Цифровые интегральные микросхемы

Основные понятия цифровой электроники

В аналоговых электронных устройствах, рассматриваемых в предыдущих разделах, использовалось понятие аналоговых сигналов. По существу в большинстве своем физические величины, существующие в природе и используемые человеком в том или ином виде деятельности, являются аналоговыми величинами. В качестве примера аналоговых величин можно назвать температуру окружающей среды, атмосферное давление, напряжение в сети переменного тока, его частота (точнее – изменение частоты относительно номинального значения) и др. В общем случае аналоговые величины – это значения соответствующих физических величин, которые могут принимать любое значение в пределах допустимого диапазона.

При обработке аналоговой физической величины неэлектрической природы в электронных устройствах требуется ее представление аналогичной аналоговой физической величиной электрической природы. Такой аналогичной величиной является электрическое напряжение. Между уровнем (величиной) напряжения и числами можно установить некоторое соответствие. Так, например, числу 1 соответствует напряжение 1 В, числу 2 – напряжение 2 В и т. д. Тогда напряжение 1,4 В является представлением числа 1,4, напряжение 4,365 В – представлением десятичной дроби 4,365 и т. д.

Примерно такой подход используется в аналоговых вычислительных устройствах. Чтобы работать с большими числами, нужно выбрать другой порядок, то есть другой масштаб, например числу 1 соответствует напряжение 1 мВ. В противном случае будем иметь дело со слишком высокими уровнями напряжений.

Точность представления аналоговых величин зависит от точности, с которой могут быть измерены соответствующие им величины. На практике обычно сталкиваются с физическими ограничениями. Напряжение может быть измерено без применения специальных решений с точностью до ± 1%, с применением более дорогих решений – до ± 0,1%. При дальнейшем увеличении точности резко возрастает стоимость измерений. Другой физической границей точности измерений является зависимость параметров аналоговых электронных устройств от температуры. В общем случае аналоговые величины могут обычно быть представлены с точностью до третьего знака после запятой.

В настоящее время для обработки, хранения и преобразования информации, различных физических величин, выполнения расчетов широко применяют цифровые электронные устройства, имеющие ряд преимуществ перед аналоговыми. При этом используется цифровое представление информации (физических величин).

При цифровом представлении применяют элементы, которые можно сосчитать. Преимущество цифрового представления очевидно. Цифровые величины можно представлять с любой точностью, при этом точность представления не ограничивают физические эффекты. Она зависит только от количества используемых разрядов чисел.

Для представления информации (чисел) в цифровом виде применяют так называемые коды. В общем случае элементы цифровой величины (цифрового кода) могут иметь два, три и больше состояний. На рисунке 5.1, в качестве примера, изображен цифровой сигнал с тремя возможными состояниями: 10 В, 5 В и 0 В.

Рисунок 5.1 – Трехуровневое кодирование цифровой информации

Как видно из рисунка, заданный уровень цифрового сигнала поддерживается неизменным в течение некоторого интервала времени Dt, называемого тактом.

В устройствах цифровой электроники в большинстве случаев используются сигналы двух уровней – высокого и низкого. При этом обычно имеются в виду уровни напряжения. Транзистор может быть либо закрыт (режим отсечки), либо открыт (режим насыщения). Электрический импульс или существует, или нет. То есть, возможны только два состояния цифрового элемента. При этом напряжение имеет либо согласованное верхнее значение, либо согласованное нижнее. Свойство двузначности элементов выражают термином «бинарность» (от латинского слова bin – дважды). Применяемые в цифровой электронике элементы являются бинарными элементами.

Цифровые схемы конструируют таким образом, чтобы воздействие некоторого сигнала определялось не конкретным значением его напряжения, а тем, к какой из двух разновидностей сигналов (высокого или низкого уровня) этот сигнал относится. Предполагается, что каждый сигнал характеризуется «разумным» уровнем напряжения. При конструировании цифровых схем предпринимаются все меры к тому, чтобы, например, сигнал высокого уровня был не очень малым и не очень большим по напряжению. Если напряжение сигнала находится в установленных пределах, то конкретное значение напряжения практически никак не влияет на реакцию того устройства цифровой электроники, на которое этот сигнал подан.

На рисунке 5.2 представлена диаграмма, поясняющая изложенное выше. На этой диаграмме указаны диапазоны напряжений для входных и выходных сигналов (заштрихованные области) цифровых кодов. Если сигнал оказывается в одном из этих диапазонов, то он безошибочно квалифицируется как сигнал высокого или низкого уровня. Высокому и низкому уровню сигналов ставятся в соответствие логические состояния «1» («истина») и «0» («ложь»). Если высокому уровню сигналов ставится в соответствие состояние «1», а низкому – состояние «0», то имеет место так называемая положительная логика. Если же высокому уровню соответствует состояние «0», а низкому – «1», то логика называется отрицательной.

В частности, для цифровых микросхем серии ТТЛ (транзисторно-транзисторная логика), напряжение питания которых равно 5 В, напряжение сигнала U_с ≤ 0,4 В интерпретируется как логический 0, а U_с ≥ 2,4 В – как логическая 1.

В цифровых вычислительных устройствах нашли применение два способа физического представления информации: потенциальный и импульсный.

Рисунок 5.2 – Разделение диапазона напряжений при бинарном

кодировании информации

При потенциальном кодировании (рисунок 5.3, а) состоянию «1» соответствует один уровень напряжения (например, высокий при положительной логике), а состоянию «0» – другой (соответственно низкий). Потенциальный сигнал сохраняет свой уровень в течение всего такта Dt, а его значение в переходные моменты не является определенным.

а б

Рисунок 5.3 – Потенциальный (а) и импульсный (б) способы

представления информации

При импульсном кодировании (рисунок 5.3, б) единичное и нулевое логическое состояние отображаются, соответственно, наличием и отсутствием импульса напряжения в соответствующем такте.

Для того чтобы согласовать функционирование отдельных элементов и узлов цифровых устройств, обеспечить их переключения из одного состояния в другое только в строго фиксированные моменты дискретного времени (на границах тактов), цифровые устройства, как правило, содержат генератор тактовых импульсов (ГТИ), вырабатывающий синхронизирующие сигналы (СС) (или тактовые импульсы (ТИ)). Синхронизирующий сигнал представляет собой непрерывную последовательность коротких прямоугольных импульсов, как правило, с высокой стабильностью периода повторения.