Микросхемы комбинационного типа малой степени интеграции и их применение при синтезе КЦУ.

Под комбинационным цифровым устройством (КЦУ) понимается цифровое устройство, обеспечивающее преобразование совокупности n входных цифровых сигналов в m выходных. Основной особенностью КЦУ является то, что состояние его выходных сигналов в данный момент времени определяется состоянием входных сигналов в этот же момент времени. Иными словами, КЦУ “не помнит” предыстории поступления сигналов на его входы. На основе КЦУ может быть построена логическая часть цифрового измерительного преобразователя. Правила функционирования КЦУ принято задавать таблицей истинности реализуемой им ФАЛ, в которой указывают возможные комбинации входных сигналов (входных переменных ФАЛ) и соответствующие им значения выходных (значения ФАЛ). Отсюда и название – «комбинационные» устройства или схемы.

Реализация КЦУ предполагает выбор определенных логических элементов из заданного набора и их соединение в единую структуру таким образом, чтобы обеспечивалась зависимость цифровых выходных сигналов от входных. Для этих целей имеется широкая номенклатура интегральных микросхемы комбинационного типа малой степени интеграции, образующих основу элементной базы цифровой электроники. Такие микросхемы реализуют элементарные переключательные функции (таблица 8.2) на основе базовых логических элементов соответствующих технологий. Некоторые микросхемы обладают нестандартными для своих технологий электрическими параметрами или являются согласующими буферными элементами. При выборе конкретной микросхемы необходимо руководствоваться реализуемой ею логической функции, быстродействием, нагрузочной способностью и возможностью совместимости электрических характеристик входных и выходных сигналов с остальными элементами схемы.

На рис. 8.5 приведены примеры условных графических обозначений некоторых микросхем комбинационного типа малой степени интеграции ТТЛ (ТТЛШ) и КМОП серий. Функция микросхемы в УГО задается символом соответствующей логической операции, а в маркировке – буквенным сокращением, следующим за номером серии. Например, функции И-НЕ соответствует буквенное сокращение «ЛА» в маркировке микросхемы. Если микросхема обладает стандартными параметрами для своей серии, ее УГО не сопровождается никаким дополнительным признаком. Так микросхемы К155ЛА2 и К155ЛА3 и их аналоги обладают стандартными параметрами в своих сериях и реализуют функцию И-НЕ. Первая из них в одном корпусе содержит один восьмивходовый элемент и описывается структурной записью 8И-НЕ, а вторая – четыре двухвходовых элемента с записью внутренней структуры 4-2И-НЕ. Если микросхема обладает повышенной нагрузочной способностью по сравнению с типовым значением для данной серии, в ее УГО проставляется значок « », например, как это показано для микросхем ЛА6.

Рис. 8.5. Примеры микросхем комбинационного типа малой степени интеграции.

Часто выходы микросхем выполняют по схеме с открытым коллектором (открытым истоком для КМОП микросхем), о чем свидетельствует обозначение « » в УГО рядом с соответствующими выходами. Это позволяет задавать выходные напряжения логической единицы, отличные от стандартных значений при помощи так называемых внешних подтягивающих резисторов или иных цепей, подключающих выходы этих микросхем к источнику напряжения необходимого уровня. Выбор номинала сопротивления подтягивающего резистора должен обеспечивать выходной ток логического нуля элемента не превышающий допустимого значения. Такая организация выходов также позволяет подключать к микросхеме нагрузку, управляемую током логического нуля, например, светодиодные индикаторы измерительных приборов или реле без дополнительных согласующих каскадов при условии достаточной нагрузочной способности микросхемы (например, микросхема К155ЛА18).

Отдельно следует отметить класс микросхем, выходы которых способны принимать третье пассивное Z-состояние или, как его еще называют, высокоимпедансное состояние. Это состояние характеризуется высоким внутренним сопротивлением выходов, благодаря которому они оказываются как бы отключенными от информационных цепей схемы. Такая организация бывает необходима, когда выходы микросхем включаются в общую цепь или шину вместе с аналогичными выходами других устройств. Это позволяет исключить случаи одновременной выдачи в общую цепь несколькими микросхемами различных значений в виде различных уровней напряжений. Достигается это путем перевода выхода неактивной в данный момент времени микросхемы в высокоимпедансное состояние. Признаком наличия такого состояния является символ « » или буква «Z» у соответствующего вывода микросхемы или группы таких выводов. Примером микросхем с Z-состоянием являются микросхемы ЛА17 и ЛА19. Для управления состоянием выхода этих микросхем служит специальный управляющий вход выбора микросхемы Е (enable) с активным нулевым уровнем. При подаче на этот вход напряжения логической единицы выходы переходят в высокоимпедансное состояние, а при подаче напряжения логического нуля выходы остаются активными.

Существует множество микросхем, аналогичных рассмотренным, но выполняющих функции И, ИЛИ, ИЛИ-НЕ. В маркировке этих микросхем присутствует обозначение «ЛИ», «ЛЛ» и «ЛЕ» соответственно. Приведем в качестве примера микросхему К155ЛЕ3, которая содержит два четырехвходовых элемента ИЛИ-НЕ. Дополнительно каждый вход микросхемы объединен логической конъюнкцией со специальным входом, выполняющим синхронизирующую функцию (выводы 11 и 3 микросхемы). Таким образом, выполнение функции ИЛИ-НЕ входных сигналов будет возможно только в том случае, если на синхронизирующем входе будет присутствовать уровень логической единицы.

При построении цифровых схем используются микросхемы, содержащие в одном корпусе элементы, позволяющие реализовывать ФАЛ в базисе И-ИЛИ-НЕ. Примером может служить микросхема ЛР4, реализующая функцию 2-4И-ИЛИ-НЕ. В УГО микросхемы структурно выделяются элементы, выполняющие определенные функции, в виде отдельных прямоугольников. Функция, выполняемая данной микросхемой, может быть задана формулой .

В качестве мощного инвертора с Z-состоянием можно привести микросхему К155ЛН6. Для управления состояниями выходов в микросхеме предусмотрены два равноправных входа управления Е, объединенных логической конъюнкцией. При подаче хотя бы на один из этих входов логической единицы, все шесть выходов микросхемы переходят в высокоимпедансное состояние. При подаче на оба входа Е логических нулей, выходы остаются активными.

Микросхемы ЛП8 представляют четыре повторителя с повышенной нагрузочной способностью и возможностью независимого перевода каждого из выходов в высокоимпедансное состояние. Выход определенного повторителя активен при логическом нуле на его входе Е. При логической единице на входе Е, соответствующий выход переходит в Z-состояние.

Для обеспечения возможности обмена информацией между отдельными узлами цифровой схемы и между всей схемой и внешними устройствами служат буферные элементы. В качестве примера можно привести микросхему КР531АП2, представляющую четыре пары мощных повторителей с открытым коллектором. Управление режимами работы микросхемы задается входами ЕА и ЕВ. Причем выводы С1…С4 являются двунаправленными, о чем свидетельствует символ « » в УГО микросхемы, т.е. они могут выполнять функции как входов, так и выходов. Логика управления следующая: при ЕА=0 и ЕВ=1 информация с входов А1…А4 передается на выходы С1…С4; при ЕА=1 и ЕВ=0 выводы С1…С4 выполняют функцию входов и информация с них передается на выходы В1…В4; при ЕА=1 и ЕВ=1 выходы В1…В4 и С1…С4 переходят в высокоимпедансное состояние. Одновременная подача на входы ЕА и ЕВ логических нулей не допускается. В качестве примера другого буферного элемента можно привести широко используемые микросхемы К555АП6 и КР1533АП6, представляющие восемь мощных двунаправленных буферов, управляемых входами Е и Т. При Е=0 буферные выводы А1…А8 и В1…В8 включены, при Е=1 все буферные выводы находятся в высокоимпедансном состоянии. Вход Т задает направление передачи: при Т=1 выводы А1…А8 являются входами, а выводы В1…В8 – выходами; при Т=0 – наоборот, информация будет передаваться с выводов В1…В8 на выводы А1…А8.

При выборе цифровых микросхем необходимо учитывать возможность согласования энергетических уровней их входных и выходных сигналов. Одним из способов согласования выходных уровней ТТЛ с входными КМОП является выбор микросхем ТТЛ-типа с открытыми коллекторами. Для формирования КМОП уровней выходы этих микросхем подключают к источнику напряжения необходимого уровня через подтягивающие резисторы. Существуют специально разработанные для этих целей микросхемы согласования уровней. Микросхемы К561ПУ4 и КР1561ПУ, являясь повторителями, позволяют на свои входы подавать сигналы с выходов КМОП-микросхем, а выходы подключать к микросхемам ТТЛ-типа. Таким образом, эти микросхемы являются преобразователями уровня КМОП в ТТЛ. Микросхема К561ПУ8 осуществляет обратное преобразование, т.е. ТТЛ-уровни преобразует в КМОП. Микросхема 564ПУ6 осуществляет преобразование ТТЛ-уровней в КМОП, при этом ее выходы могут независимо переводиться в высокоимпедансное состояние управляющими входами Е. При Е=1 соответствующий выход активен, а при Е=0 – переходит в высокоимпедансное состояние. Следует отметить, что многие микросхемы преобразователей уровня имеют выводы для подключения двух источников питания. Первым источником питания является источник с напряжением 5 В, который осуществляет питание части каскадов микросхемы с ТТЛ-цепями. Напряжение питания КМОП-цепей микросхемы преобразователя уровня выбирается таким же, каким питаются все остальные КМОП-микросхемы цифрового устройства, и оно может иметь значение от 5 до 15 В.

При работе цифровых измерительных устройств с зашумленными помехами входными сигналами или при формировании логических уровней напряжения из тракта аналогового сигнала применяются логические элементы с гистерезисной переходной характеристикой, называемые триггерами Шмита. При плавном изменении входного сигнала у триггера Шмита происходит скачкообразное изменение выходного, причем пороги срабатывания при переходе из нуля в единицу и из единицы в нуль отличаются. Это позволяет исключить эффект дребезга, заключающийся в ложном переключении элемента при входном напряжении, имеющем уровень, близкий к пороговому, или при уровне помех, амплитуда которых модулирует амплитуду входного сигнала до порогового уровня. Признаком функции триггера Шмита является символ « » в УГО микросхемы. Примером может служить микросхема ТЛ3, содержащая четыре двухвходовых элемента И-НЕ с функцией триггера Шмита.

Приведенные особенности, обозначения и функции характерны не только для микросхем малой степени интеграции и их отдельных выводов, а отражают функциональность цифровых микросхем в целом. В предыдущей главе была рассмотрена схемотехника базовых логических элементов ТТЛ и КМОП серий, а также их основные параметры. С точки зрения включения в электрическую схему микросхемы ТТЛ, ТТЛШ и КМОП типов имеют свои особенности. Для большинства таких микросхем характерно общее правило подачи питания: напряжение питания подается на вывод с максимальным номером, а общий провод – на вывод с номером в два раза меньшим.

В случаях, когда часть входов элементов остается незадействованной, на неиспользуемые входы этих элементов необходимо подавать логические нули или логические единицы в зависимости от логики выполняемой операции. Подаче логического нуля на входы микросхем рассмотренных серий равносильно подключение их к общему проводу. Для подачи логической единицы на входы микросхемы ТТЛ типа 155 серии достаточно оставить их неподключенными. Входы микросхем ТТЛШ типа (555, 531, 1533 серий) и КМОП типа (561, 1561, 564 серий) оставлять неподключенными нельзя. Для подачи логической единицы на входы микросхем 155 и 531 серий можно их подключать к источнику питания +5 В через резистор сопротивлением 1 кОм (можно несколько объединенных входов подключать через один резистор). Входы микросхем серий 555 и 1533, а также КМОП микросхем (561, 1561, 564 серий) можно подключать к источнику питания непосредственно. Можно объединять неиспользуемые входы микросхем с используемыми. Но при этом следует учитывать, что входные токи логического нуля объединенных входов возрастают, увеличивая нагрузку на микросхему-источник сигнала. Также увеличивается потребляемый ток микросхемы, входы которой объединяются. При проектировании схемы цифрового устройства необходимо обращать внимание на то, чтобы входы микросхем во время работы не оставались неподключенными. Например, в момент коммутации источника сигнала кнопкой или переключателем, когда их контакт остается как бы в воздухе. Это снижает помехоустойчивость элемента и может привести к ложному срабатыванию. В этом случае данный вход необходимо подключать через резистор на цепь питания или общий провод в зависимости от логики работы устройства.

Приведенные в качестве примеров микросхемы составляют лишь незначительный объем из всей номенклатуры элементной базы. На практике используется значительно большее количество микросхем, ассортимент которых постоянно растет. Эти микросхемы являются базовыми элементами при построении более сложных комбинационных цифровых устройств. В процессе проектирования любого устройства приходится выполнять ряд действий, которые могут быть отнесены к задачам синтеза.

Синтез КЦУ предусматривает построение структурной схемы устройства, т.е. определение состава необходимых логических элементов и соединений между ними, при которых обеспечивается преобразование входных цифровых сигналов в выходные в соответствии с заданными условиями работы устройства. В процессе синтеза цифровой части измерительного устройства обычно подразумевается необходимость не просто технической реализации с помощью элементной базы, но и минимизации аппаратных затрат на эту реализацию. Причем минимизация сводится как к поиску минимальной структурной формулы в виде СДНФ, которая представляется в базисе И-ИЛИ-НЕ, так и к преобразованию этой формулы к минимальному базису (например И-НЕ) с целью уменьшения типа используемых микросхем. Достигается это путем тождественных преобразований и законов алгебры логики. Рассмотрим синтез КЦУ с одним выходом. Последовательность синтеза целесообразно разбить на ряд этапов:

- запись условий функционирования КЦУ в виде таблицы истинности;

- запись по таблице истинности СДНФ;

- минимизация СДНФ в МДНФ;

- преобразование МДНФ с помощью законов и тождеств алгебры логики в заданном базисе, обычно И-НЕ, ИЛИ-НЕ;

- составление структурной схемы КЦУ, т.е. изображение нужных логических элементов и связей между ними;

- реализация структурной схемы микросхемами элементной базы.

Проиллюстрируем пример синтеза КЦУ на элементах И-НЕ для реализации произвольной логической функции, заданной таблицей истинности (таблица 8.3).

Таблица 8.3.

Составленная по таблице истинности СДНФ имеет вид

.

После выполнения процесса минимизации методами, рассмотренными ранее, получим МДНФ

.

Для перехода к заданному базису И-НЕ поставим два знака инверсии над правой частью формулы и применим к ней правило де Моргана. В результате получим структурную формулу в следующем виде

.

Из полученного выражения видно, что для реализации данного КЦУ необходимо проинвертировать входы переменных A и С, выполнить операцию И-НЕ над переменной D и проинвертированной переменной , результат которой также объединить операцией И-НЕ с проинвертированной переменной . Т.е. для синтеза устройства потребуется два инвертора и два двухвходовых элемента И-НЕ. Однако микросхемы двухвходовых элементов И-НЕ содержат в одном корпусе по четыре таких элемента (например, микросхема К555ЛА3 и ее аналоги). Т.е. два элемента И-НЕ должны остаться незадействованными. При этом пришлось бы выбрать еще одну микросхему, содержащую в своем корпусе шесть инверторов (например, микросхема КР1533ЛН10), задействовав в ней только два инвертора. Очевидно, что такая реализация не оптимальна, и можно обойтись только одним корпусом микросхемы К555ЛА3. Два элемента И-НЕ этой микросхемы задействовать в соответствии с полученной структурной формулой, а два включить в режим инверторов путем объединения их входов. Электрическая принципиальная схема синтезированного на основе заданных условий КЦУ приведена на рис. 8.6.

Рис. 8.6. Пример электрической принципиальной схемы КЦУ, работа которого задана таблицей 8.3.

На практике широко применяются КЦУ, имеющие несколько выходов. При проектировании таких устройств можно воспользоваться рассмотренным ранее аппаратом синтеза, если представить устройство в виде совокупности соответствующего числа КЦУ с общими входами.

Типовые КЦУ.

Любое КЦУ и логическую часть цифрового измерительного устройства вообще можно реализовать с использованием комбинационных микросхем малой степени интеграции. Однако при разработке узлов цифровых устройств существует класс типовых широко применяемых КЦУ со стандартными функциями, уже реализованных в виде интегральных микросхем. Такие микросхемы относятся к микросхемам средней степени интеграции и в сочетании с микросхемами малой степени интеграции применяются при реализации более сложных функций в цифровых схемах измерительных устройств. Перейдем к рассмотрению типовых комбинационных устройств.