­тового импульса.