Входной тест к УЭ № 12

Выберите правильный ответ.

1. В каком режиме работают: а) мультивибратор; б) одновибратор; в) блокинг-генератор?

1) а) в автоколебательном;

б) в ждущем;

в) в автоколебательном;

2) а) в ждущем;

б) в автоколебательном;

в) в автоколебательном. Р=3

3) а), б), в) в автоколебательном.

2. По какому закону изменяется напряжение в простейшем ГПН (R-С-цепь)?

а) по линейному;

б) по горизонтальному;

в) по экспоненциальному. Р=3

3. Ответьте на вопросы: а) сколько каскадов содержит одновибратор; б) в каком состоянии находится vТ₁; в) в каком состоянии находится vТ₂, если запускающего импульса нет?

1) а) два; 2) а) три; 3) а) один;

б) закрыт; б) открыт; б) открыт;

в) открыт; в) открыт. в) закрыт. Р=3

4. Почему нельзя заменить блокинг-генератор мультивибратором?

а) малая амплитуда колебаний;

б) большая скважность;

в) малая скважность. Р=3

 

В обычных системах автоматики информация о внешних воздействиях на объект управления фиксируется в виде измене тех или иных параметров электрических сигналов. Затем после соответствующей обработки, усиления, преобразования и срав­нения вырабатывается управляющее воздействие на исполнительные механизмы.

Кроме того, управляющее воздействие формируется в ситуациях, когда одновременно совершаются два событиям более. На­пример, автомашинист поезда метрополитена должен привести состав в движение лишь при совпадении по меньшей мере двух факторов: путь свободен, все двери состава закрыты, Эти два со­бытия можно представить в виде двух импульсных сигналов, которые представляются в виде логических единиц. Если путь закрыт, то эта ситуация характеризуется логическим нулем а путь открыт – логической единицей (1). Двери открыты – логический нуль (0), а двери закрыты – логическая единица. Логическая операция совпадения представляется в виде произведе­ния одной ситуации – S₁ на другую ситуацию – S₂. Событие представляется выражением S₁ х S₂ = И. Математически это выражение имеет четыре решения: 0x0 = 0, 0x1=0, 1x0= 1. Когда И = 1, автомат выдает управляющий сигнал на движение поезда.

В описанной ситуации решение принимается по состоянию логических сигналов. Эти логические сигналы положены в основу двоичной системы счисления. Любое десятичное число, которыми мы пользуемся в повседневной жизни, можно перевести в двоичные числа. На основе двоичных чисел построена работа временных ЭВМ.

Вся обработка данных на сегодняшний день ведется на ЭВМ. Подавляющее большинство используемых в настоящее время ЭВМ и различных автоматических устройств и систем являются цифровыми. Их главной чертой является то, что они осуществляют обработку величин, представляющих собой цифры. В цифровой технике эти величины представляют обычно последовательности сигналов, имеющих всего два значения: нуль и единицу, и следующих друг за другом в определенные (дискретные) моменты времени. Вычислительные машины в своей логике работы кроме схемы И используют логические взаимосвязи схемы ИЛИ, а также и схемы НЕ.

Логические элементы на диодах и транзисторах

Под логическим элементом в общем виде будем понимать техническое устройство, предназначенное для реализации логичес­ких функций с помощью сигналов любой физической природы, При этом функционально обособленный логический элемент не обязательно представляет собой конструктивно отдельный модуль. Наоборот, в современной интегральной технике конструктивная единица – кристалл с выращенной на нем схемой, заключенный в корпус, содержит чаще всего объединение многих логических элементов. Системой логических элементов назовем набор или серию логических элементов, базирующихся на однотипных схем­ных и технических решениях и предназначенных для изготовле­ния произвольных логических устройств.

Основные требования к логическому элементу базируются на особенностях, свойственных логическому устройству. Построение логического устройства, которое должно надежно и устойчиво фун­кционировать по любому алгоритму, требует от системы логичес­ких элементов функциональной и технической полноты. Функци­ональная полнота обеспечивается логическими операциями И, ИЛИ, НЕ. Считается, что операции И и ИЛИ не являются неза­висимыми. Этот набор является избыточным. Вопрос функцио­нальной полноты значительно усложняется при современной ин­тегральной технологии. Даже при невысокой интеграции (всего десяти логических элементов на кристалле) уже нет возможности вывести из корпуса входы и выходы всех элементов. Общее число выводов от 10 элементов составит 30 (один элемент имеет два входа и один выход). Значительно сложнее обстоят дела при боль­шей интеграции.

При произвольном объединении элементов можно получить любой алгоритм по аналогии с тем, что с помощью буквенного письма набором букв можно записать любое слово. Эту сложность с интегральными микросхемами разрешают несколькими спосо­бами. Для малой и средней интеграции в набор вводят модуль, в котором объединяются два четырехвходовых или четыре двухвходовых элемента типа И-НЕ или ИЛИ-НЕ. Для больших интег­ральных схем применяют одно из трех возможных решений: для больших интегральных схем массового изготовления (калькулято­ры, электронные часы и др.) существует длительный период до-Водки схемы, в результате которого определяются все функцио­нальные свойства; большие схемы частного применения разрабатываются и изготавливаются автоматизированным способом, что позволяет избежать ошибок; изготавливаются такие большие схе­мы, функционирование которых может изменяться в зависимос­ти от внешних управляющих сигналов.

Кроме функциональной полноты система должна быть еще и технически полной. Это значит, что сигналы в любом месте логического устройства должны иметь значение, соответствую­щее принятому коду изображения логических переменных, в том числе и при изменении внешних условий. Логические эле­менты, объединенные в логическом устройстве, должны до­пускать: произвольное число разветвлений и объединений сигнала в любом месте цепи; соединение в последовательные цепи произвольной длины; произвольные обратные связи, охваты­вающие любое число логических элементов. В первом случае требуется от элементов способность работать как минимум на два элемента нагрузки и объединять сигналы хотя бы от двух элементов. Тогда произвольное разветвление и объединение могут быть реализованы за счет прямой и обратной иерархической структуры. По второму и третьему свойствам уровни сиг­налов, изображающих логические переменные на входах и вы­ходах всех элементов, должны лежать в одинаковых диапазонах.

 

Рис. 65. Логические элементы:

а – типы логики; б – диодная логическая схема И (электрическая схема); в – входные и выходные сигналы; г – диодно-транзисторная логическая схема; д – диодная логическая схема ИЛИ (электрическая схема); е – входные и выходные сигналы;

ж – диодный дешифратор; з – транзисторная логическая схема И-ИЛИ; и – электрические сигналы; к – транзисторная логическая схема И

Значению логического 0 должен соответствовать диапазон напряжений DU₀, а значению логической 1 – диапазон DU₁. Эти диапазоны не должны перекрываться. Неизбежный разброс зна­чений сигнала для разных элементов и в зависимости от внеш­них условий приводит к невозможности использовать весь диа­пазон сигнала. Промежуток между диапазонами сигналов 0 и 1 именуется зоной неопределенности. Для поддержания сигналов на заданном уровне логического элемента должны обладать со­вершенно определенной характеристикой вход-выход или пе­редаточной характеристикой.

В основу вычислительной техники положены логические эле­менты, которые выполняют следующие функции:

где Х₁, Х₂ –входные логические сигналы, Y – выходной логи­ческий сигнал.

Сигналы на входе и выходе логических устройств представля­ются высоким и низким уровнями напряжения. Этим двум состо­яниям ставятся в соответствие логические значения 1 и 0. В зави­симости от кодирования состояния двоичного сигнала различают; положительную и отрицательную логику (рис. 65 a).

На ранней стадии развития элементной базы вычислительной техники логические функции моделировались на диодах. Схе­ма И строилась на диодах, как показано на рис. 65 б, взаимо­связь входных и выходных сигналов показана на рис. 65 в.В ис­ходном состоянии U_1вх = U_2вх = 0. В схеме выполняются условия R₀ > > R₁, R₀> > R₂. От ис­точника питания с напряжением Е по резисторам протекает ток I = E/(R₀+ R/2) при R₁=R₂= R.

Диодный элемент схемы И имеет существенный недостаток. У него большое выходное сопротивление и она плохо работает при последовательном включении нескольких схем И. Возникает ослабление полезного сигнала. Устранить этот недостаток можно с помощью транзистора (рис. 65 г).

На диодах можно построить вторую логическую структуру – ИЛИ (рис. 65 д). Здесь при U_1вх = U_2вх = 0 на выходе U_вых = 0. Однако, как только U_1вх = 10 В, U_2вх = 0, на выходе U_вых = 10 В. Для случая U_1вх = 0 и U_2вх = 10 В на выходе U_вых = 10 В. Также при U_1вх = U_2вх = 10 В получим U_вых = 10 В. Полное взаимодействие сигналов диодной схемы ИЛИ показано на рис. 65 е.

Другие логические функции на диодах реализовать очень трудно. Но на диодах можно построить двоичный дешифратор (рис 65 ж).Если на входах Х₁ = 0 и Х₂, = 0 – то на вертикальных шинах 1 и 3 будет напряжение, равное нулю. На шины 2 и 4 через инверторы подается напряжение Е (Х₁ = 1 и Х₂, = 1). Значит, диоды VD1, VD2, VD5, VD6 будут открыты. На выходах 1, 2, 3 будет нулевой уровень. Вы­ход 1 имеет два закрытых диода (они образовали схему И) и на этом выходе будет сигнал логической единицы (лог.1 = Е).

Теперь подадим на вход 1 лог. 1 = Е (Х₁ = 1, Х₁, = 0). Тогда диоды VD1, VD2 закроются – а диоды VD3 и VD4 откроются. В результате выход 2 будет иметь два закрытых диода VD2 и VD7 и здесь появится сигнал лог. 1. Меняя набор входных сигналов мож­но получить сигнал лог. 1. на всех выходах.

Кроме диодных логических элементов возможна и транзистор­ная логика. В схеме, представленной на рис. 65 з, когда U_1вх = 0 и U_2вх = 0 на выходе формируется сигнал лог. 1. Для U_1вх = Е, U_2вх = 0 получим U_вых = 0. На рис. 65 ипоказано взаимодействие входных и выходных сигналов.

Работа второй транзисторной логической схемы, которая по­казана на рис. 65 к, описывается выражениями: 0 х 0=1; 0 х 1 = 1; 1 x0=1; 1x1=0.

Рассмотренная серия транзисторной логики не нашла широ­кого применения. Ее заменили многотранзисторные элементы, которые значительно превосходят предыдущие элементы по быс­тродействию и функциональным возможностям. На сегодняшний день разработано несколько серий микросхем, которые по функ­циональным возможностям перекрывают все потребности вычис­лительной техники.

Требования увеличения быстродействия и уменьшения потребляемой мощности вычислительных устройств привели к со­зданию многофункциональной серии цифровых МС. Серия пред­ставляет собой комплект МС, имеющих единое конструктив­но-технологическое исполнение. За 30 лет развития микроэлек­троники электронные ключи прошли следующие этапы: резистивно-транзисторная логика (РТЛ), диодно-транзисторная ло­гика (ДТЛ), транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ), эмиттерно-связанная логика (ЭСЛ), транзисторно-транзисторная ло­гика с диодами Шотки (ТТЛШ), интегрально-инжекционная логика (И²Л).

Наряду с биполярными схемами получили распространение МС на МДП-структурах.

Основные параметры МС: быстродействие; потребляемая мощность; помехоустойчивость; коэффициент разветвления (нагрузоч­ная способность); коэффициент объединения по входу.

Быстродействие определяет динамические параметры: t¹⁰ – время перехода из лог. 1 в лог. 0; t⁰¹ – время перехода из лог. 0 в лог.1; – время задержки включения; –время задержки вы­ключения; t_и – длительность импульса; f – рабочая частота.

В зависимости от вида технологии мощность, потребляемая логическим элементом, различна для каждого состояния. Одни элементы потребляют в статическом режиме большую мощность, которая незначительно увеличивается в момент переключения. Это относится к сериям ТТЛ и ЗСЛ. Другие элементы характе­ризуются значительным возрастанием потребляемого тока во время переключения. Примером таких схем являются МС копланарные металл-диэлектрик-полупроводник (КМДП), которые потребляют микроамперные токи, если нет переключающих сигналов. Допустимый предел статической помехоустойчивос­ти элемента ограничивает уровень входного напряжения, кото­рое не вызывает ложного срабатывания. Коэффициент разветв­ления по выходу определяет число входов аналогичных элемен­тов, которые можно подключить к выходу без нарушения рабо­тоспособности элемента. Нагрузочная способность элементов серий ТТЛ составляет 4... 10.

 

Тест для самоконтроля к УЭ № 12

Ответьте на вопрос.

1. Что понимается под логическим элементом? Р=1

2. Что понимается под таблицей истинности? Р=1

Выберите правильный ответ.

3. Что показывает временная диаграмма логического элемента?

а) состояние потенциалов в функции времени, зависящее от состояний потенциалов на входе;

б) величину времени действия входного сигнала;

в) величину времени действия выходного сигнала. Р=3

4. Какие полупроводниковые приборы используют в логических элементах?

а) диоды;

б) транзисторы;

в) тиристоры. Р=3

5. Что называют неопределенностью в работе логических элементов?

а) промежуток между диапазонами сигналов 0 и 1;

б) непредсказуемость состояния на выходе, при изменении состояния на входе;

в) промежуточное состояние между «0» и «1». Р=3

6. Какую функцию выполняет логический элемент «И-НЕ»?

а) логическое сложение;

б) логическое умножение;

в) отрицание логического умножения. Р=3

7. В каких логических элементах транзисторы включаются последовательно?

а) в элементах «ИЛИ»;

б) в элементах «И»;

в) в элементах «НЕ». Р=3

8. Какой элемент производит инверсию электрического сигнала?

а) «И»; б) «ИЛИ»; в) «НЕ». Р=3

УЭ №13. Триггеры.

a	b	g	Кt	v
			0, 5

Форма организации учебного занятия: модульный урок.

После изучения данного УЭ Вы будете:

иметь представление:

– о триггерах;

знать:

– принцип построения, устройство и принцип работы;

уметь:

– строить временные диаграммы состояний триггера по таблицам истинности;

– определять параметры;

– делать анализ.