Оптоэлектроника Электроника полупроводников Волоконно-оптический световод Мультиплексоры и демультиплексоры Фотопроводимость Фотодиоды

Лабораторные работы по оптоэлектронике Передача информации по оптоволокну

Типы логических микросхем и структура ТТЛ

В корпусе микросхемы содержится несколько логических элементов. Типы логических микросхем:

 1. ТТЛ - транзисторно-транзисторная логика.

Выпускаются серии: К133, К155, К555, К1531, К1533.

 2. КМОП - микросхемы на основе комплементарных полевых транзисторов по структуре металл-окисел-полупроводник: К176, К561, К1561.

 3. ЭСЛ - эмиттерно-связанная логика: К500.

Структура ТТЛ логического элемента 2И-НЕ. На входе схемы используется многоэмиттерный транзистор VT1, который имеет 2 эмиттера для организации двух входов. VT2,VT3 образуют усилительные каскады.

Рассмотрим работу схемы. При нулевом сигнале на входе 1 протекает ток через R1,Б-Э VT1, ключ Кл на общую точку ОТ. VT1 работает в ключевом режиме, на эмиттер подан ноль, напряжение на базе составляет примерно 0,6в. Тогда через переход Б-К транзистора VT1 и базовые переходы транзисторов VT2, VT3 ток протекать не может, т.к. эта цепь закорочена переходом Б-Э VT1. Значит, ток через Б-Э VT2 и Б-Э VT3 отсутствует, транзисторVT3 закрыт, напряжение питания приложено к выводам  К-Э VT3, следовательно, напряжение на выходе схемы соответствует 1. Логический элемент по одному из входов реализует логическую функцию НЕ (0 на входе, 1 на выходе).

При 1 на входе ток по входной цепи протекать не может. Закоротка Б-К VT1 отсутствует. Ток протекает по цепи +5В, R1, Б-К VT1, Б-Э VT2, Б-Э VT3.Транзистор VT3 открыт. Он закорачивает выход с ОТ, что соответствует 0 на выходе.

Для реализации функции ИЛИ-НЕ в рассматриваемой структуре используют параллельное включение транзисторов. Схема элемента 2ИЛИ-НЕ. В этой схеме параллельно включены транзисторы VT2 и VT2'. Работу схемы поясняет таблица.

Основные функции И, ИЛИ, НЕ могут быть изображены в виде схем из контактов реле. Катушки реле являются входами таких схем. Элементу И соответствует последовательное соединение контактов. Элементу ИЛИ соответствует параллельное соединение контактов. Работа схем поясняется приведенными таблицами. Сигнал 0 на входе соответсвует разомкнутому состоянию контакта, 1- замкнутому. Столбец значений выходного сигнала записывается на основе аксиом.

Основные  параметры логических ТТЛ элементов

1. Напряжение питания Uпит=+5В±(5¸10)%.

2. Быстродействие.

Характеризуется временем переключения(изменение состояния на противоположное), составляет 5...50 нс.

3. Помехоустойчивость (по входу).

Определяется тем уровнем помех на полезном сигнале, который не приводит к ложному изменению состояния элемента. У большинства ТТЛ -элементов порогом срабатывания их является напряжение Uпор=1,4В, т.е. напряжение от 0 до 1,4В воспринимается как 0, а 1,4В и больше воспринимается как 1.

4. Потребляемая мощность.

5. Нагрузочная способность (по выходу).

Составляет несколько миллиампер.

6. Выходные параметры ТТЛ:

Логической 1 соответствует Uвых>2,4В, логическому 0 соответствует Uвых<0,4В.

Синтез комбинационных логических схем

Комбинационные схемы - это схемы, которые не содержат элементов

памяти и элементов выдержки времени.

Последовательность синтеза следующая: 

1. Задаётся словесный алгоритм работы схемы.

2. Составляется таблицы истинности.

3. Записывается исходная логическая функция и выполняется её минимиза-ция.

4. Выполняется реализация полученной логической функции на логических элементах.

Пример: требуется построить логическую схему голосования на 3 вхо-

да: cигнал на выходе схемы равен 1, когда большинство входных сигналов равно 1.

Составляем таблицу истинности: таблица истинности - это табличная запись алгоритма. Обозначим входные переменные: x1,x2,x3. В таблице истинности для входных переменных должны быть записаны все возможные комбинации. Число строк в такой таблице равно 2 в степени n, где n -количество входных переменных. Выходная логическая функция ¦ записывается по словесному алгоритму. Когда две или три входных переменных равны 1, выходная функция тоже равна 1.

По таблице истинности может быть записано логическое выражение. Форма записи по таблице истинности называется совершенно нормальной формой. Существует две формы записи: дизъюнктивная совершенно нормальная форма - сокращенно ДСНФ, конъюнктивная совершенно нормальная форма - КСНФ. Обычно запись ведётся в дизъюнктивной форме. В этой форме записи принимаются во внимание строки, в которых логическая функция принимает значение 1. Произведения переменных этих строк складываются логически. ДСНФ для нашего примера:

 

Можно принимать во внимание строки с нулевым значением функции, только при этом каждая строка - это сумма переменных строки, а между собой суммы переменных соединяются произведением. Функция называется КСНФ.

Дальше выполняется следующий этап синтеза - минимизация, т.к. реализация логической функции по ДСНФ является достаточно сложной ввиду большого размера выражения для f. Цель минимизации - упростить выражение до такого вида, которое далее бы не упрощалось. В результате получается, так называемая, тупиковая форма.

Методы минимизации логических функций

Минимизация может быть выполнена несколькими способами.

1. На основе законов алгебры логики.

Недостаток метода - сложно выбрать из законов подходящий закон для очередного упрощения, трудно наметить путь преобразования, нельзя гарантировать, что полученная упрощенная форма является тупиковой.

2. Метод карт Карно.

Применяется при числе переменных n<5...6.

3. Метод Квайна и его модификации. Является табличным, не имеет ограничений по количеству переменных. Сложный, но хорошо поддаётся

 алгоритмизации и исполнению на ЦВМ.

Минимизация с помощью карт Карно

Карта Карно представляет собой прямоугольную таблицу, в которой число клеток равно 2 в степени n. Карта заполняется на основе таблицы истинности или записи логической функции в ДСНФ.

Внутри карты Карно записываются значениялогической функции. Значения входных переменных записываются по краям карты. Каждая входная переменная делит поле карты пополам. Для одной половинки поля значения входных переменных равны 1, для другой - 0. При расстановке переменных необходимо соблюдать следующее правило: соседние столбцы и строки должны различаться только одной переменной. Значение входной переменной, равное 1, принято охватывать скобочкой.

Там, где нет скобочки, значение переменной равно 0. Возможно другое обозначение переменной по краю Карты.

Далее единицы в карте Карно объединяются контурами. Правила нанесения контуров:

1. Каждый контур должен быть прямоугольным.

2. Количество клеток внутри контура должно быть равным 2 в степени k,

где k=1,2,3,...,n.

3. Одни и те же клетки с единицами могут входить в несколько контуров.

4. Размеры контуров должны быть как можно большими, а число контуров

 как можно меньшим.

5. Нижняя и верхняя строки, левый и правый столбцы считаются соседними.

Запись минимизированного выражения по карте Карно с нанесенными контурами выполняется по следующим правилам:

1. Количество слагаемых в дизъюнктивной форме равно количеству контуров.

2. Из конъюнкции переменных исчезают те переменные, границы изменения которых пересекаются контуром.

Для рассматриваемого примера:

В этом выражении x1x2 записано из первого контура, x2x3 - из второго контура, x1x3 - из третьего контура. Реализация требует два корпуса микросхем.

Для уменьшения количества корпусов преобразуют полученную логическую функцию по законам Моргана и записывают её в базисе И-НЕ или в базисе ИЛИ-НЕ. Применение законов Моргана позволяет избавиться от “+” в логической функции или от произведений. Один из законов Моргана имеет вид:

 

Изменим запись закона

 

Запись справедлива для любого количества элементов. Под a и b можно понимать логические выражения. Применим формулу для нашего выражения:

 

Реализация по данному выражению требует два корпуса микросхем.

Примеры минимизации, записи функции и реализации

Свойство 5 в правилах нанесения контуров можно понимать так, что края карты не являются границами. Говорят, что карта Карно представляет собой “бублик”. Она может быть соединена по левому и правому краю, образуя цилиндр, а затем по верхнему и нижнему краю, образуя ”бублик”. Для нашего примера

  f = x3.

Логическая функция имеет вид:

 f=x1 + x2 = x1x2.

Пример 3. Рассмотрим типовую функцию, которая называется “Сумматор по модулю 2” или “Исключающее ИЛИ”. Таблица истинности для неё имеет вид (для двух входов) Обозначе-ние функции “Исключающее ИЛИ”:

 f=x1 Å x2. 

Карта Карно для этой функции показывает, что

нельзя организовать контур с несколькими единицами, т.е. минимизация

невозможна и логическую функцию можно записать только в ДСНФ

 

  .

Обращаем внимание, что . Реализация требует 2 корпуса.

Интегральные триггеры

В отличие от комбинационных логических схем, триггеры - это последовательностные схемы, т.е. устройства с памятью. Их выходные сигналы зависят не только от сигналов на входах в данный момент времени, но и от ранее воздействовавших сигналов.

Типы триггеров в зависимости от способов управления:

1. Асинхронные или не тактируемые.

2. Синхронные или тактируемые.

Изменение состояние асинхронного триггера происходит сразу же после изменения сигналов на его управляющих входах.

У синхронного триггера изменение состояния под действием управляющих сигналов возможно только при присутствии сигнала на специальном тактовом входе. Тактирование может осуществляться импульсом (т.е. потенциалом) или фронтом импульса (т.е. перепадом потенциала). Поэтому различают триггеры со статическим и динамическим управлением. Существуют также универсальные триггеры, которые могут работать как в тактируемом, так и в не тактируемом режиме. Чаще всего применяются синхронные триггеры, которые обладают большой помехоустойчивостью.

Типы триггеров в зависимости от функционального назначения:

1) RS - триггеры;

2) D - триггеры;

3) JK - триггеры;

4) T - триггеры.

На основе триггеров строятся счетчики, регистры, элементы памяти, которые составляют основу ЦВМ.

RS асинхронный триггер

Реализация на элементах 2И-НЕ. На нем обозначено: S - Set - установка, R - Reset - cброс. Черточки над S и R означают инверсию, т.е. управление триггерами ведется нулевыми сигналами. При подаче 0 на инверсный вход S на выходе Q устанавливается 1. При подаче 0 на инверсный вход R на выходе Q устанавливается 0. Одновременная подача нулевых сигналов на оба входа запрещена. Наличие 1 на обоих входах - это состояние хранения предыдущей информации (память). Отличительная схемотехническая особенность триггера - это наличие обратной связи с каждого выхода на вход. На основе корпуса с элементами 2И-НЕ можно реализовать 2 триггера. Функционирование RS триггера можно записать на основе таблицы истинности. Состояние выходов триггера определяют нулевые сигналы на входах. Форма сигналов на управляющих входах. При подаче питания такой триггер встает в одно из возможных состояние Q=1 или Q=0. Заранее это определить нельзя. 

Реализация RS триггера на элементах 2ИЛИ-НЕ. Состояние его выходов определяют 1 на входах, т.к. черточек над R и S нет. Это означает, что управление ведется 1.

Асинхронный D - триггер

Буква D в названии триггера - это начальная буква слова Delay-задержка. Основой D -триггера является RS триггер, у которого выполняется условие несовпадения управляющих сигналов, а управляющий вход у триггера один.

Синхронный D - триггер со статическим управлением

Схема такого триггера имеет вход D -информационный вход и вход C -вход синхронизации. Логические элементы 2И-НЕ на входе при подаче на вход C единичного сигнала разрешает пройти на выход триггера сигналу с входа D. При подаче на вход С нулевого сигнала -на выходе логических элементов появляется единица, информация на выход со входа D не проходит и триггер хранит предыдущую информацию. На вход С всегда подаются импульсы постоянной частоты. Частота обычно выбирается достаточно высокой по сравнению с частотой изменения сигнала на входе D. В серии 155 выпускается 2 типа D -триггеров со статическим управлением: К155ТМ7, К155ТМ5.

Синхронный D - триггер с динамическим управлением

Триггеры с динамическим управлением обычно строятся по структуре двухступенчатого триггера, содержащего ведущий и ведомый триггеры. Это так называемая структура MS (ведущий-ведомый).

R и S -это установочные входы, используются при включении триггера для предварительной установки в нужное состояние. Выпускается триггер K155TM2. Значок >  на входе C говорит о том, что синхронизация триггера осуществляется по фронту импульса синхронизации, подаваемого на вход C. Если применяется значок < , то синхронизация осуществляется по спаду импульса синхронизации.

6.7.5. Синхронный JK - триггер

Буква J обозначает слово Jump-прыжок, K - Keep-держать. Выпускается триггер К155ТВ1, он является универсальным.

Значок <  на входе C говорит о том, что синхронизация триггера осуществляется по спаду импульса синхронизации, т.е. при С=1®0: Q -var.

Возможные режимы работы:

1. J=1, K=0. Это режим записи Q=1 по спаду сигнала синхронизации С=1®0.

2. J=0, K=1. Это режим записи Q=0 по спаду сигнала синхронизации С=1®0.

3. J=1, K=1. При этом Q=var по спаду сигнала С=1®0. Это счетный режим работы.

4. J=0, K=0 или С=0=const. При этом Q=const. Это режим хранения информации.

JK-триггер может быть преобразован в D-триггер.

 

6.7.6. T - триггер

 

Это счетный триггер. Т - тактовый вход. С приходом тактового импульса Т- триггер изменяет свое состояние на противоположное.

 

6.7.7. Вспомогательные схемы для триггеров

 

Схема генератора импульсов

Она используется для получения импульсов, подаваемых на вход С или Т синхронных триггеров. Основой схемы является RS - триггер, у которого одна обратная связь с выхода на вход заменена конденсаторной обратной связью. Величина сопротивления резисторов R»300 Ом. Резисторы R обеспечивают лучшую возбуждаемость генератора и стабильность работы. Триггер имеет управляющий вход. В режиме генерации на вход управления должна быть подана 1, при 0 - генерация запрещена.

Форма выходных импульсов и диаграммы напряжений в различных точках схемы. Период работы T=t1+t2=f(C).

Формирователь импульса

Формирует импульсы заданной ширины. Инверторы на входе и выходе схемы придают ей универсальность - в качестве входа можно использовать Вх.1 или Вх.2, а в качестве выхода -Вых.1 или Вых.2 или Вых.3.


Полупроводниковые детекторы оптического излучения