E

Инверсный

вход

E

а)

б)

Рис. 2.2.-Примеры изображения входов разрешения

2.2. Дешифраторы

Дешифратор - это комбинационный узел или комбинационная схема, имеющая

при n информационных входах до 2n выходов и осуществляющая преобразование

параллельного двоичного числа в унитарный код. Унитарный означает такой спо-

соб представления числа, при котором величина числа определяется положением

активного сигнала на множестве выходов.

Двоичное число, подаваемое на информационные входы, указывает номер того

выхода, на котором наблюдается активный сигнал. То есть входы дешифратора в

данном случае являются адресными, определяют адрес выхода с активным сигна-

лом. На остальных выходах наблюдаются в то же время пассивные сигналы. При

определении номера выхода надо учитывать тот факт, что входная информация

представлена в двоичном виде, а выходы пронумерованы в десятичной системе

счисления. Следовательно, для определения номера выхода необходимо с учётом

веса каждого информационного разряда осуществить преобразование двоичного

числа, подаваемого на информационные входы, в десятичное. Полученное деся-

тичное число и определяет номер выхода, на котором формируется активный сиг-

нал.

Сказанное поясним, рассмотрев дешифратор с числом входов n=3.

Функционирование этого дешифратора описывается таблицей истинности 2.1.

Анализируя эту таблицу, можно заметить, что на любой комбинации возмож-

ных значений входных сигналов только на одном определённом выходе из восьми

присутствует единица. Причём, номер этого выхода равен десятичному эквива-

является старшим разрядом, а x0 – младшим.

Указанный в первом столбце порядковый номер строки является фактически

десятичным эквивалентом подаваемого на входы двоичного числа. Действитель-

но, например, в строке с номером №=6 комбинация значений входных сигналов

x2, x1, x0 равна 110, что в десятичной системе соответствует числу 6. На указан-

ной строке единичный уровень выходного сигнала будет наблюдаться на выходе

y6.

Таблица 2.1

№

0

1

2

3

4

5

6

7

x2

0

0

0

0

1

1

1

1

x1

0

0

1

1

0

0

1

1

x0

0

1

0

1

0

1

0

1

y0

1

0

0

0

0

0

0

0

y1

0

1

0

0

0

0

0

0

y2

0

0

1

0

0

0

0

0

y3

0

0

0

1

0

0

0

0

y4

0

0

0

0

1

0

0

0

y5

0

0

0

0

0

1

0

0

y6

0

0

0

0

0

0

1

0

y7

0

0

0

0

0

0

0

1

Единичный уровень на выходе является при этом активным, он указывает на

значение числа в унитарном представлении. Как будто на оси целочисленных ве-

личин, представленной линейным расположением выходов, точкой или штрихом

отмечено положение числа. На всех остальных выходах наблюдаются пассивные

сигналы, в рассматриваемом случае это логические нули.

Синтезируем дешифратор как комбинационную схему, имеющую 8 выхо-

дов. При этом будем считать, что выходные переменные зависят только от вход-

ных, что позволяет синтезировать 8 независимых комбинационных схем, каждая

из которых формирует один из выходных сигналов:

y 0 = x 2 ⋅ x1 ⋅ x0 ; y1 = x 2 ⋅ x1 ⋅ x0 ;

y 2 = x 2 ⋅ x1 ⋅ x0 ;

y3 = x 2 ⋅ x1 ⋅ x0 ;

y 6 = x 2 ⋅ x1 ⋅ x0 ;

y 7 = x 2 ⋅ x1 ⋅ x0 .

Эти выражения позволяют построить функциональную схему дешифратора с

использованием инверторов для формирования отрицаний входных переменных,

и конъюнкторов для реализации функций выходных переменных. Функциональ-

ная схема дешифратора для рассмотренного случая предложена на рисунке 2.3.

Предложенный дешифратор можно изображать на функциональных схемах дву-

мя способами, предложенными на рисунке 2.4. В условных обозначениях в ос-

новном поле на верхней строчке изображается символ выполняемой функции. В

нашем случае этим символом является сочетание букв «DC» (Decoder). Подобным

же образом дешифратор можно изобразить и на принципиальной схеме, если он

реализован в виде микросхемы, добавив у каждого вывода номер контакта микро-

схемы. В основном поле условного обозначения на принципиальной схеме под

символом функции дешифратора ставится тип микросхемы. В названии микро-

схемы дешифратора после номера серии элементов ставятся буквы «ИД», после

которых ставится номер разработки.

1

x0

&

y0

&

y1

x1

1

x1

&

y2

&

y3

x2

x2

1

&

y4

&

y5

&

y6

&

y7

Рис. 2.3. – Функциональная схема дешифратора

x0

x1

x2

1

2

4

0

1

2

3

4

5

6

7

y0

y1

y2

y3

y4

y5

y6

y7

DC

x0

x1

x2

0

1

2

0

1

2

3

4

5

6

7

y0

y1

y2

y3

y4

y5

y6

y7

а)

б)

Рис. 2.4. – Возможные способы условного обозначения простейшего де-

шифратора на функциональной схеме.

Отличие между предложенными вариантами обозначения дешифратора за-

ключается в способе изображения информационных (или адресных, поскольку

они определяют номер, то есть адрес выхода) входов. В первом случае входы

обозначены своими весами в десятичной системе счисления. Младший разряд

входного слова (x0) имеет при этом вес, равный единице, следующий разряд –

равный двойке, а самый старший разряд в данном случае имеет вес, равный четы-

рём. Во втором случае входы обозначаются степенью двойки. Чтобы при этом оп-

ределить вес разряда, необходимо возвести двойку в степень, соответствующую

указанному числу. Для входа, обозначенного во втором случае цифрой 2, вес раз-

ряда равен 22, то есть четырём.

Входы и выходы предложенных дешифраторов являются прямыми, то есть

активными сигналами для них являются единицы.

Очень часто современные дешифраторы имеют специальный вход разреше-

ния работы E (Enable). Только при наличии на этом входе активного сигнала де-

шифратор осуществляет требуемое преобразование, то есть на одном из выходов

появится активный сигнал. Если на входе разрешения сигнал пассивный, то на

всех выходах дешифратора наблюдается пассивный сигнал. Пусть активным сиг-

налом по входу Е является 1, тогда предложенные выше функции, описывающие

дующим образом:

y 0 = E ⋅ x 2 ⋅ x1 ⋅ x0 ;

y 2 = E ⋅ x 2 ⋅ x1 ⋅ x0 ;

y 4 = E ⋅ x 2 ⋅ x1 ⋅ x0 ;

y 6 = E ⋅ x 2 ⋅ x1 ⋅ x0 ;

y1 = E ⋅ x 2 ⋅ x1 ⋅ x0 ;

y3 = E ⋅ x 2 ⋅ x1 ⋅ x0 ;

y5 = E ⋅ x 2 ⋅ x1 ⋅ x0 ;

y 7 = E ⋅ x 2 ⋅ x1 ⋅ x0 .

Используя полученные выражения, можно предложить соответствующее

условное изображение дешифратора, у которого активными сигналами на выхо-

дах являются единицы (рис. 2.5).

DC

x0

x1

x2

1

2

4

E

E

0

1

2

3

4

5

6

7

y0

y1

y2

y3

y4

y5

y6

y7

Рис. 2.5. - Условное графическое обозначение дешифратора с активными

единичными сигналами на выходах и входе E

На практике на входе E (разрешение работы) может быть реализован конъюнктор

с прямыми и инверсными входами, а на выходах активным сигналом также может

быть нуль. При этом соответствующие входы и выходы с активными нулями по-

мечаются кружочками инверсии.

Условное изображение дешифратора с активными нулями на выходах и

конъюнктором на входе разрешения, предложено на рисунке 2.6. Предложенный

на этом рисунке дешифратор соответствует микросхеме дешифратора К555ИД7.

Работа дешифратора разрешается только в том случае, когда на входах разреше-

ния будут присутствовать следующие сигналы:

E1=1, E2=0, E3=0.

При этом условии в зависимости от сигналов на входах x2, x1, x0 формируется

уровень логического нуля на соответствующем выходе.

x0

x1

x2

1

2

4

DC

ИД7

E1

E2

E3

&

E

0

1

2

3

4

5

6

7

y0

y1

y2

y3

y4

y5

y6

y7

Рис. 2.6. - Условное обозначение дешифратора с активными нулями на вы-

ходах и конъюнктором на входе разрешения работы

Рассмотрим способ увеличения количества выходов дешифратора. Пусть в

нашем распоряжении имеются полные (число выходов равно 2n при n информа-

ционных входах) дешифраторы типа 2→4 (два входа – четыре выхода). Необхо-

димо построить дешифратор, который имеет 4 информационных входа и 16 выхо-

дов, то есть дешифратор типа 4→16. Пример построения такого дешифратора и

условное обозначение микросхемы, реализующий такой дешифратор, предложе-

ны на рисунке 2.7.

В зависимости от состояний сигналов x3 и x2 при наличии на входе разре-

шения работы E дешифратора DD1 формируется единица на одном из четырёх

выходов этого дешифратора. Это приводит к тому, что только один из выходных

дешифраторов будет реагировать на комбинацию сигналов на входах x0 и x1.

Только выбранный дешифратор сформирует единицу на одном из своих выходов,

номер которого определяется сигналами x0 и x1. Например, пусть на входах

x3x2x1x0 присутствует число 1011. На входах x3x2 присутствует комбинация 10,

что соответствует в десятичном виде числу 2.

x0

x1

DD1

x2

x3

E

1 DC 0

12

1 DC 0

1

y0

y1

y2

y3

y4

y5

y6

y7

y8

0

5

E

Рис. 2.7. - Способ реализации сложного дешифратора и его условное обо-

значение

Следовательно, именно на выходе 2 дешифратора DD1 сформируется ак-

тивный сигнал, равный единице. Только дешифратору DD4, который принимает

по входу E активный уровень, будет разрешаться работа. На входах x1x0 присут-

ствует число 11, что соответствует в десятичном виде числу 3. На третьем выходе

выбранного дешифратора DD4 будет формироваться единица, то есть активный

сигнал. На остальных выходах выбранного дешифратора будет присутствовать

нуль так же, как и на выходах невыбранных дешифраторов DD2, DD3, DD5. То

есть только на выходе y11 присутствует активный сигнал. Если перевести задан-

ное двоичное число 1011 в десятичную систему, то получим номер выбранного

выхода в десятичной системе: 11. Процедура перевода двоичного числа с учётом

весов разрядов предлагается ниже.

10112=23+21+20=1110.

Существуют специальные дешифраторы, предназначенные для работы с

элементами индикации. В микросхемах ТТЛ существуют дешифраторы, которые

способны коммутировать высокое напряжение для управления неоновыми инди-

каторами. Но в настоящее время широкое применение находят семисегментные

индикаторы, выполненные на светодиодах или жидкокристаллических элементах.

ми и примеры формирования некоторых десятичных цифр предлагаются на ри-

сунке 2.8.

a

f

g

e

c

h

b

d

Рис.2.8. – Расположение сегментов в семисегментном индикаторе и вариан-

ты формирования символов.

Светодиодные индикаторы различаются способом соединения светодио-

дов: по схеме с общим анодом и с общим катодом. В зависимости от разновидно-

сти эти индикаторы подключаются общим анодом к источнику положительного

напряжения величиной E=5В, а общим катодом к общему проводу. Достоинством

светодиодных индикаторов является хорошая видимость в условиях недостаточ-

ного внешнего освещения. Для управления подобными индикаторами использу-

ют специальные дешифраторы, у которых имеются 4 информационных входа и 7

выходов. Пример подключения светодиодов семисегментного индикатора к спе-

циальному дешифратору показан на рисунке 2.9. Предложенный дешифратор

способен преобразовать параллельный двоичный код от 0000 до 1001 в соответ-

ствующие сигналы управления светодиодами. Заметим, что дешифратор форми-

рует сигналы управления только для сегментов a, b, c, d, e, f, g. Управление за-

пятой h должно осуществляться дополнительными схемами. Резисторы необхо-

димы для ограничения тока управления светодиодами. В некоторых дешифрато-

рах токоограничивающие резисторы располагаются внутри микросхемы.

Предложенная схема работает следующим образом.

При подаче на входы x3, x2, x1, x0 двоичного эквивалента десятичного раз-

ряда дешифратор формирует на соответствующих выходах уровни логического

нуля, что вызывает протекание токов через соответствующие светодиоды, кото-

рые будут светиться. Пусть на входах присутствует двоичное число, соответст-

нули на выходах a, c, d, f, g. На светодиодном индикаторе будет светиться цифра

5, как показано на рисунке 2.8.

+E

младший x0

разряд

x1

x2

R1..R8

1

2

4

8

DC

a

b

c

d

e

f

g

h

VD1..VD8

старший

разряд

x3

Рис. 2.9. – Схема подключения светодиодов семисегментного индикатора к

специальному дешифратору

Если требуется формировать с помощью индикатора более сложные симво-

лы, то придётся управлять каждым сегментом индикатора.

Поскольку светодиодный индикатор выполняется как законченное изделие,

то на электрических схемах целесообразно использовать его условное графиче-

ское обозначение, а не изображать каждый светодиод, как показано на рисунке

2.9. Пример изображения семисегментного индикатора предложен на рисунке

2.10. Звёздочка в символе функции обозначает, что это не логический элемент,

буква H является символом индикатора, 7S указывает на число сегментов. Ин-

формационные входы обозначены как инвертирующие, то есть активным сигна-

лом на них является нуль. На вход U подаётся питание.

логичные дешифраторы. Особенностью жидкокристаллических индикаторов яв-

ляется необходимость применения генератора импульсов для обеспечения комму-

тации полярности подводимого к элементам индикации напряжения. Импульсы с

генератора подаются одновременно на общий для индикатора вход питания и в

качестве сигнала управления выходными цепями дешифратора. Одновременно в

этом случае меняется как состояние питающего сигнала, так и происходит пораз-

рядное инвертирование всех выходных сигналов дешифратора. Такое управление

жидкокристаллическим индикатором существенно продляет срок его службы.

a

b

c

d

e

f

g

h

U

*H7S

Рис. 2.10. – Условное обозначение семисегментного индикатора

Дешифраторы находят широкое применение. В составе компьютеров, на-

пример, дешифраторы позволяют адресоваться к определённому устройству, мо-

дулю, с которым в данный момент осуществляется обмен информацией. Чтобы

обратиться именно к определённому устройству, достаточно подключить вход

разрешения работы этого устройства к определённому выходу дешифратора, а

входы дешифратора использовать для задания адреса устройства.

Дешифраторы могут находить и неожиданное применение. Например, де-

шифратор может быть использован как основной узел цифрового замка. При про-

граммировании определённый выход дешифратора через усилитель подключается

к электромагниту замка. На лицевую сторону двери ставятся кнопки, которые

управляют адресными входами дешифратора и входом разрешения работы. На

адресных входах одновременно нажимаются кнопки, соответствующие выбран-

ному при программировании выходу. Каждая кнопка может переключать вход

дешифратора с уровня логического нуля на уровень логической единицы и наобо-

рот. Можно упростить кнопки путём предварительной подачи с помощью рези-

сторов на каждый вход определённого уровня, например, уровня единицы. Тогда

нажатие кнопки приводит к подаче на соответствующий вход уровня нуля. По-

следней нажимают кнопку, которая подаёт на вход разрешения работы дешифра-

тора активный сигнал. Если при этом комбинация нажатых кнопок правильная, то

на электромагнит поступает ток, который заставит электромагнит открыть дверь.

Если же набрана ошибочная комбинация, то можно включить специальную сире-

ну. Условием включения сирены может быть отсутствие активного сигнала на

входе усилителя электромагнита при наличии активного сигнала на входе разре-

шения дешифратора. То есть достаточно к дешифратору добавить двухвходовой

конъюнктор для подключения сирены. Выбор выхода дешифратора с n адресными

входами при программировании можно осуществить, например, с помощью пере-

ключателя на 2n положений.

(Попробуйте предложить функциональную схему электронного замка на

дешифраторе с четырьмя адресными входами и входом разрешения с активным

нулём, подключив усилитель электромагнита к выбранному вами выходу с тре-

буемой комбинацией сигналов).

С помощью дешифратора легко реализовать бегущий огонь на цепи свето-

диодов или ламп накаливания, которые через усилители подключаются к выходам

дешифратора. Если на входы дешифратора подавать импульсы с частотами f, f/2,

f/4, …, то активный сигнал поочерёдно будет появляться на выходах 0, 1, 2, 3, …

Временные диаграммы входных сигналов в предложенном случае будут подобны

входным сигналам x3, x2, x1, показанным на рисунке 1.4.

(Подумайте, на какой вход дешифратора надо подавать сигналы с макси-

мальной частотой, а на какой вход следует подавать минимальную частоту,

чтобы активный сигнал появлялся на выходах в указанном порядке).