Понятие комбинационного цифрового устройства, микросхемы комбинационного типа малой степени интеграции. Синтез комбинационного цифрового устройства.

Под комбинационным цифровым устройством (КЦУ) понимают цифровое устройство, обеспечивающее преобразование совокупности N входных цифровых сигналов в М выходных. При этом состояние выходных сигналов в данный момент времени определяется состоянием входных сигналов в этот же момент времени. Иными словами, КЦУ «не помнит» предыстории поступления сигналов на его входы. Правила функционирования КЦУ определяются реализуемыми ими функциями алгебры логики.

Реализация КЦУ предполагает выбор определенных логических элементов из заданного набора и их соединение таким образом, чтобы обеспечивалась зависимость цифровых выходных сигналов от входных с заданными правилами функционирования. При реализации КЦУ широко используются интегральные комбинационные логические микросхемы малой степени интеграции. В настоящее время как в России выпускается широкая номенклатура комбинированных микросхем малой степени интеграции. Перечислим некоторые стандартные буквенные обозначения, записываемые в маркировке микросхем комбинационного типа и определяющие выполняемые ими функции: ЛА обозначает функцию И – НЕ; ЛЕ – функцию ИЛИ – НЕ; ЛИ – функцию И; ЛЛ – функцию ИЛИ; ЛР – функцию И – ИЛИ – НЕ; ЛН – функцию НЕ; ЛП – функцию повторителя. Микросхемы со стандартными выходными электрическими параметрами не сопровождаются в своих условных графических обозначениях какими-либо дополнительными признаками. Если выходы микросхем имеют повышенную нагрузочную способность, то в УГО таких микросхем рядом с соответствующими выводами или группой выводов проставляется знак « ». Часто выходы микросхем ТТЛ – типа выполняются с открытыми коллекторами, о чем свидетельствует обозначение « » в УГО микросхемы. Это позволяет задавать выходные напряжения логической единицы больше стандартных значений при помощи так называемых подтягивающих резистров или иных цепей, подключающих выходы этих микросхем к источнику напряжения необходимого уровня. К таким выводам можно, например, напрямую подключать индикаторы различных типов или осуществлять преобразование уровней ТТЛ в иные.

Отдельно следует отметить класс микросхем, способных принимать третье пассивное Z-состояние или, как его еще называют, высокоимпедансное состояние. Такое состояние характеризуется высоким внутренним сопротивлением входов или выходов, благодаря которому они оказываются как бы отключенными от информационных цепей схемы.

Признаком наличия Z-состояния является символ « » в УГО у соответствующего вывода микросхемы или группы выводов. Такие микросхемы всегда, кроме информационных входов, имеют входы, управляющие состоянием выходов. При подаче на эти входы активного логического уровня выходы микросхемы переключаются в высокоимпедансное состояние.

Как было отмечено ранее, при выборе цифровых микросхем необходимо учитывать возможность согласования энергетических уровней их входных и выходных сигналов. Одним из способов согласования уровней ТТЛ и КМОП является выбор микросхем ТТЛ-типа с открытыми коллекторами и подтягивание уровней с помощью подтягивающих резисторов. Существуют специально разработанные для этих целей микросхемы согласования уровней. Функция согласования логических уровней задается символами ПУ в маркировке микросхемы.

При формировании сигналов ТТЛ- и КМОП- уровней из аналогового сигнала, например из синусоиды, при обработке сигналов в условиях большого уровня помех, а также в генераторах импульсов широкое применение нашли цифровые триггеры Шмитта.

В случаях, когда часть входов многовходовых элементов остается незадействованной, на неиспользуемые входы этих элементов необходимо подавать логические нули или логические единицы в зависимости от логики выполняемой операции. Так, если неиспользуемыми являются отдельные входы элемента И, то, чтобы результат операции не исказился, на них необходимо подавать напряжения логической единицы. Сделать это можно, подключив неиспользуемые входы элемента И через ограничительный резистор к источнику питания. Если неиспользуемыми являются входы элемента ИЛИ, то их необходимо подключить через ограничительный резистор к нулевому потенциалу общего провода, подав на них, таким образом, уровень напряжения логического нуля. Неиспользуемые можно объединять с используемыми. Результаты операций И и ИЛИ в этом случае не изменятся, но входные токи объединенных выводов возрастут. Если же количества входов элемента наоборот недостаточно, то возможно наращивание входов схемы путем пирамидального объединения нескольких элементов. Пример подобных структур, позволяющих на базе двух четырехвходовых элементов осуществлять обработку восьми логических переменных, представлен на рисунке 17.1.

Синтез комбинационного цифрового устройства предусматривает построение структурной схемы устройства, т.е. определение состава необходимых логических элементов и соединений между ними, при которых обеспечивается преобразование входных цифровых сигналов в выходные в соответствии с заданными условиями работы устройства. В процессе синтеза обычно подразумевается необходимость минимизации аппаратных затрат на реализацию устройства.

а б

Рисунок 17.1 – Наращивание входов для схем, реализующих функции И, ИЛИ:

а – функция логического умножения; б – функция логического сложения.

Рассмотрим синтез КЦУ с одним выходом. Последовательность синтеза целесообразно разбить на ряд этапов:

- запись условий функционирования КЦУ в виде таблиц истинности, логической функции, последовательности десятичных чисел и кубического комплекса;

- запись и минимизация СДНФ или СКНФ;

- запись минимизированной структурной формулы и ее преобразование с помощью законов и тождеств алгебры логики в заданном базисе, обычно И – НЕ, ИЛИ – НЕ, И – ИЛИ – НЕ;

- составление структурной схемы КЦУ, т.е. изображение нужных логических элементов и связей между ними.

На практике широко применяются КЦУ, имеющие несколько выходов. При построении цифровых устройств широко применяются не только отдельные логические элементы, но и их комбинации в виде типовых структур, выполненных в виде интегральных микросхем. На входы таких структур могут подаваться информационные логические сигналы и сигналы управления. Последние могут определять порядок передачи информационных входных сигналов на выход, задавать состояние трехуровневых выходов элементов или играть роль сигналов синхронизации. Перейдем к рассмотрению типовых комбинационных устройств.