Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

00 Проектирование цифровых устройств

.pdf
Скачиваний:
312
Добавлен:
12.04.2015
Размер:
1 Мб
Скачать
☆

81

 

а)

 

 

 

 

б)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Q0

 

 

 

 

Q0

 

 

Q0

 

 

1

1

1

 

 

1

1

1

 

1

 

 

Q2

 

 

1

 

Q3

 

 

 

 

1

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Q3

 

 

 

 

 

 

 

Q4

 

0

 

 

×

 

0

 

 

×

×

×

 

Q2

0

 

0

0

Q3

0

 

 

×

0 0

0

Q5

×

 

 

Q4

×

 

 

×

×

×

 

 

 

×

 

 

 

 

 

0

 

 

×

 

0

 

 

×

×

×

 

 

 

 

 

Q1

 

 

 

 

Q1

 

Q2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2.37. Диаграммы Вейча для сигнала обратной связи в пятиразрядном (а) и шестиразрядном (б) счетчиках Джонсона

Для 5-разрядного регистра сигнал обратной связи

DS Q4 Q0 Q1 Q2 Q3

В базисе И-НЕ формула приводится к виду

DS Q4 Q0 Q1Q2Q3

4 ячейки диаграммы Вейча остались нулями: 01011, 00101, 01101 и 01001 (слева – младший разряд, справа – старший).

Проверим, как счетчик выходит после сбоя из любой неразрешенной комбинации в рабочий цикл:

01011 → 00101 → 00010 → 00001,

00101 → 00010 → 10001→ 11000,

01101 → 00110 → 00011,

01001 → 00100 → 00010 → 00001.

Для 6-разрядного регистра сигнал обратной связи

DS Q5 Q0 Q1 Q2 Q3 Q4

В базисе И-НЕ эта формула приводится к виду

DS Q5 Q0 Q1Q2Q3Q4

Остались нулями 11 ячеек, соответствующих неразрешенным состояниям регистра:

82

000101, 010011, 010111, 010101, 010001, 011011, 011001, 011101, 001011, 001101, 001001.

Например, из комбинации 000101 счетчик выходит в рабочий цикл в такой последовательности: 000101 → 000010 → 000001.

Из состояния 001001 счетчик переходит в рабочий цикл:

001001 → 000100 → 100010 → 110001 → 111000.

Выражения для сигнала DS в базисе И-НЕ не требуют использования сигналов с инверсных выходов триггеров, которые в интегральных регистрах, как правило, не предусмотрены.

Применяя принцип индукции, получаем для 8-разрядного счетчика Джонсона формулу сигнала обратной связи:

DS Q7 Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6

В базисе И-НЕ формула приводится к виду

DS Q7 Q0 Q1Q2Q3Q4Q5Q6

Счетчик имеет N = 2n = 16 разрешенных состояний и 2n – 2n =

240запрещенных.

Вэтом режиме входы J всех триггеров, кроме младшего, подключаются к прямым выходам Q соседних слева триггеров, а входы K – к инверсным выходам:

Ji Qi 1;

Ki Qi 1;

i 1,...,7.

На входы младшего триггера необходимо подать такой сигнал, который обеспечивает цикл кода Джонсона. Если рассчитывать на идеальные условия работы, отсутствие сбоев и разрешенное начальное состояние при включении питания, то в качестве сигнала обратной связи достаточно использовать инверсный выход старшего триггера:

J0 DS Q7 ;

K0 DS.

Однако если в результате сбоя счетчик окажется в запрещенном состоянии, а таких состояний при n = 8 больше 200, счетчик может не вернуться в свой цикл. Покажем это на примере n = 4. Рабочий цикл содержит 8 состояний:

Рабочий цикл

 

Ложный цикл

83

Q0

Q1

Q2

Q3

 

Q0

Q1

Q2

Q3

0

0

0

0

 

0

1

0

1

1

0

0

0

 

0

0

1

0

1

1

0

0

 

1

0

0

1

1

1

1

0

 

0

1

0

0

1

1

1

1

 

1

0

1

0

0

1

1

1

 

1

1

0

1

0

0

1

1

 

0

1

1

0

0

0

0

1

 

1

0

1

1

Поэтому в сигнал DS необходимо ввести коррекцию, которая позволит за конечное число тактов войти в рабочий цикл. Для n, равного 4, 5 и 6, синтез функции DS можно провести на диаграммах Вейча. На рисунке 2.36 поясняется процесс синтеза сигнала DS для 4-разрядного счетчика Джонсона. Необходимо доопределить значениями «1» ячейки, соответствующие запрещенным состояниям регистра, с тем чтобы за конечное число тактов «вытолкнуть» из регистра «нули» среди «единиц». При этом допускается, что некоторые запрещенные ячейки можно оставить непокрытыми единицами.

 

 

Q0

 

1

1

1

 

Q2

 

1

 

 

 

 

0

 

0

0

Q3 0 ×

Q1

Рис.2.36. Синтез сигнала обратной связи в 4-разрядном счетчике Джонсона

Для 4-разрядного регистра сигнал обратной связи

DS Q3 Q0 Q1 Q2

84

Одна ячейка диаграммы Вейча из запрещенных осталась нулем: 0101 (слева – младший разряд, справа – старший). Остальные семь ячеек «покрыты единицами. Проверим, как счетчик выходит после сбоя из неразрешенных состояний в рабочий цикл:

0100 → 1010 → 1101 → 1110;

0010 → 1001 → 1100;

1010 → 1101 → 1110;

0110 → 1011 → 1101 → 1110;

1001 → 1101 → 1110;

1101 → 1110;

1011 → 1101 → 1110;

и, наконец, из состояния в ячейке с нулем

0101 → 0010 → 0001 → 0000.

Как видно, наибольшее время для самовосстановления после сбоя составляет три такта.

На рисунке 2.37, а представлены диаграммы Вейча сигнала обратной связи с коррекцией после сбоя для 5-разрядного (а) и 6- разрядного (б) счетчиков Джонсона.

 

а)

 

 

 

 

 

б)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Q0

 

 

 

 

 

Q0

 

 

Q0

 

 

1

1

1

 

 

 

1

1

1

 

1

 

 

Q2

 

 

1

 

 

Q3

 

 

 

 

1

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Q3

 

 

 

 

 

 

 

Q4

 

0

 

 

×

 

 

0

 

 

×

×

×

 

Q2

0

 

0

0

Q4

Q3

0

 

 

×

0 0

0

Q5

×

 

 

×

×

 

 

×

×

×

 

 

 

 

 

 

 

 

 

0

 

 

×

 

 

0

 

 

×

×

×

 

 

 

 

 

Q1

 

 

 

 

 

Q1

 

Q2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2.37. Диаграммы Вейча для сигнала обратной связи в пятиразрядном (а) и шестиразрядном (б) счетчиках Джонсона

85

Для 5-разрядного регистра сигнал обратной связи

DS Q4 Q0 Q1 Q2 Q3

В базисе И-НЕ формула приводится к виду

DS Q4 Q0 Q1Q2Q3

4 ячейки диаграммы Вейча остались нулями: 01011, 00101, 01101 и 01001 (слева – младший разряд, справа – старший).

Проверим, как счетчик выходит после сбоя из любой неразрешенной комбинации в рабочий цикл:

01011 → 00101 → 00010 → 00001,

00101 → 00010 → 10001→ 11000,

01101 → 00110 → 00011,

01001 → 00100 → 00010 → 00001.

Для 6-разрядного регистра сигнал обратной связи

DS Q5 Q0 Q1 Q2 Q3 Q4

В базисе И-НЕ эта формула приводится к виду

DS Q5 Q0 Q1Q2Q3Q4

Остались нулями 11 ячеек, соответствующих неразрешенным состояниям регистра:

000101, 010011, 010111, 010101, 010001, 011011, 011001, 011101, 001011, 001101, 001001.

Например, из комбинации 000101 счетчик выходит в рабочий цикл в такой последовательности: 000101 → 000010 → 000001.

Из состояния 001001 счетчик переходит в рабочий цикл:

001001 → 000100 → 100010 → 110001 → 111000.

Выражения для сигнала DS в базисе И-НЕ не требуют использования сигналов с инверсных выходов триггеров, которые в интегральных регистрах, как правило, не предусмотрены.

Применяя принцип индукции, получаем для 8-разрядного счетчика Джонсона формулу сигнала обратной связи:

DS Q7 Q0 Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6

В базисе И-НЕ формула приводится к виду

DS Q7 Q0 Q1Q2Q3Q4Q5Q6

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данном учебном пособии изложены вопросы, необходимые дня начального освоения методов и приемов проектирования цифровых устройств. Рассмотрены примеры «ручного» синтеза КЦ и АП. Развитие цифровой электроники непосредственно связано с повышением степени интеграции и расширением функций цифровых ИС. С одной стороны, это упрощает реализацию цифровых систем обработки данных и повышает технико-экономические показатели дискретных устройств, с другой стороны, – требует от разработчиков знаний не только цифровой схемотехники, но также систем автоматизированного проектирования и схемотехнического моделирования, без которых в настоящее время трудно представить процесс создания электронных устройств и систем.

При решении практических задач от разработчика цифровых систем потребуется дополнительные знания и сведения, которые можно найти в специальной и справочной литературе.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1.Угрюмов, Е. П. Цифровая схемотехника [Текст]: Учеб. пособие / Е. П. Угрюмов. 2-е изд. СПб: БХВ-Петербург, 2004. 528 с.

2.Новиков, Ю. В. Основы цифровой схемотехники. Базовые

элементы и схемы. Методы проектирования [Текст]: Учебник / Ю. В. Новиков. М.: Мир, 2001. 379 с.

3. Пухальский, Г. И. Проектирование дискретных устройств на интегральных микросхемах [Текст]: Справочник / Г. И.

Пухальский, Т. Я. Новосельцева. М.: Радио и связь, 1990. 304 с.

4. Пухальский, Г. И. Цифровые устройства [Текст]: Учебное пособие для втузов / Г. И. Пухальский, Т. Я. Новосельцева. СПб.: Политехника, 1996. 885 с.

5.Аванесян, Г. Р. Интегральные микросхемы ТТЛ, ТТЛШ [Текст]: Справочник / Г. Р. Аванесян, В. П. Левшин. М.: Машиностроение, 1993. 256 с.

6.Шило, В. Л. Популярные микросхемы КМОП [Текст]: Справочник / В. Л. Шило. – М.: “Ягуар”, 1993. – 80 с.

7.Логические ИС 1533 и 1554 [Текст]: Справочник в двух частях / И. И. Петровский и др. М.: Бином, 1993. 496 с.

Учебное издание

Иванов Владимир Ильич Титов Виталий Семенович Бобырь Максим Владимирович Ястребов Анатолий Степанович

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВ

Учебное пособие для студентов вузов

Редактор О.А. Петрова

Компьютерная верстка и макет О.В. Кофановой

Позиция плана № 4.2011

Подписано в печать 14.12.09. Формат 60х84 1/16. Бумага офсетная. Усл. печ. л. 8,9. Уч.-изд. л. 8,1. Тираж 100 экз. Заказ .

Юго-Западный государственный университет. Отпечатано в Юго-Западном государственном университете. 305040, г. Курск, ул. 50 лет Октября, 94.