3.3 Аналоговые и цифровые микроэлектронные устройства

Процесс обработки информации в микропроцессорных системах может быть представлен как совокупность конечного числа элементарных операций (микроопераций), таких как суммирование, сдвиг, прием и выдача информации.

Узлом (операционной схемой) называется то оборудование, с помощью которого выполняется одна или несколько микроопераций. Примерами узлов являются регистры, сумматоры, счетчики, дешифраторы. Каждый узел выполняет заданную микрооперацию при помощи логических, запоминающих и вспомогательных устройств (элементов), входящих в его состав.

Элементами (функциональными элементами) называются те наименьшие единицы, на которые может быть разбита функциональная структура устройства и которые могут быть выполнены в виде элементарных, электрически законченных схем, реализующих простейшие логические функции.

Все показатели, определяющие качество систем, в значительной степени зависят от характеристик элементов, на базе которых они выполнены. Число элементов в устройствах может достигать сотен тысяч. В настоящее время широко применяются интегральные микросхемы. Независимо от конструктивно-технологических особенностей и схемных решений все интегральные схемы по виду обрабатываемой информации подразделяются на цифровые и аналоговые.

Аналоговые интегральные микросхемы предназначены для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по закону непрерывной информации.

Цифровые интегральные микросхемы предназначены для преобразования и обработки сигналов, изменяющихся по за­кону дискретной функции. Эти устройства основаны на исползовании элементов и структур с двумя устойчивыми состояния­ми и применяются главным образом в устройствах дискретной автоматики, вычислительной технике.

3.3.1. Основные понятия. Логические операции

В микропроцессорных системах схемы одного типа обеспечивают переработку двоичных символов, представляющих числа или другую информацию. Схемы другого типа используются для коммутации, образуя пути, цепи, каналы, по которым передается информация. Наконец, схемы третьего типа решают задачи управления, состоящие в активизации тех или иных функций и задании различных состояний и условий. Во всех трех случаях сигналы, появляющиеся в тех или иных точках, как правило, имеют два различимых уровня. Другими словами, сигналы могут представлять двоичные символы или соответствовать значениям определенных высказываний.

Под высказыванием понимается всякое предложение, в котором содержится смысл утверждения (истинности) или отрицания (ложности).

Если высказывание истинное, то его обозначают 1 и называют логической единицей, а, если высказывание ложное, то его обозначают 0 и называют логическим 0. Иногда логическими 0 и 1 являются двоичные цифры 0 и 1. В других случаях логическая 1 соответствует выполнению некоторого условия, а логический 0 — его невыполнению. Таким образом, для описания процессов в дискретных системах автоматики можно использовать только два символа 0 и 1, т. е. двузначную булеву алгебру (алгебру логики).

Алгеброй логики, как наукой о законах и формах мышления, занимались грек Аристотель (319—322 г. до н. э.), англичанин Д. Буль, русский ученый П. Порецкий и другие.

Алгебра логики позволяет описать работу схемы, сделать анализ и синтез дискретной схемы. Задача анализа в том, чтобы по существующей дискретной схеме составить логическую функцию ее работы, а задача синтеза — по существующей логической функции определить количество и тип дискретных элементов.

Достоинство булевой алгебры в том, что ее можно применять к элементам различной природы, лишь бы эти элементы имели два положения (реле, транзисторы, муфты и др.).

В алгебру логики входят: логические операции, законы и следствия.

В алгебре логики выделяют три основные логические операции: логическое умножение (конъюнкция) — И; логическое сложение (дизъюнкция) — ИЛИ; логическое отрицание (ин­версия) — НЕ. Примеры таких операций показаны на рис. 3

Рис. 3. Логические операции на элементах:

а, б, в – И –.НЕ: г, д, е – ИЛИ.-НЕ

Логическое умножение — функция И. означает, что сигнал выходе логического элемента появляется только тогда, когда одновременно есть сигналы на входах х₁ и х₂. Действительно, коллекторный ток (у) появится только тогда, когда на входы обоих транзисторов будет подано одновременно отпирающее напряжение —Uбэ (рис. 3, а).

Логическое сложение — функция ИЛИ означает, что сигнал на выходе логического элемента (у) появляется тогда, когда имеется сигнал хотя бы на одном из входов х₁ или х₂

Действительно, коллекторный ток появится тогда, когда на одном из входов или на обоих входах транзисторов будет отпирающее их напряжение (рис. 3, б).

Логическое отрицание — функция НЕ означает, что сигнал на выходе логического элемента (у) имеется только при отсутствии сигнала на входе х. Действительно, коллекторное входное напряжение будет наибольшим, когда транзистор закрыт, т. е. на входе нет отпирающего напряжения (рис. 3, в). | В рассмотренных схемах логическим нулем являются: отсутствие входного напряжения, коллекторного тока, выходного напряжения в функции НЕ; логической единицей является: наличие входного отпирающего напряжения, коллекторного тока и выходного напряжения в функции НЕ.

Ряд сложных логических операций выполняется на основе простейших операций И, ИЛИ, НЕ. Они приведены в табл. 1.

Логическая операция ИЛИ — НЕ - означает, что сигнал на выходе логического элемента (y) отсутствует только тогда, когда имеется сигнал хотя бы на одном из входов, или на обоих одновременно.

Логическая операция И. - НЕ (операция Шеффера) означает, что сигнал у на выходе логического элемента отсутствует тогда, когда одновременно есть сигналы на входах х₂ и х₂.

Логическая операция РАВНОЗНАЧНОСТЬ означает, что сигнал у на выходе логического элемента существует тогда, когда на обоих входах одновременно имеются или отсутствуют сигналы х₁ и х₂.

Логическая операция ИМПЛИКАЦИЯ означает, что сигнал у на выходе логического элемента существует только тогда, когда отсутствует сигнал на входе х₁ или имеется на входе x₂

Логическая операция ЗАПРЕТ означает, что сигнал у на выходе логического элемента (у) появляется только при наличии сигнала на входе Х₂, и отсутствии сигнала на запрещающем входе x₁.

Функция ЗАДЕРЖКА означает, что сигнал у на выходе элемента появляется через время т после подачи сигнала на вход х. Отдельные логические функции можно выполнить, используя один логический элемент, например И — НЕ (рис. 4, а, б, в) или ИЛИ — НЕ (рис. 4, г, д, е).

Для выполнения логических функций в дискретных системах можно использовать не только транзисторы, реле, но и интегральные микросхемы, магнитные логические элементы типа ЭЛМ, устройства пневмоавтоматики.