Сложные логические элементы

Помимо простейших логических элементов, рассмотренных в предыдущих разделах, в состав стандартных серий входит и несколько более сложных логических элементов. Они представляют собой несложную комбинацию из простейших логических элементов. От более сложных комбинационных микросхем эти элементы отличаются именно очевидной сводимостью к простейшим элементам. Поэтому в справочниках обычно даже не приводятся таблицы истинности этих элементов.

Рис. 4.5. Логический элемент ЛР1 и его эквивалентная схема

Типичный пример сложного логического элемента — ЛР1. В корпусе микросхемы содержится два элемента, каждый из которых представляет собой комбинацию из двух элементов 2И и одного элемента 2ИЛИ-НЕ (рис. 4.5). По такому же принципу строятся и другие микросхемы ЛР. Разница между ними только в количестве элементов И и в количестве входов этих элементов (рис. 4.6). Некоторые из микросхем ЛР (ЛР1, ЛР3) допускают подключение к специальным входам микросхем расширителей ЛД, хотя такое расширение применяется на практике довольно редко. Микросхема ЛР10 отличается от ЛР9 выходом ОК.

Рис. 4.6. Примеры логических элементов ЛР

Рис. 4.7. Примеры использования элементов ЛР1

На рис. 4.7 приведено несколько примеров наиболее типичных применений микросхемы ЛР1. Самое распространенное ее использование (а) состоит в организации двухканального мультиплексирования, то есть в переключении сигналов с двух входов на один выход. При этом один из входов каждого из элементов 2И используется в качестве информационного, а другой — в качестве разрешающего. Вариант этого включения (б) — использование одного управляющего входа переключения каналов и дополнительного инвертора. При единице на управляющем входе работает верхний канал, при нуле — нижний. Еще один вариант использования элемента ЛР1 (в) — смешивание двух отрицательных входных сигналов с возможностью разрешения/запрета выходного сигнала. Наконец, последний показанный на рисунке вариант (г) — смешивание двух положительных сигналов, один из которых может быть разрешен или запрещен. То есть такое объединение в одном элементе функций И и ИЛИ довольно удобно.

На других элементах ЛР можно строить более сложные схемы. Например, элемент ЛР9 позволяет построить четырехканальный мультиплексор, так как в его структуре четыре элемента И и элемент 4ИЛИ-НЕ. Однако в большинстве случаев применение элементов ЛР для мультиплексирования оказывается не слишком удобным, так как в стандартных сериях имеются специальные микросхемы мультиплексоров с более удобным управлением.

Рис. 4.8. Использование элементов ЛР в качестве элементов 2И-НЕ и 2ИЛИ-НЕ

При необходимости элементы ЛР1 могут использоваться в качестве более простых элементов 2И-НЕ и 2ИЛИ-НЕ (рис. 4.8). Элемент 2ИЛИ-НЕ получается при попарном объединении входов. Элемент 2И-НЕ получается при отключении половины схемы путем подачи нулей на два входа. При желании можно, конечно, свести элемент ЛР даже к простому инвертору, но это, наверное, уже недопустимая роскошь.

К сложным логическим элементам, помимо ЛР, можно отнести также и элементы И-НЕ с выходом 3С (например, ЛА17 — 4И-НЕ, ЛА19 — 12И-НЕ). Их можно рассматривать как комбинацию обычного элемента И-НЕ и выходного буфера с выходом 3С. Наличие дополнительного управляющего входа EZ и выход 3С создают принципиально новые возможности применения этих элементов. Например, их можно использовать для работы на мультиплексированную или двунаправленную линию, при этом они еще и выполняют функцию И-НЕ над входными сигналами. Но на практике значительно чаще элемент ЛА19 используют как самый обычный элемент 12И-НЕ с выходом 2С, для чего на управляющий вход EZ постоянно подается сигнал логического нуля.

Среди элементов И, ИЛИ, ИЛИ-НЕ элементы с выходом 3С отсутствуют.

Триггеры Шмитта

Триггеры Шмитта представляют собой специфические логические элементы, специально рассчитанные на работу с входными аналоговыми сигналами. Они предназначены для преобразования входных аналоговых сигналов в выходные цифровые сигналы. Появление таких микросхем связано в первую очередь с необходимостью восстановления формы цифровых сигналов, искаженных в результате прохождения по линиям связи. Фронты таких сигналов оказываются пологими, в результате чего форма сигналов вместо прямоугольной может стать близкой к треугольной или синусоидальной. К тому же сигналы, передаваемые на большие расстояния, сильно искажаются шумами и помехами. Восстановить их форму в исходном виде, устранить влияние помех и шумов как раз и призваны триггеры Шмитта.

На первом и втором уровнях представления (логическая модель и модель с временными задержками) триггеры Шмитта представляют собой обычные логические элементы, которые с определенной задержкой распространения выполняют логическую функцию над входными цифровыми сигналами. Но на третьем уровне представления их отличие от обычных логических элементов очень существенно.

Рис. 4.9. Передаточные характеристики обычного инвертора и триггера Шмитта с инверсией

Если построить график зависимости выходного напряжения элемента от входного (передаточную характеристику), то для триггера Шмитта он будет гораздо сложнее, чем для обычного элемента (рис. 4.9).

В случае обычного элемента с инверсией (а) при входных напряжениях ниже определенного порога срабатывания Uпор выходной сигнал имеет высокий уровень, а при входных напряжениях выше этого порога U_пор — низкий уровень. При этом не имеет значения, возрастает входное напряжение или убывает.

А в случае триггера Шмитта с инверсией (б) принципиально как раз направление изменения сигнала. При возрастании входного сигнала от нуля до напряжения питания порог срабатывания будет одним (U_пор1), а при уменьшении сигнала от напряжения питания до нуля — другим (U_пор2), причем U_пор1 > U_пор2. В результате на графике образуется своеобразная петля. Выходной сигнал как бы запаздывает переключаться при возврате входного к исходному уровню. Это называется эффектом гистерезиса (запаздывания).

Наличие гистерезиса приводит к тому, что любой шум, любые помехи с амплитудой, меньшей величины (U_пор1 – U_пор2), отсекаются, а любые фронты входного сигнала, даже самые пологие, преобразуются в крутые фронты выходного сигнала. Главное — чтобы амплитуда входного сигнала была большей, чем (U_пор1 – _Uпор2). На рис. 4.10 показано, как будет реагировать на сигнал с пологими фронтами и с шумами обычный инвертор и триггер Шмитта с инверсией.

Рис. 4.10. Реакция на искаженный входной сигнал инвертора (слева) и триггера Шмитта с инверсией (справа)

В стандартные серии цифровых микросхем входят триггеры Шмитта, представляющие собой инверторы (ТЛ2 — 6 инверторов), элементы 2И-НЕ (ТЛ3 — 4 элемента) и элементы 4И-НЕ (ТЛ1 — 2 элемента). Пороговые напряжения составляют для всех этих микросхем около 1,7 В (U_пор1) и около 0,9 В (U_пор2). Графическое обозначение триггера Шмитта представляет собой упрощенное изображение его передаточной характеристики с гистерезисом (рис. 4.11).

Наиболее распространенное применение триггеров Шмитта — это формирователь сигнала начального сброса по включению питания схемы. Необходимость такого сигнала сброса вызвана тем, что при включении питания выходные сигналы сложных микросхем, имеющих внутреннюю память (например, регистров, счетчиков), могут принимать произвольные значения, что не всегда удобно. Привести их в необходимое состояние (чаще всего — установить их в нуль) как раз и призван сигнал начального сброса.

Рис. 4.11. Триггеры Шмитта

Рис. 4.12. Формирователь импульса начальной установки по включению питания

Для формирования сигнала начального сброса используется простая RC-цепочка, причем конденсатор берется с большой емкостью. Напряжение на конденсаторе при включении питания нарастает медленно, в результате чего на выходе триггера Шмитта формируется положительный импульс (рис. 4.12). Использовать для этого обычный инвертор не рекомендуется.

Точно так же триггеры Шмитта рекомендуется применять во всех случаях, когда с помощью емкости формируется сигнал с пологими, затянутыми фронтами. В отличие от обычных логических элементов, триггеры Шмитта всегда обеспечивают надежную и стабильную работу. Правда, надо учитывать, что триггеры Шмитта имеют несколько большую задержку, чем обычные логические элементы.

Еще одно применение использование триггера Шмитта состоит в построении генераторов импульсов. В отличие от генераторов на обычных инверторах, в данном случае схема получается гораздо проще: достаточно всего лишь одного инвертирующего триггера Шмитта, одного резистора (порядка сотен Ом) и одного конденсатора (рис. 4.13). При этом очень удобно, что конденсатор одним выводом присоединен к общему проводу, к "земле". Это позволяет применять электролитические конденсаторы большой емкости, а также переменные конденсаторы. Использование двухвходовых триггеров Шмитта дает возможность легко разрешать или запрещать генерацию с помощью управляющего сигнала Разр. При уровне логической единицы на входе Разр. генерация идет, при уровне логического нуля генерации — нет.

Рис. 4.13. Управляемый генератор на триггере Шмитта

Нестандартные триггеры Шмитта можно строить также на основе самых обычных логических элементов с обратной связью через резисторы. При этом путем подбора величин этих резисторов можно выбирать значения пороговых напряжений триггера Шмитта.

Для примера на рис. 4.14 показана схема триггера Шмитта на инверторах, которая работает с входными сигналами, симметричными относительно нулевого уровня. Такие сигналы могут быть, например, в передающем кабеле с трансформаторной развязкой. В данном случае триггер Шмитта не только позволяет восстановить искаженную форму сигнала, но еще и усиливает сигнал, а также сдвигает его уровни до значений стандартных нуля и единицы.

Рис. 4.14. Триггер Шмитта, построенный на обычных логических элементах

Но чаще всего вполне хватает возможностей стандартных триггеров Шмитта, которые не требуют включения внешних элементов и имеют гарантированные характеристики.

Наконец, последнее применение триггеров Шмитта, которое мы здесь рассмотрим, состоит в подавлении так называемого дребезга контактов. Дело в том, что любой механический контакт (в кнопках, тумблерах, переключателях и т.д.) не замыкается и не размыкается сразу, мгновенно. Любое замыкание и размыкание сопровождается несколькими быстрыми замыканиями и размыканиями, приводящими к появлению паразитных коротких импульсов, которые могут нарушить работу дальнейшей цифровой схемы. Триггер Шмитта с RC-цепочкой на входе позволяет устранить этот эффект (рис. 4.15).

Рис. 4.15. Триггер Шмитта, построенный на обычных логических элементах

Конденсатор заряжается и разряжается довольно медленно, в результате чего короткие импульсы подавляются и не проходят на выход триггера Шмитта. Номинал верхнего по схеме резистора должен в данном случае быть в 6–7 раз больше номинала нижнего, чтобы резистивный делитель при замкнутом тумблере давал на входе триггера Шмитта уровень логического нуля. Сопротивления резисторов должны быть порядка сотен Ом — единиц килоОм. Емкость конденсатора может выбираться в широком диапазоне и зависит от того, какова продолжительность дребезга контактов конкретного тумблера.