книги / Практическая цифровая схемотехника
..pdfМинистерство науки и высшего образования Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Пермский национальный исследовательский политехнический университет»
С.Ф. Тюрин
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦИФРОВАЯ СХЕМОТЕХНИКА
Утверждено Редакционно-издательским советом университета
в качестве учебного пособия
Издательство Пермского национального исследовательского
политехнического университета
2020
1
УДК 681.32
Т89
Рецензенты:
кандидат физико-математических наук,
доцент А.С. Епифанов
(Институт точной механики и проблем управления РАН, г. Саратов);
доктор технических наук, доцент В.И. Фрейман (Пермский национальный исследовательский политехнический университет)
Т89 Тюрин, С.Ф.
Практическая цифровая схемотехника : учеб. пособие / C.Ф. Тюрин. – Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политехн. ун-та, 2020. – 55 с.
ISBN 978-5-398-02397-8
Изложен материал практикума по цифровой схемотехнике, отсутствующий в других учебных пособиях автора по этой тематике. Учебное пособие предназначено для студентов бакалавриата и специалитета, изучающих дисциплину «Цифровая схемотехника». Может быть полезно для магистров и аспирантов.
УДК 681.399
ISBN 978-5-398-02397-8 |
© ПНИПУ, 2020 |
2
|
СОДЕРЖАНИЕ |
|
Введение............................................................................................ |
5 |
|
1. |
Логические элементы на основе транзисторов |
|
и их условные графические обозначения....................................... |
5 |
|
2. |
Моделирование логических элементов |
|
в системах схемотехнического моделирования............................. |
9 |
|
3. |
Уровни сигналов логических элементов.................................. |
10 |
4. |
Потребляемая мощность логических элементов ..................... |
12 |
5. |
Нагрузочная способность логических элементов |
|
(коэффициент разветвления) ......................................................... |
13 |
|
6. |
Быстродействие логических элементов ................................... |
13 |
7. |
Согласование уровней сигналов логических элементов. |
|
Преобразователи уровней.............................................................. |
15 |
|
8. |
Расширение местности логических операций ......................... |
16 |
9. |
Неиспользуемые входы, неиспользуемые элементы .............. |
17 |
10. Выходы биполярных элементов |
|
|
с открытым коллектором. Монтажная логика ............................. |
18 |
|
11. Элемент с тремя состояниями (Тристабильный буфер) ....... |
19 |
|
12. Одновентильные логические устройства ............................... |
22 |
|
13. Комбинационный автомат, комбинационная |
|
|
логика на транзисторном уровне .................................................. |
23 |
|
14. Задание комбинационного устройства |
|
|
в виде программы языка VHDL .................................................... |
30 |
|
|
14.1. Мультиплексор (Мультиплексор-селектор |
|
|
MS, MUX, MX) ........................................................................... |
31 |
|
14.2. Дешифратор ....................................................................... |
33 |
|
14.3. Кодер................................................................................... |
35 |
|
14.4. Нестандартный кодопреобразователь ............................. |
36 |
15. Последовательностная логика. |
|
|
Автомат-распознаватель 1011................................................................... |
36 |
|
|
15.1. Граф автомат-распознавателя 1011.................................. |
37 |
3
15.2. Получение логических функций |
|
автомата-распознавателя 1011 .................................................. |
41 |
15.3. Задание автомата-распознавателя 1011 |
|
на языке VHDL ........................................................................... |
48 |
16. Передача информации последовательным |
|
кодом с помощью регистров ......................................................... |
49 |
Список литературы......................................................................... |
52 |
4
ВВЕДЕНИЕ
Учебные пособия чем-то сродни несчетному множеству Кантора: любая попытка «уложить» материал в прокрустово ложе книг наталкивается на парадокс: всегда найдется тема, не вошедшая ни в одно учебное пособие. По крайней мере у автора. Нельзя объять необъятное…Тем не менее «Практическая цифровая схемотехника» – это n+1-я попытка дополнить уже имеющиеся пособия по цифровой схемотехнике, ибо очередное изменение учебных планов и их «цифровизация» как раз таки и предполагает расширение учебных часов по дисциплине. В то же время это очередная попытка согласования материала с другими, «смежными» учебными дисциплинами, рожденная в дискуссиях с О.В. Гончаровским, А.В. Гавриловым, В.И. Фрейманом и др. Причем упор сделан на описание обобщенных смыслов (семантики), а не конкретных деталей (синтаксиса). Предполагается, что учебное пособие будет доступно в электронном виде в библиотеке, поскольку опыт учебного процесса в «ковидный» период показал, что востребован именно такой формат литературы.
1.ЛОГИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ НА ОСНОВЕ ТРАНЗИСТОРОВ
ИИХ УСЛОВНЫЕ ГРАФИЧЕСКИЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
Простейший логический элемент – инвертор [12, 15, 21] выполняет простейшую логическую функцию отрицания (рис. 1):
Рис. 1. Модель КМОП – инвертора в системе схемотехнического моделирования Multisim [23]
5
Условные графические обозначения (УГО) в РФ выполняют по ГОСТ 2.743-91 [9]. Там инвертор почему-то называют элементом НЕТ (NOT по-английски – НЕ) (рис. 2).
Рис. 2. УГО элемента НЕТ (инвертор) по ГОСТ 2.743-91
Имеются также рекомендации международной электро-
технической комиссии IEC (International Electrotechnical Commission) (рис. 3).
а |
б |
Рис. 3. Международная электротехническая комиссия IEC:
а– логотип; б – здание центрального офиса в Женеве
Всоответствии с ними треугольное обозначение инвертора, принятое в системах схемотехнического моделирования, называется «традиционным» (distinctive shape, отличительная форма), а прямоугольное (как у нас – rectangular shape, прямоугольная форма) (рис. 4).
6
Рис. 4. Два варианта условного графического обозначения инвертора по IEC
В то же время допускается другой вид rectangular shape (рис. 5).
Рис. 5. Еще один вариант условного графического обозначения инвертора по IEC
То есть инверсия обозначается не кружком, а раздвоением линии. Похожие обозначения встречаются и в ГОСТ2.743-91, правда, для так называемого статического выхода с указателем полярности. Примеры УГО других логических элементов приведены на рис. 6.
7
Рис. 6. Примеры УГО двухвходовых логических элементов по IEC
На этих УГО нет обозначения входов питания. Так, Vcc по ГОСТ2.743-91 называется выводом питания от источника напряжения. Допускается обозначение U. Хотя само обозначение Vcc идет от коллекторного питания биполярных элементов, для МОП используют Vdd (drain – сток, иногда расшифровывают как digital device). Обозначение номеров элементов с аббревиатурой DD (digital device) показано на рис. 7
Рис. 7. Обозначение номеров элементов с аббревиатурой DD (digital device) с выводами питания
8
Общий вывод, земля, корпус по ГОСТ2.743-91 обозначается GND, хотя в нашем случае это ноль вольт, такое обозначение (0В) также допускает ГОСТ.
2.МОДЕЛИРОВАНИЕ ЛОГИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ
ВСИСТЕМАХ СХЕМОТЕХНИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
Логические элементы могут быть представлены простейшей дискретной моделью логической функции одной переменной с блоком задержки td на выходе, например для инвертора
(рис. 8).
Рис. 8. Модель инвертора с задержкой на выходе
Такая модель, несмотря на ее условность, применяется на практике [21]. Но она не учитывает динамики, того, что задержка меняется в зависимости от технологического разброса элементов, направления переключения (с 0 на 1 или с 1 на 0), зависимости от емкостной нагрузки и пр. Уточнение модели возможно путем использования в так называемом алфавите кроме 0 и 1 дополнительного символа Х, обозначающего неопределенное состояние в переходном процессе. Кроме этого используют символ Z (отключено, высокоимпедансное состояние), о котором речь идет дальше. Получают четырехсимвольный алфавит {0,1, Х, Z}. Кроме того, вводится понятие силы сигнала: слабый ноль L, слабая единица H, слабое неопределенное состояние W. Получают семь символов. Добавляют еще «не инициализировано» (U) и «не важно»(-), получается девятисимвольный алфавит в соответствии со стандартом IEEE 1164 [6] (рис. 9).
9
Рис. 9. Девятисимвольный алфавит моделирования цифровых устройств в соответствии
со стандартом IEEE 1164
Еще большее приближение к реальности дает аналоговое моделирование с использованием дифференциальных уравнений (как, например, в программе SPICE – Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis). Но при этом резко увеличива-
ется объем вычислений, поэтому такой подход годится только для несложных элементов [21].
3. УРОВНИ СИГНАЛОВ ЛОГИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ
При проектировании цифровых схем необходимо знать и учитывать статические и динамические параметры элементов. Прежде всего это напряжения и токи. Мы уже упоминали выше Vcc – напряжение питания (Vdd), GND (0В). Поскольку в цифровых элементах используются два уровня сигнала – 0 (Low) и 1 (High), то, очевидно, что Vcc – это 1, а GND (0В) – это 0. Напряжение питания имеет некоторый разброс (например 5 %), очевидно, разброс есть и для логических уровней, то есть необходимо определить, где «заканчивается» 0 и «начинается» 1 (диапазоны уровней напряжений логического 0 и логической 1).
10