Главная Случайная страница


Категории:

ДомЗдоровьеЗоологияИнформатикаИскусствоИскусствоКомпьютерыКулинарияМаркетингМатематикаМедицинаМенеджментОбразованиеПедагогикаПитомцыПрограммированиеПроизводствоПромышленностьПсихологияРазноеРелигияСоциологияСпортСтатистикаТранспортФизикаФилософияФинансыХимияХоббиЭкологияЭкономикаЭлектроника






Схемная реализация комбинационных схем на логических элементах

Логическими элементами называют микросхемы малой степени интеграции, реализующие простейшие логические функции 2-4 аргументов. Наиболее распространены логические элементы, реализующие логические функции И (рис. 5.5а), ИЛИ (рис. 5.5б), И-НЕ (рис. 5.5в) и ИЛИ-НЕ (рис. 5.5г). К логическим элементам относят также микросхемы, реализующие простейшие последовательностные алгоритмы (например, триггеры), но они будут рассмотрены ниже.

 

 


Рис.5.5. Схемные обозначения логических элементов

 

Логические элементы И реализуют функцию логического умножения (конъюнкцию). Это означает, что выходной сигнал схемы И равен единице только в том случае, когда все ее входные сигналы равны единице. Логический элемент И называют также схемой совпадения.

Логические элементы ИЛИ реализуют функцию логического сложения (дизъюнкцию), т.е. сигнал на выходе схемы ИЛИ равен нулю только тогда, когда все входные сигналы равны нулю.

Логические элементы И-НЕ реализуют функцию инверсии логического произведения (функцию Шеффера), а элементы ИЛИ-НЕ – функцию инверсии логической суммы (функцию Пирса). Таким образом, если логическое произведение равно единице, то элемент И-НЕ выдает нулевой сигнал на своем выходе, а если логическая сумма равна единице, то элемент ИЛИ-НЕ также выдает нулевой сигнал. В противном случае на выходах элементов данного типа формируется единичный сигнал (см. табл. П3.1).

В одном корпусе микросхемы обычно имеется четыре логических схемы на два входа каждая, либо три схемы на три входа каждая, либо две схемы на четыре входа независимо от вида элементарных логических функций, которые данные микросхемы реализуют. Если не все входы логической схемы используются в проектируемом устройстве, то неиспользуемые входы следует объединять с используемыми. Так, для реализации функции инверсии необходимо объединить все входы схемы И-НЕ (см.рис.5.6а). Тогда получим

.

Рис.5.6. Реализация базовых логических функций на элементах И-НЕ

 

Если две схемы И-НЕ соединить последовательно, как показано на рис.5.6б, то вторая схема инвертирует инверсию логического произведения, полученного на первой схеме, так что на выходе второй схемы получим само логическое произведение. Если же на вход схемы И-НЕ подать инверсии интересующих нас сигналов (см. рис. 5.6в), полученных предварительно с помощью опять же схемы И-НЕ, то на выходе получим логическую сумму исходных сигналов согласно закону Де Моргана (см. §П3.3). Таким образом, с помощью элементов И-НЕ можно реализовать все базовые функции булевой алгебры, а следовательно – любые логические функции. Так же универсальны и элементы ИЛИ-НЕ. Элементы других типов, которые при наличии элементов И-НЕ или ИЛИ-НЕ не являются обязательными для реализации алгоритмов управления, имеют, как правило, специальное назначение. Так, элементы И (см. рис. 5.5а) обычно являются усилительными элементами. Их допустимый выходной ток достигает 100мА, в то время как обычные логические элементы имеют допустимый выходной ток до 5 мА.

Пример 5.1. Реализация на логических элементах преобразователя кода, логические функции которого отображаются формулами (5.2) – (5.5). Один из возможных вариантов схемы приведен на рис 5.7.

Выходные сигналы датчика положения должны быть, прежде всего, инвертированы, чтобы их можно было подать во входные цепи преобразователя как в прямом, так и в инверсном виде. Соответственно, в левой части схемы (рис.5.7а) показано, как входные сигналы Х1,Х2,Х3 и Х4 инвертируются на логических элементах D1/1, D1/2, D1/2 и D1/4, реализующих функцию И-НЕ в составе микросхемы D1. Схема, производящая непосредственное преобразование кода Грея, в котором работает датчик положения, в прямой арифметической двоичный код, удобный для использования в УВМ, приведена на рис.5.7б. При построении схемы были учтены возможности использования отдельных ее цепей, реализующих функцию Y4, для реализации остальных заданных функций. Такие возможности видны при сравнении логических формул, реализующих заданные функции. Так, при сравнении выражений (5.5) и (5.6), видно, что у функций Y4 и Y2 имеются общие члены

,

а у функции Y1, согласно выражению (5.2), можно выделить кроме еще и инверсное ему выражение

Реализация самой функции Y4 значительно упростилась, поскольку было принято во внимание, что если обозначить

, (5.7), (5.8)

То окажется, что

.

Поэтому достаточно реализовать функции а и b по формулам (5.7), а выражения и , необходимые, как видно из формулы (5.5), для реализации функции Y4, получить путем простой инверсии.

Функция а реализована на элементах И-НЕ D2/1, D2/2 и D3/1. На выходах D2/1 и D2/2 получены соответственно инверсии произведений входных сигналов X1 и , а также и X3. На выходе D3/1 получена, в свою очередь, инверсия произведений входных сигналов схемы D3/1, т.е. получено:

.

Аналогично на выходе D3/4 получено:

.

На выходах элементов D3/2 и D5/1, на входы которых поступают сигналы b и а,получены, соответственно, сигналы . Далее, с учетом того, что из формулы (5.5) следует

,

реализуем функцию Y4 аналогично тому, как ранее реализовали функции а и b Однако на выходе структуры, реализующей Y4, ставим вместо элемента И-НЕ усилительный элемент И (элемента D6). Поэтому на первом выходе D6 получаем . Аналогично на втором сверху выходе D6 получаем , подав на его вход сигнал X4, в то время как Y3 .

Инверсные сигналы на выходах нашей схемы позволяют организовать индикацию посредством сигнальных ламп. Действительно, если имеет место, например, Y4=1, то =0. Выходной потенциал элемента D6/1 близок к нулю и к лампочке HL4 приложено почти все напряжение питания. Следовательно, при Y4=1 лампочка HL4 будет светиться. Так же будут светиться остальные сигнальные лампы. Если же необходимо получить на выходах схемы проектируемого преобразователя прямые сигналы Yi, то полученные сигналы следует дополнительно инвертировать.

Функция Y2 легко реализуется подобно функции а, если обратить внимание на то, что выражение (5.6) преобразуется к виду

.

При реализации функции Y2 инверсию произведения берем с выхода D2/3, а инверсию произведения аХ4 формируем на выходе элемента D4/2. Далее формируем выходной сигнал на первом выходе элемента D7 аналогично тому, как формировался выходной сигнал на первом выходе D6.

Реализация функции Y1 проводится аналогично, но с учетом того, что выходной сигнал элемента D2/3 – это

,

а инвертируя его на элементе D4/1, получаем .

 

Рис.5.7. Схема преобразователя кода на логических элементах

 

В заключение заметим, что преобразователь кода в том виде, в каком он представлен на рис. 5.7, не обеспечивает одновременности преобразования входных сигналов Хi в выходные сигналы Yi. Так, при изменении значения входного сигнала Х1 значение выходного сигнала Y1 изменится скорее, чем значения Y2 и Y4: сигнал со входа Х1 достигает выхода пройдя три последовательно соединенных элемента (D1/1, D4/4, D7/2), а выхода Y2, например, он достигает, пройдя пять элементов (D1/1, D2/2, D3/1, D4/2 и D7/1). Это явление носит название гонки импульсов и приводит, если ему не противодействовать, к появлению кратковременных ложных сигналов на выходах и к сбоям в работе системы управления. Наиболее действенное средство борьбы с гонкой импульсов – переход от асинхронного к синхронному способу управления. При асинхронном управлении сигналы обратной связи принимаются в произвольные моменты времени, по мере их поступления и изменения, а при синхронном управлении прием сигналов обратной связи производится в определенные промежутки времени, называемые временем считывания. Эти промежутки времени задаются в виде определенного количества тактов тактового генератора, определяющего временные интервалы всего технологического цикла. При синхронном управлении считывание информации с выходов преобразователя кода производилось бы только во время подачи на синхронизирующий вход С1 (см.рис.5.7б) единичных сигналов. Предполагается, что ко времени считывания переходные процессы в преобразователе кода должны быть завершены, что обеспечивает однозначность считываемой информации. Чтобы получалось действительно так, преобразователь кода должен работать по схеме последовательностного, а не комбинационного устройства управления

Последнее изменение этой страницы: 2016-06-09

lectmania.ru. Все права принадлежат авторам данных материалов. В случае нарушения авторского права напишите нам сюда...