Компьютерная схемотехника (стр. 8 )

Дешифраторы могут быть неполными (имеющими число выходов Nвых<2m, где m – число входных переменных). Например, такие дешифраторы могут использоваться для преобразования двоично-десятичного кода в код, предназначенный для управления десятичным индикатором (дешифраторы 4х10). На рисунке 9.10 показано условное обозначение дешифратора 4х10 (например, микросхемы К555ИД1 или К564ИД1). Схема имеет активные единичные выходные сигналы.

Рисунок 9.10

9.1.2.1.4 Дешифратор BCD-кода в семисегментный код

Подобное название имеет преобразователь двоично-десятичного (BCD) кода в код семисегментного индикатора десятичных цифр.

9.1.2.1.4.1 Семисегментные индикаторы на светодиодах

Очень распространенным выходным устройством отображения десятичных чисел является семисегментный индикатор. Семь сегментов индикатора обозначены буквами от а до g (рисунок 9.11, а).

Рисунок 9.11

Способ изображения десятичных цифр от 0 до 9 показан на рисунке 9.11,б. Например, если светятся сегменты a, b и c, то на индикаторе появляется десятичная цифра 7. Если светятся все сегменты от a до g, то появляется цифра 8. Существует несколько разновидностей индикаторов: на жидких кристаллах (ЖКИ), накальные (подобен обычным лампам накаливания), светодиодные и т. д.

Основной частью светодиода [18] является диод с плоскостным p-n - переходом. Когда диод включен в прямом направлении, через p-n - переход протекает ток и возникает излучение, которое фокусируется в индикаторе специальной линзой, чтобы его можно было наблюдать в виде загорания определенного сегмента.

Схема включения одного светодиода (сегмента) приведена на рисунке 9.12,а.

Рисунок 9.12

.(9.4.1)

Когда ключ SA1 замкнут, ток от источника Епит=+5В течет через светодиод, вызывая его свечение. Последовательно включенный резистор ограничивает ток до уровня примерно (10…20) мА. Без ограничивающего резистора светодиод может выйти из строя. Обычно на выводах светодиодов при излучении допускается напряжение (UVD. пр) не более (1,7…2) В. Как и всякий диод, светодиод чувствителен к полярности приложенного напряжения. Чтобы он был включен в прямом направлении катод (К) должен быть подключен к отрицательному полюсу источника питания (земле), а анод (А) – к его положительному полюсу.

Устройство семисегментного индикатора на светодиодах показано на рисунке 9.12, б. В каждом сегменте (от а до g) содержится светодиод и фокусирующая линза. Аноды всех светодиодов соединены вместе и подключены с правой стороны индикатора к одному выводу - общему аноду (ОА). Катоды каждого светодиода связаны с внешними выводами, обозначенными a, b, c, ... g. Индикатор (рисунок 9.12, б) относится к семисегментным светодиодным индикаторам с общим анодом. Существуют индикаторы с общим катодом [15].

("61") На рисунке 9.12, в показано управление сегментами индикатора с помощью механических переключателей. При замыкании одного из ключей SA1...SA7 ток от Епит=+5В течет: через выбранный сегмент, ограничительный резистор и замкнутые контакты переключателя – на землю (-Епит). При этом выбранный сегмент будет светиться (излучать). Если, например, мы захотим высветить на индикаторе десятичную цифру 7, то необходимо замкнуть ключи SA1, SA2 и SA3, чтобы излучали сегменты а, b и с. Если хотим высветить цифру 5, необходимо замкнуть ключи SA1, SA3, SA4, SA6 и SA7, которые заземляют катоды сегментов a, c, d, f и g. Следует обратить внимание, что в светодиодном индикаторе с общим анодом для активизации (зажигания) сегментов необходимо подать потенциал земли (логический нуль) на вывод, соответствующий выбранному сегменту.

Для управления работой индикатора на рисунке 9.12, в использовались механические переключатели. Обычно управляющие сигналы формируются интегральными микросхемами, например, дешифратором BCD-кода в семисегментный код.

Ниже показано изображение такого дешифратора на электрических схемах (рисунок 9.13,а) и его подключение к семисегментному светодиодному индикатору с общим анодом (рисунок 9.13,б).

А Б

Рисунок 9.13

В качестве дешифраторов BCD-кода в семисегментный могут использоваться различные микросхемы, приведенные в [4, 15].

Например, ИМС К514ИД2, обозначение которой дано на рисунке 9.13,а, имеет открытые коллекторные выходы и используется совместно с индикаторами, имеющими общий анод. При этом требуется применение внешних резисторов, включаемых между выходами дешифратора и входами индикатора (см. рисунок 9.13,б). Допустимый ток микросхемы дешифратора по каждому выходу составляет 22 мА.

Помимо информационных входов, на которые поступает двоично-десятичный код, индикаторы могут содержать ряд управляющих входов [4, 15, 18], например, для подавления нулей, гашения, контроля свечения, синхронизации и т. д.

9.1.2.2 Мультиплексоры и демультиплексоры

В современных микропроцессорных устройствах управления и однокристальных микроЭВМ широко применяются КЦУ, осуществляющие подключение (коммутирование) выхода одного из параллельно включенных цифровых устройств на общую шину или, наоборот, соединение общей шины с входом одного из нескольких параллельно включенных устройств. Эти функции выполняют устройства, называемые мультиплексорами и демультиплексорами.

9.1.2.2.1 Мультиплексоры

Мультиплексор – это комбинационное цифровое устройство, которое соединяет (коммутирует) один из нескольких информационных входных сигналов с одним общим выходом. Пример обозначения мультиплексора на электрических схемах показан на рисунке 9.14, а.

Устройство содержит восемь информационных входов: D0, D1, ..., D7; три адресных входа: А0, А1, А2 и один синхронизирующий (управляющий) вход V.

Рисунок 9.14 а

В зависимости от комбинации адресных сигналов А0, А1, А2 он обеспечивает коммутацию одного из восьми информационных входных сигналов Di на общий выход F. Нулевой синхросигнал на входе V разрешает передачу информации с выбранного входа на выход. Булево выражение, описывающее функционирование рассматриваемого мультиплексора имеет вид

(9.5)

Пример реализации мультиплексора 4x1.

Мультиплексор можно реализовать с помощью логических элементов заданного базиса. В его структуру можно ввести и более сложные цифровые устройства, например, преобразователь двоичного кода в десятичный (дешифратор).

("62") На рисунке 9.14, б приведен пример реализации мультиплексора с четырьмя информационными входами на ЛЭ базиса И, ИЛИ, НЕ и дешифраторе, а на рисунке 9.14, в показано его функциональное обозначение. Если V=0, то F = 0 независимо от информационных сигналов.

Б

В

Рисунок 9.14

Схема реализует булево выражение

. (9.6)

Существуют мультиплексоры в интегральном исполнении, например, ИМС К555КП2 (рисунок 9.15).

Рисунок 9.15

Мультиплексор КП2 (рисунок 9.15,а) содержит два мультиплексора 4x1 с общими адресными входами. Он состоит из двух частей, каждая из которых содержит четыре информационных канала А1 ... А4 (В1 ... В4); и один выход FА (FВ). Управляющие (адресные) входы V2, V1 являются общими, т. е. сигналы на них оказывают одновременное воздействие на обе части ИМС. Правила работы схемы отражает таблица 9.5.

Таблица 9.5

Стробированые входы С1, С2	Управляющие входы	Выход FA	Выход FB
V2	V1
0	0	0	A1	B1
0	0	1	A2	B2
0	1	0	A3	B3
0	1	1	A4	B4
1	X	X	0	0
Примечание: X – любое значение: 0 или 1

("63") Для увеличения числа каналов объединяют несколько мультиплексоров, используя для этой цели стробированые входы, как это показано на рисунке 9.15, б. Эта схема реализует мультиплексор 8х1 (таблица 9.5.1).

Таблица 9.5.1

№	А2	А1 (V2)	А0 (V1)	F
0	0	0	0	D0
1	0	0	1	D1
2	0	1	0	D2
3	0	1	1	D3
4	1	0	0	D4
5	1	0	1	D5
6	1	1	0	D6
7	1	1	1	D7

("64") 9.1.2.2.2 Демультиплексоры

Демультиплексор – это КЦУ, которое соединяет (коммутирует) общий информационный вход с одним из нескольких выходов в соответствии с заданным кодом на управляющих (адресных) входах. Иными словами, демультиплексоры решают задачи, обратные мультиплексированию. Пример обозначения демультиплексора на электрических схемах показан на рисунке 9.16, a.

Схема имеет четыре информационных выхода и два адресных входа А0 и А1. Булевы выражения, описывающие работу данного демультиплексора, имеют вид:

(9.7)

Такими же выражениями определяется работа дешифратора с синхровходом V (рисунок 9.16, б). Поэтому его можно использовать в качестве демультиплексора, если информационный входной сигнал подавать на вход V.

А Б

Рисунок 9.16

9.1.2.2.3 Мультиплексоры–селекторы (мультиплексоры-демультиплексоры)

Мультиплексоры – селекторы являются двунаправленными, поскольку позволяют коммутировать цифровые и аналоговые сигналы в обоих направлениях, и поэтому могут быть использованы не только в качестве мультиплексора для коммутации одного из входов на выход, но и в качестве селектора (демультиплексора) для коммутации входа на один из выходов.

Ниже показаны: обозначение мультиплексора-селектора (демультиплексора) на электрических схемах (рисунок 9.17, а) и его упрощенная внутренняя структура (рисунок 9.17, б).

Рисунок 9.17

Устройство содержит две группы двунаправленных ключей (К1...К4) и дешифратор. Выходные сигналы дешифратора воздействуют на управляющие входы ключей (Е) и определяют их состояние. При Е=0 ключ закрыт, а при Е=1 – открыт и образует низкоомную цепь распространения сигнала через него. Такой ключ называют аналоговым, поскольку он обеспечивает неискаженную двухстороннюю передачу сигналов. Каждый ключ К имеет два равнозначных вывода, любой из которых может быть входом или выходом. По одному из выводов ключи объединены в две группы FА и FВ, которые образуют выходы мультиплексоров и входы демультиплексоров.

Структуру, представленную на рисунке 9.17, б, имеет микросхема К561(564)КП1, выполненная по КМОП-технологии и содержащая два мультиплексора - селектора, управляемые от общих входов V1, V2 и С (рисунок 9.17, а). При единичном управляющем сигнале на входе С ключи разомкнуты и выходы находятся в 3-м состоянии.

9.1.2.3 Сумматоры и полусумматоры

Сумматор предназначен для сложения двух чисел, заданных в двоичном коде. Из примера, приведенного на рисунке 9.18, видно, что правила сложения десятичных и двоичных чисел одинаковы:

1) сложение производится поразрядно от младшего разряда к старшему;

2) сумма младших разрядов слагаемых А0 и В0 записывается в соответствующей системе счисления однозначным числом S0 либо двухзначным числом P0S0, где Р0 называется переносом из нулевого разряда в соседний первый;

("65") 3) во всех последующих разрядах находится сумма данных разрядов слагаемых Ai, Bi и переноса Pi-1 от сложения предыдущих разрядов (в примерах на рисунке 9.18 этот случай помечен звездочкой).

Рисунок 9.18

Cказанное отражает таблица истинности одноразрядного двоичного полного сумматора (таблица 9.6).

Таблица 9.6

N набора	Аi	Bi	Pi-1	Si	Pi
0	0	0	0	0	0
1	0	0	1	1	0
2	0	1	0	1	0
3	0	1	1	0	1
4	1	0	0	1	0
5	1	0	1	0	1
6	1	1	0	0	1
7	1	1	1	1	1

("66") Булевы выражения логических функций Si и Pi в СДНФ имеют вид

,(9.8)

.(9.9)

Выражение (9.9) можно минимизировать. В результате получим

.(9.10)

На основании выражений (9.8, 9.10) одноразрядный двоичный полный сумматор может быть реализован в базисе И, ИЛИ, НЕ (рисунок 9.19).

Рисунок 9.19

Используя правила перехода из базиса И, ИЛИ, НЕ в базис И-НЕ и ИЛИ-НЕ (5.1), можно построить одноразрядный полный сумматор в двух других базисах.

Обозначение одноразрядного сумматора на электрических схемах приведено на рисунке 9.20, в.

Полусумматор, в отличие от полного сумматора, обеспечивает выполнение операции суммирования двух одноразрядных двоичных чисел Ai и Bi без учета сигнала переноса. В результате сложения наряду с суммой может получиться перенос. Функционирование полусумматора описывается таблица 9.7.

Таблица 9.7

N набора	Аi	Bi	Si	Pi
0	0	0	0	0
1	0	1	1	0
2	1	0	1	0
3	1	1	0	1

("67") Пример проектирования полусумматора на логических элементах.

Как видно из таблицы 9.7, для реализации функции Si необходим элемент “неравнозначность” (сумматор по модулю два), а для реализации функции Pi - логическое И. Булевы выражения для Si и Pi в СДНФ имеют вид:

.(9.11)

На рисунке 9.20.1 приведена схема, реализующая выражение 9.11 на элементах И, ИЛИ, НЕ.

Рисунок 9.20.1

Для получения более простой схемы одноразрядного полусумматора на логических элементах функцию Si лучше представить в СКНФ (см. таблицу 9.7)

.(9.12)

Выполнив преобразование по теореме де Моргана, получим:

,(9.13)

где Ai∙Bi = Pi (см. 9.11).

Выражение (9.13) реализуется схемой, показанной на рисунке 9.20, а.

Рисунок 9.20

Если сравнить эту схему со схемой, реализующей выражение (9.11), то схема на рисунке 9.20, а выглядит проще.

Условные графические обозначения полусумматора и полного одноразрядного сумматора на электрических схемах показаны на рисунке 9.20 б, в, а схема полного одноразрядного сумматора, выполненного на двух полусумматорах, показана на рисунке 9.20, г.

Для сложения n-разрядных чисел необходимо (n-1) одноразрядных полных сумматоров и один полусумматор в нулевом разряде (рисунок 9.21).

В этом сумматоре реализована последовательная передача переноса из одного разряда в другой. При большом количестве разрядов суммируемых чисел длительность суммирования в сумматорах с последовательным переносом может оказаться недопустимо большой. Бóльшим быстродействием обладают сумматоры с параллельным переносом, содержащие схему ускоренного переноса [3].

("68") Рисунок 9.21

9.1.2.4 Устройства контроля четности (УКЧ)

Предназначены для проверки двоичных кодовых комбинаций, поступающих на их входы, на наличие в них четного (нечетного) числа единиц. Такое КЦУ имеет n входов, равное количеству разрядов входного ДК, и один выход. На выходе формируется напряжение высокого уровня только в том случае, если число единиц во входном коде нечетное. Основу схемы контроля четности составляет сумматор по модулю два, реализующий логическую операцию

.(9.14)