bramki1.pdf

WYKŁAD 7

CYFROWE UKŁADY SCALONE

Układy

analogowe

są

przystosowane do przetwarzania napięć

(lub prądów), których wartości

układ

analogowy

zawierają się w pewnym przedziale

wartości .

Układy cyfrowe służą do

przetwarzania sygnałów o dwóch

wielkościach napięć (ewentualnie

układ

cyfrowy

prądów): wysokiej (H-high) i niskiej (L-

low).

Na ogół układ cyfrowy posiada n

zasilanie

c 1, c 2 ...c q

wejść, m wyjść i q stanów pamięciowych.

pamięć

Każdy z wektorów a, b, czy c nazywamy

a 1

a m

b 1

b n

słowem logicznym. Każdy element słowa

układ

cyfrowy

logicznego nazywamy bitem . Słowo

ośmiobitowe nazywane jest bajtem . Stany

wejście

GND

wyjście

na wyjściu zależą od aktualnej sytuacji na

wejściu. Stany pamięciowe zależą zarówno od aktualnej konfiguracji na wejściu jak i od

słów, jakie istniały tam w poprzednich chwilach czasu.

Pracę układów cyfrowych opisuje się za pomocą dwuwartościowej algebry Boole’a,

zwanej logiką matematyczną. W tym celu poziomom H i L układu cyfrowego

przyporządkowuje się wartości logiczne - np. odpowiednio „1” (prawda) i „0” (fałsz) (tzw.

logika dodatnia) lub odwrotnie „0” i „1” (logika ujemna). Układy cyfrowe są więc układami

wykonującymi pewne funkcje logiczne.

Podstawowe twierdzenie logiczne :

Każdą funkcję logiczną można złożyć z kombinacji trzech podstawowych działań

logicznych : sumy (alternatywy- lub - OR), iloczynu (koniunkcji - i - AND) oraz negacji

(inwersji - nie - NOT).

Urządzenia elektroniczne realizujące te funkcje nazywamy bramkami odpowiednio

OR, AND i NOT . Są one dostarczane w wyspecjalizowanych układach cyfrowych.

AND

NOT

a b Wy

111

101

011

000

WE WY

Wy a b

=∗

WY W E

Powszechnie wykorzystuje się prawa de Morgana :

ab ab

+=∗

ab a b

Najbardziej uniwersalnymi bramkami są bramki NAND (NOT-AND) i NOR (NOT-

OR).

NAND

NOR

Każą funkcję logiczną można utworzyć z pewnej kombinacji tylko bramek NAND lub

tylko bramek NOR.

Dowód - w trakcie wykładu.

∗= +

Zmiana funkcji logicznej danej bramki w przypadku zmiany rodzaju logiki

LOGIKA

dodatnia

ujemna

AND

NAND

NOR

NAND

Jedną z bardziej użytecznych funkcji logicznych jest Exclusive OR.

a b ab ab

⊕=∗+∗

EX-OR

Z bramek cyfrowych (bramek logicznych) można łatwo budować rozmaite użyteczne

układy elektroniczne. Grupy bramek cyfrowych tworzą tzw. rodziny. Najbardziej

rozpowszechniona jest rodzina bramek TTL (Transistor - Transistor Logic), a w niej seria 74.

Na przykład, w układzie scalonym typu 74xx00 znajdują się cztery bramki NAND (xx

oznacza rodzaj bramki: S-szybka, LS-

szbka małej mocy itd):

Zasilanie

V CC

Po zasileniu układu scalonego

(miedzy końcówkami oznaczonymi

przez V CC i GND) założony schemat

realizuje się poprzez proste łączenie

wy-

tło-

cze-

nie

wejść i wyjść bramek. Poziomy

logiczne określone są przez wartość

napięcia

odpowiednio

między

wejściem (lub wyjściem) a GND.

GND - masa

Inne układy z tej serii zawierają inne funkcje logiczne, np. 7402 - cztery bramki NOR,

7440 - 8-wejściową bramkę NAND itd. - patrz - instrukcja do ćwiczenia „ Cyfrowe układy

scalone”.

Uprawiając elektronikę z układami TTL serii 74 należy wiedzieć, że :

• układy zasila się napięciem 5 ± 0.25 V;

• układy pracują w logice dodatniej;

• napięcie odpowiadające logicznemu zeru zawiera się między 0 a 0.4 V z dopuszczalnym

marginesem błędu 0.4 V;

• napięcie odpowiadające logicznej jedynce wynosi 3.3 V lecz nie mniej niż 2.4 V z

marginesem błędu 0.4 V;

• wejście bramki niepodłączone do niczego znajduje się w stanie logicznym „1”;

• wyjść bramek nie wolno łączyć równolegle!!! Może to spowodować ich uszkodzenie;

• średni czas propagacji sygnału przez bramkę wynosi od 1 do 30 ns (typowo - około 10 ns);

• średnie zużycie mocy przez bramkę wynosi około 10 mW;

żyteczne schematy:

• Wielowejściowa funkcja AND.

Wartość logiczna „1” pojawia się na wyjściu

a 1

a 2

a .

a n

wtedy i tylko wtedy, gdy stan logiczny

wszystkich wejść wynosi „1”. Przez fizyków

bywa nazywany układem koincydencyjnym.

• Układ antykoincydencyjny

f =∗ b

• Układ opóźniający.

U a

U x

W pierwszym przypadku -

U WY

opóźnienie jest proporcjonalne do stałej

czas

czasowej RC.

W drugim - do liczby bramek o

U a

czasu propagacji sygnału przez nie.

U WY

czas

• Cyfrowy układ różniczkujący

- wytwarzający sygnały w

momentach rozpoczęcia i

zakończenia pewnego sygnału. W

przypadku, gdy liczba bramek (n) w

linia opóźniająca

linii opóźniającej jest nieparzysta,

U WE

sygnał wyjściowy ma odwróconą

polaryzację.

U X

U WY

Bramki nie powinny być nadmiernie obciążane. Każdy układ cyfrowy ma określoną

obciążalność, czyli liczbę mówiącą ile wejść cyfrowych może być podłączonych do danego

wyjścia.

W przypadku, gdy układ

+5V

cyfrowy ma sterować innym układem

należy posłużyć się wzmacniaczem

np. tranzystorowym (a) lub driverem

700Ω

(b) - wzmacniaczem znajdującym się

w rodzinie cyfrowych układów

scalonych zwiększającym

obciążalność wyjścia bramki.

Gdy do układu cyfrowego wprowadza

3.5 V

się sygnał sterujący z zewnątrz,

należy zadbać o zachowanie

standardowych napięć i polaryzacji.

Na rysunku c pokazano przykład rozwiązania za pomocą diody Zenera, która nie dopuszcza

do przekroczenia na wejściu bramki napięcia 3.5 V, jak również do pojawienia się napięć o

odwróconej polaryzacji i napięciu większym niż -0.7 V.

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: