Электронные и логические схемы

Логические операции «AND», «OR» и «NOT» достаточно просто технически выполняются на любых системах элементов: и на электронных лампах, и на дискретных полупроводниковых элементах, и в интегральных схемах. Существуют многочисленные справочники, позволяющие выбрать подходящий вариант их технической реализации.

ПРИМЕЧАНИЕ

Здесь и далее будем считать, что «1» представляется наличием положительного импульса, а «0» — его отсутствием.

Простейшие принципиальные электрические схемы «OR» и «AND» на резисторно-диодных элементах и схема «NOT» на биполярных транзисторах показаны на рис 6.7.

Рис. 6.7. Схемы OR, AND, NOT на диодах и биполярном транзисторе

Схема «OR»: положительный импульс на выходе возникает при появлении положительного импульса на любом (a, b, c) входе, так как внутреннее сопротивление диода в прямом направлении мало (много меньше R).

Схема «AND»: положительный импульс на выходе возникает только при одновременном наличии положительных импульсов на всех трех (a, b, c) входах. При отсутствии хотя бы одного входного импульса, соответствующий ему диод будет открыт и замкнет питающее напряжение +Е через внутренние сопротивления диода и источника входного сигнала (они много меньше R) на землю.

Схема «NOT»: при подаче на вход (базу) npn-транзистора положительного импульса триод откроется и на выходе (коллекторе) напряжение с высокого снизится практически до нуля.

На рис. 6.8 показана схема «NOT» на полевых КМОП транзисторах транзисторно-транзисторной технологии. Схема «NOT»: при подаче положительного импульса на вход (a) транзистор Т1 с каналом p-типа запирается, а транзистор Т2 с каналом n-типа открывается, и на выходе (b) появляется отрицательный импульс.

Рис. 6.8. Схема NOT на полевых КМОП-транзисторах

На рис. 6.9 показана комплиментарная схема NAND на полевых транзисторах, выполненная по транзисторно-транзисторной технологии.

Рис. 6.9 Схема NAND на полевых КМОП-транзисторах

При подаче трех входных сигналов (a, b, c), из которых хотя бы один будет низким (код «0»), на выходе схемы (f) будет высокое напряжение (код «1»). Логическая таблица истинности для этой схемы:

В больших интегральных схемах синтез логических и вычислительных схем выполняются на базе только одного логического «уникального» оператора: NOR, NAND или NORAND. Но каждый из уникальных операторов структурно легко реализуем на основе базовых, и, наоборот, каждый базовый операнд легко конструируется из уникальных.

Рис. 6.10 Взаимные конструкции логических схем

На рис 6.10 показаны:

- логическая конструкция схемы NAND на основе схем AND и NOT,

- стандартные изображения логических схем NAND и NOR,

- логические конструкции схем NOT, AND и OR на основе схем NAND. Реализация «AND», «OR» и «NOT» на основе уникальных операторов используется при логическом синтезе вычислительных схем, ибо для базовых операторов процедуры формализованного логического синтеза разработаны наиболее подробно и конструктивно.

Триггер

Среди многих элементарных схем в компьютере наибольшее распространение получила схема триггера – статического запоминающего и логического элемента. На триггерах строятся системы статической памяти, регистры, счетчики, делители частоты и еще множество других компьютерных схем. Триггер – элемент, который может находиться в одном из двух устойчивых состояний, условно именуемых состояниями «0» и «1». Триггер имеет также два выхода: выход «0» (иногда именуемый -выходом), выход «1» (именуемый иногда q-выходом). Если триггер находится в состоянии «0», то у него на выходе q «высокое» напряжение (порядка нескольких вольт или даже меньше), на выходе низкое (обычно нулевое) напряжение, если триггер находится в состоянии «0», то напряжения распределены наоборот.

Триггера могут иметь раздельные входы: R (Reset) — вход установки «0», S (Set) — вход установки «1». Каждый вход устанавливает триггер в соответствующее состояние, такие триггеры часто называют R-S триггерами.

Триггеры могут иметь счетный вход T (toggle, релаксатор), очередной импульс «1» на счетном входе изменит состояние триггера. Такие триггеры часто называют T-триггерами. Триггер, установленный в какое либо состояние, сохраняет его до тех пор, пока импульс, поданный на один из входов, не изменит это состояние. Логические схемы R-S триггера (a) и T триггера (b) показаны на рис.6.11.

Рис. 6.11 Логические схемы R-S триггера (a) и T триггера (b)

Проследив напряжения на входах и выходах триггера можно видеть, что состояние триггера статически поддерживается его напряжениями. Например, сигнал «1», поступивший на вход S, на выходе триггера установит низкое напряжение, поступающее оттуда на вход R, и будет восприниматься как сигнал установки триггера в состояние «0». Аналогичная картина наблюдается при установке триггера в состояние «0: высокое напряжение, поступающее в этом случае с выхода на вход R будет поддерживать триггер в состоянии «0». При подаче импульса «1» на счетный вход T этот импульс пройдет только через тот вентиль (схему «AND»), который пропускает его на раздельный вход, переключающий триггер. Например, если триггер находится в состоянии «1», при поступлении импульса на вход T будет открыт вентиль, пропускающий импульс на вход R, и триггер переключится в состояние «0». Принципиальная электрическая КМОП схема R-S триггера, выполненного по транзисторно-транзисторной технологии, показана на рис. 6.12.

Рис. 6.12 R-S триггер на КМОП транзисторах

Триггера используются при организации запоминающих регистров и счетчиков. При этом в регистрах обычно используются триггера с раздельными входами, а в счетчиках – со счетными. Считывание информации с триггеров обычно выполняется с помощью схем AND.

Регистр

Логическая схема 3-х разрядного регистра с вентилями (схемами «AND») для ввода и считывания информации показана на рис. 6.13.

Рис. 6.13 Логическая схема регистра

В каждом i-м разряде регистр содержит R-S триггер Тi и подключенную к нему для считывания информации схему AND-вентиль. Считывание информации из регистра при подаче импульса считывания, опрашивающего схемы «AND» всех триггеров, на разрядные выходы a_i поступит «1» через те вентили, триггера которых были в состоянии «1». Запись информации в регистр может выполняться в однотактном или двухтактном режимах. В однотактном режиме на соответствующий вход каждого триггера подается «1». В двухтактном режиме все входы R всех триггеров подключаются к одному проводу установки «0», по которому сначала все триггеры обнуляются, а затем на входы S тех триггеров, которые нужно установить в «1», подается соответствующий импульс.

Счетчик

На рис. 6.14 показана логическая схема 4-х разрядного двоичного счетчика. Этот счетчик 16-м импульсом сбрасывается в 0.

Рис. 6.14 Логическая схема двоичного счетчика

На счетный вход каждого следующего триггера через вентили пройдет импульс со входа счетчика только, если все предыдущие триггера стояли в состоянии «1». На рис. 6.15 показана логическая схема десятичной тетрады двоично-десятичного счетчика – он представляет собой двоичный счетчик с циклом обнуления через 10 импульсов (считает от 0 до 9).

Рис. 6.15 Логическая схема тетрады двоично-десятичного счетчика

Импульс обнуления счетчика формируется от каждого 10-го импульса, поступающего на вход счетчика (при наличии в счетчике кода 1001, то есть 9). Запись информации в счетчик не через счетный вход и считывание показаний счетчика выполняется так же, как в двоичном регистре.

Дешифратор

На рис. 6.16 показана логическая схема дешифратора 3-х разрядного двоичного кода.

Рис. 6.16 Логическая схема дешифратора

Дешифратор по двоичному коду, поступающему на вход, выбирает один выход, на котором формирует сигнал «1»; на остальных выходах формируется сигнал «0». У дешифратора n-разрядного двоичного кода может быть 2ⁿ выходов. В приведенной схеме n=3, и следовательно 2³ = 8 выходов. Например, сигнал «1» на 6-ом выходе f6 будет сформирован, если на вход поступил двоичный код 010, так как . Таблица истинности дешифратора:

Поиск по сайту: