Общая характеристика. Цифровое представление информации позволяет передавать и обрабатывать ее без искажений

Цифровое представление информации позволяет передавать и обрабатывать ее без искажений. Оно оказывается наиболее рациональным для компьютеров, измерительных приборов, сигналов управления и т.д. В настоящее время цифровые устройства применяются все шире, вытесняя аналоговые устройства, то есть такие, которые используют непрерывные сигналы.

Цифровые микросхемы выпускаются на основе различных полупроводниковых элементов. Наиболее распространены микросхемы двух технологий – ТТЛ (транзисторно–транзисторная логика) и КМОП (комплементарные МОП–структуры). ТТЛ реализуется на биполярных транзисторах, КМОП – на полевых. Микросхемы ТТЛ и КМОП работают на основе транзисторных усилителей, которые переключаются между режимами отсечки и насыщения. В некоторых случаях для повышения быстродействия насыщения не допускают, используя режим, близкий к насыщению.

Микросхемы ТТЛ обладают большим быстродействием, но меньшей помехоустойчивостью, и они потребляют больше энергии в сравнении с микросхемами КМОП. В больших интегральных схемах (БИС) преобладают КМОП–структуры, так как размещение на одном кристалле большого количества биполярных транзисторов приведет к его перегреву. При работе с микросхемами КМОП нужно обеспечить отсутствие статического электричества, так как оно может их испортить.

В цифровой форме информация обычно имеет вид последовательности двоичных (логических) чисел 0 и 1. В электронных устройствах нуль чаще всего кодируется низким уровнем напряжения (например, для микросхем ТТЛ от –0,5 до +0,4 В), а единица – высоким уровнем (для ТТЛ от +2,4 до +5,5 В). Такая кодировка называется положительной логикой. Если нулю соответствует высокий уровень напряжения, а единице – низкий, то это называется отрицательной логикой.

Суть цифровой электроники состоит в том, чтобы в соответствии с входными цифровыми сигналами вырабатывать выходные цифровые сигналы. Эти задачи разделяются на два класса: комбинационные и последовательные.

Комбинационные задачи решаются схемами, у которых выходные сигналы соответствуют входным сигналам в настоящий момент времени. Комбинационные схемы реализуют различные функции математической логики.

Последовательные задачи представляют более широкий класс. Выходные сигналы последовательных схем зависят не только от входных сигналов в настоящий момент времени, но и от входных сигналов в предшествующие моменты времени. Иначе говоря, последовательные схемы– это схемы с памятью. Последовательные схемы могут быть собраны на основе элементов комбинационной логики.

Цифровые устройства могут работать в асинхронном или синхронном режиме. В асинхронном режиме командой к изменению состояния выходов элемента цифровой схемы служит изменение входных сигналов этого элемента. Переключение одних элементов может не совпадать по времени с переключением других элементов цепи. В синхронном режиме изменение выходов всех элементов происходит одновременно в момент прихода тактового импульса. Для работы элемента цифровой схемы в синхронном режиме необходимо, чтобы он имел специальный вход для приема тактовых импульсов.

Рассмотрим примеры элементов цифровой электроники.

Элементы И–НЕ, ИЛИ–НЕ

Рис. 8.1. Обозначение элемента И–НЕ на схеме.

Рис. 8.2. Устройство элемента И–НЕ на базе ТТЛ

Элемент И–НЕ (рис. 8.1, 8.2) реализует отрицание логического умножения. В математике эта функция называется штрих Шеффера. В таблице 8.1 показаны значения функции И–НЕ для всех значений аргументов.

Устройство элемента И–НЕ на базе ТТЛ показано на рис. 8.2. Логическую функцию И выполняет многоэмиттерный транзистор VT₁. Когда на всех входах имеются сигналы логической единицы, то все эмиттерные переходы входного транзистора VТ₁ оказываются закрытыми. В этом состоянии транзистор VТ₁ включен инверсно (то есть, эмиттер и коллектор как бы поменялись местами). Ток через резистор R₁ и переход база–коллектор транзистора VТ₁ посту­пает в базу транзистора VТ₂ и насыщает его. На выходе уста­навливается низкое напряжение. Если хотя бы на одном входе оказывается сигнал логического нуля, то соответствующий переход база–эмиттер транзистора VT₁ открывается, и ток через R₁ направляется в этот переход, а не в переход база–коллектор VT₁. Из–за этого ток базы транзистора VТ₂ прекращается, транзистор VT₂ закры­вается, на его выходе устанавливается высокое напряжение.

Рис. 8.3. Обозначение эле– мента ИЛИ–НЕ на схеме.

х1	х2			х1	х2
Табл. 8.1. Таблица истинности функции И–НЕ		Табл. 8.2. Таблица истинности функции ИЛИ–НЕ

Элементы И–НЕ бывают не только с двумя, но и с несколькими входами. Все они выдают на выходе отрицание логического произведения всех своих входов.

Элемент ИЛИ–НЕ реализует отрицание логического сложения (рис. 8.3., табл. 8.2). В математике эта функция называется стрелка Пирса. В таблице 8.2 показаны значения этой функции для всех значений ее аргументов.

Элементы И–НЕ, ИЛИ–НЕ относятся к комбинационной логике. Кроме них, существует множество элементов, реализующих другие логические функции, например, элементы И, ИЛИ, исключающее ИЛИ, и т.д.

Однако, даже с помощью только одной функции И–НЕ можно реализовать все функции математической логики. То же относится и к функции ИЛИ–НЕ. Поэтому элементы И–НЕ и ИЛИ–НЕ чаще других применяются при конструировании электронных логических устройств.

Рис. 8.4. Устройство RS–триггеров.

Рис. 8.5. Обозначение RS–триггера.