Функциональные узлы цифровых устройств

Сущность и принцип действия цифровых устройств

Наибольшее распространение получили цифровые устройства, использующие бинарную систему кодирования информационных данных. Электрические сигналы, с которыми работают такие системы, представлены прямоугольными импульсами, имеющими два устойчивых уровня, а именно, высокий и низкий.

Компоненты, применяемые для работы с цифровыми сигналами, называются логическими элементами. Можно выделить логические элементы, которые работают в области положительной логики, и логические элементы, работающие в области отрицательно логики. Элементами положительной логики называются те, у которых наибольшее значение импульса цифрового сигнала считается логической единицей, а наименьшая величина импульса считается логическим нулём. Элементами отрицательной логики называются элементы, имеющие обратные положительной логике характеристики, то есть наибольшее значение импульса считается логическим нулём, а наименьшее логической единицей.

Как правило, цифровые устройства в большинстве случаев реализуются на базе интегральных микросхем, использующих положительную логику. Теоретической базой разработки цифрового оборудования считается алгебра логики, именуемая булевой алгеброй по имени её создателя Джона Буля. Функции и их аргументы в булевой алгебре способны принимать лишь пару значений, а именно нуль и единица, и они носят названия, соответственно, логических функций и логических переменных. Устройства, которые реализуют логические функции, являются логическими или цифровыми устройствами.

Цифровые устройства обладают принципиальными схемными и техническими отличиями от аналогового оборудования, которые обусловлены следующими обстоятельствами:

1. Нет жёстких требований к точности и постоянству параметрических характеристик компонентов.
2. Возможность синтезировать любые сложные системы при помощи достаточно небольшого комплекта основных элементов логики и памяти.
3. Имеется возможность сопрягать функциональные узлы без применения дополнительных компонентов согласования.
4. Функциональные возможности могут быть расширены набором необходимых комбинаций интегральных микросхем.

Существует два главных класса цифрового оборудования, а именно, комбинационные автоматы и автоматы, работающие в последовательном режиме, или последовательностные. Главным свойством комбинационного автомата является то, что каждому фиксированному набору входных сигналов должен соответствовать конкретный выходной сигнал. Для последовательностных автоматов такого однозначного соответствия входных и выходных сигналов не существует. У этих устройств выходной сигнал определяется совокупностью входных сигналов в его текущем состоянии и в прошлые временные интервалы. У этого типа автоматов есть память.

Комбинационные автоматы выполняются в основном на сумматорах, дешифраторах и преобразователях кодов. Основным компонентом последовательностных автоматов являются цифровые модули, имеющие два устойчивых состояния, то есть это триггеры. Они являются базовым элементом для реализации регистров, счётчиков, модулей памяти.

Алгебра логики

Любое логическое выражение в алгебре логики способно обладать только одним из двух значений, а именно, выражение «истинно» или оно «ложно». Чтобы обозначить истинность или ложность выражения используются символы 1 и 0. В алгебре логики применяются функции типа Y= f(X1, Х2, ..., Хn), в которых обе переменные, то есть функция и её аргумент, могут быть равны или нулю или единице. Все допустимые логические функции n переменных могут быть образованы при помощи трёх базовых операций:

1. Логическое отрицание или инверсия, или операция НЕ.
2. Логическое сложение или дизъюнкция, или операция ИЛИ.
3. Логическое умножение или конъюнкция, или операция И.

Этот комплект операций является логической базой, и он функционально полный. Применяя правила алгебры логики, можно показать, что логические функции И, НЕ, ИЛИ, тоже будут функционально полными наборами. И кроме этого, каждая из функций И - НЕ, ИЛИ - НЕ, тоже представляет функционально полный набор. Определение функционально полного набора вытекает из того, что при его помощи можно выразить все остальные логические базисные функции.

Чтобы реализовать цифровую систему, обладающую любой сложностью, необходимо присутствие набора логических элементов, которые реализуют операции любого функционального набора. Такой набор элементов принято называть минимальной базой. На сегодняшний день в микроэлектронике этой базой считаются или элементы И - НЕ, или элементы ИЛИ - НЕ, реализуемые по разным технологическим принципам на биполярных и полевых транзисторных структурных организациях.

Главные логические операции и элементы

Как указывалось выше, главными логическими операциями считаются операции отрицания (НЕ), логического суммирования (ИЛИ), умножения (И), и их комбинации ИЛИ - НЕ и И - НЕ. Самые простые схемные и технические воплощения данных операций приведены на рисунке ниже, там же отображены их обозначения и принадлежащие им таблицы истинности:

логических операций. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ" />

Рисунок 1. Самые простые схемные и технические воплощения логических операций. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Операция логического НЕ реализуется при помощи ключа, который выполнен на биполярном транзисторе в схеме с общим эмиттером, или на полевом транзисторе в схеме с общим истоком. Когда на вход транзистора подаётся напряжение низкого уровня, то он заперт и на его выходе высокое сопротивление Rвых. Питающее напряжение делится между нагрузочным сопротивлением Rн и сопротивлением выхода транзистора. Поскольку в данном варианте Rвых > > Rн, то фактически напряжение на выходе транзистора будет равно примерно напряжению питания. В обратном варианте, когда на входе транзистора высокий потенциал U1вх, транзистор открыт, и значит Rвых