Мультиплексоры и демультиплексоры

Мультиплексор (MX) (другие названия – селектор данных, коммутатор) – это комбинационное логическое устройство, предназначенное для управляемой передачи данных, которые поступают по нескольким входам, на один выход. Выбор того или иного входа осуществляется в соответствии с поступающим кодом адреса. Согласно определению, мультиплексор имеет две группы входов (информационные и адресные) и один выход. Код, подаваемый на адресные входы, определяет, какой из информационных входов в данный момент подключен к выходному выводу. Если число адресных входов равно n, то число информационных входов может быть равно 2ⁿ .

Рис. 102.

На рис. 144 приведена схема мультиплексора К561КП2. Это восьмивходовой мультиплексор-демультиплексор. Микросхема имеет три адресных входа 1, 2 и 4, восемь информационных входов Х0-Х7 и вход стробирования S, с помощью которого выход мультиплексора отключается от входов и переходит, в так называемое, третье состояние (верхний и нижний ключи выходного каскада микросхемы находятся в закрытом состоянии). Для получения третьего состояния на вход S необходимо подать лог.1. При подаче на адресные входы 1, 2 и 4 двоичного кода адреса, а на вход S лог. 0 выход мультиплексора соединяется с входом, номер которого равен двоичному коду адреса. В этой микросхеме соединение входов с выходом организуется с помощью двунаправленного ключа на КМОП-транзисторах. Передаваемый через мультиплексор сигнал может быть как аналоговым, так и цифровым, он может передаваться как с входов на выход (режим мультиплексора), так и с выхода распределяться по входам (режим демультиплексора).

Мультиплексор может применяться для опроса различных датчиков цифровых и аналоговых сигналов и передачи этой информации на вход одного приемника (для усиления, преобразования, индикации).

Демультиплексор – это комбинационное логическое устройство, предназначенное для управляемой передачи данных от одного источника информации в несколько информационных каналов. Согласно определению, демультиплексор в общем случае имеет один информационный вход, n адресных входов и 2ⁿ выходов. Демультиплексор может применяться для распределения сигнала, принятого по одному проводу, по различным потребителям.

 

9.6 Шифраторы, дешифраторы и преобразователи кодов

Схемы, предназначенные для преобразования цифровой информации из деся­тичной системы счисления в двоичную, обычно называются шифрирующими, а для обратного преобразования - дешифрирующими. Схемы, предназначенные для пре­образования различных кодов в двоичной системе, называют преобразователями ко­да. Все эти схемы относятся к узлам комбинационного типа.

Шифраторы. Составление таких схем основано на комбинационной таблице. Здесь показан пример разработки схемы преобразования десятичных цифр 0÷9 в код 8421.

 

Таблица 13.1 - Комбинационная таблица шифратора

циф­ра

Код «1 из 10»

Код 8421

D

С

B

А

о

Из таблицы (и на рисунке 13.1) видно, что двоичным цифрам 1 в столбике А соответствуют десятичные цифры 1, 3, 5, 7 и 9, т. е. можно написать: А=1 + 3 + 5 + 7+9. Это алгебраическое выражение логического сложения. Точно так же справедливо, что: В = 2 + 3 + 6 + 7; С = 4 + 5 + 6 + 7; D = 8 + 9. На рисунке 13.1 представлен пример реализации схемы на элементах ИЛИ-НЕ. В состоянии покоя на всех входах низкий уровень. Подоб­ным образом можно составить схемы преобразования десятичных цифр в любой код.

в базисе ИЛИ-НЕ

Рисунок 103 - Шифратор цифр 0÷9 в код 8421

 

Дешифраторы. При разработке различного рода цифровых управляющих уст­ройств часто необходимо решать задачу, когда управляющее воздействие определя­ется значениями входных сигналов только в данный момент времени и не зависит от их значений в предыдущие моменты времени. Иными словами, выходной сигнал, характеризующий управляющее воздействие, здесь зависит только от наличия соот­ветствующей комбинации сигналов на входах устройства. Примером таких комби­национных схем являются дешифраторы.

Дешифратором называют комбинационную логическую схему, в которой каж­дой из комбинаций сигналов на входах соответствует сигнал только на одном из его выходов. Они находят применение в управляющих системах для выдачи управляю­щих воздействий в те или иные цепи в зависимости от комбинации сигналов на вхо­дах.

Значения сигналов а, b, с, d на выходах счетчика и требуемые при этом показа­ния дешифратора могут быть использованы для определения элементов схемы де­шифратора. Так, при нулевом показании счетчика сигнал «1» присутствует на ин­версных выходах его триггеров (см. таблицу 13.2), в связи с чем реализуемая каналом функция будет: .

Таблица - Состояния дешифратора

 

Число входных импульсов

Триггеры счётчика

Выходы дешифратора

Тр4 (d)

Тр3 (с)

Тр2 (b)

Тр1 (а)

x0

x1

x2

x3

x4

x5

x6

x7

x8

x9

о

Аналогично для канала имеем: ; а для канала : . Логические функции могут быть реализованы с помощью четырехвходовых логических элементов И.

Однако без предварительной минимизации составленные непосредственно из таблицы дешифрируемые функции нецелесообразно использовать для схемной реа­лизации. Это привело бы к заведомому усложнению схемы дешифратора. Табличное выражение дешифрируемой функции для цифры 9 (канала ) имеет вид . Вместе с тем, только для этого канала характерна комбинация выходных сигналов триггеров счетчика, при которой . В связи с этим для выделения сигнала (логической «1») по каналу цифры 9 можно воспользоваться функцией . Иными словами, канал можно реализовать не на четырёхвходовом, а на двухвхо-довом логическом элементе И.

Минимизацию функций дешифратора удобно проводить по карте Карно, кото­рая составляется в данном случае для четырех переменных.

Электронная промышленность выпускает дешифраторы в виде интегральных схем, например, в серии 1533 интегральные схемы КР1533ИДЗ, КР1533ИД6. ИХ ус­ловное графическое обозначение приведено на рисунке 104.

1533ИД3 1533ИД6

Рисунок 104 - Интегральные схемы дешифраторов серии 1533

Преобразователи кодов. Преобразователем кодов называется логическое уст­ройство, предназначенное для изменения кода информации, передаваемой и обраба­тываемой цифровыми устройствами. Существующее множество кодов предназначе­но для обеспечения удобства перевода чисел из десятичной системы в двоичную, простоты выполнения арифметических операций и контроля результатов вычисле­ний. Выбор кода влияет также на аппаратные затраты реализуемых схем цифровых устройств и на надежность выполнения ими заданных алгоритмов.

Рассмотрим синтез комбинационных преобразователей кодов на примерах преобразования двоично-десятичного кода 8421 в широко применяемый в цифровых устройствах двоично-десятичный код 2421. Алгоритм преобразования двоично-десятичного кода 8421 в код 2421 может быть представлен таблицей истинности (таблица 13.3).

Таблица 13.3 - Таблица истинности преобразователя кода 8421 в код 2421

Десяти­чное число	Код
х4	x3	x2	x1	F4	F3	F2	F1
б

 

Счётчики импульсов

Подсчет числа импульсов является наиболее распространенной операцией в устройствах цифровой обработки информации. В устройствах цифровой обработки информации измеряемый параметр (угол поворота, перемещение, скорость, частота, время, температура и т. д.) преобразуется в импульсы напряжения, число которых в соответствующем масштабе характеризует значение данного параметра. Эти импульсы подсчитываются счетчиками импульсов и выражаются в виде цифр.

По целевому назначению счетчики подразделяют на простые и реверсивные. Простые счетчики, в свою очередь, подразделяют на суммирующие и вычи­тающие. Суммирующий счетчик предназначен для выполнения счета в пря­мом направлении, т. е. для сложения. С приходом очередного счетного импульса на вход счетчика его показание увеличивается на единицу. Вычитающий счетчик служит для осуществления счета в обратном направлении, т. е. для вычитания. Каждый счетный импульс, поступающий на вход вычитающего счетчика, уменьшает его показание на единицу.

Реверсивные счетчики предназначены для выполнения операции счета как в прямом, так и в обратном направлении, т. е. они могут работать в режиме сло­жения и вычитания. Основными параметрами счетчиков являются модуль счета (коэффициент счета К) и быстродействие. Коэффициент счета опреде­ляет число импульсов, которое может быть сосчитано счетчиком.

Быстродействи е счетчика характеризуется максимальной частотой следования счетных импульсов и связанным с ней временем установки счет­чика. Величина определяет максимальное время протекания переходных про­цессов во всех разрядах счетчика с поступлением на вход очередного счетного импульса. Счетчики импульсов выполняются на основе триггеров. Счет числа по­ступающих импульсов производится с использованием двоичной системы счисле­ния.

Двоичные суммирующие счетчики с непосредственной связью: они произво­дят счет поступающих импульсов в двоичной системе счисления. Основным уз­лом двоичного счетчика (служащим также его разрядом) является триггер со счет­ным запуском, осуществляющий подсчет импульсов по модулю 2.

Многоразрядные двоичные суммирующие счетчики с непосредственной свя­зью выполняются путем последовательного соединения счетных триггеров. Принцип действия двоичного счетчика с непосредственной связью рассмотрим на примере четырехразрядного счетчика, показанного на рисунке 14.1. Схема выпол­нена на счетных Т,-триггерах с внутренней задержкой. Работу схемы иллюстриру­ют временные диаграммы, приведенные на рисунке 105, и таблица 14.1.

Рисунок 105 - Двоичный четырёхразрядный счётчик

 

По окончании 15-го импульса все разряды счетчика устанавливаются в состояние «1», а 16-й импульс переключает первый разряд счетчика в «0». В соответствии с рисун­ком 105 и таблицей, установка в исходное состояние «0» двух последовательно включенных триггеров (DD1 и DD2) осуществляется четвертым счетным импульсом, трех триггеров (DD1-DD3) - восьмым и четырех триггеров - 16-м счетным импульсом. Из этого следует, что модуль счета двухразрядного, трехразрядного и четырехразрядно­го двоичных счетчиков равен соответственно 4, 8 и 16. Модуль счета двоичного счет­чика находят из соотношения , где N - число разрядов счетчика.

В процессе работы двоичного счетчика частота следования импульсов на выходе каждого последующего триггера уменьшается вдвое по сравнению с час­тотой его входных импульсов. Это свойство схемы используют для построения делителей частоты. При использовании схемы в качестве делителя частоты вход­ной сигнал подают на счетный вход первого триггера, а выходной снимают с по­следнего триггера.

Выходная и входная частоты связаны соотношением . Максимальное время установки в двоичных счетчиках с непосредственной связью характеризуется суммарной задержкой в последовательной передаче ин­формации от младшего к старшему разряду счетчика. Другими словами, параметр определяется временем перехода счетчика из кода в код 00...0. Его находят из соотношения , где - задержка переключения -триггера после окончания счетного импульса.

 

 

Таблица 14.1 - Состояние триггеров счётчика

Число им­пульсов	Триггер 1	Триггер 2	Триггер 3	Триггер 4
	I

Время установки возрастает с увеличением числа разрядов, что сказывается на быстродействии счетчика. Максимальная частота следования счетных им­пульсов ограничивается величиной:

.

При работе счетчика в режиме деления частоты его предельная частота определяется предельной частотой переключения триггера первого разряда:

.

Счетчики с коэффициентом счета .

На практике часто возникает необходимость в счетчиках, коэффициент счета которых не соответствует указанному значению . Такие счетчики выполня­ются на основе двоичных счетчиков. Общий принцип их построения основывается на исключении у счетчика с соответствующего числа «избыточных» состояний. Число избыточных состояний s определяется разностью: , где - количество состояний двоичного счетчика; - требуемый коэффициент счета. Число триггеров счётчика выбирают по минимуму величины s. Например, при построении счетчика с на двух триггерах и счетчика с на четырех триггерах следует исключить соответственно 1 и 6 состояний.

Способы построения счетчиков с коэффициентом счета достаточно разнообразны. Наибольшее распространение получили способ принудительной установки в состояние «0» всех разрядов двоичного счетчика и способ принуди­тельного насчета. По первому способу реализуются счетчики с естественным по­рядком счета, по второму - счетчики с принудительным счетом.

В счетчиках с естественным порядком счета порядок счета такой же, как в двоичных счетчиках. Отличие заключается в том, что путем введения дополнительных связей счет заканчивается раньше значения . У счетчика с переход разрядов в состояние «0» будет происходить с приходом не 16-го, а 10-го счетного импульса («Система 16 - 6»).

В счетчиках с принудительным насчетом исключение избыточных состоя­ний двоичного счетчика достигается путем принудительной установки отдель­ных его разрядов в состояние «1» в процессе счета. Принудительный насчет осуществляется введением обратных связей со старших разрядов двоичного счетчика в младшие, благодаря чему соответствующие младшие разряды вне очереди переключаются в состояние «1».

Вследствие принудительного насчета показания рассматриваемых счетчиков не соответствуют двоичной системе счисления. По этой причине их относят к классу счетчиков с «произвольным» порядком счета. Способ реализации счетчи­ков с принудительным насчетом показан на примере функциональной схемы счет­чика с (рис.106).

Рисунок 106 - Функциональная схема декадного счетчика с принудительным насчетом

 

До записи «1» в четвертый разряд, т. е. до прихода восьмого счетного импуль­са, счетчик работает как двоичный (таблица 14.2). С приходом восьмого счетного импульса «1» записывается в триггер с осуществлением обратной связи на запись «1» во вторую и третью ячейки.

Таблица Состояние триггеров счётчика с принудительным счётом

Число входных импульсов	Т4	Т3	Т2	Т1

Таким образом, после восьмого счетного импульса вследствие принудитель­ного насчета в счетчик записывается число 8 + 6 = 14. Девятый счетный им­пульс устанавливает «1» в триггере Т₁, а десятый счетный импульс возвращает счетчик в исходное нулевое состояние.

Счетчики с называют десятичными, или декадными. Они нашли широкое применение для регистрации числа импульсов с последующим визуаль­ным отображением результата.

Десятичные счетчики часто включают последовательно (рис. 107).

Рис.107 - Последовательное соединение декадных счётчиков

 

Если в пределах всех декад счет ведется в двоичной системе счисления, то, например, числу 978 будет отвечать код 1001 0111 1000, характеризующий двоич­но-десятичную систему счисления.

Электронная промышленность выпускает широкую номенклатуру интеграль­ных схем счётчиков. Типичным представителем является счётчик 531ИЕ16 - син­хронный, реверсивный, декадный, двоично-десятичный счётчик. Эта ИС позволяет строить счётчики с предустановкой, строить комбинированные схемы счётчи­ков, управлять их коэффициентом счёта и управлять направлением счёта.

Современными счётчиками КМОП ИС являются микросхемы КР1554ИЕ6, ИЕ7, ИЕ10, ИЕ18 и ИЕ23, имеющие примерное время задержки распространения в диапазоне 9-22 нс. Развитие этой технологии - серии 5514 и 5554. Кроме счётчи­ков в сериях общего назначения имеются счётчики и в сериях сверхбыстродейст­вующих ИС. Микросхемы серии 6500 (буферизированная полевая логика, материал GaAs) работают на максимальной частоте не менее 1000 МГц и имеют время за­держки распространения 1‑2 нс. Так, 6500ИЕ4 - 4-разрядный двоичный счётчик с предустановкой. Напряжения питания ИС этой серии 4 В и минус 2,5 В. Выход - с открытым истоком, сопротивление внешней нагрузки - 50 Ом.

Особо стоит сверхбыстродействующая серия 193, используемая с закрытым входом (с разделительным конденсатором) и имеющая высокую чувствительность, но работающая от конечного значения нижней входной частоты. Так, счётчик К193ИЕ9 с коэффициентом счёта 4 работает на нижней частоте 150 МГц при на­пряжении 0,6 В и на верхней 1,3 ГГц, а при нескольких милливольтах на частоте 1150 МГц, Счётчик Н193ПЦ5 работает в диапазоне частот 1500-3000 МГц. В этой серии имеются микросхемы для построения сверхвысокочастотных делителей частоты с управляемым коэффициентом деления. У этих ИС есть управляющий вход, изменяющий коэффициент счёта дискретно: так, счётчик 193ИЕ8 имеет управляемый коэффициент счёта 20/22, а микросхема ИЕ2 - коэффициент 10/11

Регистры

Регистрами называют функциональные узлы, предназначенные для приёма, хранения, передачи и преобразования информации. В зависимости от способа за­писи информации (кода числа) различают параллельные, последовательные и па­раллельно-последовательные регистры. Параллельные регистры. В параллельных регистрах запись двоичного числа (слова) осуществляется параллельным кодом, т. е. во все разряды регистра одновременно. Их функция сводится только к приёму, хранению и передаче информации (двоичного числа).

Считывание кода из регистра может производиться многократно без разруше­ния информации. Параллельный N-разрядный регистр состоит из N-триггеров, каждый из которых имеет информационный вход, на которые и подаётся входная информация. Установка выходов регистра в состояния, соответствующие со­стояниям информационных входов, производится при воздействии импульса синхронизации (тактирующего) на соответствующий управляющий вход. Регистры могут иметь отдельный управляющий вход переустановки выходных состояний в нулевое значение («R», переустановка, обнуление).

При построении параллельных регистров наибольшее применение получи­ли D‑триггеры (триггер-«защёлка»), позволяющие выполнять параллельные регист­ры на малом количестве элементов. Полупроводниковая элементная база, выпус­каемая электронной промышленностью, имеет в своём составе многоразрядные параллельные регистры (рисунок 15.1) или позволяет изготавливать их на инте­гральных схемах малой степени интеграции.

Входы	Выходы
	С	D	O
	I
		X	Q0
	X	X	Z

 

1533ИРЗЗ 8-разрядный параллельный регистр на D-триггерах

Таблица состояний

Рис.108 - Многоразрядный параллельный регистр с Z-состоянием

 

Такие регистры (например, ИС 1533ИР22, ИРЗЗ, ИР34) могут использоваться в качестве:

- регистра памяти;

- буферного регистра, способного работать на низкоомные нагрузки (20-100 Ом) и большие ёмкости нагрузки (до 50 пФ и более);

- регистра ввода-вывода и магистрального передатчика, что обеспечено
наличием в них режима большого выходного сопротивления («третье состоя­ние», «Z-состояние»), за счёт чего они физически всегда подключены к линиям
шин магистрали микропроцессорной системы через сопротивления порядка не­
скольких мегаом. А передача информации происходит только во время действия
управляющего импульса (вход ЕО на рисунке 15.1), когда управляющее устрой­ство выводит регистр из Z-состояния.

Параллельные регистры имеются и в составе серий современных скоростных микромощных ИС (серии 1554, 1594, 5514 и 5554). Параметры таких регистров определяются параметрами D-триггеров, входящих в их состав. Это параметры, которые важно знать и при самостоятельном применении D-триггеров:

- время предустановки t_ПРУСТ показывает, насколько ранее должен быть по­дан сигнал на D-вход относительно момента поступления сигнала на на вход С;

- время удержания t_УД отражает время удержания сигнала на D-входе по­сле момента прихода сигнала на С-вход.

Последовательные регистры (регистры сдвига). Характеризуются записью числа последовательным кодом и, кроме операции хранения, осуществляют преобразование последовательного кода в параллельный, служат в качестве элементов вре­менной задержки, выполняют арифметические и логические операции. Регистр со­стоит из последовательно соединенных ячеек памяти, состояния которых передают­ся (сдвигаются) на последующие ячейки под действием тактовых импульсов. Однотактные регистры сдвига выполняют по функциональной схеме (рис.109), по­казанной для четырех разрядов.

Рис.109 - Последовательный 4-разрядный однотактный регистр

 

Тактовые импульсы управляют работой регистра. Регистры сдвига могут управ­ляться одной последовательностью тактовых импульсов. В этом случае регистры на­зывают однотактными. Частота следования тактовых импульсов обычно неизменна. В многотактных регистрах последовательности тактовых импульсов следуют с вза­имным фазовым сдвигом , где т - количество последовательностей тактовых импульсов. Наиболее простая реализация регистра сдвига использует последова­тельное соединение D-триггеров таким образом, чтобы для некоторого n-го разряда выполнялось условие:

; .

 

Первая ячейка регистра относится к его младшему разряду, а четвертая - к стар­шему. При таком расположении разрядов запись числа в регистр производится начиная со старшего разряда числа. При обратном расположении разрядов в регистре запись числа должна начинаться с его младшего разряда. Тактовые импульсы по­даются на все триггеры ячеек одновременно. Их воздействие направлено на пере­ключение триггеров из состояния «1» в состояние «0» с записью единицы в триггер следующей ячейки.

Операция считывания информации из последовательного регистра может быть проведена в параллельном или последовательном коде. Для передачи информации в параллельном коде используют выходы разрядов регистра. Таким образом, последовательный регистр позволяет осуществить операцию преобразования последова­тельного кода в параллельный. Считывание информации в последовательном коде реализуется подачей серии тактовых импульсов.

В последовательном регистре записанное число может быть сдвинуто тактовы­ми импульсами на один или несколько (k) разрядов. Операции сдвига соответствуют умножению числа на . Например, сдвиг кода 0010 числа 2 на один разряд дает код 0100 (число 4), на два разряда - код 1000 (число 8).

При построении модулей памяти на однотактных регистрах сдвига необходимо учитывать, что тактовые импульсы воздействуют на перевод в состояние «0» тригге­ров всех разрядов одновременно. Поэтому в однотактных регистрах должна быть решена задача разделения во времени (по меньшей мере на длительность тактовых импульсов ) операций считывания единицы с триггера каждого разряда и ее пере­писи в триггер следующего разряда. В противном случае перепись единицы в сле­дующий разряд не будет произведена.

Эта задача может быть решена включением в цепь передачи сигнала от одной ячейки к другой элемента задержки. Элемент задержки будет задерживать импульс записи единицы в последующую ячейку на время действия тактового импульса. Од­нако наличие элементов задержки обусловливает критичность работы схемы в от­ношении длительности тактовых импульсов. Кроме того, для элементов задержки, состоящих из реактивных элементов L и С, затруднено интегральное исполнение. В связи с указанным, разнесение во времени операций считывания и переписи едини­цы осуществляют схемными средствами, например выполнением ячеек на триггерах с внутренней задержкой (, , -триггерах).

Параллельно-последовательные и реверсивные регистры. В параллельно-последовательных регистрах сочетаются свойства регистров параллельного и по­следовательного действия. Они записывают информацию как в последовательном, так и параллельном коде, в связи с чем могут быть использованы для преобразова­ния кодов из последовательного в параллельный и обратно. Эти регистры допускают однотактный (рис.110) и многотактный принципы построения.

Рис.110 - Параллельно-последовательный регистр

 

Для преобразования последовательного кода в параллельный серией тактовых импульсов в регистр записывается информация (число) последовательного кода. Выходы разрядов регистра при этом представляют ту же информацию в параллель­ном коде. Для обратного преобразования информация в регистр вводится по входам параллельного кода. Посредством серии тактовых импульсов с выхода последнего разряда регистра информация считывается в последовательном коде.

Реверсивные регистры предназначены для осуществления сдвига кода числа в сторону как старшего, так и младшего разрядов. Регистр содержит связи последовательной передачи информации в направлении от младших разрядов к старшим, а также от старших разрядов к младшим.

Прямой или обратный сдвиг кода осуществляют управляющим сигналом, вво­дящим в действие либо прямую, либо обратную связи между разрядами.

 

РАЗДЕЛ 5

Фотоэлектронные приборы

10 отоэлектрические приборы.

⇐ Предыдущая891011121314151617Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: