 |
 |
 |
 |
 |
|
Тема11. Логічні елементи І, І-НІ, АБО, АБО-НІ
Наступна група мікросхем на шляху ускладнення компонентів цифрової електроніки - це елементи, що виконують найпростіші логічні функції. Об'єднує всі ці елементи те, що у них є декілька рівноправних входів (від 2 до 12) і один вихід, сигнал на якому визначається комбінацією вхідних сигналів.
Найпоширеніші логічні функції, виконувані такими елементами, - це І (логічне множення, позначається ЛЕ), І-НІ (логічне множення з вихідною інверсією, позначається ЛА), АБО (позначається ЛЛ) і АБО-НІ (позначається ЛИ). Присутність слова НІ в назві елемента позначає тільки одне - вбудовану інверсію вихідного сигналу. В міжнародній системі позначень використовуються наступні скорочення: AND - функція І, NAND - функція І-НІ, OR - функція АБО, NOR - функція АБО-НІ.
Назва самих функцій І і АБО говорить про те, при якій умові на входах з'являється сигнал на виході. При цьому важливо пам'ятати, що в даному випадку йдеться про позитивну логіку, про позитивні, одиничні сигнали на входах і на виході.
Елемент І формує на виході одиницю тоді і тільки тоді, коли на всіх його входах (і на першому, і на другому, і на третьому і т. д.) присутні одиниці. Якщо йдеться про елемент І-НІ, то на виході формується нуль, коли на всіх входах одиниці (таблиця. 11.1). Цифра перед назвою функції говорить про кількість входів елемента. Наприклад, 8І-НІ - це восьмивходовий елемент І з інверсією на виході.
Елемент АБО формує на виході нуль тоді і тільки тоді, коли хоча б на одному з входів присутня одиниця (або на першому, або на другому, або на третьому і т. д.). Елемент АБО-НІ дає на виході нуль за наявності хоча б на одному з входів одиниці (таблиця. 11.1). Приклад позначення: 4АБО-НІ - чотиривходовий елемент АБО з інверсією на виході.
Малюнок 11.1 Позначення елементів І, І-НІ, АБО, АБО-НІ:
зарубіжні (зліва) і вітчизняні (справа).
Вітчизняні і зарубіжні позначення на схемах двовходових елементів І, І-НІ, АБО, АБО-НІ показані на малюнку 11.1. Всі ці елементи бувають з виходами типу 2С, ОК і ЗС. В останньому випадку обов'язково є вхід дозволу -EZ.
Будь-якій з логічних елементів даної групи можна розглядати як керований пропускач вхідного сигналу (з інверсією або без неї).
Наприклад, у разі елемента 2І-НІ один з входів можна вважати інформаційним, а інший - корованим. В цьому випадку при одиниці на управляючому вході вихідний сигнал буде рівний проінвертованому вхідному сигналу, а при нулі на управляючому вході вихідний сигнал буде постійно рівний одиниці, тобто проходження вхідного сигналу буде заборонено. Елементи 2І-НІ з виходом ОК часто використовують саме як керовані буфери для роботи на мультиплексовану або двонаправлену лінію.
Так само як елемент дозволу/заборони можуть застосовуватися елементи І, АБО, АБО-НІ (малюнок 11.2). Різниця між елементами полягає тільки в полярності управляючого сигналу, в інверсії (або її відсутності) вхідного сигналу, а також в рівні вихідного сигналу (нуль або одиниця) при забороні проходження вхідного сигналу.
Малюнок 11.2 Дозвіл/заборона проходження сигналів на елементах І, І-НІ, АБО, АБО-НІ.
Нарешті, елементи І, І-НІ, АБО, АБО-НІ іноді зручно розглядати як схеми порівняння різних сигналів. Тобто вихідний сигнал повинен вироблятися тоді, коли сигнали на входах співпадають (приходять одночасно). Якщо ж збігу немає, то вихідний сигнал повинен бути відсутній.
Дотепер, розглядаючи елементи І, І-НІ, АБО, АБО-НІ, ми не виходили за рамки першого рівня уявлення (логічної моделі). Це цілком допустимо у тому випадку, коли вхідні сигнали елементів не міняються одночасно або майже одночасно, коли їх фронти рознесли в часі істотно (більше, ніж на час затримки елемента). При одночасній зміні вхідних сигналів все буде набагато складніше, необхідно користуватися другою, а іноді і третьою моделлю уявлення. У момент зміни вхідних сигналів вихідний сигнал стає невизначеним, нестабільним, непередбачуваним. В результаті цього при неправильному проектуванні може не працювати вся складна схема, цілий прилад або навіть велика система.
Наприклад, візьмемо логічний елемент 2І-НІ. Хай на його входи приходять сигнали, що змінюються одночасно, причому в протифазі, тобто один перемикається з нуля в одиницю, а інший - з одиниці в нуль. Хай з тих або інших причин (унаслідок передачі по дротах, унаслідок різних затримок елементів і т. д.) один з сигналів трохи зсунувся в часі щодо іншого. При цьому на двох входах протягом короткочасного періоду буде присутні два одиничні сигнали. В результаті вихід почне перемикатися з одиниці в нуль. Він може встигнути перемкнутися, і тоді сформується короткий імпульс. Він може не встигнути перемкнутися, і тоді імпульсу не буде. Він може іноді встигати перемкнутися, а іноді не встигати, і тоді вихідний імпульс то з'являтиметься, то не буде. Тут все залежить від швидкодії елемента і величини затримки. Остання ситуація найбільш неприємна, оскільки може викликати нестабільну несправність, виявити яку буде украй складно.
На етапі проектування схеми боротися з такими паразитними імпульсами досить просто: достатньо вибрати рішення такої схемотехніки, при якому вся подальша схема просто не реагувала б на ці імпульси, наприклад відключалася на деякий час після зміни вхідних сигналів елементів. Тобто необхідне тимчасове узгодження, синхронізація різних елементів схеми.
Як приклад розглянемо одне з найпоширеніших вживань даних елементів І, І-НІ, АБО, АБО-НІ - відбір кодів. Суть відбору зводиться до наступного. Хай є деяка шина, по якій передаються коди. Необхідно виявити появу на цій шині якогось певного коду, тобто сформувати вихідний сигнал, відповідний необхідному вхідному коду.
Малюнок 11.3 Відбір кодів зі стробуванням.
Схема, що виконує таку функцію, досить проста (малюнок 11.3). В її основі - багатовходові елементи І-НІ. При цьому сигнали, відповідні розрядам коду, в яких повинні бути одиниці, подаються на входи елементів І-НІ безпосередньо. А сигнали, відповідні розрядам коду, в яких повинні бути нулі, подаються на входи елементів І-НІ через інвертор. Вихідні сигнали елементів І-НІ об'єднуються за допомогою елемента АБО-НІ. В результаті на виході елемента АБО-НІ формується сигнал Вих.1 в той момент, коли на вході присутній потрібний код.
Проте у момент встановлення потрібного коду і у момент його зняття виникає період невизначеності, коли у вихідному сигналі можуть бути короткі паразитні імпульси. Це пов'язано як з неодночасним приходом різних розрядів, так і з внутрішніми затримками нашої схеми. Більш того, короткі паразитні імпульси можуть виникати на виході і у тому випадку, коли будь-який вхідний код міняється на будь-який інший вхідний код, навіть якщо обидва ці коди не відбираються нашою схемою. Тобто будь-яка зміна коду завжди супроводжується періодом невизначеності в сигналі Вих.1.
Як же добитися, щоб вихідний сигнал не мав паразитних імпульсів, не мав періодів невизначеності? Для цього звичайно використовується вивід, що стробує або тактує передаваний код. Тобто крім коду паралельно з ним передається стробуючий або тактуючий сигнал STR, затриманий в часі щодо коду. Активним цей сигнал стає тоді, коли всі попередні перехідні процеси вже завершені, всі розряди коду встановилися в потрібні рівні і схема, що обробляє код, теж закінчила свою роботу. А пасивним цей сигнал стає до початку нових перехідних процесів. Це називається вкладеним циклом (тобто в нашому випадку сигнал STR вкладений в сигнали коду). В результаті, якщо ми дозволятимемо вихідний сигнал нашої схеми Вих.1 таким сигналом STR за допомогою елемента 2І-НІ, то ми одержимо сигнал Вих.2, вільний від паразитних імпульсів і періодів невизначеності.
Проте бувають випадки, коли вказана особливість елементів І, І-НІ, АБО, АБО-НІ формувати короткі імпульси при зміні вхідних сигналів виявляється дуже корисною. Наприклад, нам необхідно сформувати короткий імпульс по позитивному або негативному фронту наявного сигналу. Тоді цей сигнал інвертують, спеціально затримують за допомогою ланцюжка елементів або ємності і подають початковий сигнал і затриманий сигнал на входи елемента (малюнок 11.4).
Малюнок 11.3 Відбір кодів зі стробуванням.
Імпульс по позитивному фронту вхідного сигналу формується на елементі 2І або 2І-НІ (а), а імпульс по негативному фронту вхідного сигналу - на елементі 2АБО або 2АБО-НІ (б). Якщо елемент з інверсією, то вихідний імпульс буде негативним, якщо без інверсії, то позитивним. При вказаній на схемах величині ємності тривалість імпульсу виходить близько 50 нс. Для збільшення тривалості імпульсу треба збільшувати величину ємності або ж кількість інверторів в ланцюзі затримки (при цьому кількість інверторів обов'язково повинна бути непарною).
