Уровни представления цифровых устройств

Все цифровые устройства строятся из логических микросхем, каждая из которых (рис. 1.3) обязательно имеет следующие выводы (или, как их еще называют в просторечии, "ножки"):

• выводы питания: общий (или "земля") и напряжения питания (в большинстве случаев — +5 В или +3,3 В), которые на схемах обычно не показываются;
• выводы для входных сигналов (или ""входы"), на которые поступают внешние цифровые сигналы;
• выводы для выходных сигналов (или "выходы"), на которые выдаются цифровые сигналы из самой микросхемы.

Каждая микросхема преобразует тем или иным способом последовательность входных сигналов в последовательность выходных сигналов. Способ преобразования чаще всего описывается или в виде таблицы (так называемой таблицы истинности), или в виде временных диаграмм, то есть графиков зависимости от времени всех сигналов.

Рис. 1.3. Цифровая микросхема

Все цифровые микросхемы работают с логическими сигналами, имеющими два разрешенных уровня напряжения. Один из этих уровней называется уровнем логической единицы (или единичным уровнем), а другой — уровнем логического нуля (или нулевым уровнем). Чаще всего логическому нулю соответствует низкий уровень напряжения, а логической единице — высокий уровень. В этом случае говорят, что принята "положительная логика". Однако при передаче сигналов на большие расстояния и в системных шинах микропроцессорных систем порой используют и обратное представление, когда логическому нулю соответствует высокий уровень напряжения, а логической единице — низкий уровень. В этом случае говорят об "отрицательной логике". Иногда логический нуль кодируется положительным уровнем напряжения (тока), а логическая единица — отрицательным уровнем напряжения (тока), или наоборот. Есть и более сложные методы кодирования логических нулей и единиц. Но мы в основном будем говорить о положительной логике.

Для описания работы цифровых устройств используют самые различные модели, отличающиеся друг от друга сложностью, точностью, большим или меньшим учетом тонких физических эффектов. В основном эти модели используются при компьютерных расчетах цифровых схем. В настоящее время существуют компьютерные программы, которые не только рассчитывают готовые схемы, но способны и проектировать новые схемы по формализованным описаниям функций, которые данное устройство должно выполнять. Это довольно удобно, но ни одна программа никогда не может сравниться с человеком. По-настоящему эффективные, минимизированные по аппаратуре, наконец, красивые схемы может разрабатывать только человек, который всегда подходит к проектированию творчески и использует оригинальные идеи.

Разработчик цифровой аппаратуры тоже использует своеобразные модели или, как еще можно сказать, различные уровни представления цифровых схем. Но, в отличие от компьютера, человек может гибко выбирать нужную модель — ему надо только взглянуть на схему, чтобы понять, где достаточно простейшей модели, а где требуется более сложная. То есть человек никогда не будет делать лишней, избыточной работы и, следовательно, не будет вносить дополнительных ошибок, свойственных любой, даже самой сложной, модели. Правда, простота цифровых устройств по сравнению с аналоговыми обычно не провоцирует на чересчур серьезные ошибки.

В подавляющем большинстве случаев для разработчика цифровых схем достаточно трех моделей, трех уровней представления о работе цифровых устройств:

1. Логическая модель.

2. Модель с временными задержками.

3. Модель с учетом электрических эффектов (или электрическая модель).

Опыт показывает, что первой, простейшей модели достаточно примерно в 20% всех случаев. Она применима для всех цифровых схем, работающих с низкой скоростью, в которых быстродействие не принципиально. Привлечение второй модели, учитывающей задержки срабатывания логических элементов, позволяет охватить около 80% всех возможных схем. Ее применение необходимо для всех быстродействующих устройств и для случая одновременного изменения нескольких входных сигналов. Наконец, добавление третьей модели, учитывающей входные и выходные токи, входные и выходные сопротивления и емкости элементов, дает возможность проектирования практически 100% цифровых схем. В первую очередь, эту третью модель надо применять при объединении нескольких входов и выходов, при передаче сигналов на большие расстояния и при нетрадиционном включении логических элементов (с переводом их в аналоговый или в линейный режимы).

Для иллюстрации работы перечисленных моделей рассмотрим работу самого простейшего логического элемента - инвертора. Инвертор изменяет (инвертирует) логический уровень входного сигнала на противоположный уровень выходного сигнала или, как еще говорят, изменяет полярность логического сигнала. Его таблица истинности (табл. 1.1) элементарно проста, так как возможно только две ситуации: нуль на входе или единица на входе. На рис. 1.4 показано, как будет выглядеть выходной сигнал инвертора при использовании трех его моделей (трех уровней его представления). Такие графики логических сигналов называются временными диаграммами, они позволяют лучше понять работу цифровых схем.

Из рисунка видно, что в первой, логической модели считается, что элемент срабатывает мгновенно, любое изменение уровня входного сигнала сразу же, без всякой задержки приводит к изменению уровня выходного сигнала. Во второй модели выходной сигнал изменяется с некоторой задержкой относительно входного. Наконец, в третьей модели выходной сигнал не только задерживается по сравнению с входным, но и его изменение происходит не мгновенно - процесс смены уровней сигнала (или, как говорят, фронт сигнала) имеет конечную длительность. Кроме того, третья модель учитывает изменение уровней логических сигналов.

Рис. 1.4. Три уровня представления цифровых устройств

На практике разработчик, как правило, в начале проектирования пользуется исключительно первой моделью, а затем для некоторых узлов применяет вторую или (реже) еще и третью модель. При этом первая модель не требует вообще никаких цифровых расчетов, для нее достаточно только знание таблиц истинности или алгоритмов функционирования микросхем. Вторая модель предполагает расчет (по сути, суммирование) временных задержек элементов на пути прохождения сигналов (рис. 1.5). В результате этого расчета может выясниться, что требуется внесение изменений в схему.

Рис. 1.5. Суммирование задержек элементов

Рис. 1.6. Суммирование входных токов элементов

Расчеты по третьей модели могут быть различными, в том числе и довольно сложными, но в большинстве случаев они все-таки сводятся всего лишь к суммированию входных и выходных токов логических элементов (рис. 1.6). В результате этих расчетов может выясниться, что требуется применение микросхем с более мощными выходами или включение дополнительных элементов.

То есть проектирование цифровых устройств принципиально отличается от проектирования аналоговых устройств, при котором сложные расчеты абсолютно неизбежны. Разработчик цифровых устройств имеет дело только с логикой, с логическими сигналами и с алгоритмами работы цифровых микросхем. А что происходит внутри этих микросхем, для него практически не имеет значения.

Справочные данные на цифровые микросхемы обычно содержат большой набор параметров, каждый из которых можно отнести к одному из трех перечисленных уровней представления, к одной из трех моделей.

Например, таблица истинности микросхемы (для простых микросхем) или описание алгоритма ее работы (для более сложных микросхем) относится к первому, логическому уровню. Поэтому знать их наизусть каждому разработчику необходимо в любом случае.

Величины задержек логических сигналов между входами и выходами относятся ко второму уровню представления. Типичные величины задержек составляют от единиц наносекунд (1 нс = 10^-9 с) до десятков наносекунд. Величины задержек для разных микросхем могут быть различными, поэтому в справочниках всегда указывается максимальное значение. Необходимо также помнить, что задержка при переходе выходного сигнала из единицы в нуль (t_PHL), как правило, отличается от задержки при переходе выходного сигнала из нуля в единицу (t_PLH). Например, для одной и той же микросхемы t_PLH<11 нс, а t_PHL<8 нс. Здесь английская буква P означает Propagation (распространение), L означает Low (низкий уровень сигнала, нуль), а H — High (высокий уровень сигнала, единица). Количество величин задержек, определяемых справочником для микросхемы, может изменяться от двух до нескольких десятков.

Уровни входных и выходных токов, а также уровни входных и выходных напряжений относятся к третьему уровню представления.

Входной ток микросхемы при приходе на вход логического нуля (I_IL), как правило, отличается от входного тока при приходе на вход логической единицы (I_IH). Например, I_IL = – 0,1 мА, а I_IH = 20 мкА (считается, что положительный ток втекает во вход микросхемы, а отрицательный — вытекает из него). Точно так же выходной ток микросхемы при выдаче логического нуля (I_OL) может отличаться (и обычно отличается) от выходного тока при выдаче логической единицы (I_OH). Например, для одной и той же микросхемы I_OH<– 0,4 мА,а I_OL <8 мА (считается, что положительный ток втекает в выход микросхемы, а отрицательный — вытекает из него). Надо также учитывать, что разные входы и выходы одной и той же микросхемы могут иметь различные входные и выходные токи.

Для выходных напряжений логического нуля (U_OL) и единицы (U_OH) в справочниках обычно задаются предельно допустимые значения при данной величине выходного тока. В этом случае, чем больше выходной ток, тем меньше напряжение логической единицы и тем больше напряжение логического нуля. Например, U_OH > 2,5 В (при I_OH<–0,4 мА),а U_OL<0,5 В (при I_OL < 8 мА).

Задаются в справочниках также и допустимые уровни входных напряжений, которые микросхема еще воспринимает как правильные логические уровни нуля и единицы. Например, U_IH > 2,0 В, U_IL < 0,8 В. Как правило, входные напряжения логических сигналов не должны выходить за пределы напряжения питания.

В обозначениях напряжений и токов буква I означает Input (вход), буква O означает Output (выход), L — Low (нуль), а H — High (единица).

К третьему уровню представления относятся также величины внутренней емкости входов микросхемы (обычно от единиц до десятков пикофарад) и допустимая величина емкости, к которой может подключаться выход микросхемы, то есть емкость нагрузки C_L (порядка 100 пФ). Отметим, что 1 пФ = 10^-12 Ф. На этом же уровне представления задаются максимально допустимые величины длительности положительного фронта (t_LH) и отрицательного фронта (t_HL) входного сигнала, например, t_HL < 1,0 мкс, t_LH < 1,0 мкс. То есть при большей длительности перехода входного сигнала из единицы в нуль и из нуля в единицу микросхема может работать неустойчиво, неправильно, нестандартно.

К третьему уровню представления можно отнести также такие параметры, как допустимое напряжение питания микросхемы (U_CC) и максимальный ток, потребляемый микросхемой (I_CC). Например, может быть задано

При этом потребляемый ток I_CC зависит от уровней выходных токов микросхемы I_OH и I_OL. Эти параметры надо учитывать при выборе источника питания для проектируемого устройства, а также в процессе изготовления печатных плат — при выборе ширины токоведущих дорожек.

Наконец, к третьему же уровню относится ряд параметров, которые часто упоминаются в литературе, но не всегда приводятся в справочных таблицах:

• Порог срабатывания — уровень входного напряжения, выше которого сигнал воспринимается как единица, а ниже — как нуль. Для наиболее распространенных ТТЛ микросхем он примерно равен 1,3...1,4 В.
• Помехозащищенность — характеризует величину входного сигнала помехи, накладывающегося на входной сигнал, который еще не может изменить состояние выходных сигналов. Помехозащищенность определяется разницей между напряжением U_IH и порогом срабатывания (это поме­хо­за­щищенность единичного уровня), а также разницей между порогом срабатывания и U_IL (это помехозащищенность нулевого уровня).
• Коэффициент разветвления — число входов, которое может быть подключено к данному выходу без нарушения работы. Определяется отношением выходного тока к входному. Стандартная величина коэффициента разветвления при использовании микросхем одного типа (одной серии) равна 10.
• Нагрузочная способность — параметр выхода, характеризующий величину выходного тока, которую может выдать в нагрузку данный выход без нарушения работы. Чаще всего нагрузочная способность прямо связана с коэффициентом разветвления.

Таким образом, большинство справочных параметров микросхемы относятся к третьему уровню представления (к модели с учетом электрических эффектов), поэтому в большинстве случаев (до 80%) знать их точные значения наизусть не обязательно. Достаточно помнить примерные типовые значения параметров для данной серии микросхем.