§ 8.4. Варианты схем к заданию Модуля 8
Таблица 8.1
|
№1 |
№2 |
|
№3 |
№4 |
|
№5 |
№6 |
|
№7 |
№8 |
|
№9 |
№10 |
|
№11 |
№12 |
§ 8.5. Компьютерное моделирование №1 к заданию Модуля 8
Цель компьютерного моделирования: Изучение элементной базы цифровой электроники и методов их анализа Изучение методов компьютерного моделирования и исследования логических элементов с помощью компьютерных моделей.
Содержание компьютерного эксперимента:
Моделирование является проверкой составленной таблицы истинности заданной вариантом схемы.
Исследуемая схема содержит источник постоянной ЭДС, поэтому измерительные приборы должны находиться в режиме измерения постоянных величин (DC).
Используемые в моделировании логические микросхемы, находятся в библиотеке элементов (MiscDigital) Элемент2-И – в библиотеке элементов обозначаетсяAND2,2-И–НЕ – обозначаетсяNAND2, 2-ИЛИ– обозначаетсяOR2 и2-ИЛИ–НЕ – обозначаетсяNOR2.
Выполнение компьютерного моделирования:
Необходимо вынести элементы электрической цепи из библиотек Misc Digital
Собрать виртуальную электрическую схему с логическими элементами согласно заданию и подключить вольтметр к выходным зажимам схемы.
Активизировать схему с помощью ключа в верхнем правом углу. Снять экспериментально таблицу истинности схемы.
Сравнить результаты моделирования с данными расчёта п. 1 задания модуля.
Сделать выводы.
В качестве примера приведена модель схемы для определения таблицы истинности для элемента 4–И–НЕ. В модели используется минимальное количество измерительных приборов. Для определения всех напряжений в данной схеме достаточно одного вольтметра. Одна точка цепи должна быть обязательно заземлена.
Из компьютерной модели видно, что на все входа подано напряжение 5 В (Логическая единица). На выходе логического элемента 4–И–НЕнапряжение 0,5 В (напряжение логического нуля). Записываем данные в таблицу истинности.
|
Вход |
Выход | |||
|
Х1 |
Х2 |
Х3 |
Х4 |
У1 |
|
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
Изменяем входные напряжения, получаем таблицу истинности:
|
Вход |
Выход | |||
|
Х1 |
Х2 |
Х3 |
Х4 |
У1 |
|
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
|
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
|
1 |
1 |
0 |
1 |
0 |
|
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
|
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
|
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
|
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
|
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
|
0 |
1 |
1 |
1 |
0 |
|
0 |
1 |
1 |
0 |
0 |
|
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
|
0 |
1 |
0 |
0 |
0 |
|
0 |
0 |
1 |
1 |
0 |
|
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
|
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
|
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
§ 8.6. Краткая теория и примеры Модуля 8
Цифровая электроника в настоящее время все более и более вытесняет традиционную аналоговую. Ведущие фирмы, производящие самую разную электронную аппаратуру, все чаще заявляют о полном переходе на цифровую технологию. Причем это относится как к бытовой технике, так и к профессиональной технике (измерительные, управляющая аппаратура). Ставшие уже привычными персональные компьютеры так же полностью реализованы на основе цифровой технологии. Видимо, в ближайшем будущем полностью аналоговые устройства будут применяться только в тех редких случаях, когда требуется получить рекордные значения некоторых параметров электронных устройств (например, быстродействия).
Между тем цифровая электроника существенно отличается от аналоговой не только видом используемых сигналов, но, что самое главное, приемами проектирования, требуемым стилем мышления разработчика, принципом построения сложных систем.
Цифровой сигнал – сигнал, который может принимать только два значения ( иногда – три значения). Причем разрешены некоторые отклонения от этих значений. Например, напряжение может принимать два значения: от 0 до 0,5 В (уровень нуля) или от 2,5 до 5 В (уровень единицы). Устройства, работающие исключительно с цифровыми сигналами, называются цифровыми устройствами. В отличие от аналоговых сигналов цифровые устройства защищены от воздействия шумов, наводок и помех гораздо лучше. Небольшие отклонения от разрешенных значений никак не искажают цифровой сигнал, т.к. всегда существуют зоны допустимых значений. Цифровые устройства гораздо меньше подвержены старению, так как небольшое изменение их параметров никак не отражается на их функционировании.
Однако у цифровых систем есть и крупный недостаток. Дело в том, что на каждом из своих разрешенных уровней цифровой сигнал должен оставаться хотя бы в течение какого-то минимального временного интервала, иначе его невозможно будет распознать. А аналоговый сигнал может принимать любое свое значение бесконечно малое время. Именно поэтому максимальное быстродействие аналоговых устройств всегда принципиально больше, чем цифровых устройств. Скорость обработки и передачи информации аналоговым устройством всегда может быть сделана выше, чем скорость ее обработки и передачи цифровым устройством.
Преобразование аналоговых сигналов в цифровые и для обратного преобразования требуется применение специальной аппаратуры (аналого-цифровые преобразователи и цифро-аналоговые преобразователи)
Логические и запоминающие элементы составляют основу устройств цифровой обработки информации. Логические элементы выполняют простейшие логические операции над цифровой информацией: преобразуют по определенным правилам входную информацию в выходную. Любое цифровое устройство от самого простейшего до самого сложного всегда действует по одному и тому же принципу. Оно принимает входные сигналы, выполняет их обработку, передачу, хранение и выдает выходные сигналы. При этом совсем не обязательно любое изменение входных сигналов приводит к немедленному и однозначному изменению выходных сигналов. Реакция устройства может быть очень сложной, отложенной по времени, неочевидной, но суть от этого не меняется.
Операции, используемые при обработке цифровой информации, основаны на двоичной системе счисления, представляющие информацию в виде слов - комбинаций символов 1 и 0.
Логические элементы (или, как их еще называют, вентили, gates) – это наиболее простые цифровые микросхемы. Именно в этой простоте и состоит их отличие от других микросхем. Как правило, в одном корпусе микросхемы может располагаться от одного до шести одинаковых логических элементов. Иногда в одном корпусе могут располагаться и разные логические элементы.
Обработка цифровой информации логическими элементами производится по законам и правилам алгебры логики (булева алгебра). Логические преобразования двоичных сигналов включают три элементарные операции:
логическое сложение (дизъюнкцию) или операцию ИЛИ
Y= X1+X2
логическое умножение (конъюкцию) или операцию И
Y= X1X2
логическое отрицание (инверсию) или операцию НЕ
Определение этих операций дается с помощью таблиц истинности, содержащих перечисление всех возможных сочетаний (наборов) входных переменных. Каждой комбинации входных сигналов элемента соответствует уровень нуля или единицы на его выходе. Никакой внутренней памятиу логических элементов нет, поэтому они относятся к группе так называемых комбинационных микросхем.
Каждая простая логическая функция может быть реализована простыми элементами, к которым относятся элементы И, ИЛИ, НЕ и их комбинации. На практике часто используется расширенный набор логических элементов: ИЛИ-НЕ (стрелка Пирса), И-НЕ (штрих Шеффера), импликация, запрет, равнозначность таблица 8.2.
Из простых элементов можно составить сколь угодно сложные логические устройства, например, счетчики, импульсов, регистры, сумматоры, блоки памяти и т.п.
Главные достоинства логических элементов по сравнению с другими цифровыми микросхемами – это их высокое быстродействие, а так же малая потребляемая мощность. Поэтому в тех случаях, когда требуемую функцию можно реализовать исключительно на логических элементах, всегда имеет смысл проанализировать этот вариант. Недостаток логических элементов состоит в том, что на их основе довольно трудно реализовать сколько – нибудь сложные функции.
Самый простой логический элемент – это инвертор (логический элемент НЕ). Инвертор выполняет простейшую логическую функцию – инвертирование, т.е. изменение уровня входного сигнала на противоположный. Инвертор имеет всего один вход и один выход. Таблица истинности инвертора состоит всего из двух строк.
Таблица истинности инвертора
|
Вход |
Выход |
|
0 |
1 |
|
1 |
0 |
Основные логические функции Таблица 8.2.
Основой для построения узлов импульсной и цифровой техники служат полупроводниковые ключевые схемы. В качестве ключей применяют диоды, транзисторы, тиристоры и некоторые другие электронные приборы. Рассмотрим простейшие из них.
РЕЗИСТИВНО-ТРАНЗИСТОРНАЯ ЛОГИКА (РТЛ)
Простейшим элементом РТЛ является схема 2- ИЛИ-НЕ, представленная на рисунке 8.1. Если входное напряжение имеет высокий уровень, то соответствующий транзистор открывается и на выходе формируется низкий уровень.
Рис. 8.1 Резистивно-транзисторная логика
Следовательно, в положительной логике реализуется функция ИЛИ-НЕ. Относительно низкоомное базовое сопротивление обеспечивает полное открывание транзисторов при малом потреблении тока. Однако это приводит к весьма малой нагрузочной способности элемента.
ДИОДНО-ТРАНЗИСТОРНАЯ ЛОГИКА (ДТЛ)
В схеме ДТЛ, представленной на рис8.2,
базовый ток выходного транзистора
проходит через резистор R1
(R4)только в том случае, если заперт диод
D2 (D1),. т.е. если все входные
напряжения имеют высокий уровень.
Рис. 8.2 Диодно-транзисторная логика
В этом случае транзистор Т1 открыт, и выходное напряжение находится на низком уровне. Следовательно, в положительной логике реализуется функция 2 ИЛИ-НЕ.
ТРАНЗИСТОРНО-ТРАНЗИСТОРНАЯ ЛОГИКА (ТТЛ)
Схема ТТЛ, изображенная на рис.8.3 во многом напоминает схему ДТЛ
Рис. 8.3 Транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ)
Схема имеет один управляющий вход и один выход.
Рабочие свойства логических элементов определяет ряд параметров: быстродействие, нагрузочная способность, помехоустойчивость, степень генерирования помех, мощность рассеяния.
На основе логических элементов строятся комбинационные логические схемы называемые цифровыми логическими автоматами без памяти, к ним относятся дешифраторы, шифраторы, мультиплексоры, демультиплексор, сумматоры, полусумматоры, компараторы.
К цифровым логическим автоматам с памятью относится триггер – устройство с двумя устойчивыми состояниями, одно из которых ноль, а другое 1. Причем в одном из этих состояний триггер может находится как угодно долго. Смена состояния триггера производится внешним сигналом, этот процесс называют переключением, перебросом, опрокидыванием. Главная роль в формировании свойств триггерной системы принадлежит управляющему устройству. Тип триггера определяется функциональной зависимостью между сигналами на входах и выходах, которая может быть выражена разными способами: временными диаграммами, характеристическими уравнениями, таблицами внешних переходов (таблицами состояний), графами переходов. Различают несколько разновидностей триггеров: RS-, D-, JK-, DV-, T-триггеры.
Программируемые управляющие устройства нашли широкое применение в системах управления различными технологическими процессами. совокупность арифметико-логического устройства, регистров общего назначения, устройств запоминающих, устройств ввода-вывода и др реализуется в виде отдельных или общих микросхемах. Мозгом микропроцессоров является арифметико-логическое устройство, которое представляет собой логический комбинационный автомат. Схема АЛУ содержит комбинационные логические устройства, генераторы логических функций, сумматоры и полусумматоры.