Основные параметры логических элементов

Обозначения элементов, реализующих логические функции

Общий принцип обозначения логических элементов

Здесь * - указатель функции, выполняемой логическим элементом.

Логические элементы характеризуются следующими основными параметрами:

Коэффициент объединения по входу определяет число входом элемента, предназначенных для подачи логических переменных. Элемент с большим коэффициентом объединения по входу имеет более широкие функциональные возможности.

Нагрузочная способность (или коэффициент разветвления по вы­ходу) определяет число входов аналогичных элементов, которое может быть подключено к выходу данного элемента. Чем выше нагрузочная способность элементов, тем меньшее число элементов может потребо­ваться при построении цифрового устройства.

Быстродействие логическогоэлемента является одним из важней­ших его параметров. Оно оценивается задержкой распространения сиг­нала от входа к выходу элемента. На рис.2 показана идеализированная форма входного и выходного сигналов инвертора; здесь tз^1,0 — время задержки переключения выхода элемента из состояния лог.1 в состояние лог.0

tз^0,1 – задержка переключения из состояния 0 в состояние 1. Как видно из рисунка, время задержки измеряется на уровне, среднем между уровнями лог.0 и лог.1. Средняя задержка распространения сигнала tзср = 0,5*(tз^1,0 + tз^0,1). Этот параметр используется при расчете задержки распространения сигналов в сложных логических схемах.

Помехоустойчивость определяется максимальным значением поме­хи, не вызывающей нарушения работы элемента. Для количественной оценки помехоустойчивости воспользуемся так называемой передаточной характеристикой логического элемента (инвертора). На рис.3 приведена типичная идеализированная форма этой характеристики.

Передаточная характеристика представляет собой зависимость вы­ходного напряжения от входного. Для ее получения необходимо соеди­нить все входы логического элемента и, изменяя напряжение на входе, отмечать соответствующие значения напряжения на выходе. При уве­личении входного напряжения от нуля до порогового Uп⁰ в области значений, соответствующих уровню лог.0, напряжение на выходе умень­шается от уровня лог.1 до некоторого минимально допустимого U¹min в области значений, соответствующих уровню лог.1. Дальнейшее увели­чение входного напряжения приводит к резкому снижению выходного напряжения. При больших значениях входного напряжения, превыша­ющих пороговый уровень лог.1 (Uп¹), на выходе устанавливается напря­жение, не превышающее максимально допустимого уровня лог.0 (U⁰max). Таким образом, при нормальной работе элемента в статическом (уста­новившемся) режиме недопустимы входные напряжения Uп⁰ < Uвх< Uп¹. Допустимыми считаются такие помехи, которые, наложившись на вход­ное напряжение, не выведут его в область недопустимых значений.

Классификация цифровых устройств

Устройства, предназначенные для формирования функций алгебры логики, называются логическими устройствами или цифровыми устрой­ствами. Цифровые устройства (либо их узлы) можно делить на типы по различным признакам.

По способу ввода и вывода сигналов различают логические устройства последовательного, параллельного и смешанного действия.

На входы устройства последовательного действия сигналы поступают не одновременно, а последовательно во времени, сим­вол за символом (в так называемой последовательной форме). В такой же последовательной форме выдается выходной сигнал. Пример такого устройства показан на рис.4,а. Как нетрудно сообразить, устройство на рисунке выявляет несовпадение символов на входах, выдавая лог.1 при несовпадении и лог.0 при совпадении символов (действительно, при несовпадении входных символов, когда Вх1 = 1 и Вх2 = 0 или Вх1 = 0 и Вх2 = 1, на выходе устройства Вых = 1, при совпадении входных симво­лов, когда Вх1 = 1 и Вх2 = 1 или Вх1 = 0 и Вх2 = 0, на выходе Вых = 0).

На входы устройства параллельного действия все п символов каждо­го входного сигнала подаются одновременно (в так называемой параллельной форме). В такой же форме образуется на выходе выходной сигнал. Очевидно, при параллельной форме приема и выдачи сигналов в устройстве необходимо иметь для каждого разряда входного (выходного) сигнала отдельный вход (выход). Пример такого устройства показан на рис.4, б. Устройство выполняет над разрядами входных сигналов ту же логическую операцию (выявляя несовпадение символов со­ответствующих разрядов входных сигналов), что и устройство, показанное на рис.4,а, но в параллельной форме. Входы устройства разделены на две группы (I и II), каждая из которых предназначена для приема трех­разрядного входного сигнала в параллельной форме. На выхо­дах устройства также в параллельной форме получается трехразрядный выходной сигнал.

В устройствах смешанного действия входные и выходные сигналы представляются в разных формах. Например, входные сигналы — в последовательной форме, выходные — в параллельной. Устройства смешанного действия могут использоваться для преобразования сигналов из одной формы представления в другую (из последовательной формы в параллельную или наоборот).

По способу функционирования логические устройства (и их схемы) делят на два класса: комбинационные устройства (и соответственно комбинационные схемы) и последовательностные устройства (последо­вательностные схемы).

В комбинационном устройстве (называемом также автоматом без памяти) каждый символ на выходе (лог.0 или лог.1) определяется лишь символами (лог.0 или лог.1), действующими в данный момент времени на входах устройства, и не зависит от того, какие символы ранее дейст­вовали на этих входах. В этом смысле комбинационные устройства лишены памяти (они не хранят сведений о прошлом работы устройства).

В последовательностных устройствах (или автоматах с памятью) выходной сигнал определяется не только набором символов, действую­щих на входах в данный момент времени, но и внутренним состоянием устройства, а последнее зависит от того, какие наборы символов дейст­вовали на входах во все предшествующие моменты времени в процессе работы устройства. Поэтому можно говорить, что последовательност­ные устройства обладают памятью (они хранят сведения о прошлом работы устройства).

Рассмотрим примеры комбинационного и последовательностного устройства. Пусть устройство (рис.5,а) предназначено для формиро­вания на выходе сигнала, определяющего совпадение сигналов на вхо­дах: на выходе формируется лог.1 в случаях, когда на обоих входах действует либо лог.1, либо лог.0, если на одном из входов действует лог.1, а на другом — лог.0, то на выходе устройства образуется лог.0

Такое устройство является комбинационным, в котором значение фор­мируемой на выходе логической функции определяется лишь значения­ми ее аргументов в данный момент времени.

Рассмотрим другой пример. Счетчик на рис. 5,б подсчитывает им­пульсы. В каждый момент времени его состояние соответствует числу поступивших на вход импульсов. Выходная информация определяет­ся тем, каково было состояние счетчика до данного интервала времени и поступает или нет на вход импульс в данном интервале времени. Таким образом, данное устройство является последовательностным устройством.

Дата добавления: 2015-05-09