Етодические указания для самостоятельной подготовки к занятию.

Повторить материалы об устройств и использовании логических элементов [3,6,9,11,12,15,16,18].

Логические элементы характеризуются такими параметрами.

Основные статические параметры:

– входное напряжение логической единицы (минимальное) (V_IH);

– входное напряжение логического нуля (максимальное) (V_IL);

– выходное напряжение логической единицы (минимальное) (V_OH);

– выходное напряжение логического нуля (максимальное) (V_OL);

– пороговое напряжение элемента U_пор (V_IK);

– напряжение источника питания (указывается номинал, отклонения от номинала, величина пульсации) U_пит (V_CC – для ТТЛ элементов и V_DD – для КМОП элементов);

– выходный ток логической «1» (I_OH);

– выходный ток логического «0» (I_OL);

– входной ток логической «1» (I_IH);

– входной ток логического «0» (I_IL);

– ток потребления I (I_CC);

– диапазон рабочих температур Т_min, Т_max, ºC;

– коэффициент разветвления по выходу К_роз.

Статические параметры логических элементов определяются по статическим характеристикам – передаточной и выходной.

Основные динамические параметры:

– время перехода из состояния логической «1» в состояние логического «0» ;

– время перехода из состояния логического «0» в состояние логической «1» ;

– время задержки включения ;

– время задержки выключения ;

– время задержки распространения сигнала во время включения (TPHL);

– время задержки распространения сигнала во время выключения (TPLH);

– среднее время задержки распространения сигнала .

Во время подготовки к занятию также необходимо повторить вопросы, связанные с методами минимизации ПФ с помощью карт Карно с последующим переходом от минимальных форм представления функций к представлению в разных элементных базисах.

4.3 Контрольные вопросы и задача

1. Привести таблицу истинности логических функций ИЛИ, И, ИЛИ-НЕ, И-НЕ.

2. Опишите передаточную характеристику логического элемента , который выполняет инверсию входного сигнала.

3. Какое назначение диодов на входах ТТЛ элементов ?

4. Объясните, что такое «третье состояние» на выходе логического элемента.

5. Реализуйте функции ИЛИ на элементах И-НЕ.

6. Приведите карты Карно для функций трех, четырех, пяти переменных.

римеры аудиторных задач

Задача 1.На логических элементах микросхем серии SN74LS построить с минимальными аппаратными затратами схему для реализации функции от четырех переменных, функционирование которой отображается в табл.4.1. Рассчитать максимальное время задержки распространения сигнала через полученную схему.

Таблица 4.1 – Таблица значений логической функции

Номер набора входных сигналов	Входные переменные	Значения функции
X4	X3	X2	X1	Y

Решения. Для минимизации аппаратных затрат во время построения схемы, необходимо получить аналитическое выражение для выходного сигнала функции в виде ДДНФ или ДКНФ [9,15]. Для этого за данными из таблицы 4.1 построим карту Карно (рис.4.1)

Рисунок 4.1 – Карта Карно для функции за табл.4.1

Для получения МДНФ выполним операцию «склеивания» соседних единиц на карте Карно и получаем такую функцию:

. (4.1)

Для построения электрической схемы (рис.4.2), реализующей функцию (4.1), необходимо 3 элемента 3И (ИМС SN74LS11, содержащая 3 элемента 3И), 3 элемента 2ИЛИ (ИМС SN74LS32, содержащая 4 элемента 2ИЛИ), 1 элемент 2И (ИМС SN74LS08, содержащая 4 элемента 2И),4 элемента НЕ (ИМС SN74LS04, содержащая 6 элементов НЕ).

На элементах DD4.1, DD4.2, DD4.3 реализован элемент 4ИЛИ, поскольку в серии SN74LS нет ИМС, которая содержит элементы 4ИЛИ.

Определим из справочника [6] среднее время задержки распространения сигнала для использованных в схеме ИМС логических элементов (для ИМС SN74LS08 t_зд.р.ср = 20 нс, для ИМС SN74LS11 t_зд.р.ср = 20 нс, для ИМС SN74LS04 t_зд.р.ср = 15 нс, для ИМС SN74LS32 t_зд.р.ср = 22 нс), для схемы на рис.4.2 находим максимальное время задержки распространения сигнала от входа к выходу: через элементы DD1.1 – DD2.1 – DD4.1 – DD4.2, то есть t_зд= 15+20+22+22=77 нс.

Функцию (4.2) можно реализовать с использованием ЛЭ одного типа: И-НЕ. Для этого необходимо взять двойную инверсию над правой частью формулы (4.1) и применить правила де Моргана, после чего получим:

. (4.2)

В итоге получаем схему, показанную на рис.4.3.

Для построения электрической схемы (рис.4.3), реализующей функцию (4.2), необходимо 2 элемента 4И-НЕ (ИМС SN74LS20, которая содержит 2 элемента 4И-НЕ), 3 элемента 3И-НЕ (ИМС SN74LS10, содержащая 3 элемента 3И-НЕ), 4 элемента 2И-НЕ (ИМС SN74LS00, содержащая 4 элемента 2И-НЕ). Среднее время задержки распространения сигнала для использованных в схеме логических элементов такое: для ИМС SN74LS20 t_зд.р.ср = 15 нс, для ИМС SN74LS00 t_зд.р.ср = 15 нс, для ИМС SN74LS10 t_зд.р.ср = 15 нс. Максимальное время задержки распространения сигнала в схеме на рис.4.3: через элементы DD1.1-DD3.1-DD4.2, то есть t_зд.р.ср = t_{зд.р.ср DD1} + t_{зд.р.ср DD3} + t_{зд.р.ср DD4} = 60 нс.

.

Задача 2.Рассчитать элементы схемы преобразователя уровня на основе «фиксатора потенциалов» [11]: выбрать диод VD, рассчитать значение сопротивлений резисторов R1, R2 , величину напряжения Uд (рис.4.4).

Исходные данные: ЛЭ технологии КМОП, U_питЛЭ = +5 В.

Рисунок 4.4 – Схема “ фиксатора потенциалов”

Решение. Поскольку ЛЭ КМОП-технологии, его входными токами можно пренебречь. Диод рекомендуется выбирать из таких соображений: небольшие значения прямого падения напряжения U_пр и прямого тока I_пр. Например, возьмем диод КД401А, у которого U_пр = 1В при I_пр = 1мА, а U_{обр max} = 75В.

При разомкнутом ключе напряжение на входе ЛЭ (уровень ) обеспечивается резистором R2. Для определения уровня (при замкнутом ключе), воспользуемся эквивалентной схемой:

Рисунок 4.5 – Эквивалентная схема “ фиксатора потенциалов” при замкнутом ключе

Напряжение (точка А на рис.4.6):

.

Исходя из того, что не должно превышать напряжение питания ЛЭ и зная U_д.пр, выберем значение U_д = 4В.

Рассчитаем значение сопротивлений:

,

где

;

.

Пусть R2=3 кОм, тогда R1=8.46 кОм.

Задача 3. Применить ІМС серии SN74 для управления нагрузкой с сопротивлением R_Н = 220 Ом, подключенной к источникам питания:

а) U_пит = +5В.

б) U_пит = +9В.

Решение.

а) Пример схемы включения нагрузки:

Рисунок 4.6 – Подключение нагрузки к логическому элементу, U_пит = 5В

Нагрузка будет включена, когда на выходе ЛЭ будет логический «0». Типичные параметры ЛЭ серии SN74: = 0,4В, = 2,5В, = 16 мА, = 0,4мА.

Для схемы на рис.4.6

.

Поскольку , применить ЛЭ с обычным выходом нельзя, поэтому воспользуемся ЛЭ с повышенной погрузочной способностью, например , элемент 4И-НЕ ИМС SN7440, у которого = 48 мА.

б) поскольку U_пит = +9В , что превышает напряжение питания ИМС серии SN74 (для которой U_пит = +5В), применим ЛЭ «с открытым коллектором», для которого допускается подключение нагрузки к высоковольтному источнику питания, например элемент 2И ІМС SN7417, для которого = 40 мА, а напряжение питания нагрузки не должно превышать +15В (рис.4.7).

Рисунок 4.7 – Подключение нагрузки к логическому элементу

«с открытым коллектором», U_пит = 9В