Совокупность логических элементов, выполняющих заданную логическую функцию, называется цифровым устройством.
Цифровые
устройства классифицируются
По функциональной сложности:
логические элементы (и, и-не, или и др.);
функциональные узлы (триггеры, сумматоры, дешифраторы и т.д.);
радиоэлектронные средства Цифровые автоматы, микро ЭВМ и т.д.).
По конструктивной сложности:
интегральные микросхемы;
узлы;
платы;
устройства.
По принципам функционирования цифровые устройства подразделяются на устройства:
— комбинационного типа. Устройством
комбинационного типа называется такие устройства, состояние выхода (выходов) Y {Yi} которых однозначно определяется
значениями входных переменных {Xi}.
Y(Y2,Y3..Yi) =
f(X1, X2..)
— накапливающего типа (устройства с памятью).
Накапливающими устройствами называются такие устройства, состояние выхода
(выходов) Y {Yi} которых однозначно определяется значениями входных переменных
{Xi} и предшествующим состоянием Y(t-1).
Предметом изучения цифровой схемотехники является широкий круг устройств, основанных на элементах, которые могут находиться лишь в двух состояниях: включено/выключено; которым соответствуют несовместные, значительно различающиеся уровни напряжения или токов, условно обозначаемые логическими понятиями 1 и 0. Изучение этой дисциплины сопряжено с необходимость использования аппарата дискретной математики для описания переменных и выполняемых над ними операциями с аналитической точки зрения и физических принципов действия различных электронных приборов при рассмотрении реальных образцов построения цифровых элементов и функциональных узлов на их основе.
В результате изучения цифровой схемотехники необходимо
ЗНАТЬ:
Основные типы цифровых элементов (назначение, принципы построения, основы функционирования, реализацию в интегральном исполнении, достоинства и недостатки);
правила анализа функционирования устройств, построенных с использованием цифровых элементов.
УМЕТЬ:
читать принципиальные схемы цифровых устройств;
находить соответствие между принципиальной схемой цифрового устройства и его конструктивной реализацией;
обнаруживать признаки неисправной работы цифровых устройств и по обнаруженным признакам локализировать неработоспособные элементы;
решать конструкторско — технологические задачи при проведении ремонта и модернизации цифровых устройств.
Вся цифровая схемотехника основывается на теоретических положениях, сформулированных в Булевой алгебре, которая в качестве объектов использует логические переменные. Логическим переменным могут даваться различные имена. Чаще всего такими именами являются буквы латинского алфавита, например переменные A, B, C.
В качестве обозначений значений входных и выходных логических переменных также используют, принятые в алгебре обозначения: X — входная переменная, Y — выходная переменная. Если входных и выходных переменных несколько, то они будут отличаться индексами, например, X2, X1, X0 или Y2, Y1, Y0.
Значения логических переменных обозначают вербально, как правда (true) и ложь (false). Вербальные значения неудобны в многократном использовании, поэтому их замещают бинарными (логическими) значениями 0 (false) и 1 (true).
Над логическими переменными определяются логические операции. В качестве входных и выходных значений логических операций могут быть только логические (бинарные) значения.
При переходе от алгебраической реализации логических операций к схемотехнической возникает задача: каким образом закодировать входные и выходные значения логических переменных и каким образом реализовать логические операции?
В настоящее время наиболее распространена реализация логических операций на электронных схемах. Это обусловливает и электрический характер кодирования значений логических переменных. Наиболее распространенным способом кодирования значений логических переменных является потенциальное кодирование, когда значениям логических переменных 0 (false) и 1 (true) ставится в соответствие уровень напряжения U0 и U1. Все было бы хорошо, если бы цифровые схемы были бы идеальными. Однако это не так. Изготовить абсолютно идентичные логические элементы, поместить их в одни условия, запитать их одинаковым напряжением невозможно. Это приводит к тому, что для значений U0 и U1 невозможно задать какое-то точечное значение, например, U0 = 0 В, U1 = 5 В. Поэтому, для физических эквивалентов значений логических переменных задают интервальные значения.
Для цифровых схем с однополярным положительным значением напряжения питания, равным 5 В, к которым относится большинство современных цифровых схем:
(U0min = 0 В) < U0 < (U0max = 0,4 В),
(U1min = 2,4 В ) < U1 < (U1max = 5 В).
Графически предельные уровни напряжений для 0 и 1 показаны на рисунке.
Правильное соответствие физических значений логическим гарантируется при попадании физических значений в допустимые интервалы. При попадании физических значений в интервал неопределенности функционирование цифровой схемы будет непредсказуемым. Для логических элементов, выполняющих простейшие логические операции, существует так называемая передаточная характеристика, по которой можно точнее определить пределы физических значений U0 и U1 и напряжение переключения (Uпор.вх, Uпор.вых).
Помимо потенциального кодирования, в соответствии с физическими принципами функционирования цифровых схем, может применяться токовое кодирование. При токовом кодировании в качестве значений 0 и 1 может, например, использоваться направление протекания тока: втекающий ток — 1; вытекающий ток — 0, или значение такого тока.
В частности, при потенциальном кодировании также существует разнонаправленный ток 0 и 1.
Для логического 0 (левый рисунок) выходной ток управляющего логического элемента (ЛЭ) (DD1) будет втекающим, а входной ток управляемого ЛЭ (DD2) будет вытекающим.
Для логической 1 (правый рисунок) ситуация будет обратной: выходной ток управляющего логического элемента (DD1) будет вытекающим, а входной ток управляемого логического элемента (DD2) — втекающим.
Причем значения токов 0 и 1 будут отличаться в разы (миллиамперы и микроамперы соответственно).
Третьим параметром, который широко используется для кодирования логических значений, является время. Временное кодирование используется в системах передачи данных в видимом оптическом, инфракрасном, радио диапазоне. Логическое значение может кодироваться не только длительностью импульса излучения, но и его фазой.
Также логические значения могут кодироваться и любыми другими физическими величинами, например, освещенностью (включение/выключение осветительных приборов), емкостью (датчики приближения), частотой (сопряженная величина со временем) и т.д.
В большинстве случаев требуемая физическая величина первично преобразуется в напряжение/ток/время, а потом уже обрабатывается стандартными цифровыми схемами.
