 |
Тема 6. Цифровые устройства комбинационного типа
|
|
|
|
План
Шифратор
Дешифратор
Преобразователь кода
Мультиплексоры
Демультиплексоры
Комбинационные схемы выполняют более сложные функции, чем логические элементы. Их выводы объединены в функциональные группы и не являются полностью взаимозаменяемыми, как у логических элементов, у которых любые два входа можно поменять местами и при этом выходной сигнал не изменится. У комбинационных схем такое сделать невозможно, поскольку у каждого входа имеется свое назначение.
Все комбинационные схемы построены внутри на простейших логических элементах, и эта внутренняя структура часто приводится в справочниках. Но внутренняя структура важна только для разработчиков микросхем, а также в тех редких случаях, когда необходимо построить новую комбинационную схему из микросхем простых логических элементов. Чаще всего не стоит пытаться повторить проделанную уже однажды работу. Надо просто уметь грамотно применять то, что уже имеется в готовых сериях интегральных схем (ИС).
Состав набора интегральных микросхем, входящих в стандартные серии, был определен, исходя из наиболее часто встречающихся задач. К комбинационным схемам относятся шифраторы, дешифраторы, преобразователи кодов, сумматоры, коммутаторы и другие устройства.
Шифратор
Студент должен:
знать:
· условные графические обозначения ИМС шифратора;
· назначение и принцип работы шифратора, его параметры;
уметь:
· выбирать серии ИМС по справочнику, исходя из данных параметров и условий использования;
· производить синтез и анализ цифровых схем шифраторов.
| Шифратор (называемый также кодером) осуществляет преобразование десятичных чисел в двоичную систему счисления. |
|
|
|
Пусть в шифраторе имеется m входов, последовательно пронумерованных десятичными числами (0, 1, 2;...,m - 1), и n выходов. Подача сигнала на один из входов приводит к появлению на выходах n-разрядного двоичного числа, соответствующего номеру возбужденного входа.
Очевидно, трудно строить шифраторы с очень большим числом входов, поэтому они используются для преобразования в двоичную систему счисления относительно небольших десятичных чисел.
Шифраторы широко используются в разнообразных устройствах ввода информации в цифровые системы. Такие устройства могут снабжаться клавиатурой, каждая клавиша которой связана с определенным входом шифратора. При нажатии выбранной клавиши подается сигнал на соответствующий вход шифратора, и на его выходе возникает двоичное число, соответствующее выгравированному на клавише символу.
На рисунке 6.1 приведено символическое изображение шифратора, преобразующего десятичные числа 0,1,2,...,9 в двоичный код.
Рисунок 6.1
Символ CD образован из букв, входящих в английское слово Coder.
Слева показаны 10 входов, обозначенных десятичными цифрами 0, 1, 2,...,9, справа выходы шифратора; цифрами 1, 2, 4, 8 обозначены весовые коэффициенты двоичных разрядов, соответствующих отдельным выходам.
На рисунке 6.2 представлена схема шифратора на 7 вход которого при нажатой кнопке поступает активный сигнал. Логическая структура шифратора формирует на выходе число, представленное в двоичном коде 01112.
Рисунок 6.2
Из приведенного в таблице 6.1 соответствия десятичного и двоичного кодов следует, что переменная х1 на выходе, обозначенном цифрой 1, равна логической 1, если это значение имеет одна из входных переменных у1, у3, y5, у7, у9.
Следовательно,
x1 = y1 v y3 v y7 v y9.
Для остальных входов
x2 = y2 v y3 v y6 v y7,
x4 = y4 v y5 v y6 v y7,
x8 = y8 v y9.
Этой системе логических выражений соответствует схема на рисунке 6.3.
|
|
|
Рисунок 6.3
Таблица 6.1 Соответствие десятичного и двоичного кода
| Номер входа (в десятичной системе) | Выходной код 8421 | |||
| Х8 | Х4 | Х2 | Х1 | |
На рисунке 5.4 изображена схема шифратора на элементах ИЛИ-НЕ. Шифратор построен в соответствии со следующими выражениями:
При этом шифратор имеет инверсные выходы.
Рисунок 5.4
При выполнении шифратора на элементах И-НЕ следует пользоваться следующей системой логических выражений:
B этом случае предусмотрена подача на входы инверсных значений, т.е. для получения на выходе двоичного представления некоторой десятичной цифры необходимо на соответствующий вход подать лог.0, на остальные входы - лог.1. Схема шифратора, выполненная на элементах И-НЕ, приведена на рисунке 5.5.
Рисунок 5.5
Изложенным способом могут быть построены шифраторы, выполняющие преобразование десятичных чисел в двоичное представление с использованием любого двоичного кода. Промышленность выпускает широкую номенклатуру шифраторов, например, КМ555ИВ1.
Дешифратор
Студент должен:
знать:
· условные графические обозначения ИМС дешифратора;
· назначение и принцип работы дешифратора, его параметры;
уметь:
· выбирать серии ИМС по справочнику, исходя из данных параметров и условий использования;
· производить синтез и анализ цифровых схем дешифраторов.
| Дешифратором, или декодером (decoder – англ., в графическом обозначении – DC), называют устройство, преобразующее двоичный код в унитарный (код «1 из m»). Из всех выходов дешифратора активный уровень имеется только на одном, номер которого равен поданному навходы двоичному числу. |
На рисунке 6.6, а приведено символическое изображение дешифратора. Символ DC образован из букв английского слова Decoder.
Рисунок 6.6
Слева (рисунок 6.6) показаны входы, на которых отмечены весовые коэффициенты двоичного кода. Входы дешифратора предназначаются для подачи двоичных чисел. Справа показаны выходы, пронумерованные десятичными числами. При подаче на входы двоичного числа появляется активный уровень сигнала на том выходе, номер которого соответствует входному двоичному числу. Активный уровень сигнала определяется по свойствам выхода. Если выходы прямые, то активный сигнал -1. При инверсных выходах активный сигнал – 0.
|
|
|
Дешифраторы имеют широкое применение. В частности, они используются в устройствах, печатающих на бумаге выводимые из цифрового устройства числа или текст. В таких устройствах двоичное число, поступая на вход дешифратора, вызывает появление сигнала на определенном его выходе. С помощью этого сигнала производится печать символа, соответствующего входному двоичному числу.
Дешифратор может иметь парафазные входы для подачи наряду с входными переменными их инверсий, как показано на рисунке 6.6,б.
По способу построения различают линейные и прямоугольные дешифраторы.
Рассмотрим построение линейного дешифратора, осуществляющего преобразование, заданное таблицей 6.2.
Таблица 5.2.
| Входной код 8421 | Номер выхода (в десятичной системе) | |||
| Х8 | Х4 | Х2 | Х1 | |
Значения выходных переменных определяются следующими логическими выражениями:
(6.1)
(6.2)
В линейном дешифраторе выходные переменные формируются по выражениям 6.1 либо 6.2.
При выполнении дешифратора на элементах И-НЕ пользуются выражения 6.2, получая инверсии выходных функций. В этом случае каждой комбинации входного кода будет соответствовать уровень лог.0 на строго определенном выходе, на остальных выходах устанавливается уровень лог.1. На рисунке 6.7, а, б показана структура дешифратора, построенного на элементах И-НЕ, и его изображение в схемах.
Рисунок 6.7
Структура имеет особенности, характерные для дешифраторов в интегральном исполнении:
· для уменьшения числа входов формирование инверсий входных переменных осуществляется в самом дешифраторе;
|
|
|
· подключенные непосредственно к входам дополнительные инверторы уменьшают нагрузку со стороны дешифратора на его входные цепи.
Дешифратор с 16 выходами для дешифрирования всех возможных комбинаций четырехразрядного двоичного кода 8421 можно построить на двух рассмотренных дешифраторах с 10 выходами. На рисунке 5.8 показана структура такого дешифратора.
В каждом из дешифраторов используется по восемь выходов, которые и образуют требуемые 16 выходов (y0, y1, …, y15).
Рисунок 6.8
Рассмотрим принцип построения прямоугольного дешифратора на примере дешифратора с 4 входами и 16 выходами.
Разобьем входные переменные х8, x4, х2, х1 на две группы по две переменные в каждой: х8, х4 и х2, х1.
Каждую пару переменных используем в качестве входных переменных отдельного линейного дешифратора на четыре выхода, как показано на рисунке 6.9,а. Выходные переменные линейных дешифраторов определяются следующими выражениями:
Эти дешифраторы выполняют функции первой ступени дешифратора.
Выходные переменные у0, у1,..., y15 прямоугольного дешифратора можно представить логическими выражениями, используя в них в качестве аргументов выходные переменные у0’,...,у3’ и у0”,...,у3” линейных дешифраторов:
Рисунок 5.9
Эти логические операции выполняются в отдельном дешифраторе второй ступени, называемом матричным и состоящим из двухвходовых элементов. На рисунке 5.9, б показано условное обозначение матричного дешифратора, где помеченные десятичными числами две группы входов служат для подключения к выходам двух предварительных ступеней дешифрации. На рисунке 5.9, в представлена структура прямоугольного дешифратора с использованием символов линейного и матричного дешифраторов.
Могут быть построены прямоугольные дешифраторы с числом ступеней, большим двух.
Применение прямоугольного дешифратора может оказаться более выгодным, чем линейного дешифратора, в тех случаях, когда велико число входов и нежелательно использовать требующиеся для построения линейного дешифратора элементы с большим числом входов. Однако прохождение сигналов последовательно через несколько ступеней приводит в прямоугольном дешифраторе к большей задержке распространения сигнала. Промышленность выпускает широкую номенклатуру дешифраторов, например: К155ИД4, К564ИД1, К564ИД5.
|
|
|
