Сложные логические элементы

Наиболее типичное применение дешифраторов состоит именно в дешифрировании входных кодов, при этом входы С используются как стробирующие, управляющие сигналы. Номер активного (то есть нулевого) выходного сигнала показывает, какой входной код поступил. Если нужно дешифровать код с большим числом разрядов, то можно объединить несколько микросхем дешифраторов (пример показан на рис. 5.3).

Рис. 5.3. Увеличение количества разрядов дешифратора

При этом старшие разряды кода подаются на основной дешифратор, выходы которого разрешают работу нескольких дополнительных дешифраторов. На объединенные входы этих дополнительных дешифраторов подаются младшие разряды входного кода. Из пяти микросхем дешифраторов 2–4 можно получить дешифратор 4–16, как показано на рисунке (хотя лучше, конечно, взять готовую микросхему). Точно так же из девяти микросхем 3–8 можно получить дешифратор 6–64, а из семнадцати микросхем 4–16 — дешифратор 8–256. Еще одно распространенное применение дешифраторов — селекция (выбор) заданных входных кодов. Появление отрицательного сигнала на выбранном выходе дешифратора будет означать поступление на вход интересующего нас кода. В данном случае увеличивать число разрядов входного селектируемого кода гораздо проще, чем в предыдущем (см. рис. 5.3). Например, две микросхемы 4–16 позволяют селектировать 8-разрядный код (рис. 5.4). В примере на рисунке селектируется 16-ричный код 2А (двоичный код 0010 1010). При этом один дешифратор работа ет с младшими четырьмя разрядами кода, а другой — со старшими четырьмя разрядами. Объединяются дешифраторы так, что один из них разрешает работу другого по входам –С1 и –С2. Применяя механические переключатели выходов дешифраторов (тумблеры, перемычки), можно легко изменять код, селектируемый данной схемой.

Рис. 5.4. Селектирование кода на дешифраторах

Еще одно важное применение дешифраторов состоит в перекоммутации одного входного сигнала на несколько выходов. Или, другими словами, дешифратор в данном случае выступает в качестве демультиплексора входных сигналов, который позволяет разделить входные сигналы, приходящие в разные моменты времени, на одну входную линию (мультиплексированные сигналы). При этом входы 1, 2, 4, 8 дешифратора используются в качестве управляющих, адресных, определяющих, на какой выход переслать пришедший в данный момент входной сигнал (рис. 5.5), а один из входов С выступает в роли входного сигнала, который пересылается на заданный выход. Если у микросхемы имеется несколько стробирующих входов С, то оставшиеся входы С можно использовать в качестве разрешающих работу дешифратора.

Рис. 5.5. Включение дешифратора как демультиплексора

Как и для любых других цифровых микросхем, для дешифраторов наиболее критична ситуация одновременного или почти одновременного изменения входных сигналов. Например, если стробы С постоянно разрешают работу дешифратора, то в момент изменения входного кода на любом выходе дешифратора могут появиться паразитные отрицательные короткие импульсы. Это может быть связано как с неодновременным выставлением разрядов кода (из-за несовершенства микросхем источников кода или из-за разных задержек распространения по линиям связи), так и с внутренними задержками самих микросхем дешифраторов.

Рис. 5.6. Стробирование выходных сигналов дешифратора

Если такие паразитные импульсы нужно исключить, то можно применять синхронизацию с помощью стробирующих сигналов. Используемый для этого сигнал С должен начинаться после текущего изменения кода, а заканчиваться до следующего изменения кода, то есть должен быть реализован вложенный цикл. На рис. 5.6 показано, как будет выглядеть выходной сигнал дешифратора без стробирования и со стробированием.

На втором уровне представления (модель с временными задержками) также надо учитывать, что задержки дешифратора больше задержки простых логических элементов примерно вдвое для входного кода и примерно в полтора раза — для стробирующих входов. То есть если попытаться заменить дешифратор схемой на логических элементах, то такой дешифратор получится медленнее. Точные величины задержек надо смотреть в справочниках.

Рис. 5.7. Позиционная индикация на дешифраторе с выходами ОК

Дешифраторы, имеющие выходы типа ОК (ИД5, ИД10), удобно применять в схемах позиционной индикации на светодиодах. На рис. 5.7 приведен пример такой индикации на микросхеме ИД5, которая представляет собой два дешифратора 2–4 с объединенными входами для подачи кода и стробами, позволяющими легко строить дешифратор 3–8. При этом старший разряд кода выбирает один из дешифраторов 2–4 (нуль соответствует верхнему по схеме дешифратору, а единица — нижнему). То есть в данном случае номер горящего светодиода равен входному коду дешифратора. Такая индикация называется позиционной.

Рис. 5.8. Объединение выходов дешифраторов с ОК

Выходы микросхем дешифраторов с ОК можно объединять между собой для реализации проводного ИЛИ (рис. 5.8). Нуль на объединенном выходе будет тогда, когда хотя бы на одном из выходов вырабатывается нуль. При равномерном пошаговом наращивании входного кода (например, с помощью счетчика) такое решение позволяет формировать довольно сложные последовательности выходных сигналов. Правда, каждый выход дешифратора может использоваться для получения только одного выходного сигнала. Это ограничивает возможности таких схем.

Шифраторы используются гораздо реже, чем дешифраторы. Это связано с более специфической областью их применения. Значительно меньше и выбор микросхем шифраторов в стандартных сериях. В отечественных сериях шифраторы имеют в названии буквы ИВ.

На рис. 5.9 показаны для примера две микросхемы шифраторов ИВ1 и ИВ5. Первая имеет 8 входов и 3 выхода (шифратор 8–3), а вторая — 9 входов и 4 выхода (шифратор 9–4). Все входы шифраторов — инверсные (активные входные сигналы — нулевые). Все выходы тоже инверсные, то есть формируется инверсный код. Микросхема ИВ1, помимо 8 информационных входов и 3 разрядов выходного кода (1, 2, 4), имеет инверсный вход разрешения –ЕI, выход признака прихода любого входного сигнала –GS, а также выход переноса –EO, позволяющий объединять несколько шифраторов для увеличения разрядности.

Рис. 5.9. Микросхемы шифраторов

Таблица истинности шифратора ИВ1 приведена в табл. 5.2.

Из таблицы видно, что на выходах кода 1, 2, 4 формируется инверсный двоичный код номера входной линии, на который приходит отрицательный входной сигнал. При одновременном поступлении нескольких входных сигналов формируется выходной код, соответствующий входу с наибольшим номером, то есть старшие входы имеют приоритет перед младшими. Поэтому такой шифратор называется приоритетным. При отсутствии входных сигналов (вторая строчка таблицы) формируется выходной код 111. Единичный сигнал –EI (первая строчка) запрещает работу шифратора (все выходные сигналы устанавливаются в единицу). На выходе –GS вырабатывается нуль при приходе любого входного сигнала, что позволяет, в частности, отличить ситуацию прихода нулевого входного сигнала от ситуации отсутствия любых входных сигналов. Выход -EO становится активным (нулевым) при отсутствии входных сигналов, но разрешении работы шифратора сигналом –EI.

Стандартное применение шифраторов состоит в сокращении количества сигналов. Например, в случае шифратора ИВ1 информация о восьми входных сигналах сворачивается в три выходных сигнала. Это очень удобно, например, при передаче сигналов на большие расстояния. Правда, входные сигналы не должны приходить одновременно. На рис. 5.10 показаны стандартная схема включения шифратора и временные диаграммы его работы.

Рис. 5.10. Стандартное включение шифратора

Инверсия выходного кода приводит к тому, что при приходе нулевого входного сигнала на выходе формируется не нулевой код, а код 111, то есть 7. Точно так же при приходе, например, третьего входного сигнала на выходе образуется код 100, то есть 4, а при приходе пятого выходного сигнала — код 010, то есть 2.

Наличие у шифраторов входов EI и EO позволяет увеличивать количество входов и разрядов шифратора, правда, с помощью дополнительных элементов на выходе. На рис. 5.11 показан пример построения шифратора 16–4 на двух микросхемах шифраторов ИВ1 и трех элементах 2И-НЕ (ЛА3).

Рис. 5.11. Шифратор 16–4 на двух шифраторах 8–3

Одновременное или почти одновременное изменение сигналов на входе шифратора приводит к появлению периодов неопределенности на выходах. Выходной код может на короткое время принимать значение, не соответствующее ни одному из входных сигналов. Поэтому в тех случаях, когда входные сигналы могут приходить одновременно, необходима синхронизация выходного кода, например, с помощью разрешающего сигнала EI, который должен приходить только тогда, когда состояние неопределенности уже закончилось.

Задержка шифратора от входа до выхода кода примерно в полтора раза превышает задержку логического элемента, а задержка до выхода GS — примерно в два раза больше. Точные величины задержек микросхем надо смотреть в справочниках.

Мультиплексоры

Мультиплексоры (английское Multiplexer) предназначены для поочередной передачи на один выход одного из нескольких входных сигналов, то есть для их мультиплексирования. Количество мультиплексируемых входов называется количеством каналов мультиплексора, а количество выходов называется числом разрядов мультиплексора. Например, 2-канальный 4-разрядный мультиплексор имеет 4 выхода, на каждый из которых может передаваться один из двух входных сигналов. А 4-канальный 2-разрядный мультиплексор имеет 2 выхода, на каждый из которых может передаваться один из четырех входных сигналов. Число каналов мультиплексоров, входящих в стандартные серии, составляет от 2 до 16, а число разрядов — от 1 до 4, причем чем больше каналов имеет мультиплексор, тем меньше у него разрядов.

Управление работой мультиплексора (выбор номера канала) осуществляется с помощью входного кода адреса. Например, для 4-канального мультиплексора необходим 2-разрядный управляющий (адресный) код, а для 16-канального — 4-разрядный код. Разряды кода обозначаются 1, 2, 4, 8 или А0, А1, А2, А5. Мультиплексоры бывают с выходом 2С и с выходом 3С. Выходы мультиплексоров бывают прямыми и инверсными. Выход 3С позволяет объединять выходы мультиплексоров с выходами других микросхем, а также получать двунаправленные и мультиплексированные линии. Некоторые микросхемы мультиплексоров имеют вход разрешения/запрета С (другое обозначение — S), который при запрете устанавливает прямой выход в нулевой уровень.

На рис. 5.12 показаны для примера несколько микросхем мультиплексоров из состава стандартных серий. В отечественных сериях мультиплексоры имеют код типа микросхемы КП. На схемах микросхемы мультиплексоров обозначаются буквами MS.

Рис. 5.12. Примеры микросхем мультиплексоров

В табл. 5.3 в качестве примера приведена таблица истинности одноразрядного 8-канального мультиплексора с выходами 3С (КП15).

В таблице сигналы на входах 0...7 обозначены D0...D7, прямой выход — Q, инверсный выход — –Q, Z — третье состояние выхода. При единице на входе –EZ оба выхода находятся в третьем состоянии. При нуле на входе –EZ выходной сигнал на прямом выходе повторяет состояние входного сигнала, номер которого задается входным кодом на входах 1, 2, 4. Сигнал на инверсном выходе противоположен по полярности сигналу на прямом выходе.

На рис. 5.13 приведена временная диаграмма работы 4-канального мультиплексора. В зависимости от входного кода на выход передается один из четырех входных сигналов. При запрещении работы на выходе устанавливается нулевой сигнал вне зависимости от входных сигналов.

Рис. 5.13. Временная диаграмма работы 4-канального мультиплексора с разрешением

Микросхемы мультиплексоров можно объединять для увеличения количества каналов. Например, два 8-канальных мультиплексора легко объединяются в 16-канальный с помощью инвертора на входах разрешения и элемента 2И-НЕ для смешивания выходных сигналов (рис. 5.14). Старший разряд кода будет при этом выбирать один из двух мультиплексоров. Точно так же из двух 16-канальных мультиплексоров можно сделать 32-канальный. Если нужно большее число каналов, то необходимо вместо инвертора включать дешифратор, на который подаются старшие разряды кода. Выходные сигналы дешифратора будут выбирать один из мультиплексоров.

Рис. 5.14. Объединение мультиплексоров для увеличения количества каналов

Состояния неопределенности, сопровождающиеся короткими паразитными импульсами, могут возникать на выходе мультиплексоров при почти одновременном изменении входных сигналов. Здесь возможны две ситуации. Во-первых, управляющий код может переключаться сразу после изменения передаваемого в данный момент на выход входного сигнала или сразу перед изменением входного сигнала, который будет передавать на выход следующий код. Во-вторых, сигналы (разряды) управляющего кода могут переключаться не одновременно, что приведет к кратковременной передаче на выход входного сигнала, не соответствующего ни одному из значений кода. В любом случае, в момент переключения каналов сигнал на выходе мультиплексора не определен (рис. 5.15).

Чтобы избежать состояния неопределенности, лучше всего задавать состояние управляющего кода еще до начала работы схемы (до прихода входных сигналов) и в дальнейшем его не менять. Если же это невозможно, то необходима синхронизация, стробирование выходного сигнала, то есть его разрешение только тогда, когда все переходные процессы, связанные с изменением кода, уже закончились. Правда, обычно применять стробирование довольно непросто, так как мультиплексор, как правило, должен без изменений передавать любой входной сигнал.

Задержки выходного сигнала мультиплексора по входам управляющего (адресного) кода примерно в два раза превышают задержки логических элементов, а по информационным входам — примерно в полтора раза. Точные величины задержек надо смотреть в справочниках.

Рис. 5.15. Неопределенные состояния на выходе мультиплексора

Компараторы кодов

Микросхемы компараторов кодов (английское Comparator) применяются для сравнения двух входных кодов и выдачи на выходы сигналов о результатах этого сравнения (о равенстве или неравенстве кодов). На схемах компараторы кодов обозначаются двумя символами равенства: "= =". Код типа микросхемы компаратора кода в отечественных сериях — СП.

Примером такой микросхемы может служить СП1 — 4-х разрядный компаратор кодов, сравнивающий величины кодов и выдающий информацию о том, какой код больше, или о равенстве кодов (рис. 5.16).

Помимо восьми входов для сравниваемых кодов (два 4-х разрядных кода, обозначаемых А0...А3 и В0...В3), компаратор СП1 имеет три управляющих входа для наращивания разрядности (А>B, A<B, A=B) и три выхода результирующих сигналов (А>B, A<B, A=B). Для удобства на схемах управляющие входы и выходы иногда обозначают просто ">", "<" и "=". Нулевые разряды кодов (А0 и В0) — младшие, третьи разряды (А3 и В3) — старшие.

Рис. 5.16. 4-х разрядный компаратор кодов СП1 (два варианта обозначения)

Таблица истинности компаратора кодов (табл. 5.4) кажется на первый взгляд довольно сложной, но на самом деле все просто.

Если используется одиночная микросхема, то для ее правильной работы достаточно подать единицу на вход A = B, а состояния входов A<B и A>B не важны, на них можно подать как нуль, так и единицу. Назначение выходов понятно из их названия, а полярность выходных сигналов положительная (активный уровень — единица). Если микросхемы компараторов кодов каскадируются (об­ъе­ди­ня­ют­ся) для увеличения числа разрядов сравниваемых кодов, то надо выходные сигналы микросхемы, обрабатывающей младшие разряды кода, подать на одноименные входы микросхемы, обрабатывающей старшие разряды кода (рис. 5.17).

В зарубежные стандартные серии входят также и 8-разрядные компараторы, сравнивающие два кода по величине (то есть имеющие выходы "=", ">" и "<"). Примером может служить микросхема SN74AS885.

Рис. 5.17. Каскадирование компараторов кодов

Одно из основных применений компараторов кодов состоит в селектировании входных кодов. В этом случае достаточно иметь информацию только о совпадении кодов на входах компаратора, а не о соотношении их величин. Интересующий нас код (эталонный) подается на один вход компаратора, а изменяющийся код (входной) — на другой вход. Используется только выход равенства кодов А = В. Для подобных применений выпускаются и специальные компараторы, определяющие только совпадение кодов. Примерами могут служить 8-разрядные микросхемы SN74ALS520, SN74ALS521, DC102A фирмы Dionics (отечественный аналог — КР559СК1), а также 6-разрядная микросхема DM8136 фирмы National Semiconductors (отечественный аналог — КР559СК2).

Рис. 5.18. Селектирование 16-разрядных кодов

На рис. 5.18 показано применение компараторов SN74ALS521 для селектирования 16-разрядных кодов. Инверсный сигнал с выхода первой микросхемы подается на инверсный вход разрешения второй микросхемы, выходной сигнал которой (отрицательный) говорит о совпадении входного и эталонного 16-разрядных кодов.

Неопределенные состояния на выходах компараторов кодов могут возникать при любом изменении любого из двух входных кодов. Это связано с неодновременным изменением разрядов кодов (рис. 5.19). На всех выходах компаратора СП1 могут появляться короткие паразитные импульсы. Чтобы устранить их влияние на дальнейшую часть схемы, применяется синхронизация и стробирование. Но для этого надо точно знать момент изменения входных кодов, что далеко не всегда возможно.

Рис. 5.19. Неопределенные состояния на выходах компаратора при изменении входных кодов

При применении компараторов надо учитывать также, что при каскадировании задержки микросхем суммируются и объединенный компаратор будет во столько раз медленнее одиночного, сколько микросхем в нем используется. Задержки компараторов кодов по входам разрядов кодов примерно вчетверо больше задержек логических элементов, а по входам расширения — примерно втрое. Так что эти микросхемы довольно медленные по сравнению с другими комбинационными микросхемами. Точные значения задержек надо смотреть в справочниках.

Если нам важен только факт равенства или неравенства входных кодов, то увеличить быстродействие при объединении компараторов можно, если подавать их выходные сигналы на элемент И (рис. 5.20). В этом случае суммарная задержка схемы превысит задержку одного компаратора всего лишь на задержку элемента И. При применении компараторов с инверсным выходом (например, SN74ALS521) надо брать элемент ИЛИ с нужным числом входов.

Рис. 5.20. Уменьшение задержки при каскадировании компараторов

При необходимости сравнения кодов не только на совпадение, но еще и по величине, такого простого решения не существует. Однако эта задача встречается гораздо реже.

Рассмотрим пример. Пусть нам надо сложить два числа 5 и 7 в отрицательной логике. Числу 5 в положительной логике соответствует двоичный код 0101, а в отрицательной - код 1010. Числу 7 в положительной логике соответствует двоичный код 0111, а в отрицательной - код 1000. При подаче на вход сумматора кодов 1010 (десятичное число 10 в положительной логике) и 1000 (десятичное число 8 в положительной логике) получаем сумму 10 + 8 = 18, то есть код 10010 в положительной логике. С учетом входного сигнала переноса С=1 (отсутствие входного переноса в отрицательной логике) выходной код сумматора получится на единицу больше: 18 + 1 = 19, то есть 10011. При отрицательной логике это будет соответствовать числу 01100, то есть 12 при отсутствии выходного переноса. В результате получили 5+7=12.

Сумматор может вычислять не только сумму, но и разность входных кодов, то есть работать вычитателем. Для этого вычитаемое число надо просто поразрядно проинвертировать, а на вход переноса С подать единичный сигнал (рис. 6.2).

Рис. 6.2. 4-х разрядный вычитатель на сумматоре ИМ6 и инверторах ЛН1

Например, пусть нам надо вычислить разность между числом 11 (1011) и числом 5 (0101). Инвертируем поразрядно число 5 и получаем 1010, то есть десятичное 10. Сумматор при суммировании 11 и 10 даст 21, то есть двоичное число 10101. Если сигнал С равен 1, то результат будет 10110. Отбрасываем старший разряд (выходной сигнал Р) и получаем разность 0110, то есть 6.

Еще пример. Пусть надо вычислить разность между числом 12 (1100) и числом 9 (1001). Инвертируем поразрядно 9, получаем 0110, то есть десятичное 6. Находим сумму 12 и 6, получаем 18, а с учетом С = 1 получаем 19, то есть двоичное 10011. В четырех младших разрядах имеем 0011, то есть десятичное 3.

Каскадировать сумматоры для увеличения разрядности очень просто. Надо сигнал с выхода переноса сумматора, обрабатывающего младшие разряды, подать на вход переноса сумматора, обрабатывающего старшие разряды (рис. 6.3). При объединении трех 4-разрядных сумматоров получается 12-разрядный сумматор, имеющий дополнительный 13-й разряд (выход переноса Р).

Рис. 6.3. Каскадирование сумматоров ИМ6 для увеличения разрядности

Неопределенные состояния на выходах сумматора могут возникать при любом изменении любого из входных кодов (рис. 6.4). Выходной код суммы может принимать в течение короткого времени значения, никак не связанные с входными кодами, а на выходе переноса могут появляться короткие паразитные импульсы. Это связано прежде всего с неодновременным изменением разрядов входных кодов. Чтобы избежать влияния этих неопределенных состояний на дальнейшую схему, необходимо предусматривать синхронизацию или стробирование выходных сигналов. Но для этого надо располагать информацией о моментах изменения входных кодов, которая имеется далеко не всегда.

Рис. 6.4. Неопределенные состояния на выходах сумматора при изменении входных кодов

Задержки сумматора ИМ6 от входов до выходов суммы примерно вдвое превышает задержку логического элемента, а от входов до выхода переноса - примерно в полтора раза. Задержки сумматора ИМ3 больше задержек ИМ6 почти вдвое. Поэтому в схемах, где важно быстродействие, лучше использовать ИМ6. Особенно это существенно при каскадировании для увеличения разрядности, так как там задержки отдельных микросхем суммируются. Точные величины задержек надо смотреть в справочниках.

Преобразователи кодов

Микросхемы преобразователей кодов (англ. сonverter) служат для преобразования входных двоичных кодов в выходные двоично-десятичные и наоборот - входных двоично-десятичных кодов в выходные двоичные. Они используются довольно редко, так как применение двоично-десятичных кодов ограничено узкой областью, например, они применяются в схемах многоразрядной десятичной индикации. К тому же при правильной организации схемы часто можно обойтись без преобразования в двоично-десятичный код, например, выбирая счетчики, работающие в двоично-десятичном коде. Преобразование двоично-десятичного кода в двоичный встречается еще реже.

На схемах микросхемы преобразователей обозначаются буквами X/Y. В отечественных сериях преобразователи имеют обозначения ПР.

Кроме того, надо учесть, что любые преобразования параллельных кодов, даже самые экзотические, могут быть легко реализованы на микросхемах постоянной памяти нужного объема. Обычно это намного удобнее, чем брать стандартные микросхемы преобразователей кодов.

Рис. 6.5. Микросхемы преобразователей кодов

В стандартные серии входят две микросхемы преобразователей кодов: ПР6 для преобразования двоично-десятичного кода в двоичный и ПР7 для преобразования двоичного кода в двоично-десятичный (рис. 6.5). Обе микросхемы имеют выходы ОК, поэтому к ним надо присоединять нагрузочные резисторы величиной около 1 кОм, но для удобства в дальнейших схемах эти резисторы не показаны. Обе микросхемы имеют также вход разрешения выхода -ЕО при нулевом уровне на котором все выходы активны, а при единичном - переходят в состояние единицы. Преобразователь ПР6 имеет дополнительные выходы А, В, С, не участвующие в основном преобразовании.

Таблицы истинности преобразователей просты (табл. 6.2 и 6.3). Например, двоично-десятичный код без младшего разряда на входе ПР6 преобразуется в двоичный код без младшего разряда на выходе ПР6. Младший разряд не участвует в преобразовании, он непосредственно передается со входа на выход. Одна микросхема ПР6 обрабатывает входные коды в диапазоне от 0 (двоично-десятичный код 00 000) до 39 (код 11 1001).