Układy cyfrowe. Najczęściej układy cyfrowe służą do przetwarzania sygnałów o dwóch poziomach napięć:

Transkrypt

1 Układy cyfrowe W układach cyfrowych sygnały napięciowe (lub prądowe) przyjmują tylko określoną liczbę poziomów, którym przyporządkowywane są wartości liczbowe. Najczęściej układy cyfrowe służą do przetwarzania sygnałów o dwóch poziomach napięć: wysokiego (H high) niskiego (L low). Pracę takich układów cyfrowych (układów logicznych) opisuje się za pomocą dwuwartościowej algebry Boole`a Poziomom napięć H i L przyporządkowuje się wartości logiczne (prawda) oraz (fałsz). Przyporządkowanie H - oraz L nazywa się logiką dodatnią. Przyporządkowanie H - oraz L nazywa się logiką ujemną

2 Układy cyfrowe Logika dodatnia: 2. V 5. V -. V.8 V Logika ujemna: -5 mv. mv - -. V -.4 V Ze względu na obecność zakłóceń, wahania napięcia zasilającego sygnały w układach cyfrowych nie mają ściśle określonych wartości. Z tego powodu liczby przyporządkowuje się nie wartościom napięć, ale przedziałom napięć oddzielonych przerwami. Jeżeli napięcie przyjmie wartość z zakresu przerwy to stan układu jest nieokreślony. 2

3 Układy logiczne 3

4 Podstawowe tożsamości algebry Boole a A* B = B*A A+B = B+A prawo przemienności A*(B+C) = A*B + A*C A+(B*C) = (A+B)*(A+C) prawo rozdzielności * A = A + A = A prawo tożsamości prawo odwrotności * A = + A = A * A = A A + A = A tw. de Morgana 4

5 Bramki logiczne 5 A B A B AND NAND A B A B OR NOR A NOT A B A B XOR NXOR A NOT A B AND NAND A B OR NOR A B XOR NXOR Podstawowe składniki wszystkich układów logicznych

6 Bramki logiczne Oprócz bramek dwuwejściowych stosowane są również bramki wielowejściowe. Przykład: Wielowejściowa bramka AND a a 2 a 3... a n Wartość logiczna pojawia się na wyjściu jedynie wówczas, gdy stan logiczny wszystkich wejść wynosi. W innych przypadkach f =. Bramka taka bywa nazywana układem koincydencyjnym. 6

7 Przykłady realizacji funkcji logicznych NAND 7

8 Przykłady realizacji funkcji logicznych NOR 8

9 Praktyczna realizacja układów logicznych Układ AND Podanie na jedno z wejść napięcia V polaryzuje diodę w kierunku przewodzenia. OR AND Na wyjściu mamy niewielkie napięcie równe spadkowi napięcia na diodzie spolaryzowanej w kierunku przewodzienia 9

10 Praktyczna realizacja układów logicznych U zaś R C We R B Wy A Y = A NOT

11 Praktyczna realizacja układów logicznych 5V 4k,6k 3 Układ TTL 74 Zakres napięć na wejściach: L ( -.8) V A H - (2-5.5) V B k Y=A*B Zakres napięć na wyjściu L ( -.4) V H - ( ) V NAND

12 Układy małej skali integracji (SSI) Aby zrealizować funkcję logiczną należy użyć pewną liczbe tych układów 2

13 Charakterystyka przejściowa bramki NAND TTL Charakterystyka przejściowa podstawowej bramki NAND TTL serii standardowej, zależność charakterystyki przejściowej od temperatury 3

14 Czas propagacji t P t PLH + 2 t PHL dla 74: t PHL = 5 nsek t PLH = 22 nsek W układach z diodami Shottky ego ( dioda ze złączem metal-półprzewodnik) uzyskuje się czasy przełaczenia rzędu 3 nsek 4

15 Generator zbudowany na NAND ach T T Wy Wy2 Wy3 Wy 5

16 Tranzystor MOS jako łącznik 6

17 Klasy układów cyfrowych TTL (Transistor Transistor - Logic) układy TTL, ECL (Emiter Coupled Logic) układy o sprzężeniu emiterowym, MOS (Metal Oxide - Semiconductor) układy MOS, CMOS (Complementary MOS) układy komplementarne MOS, BiCMOS (Bipolar CMOS) układy,,mieszane, bipolarne CMOS, I 2 L (Integrated Injection Logic) układy iniekcyjne, CTD (Charge Transfer Device) układy o sprzężeniu ładunkowym, GaAs MESFET układy GaAs. 7

18 Bloki funkcjonalne - elementarny blok mający jedno lub więcej wejść i jedno lub więcej wyjść. Jest on zwykle projektowany jako standardowa jednostka funkcjonalna. Zadaniem układu logicznego jest przyjmowanie standardowych sygnałów logicznych na swoich wejściach i produkowanie na wyjściach innych, również standardowych sygnałów logicznych A B C X Y Z Ogólne oznaczenie układu logicznego Struktura wewnętrzna układu logicznego może zawierać różne rodzaje układów przełączających.zmienne logiczne (mające wartości lub ) są oznaczone przez A, B, C..., X, Y, Z. 8

19 Bloki funkcjonale Układy kombinacyjne Stan wyjść jest jednoznacznie określony przez stan wejść układu: Układy sekwencyjne Stan wyjść zależy od stanu wejść oraz od poprzednich stanów układu: 9

20 Układy kombinacyjne Stan wyjść zależy tylko od stanu wejść Układ taki można definiować za pomocą: Tablicy prawdy Symbolu graficznego Równania Boole a X={x, x 2, } Układ kombinacyjny Y(X)={y, y 2, } 2

21 Układy kombinacyjne Tablica prawdy: Sygnały wejściowe Sygnał wyjściowy A B C F 2

22 Układy kombinacyjne 22

23 Układy kombinacyjne Realizacja układu za pomocą bramek AND, OR i NOT: 23

24 Metody upraszczanie układów kombinacyjnych Mapa Karnaugha: Kod Graya

25 Metody upraszczanie układów kombinacyjnych Mapa Karnaugha: Rys a8 Jeśli sąsiadujące kwadraty zawierają, to odpowiednie iloczyny różnią się tylko jedną zmienną. W takim przypadku te iloczyny mogą być połączone przez wyeliminowanie tej zmiennej

26 Metody upraszczanie układów kombinacyjnych Mapa Karnaugha: Gdy zakreślamy grupy, dozwolone jest użycie tej samej jedynki więcej niż jeden raz.

27 Metody upraszczanie układów kombinacyjnych Mapa Karnaugha: Możemy wyeliminować dowolną grupę jedynek, która w całości nakłada się z innymi grupami

28 Układy kombinacyjne Przykładowe układy: Multiplekser, demultiplekser Koder, dekoder Sumator Komparator 28

29 Multiplekser S2 S F D D D2 D3 Tablica prawdy 29

30 Multiplekser S2 S F D D D2 D3 3

31 Dekodery p n- p q k- q p n- p wejścia dekodera q k- q wyjścia dekodera k=2 n Dekodery znajdują zastosowanie np. do dekodowania adresu 3

32 Dekodery Chcemy zbudować kilobajtowa z czterech układów RAM o pojemności 256 bajtów. Przestrzeń adresową możemy podzielić następująco: adres układ FF FF 2 2FF 2 3 3FF 3 32

33 Demultiplekser Po dodaniu jednej linii wejściowej dekoder może służyć jako demultiplekser 33

34 Programowalne tablice logiczne (PLA) Rys. a9 Koncepcja PLA polega na tym, że dowolna funkcja Boole a może być wyrażona na podstawie sumy iloczynów. Programowanie polega na przepalaniu zbędnych połaczeń. 34

35 Programowalne tablice logiczne (PLA) Rys. a9 35

36 Pamięć stała (ROM read only memory) Rys. a9 Wejścia/ adresy Wyjścia /zawartość Informacja zawarta w pamięci ROM jest trwała. Jest ona zapisana w procesie tworzenia układu. 36

37 Kody, konwertery kodów Każda informacja może być przedstawiona jako określona kombinacja bitów. Kombinacja bitów przypisana danej informacji jest nazywana kodem. Kodowanie umożliwia na przykład przedstawienie symboli cyfrowych, liter lub znaków w postaci binarnych słów logicznych. Komunikacja z człowiekiem wymaga stosowania kodu wyświetlającego. W najprostszym przypadku jest to kod siedmiosegmentowego wyświetlacza cyfr. Cyfry kodujemy tak, aby w siedmiobitowym słowie binarnym każdy bit odpowiadał jednemu z segmentów. 2 3 CYFRA a b c d e f g

38 Układy logiczne realizujące kod siedmiosegmentowego wyświetlacza Dla segmentu c mamy: BC A 38

39 Kody, konwertery kodów Kod Graya (kod refleksyjny) Wśród kodów stosowanych w pomiarach można wyróżnić kod Graya. Główną zaletą tego kodu jest to, że przy przejściu do następnej kombinacji zmienia się tylko jeden bit. Kodem Graya długości n (n bitowym) jest ciąg wszystkich 2 n różnych ciągów n cyfr {,}, ustawionych tak, że dwa kolejne ciągi różnią sie tylko na jednej pozycji. Ostatni i pierwszy wyraz tego kodu także spełnia tę zasadę (kod cykliczny). 2 bitowy 3 bitowy

40 Kody, konwertery kodów Kod z N (kod pierścieniowy) W kodzie tym tylko jeden z bitów przyjmuje wartość (pozostałe bity ). Umożliwia on na przykład wprowadzanie z klawiatury cyfr (naciskamy tylko jeden klawisz). z 4 z 8 sygnał aktywny

41 Kody, konwertery kodów Konwersja pomiędzy kodami: liczbowym binarnym (kod naturalny binarny) liczbowym dziesiętnym binarnym Graya binarnym z N. (6 elementów)