Электротехника и электроника. Ч II. Электрические и электронные аппараты и устройства (стр. 20 )

Преобразователь кодов.

В цифровой технике применяются различные виды кодов для обработки и передачи информации (прямой, обратный, дополнительный, двоично-десятичный, коды Грэя, коды Хемминга и т. д.). Преобразование кодов на аппаратном уровне выполняют комбинационные устройства – преобразователи кодов. К этим устройствам относятся также различные преобразователи управления шкальными, матричными и семисегментными индикаторами. Обозначаются преобразователи кодов через Х/У. Преобразователь кодов часто реализуют по схеме дешифратор – шифратор. Каждый тип преобразователя характеризуется соответствующей таблицей истинности. Частным случаем преобразователей кодов являются шифраторы и дешифраторы. На рис.7.24 показан преобразователь двоично-десятичного кода в код семисегментного индикатора.

Рис.7.24.

Мультиплексор.

Мультиплексор – комбинационное устройство, обеспечивающее передачу цифровой информации, поступающей на несколько входов, на один выход в соответствии с заданным кодом на управляющих входах. По сути это управляемый коммутатор. Также между числом управляющих входов n и числом информационных входов действует соотношение m = 2n для полного мультиплексора, и неполного m < 2n. Мультиплексоры обозначают MUX или MS. На рис.7.25 показана функциональная схема двухвходового мультиплексора, условное обозначение и таблица коммутации.

Рис.7.25.

На рис.7.26 показан селектор-мультиплексор 8/1. В зависимости от комбинации сигналов управления Х1Х2Х3 он обеспечивает коммутацию одного из восьми входных сигналов Di на выход У при V – разрешении, активный уровень низкий. Функциональное уравнение записывается в виде

(7.6).

Рис.7.26.

Мультиплексоры являются универсальными логическими устройствами, на основе которых создают различные комбинационные и последовательностные схемы. Они используются в делителях частоты, триггерных устройствах, сдвигающих регистрах, преобразователях параллельного кода в последовательный, реализации сложных логических функций.

Демультиплексор.

Демультиплексор – это цифровое устройство коммутации информационного входного сигнала в один из нескольких выходов в соответствии с заданным кодом на адресных входах. Демультиплексоры обозначают через DMX или DMS. Также по соотношению количества информационных выходов и адресных входов демультиплексоры бывают полными и неполными. На рис.7.27 приведена базовая схема двухвыходного демультиплексора, условное обозначение и таблица функционирования. На рис.7.28 показан демультиплексор четыре в один.

Функциональные уравнения, описывающие его работу следующие:

(7.7).

Рис.7.27.

Функции демультиплексоров сходны с функциями дешифраторов. Дешифратор можно использовать как демультиплексор. В этом случае информационные входы дешифратора будут служить адресными входами, а входы разрешения дешифратора – информационным входом. КМОП технология позволяет изготавливать двунаправленные ключи, на базе которых созданы объединённые устройства мультиплексоры – демультиплексоры (обозначение MX).

Рис.7.28.

Сумматор.

Сумматоры – это комбинационные устройства, предназначенные для сложения чисел. Таблица истинности для сложения двух одноразрядных чисел А и В будет

А	В	S	P
0	0	0	0
0	1	1	0
1	0	1	0
1	1	0	1

где S – значение суммы, Р – значение переноса в старший разряд. Работа устройства описывается следующими уравнениями

(7.8).

Рис.7.29.

Видно, что сумма отвечает логической функции «исключающее ИЛИ» S=AÅB. Устройство, реализующее данную таблицу называют полусумматором и его структура показана на рис.7.29.

Рис.7.30.

Одноразрядный полный сумматор строится на основе двух полусумматоров. Его структура и условное обозначение приведены на рис.7.30. В отличие от полусумматора он имеет перенос из младшего разряда.

Таблица истинности для сумматора имеет вид

Pn-1	An	Bn	Sn	Pn
0	0	0	0	0
0	0	1	1	0
0	1	0	1	0
1	0	0	1	0
1	0	1	0	1
1	1	0	0	1
1	1	1	1	1

Для суммирования многоразрядных двоичных чисел сумматоры соединяют последовательно, а вывод переноса в младшем разряде соединяют с общим проводом. В виде интегральных схем выпускаются одно, двух и четырёх разрядные сумматоры. С помощью сумматора можно производить и вычитание двоичных чисел. В этом случае операция вычитания заменяется сложением уменьшаемого с вычитаемым в дополнительном коде

А – В = А + Вдоп = А + Вобр+1 (7.9).

Рис.7.31.

На рис.7.31 показан вычитатель на основе четырёхразрядного сумматора. Число В инвертируется и складывается с А, а на перенос подаётся логическая единица.

Применение мультиплексоров и дешифраторов для построения КЦУ, осуществляющих заданную логическую операцию.

При большом числе переменных это позволяет уменьшить требуемое число корпусов. Если на управляющие входы мультиплексора подать входные сигналы х1, х2, … хn, а на информационных входах Do, D1, … Dm зафиксировать нулевые и единичные значения на основании наборов входных переменных таблицы истинности соответствующий таблице булевой функции, то на выходе мультиплексора «у» получим необходимое значение выходного сигнала. Для ещё большего упрощения можно на информационные входы мультиплексора кроме нулевых и единичных значений также подавать значения переменных «х». Рассмотрим логическую функцию

(7.11).

При использовании мультиплексора 8-1 на Х1Х2Х3 подаём входные сигналы, на D3D5D6D7 - 1, на D0D1D2D4 - 0. Но можно использовать только четырёхвходовой мультиплексор с двумя входами управления Х1Х2, и информационными входами D0D1D2D3 и положить D0=0; D1=X3; D2=X3; D3=1.

Для построения КЦУ можно использовать и дешифраторы. Так как активное значение сигнала на каждом выходе дешифратора определяет одну из комбинаций входных сигналов, то, объединяя с помощью соответствующих логических элементов некоторые входные сигналы дешифратора, можно реализовать КЦУ, заданное любой таблицей истинности, с числом наборов, не превышающих числа входов используемого дешифратора. Например - рис.7.32.

Рис.7.32.

Быстродействие КЦУ.

Логические элементы входящие в КЦУ, переключаются с задержкой tзд=10-8с. Длительность переходных процессов в КЦУ определяется числом последовательных логических элементов наиболее длинной цепочке. Поэтому оптимизация КЦУ кроме её упрощения повышает и её быстродействие.

Применение КЦУ в многоканальной связи.

Многоканальная электросвязь обеспечивает организацию по одной линии связи большого числа одновременно и независимо действующих каналов. Формирование и разделение цифровых сигналов в многоканальных системах и временным разделением может выполняться с помощью мультиплексоров и демультиплексоров. Входные сигналы, каждый из которых представляет некоторую последовательность единичных и нулевых значений поочерёдно передаются на выход мультиплексора, в котором формируется много канальный сигнал. На приемном конце с помощью демультиплексора выполняется разделение сигнала.

КЦУ широко используется во многих системах автоматики и управления

7.8 Импульсные генераторы на цифровых микросхемах.

Мультивибраторы на логических элементах.

Такие схемы мультивибраторов широко используют в качестве задающих автогенераторов в различных цифровых устройствах. Простейшая схема симметричного мультивибратора на базовых логических элементах И-НЕ, взаимно охваченных положительными ОС с помощью двух времязадающих цепочек R1C1 и R2C2 показана на рис.7.33. Положим, что на интервале времени 0…t1 мультивибратор находится в состоянии, когда элемент DD1 закрыт, и на его выходе логическая «1», а элемент DD2 открыт, и на его выходе логический «0». Конденсатор C2 будет заряжаться выходным током элемента DD1, протекающим через резистор R2 (диод VD2 закрыт). Напряжение на входе DD2, выделяемое на резисторе R2, уменьшается по экспоненте c постоянной времени t1 = R2C2. В момент времени t = t1 это напряжение достигает порогового значения переключения и элемент DD2 переходит из состояния «0» в состояние «1», изменяя свое выходное напряжение. Скачок этого напряжения Uвых2 через конденсатор С1 подается на вход элемента DD1, переводя его в состояние «0». Так как напряжение на выходе элемента DD1 при этом уменьшилось до нуля, то конденсатор С2 быстро разрядится через открытый диод до нулевого напряжения. Одновременно, начиная с момента времени t = t1, происходит заряд конденсатора С1 и напряжение на входе логического элемента DD1 уменьшается. Когда в момент времени t = t2 напряжение на входе DD1 спадёт до уровня переключения, мультивибратор опять скачкообразно изменит свое состояние. Далее процессы в схеме мультивибратора начнут периодически повторяться. Длительность импульсов на выходах 1 и 2 при R1=R2=R, C1=С2=С будет (симметричный мультивибратор):

tи=RC ln (U1/Uпр) (),

где U1 – значение напряжения на выходе DD1,2 соответствующее логической единицы, Uпр - пороговое значение напряжения переключения. Схемотехнически современные мультивибраторы выполняются в виде отдельных интегральных микросхем.

Рис.7.33.

Одновибратор.

Наиболее просто одновибратор можно реализовать на базовых логических элементах 2И-НЕ (рис.7.34). Для этого в рассмотренную выше схему мультивибратора вводят цепь запуска, выполненную на логическом элементе DD1. В исходном состоянии логический элемент DD3 закрыт, и напряжение на выходе одновибратора равно уровню логической «1» Логический элемент DD1 цепи запуска одновибратора в исходном состоянии закрыт, и на его выходе присутствует логическая «1». Уровни логических «1» с выходов закрытых элементов DD1 и DD3 поступают на входы элемента DD2, поддерживая его в открытом состоянии. На выходе открытого элемента DD2 имеет место логический «0», и поэтому конденсатор С разряжен через этот элемент и открытый диод VD до нулевого потенциала. При поступлении в момент времени t = t1 на вход одновибратора положительного импульса запуска элемент DD1 открывается, а элемент DD2 переходит в закрытое состояние. На выходе закрытого элемента DD2 возникает положительный скачок напряжения, который через конденсатор С передается на объединенный вход логического элемента DD3. Этот элемент открывается, и на его выходе устанавливается логический «0». После переключения конденсатор С начинает заряжаться, и напряжение на входе элемента DD3 снижается. В момент времени t = t2, когда напряжение становиться равным пороговому, одновибратор переключается и вновь переходит в устойчивое состояние.

Рис.7.34.

Длительность импульса tи = t2–t1 на выходе одновибратора зависит от постоянной времени цепи RC и также определяется выражением (6.12). Отметим, что в данной схеме выходной импульс имеет низкий потенциал (т. е. уровень логического «0») и для получения высокого потенциала (логической «1») необходимо на выходе мультивибратора включить инвертор.

Список литературы.

1. Молчанов А. П., Занадворов П. Н. Курс электротехники и радиотехники. М.: Наука, 1969.

2. Зернов Н. В., Карпов В. Г. Теория радиотехнических цепей. М.: Энергия, 1972.

3. Манаев Е. И. Основы радиоэлектроники. М.: Советское радио, 1976.

4. Харкевич А. А. Основы радиотехники: Учебное пособие для вузов. М.: Связьиздат, 1962.

5. Гоноровский И. С. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Сов. радио, 1977.

6. . Ефимчик М. К., Шушкевич С. С. Основы радиоэлектроники. Минск, 1986.

7. Рутковски Дж. Интегральные операционные усилители. М.: Мир, 1971.

8. , , Гуров и цифровая электроника. М. Горячая линия-Телеком 2007.

7.  Першин радиоэлектроники и схемотехники. Ростов на Дону, Феникс, 2006.

10. Нефёдов радиоэлектроники и связи. 2-е изд. –М. Высш. шк. 2002.

Учебное издание

Сысун Валерий Иванович

Олещук Олег Валентинович

Борисков Петр Петрович

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА. Ч II.

Учебное пособие

по курсу

« Электротехника и электроника»

Редактор

ЛР ИД № 000 от 01.01.2001.

Гигиенический сертификат №№10.КЦ.34.953.П.00136.03.99 от 05.03.99.

Подписано к печати 08.07.03. Формат А4.

Бумага офсетная. Печать офсетная.

Уч. - изд. л. 9. Усл. кр. –отт. 65. Тираж 200экз. Изд. № 000.

Петрозаводский государственный университет

Типография Издательства Петрозаводского государственного университета

185640, Петрозаводск, пр. Ленина, 33