Ministerie van de Russische Federatie
Tomsk Polytechnische Universiteit
__________________________________________________________________
EL Sobakin
DIGITAAL SCHEMA
zelfstudie
UDC 681.325.6
Sobakin E.L. digitale schakelingen... Leerboek. toelage. Deel I. Tomsk: Ed. TPU, 2002 .-- 160s.
De handleiding beschrijft de hoofdlijnen van de cursus van colleges voor studenten van de specialiteit 210100 Management en informatica in technische systemen. De handleiding is opgesteld bij de afdeling Automatisering en Computersystemen van TPU, komt overeen met het curriculum van de discipline en is bedoeld voor studenten van het Instituut voor Afstandsonderwijs.
Herdrukt in opdracht van de Editorial and Publishing Council van de Tomsk Polytechnic University
Beoordelaars:
VM Dmitriev Professor, doctor in de technische wetenschappen, hoofd van de afdeling theoretische grondslagen van elektrotechniek, Tomsk University of Control Systems and Radioelectronics;
SI. Korolev Directeur vzw Spetstehauditservice LLP,
kandidaat technische wetenschappen, senior onderzoeker.
Tempel 2002
Tomsk Polytechnische Universiteit, 2002
Invoering
Dit leerboek is bedoeld voor studenten van instellingen voor hoger onderwijs die studeren in de specialiteit 210100 "Informatica en besturing in technische systemen". Het is samengesteld op basis van een reeks lezingen die de auteur een aantal jaren aan de Tomsk Polytechnic University heeft gegeven, en is gewijd aan een systematische presentatie van methoden voor de geformaliseerde constructie van digitale technologie-apparaten op microschakelingen die op grote schaal worden gebruikt.
Het vakgebied "Digitale schakelingen" moet worden beschouwd als een vervolg op het opleidingsonderdeel "Elektronica", dat de studenten vooraf moeten beheersen, aangezien kennis van de elementbasis van analoge elektronische apparaten vereist is.
De meeste moderne automatiseringssystemen, computersystemen, informatietransmissie- en verwerkingssystemen worden geheel of gedeeltelijk op digitale apparaten uitgevoerd. Daarom is kennis van de principes van het gebruik van digitale apparaten en het bouwen op hun basissystemen voor verschillende doeleinden van actueel belang en van grote praktische waarde, zowel in engineering als in onderzoek van methodologische aard.
Het materiaal van de handleiding kan voorwaardelijk in drie delen worden verdeeld: 1) Grondbeginselen van micro-elektronica; 2) Combinatieapparaten van digitale technologie; 3) Sequentiële logische apparaten van digitale technologie.
Wanneer u begint met het beheersen van de cursus, moet u het materiaal bestuderen in de volgorde waarin de gespecificeerde delen zijn vermeld, aangezien het volgende materiaal gebaseerd is op kennis van het vorige, en het veranderen van de volgorde kan leiden tot problemen bij de assimilatie ervan. Dit wordt verergerd door het feit dat in andere leerboeken en speciale technische literatuur verschillende termen en concepten worden gebruikt om dezelfde verschijnselen, processen, uitgevoerde transformaties, enz. te verklaren. Het verschil in de gebruikte concepten of hun onjuistheid leidt tot een verkeerd begrip van de essentie van het gepresenteerde materiaal en als gevolg daarvan het ontstaan van problemen bij de assimilatie ervan.
De eerste twee van deze secties zijn opgenomen in het eerste deel van deze handleiding (Hoofdstuk 1). Aan het derde deel is een aparte handleiding gewijd.
IN 1.Toepassing van digitale apparaten
In verband met de creatie en wijdverbreide introductie van microprocessorinrichtingen en -systemen in de technische praktijk, neemt de belangstelling voor digitale methoden voor informatieverwerking en -overdracht momenteel niet af en wordt deze opnieuw gestimuleerd. Deze methoden geven de systemen op hun beurt een aantal positieve eigenschappen en kwaliteiten. De betrouwbaarheid van de verzonden informatie neemt toe, hoge snelheid en prestatie van informatieverwerkingssystemen worden bereikt, hun aanvaardbare kosten, hoge betrouwbaarheid, laag energieverbruik, enz. worden gegarandeerd.
De taken die door deze systemen worden opgelost, zijn zeer divers en bepalen vooraf de functies van de apparaten die een specifiek systeem vormen. Daarom is het raadzaam om apparaten en hun functies precies te beschouwen in het licht van die taken die worden opgelost door systemen en in het bijzonder die deeltaken die worden uitgevoerd door individuele apparaten of blokken.
de belangrijkste typische taken die voortvloeien uit automatisch of geautomatiseerd beheer en controle van productie- of andere processen zijn:
verzameling informatie (verkrijgen);
transformatie informatie (schalen, normaliseren, filteren, coderen, enz.);
transmissie-ontvangst informatie;
verwerking en gebruik informatie;
opslag informatie.
Afhankelijk van het beoogde doel en de belangrijkste functies worden ze onderscheiden:
Automatische (of geautomatiseerde) controle- en bewakingssystemen.
Informatietransmissiesystemen.
Informatieverwerkingssystemen (computersystemen).
Om de relatie tussen deze taken, de plaats en de rol van elektronische digitale apparaten die in deze systemen worden gebruikt, te begrijpen, zullen we de algemene structurele diagrammen van deze systemen en het functionele doel van hun componenten beschouwen.
B1.1. Automatische controlesystemen
Regeren middelen om de toestand (positie) van het bestuurde object te kennen en in overeenstemming met het gegeven algoritme ( controle algoritme:) om het object te beïnvloeden, in een poging de ontstane afwijkingen te elimineren.
Daarom wordt controle in het algemene geval geassocieerd met de volgende acties:
het verkrijgen van informatie over de staat van het object;
vergelijking van de ontvangen informatie met de gespecificeerde informatie over de toestand van het object;
vorming van stuursignalen (acties);
impact op een object om het in de gewenste staat te brengen.
In overeenstemming met de vermelde acties, moet het automatische controlesysteem (ACS) in het algemene geval een informatiemeetapparaat, een controleapparaat en een uitvoerend apparaat bevatten (Fig. B1).
Informatie-meetapparaat (IUI) ontvangt informatie over het besturingsobject (OU) en verwerkt deze voor. Het verkrijgen van informatie bestaat uit de vorming van primaire signalen, waarvan de waarden evenredig zijn met de waarden van de parameters die de toestand van de op-amp kenmerken. Een object kan worden opgevat als een afzonderlijke productie-eenheid en het productieproces als geheel. En onder de parameters bevinden zich de "uitvoercoördinaten" van het object. Dit kunnen bijvoorbeeld waarden zijn van temperatuur, druk, materiaal- of energieverbruik en dergelijke. Aangezien de meeste van deze coördinaatparameters in analoge vorm worden gepresenteerd en worden gekenmerkt door een oneindige reeks waarden, moeten de signalen in hun parameters worden genormaliseerd, geschaald en een uniforme vorm hebben.
Daarom moet de IMU primaire meetomvormers en sensoren, analoog-naar-digitaal-omvormers en andere functionele eenheden hebben, met behulp waarvan de volgende conversies worden uitgevoerd:
waarden van fysieke grootheden in uniforme analoge signalen van gelijkstroom of wisselstroom;
schalen of normaliseren van signalen naar niveau en vorm;
conversie van analoge signalen naar discrete (digitale) signalen;
signaalcodering en enkele andere transformaties.
Signalen over de huidige waarden van coördinaten worden verzonden naar controle apparaat (Oeh) De functies van dit apparaat omvatten de vergelijking van huidige waarden met de opgegeven coördinaatwaarden en de vorming van stuursignalen (stuursignalen) op basis van de vergelijkingsresultaten. De setpoints kunnen worden ingevoerd door een menselijke operator of automatisch door software. In het eerste geval kan als regeleenheid een automatische regelaar of meerdere automatische regelaars worden gebruikt, waarvan de instellingen door een persoon worden bepaald en ingesteld. In het tweede geval is de CU een mini- of microcomputersoftwaremachine en wordt de rol van een menselijke operator beperkt tot het invoeren van het programma en de eerste opstart van het systeem.
Om deze functies uit te voeren, moet de besturingseenheid rekenkundige en logische bewerkingen uitvoeren voor het berekenen van waarden en het vergelijken van signalen, korte- en langetermijngeheugen (opslag) van signalen en de vorming van uniforme stuursignalen. Deze laatste bevatten informatie op basis waarvan verdere acties op het besturingsobject (besturingsacties) worden gevormd, waardoor het in de gewenste toestand komt.
Direct de impact van de benodigde fysieke natuurvormen uitvoerend apparaat (IWU). Het zet stuursignalen, bijvoorbeeld in de vorm van gelijkspanning of pulsstroom, om in het toerental van de stuurmotor, in de mechanische beweging van de klep op de stoomleiding, enzovoort. Om deze conversies uit te voeren, hebt u nodig: digitaal-naar-analoog-converters; converters van elektrische signalen naar niet-elektrische signalen; versterkers, enz. In dit geval kunnen converters van codes van digitale signalen of golfvormen van signalen nodig zijn als tussenliggende. Bijvoorbeeld codes van binaire getallen in een proportioneel aantal pulsen, enkelfasige signalen in meerfasen, gebruikt om stappenmotoren te besturen, enz.
Onder invloed van storende invloeden verlaat het object de normale toestand (mode), en brengt de ACS het terug in de gewenste (normale) bedrijfsmode. Het regelproces vindt realtime plaats, dat wil zeggen met een snelheid die wordt bepaald door de aard van fysieke processen. Als de besturingsacties in de tijd of buitensporig worden vertraagd, kan een onstabiele werking van het systeem optreden, waarbij de coördinaten van het object onaanvaardbare waarden kunnen aannemen en het object zelf of individuele apparaten van het systeem zullen falen , treedt er een noodmodus op. Daarom is in de theorie van ACS de belangrijkste zijn problemen om de stabiliteit en nauwkeurigheid van de controle te waarborgen.
De meeste van de bovenstaande transformaties kunnen worden uitgevoerd met behulp van digitale micro-elektronische apparaten. De UU is volledig digitaal wanneer ze is gebouwd op basis van besturingsmicrocomputers of op digitale microschakelingen.
Digitale sensoren van fysieke hoeveelheden, evenals gedeeltelijk analoog-naar-digitaal en digitaal-naar-analoog signaalomzetters, worden gemaakt op digitale microschakelingen.
B1.2. Informatietransmissiesystemen (SPI)
Met een toename van de afstand tussen de IU en de CU (Fig. B1), evenals tussen de CU en de CU, het probleem van informatieoverdracht ontstaat... De noodzaak om informatie over lange afstanden te verzenden ontstaat niet alleen in ruimtelijk ontwikkelde systemen van automatische besturing en monitoring, maar ook in systemen anderen soorten communicatie(telegraaf, telefoon, fax, enz.). Bovendien ontstaat de behoefte om informatie over te dragen in computersystemen, datatransmissiesystemen, telemechanische systemen, enz. Deze taak wordt bemoeilijkt door het feit dat in het proces transmissie via communicatielijnen parameters zijn vervormd signalen en dit kan op zijn beurt leiden tot vervorming van informatie tot een afname van de getrouwheid (de waarschijnlijkheid van de juiste ontvangst). Vervorming van signalen is te wijten aan interferentie opkomend in communicatielijnen... Interferentie is in de regel van willekeurige aard en mag qua parameters niet verschillen van de parameters van de signalen. Daarom zijn ze "in staat" om signalen te vervormen en zelfs informatie te "reproduceren". transformeer het verzonden bericht... De laatste meest ongewenste gebeurtenis in de overdracht van informatie.
Om high-fidelity en maximale snelheid te garanderen ( NSFefficiëntie) overdracht van informatie, aanvullende signaaltransformaties en speciale methoden voor de overdracht ervan zijn vereist.
Dergelijke transformaties omvatten: codering en omgekeerde procedure informatie decoderen(en signalen). Encoding is de procedure voor het omzetten van een bericht in een signaal... In dit geval worden de transformaties uitgevoerd volgens bepaalde reglement, waarvan het geheel genaamd code.
Informatiecodering wordt uitgevoerd aan de verzendende kant en decodering aan de ontvangende kant. Zich onderscheiden anti-jamming codering en efficiënt. Doelwitanti-jamming codering bouwen (sfoRmute) een signaal dat minder storingsgevoelig is, geef het een teenenige structuur zodat fouten die tijdens de verzending aan de ontvangende kant zijn opgetreden, kunnen worden gedetecteerd of gecorrigeerd... En dus om een hoge betrouwbaarheid van de overdracht te garanderen.
Doelwiteffectief codering zorgen voor maximale ckOde snelheid waarmee informatie wordt verzonden, aangezien de waarde ervan grotendeels wordt bepaald door hoe laat het wordt ontvangen... Volgens deze eis moet het gecodeerde bericht de vereiste hoeveelheid informatie bevatten en tegelijkertijd de minimale lengte hebben, zodat de verzending een minimum aan tijd in beslag neemt.
Signalen (en informatie) worden verzonden via communicatie kanalen. Koppeling dit is een pad (pad) van onafhankelijke signaaloverdracht van de bronHbijnaam naar de corresponderende ontvanger (ontvanger) van informatie. Communicatiekanalen worden gevormd door technische middelen van kanaalvormende apparatuur en zijn, net als communicatielijnen, onderhevig aan de invloed van interferentie.
Een van de belangrijkste taken die in de SPI worden opgelost, is de taak om het vereiste aantal communicatiekanalen te creëren. De efficiëntie en ruisimmuniteit van transmissie wordt grotendeels bepaald door de gebruikte communicatiekanalen. Onder ruisimmuniteit begrijpen het vermogen van het systeem(signaal, code) hun functies correct uitvoeren in aanwezigheid van interferentie.
Meestal kan één en hetzelfde systeem worden gebruikt om informatie uit vele bronnen over te dragen naar het overeenkomstige aantal ontvangers (ontvangers). Daarom wordt de vorming van het vereiste aantal kanalen met de vereiste ruisimmuniteit toegewezen aan het communicatieapparaat. In dit geval kunnen de volgende transformaties in het communicatieapparaat worden uitgevoerd: modulatie en demodulatie signalen; versterking van verzonden naar de lijn en ontvangen van lennii communicatie signalen; beperking op niveau en frequentiespectrum signalen en enkele anderen.
Afhankelijk van het toepassingsgebied (toepassing) van de SPI is er behoefte aan aanvullende transformaties, zoals het transformeren van de vorm van signalen, hun fysieke aard, het standaardiseren van de parameters van signalen die van buitenaf komen en signalen die door het systeem worden afgegeven aan externe apparaten; tijdelijke opslag van signalen die naar het communicatiekanaal worden verzonden en door het systeem worden afgegeven.
De opgesomde transformaties bepalen vooraf de functionele samenstelling van de zend- en ontvangapparatuur van informatietransmissiesystemen (Fig. B2).
Zoals u in het diagram kunt zien, wordt de transmissie in één richting van links naar rechts uitgevoerd. Het apparaat voor invoer en primaire transformatie van informatie (UPPI) zet signalen die afkomstig zijn van informatiebronnen om in uniforme "primaire" signalen die niet direct over lange afstanden kunnen worden verzonden. Meestal zijn deze uniforme signalen gelijkspanningen met vaste niveauwaarden. In het UVPI-blok worden de primaire signalen voor het tijdstip van verzending opgeslagen (in het buffergeheugen), waarna ze uit het geheugen worden gewist. De encoder (CU) zet de primaire signalen om in gecodeerde signalen met een specifieke structuur en formaat, waardoor ze (signalen) over lange afstanden kunnen worden verzonden ("TV-signalen"). In de regel is dit apparaat combinatorisch, hoewel het in sommige gevallen ook sequentieel (multi-cycle) kan worden gemaakt. Logische en rekenkundige bewerkingen van coderingsprocedures worden hier geïmplementeerd.
Het belangrijkste doel van een communicatieapparaat (Fig. B2) is het creëren of organisatie van communicatiekanalen op de voorziene communicatielijn. Communicatielijn: het is het materiële medium tussen de zender (Rd) en de ontvanger (Rm) van het systeem. De figuur toont conventioneel een tweedraads elektrische communicatielijn. Radio- en glasvezelcommunicatielijnen en andere kunnen echter worden gebruikt. Afhankelijk van het type lijn in PRD en PRM worden verschillende signaaltransformaties uitgevoerd om hun parameters en karakteristieken af te stemmen op de parameters en karakteristieken van de communicatielijn en transformaties gericht op verhoogde ruisimmuniteit signalen.
Aan de ontvangstzijde worden de van de communicatielijn ontvangen gecodeerde signalen weer door een decodeerinrichting (DSC) omgezet in primaire signalen. In dit geval worden fouten in de ontvangen signalen gedetecteerd door decodeerprocedures en kunnen ze worden gecorrigeerd, en aldus wordt de vereiste betrouwbaarheid van de informatieoverdracht verzekerd. EEN uitgangsconverters(VP) transformeren deze primaire signalen in een vorm en een vorm (fysieke aard) die kan worden waargenomen door de ontvangers van informatie.
Opgemerkt moet worden dat de meeste functionele "knooppunten" en "blokken" getoond in figuur B2 kunnen worden geïmplementeerd op digitale microschakelingen. Daarom zijn informatietransmissiesystemen meestal digitaal.
B1.3. Informatieverwerkingssystemen
(computersystemen)
De typische taken die hierboven worden opgesomd, kunnen worden opgelost en geformaliseerd door wiskundige en logische methoden. Op hun beurt werken de genoemde methoden met de eenvoudigste bewerkingen (rekenkundig of logisch), waarvan de uitvoering op sommige "initiële gegevens" een nieuw, voorheen onbekend resultaat oplevert. Deze gemeenschappelijkheid van methoden voor het oplossen van verschillende problemen van informatieverwerking maakte het mogelijk om een afzonderlijke klasse van apparaten en systemen te creëren, met als doel (aanvankelijk) de automatisering van computerprocedures elektronische computers (computers). In het huidige ontwikkelingsstadium van computertechnologie zijn computers "veranderd" in computers, op basis waarvan moderne computersystemen voor het verwerken en verzenden van informatie worden gebouwd. Een algemeen blokschema van een computersysteem wordt getoond in Fig. B3.
De verwerkte gegevens zijn voorlopig invoerapparaat Uvv ga naar Geheugenapparaat Geheugen, waar ze gedurende de gehele verwerkingstijd worden bewaard. Het programma voor het verwerken van binnenkomende informatie wordt ook in hetzelfde geheugen opgeslagen.
Het programma van het systeem, evenals de "gegevens", worden in het geheugenapparaat opgeslagen in de vorm van multi-bit binaire getallen die op bepaalde adressen (adressen van de geheugencellen) in de geheugencellen worden geschreven. Binaire getallen, waarvan het totaal een gegevensverwerkingsprogramma vertegenwoordigt, zijn gestructureerd in een bepaald aantal delen, die elk een specifiek doel hebben. In het eenvoudigste geval zijn er de volgende onderdelen: 1) een bewerkingscode die moet worden uitgevoerd met twee binaire getallen die de waarden van "data" vertegenwoordigen en "operands" worden genoemd; 2) het adres van de eerste operand; 3) het adres van de tweede operand. De combinatie van deze onderdelen vormt een "team".
Het werk van een computer bestaat uit het achtereenvolgens uitvoeren van opdrachten die door het programma worden gegeven. Coördineert het werk van alle blokken in de tijd en beheert ze controle apparaat Uu... En direct logische en rekenkundige bewerkingen (acties) op de operanden worden uitgevoerd rekenkundige logische eenheid ALU, die, na een signaal van de CU "operatiecode", telkens wordt geconfigureerd om een specifieke handeling uit te voeren.
De besturingseenheid decodeert de opdracht die is ontvangen uit het geheugen (Fig. B3 "volgende opdracht"), stuurt de bewerkingscode naar de ALU en bereidt zich voor om de overeenkomstige bewerking uit te voeren. Vervolgens genereert het signalen voor bemonstering uit het geheugen van de operanden (zie het signaal "Data-adressen") en bepaalt het adres van het volgende commando, dat moet worden uitgevoerd in de volgende cyclus van de computer ("Adres van het volgende commando") . Operanden worden uit het geheugen gelezen door signalen van de CU, en de ALU voert de nodige acties uit. In dit geval wordt een tussenresultaat ("Operatieresultaat") gevormd, waarin ook het geheugen wordt opgeslagen. Afhankelijk van het resultaat van de bewerking kan het nodig zijn om de volgorde van de uitvoering van de opdrachten te wijzigen, de gegevensverwerking te stoppen of om foutmeldingen aan de operator te tonen. Hiervoor wordt het signaal "Teken van het resultaat" van de ALU naar de CU gestuurd. Het proces van het verwerken van de ingevoerde gegevens (informatie) gaat door totdat het commando "Einde berekeningen" wordt opgehaald, of de operator, naar eigen goeddunken, het proces van gegevensverwerking stopt.
Het resulterende verwerkingsresultaat wordt ook in het geheugen opgeslagen en kan worden weergegeven via uitvoerapparaat Helaas aan het einde van het verwerkingsproces of tijdens het proces, indien voorzien door het programma.
Voor de "communicatie" van de operator met de computer, eindapparaten DAT, bedoeld voor de operator om commando's en andere berichten in te voeren en voor de operator om "berichten" van de computer uit te voeren.
Fig. B3 toont niet de aansluitingen van het besturingsapparaat, die zorgen voor synchronisatie van de werking van alle componenten van de computer. Brede pijlen geven de mogelijkheid aan van parallelle gegevensoverdracht (gelijktijdige overdracht van alle bits van meercijferige binaire getallen).
Bijna alle blokken getoond in Fig. B3 (behalve voor eindapparaten) kunnen alleen volledig worden uitgevoerd op digitale geïntegreerde schakelingen (IC's). Met name CU, ALU en een deel van het geheugen (registergeheugen van het RAM) kunnen in de vorm van één IC worden gemaakt met een hoge mate van integratie. De benoemde set blokken vormt microprocessor centrale verwerkingseenheid van een computer, gemaakt door middel van integrale technologie op een enkel halfgeleiderkristal.
Gegevensinvoer- en uitvoerapparaten bestaan in de regel uit buffergeheugenregisters, die worden gebruikt voor tijdelijke opslag van respectievelijk invoer- en uitvoergegevens en voor coördinatie van het systeem met externe apparaten.
Een opslagapparaat (geheugen) is meestal verdeeld in twee delen: een random access memory (RAM) en een permanent geheugen. De eerste wordt gebruikt om tussentijdse resultaten van berekeningen op te slaan, de "inhoud" verandert voortdurend tijdens het gegevensverwerkingsproces. RAM werkt in de modi "lezen" en "schrijven" van gegevens. En het tweede, permanent geheugen (ROM), wordt gebruikt om standaard subroutines op te slaan en sommige systeem (service) subroutines die de processen van het aan- en uitzetten van de computer regelen. Gewoonlijk wordt ROM uitgevoerd op een door de gebruiker programmeerbaar ROM (PROM), ofwel voorgeprogrammeerd in de fabriek met een IC-ROM, of een door de gebruiker programmeerbaar ROM (PROM). Meestal zijn dit niet-vluchtige opslagapparaten waarin de opgenomen informatie niet wordt "vernietigd", zelfs als ze zijn losgekoppeld van de stroombron.
De ALU bevat de gelijknamige IC, die logische en rekenkundige bewerkingen uitvoert met binaire getallen, logische elementen en een aantal andere functionele eenheden die dienen om getallen te vergelijken, digitale vergelijkers, om de snelheid van rekenkundige bewerkingen te verhogen, bijvoorbeeld " snelle overdrachtsblokken", enz.
De CU omvat timer-apparaten die de klokfrequentie van het systeem instellen en, uiteindelijk, de prestaties ervan bepalen, commandocodedecoders, programmeerbare logische matrices, registers, microprogrammabesturingsblokken, evenals input-output "poorten".
Alle vermelde functionele eenheden zijn gemaakt in de vorm van geïntegreerde digitale apparaten.
De belangrijkste problemen computersystemen vergroten ten eerste hun productiviteit(snelheid). En ten tweede zorgen voor de werking van systemen live.
Het eerste probleem is systeembreed van aard en wordt opgelost door het gebruik van een nieuwe elementbasis en speciale methoden voor informatieverwerking.
Het tweede probleem doet zich voor bij het gebruik van computersystemen om productieprocessen te besturen en is dat de productiesnelheden en computerprocessen consistent moeten zijn. De werking van een computersysteem (CS) vindt plaats in de zogenaamde "machine"-tijd, wanneer een bepaald vast en ondeelbaar tijdsinterval wordt genomen als een tijdseenheid, de "cyclus van het werk" van een computer of computer genoemd. , terwijl echte fysieke processen, bijvoorbeeld technologische processen, in realtime plaatsvinden, gemeten in seconden, fracties van een seconde, uren, enz. Om het gebruik van computers mogelijk te maken, is het noodzakelijk om de snelheid van informatieverwerking niet minder te maken dan de snelheid van echte fysieke processen. De oplossing voor dit probleem wordt bereikt door het organiseren van speciale methoden voor het uitwisselen van informatie (gegevens) van de regelcomputer met randapparatuur en het gebruik van speciale, zogenaamde inteRgezichtsschema's en apparaten... De functies van de interfacecircuits omvatten:
het bepalen van het adres van een extern apparaat waarvoor informatie moet worden uitgewisseld met de processor of met het opslagapparaat van het systeem;
generatie van interruptsignalen van de VS-processor en initialisatie van de overgang naar het serviceprogramma van het object dat de interrupt heeft aangevraagd. Dit gebeurt volgens een speciaal prioriteitssysteem;
implementatie van wachtrijen voor het onderhoud van externe apparaten;
coördinatie in parameters en tijdstip van uitwisselingssignalen, enz.
Dankzij moderne prestaties op het gebied van geïntegreerde technologie bij de vervaardiging van micro-elektronische apparaten, de creatie van microcomputers en computers die worden gekenmerkt door kleine afmetingen, een laag energieverbruik en redelijke kosten, is het mogelijk geworden om ze te gebruiken als onderdeel van systemen voor verschillende doeleinden. Tegelijkertijd krijgen deze systemen nieuwe kwaliteiten en worden ze multifunctioneel met de mogelijkheid om flexibel van de ene modus naar de andere over te schakelen door simpelweg de configuratie van de systemen te veranderen. Deze voordelen openen op hun beurt nieuwe perspectieven voor de toepassing van computersystemen op een groot aantal gebieden van menselijke activiteit: in de wetenschap, geneeskunde, onderwijs en opleiding, en nog meer in technologie.
Telefonische communicatie werd bijvoorbeeld van oudsher uitgevoerd door analoge apparaten, toen menselijke spraak (via draden) werd verzonden door signalen in de vorm van wisselstromen van audiofrequenties. Nu is er een intensieve transitie naar digitale telefonie, waarbij analoge signalen (van een microfoon) worden omgezet in digitale signalen die over lange afstanden worden uitgezonden zonder noemenswaardige vervorming. Aan de ontvangende kant worden deze digitale signalen weer naar analoog omgezet en naar de telefoon gestuurd. De overgang naar digitale communicatie maakt het mogelijk de kwaliteit van de spraakoverdracht te verbeteren, daarnaast kan het telefoonnetwerk worden gebruikt voor andere diensten: inbraakalarm; brandalarm; voor "conferentiegesprekken" van meerdere abonnees, enzovoort.
IN 2. Vergelijkende evaluatie van digitale en analoge apparaten
micro-elektronische techniek
Bij het bepalen van de constructie of het ontwerp van een apparaat, moet u eerst beslissen over de richting van het ontwerp, wat wordt het apparaat? Analoog of discreet(digitaal)? Deze beslissing kan op zijn beurt worden genomen door de voor- en nadelen van beide apparaten te kennen. Laten we eerst een definitie geven van de concepten "analoge" en "digitale" apparaten.
Analoog noemde dit apparaat, waarin alle invoer-, uitvoer- en tussenliggende (interne) signalen continu zijn, worden beschreven door continue wiskundige functies. Deze signalen worden gekenmerkt door een oneindig aantal waarden in termen van niveau (toestanden) en zijn continu in de tijd, hoewel het variatiebereik van de waarden van het continue signaal beperkt is. Daarom worden dergelijke apparaten soms regelingelandgoederen nediscontinu.
Discrete apparaten of apparaten discrete actie worden die genoemd waarin de invoer-, uitvoer- en tussensignalen worden gekenmerkt door een telbare reeks waarden in termen van niveau en bestaan op bepaalde tijdsintervallen. Dergelijke signalen kunnen worden weergegeven in een of ander positienummersysteem (overeenkomstige nummers). Bijvoorbeeld in decimaal getalsysteem of binair getalsysteem. De binaire representatie van signalen heeft de grootste toepassing gevonden in de technologie en in de formele logica bij de berekening van uitspraken en bij het afleiden van gevolgtrekkingen uit verschillende premissen. Daarom worden discrete apparaten genoemd logisch(vergelijkbaar met formele binaire logica) of digitaal, rekening houdend met de mogelijkheid om ze te beschrijven met behulp van de nummers van het positienummersysteem.
Nadelen van technische middelen van analoge technologie
De aanwezigheid van "drift" en "ruis". driften het is een langzame verandering in het signaal, vanwege de discrete aard van de verschijnselen, in relatie tot de gegeven waarde. Voor elektrische signalen wordt de discrete aard van de stroom van elektrische stroom bijvoorbeeld bepaald door elektronen en "gaten", die dragers zijn van elektrische ladingen. Geluiden Dit zijn willekeurige veranderingen in het signaal veroorzaakt door externe of interne factoren, bijvoorbeeld temperatuur, druk, de sterkte van het aardmagnetisch veld, enz.
Methodologische problemen bij het definiëren van de begrippen "gelijkheid tot nul" en "gelijkheid van analoge signalen". En als gevolg daarvan het bestaan van het probleem van "zorgen voor de gespecificeerde nauwkeurigheid (fout)" van transformaties en signaaloverdracht.
Mogelijkheid van het verschijnen van onstabiele werkingsmodi en het bestaan van het probleem van "zorgen voor de stabiliteit" van de werking van systemen en apparaten. Een onstabiele modus wordt gekenmerkt door het verschijnen in een apparaat of systeem van ongedempte oscillaties bij de verandering van sommige signalen. In de elektronica wordt dit fenomeen veel gebruikt bij de constructie van pulsgeneratoren en generatoren van harmonische oscillaties.
Technische problemen bij de implementatie van opslagapparaten en tijdvertragingsapparaten voor analoge signalen.
Onvoldoende mate van integratie van analoge elementen en hun veelzijdigheid.
Relatief kort zendbereik van analoge signalen door energiedissipatie in communicatielijnen.
Relatief hoog energieverbruik, omdat analoge elementen werken op lineaire secties van hun voorbijgaande kenmerken en energie "verbruiken" in de initiële (initiële) toestanden.
Voordelen van technische middelen van analoge technologie
Toereikendheid van het in kaart brengen van fysieke processen en patronen: beide worden beschreven door continue afhankelijkheden. Dit maakt het mogelijk om de fundamentele technische oplossingen van analoge apparaten en systemen aanzienlijk te vereenvoudigen.
Efficiëntie en gemak van het wijzigen van de bedrijfsmodi: vaak is het voldoende om de weerstand van de weerstand of de capaciteit van de condensator te wijzigen, zodat de onstabiele modus verandert in een stabiele of om een bepaald tijdelijk proces in het apparaat te bieden.
Het is niet nodig om analoge waarden om te zetten naar discrete. Deze transformaties gaan gepaard met een fout en een zekere tijdverspilling.
Voordelen van technische middelen van digitale technologie
De mogelijkheid van geprogrammeerde besturing, die de flexibiliteit vergroot om de structuur en het algoritme van het functioneren van systemen te veranderen, maakt het mogelijk om de implementatie van adaptieve besturingswetten te vereenvoudigen.
Gemak om de gespecificeerde betrouwbaarheid, nauwkeurigheid en ruisimmuniteit van de systemen te garanderen.
Gemak om de compatibiliteit van apparaten met digitale informatieverwerkende apparaten (computers, computers) te garanderen.
Een hoge mate van constructieve en functionele integratie, veelzijdigheid met de mogelijkheid om systemen te bouwen volgens standaard ontwerpoplossingen. Dit stelt u op zijn beurt in staat om de productiekosten en besturingssystemen en apparaten te verlagen.
Het vermogen om te ontwerpen met formele logische methoden, waarmee u de ontwerptijd van apparaten kunt verkorten en het mogelijk maakt om de functies van apparaten (en daarop gebaseerde systemen) te wijzigen door middel van aggregaatconstructie tijdens bedrijf.
Nadelen van technische middelen van digitale technologie
De noodzaak om analoge signalen om te zetten in discrete. Deze transformaties gaan gepaard met het optreden van fouten en vertragingen in de tijd.
De relatieve complexiteit van veranderende bedrijfsmodi. Om dit te doen, is het noodzakelijk om de structuur van het systeem of het algoritme van zijn werking te veranderen.
De complexiteit van de processen voor het analyseren van het functioneren van systemen, zowel bij het controleren van de juistheid van hun werk als bij het zoeken naar opkomende storingen. Digitale apparaten worden gekenmerkt door een grote functionele complexiteit, die speciale "diagnostische" apparaten vereist, die worden bestudeerd in een speciaal gebied van technologie genaamd technische dentegensprekenenterughoudend.
Verhoogde eisen aan de cultuur van productie en aan de cultuur van het onderhouden van technische middelen van digitale technologie. Dit stimuleert op zijn beurt de noodzaak om de kwalificaties van het servicepersoneel te verbeteren en vereist hoge kwalificaties van hen.
Vergelijkende analyse van de genoemde voor- en nadelen geeft: conclusie in het voordeel technische middelen digitale technologie... Daarom lijken digitale apparaten momenteel op grote schaal te worden geïntroduceerd in de traditionele gebieden van analoge technologie: televisie, telefooncommunicatie, in geluidsopnametechnologie, radiotechniek, in automatische controle- en regelsystemen.
1. Grondbeginselen van micro-elektronische engineering
1.1. Basisconcepten en definities
Micro-elektronica de hoofdrichting van de elektronica, die de problemen van ontwerp, onderzoek, creatie en toepassing van elektronische apparaten bestudeert met een hoge mate van functioneel en construerenvNoach integratie.
Micro-elektronisch product, geïmplementeerd door middel van integrale technologie en het uitvoeren van een bepaalde functie van het converteren en verwerken van signalen, wordt genoemd geïntegreerde schakeling(IMS) of gewoon geïntegreerde schakeling(IS).
Micro-elektronisch apparaat een set onderling verbonden IC's die een complete, nogal complexe functie (of meerdere functies) vervullen voor het verwerken en transformeren van signalen. Een micro-elektronisch apparaat kan worden ontworpen in de vorm van een enkele microschakeling of op meerdere IC's.
Onder functionele integratie de toename begrijpen van het aantal functies dat door een bepaald apparaat is geïmplementeerd (uitgevoerd). In dit geval wordt het apparaat beschouwd als: een hele, ondeelbaar. EEN constructief inteelegantie dit is een toename van het aantal componenten in een apparaat dat wordt beschouwd als: een hele... Een voorbeeld van een micro-elektronisch apparaat met een hoge mate van structurele en functionele integratie is: microprocessor(zie hierboven), die in de regel wordt uitgevoerd in de vorm van één "grote" IC.
Circuits is een onderdeel van micro-elektronica, met als onderwerp: bouwmethoden apparaten voor verschillende doeleinden op microfoonOschema's voor wijdverbreid gebruik... Het onderwerp digitale schakelingen zijn methoden om apparaten alleen op digitale IC's te bouwen (ontwerpen).
Kenmerk van digitale circuits: wordt veel gebruikt om de werkingsprocessen van apparaten te beschrijven formeel of formele natuurlijke talen en op basis daarvan geformaliseerde ontwerpmethoden... Formele talen zijn booleaanse algebra(algebra van logica, Booleaanse algebra) en de taal van "automatische" logische functies algebra van staten en gebeurtenissen... Door het gebruik van geformaliseerde methoden, multivariantie bij het oplossen van toegepaste problemen is er een kans optimale keuze van circuitoplossingen door een of ander criterium.
Formele methoden gekenmerkt door een hoog niveau van abstractie, afleiding, verwaarlozing van de specifieke eigenschappen van het beschreven object. De aandacht is alleen gericht op de algemene patronen in de onderlinge relaties tussen de componenten van het object en zijn samenstellende delen. Dergelijke "regelmatigheden" omvatten bijvoorbeeld de regels van rekenkundige bewerkingen in de algebra van getallen (de regels voor optellen, aftrekken, vermenigvuldigen, delen). Tegelijkertijd worden ze afgeleid van de betekenis van getallen (of het nu gaat om het aantal appels of tabellen, enz.). Deze regels zijn strikt geformaliseerd en de regels voor het verkrijgen van complexe rekenkundige uitdrukkingen, evenals de berekeningsprocedures voor dergelijke uitdrukkingen, zijn geformaliseerd. In dergelijke gevallen, zeggen ze, zijn formeel en siNDatTotzus en taal grammatica beschrijvingen.
In formele natuurlijke talen is de syntaxis geformaliseerd, en de grammatica (regels voor het construeren van complexe uitdrukkingen) gehoorzaamt aan de grammatica van een natuurlijke taal, bijvoorbeeld Russisch of Engels. Voorbeelden van dergelijke talen zijn verschillende beschrijvingstalen in tabelvorm. De theoretische basis voor het beschrijven van digitale apparaten is met name de "Theory of Finite Machines" of "Theory of Relay Devices and Finite Machines".
1.2. Classificatie van micro-elektronische apparaten
De hele verscheidenheid aan micro-elektronische apparaten (MEU) kan worden ingedeeld volgens verschillende criteria:
door het principe en de aard van de actie;
door functioneel doel en uitgevoerde functies;
door productietechnologie;
per toepassingsgebied;
door ontwerp en technische kenmerken, enzovoort.
Laten we nu in meer detail de indeling van MEA volgens classificatiecriteria bekijken.
volgens principe:(karakter) acties alle MEU's zijn onderverdeeld in: analoog en digitaal... De concepten van analoge en discrete apparaten, inclusief digitale, zijn hierboven al gegeven. Hier merken we op dat als in discrete apparaten alle signalen slechts twee voorwaardelijke waarden hebben van een logische nul (logische 0) en een logische eenheid (logische 1), dan worden de apparaten genoemd logisch... Doorgaans zijn alle digitale apparaten logische apparaten.
Afhankelijk van de uitgevoerde functies (functioneel doel), worden de volgende micro-elektronische apparaten onderscheiden:
I. Analoog
1.1. Versterkende apparaten (versterkers).
1.2. Functionele converters die wiskundige bewerkingen uitvoeren op analoge signalen (bijvoorbeeld integratie, afleiding, enz.).
1.3. Meetomvormers en sensoren van fysieke grootheden.
1.4. Modulators en demodulators, filters, mixers en harmonische oscillatoren.
1.5. Opslagapparaten.
1.6. Spannings- en stroomstabilisatoren.
1.7. Geïntegreerde schakelingen voor speciale doeleinden (bijvoorbeeld voor het verwerken van radio- en videosignalen, comparatoren, schakelaars, enz.).
II. Digitale MEU
2.1. Logische poorten.
2.2. Encoders, codedecoders en codeconverters.
2.3. Geheugenelementen (triggers).
2.4. Opslagapparaten (RAM, ROM, EPROM, PLM, enz.).
2.5. Rekenkundige logische apparaten.
2.6. Selectors, shapers en pulsgeneratoren.
2.7. Telapparaten (impulstellers).
2.8. Digitale vergelijkers, schakelaars van discrete signalen.
2.9. registreert.
2.10. Microschakelingen voor speciale doeleinden (bijvoorbeeld timer, op microprocessors gebaseerde IC-sets, enz.).
De gegeven classificatie is verre van volledig, maar het stelt ons in staat om te concluderen dat de nomenclatuur van digitale apparaten veel breder is dan de nomenclatuur van analoge MEM's.
Naast de genoemde, zijn er microschakelingen voor signaalniveau-omzetters, bijvoorbeeld Schmitt-triggers, waarbij de ingangssignalen analoog zijn en de uitgangssignalen discreet, binair. Dergelijke microschakelingen nemen een tussenpositie in. Evenzo moeten microschakelingen van analoog-naar-digitaal en digitaal-naar-analoog-omzetters (ADC en DAC), analoge signaalschakelaars die worden bestuurd door discrete signalen, worden aangeduid als "tussenliggende" MEA's.
Afhankelijk van het aantal geïmplementeerde functies wordt onderscheid gemaakt tussen: eenOfunctioneel(eenvoudig) en multifunctioneel(complexe) MEU. In multifunctionele apparaten kunnen functies worden uitgevoerd tegelijkertijd of consequent op tijd. Afhankelijk hiervan worden de apparaten in het eerste geval "parallelle" apparaten genoemd en in het tweede geval apparaten met sequentiële actie of "sequentieel". Als een multifunctioneel apparaat is geconfigureerd om een bepaalde functie uit te voeren door ingangen te schakelen (fysiek opnieuw schakelen van elektrische circuits), dan wordt zo'n apparaat een apparaat genoemd met " rigide logica"Werk. En als de wijziging in de uitgevoerde functies wordt uitgevoerd met behulp van extra externe signalen (op de zogenaamde besturingsingangen), dan moeten dergelijke MEM's worden geclassificeerd als "softwaregestuurd". IC's van rekenkundige logische apparaten (ALU) kunnen bijvoorbeeld rekenkundige of logische bewerkingen uitvoeren met twee multi-bit binaire getallen. En de instelling om rekenkundige (of logische) bewerkingen uit te voeren wordt uitgevoerd door één extra extern signaal, afhankelijk van de waarde waarvan de gewenste acties zullen worden uitgevoerd. Daarom moet ALU worden geclassificeerd als een softwaregestuurde MEA.
Productietechnologie alle IC's zijn onderverdeeld in:
Halfgeleider;
Film;
Hybride.
V halfgeleider Alle IC-componenten en verbindingen worden gemaakt in de bulk en op het oppervlak van het halfgeleiderkristal. Deze IP's zijn onderverdeeld in: Benpolair microschakelingen (met vaste polariteit van voedingsspanningen) en aan unipolair met de mogelijkheid om de polariteit van de voedingsspanning te veranderen. Afhankelijk van het circuitontwerp van de "interne inhoud", zijn bipolaire microschakelingen onderverdeeld in de volgende typen:
TTL transistor-transistor logica;
TTLsh transistor-transistorlogica met transistors en Schottky-diodes;
ESL-emittergekoppelde logica;
En 2L-injectielogica en anderen.
Unipolaire technologie-microschakelingen zijn gebaseerd op MIS-transistors ("metaal-diëlektrische halfgeleider"), of MOS-transistoren ("metaaloxide-halfgeleider"), of CMOS-transistors (complementaire "metaaloxide-halfgeleider").
V film Alle IC-componenten en verbindingen worden alleen uitgevoerd op het oppervlak van het halfgeleiderkristal. Zich onderscheiden dunne film(met een laagdikte van minder dan 1 micron) en dikke film met een filmdikte van meer dan een micron. Dunnefilm-IC's worden vervaardigd door thermische vacuümafzetting en kathodisch sputteren, en dikkefilm-IC's worden gemaakt door zeefdruk met daaropvolgend bakken van additieven.
Hybride IC's bestaan uit "eenvoudige" en "complexe" componenten die zich op een enkel substraat bevinden. Halfgeleider- of film-IC-kristallen worden meestal gebruikt als complexe componenten. De eenvoudige omvatten discrete componenten van elektronische apparatuur (transistoren, diodes, condensatoren, inductoren, enz.). Al deze componenten bevinden zich structureel op een enkel substraat en er worden ook elektrische verbindingen tussen gemaakt. Bovendien vormt één substraat met daarop de componenten één "laag" van het hybride IC. Zich onderscheiden een laag en meerlagig hybride IC's. Het meerlagige hybride IC is in staat om vrij complexe signaalverwerkingsfuncties uit te voeren. Zo'n microschakeling is in actie gelijk aan een "microblok" van apparaten, of, als het bedoeld is voor onafhankelijk gebruik, aan de actie van een "heel" blok.
Bovendien worden eventuele microschakelingen kwantitatief beoordeeld laten zieneentele hun moeilijkheden... Als een dergelijke indicator wordt gebruikt " rang integratie» k, gelijk aan de decimale logaritme van het totaal N componenten die zich op één halfgeleiderkristal bevinden, dat wil zeggen:
k = lq N. (1)
Volgens formule (1) worden alle microschakelingen onderverdeeld in microschakelingen van de 1e, 2e, derde enzovoort integratiegraden. De mate van integratie kenmerkt slechts indirect de complexiteit van microschakelingen, aangezien alleen constructief integratie. In feite hangt de complexiteit van de microschakeling ook af van het aantal onderlinge verbindingen tussen de componenten.
In de ingenieurspraktijk wordt een kwalitatief kenmerk van de complexiteit van microschakelingen gebruikt in termen van "kleine", "middelgrote", "grote" en "extra grote" IC.
Tabel 1.1 geeft informatie over de onderlinge overeenstemming van kwalitatieve en kwantitatieve maten van de complexiteit van IS per type.
Tabel 1.1
|
IP-naam |
Productietechnologie |
Het aantal componenten op een chip |
inburgeringsgraad k |
||
|
Klein (IIA) |
Digitaal |
bipolair |
|||
|
unipolair |
|||||
|
Analoog |
bipolair |
||||
|
Gemiddeld (SIS) |
Digitaal |
bipolair |
|||
|
unipolair |
|||||
|
Analoog |
bipolair |
||||
|
unipolair |
|||||
|
Groot (LSI) |
Digitaal |
bipolair |
|||
|
unipolair |
|||||
|
Analoog |
bipolair |
||||
|
unipolair |
|||||
|
Extra groot (VLSI) |
Digitaal |
bipolair |
|||
|
unipolair |
Meer dan 10000 |
||||
|
Analoog |
bipolair |
||||
|
unipolair |
Uit de analyse van tabel 1.1 volgt dat, in vergelijking met digitale IC's, analoge microschakelingen met dezelfde mate van integratie in hun samenstelling (op een halfgeleiderkristal) meer dan driemaal een kleiner aantal componenten hebben. Dit komt omdat de actieve componenten (transistoren) van een analoge microschakeling in een lineaire modus werken en meer energie dissiperen. De noodzaak om warmte te verwijderen die wordt gegenereerd door energiedissipatie, beperkt het aantal componenten dat op een enkele chip kan worden geplaatst. In digitale microschakelingen werken actieve componenten in een sleutelmodus (transistoren zijn ofwel vergrendeld of open en bevinden zich in de verzadigingsmodus). In dit geval is de vermogensdissipatie verwaarloosbaar, en de hoeveelheid gegenereerde warmte is ook verwaarloosbaar, en daarom kan het aantal componenten op de chip meer worden geplaatst. (De afmetingen van de matrijs zijn gestandaardiseerd en beperkt.) Met unipolaire technologie is het volume van de matrijs dat wordt ingenomen door een veldeffecttransistor ongeveer drie keer kleiner dan het volume dat wordt ingenomen door een bipolaire transistor ( N- P- N of P- N- P type). Dit verklaart het feit dat er meer actieve componenten op een kristal van standaardafmetingen in een unipolaire microschakeling kunnen worden geplaatst.
Door ontwerp afhankelijk van de functionele complexiteit worden micro-elektronische apparaten onderverdeeld in:
op eenvoudige microschakelingen (IC);
op micro-assemblages;
op microblokken.
IMS micro-elektronisch product vervaardigd in uniforme technologieOgeologische cyclus, geschikt voor zelfstandig gebruik of als onderdeel van complexere producten (inclusief microassemblages en microblokken). Microschakelingen kunnen pakketloos zijn en hebben een individuele behuizing die het kristal beschermt tegen invloeden van buitenaf.
Microassemblage een micro-elektronisch product dat een nogal complexe functie (functies) vervult en bestaat uit elektro-radiocomponenten en microschakelingen, vervaardigd met het oog op de miniaturisering van elektronische apparatuur. In wezen zijn hybride microschakelingen micro-assemblages. De eenvoudigste microassemblage kan bijvoorbeeld een set microweerstanden zijn die op een halfgeleiderkristal zijn gemaakt en in een enkel pakket zijn gerangschikt (zoals een microschakeling).
Microblok is ook een micro-elektronisch product, bestaat uit elektronische componenten en geïntegreerde schakelingen en vervult een complexe functie (functies).
In de regel worden microassemblages en microblokken vervaardigd in verschillende technologische cycli, en misschien in verschillende fabrieken.
Als classificatie technische kenmerken: algemeen gebruikt energieverbruik(één microschakeling) en snelehartinfarct.
Door energieverbruik alle IC's zijn onder te verdelen in: een) microOkrachtig(minder dan 10 mW); B) laag vermogen(niet meer dan 100 mW); v) gemiddeld vermogen(tot 500 mW) en G) krachtig(meer of = 0,5 W).
Door snelheid(maximale vertragingen van signaalvoortplanting via de IC) microschakelingen worden conventioneel onderverdeeld in: een) ultrasnel met afsnijfrequentie F schakelapparatuur meer dan 100 MHz; B) hoge snelheid ( F gr vanaf 50 MHz tot 100 MHz); v) normale snelheid ( F gr vanaf 10 MHz tot 50 MHz). In dit geval zijn de voortplantingsvertragingen in de orde van enkele nanoseconden (10 -9 met.) tot 0,1 microseconde (1s = 10 -6 met.).
Digitale micro-elektronische apparaten, inclusief microschakelingen en andere discrete apparaten, het is handig om te classificeren Aan NS een verslaving karakter uitgangssignalen van ingang. Zoals gebruikelijk in de theorie van eindige automaten. In overeenstemming met deze functie is het gebruikelijk om alle apparaten in te delen in: combinatorisch en sequentieel.
V combinatorische apparaten de waarden van de uitgangssignalen op elk moment in de tijd worden uniek bepaald door de waarden van de ingangssignalen op hetzelfde moment. Daarom kunnen we aannemen dat de werking van dergelijke apparaten niet afhankelijk is van tijd. Ze worden ook apparaten "zonder" genoemd geheugen», enkele cyclus apparaten of apparaten met één uiteinde. In de theorie van eindige automaten worden combinatorische apparaten "primitieve eindige automaten" genoemd.
V seriële apparaten de waarden van de uitgangssignalen (uitgangssignalen) zijn niet alleen afhankelijk van de waarden van de ingangssignalen op het beschouwde moment, maar ook van de waarden van de ingangssignalen op de voorgaande tijdstippen. Daarom worden dergelijke apparaten apparaten genoemd met " geheugen», multi-cyclus apparaten, maar in de theorie van eindige-toestandsmachines, simpelweg? staatsmachine(niet triviaal).
Bij het overwegen van het educatieve materiaal, in de toekomst, voor de belangrijkste we zullen dit accepteren classificatie, omdat bouwmethoden(synthese) en de werkingsprocessen van de genoemde apparaten significant anderseenzijn.
Ter afronding van de presentatie van classificatiekwesties, merken we op dat de gegeven lijst met classificatiekenmerken en de lijst met namen van micro-elektronische producten (microschakelingen) verre van volledig zijn. In de toekomst zullen we deze lijst waar nodig aanvullen.
1.3. Logische poorten
Logische poorten verwijzen naar de eenvoudigste combinatie "apparaten" met één uitgang en één of twee ingangen. Ze hebben hun naam gekregen omdat hun functioneren volledig kan worden beschreven. logische functies en in het bijzonder booleaanse functies.
Net als in de formele logica kunnen alle instructies waar of onwaar zijn en kunnen logische functies slechts twee voorwaardelijke waarden aannemen: logische eenheid (log.1) "true" en logische nul (log.0) "false".
Bij het beschrijven van de werking van logische elementen uitgangssignalen: in een één-op-één correspondentie functies, een ingangssignalen: argumenten deze functies. Dus zowel functies als functieargumenten, evenals ingangs- en uitgangssignalen van logische poorten zijn binair. Als we de werkelijke tijd van de overgang van een logisch element van de ene toestand (toestand log.1) naar de andere (toestand log.0) verwaarlozen, dan zullen noch de argumenten, noch de functie afhangen van de tijdsfactor van de variabele tijd. De regels voor het verkrijgen en transformeren van logische uitdrukkingen worden beschouwd algebra van logica of booleaans algebra.
Vergelijkbare documenten
De doelstellingen van de cursus zijn het bestuderen van de circuitbasis van moderne computers, computersystemen en netwerken. De belangrijkste generaties van de ontwikkeling van computerschakelingen. Analoge en discrete elementen. Methoden voor het presenteren van digitale informatie, soorten codering.
lezing toegevoegd op 17-02-2011
Micro-elektronica is een onafhankelijke wetenschappelijke, technische, technologische richting, historische stadia. Digitale geïntegreerde schakelingen: logische basis, signaalcodering, classificatie; ontwikkeling, productie, ontwikkeling en toepassingsvooruitzichten.
zelfstudie, toegevoegd 11/11/2010
De belangrijkste voordelen van digitale communicatiesystemen in vergelijking met analoge. Werkingsprincipes van discrete apparaten, kenmerken van hun constructie. Pulsgenerator, synthese van teller, multiplexer en decoder. Ontwikkeling van een asynchrone machine.
scriptie, toegevoegd 21-11-2012
Kenmerken van glasvezeltransmissiesystemen. Keuze uit blokschema van digitale FOTS. Ontwikkeling van het eindstation van het communicatiesysteem, AIM-modulators. Principes van constructie van coderings- en decoderingsapparaten. Berekening van de belangrijkste parameters van het lineaire pad.
proefschrift, toegevoegd 20-10-2011
Geïntegreerde microschakelingen: informatie, classificatie, conventionele grafische aanduiding, markering. Legenda voor microschakelingen, elektrische basisparameters, logische basiselementen. Registers, tellers, decoders, triggers, beveiligingen.
lezing toegevoegd op 01/20/2010
Geïntegreerde microschakelingen, signalen. De klokcyclus van een digitaal apparaat. Markering van digitale microschakelingen van Russische makelij. Basis voor de productie van digitale geïntegreerde schakelingen. Soorten digitale geïntegreerde schakelingen. Centrale processorschakeling.
presentatie toegevoegd op 04.24.2016
Kenmerken en omvang van signalen in digitale verwerkingssystemen. Gespecialiseerde digitale signaalprocessor SPF SM: ontwikkelaars en geschiedenis, structuur en kenmerken, reikwijdte, algoritmen en software.
scriptie, toegevoegd 12/06/2010
Geïntegreerde microschakelingen. Substraten van dikke-film microschakelingen. Dikfilmgeleiders en weerstanden. Basiseigenschappen van resistieve films. Weerstand van een continue dikke film. Overdracht van elektrische stroom door een dikke-filmstructuur.
samenvatting, toegevoegd 01/06/2009
Hardwareprincipes voor het construeren van microprocessorapparaten en het verwerven van praktische vaardigheden bij de ontwikkeling van microprocessorsystemen. Technische kenmerken van de ATmega-microprocessor en analyse van de geheugenchip. Systeemschema microprocessor.
scriptie, toegevoegd 19-11-2011
Digitale signaalverwerking en het gebruik ervan in spraakherkenningssystemen, discrete signalen en methoden voor hun transformatie, de basis van digitale filtering. Implementatie van spraakherkenningssystemen, homomorfe spraakverwerking, opname- en afspeelinterface.
Tomsk Interuniversitair Centrum voor Afstandsonderwijs
AV Sharapov
MICRO-ELEKTRONICA
DIGITAAL SCHEMA
zelfstudie
TQ 1 | |||||
overgangen | |||||
& D 3 |
|||||
TOMSK - 2007
Recensent: hoofd. Afdeling Industriële en Medische Elektronica, Tomsk Polytechnic University, Dr. Tech. Wetenschappen, prof. GS Evtushenko; Afdelingshoofd, FGUP NPT's Polyus, Dr. Tech. Wetenschappen Kazantsev
Corrector: L.K. Tarasova
AV Sharapov
Micro-elektronica: leerboek. - Tomsk: Tomsk Interuniversitair Centrum voor Afstandsonderwijs, 2007. - 158 p.
De principes van constructie en werking van logische elementen, decoders, multiplexers, optellers, digitale comparatoren, flip-flops, tellers, registers, geheugenmicroschakelingen worden vermeld. Voorbeelden van synthese van digitale apparaten van het combinatorische type en digitale automaten worden overwogen.
De handleiding is bedoeld voor studenten van hogeronderwijsinstellingen met het profiel radio-elektronisch en bevat een korte aantekeningen, voorbeelden van probleemoplossing en een computerlaboratoriumpraktijk over digitale schakelingen. Studenten die afstandsonderwijs volgen, doen twee laboratoriumwerk, één computertest en leggen een computerexamen af.
Sharapov A.V., 2007 Tomsk Interuniversitair Centrum
afstandsonderwijs, 2007
1. Inleiding............................................... ........................................... | ||
2 Basisbegrippen van micro-elektronica .................................. | ||
Soorten signalen ................................................................. ........................... | ||
Classificatie van microschakelingen en hun symbolen ... | ||
3 Wiskundige grondslagen van digitale elektronica ................. | ||
Positienummersystemen ................................................. | ||
Waarheidstabel ................................................ ................ | ||
Perfecte disjunctieve normaalvorm ............... | ||
Basiswetten van Booleaanse algebra ................................................. | ||
Venn diagrammen ................................................ ................... | ||
Karnaugh-kaarten ................................................................. .............................. | ||
Stadia van synthese van een digitaal apparaat .................................. | ||
Voorbeelden van synthese van digitale apparaten ................................ | ||
Meerderheid logisch element ................................................. | ||
4 Basis logische poorten ................................................. .... | ||
Classificatie van logische elementen .................................. | ||
Basiselement van TTL .................................................. .............. | ||
Logische uitbreiding ................................................... ....... | ||
Open collectorelement ................................................. | ||
Element met Z-toestand aan de uitgang ...................................... | ||
Basiselement TTLSh .................................................. .......... | ||
Basisschema van ESL .................................................. ................... | ||
Basiselementen van CMOS .................................................. ....... | ||
4.10 Basiskenmerken van logische elementen ............ | ||
4.11 Voorbeelden van microschakelingen van logische elementen ...................... | ||
4.12 Microschakelingen op basis van galliumarsenide .......................... | ||
5 Digitale apparaten van het gecombineerde type ........... | ||
Scrambler ................................................................. ............................... | ||
Decoder................................................. .............................. | ||
Binaire naar BCD-converters, | ||
en vice versa............................................... ........................................... | ||
Decoder voor zevensegmentenbesturing | ||
indicatie ................................................................. ........................... | ||
Grijze code-omzetters .................................................. ..... | |||
Multiplexer ................................................................. ....................... | |||
Implementatie van functies met behulp van een multiplexer .............. | |||
Binaire opteller ................................................... ............... | |||
BCD-opteller .................................................. | |||
Aftrekschema's ................................................................. ....................... | |||
Direct naar extra code converter ........... | |||
Digitale vergelijker ................................................... .......... | |||
Pariteit ................................................. . ............... | |||
Voorbeelden van het construeren van combinatorische digitale | |||
apparaten ................................................................. ............................... | |||
6 Serieel type digitale apparaten ............ | |||
Triggerclassificatie ................................................................. ...... | |||
Asynchrone RS-trigger .............................................. . ....... | |||
Geklokte RS-trigger ................................................. . ........ | |||
D-triggers .................................................. .............................. | |||
T-trigger .............................................................. ................................... | |||
JK-trigger .............................................. . .............................. | |||
Classificatie van meters ................................................................. ...... | |||
Asynchrone binaire teller .......................................... | |||
Asynchrone BCD-teller .......................... | |||
Synchrone binaire teller .......................................... | |||
Omkeerbare tellers ................................................................. .......... | |||
Tellers met een willekeurige telmodule .......................... | |||
Schuifregisters ................................................................. ....................... | |||
Geheugenregisters ................................................................. ................... | |||
Universele registers ................................................... ..... | |||
Belregister ................................................................. ................ | |||
Ringteller ................................................................. ................ | |||
Tellers op schuifregisters .................................................. | |||
Voorbeelden van het bouwen van digitale apparaten | |||
sequentieel type ................................................................. | |||
7 Halfgeleidergeheugenapparaten ............... | |||
Classificatie van opslagapparaten ........................... | |||
Masker-ROM ............................................... . ............. | |||
Eenmalig programmeerbare ROM's ................................. | |||
Flash-ROM ................................................................. | |||
Statisch RAM-geheugen ................................................. . ....... | ||
Dynamisch RAM-geheugen ................................................. . ..... | ||
Voorbeelden van geheugenchips .............................................. ... ... | ||
Organisatie van het geheugenblok ........................................... ..... .... | ||
8 Voorbeelden van probleemoplossing ................................................. ........... | ||
9 Computerworkshop over digitale schakelingen ... | ||
10 Opties voor creatieve taken ................................................. | ||
11 Een voorbeeld van het uitvoeren van een creatieve taak ........................... | ||
Bibliografie ................................................. . ...................... | ||
Sollicitatie. Grafische symbolen | ||
microschakelingen ................................................................. ................................... |
||
1. INLEIDING
Elektronica is een tak van wetenschap en technologie die zich bezighoudt met:
- de studie van fysische verschijnselen en de ontwikkeling van apparaten waarvan de werking is gebaseerd op de stroom van elektrische stroom in een vaste stof, vacuüm of gas;
– de studie van de elektrische eigenschappen, kenmerken en parameters van de genoemde apparaten;
– praktische toepassing van deze apparaten in verschillende apparaten en systemen.
De eerste van deze richtingen is het gebied fysieke elektronica... De tweede en derde richtingen vormen het gebied technische elektronica.
Circuits van elektronische apparaten is een technische belichaming van de principes van elektronica voor de praktische implementatie van elektronische circuits die zijn ontworpen om specifieke functies uit te voeren voor het genereren, converteren en opslaan van informatiedragende signalen in laagstroomelektronica en functies voor het omzetten van elektrische stroomenergie in hoogstroomelektronica.
Historisch gezien was elektronica het resultaat van de opkomst en snelle ontwikkeling van radiotechniek. Radiotechniek wordt gedefinieerd als een gebied van wetenschap en technologie dat zich bezighoudt met onderzoek, ontwikkeling, fabricage en gebruik van apparaten en systemen die zijn ontworpen om informatie over rate verzenden.
De kern van radiotechniek zijn wetenschappelijke ontdekkingen uit de 19e eeuw: het werk van M. Faraday (Engels), die de wetten van de interactie van elektrische en magnetische velden verduidelijkte; J. Maxwell (Engels), die de elementaire wetten van het elektromagnetisme generaliseerde en een systeem van vergelijkingen creëerde die het elektromagnetische veld beschrijven. J. Maxwell voorspelde theoretisch een nieuw type elektromagnetische verschijnselen: elektromagnetische golven die zich met de snelheid van het licht in de ruimte voortplanten. G. Hertz (Duitser) bevestigde experimenteel het bestaan van elektromagnetische golven.
De eerste radio-ontvanger werd in 1895 uitgevonden, ontworpen en met succes getest door A.S. Popov (Russisch). Een jaar later werd de radiocommunicatie verzorgd door G. Marconi (Italiaan), die zijn uitvinding patenteerde en in 1909 Nobelprijswinnaar werd.
MET sindsdien is de ontwikkeling van radiotechniek bepaald door de ontwikkeling
haar elementbasis, die voornamelijk wordt bepaald door de prestaties van de elektronica. Het is interessant om in het kort de belangrijkste fasen in de ontwikkeling van de elementbasis te volgen.
Het eenvoudigste elektronische apparaat - een vacuümdiode - werd uitgevonden door T. Edisson (Amerikaan) in 1883, die een metalen elektrode in de gloeilamp van een elektrische gloeilamp monteerde en de stroom in één richting registreerde in het externe circuit. In 1904 gebruikte J. Flemming als eerste een vacuümdiode als detector in een radio-ontvanger. Een versterkend elektrovacuümapparaat - een triode - werd uitgevonden door Louis de Forest (amer.) In 1906. Sindsdien, tijdens het eerste kwart van de twintigste eeuw, in een aantal wetenschappelijke laboratoria in veel landen van de wereld, zijn de technologieën van elektrovacuüm apparaten zijn langzaam volwassen geworden. In Rusland werd deze richting geleid door het hoofd van het Nizhny Novgorod-laboratorium M.A. Bonch-Bruevitsj. Al in 1922 bouwden de medewerkers van dit laboratorium de eerste
v wereldomroepstation. Komintern met een vermogen van 12 kW. En tegen 1927 waren er 57 van dergelijke stations gebouwd. In 1925 werd een generatorlamp van 100 kW gemaakt. In 1933 werd in Rusland het krachtigste radiostation ter wereld (500 kW) in gebruik genomen. In 1948 werd in Moskou de eerste televisiezender met een vermogen van 15 kW in gebruik genomen. A.I. Berg in 1927-1929 creëerde de klassieke theorie van zenders. VA Kotelnikov in de periode van 1933 tot 1946. de stelling van tijdkwantisatie wordt bewezen, die de basis legde voor digitale methoden van signaalverwerking, de mogelijkheid van radiocommunicatie op één zijband wordt getoond en de theorie van potentiële ruisimmuniteit wordt gepubliceerd.
De periode van 1920 tot 1955 was het tijdperk van de buizenelektronica. De eerste halfgeleidertriode - de transistor - gemaakt
v 1948 J. Bardin en W. Brattain (amer.). Sinds 1955 begint het tijdperk van de halfgeleiderelektronica. De eerste geïntegreerde schakelingen verschenen in jaren 60. De eerste microprocessor dateert uit 1971.
V 1998 vierde de transistor zijn halve eeuw jubileum:
v Op de laatste dag van juni 1948 demonstreerde het Amerikaanse bedrijf Bell telephon laborator aan het publiek een nieuw uitgevonden elektronisch apparaat, dat de New York Times de volgende dag terloops en zonder pathos aankondigde: "De werkende elementen van het apparaat bestaan uit twee dunne draden tegen een stuk halfgeleidersubstantie gedrukt.. De substantie versterkt de stroom die eraan wordt geleverd via de ene draad, en de andere draad verwijdert de versterkte stroom. Een apparaat dat een "transistor" wordt genoemd, kan in sommige gevallen worden gebruikt in plaats van vacuümbuizen."
Ja, dit is precies hoe de eerste transistor eruit zag, en het is niet verwonderlijk dat zelfs experts de triomfantelijke toekomst niet meteen konden onderscheiden. Ondertussen kan het gepresenteerde apparaat elektrische signalen versterken en genereren, en de functie vervullen van een sleutel die, op commando, een elektrisch circuit opent of sluit. En, wat van fundamenteel belang is, dit alles werd uitgevoerd in een vast kristal, en niet in een vacuüm, zoals dat gebeurt in een elektronenbuis. Hieruit volgde een hele reeks potentiële voordelen van de transistor: kleine afmetingen, mechanische sterkte, hoge betrouwbaarheid, in principe onbeperkte duurzaamheid. Na drie tot vier jaar, toen aanzienlijk geavanceerdere transistorontwerpen werden ontwikkeld, begonnen al deze verwachte voordelen werkelijkheid te worden.
De eer van de ontdekking van het transistoreffect, waarvoor in 1956 de Nobelprijs voor natuurkunde werd toegekend, behoort toe aan W. Shockley, J. Bardeen, W. Brattain. Het is kenmerkend dat ze alle drie briljante natuurkundigen waren die doelbewust op deze ontdekking afliepen. Shockley, het hoofd van de onderzoeksgroep, gaf zelfs in de vooroorlogse jaren een lezing over de kwantumtheorie van halfgeleiders en stelde een fundamentele monografie op, die lange tijd een naslagwerk werd voor specialisten op dit gebied. Bardeens hoogste kwalificatie als theoretisch fysicus werd niet alleen bevestigd door de uitvinding van de transistor en de voorspelling van een aantal effecten in het gedrag van halfgeleiders, maar ook door het feit dat hij later, in 1972, samen met twee andere onderzoekers opnieuw de Nobelprijs toegekend - nu voor de creatie van de theorie van supergeleiding. Brattain, de oudste van de groep, ten tijde van de uitvinding
transistor had vijftien jaar ervaring in het onderzoeken van de oppervlakte-eigenschappen van halfgeleiders.
Hoewel de ontdekking van het transistoreffect tot op zekere hoogte een gelukkig toeval was (in de huidige taal probeerden ze een veldeffecttransistor te maken en maakten ze een bipolaire), konden de onderzoekers door de theoretische opleiding van de onderzoekers de ontdekking bijna realiseren. onmiddellijk en voorspellen een aantal veel geavanceerdere apparaten. Met andere woorden, de creatie van de transistor bleek binnen de macht te liggen van alleen fysici, die noodzakelijkerwijs ook een minimum aan inventief vermogen bezaten.
In ons land werd de transistor in 1949 gereproduceerd in het Fryazino-laboratorium onder leiding van A.V. Krasilov, een vooraanstaand wetenschapper met de breedste eruditie.
De eerste transistoren werden gemaakt op basis van de germaniumhalfgeleider en lieten een bedrijfstemperatuur van slechts 70°C toe, en dit was bij veel toegepaste problemen niet voldoende.
In de tweede helft van de jaren vijftig vond een beslissende kwalitatieve sprong plaats in de ontwikkeling van transistors: in plaats van germanium begonnen ze een andere halfgeleider te gebruiken - silicium. Als gevolg hiervan steeg de bedrijfstemperatuur van de transistors tot 120-150 ° C, terwijl hun kenmerken zeer stabiel bleven en de levensduur van de apparaten bijna oneindig werd. Maar misschien was het belangrijkste dat in 1959 het Amerikaanse bedrijf "Firechild" de zogenaamde vlakke technologie. Het belangrijkste punt hier was dat de dunste siliciumdioxidefilm die bij hoge temperatuur op het kristaloppervlak is gegroeid, silicium betrouwbaar beschermt tegen agressieve invloeden en een uitstekende isolator is. In deze film worden "vensters" gecreëerd waardoor, ook bij hoge temperaturen, doteringen in de halfgeleider worden gebracht - zo worden de fragmenten van het toekomstige apparaat gemaakt. Vervolgens worden dunne-film aluminium stroomleidingen naar de actieve zones op het van het volume geïsoleerde oppervlak gespoten en is de transistor klaar. De eigenaardigheden van het proces zijn dat alle handelingen op de plaat in één vlak worden uitgevoerd en dat gelijktijdige verwerking van duizenden en miljoenen
transistors op een wafer, en dit leidt tot de hoogste mate van reproduceerbaarheid van producten en hoge prestaties.
Met behulp van planaire technologie is het eenvoudig om de isolatie van transistors van het substraat en van elkaar te verzekeren, en vanaf hier is het slechts een stap naar het creëren van geïntegreerde schakeling(microschakelingen), dat wil zeggen, gemaakt
elektronische schakeling met actieve en passieve componenten en hun verbindingen op een enkele chip in een enkel technologisch proces. Deze stap werd in dezelfde 1959 genomen. De wereld is een tijdperk ingegaan micro-elektronica.
Een typische microschakeling is een siliciumkristal (chip), in het nabije oppervlaktegebied waarvan een aantal transistoren is gemaakt, onderling verbonden door aluminiumfilmsporen in een vooraf bepaald elektrisch circuit. In de eerste microschakeling bestond de "set" uit slechts 12 transistors, maar na twee jaar overschreed het integratieniveau honderd elementen op een chip, en tegen het midden van de jaren 60 begonnen grote geïntegreerde circuits (LSI) te domineren, met duizenden elementen, dan extra groot (VLSI), enz.
De microschakeling heeft des te groter het informatievermogen, des te meer transistoren hij bevat, dat wil zeggen, des te hoger integratiedichtheid(pakkingsdichtheid van actieve elementen in een kristal). En het wordt bepaald door de minimale afmetingen van het actieve element en het gebied van het kristal dat de technologie kan reproduceren.
De basisprincipes die in deze tutorial worden behandeld digitale schakelingen vormen circuitvaardigheden voor het bouwen van digitale apparaten op basis van geïntegreerde schakelingen. Het werkingsprincipe van de eenvoudigste logische elementen en daarop gebaseerde ontwerpmethoden worden bestudeerd voor codeconverters, optellers, digitale schakelaars, triggers, registers, tellers en geheugenmicroschakelingen. U kunt de werking van veel apparaten controleren door computersimulatie met behulp van het Electronics Workbench-pakket.
De aanbevolen bibliografie omvat voornamelijk naslagwerken over digitale geïntegreerde schakelingen. Uit andere bronnen die in dit leerboek worden gebruikt, wil ik graag wijzen op het werk van TUSUR universitair hoofddocenten Potekhin V.A. en Shibaeva A.A. , aan wie de auteur zijn oprechte dank betuigt.
25 april 2010 om 16:16Onafhankelijke studie van schakelingen. Basisconcepten. Deel 1
- Elektronica voor beginners
De studie van digitale schakelingen moet beginnen met de theorie van automaten. In dit artikel vindt u enkele basiszaken die u zullen helpen niet te verdwalen in andere artikelen. Ik heb geprobeerd het artikel gemakkelijk leesbaar te maken en ik ben er zeker van dat een onvoorbereide lezer het gemakkelijk zal kunnen begrijpen.
Signaal- een materiële drager van informatie die wordt gebruikt om berichten over een communicatiesysteem over te dragen. Een signaal kan, in tegenstelling tot een bericht, worden gegenereerd, maar de ontvangst ervan is niet vereist (het bericht moet door de ontvangende kant worden ontvangen, anders is het geen bericht, maar slechts een signaal).
Het artikel bespreekt een digitaal discreet signaal. Dit is een signaal dat verschillende niveaus heeft. Het is duidelijk dat een binair signaal twee niveaus heeft - en ze worden genomen als 0 en 1. Wanneer een hoog niveau wordt aangegeven met één en een laag met nul, wordt deze logica positief genoemd, anders negatief.
Het digitale signaal kan worden weergegeven als een timingdiagram.
In de natuur bestaan discrete signalen niet, daarom worden ze vervangen door analoge signalen. Een analoog signaal kan niet meteen van 0 naar 1 gaan, daarom heeft zo'n signaal een flank en een cutoff.
Om het simplistisch te tekenen, ziet het er als volgt uit: 
1 - laag signaalniveau, 2 - hoog signaalniveau, 3 - signaalstijging (voorkant), 4 - signaaldaling (cut)
Signalen kunnen worden omgezet. Hiervoor worden in de praktijk logische elementen gebruikt en om dit formeel te schrijven worden logische functies gebruikt. Dit zijn de belangrijkste:
Negatie - keert het signaal om.
De diagrammen zijn als volgt aangegeven: 
Logische OF (logische toevoeging, disjunctie) 
In het schema: 
Logische AND (logische vermenigvuldiging, conjunctie) 
In het schema: 
De laatste twee kunnen een negatieve output hebben (AND-NOT, OR-NOT). De waarden van hun logische functies zijn omgekeerd en in het diagram wordt de uitvoer getekend met een cirkel. 
De samenvattende tabel van logische functies van twee argumenten ziet er als volgt uit:
Het werken met logische functies is gebaseerd op de wetten van de algebra van de logica, waarvan de basis wordt beschreven in het bijgevoegde bestand. Er zijn ook taken voor zelfcontrole en controlevragen over het onderwerp.
Logische schakelingen ontwerpen met logische algebrafuncties
Logisch diagram wordt een verzameling logische elektronische elementen genoemd die zodanig met elkaar zijn verbonden dat een bepaalde werkingswet van het circuit wordt vervuld, met andere woorden, een bepaalde logische functie wordt vervuld.Afhankelijk van de afhankelijkheid van het uitgangssignaal van het ingangssignaal, kunnen alle elektronische logische circuits voorwaardelijk worden onderverdeeld in:
Schema's van de eerste soort, d.w.z. combinatorische circuits waarvan het uitgangssignaal alleen afhangt van de toestand van de ingangssignalen op elk moment;
Regelingen van de tweede soort of accumulerende circuits(schema's) sequentieel) met accumulerende circuits ( elementen met geheugen), waarvan het uitgangssignaal zowel afhangt van de ingangssignalen als van de toestand van het circuit op eerdere momenten.
Door het aantal inputs en outputs zijn de schema's: met één input en één output, met meerdere inputs en één output, met één input en meerdere outputs, met meerdere inputs en outputs.
Volgens de synchronisatiemethode zijn de schema's: met externe synchronisatie (synchrone machines), met interne synchronisatie(Asynchrone machines zijn daar een speciaal geval van).
Vrijwel elke computer bestaat uit een combinatie van circuits van de eerste en de tweede soort van variërende complexiteit. De basis van elke digitale automaat die digitale informatie verwerkt, zijn dus elektronische elementen van twee soorten: denkspelletje of combinatorisch en onthouden... Logische elementen voeren de eenvoudigste logische bewerkingen uit op digitale informatie en opslagelementen worden gebruikt om deze op te slaan. Zoals u weet, bestaat een logische bewerking uit het omzetten van digitale invoerinformatie in uitvoer volgens bepaalde regels.
We kunnen aannemen dat elementaire logische functies logische operatoren zijn van de genoemde elektronische elementen, d.w.z. schema's. Elk dergelijk schema wordt aangegeven door een bepaald grafisch symbool. (Ze werden hierboven gepresenteerd - Elementen AND, OR, NOT, OR-NOT, AND-NOT)
Als voorbeeld is het volgende een elektrisch functioneel diagram van een logische omzetter (combinatieautomaat) die een logische functie implementeert 
in een elementaire basis van logische elementen AND, OR, NOT.
Voor consolidatie stel ik voor om onafhankelijk een logisch circuit te synthetiseren dat de volgende logische functies implementeert:
Dit kan bijvoorbeeld in de Elektronische werkbank.
Hier is een voorbeeld van de eerste voltooide taak:
"DIGITAL SCHEMA ENGINEERING"
KHARKOV 2006
Voorwoord
1 LOGISCHE EN SCHEMA'S VAN DIGITALE MICROSCIRCUIT ENGINEERING
1.2 Logische poorten
1.3 Basiswetten van logische algebra
1.4 Disjunctieve normaalvormen
1.5 Booleaanse functies minimaliseren
1.6 Synthese van combinatorische logische circuits
2 COMBINATIESCHEMA'S
2.1 Algemene bepalingen
2.2 Decoders
2.3 Scramblers
2.4 Demultiplexers
2.5 Multiplexers
2.6 Rekenkundige apparaten
3 TRIGGERENDE APPARATEN
3.1 Basisconcepten
3.2 Asynchrone RS-flip-flop
3.3 Synchrone triggers
4 REGISTREREN
4.1 Algemene informatie over registers
4.2 Geheugenregisters
4.3 Schakelregisters
4.4 Omkeerbare registers
4.5 Registers voor algemene doeleinden
5 TELLERS
5.1 Algemene informatie over tellers
5.2 Tellers met sequentiële carry
5.3 Parallelle overboekingstellers
5.4 Omkeerbare tellers
5,5 meter met een willekeurige telfactor niet gelijk aan 2n
LIJST VAN GEBRUIKTE LITERATUUR
VOORWOORD
Deze methodologische handleiding bevat informatie die de studie van disciplines biedt:
- "Digitale schakelingen" voor studenten van specialiteit 5.091504 (Onderhoud van computer en intelligente systemen en netwerken);
- "Microschakeling" voor studenten van de specialiteit 5.090805 (Ontwerp, productie en onderhoud van elektronische producten);
- "Elektronische apparaten en micro-elektronica" voor studenten van de specialiteit 5.090704 (Ontwerp, productie en onderhoud van radiotechnische apparaten).
Het materiaal dat in dit werk wordt gepresenteerd, is bedoeld om studenten vertrouwd te maken met de basisprincipes van moderne digitale microschakelingen en omvat de belangrijkste soorten digitale apparaten, die op grote schaal worden gebruikt, zowel als onafhankelijke producten in de vorm van microschakelingen met een kleine en gemiddelde mate van integratie, en als onderdeel van microschakelingen met een hoge mate van integratie: microprocessors en microcontrollers.
De handleiding bestaat uit vijf delen:
Logica en schakelprincipes van digitale microschakelingen,
Combinatieregelingen,
Trigger apparaten,
registers,
Tellers.
De presentatie van het materiaal is zo gestructureerd dat consistent "van eenvoudig tot complex" de theoretische basisprincipes van analyse en synthese van digitale apparaten worden gepresenteerd. Elke sectie bevat subsecties die informatie geven over de conventionele grafische aanduiding van het onderzochte apparaat, de operatietabel, het functionele of schematische diagram en de tijdschema's van de werking waar nodig. Elk van de schema's krijgt een gedetailleerde beschrijving van de logica van de werking ervan, zodat elke student de principes van het analyseren van de werking van digitale circuits onder de knie heeft en de nodige vaardigheden verwerft. Elk van de bovenstaande diagrammen is typerend voor dit apparaat. Dit sluit een andere circuitimplementatie niet uit.
Basisconcepten, definities en regels zijn gemarkeerd in "vet" om het beheersen van het onderwerp gemakkelijker en visueel te maken.
Aangezien de presentatie van het materiaal wordt uitgevoerd in oplopende volgorde van complexiteit van de bestudeerde digitale apparaten en dat elk volgend onderwerp is gebaseerd op het materiaal van het vorige, is het raadzaam om deze methodologische gids te gebruiken in de volgorde waarin de bijbehorende secties zijn gevestigd.
Deze handleiding is niet alleen nuttig bij het bestuderen van de theoretische grondslagen van digitale microschakelingen, maar ook ter voorbereiding op laboratoriumwerk, dat tot doel heeft kennis te verdiepen en praktische vaardigheden te verwerven bij het assembleren en debuggen van digitale apparaten. De handleiding kan worden gebruikt voor zelfstudie, maar ook voor het ontwerpen van cursussen en diploma's.
1 LOGISCHE en schematische BASIS VAN DIGITALE MICROSCIRCUIT ENGINEERING
1.1 Basisconcepten van logische algebra
Logica is de wetenschap van wetten en denkvormen.
Wiskundige logica is de wetenschap van het toepassen van wiskundige methoden om logische problemen op te lossen.
Alle digitale computerapparaten zijn gebouwd op elementen die bepaalde logische bewerkingen uitvoeren. Sommige elementen zorgen voor verwerking van binaire symbolen die digitale of andere informatie vertegenwoordigen, andere - schakelen tussen kanalen waardoor informatie wordt verzonden, en ten slotte, de derde - controle, het activeren van verschillende acties en het implementeren van de voorwaarden voor hun implementatie.
Elektrische signalen die aan de in- en uitgangen van deze elementen werken, hebben in de regel twee verschillende niveaus en kunnen daarom worden weergegeven door binaire symbolen, bijvoorbeeld 1 of 0. Laten we overeenkomen om het optreden van een gebeurtenis aan te duiden (bijvoorbeeld de aanwezigheid van een hoogspanningsniveau -of punt van het circuit) symbool 1. Dit symbool wordt een logische eenheid genoemd. De afwezigheid van een gebeurtenis wordt aangegeven met het symbool 0, een logische nul genoemd.
Aan elk signaal aan de ingang of uitgang van een binair element wordt dus een logische variabele toegewezen, die slechts twee waarden kan aannemen: de status van de logische eenheid (de gebeurtenis is waar) en de status van de logische nul (de gebeurtenis is onwaar ). Deze variabelen worden Booleaans genoemd naar de Engelse wiskundige J. Boole, die in de negentiende eeuw de basisprincipes van de wiskundige logica ontwikkelde. Laten we een logische variabele aanduiden met het symbool x.
Verschillende booleaanse variabelen kunnen worden gekoppeld door functionele afhankelijkheden. De uitdrukking y = f (x1, x2) geeft bijvoorbeeld de functionele afhankelijkheid van de logische variabele y aan van de logische variabelen x1 en x2, die argumenten of invoervariabelen worden genoemd.
Elke logische functie kan altijd worden weergegeven als een verzameling van de eenvoudigste logische bewerkingen. Dergelijke operaties omvatten:
Negatie ("NOT"-bewerking);
Logische vermenigvuldiging (conjunctie, "EN"-bewerking);
Logische optelling (disjunctie, "OF" operatie).
Ontkenning ("NOT"-bewerking) is een logische verbinding tussen de logische invoervariabele x en de logische uitvoervariabele y, waarbij y alleen waar is als x onwaar is, en omgekeerd, y alleen onwaar is als x waar is. Laten we deze functionele afhankelijkheid uitbeelden in de vorm van tabel 1.1, die de waarheidstabel wordt genoemd.
Een waarheidstabel is een tabel die de overeenkomst weergeeft van alle mogelijke combinaties van binaire argumentwaarden met de waarden van een logische functie.
Tabel 1.1- Waarheidstabel van de "NIET"-bewerking
| x | ja |
| 0 | 1 |
| 1 | 0 |
Een logische functie NIET van een variabele y wordt geschreven als y =
en er staat "y have not x". Als bijvoorbeeld x een uitspraak is over de aanwezigheid van een signaal van hoog niveau (logische), dan komt y overeen met de uitspraak over de aanwezigheid van een signaal van laag niveau (logische nul).Logische vermenigvuldiging (conjunctie, "EN"-bewerking) is een functie die alleen waar is als alle variabelen die worden vermenigvuldigd tegelijkertijd waar zijn. De waarheidstabel van de logische vermenigvuldigingsoperatie komt overeen met tabel 1.2.
Tabel 1.2- Waarheidstabel van de werking van logische vermenigvuldiging
| x2 | x1 | ja |
| 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 0 |
| 1 | 1 | 1 |
De AND-bewerking wordt aangegeven met een punt (). Soms wordt het punt geïmpliceerd. De "AND"-bewerking tussen twee variabelen x1 en x2 wordt bijvoorbeeld aangeduid als y = x1 x2.
Logische optelling (disjunctie, "OF"-bewerking) is een functie die alleen onwaar is als alle termen van de variabelen tegelijkertijd onwaar zijn. De waarheidstabel van de logische optelling komt overeen met tabel 1.3. De "OF"-bewerking wordt aangegeven met het teken V. Bijvoorbeeld y = x1 V x2.
Tabel 1.3 - Waarheidstabel van de logische optelling
De studie van digitale schakelingen moet beginnen met de theorie van automaten. In dit artikel vindt u enkele basiszaken die u zullen helpen niet te verdwalen in andere artikelen. Ik heb geprobeerd het artikel gemakkelijk leesbaar te maken en ik ben er zeker van dat een onvoorbereide lezer het gemakkelijk zal kunnen begrijpen.
Signaal- een materiële drager van informatie die wordt gebruikt om berichten over een communicatiesysteem over te dragen. Een signaal kan, in tegenstelling tot een bericht, worden gegenereerd, maar de ontvangst ervan is niet vereist (het bericht moet door de ontvangende kant worden ontvangen, anders is het geen bericht, maar slechts een signaal).
Het artikel bespreekt een digitaal discreet signaal. Dit is een signaal dat verschillende niveaus heeft. Het is duidelijk dat een binair signaal twee niveaus heeft - en ze worden genomen als 0 en 1. Wanneer een hoog niveau wordt aangegeven met één en een laag met nul, wordt deze logica positief genoemd, anders negatief.
Het digitale signaal kan worden weergegeven als een timingdiagram.
In de natuur bestaan discrete signalen niet, daarom worden ze vervangen door analoge signalen. Een analoog signaal kan niet meteen van 0 naar 1 gaan, daarom heeft zo'n signaal een flank en een cutoff.
Om het simplistisch te tekenen, ziet het er als volgt uit:
1 - laag signaalniveau, 2 - hoog signaalniveau, 3 - signaalstijging (voorkant), 4 - signaaldaling (cut)
Signalen kunnen worden omgezet. Hiervoor worden in de praktijk logische elementen gebruikt en om dit formeel te schrijven worden logische functies gebruikt. Dit zijn de belangrijkste:
Negatie - keert het signaal om.
De diagrammen zijn als volgt aangegeven:
Logische OF (logische toevoeging, disjunctie)
In het schema:
Logische AND (logische vermenigvuldiging, conjunctie)
In het schema:
De laatste twee kunnen een negatieve output hebben (AND-NOT, OR-NOT). De waarden van hun logische functies zijn omgekeerd en in het diagram wordt de uitvoer getekend met een cirkel.
De samenvattende tabel van logische functies van twee argumenten ziet er als volgt uit:
Het werken met logische functies is gebaseerd op de wetten van de algebra van de logica, waarvan de basis wordt beschreven in het bijgevoegde bestand. Er zijn ook taken voor zelfcontrole en controlevragen over het onderwerp.
Logische schakelingen ontwerpen met logische algebrafuncties
Logisch diagram wordt een verzameling logische elektronische elementen genoemd die zodanig met elkaar zijn verbonden dat een bepaalde werkingswet van het circuit wordt vervuld, met andere woorden, een bepaalde logische functie wordt vervuld.Afhankelijk van de afhankelijkheid van het uitgangssignaal van het ingangssignaal, kunnen alle elektronische logische circuits voorwaardelijk worden onderverdeeld in:
Schema's van de eerste soort, d.w.z. combinatorische circuits waarvan het uitgangssignaal alleen afhangt van de toestand van de ingangssignalen op elk moment;
Regelingen van de tweede soort of accumulerende circuits(schema's) sequentieel) met accumulerende circuits ( elementen met geheugen), waarvan het uitgangssignaal zowel afhangt van de ingangssignalen als van de toestand van het circuit op eerdere momenten.
Door het aantal inputs en outputs zijn de schema's: met één input en één output, met meerdere inputs en één output, met één input en meerdere outputs, met meerdere inputs en outputs.
Volgens de synchronisatiemethode zijn de schema's: met externe synchronisatie (synchrone machines), met interne synchronisatie(Asynchrone machines zijn daar een speciaal geval van).
Vrijwel elke computer bestaat uit een combinatie van circuits van de eerste en de tweede soort van variërende complexiteit. De basis van elke digitale automaat die digitale informatie verwerkt, zijn dus elektronische elementen van twee soorten: denkspelletje of combinatorisch en onthouden... Logische elementen voeren de eenvoudigste logische bewerkingen uit op digitale informatie en opslagelementen worden gebruikt om deze op te slaan. Zoals u weet, bestaat een logische bewerking uit het omzetten van digitale invoerinformatie in uitvoer volgens bepaalde regels.
We kunnen aannemen dat elementaire logische functies logische operatoren zijn van de genoemde elektronische elementen, d.w.z. schema's. Elk dergelijk schema wordt aangegeven door een bepaald grafisch symbool. (Ze werden hierboven gepresenteerd - Elementen AND, OR, NOT, OR-NOT, AND-NOT)
Als voorbeeld is het volgende een elektrisch functioneel diagram van een logische omzetter (combinatieautomaat) die een logische functie implementeert in een elementaire basis van logische elementen AND, OR, NOT.
Voor consolidatie stel ik voor om onafhankelijk een logisch circuit te synthetiseren dat de volgende logische functies implementeert:
Dit kan bijvoorbeeld in de Elektronische werkbank.
Hier is een voorbeeld van de eerste voltooide taak:
