Digital elektronikk for nybegynnere. Den interne strukturen til digitale mikrokretser kmop. verdier av fysiske mengder til enhetlige analoge signaler av like- eller vekselstrøm

Legg igjen en kommentar 6,950


Den russiske føderasjonens departement

Tomsk polytekniske universitet

__________________________________________________________________

E.L. Sobakin

DIGITALT ORDNING

Opplæringen

UDC 681.325.6

Sobakin E.L. Digitale kretser... Lærebok. godtgjørelse. Del I. Tomsk: Red. TPU, 2002 .-- 160s.

Håndboken beskriver hovedproblemstillingene i forelesningsløpet for studenter av spesialiteten 210100 Ledelse og informatikk i tekniske systemer. Håndboken ble utarbeidet ved Institutt for automatisering og datasystemer ved TPU, samsvarer med fagets læreplan og er beregnet på studenter ved Institutt for fjernundervisning.

Gjengitt etter ordre fra redaksjons- og publiseringsrådet ved Tomsk Polytechnic University

Anmeldere:

V.M. Dmitriev professor, doktor i tekniske vitenskaper, leder av Institutt for teoretiske grunnlag for elektroteknikk, Tomsk University of Control Systems and Radioelectronics;

S.I. Korolev direktør for NPO Spetstehauditservice LLP,

kandidat for tekniske vitenskaper, seniorforsker.

Templan 2002

Tomsk polytekniske universitet, 2002

Introduksjon

Denne læreboken er beregnet på studenter ved høyere utdanningsinstitusjoner som studerer i spesialiteten 210100 "Informatikk og kontroll i tekniske systemer". Den er satt sammen på grunnlag av et forelesningskurs gitt av forfatteren ved Tomsk Polytechnic University i en årrekke, og er viet til en systematisk presentasjon av metoder for formalisert konstruksjon av digitale teknologienheter på mikrokretser med bred bruk.

Disiplinen "Digital krets" bør betraktes som en fortsettelse av kurset "Elektronikk", som studentene må beherske på forhånd, siden det kreves kunnskap om elementbasen til analoge elektroniske enheter.

De fleste moderne automatiseringssystemer, datasystemer, informasjonsoverføring og prosesseringssystemer utføres på digitale enheter, enten helt eller delvis. Derfor er kunnskap om prinsippene for å bruke digitale enheter og bygge på deres basissystemer til ulike formål av aktuell betydning og stor praktisk verdi både i ingeniørfag og i forskning av metodisk karakter.

Materialet i manualen kan betinget deles inn i tre deler: 1) Grunnleggende om mikroelektronikk; 2) Kombinasjonsenheter av digital teknologi; 3) Sekvensielle logiske enheter av digital teknologi.

Når du begynner å mestre kurset, bør du studere materialet i den rekkefølgen de spesifiserte delene er oppført i, siden det påfølgende materialet er basert på kunnskap om det forrige, og endring av sekvensen kan føre til vanskeligheter med assimilering. Dette forsterkes av at det i andre lærebøker og spesialfaglitteratur brukes forskjellige termer og begreper for å forklare de samme fenomenene, prosessene, transformasjonene som utføres osv. Forskjellen i konseptene som brukes eller feilen deres fører til en misforståelse av essensen av det presenterte materialet og som et resultat fremveksten av vanskeligheter med assimilering.

De to første av disse delene er inkludert i den første delen av denne håndboken (Ch1). En egen manual er viet den tredje delen.

I 1.Bruk av digitale enheter

For tiden, i forbindelse med etableringen og den utbredte introduksjonen av mikroprosessorenheter og -systemer i ingeniørpraksis, svekkes ikke interessen for digitale metoder for informasjonsbehandling og overføring, og den blir re-stimulert. Disse metodene gir på sin side systemene en rekke positive egenskaper og kvaliteter. Troskapen til den overførte informasjonen øker, høy hastighet og ytelse av informasjonsbehandlingssystemer oppnås, deres akseptable kostnader, høy pålitelighet, lavt energiforbruk, etc. er sikret.

Oppgavene som løses av disse systemene er svært forskjellige og forhåndsbestemmer funksjonene til enhetene som danner et spesifikt system. Derfor er det tilrådelig å vurdere enheter og deres funksjoner nøyaktig i lys av de oppgavene som løses av systemer, og spesielt de underoppgavene som utføres av individuelle enheter eller blokker.

Hoved typiske oppgaver som oppstår fra automatisk eller automatisert styring og kontroll av produksjon eller andre prosesser er:

samling informasjon (få det);

transformasjon informasjon (skalering, normalisering, filtrering, koding, etc.);

overføring-mottak informasjon;

bearbeiding og bruk informasjon;

Oppbevaring informasjon.

Avhengig av tiltenkt formål og hovedfunksjoner, skilles de ut:

Automatiske (eller automatiserte) kontroll- og overvåkingssystemer.

Informasjonsoverføringssystemer.

Informasjonsbehandlingssystemer (datasystemer).

For å forstå forholdet mellom disse oppgavene, stedet og rollen til elektroniske digitale enheter som brukes i disse systemene, vil vi vurdere de generaliserte strukturelle diagrammene til disse systemene og det funksjonelle formålet med komponentene deres.

B1.1. Automatiske kontrollsystemer

Å styre betyr å kjenne tilstanden (posisjonen) til det kontrollerte objektet og i samsvar med den gitte algoritmen ( kontrollalgoritme) for å påvirke objektet ved å prøve å eliminere de oppståtte avvikene.

Derfor er kontroll i det generelle tilfellet forbundet med følgende handlinger:

innhente informasjon om tilstanden til objektet;

sammenligning av den mottatte informasjonen med den spesifiserte informasjonen om objektets tilstand;

dannelse av kontrollsignaler (handlinger);

innvirkning på et objekt for å bringe det til ønsket tilstand.

I samsvar med de oppførte handlingene, bør det automatiske kontrollsystemet (ACS) i det generelle tilfellet inkludere en informasjonsmålingsenhet, en kontrollenhet og en utøvende enhet (fig. B1).

Informasjonsmåler (IUI) mottar informasjon om kontrollobjektet (OU) og forhåndsbehandler det. Innhenting av informasjon består i dannelsen av primære signaler, hvis verdier er proporsjonale med verdiene til parameterne som karakteriserer tilstanden til op-ampen. Et objekt kan forstås som en egen produksjonsenhet og produksjonsprosessen som helhet. Og under parametrene er "utgangskoordinatene" til objektet. Dette kan for eksempel være verdier for temperatur, trykk, forbruk av materialer eller energi og lignende. Siden de fleste av disse koordinatparametrene presenteres i analog form og er preget av et uendelig sett med verdier, må signalene normaliseres i sine parametere, skaleres og ha en enhetlig form.

Derfor må IMU ha primære måleomformere og sensorer, analog-til-digital omformere og andre funksjonelle enheter, ved hjelp av hvilke følgende konverteringer utføres:

verdier av fysiske mengder til enhetlige analoge signaler med likestrøm eller vekselstrøm;

skalering eller normalisering av signaler etter nivå og form;

konvertering av analoge signaler til diskrete (digitale) signaler;

signalkoding og noen andre transformasjoner.

Signaler om gjeldende verdier av koordinater sendes til kontrollenhet (åh) Funksjonene til denne enheten inkluderer sammenligning av gjeldende verdier med spesifiserte koordinatverdier og dannelse av kontrollsignaler (kontrollsignaler) basert på sammenligningsresultatene. Settpunktene kan angis av en menneskelig operatør eller automatisk av programvare. I det første tilfellet kan en automatisk regulator eller flere automatiske regulatorer brukes som en kontrollenhet, hvis innstillinger bestemmes og stilles inn av en person. I det andre tilfellet er CU en mini- eller mikrodatamaskinprogramvare, og rollen som en menneskelig operatør er redusert til å gå inn i programmet og den første oppstarten av systemet.

For å utføre disse funksjonene, er kontrollenheten pålagt å utføre aritmetiske og logiske operasjoner for å beregne verdier og sammenligne signaler, kortsiktig og langsiktig memorering (lagring) av signaler og dannelse av enhetlige kontrollsignaler. Sistnevnte inneholder informasjon på grunnlag av hvilke ytterligere handlinger som dannes på kontrollobjektet (kontrollhandlinger), som fører det til den nødvendige tilstanden.

Direkte virkningen av de nødvendige fysiske naturformene utøvende enhet (IWU). Den konverterer styresignaler, for eksempel i form av likespenning eller pulsstrøm, til rotasjonshastigheten til styremotoren, til den mekaniske bevegelsen av ventilen på dampledningen, og så videre. For å utføre disse konverteringene trenger du: digital-til-analog-omformere; omformere av elektriske signaler til ikke-elektriske; forsterkere etc. I dette tilfellet kan omformere av koder for digitale signaler, eller bølgeformer av signaler, være nødvendige som mellomliggende. For eksempel koder av binære tall til et proporsjonalt antall pulser, enfasesignaler til flerfasede, brukt til å kontrollere trinnmotorer, etc.

Under påvirkning av forstyrrende påvirkninger forlater objektet normaltilstanden (modus), og ACS returnerer den til den nødvendige (normale) driftsmodusen. Kontrollprosessen foregår i sanntid, det vil si med en hastighet som bestemmes av naturen til fysiske prosesser. Hvis kontrollhandlingene er forsinket i tid eller overdreven, kan det oppstå en ustabil driftsmodus av systemet, der koordinatene til objektet kan få uakseptable verdier og enten selve objektet eller individuelle enheter i systemet vil mislykkes , vil en nødmodus oppstå. Derfor, i teorien om ACS hoved er problemer med å sikre stabilitet og nøyaktighet av kontroll.

De fleste av de ovennevnte transformasjonene kan utføres ved hjelp av digitale mikroelektroniske enheter. UU er helt digital når den er bygget på grunnlag av kontrollmikrodatamaskiner eller på digitale mikrokretser.

Digitale sensorer av fysiske mengder, samt delvis analog-til-digital og digital-til-analog signalomformere, er laget på digitale mikrokretser.

B1.2. Informasjonsoverføringssystemer (SPI)

Med en økning i avstanden mellom IU og CU (fig. B1), så vel som mellom CU og CU, problemet med informasjonsoverføring oppstår... Behovet for å overføre informasjon over lange avstander oppstår ikke bare i romlig utviklede systemer for automatisk kontroll og overvåking, men også i systemer andre typer kommunikasjon(telegraf, telefon, telefaks, etc.). I tillegg oppstår behovet for å overføre informasjon i datasystemer, dataoverføringssystemer, telemekaniske systemer osv. Denne oppgaven kompliseres av det faktum at i prosessen overføring over kommunikasjonslinjer parametere er forvrengt signaler og dette kan igjen føre til forvrengning av informasjon til en reduksjon i dens troverdighet (sannsynligheten for korrekt mottak). Forvrengning av signaler skyldes interferens dukker opp i kommunikasjonslinjer... Interferens er som regel av tilfeldig natur og i parameterne kan det hende at det ikke avviker fra parameterne til signalene. Derfor er de "i stand til" å forvrenge signaler og til og med "reprodusere" informasjon. transformere den overførte meldingen... Den siste mest uønskede hendelsen i overføringen av informasjon.

For å sikre høy kvalitet og maksimal hastighet ( NSfeffektivitet) overføring av informasjon, ytterligere signaltransformasjoner og spesielle metoder for overføring er nødvendig.

Slike transformasjoner inkluderer koding og omvendt prosedyre dekoding av informasjon(og signaler). Koding er prosedyren for å konvertere en melding til et signal... I dette tilfellet utføres transformasjonene i henhold til visse regler, som helhet kalt kode.

Informasjonskoding utføres på sendersiden, og dekoding på mottakersiden. Skille anti-jamming koding og effektiv. Målanti-jamming koding bygge (sfoRmute) et signal som er mindre utsatt for forstyrrelser, gi det en tennoe struktur slik at feil som oppstod under overføring på mottakersiden kunne oppdages eller korrigeres... Og dermed for å sikre høy troverdighet for overføringen.

Måleffektive koding sikre maksimal ckOoverføringshastigheten av informasjon, siden verdien i stor grad bestemmes av hvor rettidig den mottas... I henhold til dette kravet må den kodede meldingen ha den nødvendige informasjonsmengden og samtidig ha minimumslengden slik at overføringen tar et minimum av tid.

Signaler (og informasjon) overføres via kommunikasjonskanaler. Link dette er en bane (bane) for uavhengig signaloverføring fra kildenhkallenavn til den korresponderende mottakeren (mottakeren) av informasjon. Kommunikasjonskanaler dannes av tekniske midler av kanaldannende utstyr og er i likhet med kommunikasjonslinjer utsatt for påvirkning av forstyrrelser.

En av hovedoppgavene som er løst i SPI er oppgaven med å lage det nødvendige antallet kommunikasjonskanaler. Effektiviteten og støyimmuniteten ved overføring bestemmes i stor grad av kommunikasjonskanalene som brukes. Under støyimmunitet forstå systemets evne(signal, kode) utføre sine funksjoner riktig i nærvær av forstyrrelser.

Vanligvis kan ett og samme system brukes til å overføre informasjon fra mange kilder til tilsvarende antall mottakere (mottakere). Derfor er dannelsen av det nødvendige antallet kanaler med den nødvendige støyimmuniteten tildelt kommunikasjonsenheten. I dette tilfellet kan følgende transformasjoner utføres i kommunikasjonsenheten: modulasjon og demodulasjon signaler; forsterkning av sendt til linjen og mottatt fra lognii kommunikasjonssignaler; begrensning på nivå og frekvensspektrum signaler og noen andre.

Avhengig av bruksområdet (applikasjonen) til SPI, er det behov for ytterligere transformasjoner, som å transformere formen på signaler, deres fysiske natur, standardisering av parametere for signaler som kommer utenfra og signaler utstedt av systemet til eksterne enheter; midlertidig lagring av signaler sendt til kommunikasjonskanalen og utstedt av systemet.

De oppførte transformasjonene forhåndsbestemmer den funksjonelle sammensetningen av overførings- og mottaksutstyret til informasjonsoverføringssystemer (fig. B2).

Som du kan se av diagrammet, utføres overføringen i én retning fra venstre til høyre. Enheten for input og primær transformasjon av informasjon (UPPI) konverterer signaler som kommer fra informasjonskilder til enhetlige "primære" signaler som ikke kan overføres direkte over lange avstander. Vanligvis er disse enhetlige signalene likespenninger med faste nivåverdier. I UVPI-blokken lagres primærsignalene for overføringstidspunktet (i bufferminnet), hvoretter de slettes fra minnet. Enkoderen (CU) konverterer primærsignalene til kodede signaler med en bestemt struktur og format, slik at de (signaler) kan overføres over lange avstander ("TV-signaler"). Som regel er denne enheten kombinasjonsbasert, selv om den i noen tilfeller også kan gjøres sekvensiell (multisyklus). Logiske og aritmetiske operasjoner for kodingsprosedyrer er implementert her.

Hovedformålet med en kommunikasjonsenhet (Fig. B2) er å lage eller organisering av kommunikasjonskanaler på den oppgitte kommunikasjonslinjen. Kommunikasjonslinje det er materialet mellom senderen (Rd) og mottakeren (Rm) til systemet. Figuren viser konvensjonelt en to-leder elektrisk kommunikasjonslinje. Imidlertid kan radio og fiberoptiske kommunikasjonslinjer og andre brukes. Avhengig av type linje i PRD og PRM, utføres ulike signaltransformasjoner for å matche deres parametere og egenskaper med parameterne og egenskapene til kommunikasjonslinjen og transformasjoner rettet mot økt støyimmunitet signaler.

På mottakersiden blir de kodede signalene mottatt fra kommunikasjonslinjen igjen konvertert av en dekodingsanordning (DSC) til primære signaler. I dette tilfellet blir feil i de mottatte signalene oppdaget ved dekodingsprosedyrer og kan korrigeres, og dermed sikres den nødvendige nøyaktigheten til informasjonsoverføring. EN utgangsomformere(VP) transformerer disse primærsignalene til en form og en form (fysisk natur) som kan oppfattes av mottakerne av informasjon.

Det skal bemerkes at de fleste av de funksjonelle "nodene" og "blokkene" vist i fig. B2 kan implementeres på digitale mikrokretser. Derfor er informasjonsoverføringssystemer vanligvis digitale.

B1.3. Informasjonsbehandlingssystemer

(datasystemer)

De typiske oppgavene som er oppført ovenfor kan løses og formaliseres med matematiske og logiske metoder. I sin tur opererer de navngitte metodene med de enkleste operasjonene (aritmetiske eller logiske), hvis utførelse på noen "initielle data" gir et nytt resultat, tidligere ukjent. Denne fellesheten av metoder for å løse ulike problemer med informasjonsbehandling gjorde det mulig å lage en egen klasse av enheter og systemer, hvis formål (i utgangspunktet) var automatisering av databehandlingsprosedyrer elektroniske datamaskiner (datamaskiner). På det nåværende stadiet av utviklingen av datateknologi har datamaskiner "gjort om" til datamaskiner, på grunnlag av hvilke moderne datasystemer for behandling og overføring av informasjon er bygget. Et generalisert blokkskjema over et eller annet datasystem er vist i fig. B3.

De behandlede dataene er foreløpig inndataenhet Uvv gå til Minneenhet Hukommelse, hvor de lagres i hele behandlingstiden. Programmet for behandling av innkommende informasjon er også lagret i samme minne.

Programmet til systemet, så vel som "dataene", lagres i minneenheten i form av multi-bit binære tall skrevet i minnecellene på bestemte adresser (adresser til minnecellene). Binære tall, hvis aggregat representerer et databehandlingsprogram, er strukturert i et visst antall deler, som hver har et bestemt formål. I det enkleste tilfellet er det følgende deler: 1) en operasjonskode som må utføres med to binære tall som representerer verdiene til "data" og kalt "operander"; 2) adressen til den første operanden; 3) adressen til den andre operanden. Kombinasjonen av disse delene danner et "lag".

Arbeidet til en datamaskin består i sekvensiell utførelse av kommandoer gitt av programmet. Koordinerer arbeidet til alle blokkene i tid og styrer dem kontrollenhet Uu... Og direkte logiske og aritmetiske operasjoner (handlinger) på operandene utføres aritmetisk logikkenhet ALU, som, etter et signal fra CU "operasjonskode", konfigureres hver gang til å utføre en spesifikk operasjon.

Kontrollenheten dekrypterer kommandoen mottatt fra minnet (fig. B3 "neste kommando"), sender operasjonskoden til ALU og den forbereder seg på å utføre den tilsvarende operasjonen. Deretter genererer den signaler for sampling fra minnet til operandene (se signalet "Dataadresser") og bestemmer adressen til neste kommando, som skal utføres i neste syklus av datamaskinen ("Adresse til neste kommando") . Operander leses fra minnet av signaler fra CU, og ALU utfører de nødvendige handlingene. I dette tilfellet dannes et mellomresultat ("Operation Result"), som også lagrer minnet. Avhengig av resultatet av operasjonen, kan det være nødvendig å endre rekkefølgen på kommandoutførelsen, eller å stoppe databehandlingen, eller å vise feilmeldinger til operatøren. For dette formålet sendes signalet "Sign of the result" fra ALU til CU. Prosessen med å behandle de angitte dataene (informasjonen) fortsetter til kommandoen "Slutt på beregninger" er hentet, eller operatøren, etter eget skjønn, stopper prosessen med databehandling.

Det resulterende behandlingsresultatet lagres også i minnet og kan vises via utgangsenhet Akk på slutten av prosesseringsprosessen eller under prosessen, hvis det leveres av programmet.

For "kommunikasjon" av operatøren med datamaskinen, terminalenheter AT, beregnet på at operatøren skal legge inn kommandoer og andre meldinger og at operatøren skal sende ut "meldinger" fra datamaskinen.

Fig. B3 viser ikke tilkoblingene til kontrollenheten, som sikrer synkronisering av driften av alle komponentene til datamaskinen. Brede piler indikerer muligheten for parallell dataoverføring (samtidig overføring av alle biter av flersifrede binære tall).

Nesten alle blokker vist i fig. B3 (unntatt terminalenheter) kan kun utføres fullstendig på digitale integrerte kretser (IC). Spesielt kan CU, ALU og en del av minnet (registerminne til RAM) lages i form av én IC med høy grad av integrasjon. Det navngitte settet med blokker dannes mikroprosessor sentral prosesseringsenhet til en datamaskin, laget ved hjelp av integrert teknologi på en enkelt halvlederkrystall.

Datainn- og utdataenheter består som regel av bufferminneregistre, som brukes til henholdsvis midlertidig lagring av inn- og utdata og for koordinering av systemet med eksterne enheter.

En lagringsenhet (minne) er vanligvis delt inn i to deler: et tilfeldig tilgangsminne (RAM) og et permanent minne. Den første brukes til å lagre mellomresultater av beregninger, dens "innhold" endres stadig i prosessen med databehandling. RAM fungerer i modusene "lese" og "skrive" data. Og det andre, permanent minne (ROM), brukes til å lagre standard subrutiner og noen system (tjeneste) subrutiner som kontrollerer prosessene for å slå datamaskinen av og på. Vanligvis kjøres ROM på en brukerprogrammerbar ROM (PROM), enten forhåndsprogrammert på fabrikken med en IC ROM, eller en brukerprogrammerbar ROM (PROM). Vanligvis er dette ikke-flyktige lagringsenheter der den registrerte informasjonen ikke blir "ødelagt" selv om de er koblet fra strømkilden.

ALU inkluderer IC med samme navn, og utfører logiske og aritmetiske operasjoner med binære tall, logiske elementer og en rekke andre funksjonelle enheter som tjener til å sammenligne tall, digitale komparatorer, for å øke hastigheten på aritmetiske operasjoner utført, for eksempel " hurtigoverføringsblokker", etc.

CU inkluderer timerenheter som setter klokkefrekvensen til systemet og til slutt bestemmer dets ytelse, kommandokodedekodere, programmerbare logiske matriser, registre, mikroprogramkontrollblokker, samt inngangs-utgang "porter".

Alle de oppførte funksjonelle enhetene er laget i form av integrerte digitale enheter.

Hovedproblemene datasystemer øker for det første sine produktivitet(hastighet). Og for det andre å sikre driften av systemene i virkeligheten.

Det første problemet er av systemomfattende karakter og løses ved bruk av en ny elementbase og spesielle metoder for informasjonsbehandling.

Det andre problemet oppstår ved bruk av datasystemer for å kontrollere produksjonsprosesser og er at produksjonshastighetene og dataprosessene må være konsistente. Virkeligheten til et datasystem (CS) skjer i den såkalte "maskintiden", når et visst fast og udeleligt tidsintervall tas som en tidsenhet, kalt "arbeidssyklusen" til en datamaskin eller datamaskin , mens virkelige fysiske prosesser, for eksempel teknologiske prosesser, foregår i sanntid målt i sekunder, brøkdeler av et sekund, timer osv. For at bruk av datamaskiner skal bli mulig, er det nødvendig å gjøre hastigheten på informasjonsbehandlingen ikke mindre enn hastigheten til reelle fysiske prosesser. Løsningen på dette problemet oppnås ved organisering av spesielle metoder for utveksling av informasjon (data) av kontrolldatamaskinen med perifere enheter og bruk av spesielle, s.k. inteRansiktsskjemaer og enheter... Funksjonene til grensesnittkretsene inkluderer:

bestemme adressen til en ekstern enhet som krever utveksling av informasjon med prosessoren eller med lagringsenheten til systemet;

generering av avbruddssignaler fra VS-prosessoren og initialisering av overgangen til tjenesteprogrammet til objektet som ba om avbruddet. Dette utføres i henhold til en spesiell prioriteringssystem;

implementering av køer for å betjene eksterne enheter;

koordinering i parametere og tidspunkt for utveksling av signaler, etc.

Takket være moderne prestasjoner innen integrert teknologi i produksjonen av mikroelektroniske enheter, opprettelsen av mikrodatamaskiner og datamaskiner preget av små dimensjoner, lavt energiforbruk og rimelige kostnader, har det blitt mulig å bruke dem som en del av systemer til forskjellige formål. Samtidig får disse systemene nye kvaliteter og blir multifunksjonelle med muligheten til fleksibelt å bytte fra en driftsmodus til en annen ved ganske enkelt å endre konfigurasjonen av systemene. I sin tur åpner disse fordelene opp for nye perspektiver i anvendelsen av datasystemer på en rekke områder av menneskelig aktivitet: innen vitenskap, medisin, utdanning og opplæring, og enda mer innen teknologi.

For eksempel har telefonkommunikasjon tradisjonelt blitt utført av analoge enheter, når menneskelig tale ble overført (over ledninger) av signaler i form av vekselstrømmer av lydfrekvenser. Nå skjer det en intensiv overgang til digital telefoni, der analoge signaler (fra en mikrofon) konverteres til digitale signaler som sendes over lange avstander uten vesentlig forvrengning. På mottakersiden konverteres disse digitale signalene til analoge igjen og sendes til telefonen. Overgangen til digital kommunikasjon gjør det mulig å forbedre kvaliteten på taleoverføring, i tillegg kan telefonnettverket brukes til andre tjenester: innbruddsalarm; brannalarm; for "konferansesamtaler" av flere abonnenter, og så videre.

I 2. Komparativ evaluering av digitale og analoge enheter

mikroelektronisk teknikk

Når du bestemmer deg for konstruksjon eller design av en enhet, bør du først bestemme deg for designretningen, hva skal enheten være? Analog eller diskret(digital)? På sin side kan denne avgjørelsen tas med kjennskap til fordelene og ulempene med begge enhetene. La oss foreløpig gi definisjoner av begrepene "analoge" og "digitale" enheter.

Analog kalt dette enhet, der alle inngangs-, utgangs- og mellomliggende (interne) signaler er kontinuerlige, beskrives av kontinuerlige matematiske funksjoner. Disse signalene er preget av et uendelig sett med verdier når det gjelder nivå (tilstander) og er kontinuerlige i tid, selv om variasjonsområdet for verdiene til det kontinuerlige signalet er begrenset. Derfor kalles noen ganger slike enheter ordningtheiendommer nediskontinuerlig.

Diskrete enheter eller enheter diskret handling kalles de der inngangs-, utgangs- og mellomsignalene er preget av et tellbart sett med verdier når det gjelder nivå og eksistens i bestemte tidsintervaller. Slike signaler kan vises i et eller annet posisjonsnummersystem (tilsvarende tall). For eksempel i desimaltallsystem eller binært tallsystem. Den binære representasjonen av signaler har funnet den største anvendelsen innen teknologi og formell logikk i beregningen av utsagn og i utledningen av slutninger fra flere premisser. Derfor kalles diskrete enheter logisk(ligner formell binær logikk) eller digital, under hensyntagen til muligheten for å beskrive dem ved å bruke tallene til posisjonsnummersystemet.

Ulemper med tekniske midler for analog teknologi

Tilstedeværelsen av "drift" og "støy". Drifting det er en langsom endring i signalet, på grunn av fenomenenes diskrete natur, i forhold til dens gitte verdi. For eksempel, for elektriske signaler, bestemmes den diskrete karakteren til strømmen av elektrisk strøm av elektroner og "hull", som er bærere av elektriske ladninger. Lyder Dette er tilfeldige endringer i signalet forårsaket av ytre eller indre faktorer, for eksempel temperatur, trykk, styrken til jordens magnetfelt, etc.

Metodiske vanskeligheter med å definere begrepene "likhet til null" og "likhet av analoge signaler". Og som en konsekvens, eksistensen av problemet med å "sikre den spesifiserte nøyaktigheten (feil)" av transformasjoner og signaloverføring.

Mulighet for utseendet til ustabile driftsformer og eksistensen av problemet med å "sikre stabiliteten" til driften av systemer og enheter. En ustabil modus er preget av utseendet i en enhet eller et system av udempede svingninger i endring av noen signaler. I elektronikk er dette fenomenet mye brukt i konstruksjonen av pulsgeneratorer og generatorer av harmoniske svingninger.

Tekniske vanskeligheter ved implementering av lagringsenheter og tidsforsinkelsesenheter for analoge signaler.

Utilstrekkelig grad av integrering av analoge elementer og deres allsidighet.

Relativt kort overføringsrekkevidde for analoge signaler på grunn av energispredning i kommunikasjonslinjer.

Relativt høyt energiforbruk, siden analoge elementer opererer på lineære seksjoner av deres transiente egenskaper og "forbruker" energi i de initiale (initielle) tilstandene.

Fordeler med tekniske midler for analog teknologi

Tilstrekkelighet av kartleggingen av fysiske prosesser og mønstre: begge er beskrevet av kontinuerlige avhengigheter. Dette gjør det mulig å betydelig forenkle de grunnleggende tekniske løsningene til analoge enheter og systemer.

Effektivitet og enkel endring av driftsmodusene: ofte er det nok å endre motstanden til motstanden eller kapasitansen til kondensatoren slik at den ustabile modusen endres til en stabil eller å gi en gitt transient prosess i enheten.

Du trenger ikke å konvertere analoge verdier til diskrete. Disse transformasjonene er ledsaget av en feil og en viss sløsing med tid.

Fordeler med tekniske midler til digital teknologi

Muligheten for programmert kontroll, som øker fleksibiliteten til å endre strukturen og algoritmen for funksjonen til systemene, gjør det mulig å forenkle implementeringen av adaptive kontrolllover.

Enkelt å sikre den spesifiserte påliteligheten, nøyaktigheten og støyimmuniteten til systemene.

Enkelt å sikre kompatibiliteten til enheter med digitale informasjonsbehandlingsenheter (datamaskiner, datamaskiner).

Høy grad av konstruktiv og funksjonell integrasjon, allsidighet med evne til å bygge systemer i henhold til standard designløsninger. I sin tur lar dette deg redusere kostnadene ved produksjon og operativsystemer og enheter.

Evnen til å designe med formelle logiske metoder, som lar deg redusere designtiden til enheter og gjør det mulig å endre funksjonene til enheter (og systemer basert på dem) ved metoder for aggregatkonstruksjon under drift.

Ulemper ved tekniske midler for digital teknologi

Behovet for å konvertere analoge signaler til diskrete. Disse transformasjonene er ledsaget av utseendet til feil og forsinkelser i tid.

Den relative kompleksiteten ved å endre driftsmoduser. For å gjøre dette er det nødvendig å endre strukturen til systemet eller algoritmen for dets funksjon.

Kompleksiteten til prosessene for å analysere funksjonen til systemene, både når du sjekker riktigheten av arbeidet deres, og når du søker etter nye funksjonsfeil. Digitale enheter er preget av stor funksjonell kompleksitet, noe som krever spesielle "diagnostiske" enheter, som studeres i et spesielt teknologifelt kalt teknisk dogagnostogcoy.

Økte krav til produksjonskulturen og til kulturen for å betjene tekniske midler til digital teknologi. Dette stimulerer i sin tur behovet for å forbedre kvalifikasjonene til servicepersonell og krever høye kvalifikasjoner fra dem.

Komparativ analyse av de listede fordeler og ulemper gir konklusjon i favør tekniske midler digital teknologi... Derfor er digitale enheter for tiden mye introdusert, ser det ut til, i de tradisjonelle områdene av analog teknologi: TV, telefonkommunikasjon, i lydopptaksteknologi, radioteknikk, i automatiske kontroll- og reguleringssystemer.

1. Grunnleggende om mikroelektronikk

1.1. Grunnleggende begreper og definisjoner

Mikroelektronikk hovedretningen for elektronikk, som studerer problemene med design, forskning, opprettelse og anvendelse av elektroniske enheter med høy grad av funksjonell og konstruerevNoah integrering.

Mikroelektronisk produkt, implementert ved hjelp av integrert teknologi og utfører en viss funksjon for å konvertere og behandle signaler, kalles integrert krets(IMS) eller bare integrert krets(ER).

Mikroelektronisk enhet et sett med sammenkoblede IC-er som utfører en fullstendig ganske kompleks funksjon (eller flere funksjoner) for behandling og transformering av signaler. En mikroelektronisk enhet kan utformes i form av en enkelt mikrokrets eller på flere IC-er.

Under funksjonell integrasjon forstå økningen i antall funksjoner implementert (utført) av en enhet. I dette tilfellet anses enheten som en helhet, udelelig. EN konstruktiv intenåde dette er en økning i antall komponenter i en enhet som anses som en helhet... Et eksempel på en mikroelektronisk enhet med høy grad av strukturell og funksjonell integrasjon er mikroprosessor(se ovenfor), som som regel utføres i form av en "stor" IC.

Kretsløp er en del av mikroelektronikk, emnet som er byggemetoder enheter for ulike formål på micrOordninger for utbredt bruk... Emnet digitale kretser er metoder for å bygge (designe) enheter kun på digitale IC-er.

Funksjon av digitale kretser er mye brukt for å beskrive prosessene for funksjon av enheter formell eller formelle naturlige språk og basert på dem formaliserte designmetoder... Formelle språk er boolsk algebra(logikkalgebra, boolsk algebra) og språket til "automatiske" logiske funksjoner algebra av tilstander og hendelser... Gjennom bruk av formaliserte metoder, multivarians i å løse anvendte problemer, er det en mulighet optimalt valg av kretsløsninger etter ett eller annet kriterium.

Formelle metoder preget av et høyt nivå av abstraksjon, distraksjon, neglisjering av de spesielle egenskapene til det beskrevne objektet. Oppmerksomheten fokuseres kun på de generelle mønstrene i de gjensidige forholdene mellom komponentene i objektet og dets bestanddeler. Slike "regelmessigheter" inkluderer for eksempel reglene for aritmetiske operasjoner i tallalgebraen (reglene for addisjon, subtraksjon, multiplikasjon, divisjon). Samtidig blir de distrahert fra betydningen av tall (enten det er antall epler, eller tabeller osv.). Disse reglene er strengt formaliserte, og reglene for å oppnå komplekse aritmetiske uttrykk, samt beregningsprosedyrene for slike uttrykk, er formaliserte. I slike tilfeller, sier de, er formelle og sinatTilsis og språk grammatikk beskrivelser.

I formelle naturlige språk er syntaksen formalisert, og grammatikken (reglene for å konstruere komplekse uttrykk) adlyder grammatikken til et naturlig språk, for eksempel russisk eller engelsk. Eksempler på slike språk er forskjellige tabellformede beskrivelsesspråk. Spesielt er det teoretiske grunnlaget for å beskrive digitale enheter "Theory of Finite Machines" eller "Theory of Relay Devices and Finite Machines".

1.2. Klassifisering av mikroelektroniske enheter

Hele utvalget av mikroelektroniske enheter (MEU) kan klassifiseres i henhold til ulike kriterier:

etter handlingens prinsipp og art;

etter funksjonelt formål og funksjoner utført;

av produksjonsteknologi;

etter bruksområde;

etter design og tekniske egenskaper, og så videre.

La oss nå vurdere mer detaljert inndelingen av MEA i henhold til klassifiseringskriterier.

Etter prinsippet(karakter) handlinger alle MEUer er delt inn i analog og digitalt... Konseptene for analoge og diskrete enheter, inkludert digitale, er allerede gitt ovenfor. Her merker vi at hvis alle signaler i diskrete enheter bare tar to betingede verdier av en logisk null (logisk 0) og en logisk enhet (logisk 1), så kalles enhetene logisk... Vanligvis er alle digitale enheter logiske enheter.

Avhengig av funksjonene som utføres (funksjonelt formål), skilles følgende mikroelektroniske enheter ut:

I. Analog

1.1. Forsterkere (forsterkere).

1.2. Funksjonelle omformere som utfører matematiske operasjoner på analoge signaler (for eksempel integrasjon, derivering osv.).

1.3. Måling av transdusere og sensorer av fysiske mengder.

1.4. Modulatorer og demodulatorer, filtre, miksere og harmoniske oscillatorer.

1.5. Lagringsenheter.

1.6. Spennings- og strømstabilisatorer.

1.7. Integrerte kretser for spesielle formål (for eksempel for behandling av radio- og videosignaler, komparatorer, brytere, etc.).

II. Digital MEU

2.1. Logiske porter.

2.2. Kodere, kodedekodere og kodeomformere.

2.3. Minneelementer (triggere).

2.4. Lagringsenheter (RAM, ROM, EPROM, PLM, etc.).

2.5. Aritmetiske logiske enheter.

2.6. Velgere, shapers og pulsgeneratorer.

2.7. Telleapparater (impulstellere).

2.8. Digitale komparatorer, brytere av diskrete signaler.

2.9. Registrerer.

2.10. Spesialformålte mikrokretser (for eksempel timer, mikroprosessorbaserte IC-sett, etc.).

Den gitte klassifiseringen er langt fra uttømmende, men den lar oss konkludere med at nomenklaturen til digitale enheter er mye bredere enn nomenklaturen til analoge MEM-er.

I tillegg til de som er oppført, er det mikrokretser for signalnivåomformere, for eksempel Schmitt-triggere, der inngangssignalene er analoge, og utgangssignalene er diskrete, binære. Slike mikrokretser opptar en mellomposisjon. Tilsvarende bør mikrokretser av analog-til-digital og digital-til-analog omformere (ADC og DAC), analoge signalsvitsjer kontrollert av diskrete signaler refereres til som "mellomliggende" MEAer.

Avhengig av antall implementerte funksjoner skilles det mellom enOfunksjonell(enkelt) og multifunksjonell(kompleks) MEU. I multifunksjonsenheter kan funksjoner utføres samtidig eller konsekvent i tide. Avhengig av dette, i det første tilfellet, kalles enhetene "parallelle" enheter, og i det andre tilfellet enheter med sekvensiell handling eller "sekvensiell". Hvis en multifunksjonsenhet er konfigurert til å utføre en bestemt funksjon ved å bytte innganger (fysisk omkobling av elektriske kretser), kalles en slik enhet en enhet med " rigid logikk"Arbeid. Og hvis endringen i funksjonene som utføres utføres ved hjelp av ekstra eksterne signaler (ved de såkalte kontrollinngangene), bør slike MEM-er klassifiseres som "programvarekontrollerte". For eksempel kan IC-er for aritmetiske logiske enheter (ALU) implementere aritmetiske eller logiske operasjoner med to multi-bit binære tall. Og innstillingen for å utføre aritmetiske (eller logiske) operasjoner utføres av ett ekstra eksternt signal, avhengig av verdien som de ønskede handlingene vil bli utført av. Derfor bør ALU klassifiseres som en programvarekontrollert MEA.

Produksjonsteknologi alle IC-er er delt inn i:

halvledere;

Film;

Hybrid.

V halvleder Alle IC-komponenter og tilkoblinger er laget i bulk og på overflaten av halvlederkrystallen. Disse IP-ene er delt inn i bogpolar mikrokretser (med fast polaritet på forsyningsspenningene) og på unipolar med mulighet for å endre polariteten til forsyningsspenningen. Avhengig av kretsdesignet til det "interne innholdet", er bipolare mikrokretser delt inn i følgende typer:

TTL transistor-transistor logikk;

TTLsh transistor-transistor-logikk med transistorer og Schottky-dioder;

ESL emitter-koblet logikk;

Og 2L injeksjonslogikk og andre.

Unipolare teknologimikrokretser er basert på MIS-transistorer ("metall-dielektrisk-halvleder"), eller MOS-transistorer ("metall-oksid-halvleder"), eller CMOS-transistorer (komplementære "metall-oksid-halvleder").

V film Alle IC-komponenter og tilkoblinger utføres kun på overflaten av halvlederkrystallen. Skille tynn film(med en lagtykkelse på mindre enn 1 mikron) og tykk film med en filmtykkelse på mer enn en mikron. Tynnfilm-ICer er produsert ved termisk vakuumavsetning og katodisk sputtering, og tykkfilm-ICer er laget ved silketrykk med påfølgende avfyring av tilsetningsstoffer.

Hybrid IC-er består av "enkle" og "komplekse" komponenter plassert på et enkelt underlag. Halvleder- eller film-IC-krystaller brukes vanligvis som komplekse komponenter. De enkle inkluderer diskrete komponenter av elektronisk utstyr (transistorer, dioder, kondensatorer, induktorer, etc.). Alle disse komponentene er strukturelt plassert på et enkelt underlag, og elektriske forbindelser mellom dem er også laget på det. Dessuten danner ett substrat med komponentene plassert på det ett "lag" av hybrid-IC. Skille enkelt lag og flerlags hybrid IC-er. Flerlags hybrid IC er i stand til å utføre ganske komplekse signalbehandlingsfunksjoner. En slik mikrokrets tilsvarer i handling en "mikroblokk" av enheter, eller, hvis den er ment for uavhengig bruk, til handlingen til en "hel" blokk.

I tillegg vurderes eventuelle mikrokretser kvantitativt viserentelem deres vanskeligheter... Som en slik indikator brukes " grad integrering» k, lik desimallogaritmen av totalen N komponenter plassert på én halvlederkrystall, det vil si

k = lq N. (1)

I samsvar med formel (1) er alle mikrokretser delt inn i mikrokretser av 1., 2., tredje og så videre integrasjonsgrad. Graden av integrasjon karakteriserer bare indirekte kompleksiteten til mikrokretser, siden bare konstruktive integrering. Faktisk avhenger kompleksiteten til mikrokretsen også av antall sammenkoblinger mellom komponentene.

I ingeniørpraksis brukes en kvalitativ karakteristikk av kompleksiteten til mikrokretser i form av "liten", "middels", "stor" og "ekstra stor" IC.

Tabell 1.1 gir informasjon om den gjensidige samsvar mellom kvalitative og kvantitative mål på kompleksiteten til IS etter deres typer.

Tabell 1.1

IP-navn

Produksjonsteknologi

Antall komponenter på en brikke

Integrasjonsgrad k

Liten (IIA)

Digital

Bipolar

Unipolar

Analog

Bipolar

Gjennomsnittlig (SIS)

Digital

Bipolar

Unipolar

Analog

Bipolar

Unipolar

Large (LSI)

Digital

Bipolar

Unipolar

Analog

Bipolar

Unipolar

Ekstra stor (VLSI)

Digital

Bipolar

Unipolar

Mer enn 10 000

Analog

Bipolar

Unipolar

Fra analysen av tabell 1.1 følger det at sammenlignet med digitale IC-er har analoge mikrokretser med samme grad av integrasjon i sin sammensetning (på en halvlederkrystall) mer enn tre ganger, et mindre antall komponenter. Dette er fordi de aktive komponentene (transistorene) i en analog mikrokrets opererer i en lineær modus og sprer mer energi. Behovet for å fjerne varme generert av energispredning begrenser antall komponenter som kan plasseres på en enkelt brikke. I digitale mikrokretser fungerer aktive komponenter i en nøkkelmodus (transistorer er enten låst eller åpne og er i metningsmodus). I dette tilfellet er krafttapet ubetydelig, og mengden varme som genereres er også ubetydelig, og derfor kan antallet komponenter på brikken plasseres mer. (Dysstørrelser er standardiserte og begrensede.) Med unipolar teknologi er dysevolumet okkupert av en felteffekttransistor omtrent tre ganger mindre enn volumet okkupert av en bipolar transistor ( n- s- n eller s- n- s type). Dette forklarer det faktum at mer aktive komponenter kan plasseres på en krystall av standardstørrelser i en unipolar mikrokrets.

Av design avhengig av funksjonell kompleksitet, er mikroelektroniske enheter delt inn i:

på enkle mikrokretser (IC);

på mikromontasjer;

på mikroblokker.

IMS mikroelektronisk produkt produsert i enhetlig teknikkOgeologisk syklus, egnet for uavhengig bruk eller som en del av mer komplekse produkter (inkludert mikromontasjer og mikroblokker). Mikrokretser kan være pakkeløse og ha en individuell kasse som beskytter krystallen mot ytre påvirkninger.

Mikromontering et mikroelektronisk produkt som utfører en ganske kompleks funksjon (funksjoner) og består av elektroradiokomponenter og mikrokretser, produsert for miniatyrisering av elektronisk utstyr. I hovedsak er hybridmikrokretser mikrosammenstillinger. Den enkleste mikromontasjen kan for eksempel være et sett med mikromotstander laget på en halvlederkrystall og arrangert i en enkelt pakke (som en mikrokrets).

Mikroblokk er også et mikroelektronisk produkt, består av elektroniske komponenter og integrerte kretser og utfører en kompleks funksjon (funksjoner).

Som regel produseres mikromontasjer og mikroblokker i forskjellige teknologiske sykluser, og kanskje på forskjellige produksjonsanlegg.

Som klassifisering tekniske egenskaper ofte brukt strømforbruk(én mikrokrets) og fortthanfall.

Av strømforbruk alle IC-er kan deles inn i: en) micrOkraftig(mindre enn 10 mW); b) laveffekt(ikke mer enn 100 mW); v) gjennomsnittlig kraft(opptil 500 mW) og G) kraftig(mer eller = 0,5 W).

Av hastighet(maksimal tidsforsinkelse for signalutbredelse gjennom IC) mikrokretser er konvensjonelt delt inn i: en) ultrarask med grensefrekvens f koblingsutstyr over 100 MHz; b) høyhastighets ( f gr fra 50 MHz opptil 100 MHz); v) normal hastighet ( f gr fra 10 MHz opp til 50 MHz). I dette tilfellet er forplantningsforsinkelser i størrelsesorden noen få nanosekunder (10 -9 med.) opptil 0,1 mikrosekunder (1s = 10 -6 med.).

Digitale mikroelektroniske enheter, inkludert mikrokretser og andre diskrete enheter, er det praktisk å klassifisere på NS en avhengighet karakter utgangssignaler fra inngang. Som det er vanlig i teorien om endelige automater. I samsvar med denne funksjonen er det vanlig å dele alle enheter inn i kombinasjon og sekvensiell.

V kombinasjonsenheter verdiene til utgangssignalene til enhver tid bestemmes unikt av verdiene til inngangssignalene på samme tidspunkt. Derfor kan vi anta at driften av slike enheter ikke er avhengig av tid. De kalles også enheter "uten hukommelse», enkeltsyklus ensidige enheter eller enheter. I teorien om endelige automater kalles kombinasjonsenheter "primitive endelige automater".

V serielle enheter Verdiene til utgangssignalene (utgangssignalene) avhenger av verdiene til inngangssignalene, ikke bare på det aktuelle tidspunktet, men også på verdiene til inngangssignalene i de foregående øyeblikkene. Derfor kalles slike enheter enheter med " hukommelse», flersyklus enheter, men i teorien om endelige tilstandsmaskiner, rett og slett? statsmaskin(ikke trivielt).

Når man vurderer undervisningsmateriellet, i fremtiden, for hoved vi vil godta dette klassifisering, fordi byggemetoder(syntese) og funksjonsprosessene til de navngitte enhetene vesentlig forskjelligener.

Etter å ha fullført presentasjonen av klassifiseringsproblemer, merker vi at den gitte listen over klassifiseringsfunksjoner og listen over navn på mikroelektroniske produkter (mikrokretser) er langt fra uttømmende. I fremtiden, etter behov, vil vi supplere denne listen.

1.3. Logiske porter

Logiske porter referer til den enkleste kombinasjonen "enheter" med én utgang og én eller to innganger. De har fått navnet sitt av den grunn at deres funksjon kan beskrives fullt ut. logiske funksjoner og spesielt boolske funksjoner.

Som i formell logikk kan alle utsagn være sanne eller usanne, og logiske funksjoner kan bare ha to betingede verdier: logisk enhet (log.1) "true" og logisk null (log.0) "false".

Når du beskriver driften av logiske elementer utgangssignaler legge inn en en-til-en korrespondanse funksjoner, a inngangssignaler argumenter disse funksjonene. Dermed er både funksjoner og funksjonsargumenter, samt inngangs- og utgangssignaler til logiske porter binære. Hvis vi neglisjerer den sanne tiden for overgangen til et logisk element fra en tilstand (tilstand log.1) til en annen (tilstand log.0), så vil verken argumentene eller funksjonen avhenge av tidsfaktoren til tidsvariabelen. Reglene for å oppnå og transformere logiske uttrykk vurderes algebra av logikk eller boolsk algebra.

Lignende dokumenter

    Målene med kurset er å studere kretsgrunnlaget til moderne datamaskiner, datasystemer og nettverk. De viktigste generasjonene av utviklingen av datamaskinkretser. Analoge og diskrete elementer. Metoder for å presentere digital informasjon, typer koding.

    foredrag lagt til 17.02.2011

    Mikroelektronikk er en uavhengig vitenskapelig, teknisk, teknologisk retning, historiske stadier. Digitale integrerte kretser: logisk grunnlag, signalkoding, klassifisering; utvikling, produksjon, utvikling og applikasjonsutsikter.

    opplæring, lagt til 11/11/2010

    De viktigste fordelene med digitale kommunikasjonssystemer sammenlignet med analoge. Prinsipper for drift av diskrete enheter, funksjoner i deres konstruksjon. Pulsgeneratorenhet, syntese av teller, multiplekser og dekoder. Utvikling av en asynkron maskin.

    semesteroppgave, lagt til 21.11.2012

    Funksjoner av fiberoptiske overføringssystemer. Valg av blokkskjema over digital FOTS. Utvikling av terminalstasjonen til kommunikasjonssystemet, AIM-modulatorer. Prinsipper for konstruksjon av kodings- og dekodingsenheter. Beregning av hovedparametrene til den lineære banen.

    avhandling, lagt til 20.10.2011

    Integrerte mikrokretser: informasjon, klassifisering, konvensjonell grafisk betegnelse, merking. Forklaring for mikrokretser, grunnleggende elektriske parametere, grunnleggende logiske elementer. Registre, tellere, dekodere, triggere, beskyttelsesenheter.

    foredrag lagt til 20.01.2010

    Integrerte mikrokretser, signaler. Klokkesyklusen til en digital enhet. Merking av russiskproduserte digitale mikrokretser. Grunnlag for produksjon av digitale integrerte kretser. Typer digitale integrerte kretser. Sentral prosessorkrets.

    presentasjon lagt til 24.04.2016

    Egenskaper og omfang av signaler i digitale prosesseringssystemer. Spesialisert digital signalprosessor SPF SM: utviklere og historie, struktur og egenskaper, omfang, algoritmer og programvare.

    semesteroppgave, lagt til 12.06.2010

    Integrerte mikrokretser. Substrater av tykkfilmsmikrokretser. Tykkfilmledere og motstander. Grunnleggende egenskaper til resistive filmer. Resistiviteten til en kontinuerlig tykk film. Overføring av elektrisk strøm gjennom en tykkfilmstruktur.

    sammendrag, lagt til 01.06.2009

    Maskinvareprinsipper for konstruksjon av mikroprosessorenheter og tilegnelse av praktiske ferdigheter i utvikling av mikroprosessorsystemer. Tekniske egenskaper for ATmega-mikroprosessoren og analyse av minnebrikken. Mikroprosessorsystemdiagram.

    semesteroppgave, lagt til 19.11.2011

    Digital signalbehandling og dens bruk i talegjenkjenningssystemer, diskrete signaler og metoder for deres transformasjon, grunnleggende om digital filtrering. Implementering av talegjenkjenningssystemer, homomorf talebehandling, opptak og avspillingsgrensesnitt.

Tomsk interuniversitetssenter for fjernundervisning

A.V. Sharapov

MIKROELEKTRONIKK

DIGITALT ORDNING

Opplæringen

T Q 1

overganger

& D 3

TOMSK - 2007

Anmelder: Leder. Institutt for industriell og medisinsk elektronikk, Tomsk Polytechnic University, Dr. Tech. Vitenskaper, prof. G.S. Evtushenko; Avdelingsleder, FGUP PTs Polyus, Dr. Tech. Sciences Yu.M. Kazantsev

Korrekturleser: L.K. Tarasova

A.V. Sharapov

Mikroelektronikk: Lærebok. - Tomsk: Tomsk Interuniversity Centre for Distance Education, 2007. - 158 s.

Prinsippene for konstruksjon og funksjon av logiske elementer, dekodere, multipleksere, addere, digitale komparatorer, flip-flops, tellere, registre, minnemikrokretser er oppgitt. Eksempler på syntese av digitale enheter av kombinasjonstype og digitale automater vurderes.

Håndboken er beregnet på studenter ved høyere utdanningsinstitusjoner i den radioelektroniske profilen og inneholder korte forelesningsnotater, eksempler på problemløsning og en datalaboratoriepraksis på digitale kretser. Fjernundervisningsstudenter gjennomfører to laboratoriearbeid, en datatest og tar en dataeksamen.

Sharapov A.V., 2007 Tomsk Interuniversity Center

fjernundervisning, 2007

1. Introduksjon............................................... ...................................................

2 Grunnleggende begreper om mikroelektronikk ...................................

Typer signaler ................................................... ...................................

Klassifisering av mikrokretser og deres symboler ...

3 Matematisk grunnlag for digital elektronikk .................

Posisjonsnummersystemer ........................................

Sannhetstabell ................................................... ................

Perfekt disjunktiv normalform ...............

Grunnleggende lover for boolsk algebra .........................................

Venn-diagrammer ................................................... ...................

Karnaugh-kart ................................................... ............................

Stadier av syntese av en digital enhet ...................................

Eksempler på syntese av digitale enheter ................................

Flertallets logiske element .....................................

4 Grunnleggende logiske porter ................................................... ....

Klassifisering av logiske elementer ...................................

Grunnleggende element i TTL ........................................................ ...............

Logisk utvidelse ................................................ .......

Åpent samleelement ...........................................

Element med Z-tilstand ved utgangen .........................................

Grunnleggende element TTLSh ................................................... ..........

Grunnleggende ordning for ESL ........................................................ ...................

Grunnleggende elementer i CMOS ......................................................... ..........

4.10 Grunnleggende egenskaper ved logiske elementer ............

4.11 Eksempler på mikrokretser av logiske elementer ........................

4.12 Mikrokretser basert på galliumarsenid .............................

5 Digitale enheter av kombinasjonstype ...................

Scrambler ................................................... ...................................

Dekoder ................................................... ............................

Binære til BCD-konverterere,

og vice versa............................................... ...................................

Dekoder for syv-segments kontroll

indikator ................................................... ................................

Gråkodekonverterere ................................................... .....

Multiplekser ................................................... ............................

Implementering av funksjoner ved hjelp av en multiplekser ..............

Binær adderer ................................................... ...............

BCD adder ........................................................

Subtraksjonsskjemaer ................................................... ..................

Direkte til tilleggskodeomformer ...........

Digital komparator ................................................... ..........

Paritet ................................................. ...............

Eksempler på å konstruere kombinasjonsdigital

enheter ................................................... ...................................

6 digitale enheter av seriell type ............

Triggerklassifisering ................................................... ......

Asynkron RS-utløser ......................................................... .......

Klokket RS-utløser ................................................... ........

D-triggere ................................................... ................................

T-trigger ................................................... ...................................

JK Trigger ................................................... . ................................

Klassifisering av målere ................................................... .......

Asynkron binær teller .........................................

Asynkron BCD-teller ...........................

Synkron binær teller .........................................

Reversible tellere ................................................... ..........

Tellere med en vilkårlig tellemodul ...........................

Skiftregistre ................................................... ...................

Minneregistre ................................................... ...................

Universelle registre ................................................... .....

Ringeregister ................................................... ................

Ringeteller ................................................... ................

Tellere på skiftregistre .........................................

Eksempler på å bygge digitale enheter

sekvensiell type ...................................................

7 Halvlederminneenheter ...............

Klassifisering av lagringsenheter .........................

Mask ROM ................................................. ............

Engangsprogrammerbare ROM-er ...................................

Flash ROM ...................................................

Statisk RAM ..................................................... .........

Dynamisk RAM ..................................................... .....

Eksempler på minnebrikker ........................................................ ....

Organisering av minneblokken ................................................... .. ....

8 Eksempler på problemløsning ........................................................ ...........

9 Dataverksted om digitale kretser ...

10 Alternativer for kreative oppgaver ..........................................

11 Et eksempel på å utføre en kreativ oppgave ..........................

Litteraturliste................................................. .....................

Applikasjon. Grafiske symboler

mikrokretser ................................................... ...................................

1. INTRODUKSJON

Elektronikk er en del av vitenskap og teknologi som omhandler:

- studiet av fysiske fenomener og utviklingen av enheter, hvis handling er basert på strømmen av elektrisk strøm i et fast stoff, vakuum eller gass;

– studiet av de elektriske egenskapene, egenskapene og parametrene til de navngitte enhetene;

– praktisk anvendelse av disse enhetene i ulike enheter og systemer.

Den første av disse retningene er området fysisk elektronikk... Den andre og tredje retningen utgjør området teknisk elektronikk.

Kretsløp av elektroniske enheter er en teknisk utførelse av prinsippene for elektronikk for praktisk implementering av elektroniske kretser designet for å utføre spesifikke funksjoner for å generere, konvertere og lagre informasjonsbærende signaler i lavstrømselektronikk og funksjoner for å konvertere elektrisk strømenergi i høystrømselektronikk.

Historisk sett var elektronikk et resultat av fremveksten og den raske utviklingen av radioteknikk. Radioteknikk er definert som et felt innen vitenskap og teknologi som er engasjert i forskning, utvikling, produksjon og bruk av enheter og systemer designet for å overføre informasjon overer.

I hjertet av radioteknikk er vitenskapelige oppdagelser fra det 19. århundre: arbeidet til M. Faraday (engelsk), som klargjorde lovene for samspillet mellom elektriske og magnetiske felt; J. Maxwell (engelsk), som generaliserte elektromagnetismens elementære lover og skapte et system av ligninger som beskriver det elektromagnetiske feltet. J. Maxwell forutså teoretisk en ny type elektromagnetiske fenomener – elektromagnetiske bølger som forplanter seg i verdensrommet med lysets hastighet. G. Hertz (tysk) bekreftet eksperimentelt eksistensen av elektromagnetiske bølger.

Den første radiomottakeren ble oppfunnet, designet og vellykket testet i 1895 av A.S. Popov (russisk). Et år senere ble radiokommunikasjon utført av G. Marconi (italiener), som patenterte oppfinnelsen hans og ble nobelprisvinner i 1909.

MED siden den gang har utviklingen av radioteknikk vært bestemt av utviklingen

henne elementbase, som hovedsakelig bestemmes av prestasjoner av elektronikk. Det er interessant å kort følge hovedstadiene i utviklingen av elementbasen.

Den enkleste elektroniske enheten - en vakuumdiode - ble oppfunnet av T. Edisson (Amer.) I 1883, som monterte en metallelektrode i pæren til en elektrisk glødelampe og registrerte strømmen i én retning i den eksterne kretsen. I 1904 var J. Flemming den første som brukte en vakuumdiode som detektor i en radiomottaker. En forsterkende elektrovakuumanordning - en triode - ble oppfunnet av Louis de Forest (amer.) i 1906. Siden den gang, i løpet av første kvartal av det tjuende århundre, i en rekke vitenskapelige laboratorier i mange land i verden, har elektrovakuumteknologiene enheter har sakte modnet. I Russland ble denne retningen ledet av sjefen for Nizhny Novgorod-laboratoriet M.A. Bonch-Bruevich. Allerede i 1922 bygde de ansatte ved dette laboratoriet det første

v verdenskringkastingsstasjonen. Komintern med en kapasitet på 12 kW. Og i 1927 ble 57 slike stasjoner bygget. I 1925 ble det laget en 100 kW generatorlampe. I 1933 ble den kraftigste radiostasjonen i verden (500 kW) satt i drift i Russland. Den første fjernsynssenderen med en effekt på 15 kW ble satt i drift i Moskva i 1948. A.I. Berg inn 1927-1929 skapte den klassiske teorien om sendere. V.A. Kotelnikov i perioden fra 1933 til 1946. teoremet om tidskvantisering er bevist, som la grunnlaget for digitale metoder for signalbehandling, muligheten for radiokommunikasjon på ett sidebånd vises, og teorien om potensiell støyimmunitet publiseres.

Perioden fra 1920 til 1955 var rørelektronikkens epoke. Den første halvledertrioden - transistoren - skapte

v 1948 J. Bardin og W. Brattain (amer.). Siden 1955 begynner epoken med halvlederelektronikk. De første integrerte kretsene dukket opp i 1960-tallet. Den første mikroprosessoren dateres tilbake til 1971.

V 1998 feiret transistoren et halvt århundres jubileum:

v Den siste dagen i juni 1948 demonstrerte det amerikanske selskapet Bell telefon laboratoris for publikum en nyoppfunnet elektronisk enhet, som New York Times kunngjorde neste dag tilfeldig og uten patos: «Arbeidselementene til enheten består av to tynne ledninger presset mot et stykke halvledersubstans .. Stoffet forsterker strømmen som tilføres det gjennom en ledning, og den andre ledningen fjerner den forsterkede strømmen. En enhet kalt en "transistor" kan i noen tilfeller brukes i stedet for vakuumrør."

Ja, det er akkurat slik den første transistoren så ut, og det er ikke overraskende at selv eksperter ikke umiddelbart var i stand til å skjelne dens triumferende fremtid. I mellomtiden kan den presenterte enheten forsterke og generere elektriske signaler, samt utføre funksjonen til en nøkkel som, etter kommando, åpner eller lukker en elektrisk krets. Og det som er grunnleggende viktig, alt dette ble utført inne i en solid krystall, og ikke i et vakuum, som det skjer i et elektronrør. Et helt sett med potensielle fordeler med transistoren fulgte av dette: små dimensjoner, mekanisk styrke, høy pålitelighet, hovedsakelig ubegrenset holdbarhet. Etter tre til fire år, da betydelig mer avanserte transistordesigner ble utviklet, begynte alle disse forventede fordelene å bli en realitet.

Æren for oppdagelsen av transistoreffekten, som Nobelprisen i fysikk ble tildelt for i 1956, tilhører W. Shockley, J. Bardeen, W. Brattain. Det er karakteristisk at alle tre var strålende fysikere som målrettet gikk mot denne oppdagelsen. Shockley, lederen av forskningsgruppen, selv i førkrigsårene, foreleste om kvanteteorien om halvledere og utarbeidet en grunnleggende monografi, som i lang tid ble en oppslagsbok for spesialister på dette feltet. Bardeens høyeste kvalifikasjon som teoretisk fysiker ble bekreftet ikke bare av oppfinnelsen av transistoren og forutsigelsen av en rekke effekter i oppførselen til halvledere, men også av det faktum at han senere, i 1972, sammen med to andre forskere, ble tildelt Nobelprisen på nytt - nå for opprettelsen av teorien om superledning. Brattain, den eldste i gruppen, på tidspunktet for oppfinnelsen

transistor hadde femten års erfaring med å forske på overflateegenskapene til halvledere.

Selv om selve oppdagelsen av transistoreffekten til en viss grad var en lykkelig ulykke (på dagens språk prøvde de å lage en felteffekttransistor, og laget en bipolar), gjorde den teoretiske opplæringen til forskerne dem til å realisere oppdagelsen nesten umiddelbart og forutsi en rekke mye mer avanserte enheter. Med andre ord, etableringen av transistoren viste seg å være innenfor makten til bare fysikere, som av nødvendighet også hadde et minimum av oppfinnsomme ferdigheter.

I vårt land ble transistoren reprodusert i 1949 i Fryazino-laboratoriet ledet av A.V. Krasilov, en fremtredende vitenskapsmann med den bredeste lærdommen.

De første transistorene ble laget på grunnlag av germanium-halvlederen og tillot en driftstemperatur på bare opp til 70 ° C, og dette var ikke nok i mange anvendte problemer.

I andre halvdel av femtitallet skjedde et avgjørende kvalitativt sprang i utviklingen av transistorer: i stedet for germanium begynte de å bruke en annen halvleder - silisium. Som et resultat økte driftstemperaturen til transistorene til 120–150 ° C, mens egenskapene deres forble svært stabile, og enhetenes levetid ble nesten uendelig. Men, kanskje, hovedsaken var at det amerikanske firmaet «Firechild» i 1959 utviklet den s.k. plan teknologi. Hovedpoenget her var at den tynneste silisiumdioksidfilmen dyrket ved høy temperatur på krystalloverflaten på en pålitelig måte beskytter silisium mot aggressive påvirkninger og er en utmerket isolator. I denne filmen skapes "vinduer" som, også ved høye temperaturer, introduseres dopanter i halvlederen - slik lages fragmentene av den fremtidige enheten. Deretter sprayes tynnfilmaluminiumstrømledninger til de aktive sonene på overflaten isolert fra volumet, og transistoren er klar. Det særegne ved prosessen er at alle handlinger på platen utføres i ett plan og at samtidig behandling av tusenvis og millioner av

transistorer på en wafer, og dette fører til høyeste grad av reproduserbarhet av produkter og høy ytelse.

Ved hjelp av planteknologi er det enkelt å sikre isolasjon av transistorer fra underlaget og fra hverandre, og herfra er det bare et skritt til å lage integrert krets(mikrokretser), det vil si opprettet

elektronisk krets med aktive og passive komponenter og deres forbindelser på en enkelt brikke i en enkelt teknologisk prosess. Dette trinnet ble tatt i samme 1959. Verden har gått inn i en æra mikroelektronikk.

En typisk mikrokrets er en silisiumkrystall (brikke), i området nær overflaten som en rekke transistorer er laget av, sammenkoblet av aluminiumsfilmspor i en forhåndsbestemt elektrisk krets. I den første mikrokretsen besto "settet" av bare 12 transistorer, men etter to år oversteg integrasjonsnivået hundre elementer på en brikke, og på midten av 60-tallet begynte store integrerte kretser (LSI) å dominere, og inneholdt tusenvis av elementer, deretter ekstra stor (VLSI), etc.

Mikrokretsen har jo større informasjonskraft, jo flere transistorer den inneholder, det vil si jo høyere integrasjonstetthet(pakketetthet av aktive elementer i en krystall). Og det bestemmes av minimumsdimensjonene til det aktive elementet og området til krystallen som teknologien kan reprodusere.

Det grunnleggende dekket i denne opplæringen digitale kretser danne kretsferdigheter for å bygge digitale enheter basert på integrerte kretser. Prinsippet for drift av de enkleste logiske elementene og designmetoder basert på dem studeres for kodeomformere, addere, digitale brytere, triggere, registre, tellere og minnemikrokretser. Du kan sjekke driften av mange enheter ved datasimulering ved å bruke Electronics Workbench-pakken.

Den anbefalte bibliografien inkluderer først og fremst oppslagsverk om digitale integrerte kretsløp. Fra andre kilder som er brukt i denne læreboken, vil jeg notere arbeidet til TUSUR-lektorene Potekhin V.A. og Shibaeva A.A. , som forfatteren uttrykker sin oppriktige takknemlighet til.

25. april 2010 klokken 16:16

Uavhengig studie av kretsløp. Enkle konsepter. Del 1

  • Elektronikk for nybegynnere

Studiet av digitale kretser må begynne med teorien om automater. I denne artikkelen kan du finne noen grunnleggende ting som vil hjelpe deg å ikke gå deg vill i flere artikler. Jeg har forsøkt å gjøre artikkelen lett å lese, og jeg er sikker på at en uforberedt leser vil være i stand til å forstå den lett.


Signal- en vesentlig informasjonsbærer som brukes til å overføre meldinger over et kommunikasjonssystem. Et signal, i motsetning til en melding, kan genereres, men mottak er ikke nødvendig (meldingen må mottas av mottakersiden, ellers er det ikke en melding, men bare et signal).

Artikkelen diskuterer et digitalt diskret signal. Dette er et signal som har flere nivåer. Det er klart at et binært signal har to nivåer - og de tas som 0 og 1. Når et høyt nivå er merket med én, og et lavt med null, kalles denne logikken positiv, ellers negativ.

Det digitale signalet kan representeres som et tidsdiagram.

I naturen eksisterer ikke diskrete signaler; derfor erstattes de av analoge signaler. Et analogt signal kan ikke gå fra 0 til 1 umiddelbart; derfor har et slikt signal en kant og en cutoff.
For å tegne det forenklet, ser det slik ut:

1 - lavt signalnivå, 2 - høyt signalnivå, 3 - signalstigning (foran), 4 - signalfall (kutt)

Signaler kan konverteres. Til dette brukes i praksis logiske elementer, og for å skrive dette formelt brukes logiske funksjoner. Her er de viktigste:

Negasjon - inverterer signalet.
Diagrammene er indikert som følger:

Logisk ELLER (logisk addisjon, disjunksjon)

I diagrammet:

Logisk OG (logisk multiplikasjon, konjunksjon)

I diagrammet:

De to siste kan ha negativ utgang (AND-NOT, OR-NOT). Verdiene til deres logiske funksjoner er invertert, og på diagrammet er utgangen tegnet med en sirkel.

Sammendragstabellen over logiske funksjoner til to argumenter ser slik ut:

Arbeid med logiske funksjoner er basert på lovene til logikkens algebra, hvor det grunnleggende er beskrevet i den vedlagte filen. Det er også oppgaver for selvkontroll og kontrollspørsmål om temaet.

Designe logiske kretser med logiske algebrafunksjoner

Logisk diagram kalles et sett med logiske elektroniske elementer koblet sammen på en slik måte at en gitt lov for kretsens virkemåte er oppfylt, med andre ord, en gitt logisk funksjon er oppfylt.
I henhold til avhengigheten av utgangssignalet på inngangssignalet, kan alle elektroniske logiske kretser deles betinget inn i:

Ordninger av den første typen, dvs. kombinasjonskretser, hvis utgangssignal kun avhenger av tilstanden til inngangssignalene i hvert øyeblikk;

Ordninger av den andre typen eller akkumulerende kretser(ordninger sekvensiell) som inneholder akkumulerende kretser ( elementer med minne), hvis utgangssignal avhenger både av inngangssignalene og av tilstanden til kretsen ved tidligere tider.

Etter antall innganger og utganger er skjemaer: med én inngang og én utgang, med flere innganger og én utgang, med én inngang og flere utganger, med flere innganger og utganger.

I henhold til metoden for synkronisering er ordningene med ekstern synkronisering (synkrone maskiner), med intern synkronisering(Asynkrone maskiner er et spesialtilfelle av dem).

Nesten hvilken som helst datamaskin består av en kombinasjon av kretser av den første og andre typen med varierende kompleksitet. Derfor er grunnlaget for enhver digital automat som behandler digital informasjon elektroniske elementer av to typer: hjernetrim eller kombinasjon og memorering... Logiske elementer utfører de enkleste logiske operasjonene på digital informasjon, og lagringselementer brukes til å lagre den. Som du vet, består en logisk operasjon i å konvertere digital informasjon til utdata i henhold til visse regler.

Vi kan anta at elementære logiske funksjoner er logiske operatorer av de nevnte elektroniske elementene, dvs. ordninger. Hvert slikt opplegg er indikert med et bestemt grafisk symbol. (De ble presentert ovenfor - Elementer AND, OR, NOT, OR-NOT, AND-NOT)

Som et eksempel er det følgende et elektrisk funksjonsdiagram av en logisk omformer (kombinasjonal automat) som implementerer en logisk funksjon i et elementært grunnlag av logiske elementer OG, ELLER, IKKE.

For konsolidering foreslår jeg å uavhengig syntetisere en logisk krets som implementerer følgende logiske funksjoner:

Dette kan for eksempel gjøres i den elektroniske arbeidsbenken.

Her er et eksempel på den første fullførte oppgaven:

"DIGITAL SCHEME ENGINEERING"

KHARKOV 2006

Forord

1 LOGISKE OG SJEMISKE GRUNNLAG FOR DIGITAL MIKREKRETSINGENIERING

1.2 Logiske porter

1.3 Grunnleggende lover for logisk algebra

1.4 Disjunktive normalformer

1.5 Minimere boolske funksjoner

1.6 Syntese av kombinerte logiske kretser

2 KOMBINASJONSDIAGRAMMER

2.1 Generelle bestemmelser

2.2 Dekodere

2.3 Scramblere

2.4 Demultipleksere

2.5 Multipleksere

2.6 Aritmetiske enheter

3 UTLØSENDE ENHETER

3.1 Grunnleggende begreper

3.2 Asynkron RS flip-flop

3.3 Synkrone triggere

4 REGISTRE

4.1 Generell informasjon om registre

4.2 Minneregistre

4.3 Skiftregistre

4.4 Reversible registre

4.5 Generelle formålsregistre

5 TELLER

5.1 Generell informasjon om tellere

5.2 Tellere med sekvensiell bæring

5.3 Parallelle overføringstellere

5.4 Vendbare tellere

5,5 meter med en vilkårlig tellefaktor som ikke er lik 2n

LISTE OVER BRUKT LITTERATUR

FORORD

Denne metodiske håndboken inneholder informasjon som gir studiet av disipliner:

- "Digitale kretser" for studenter med spesialitet 5.091504 (vedlikehold av datamaskiner og intelligente systemer og nettverk);

- "Microcircuitry" for studenter med spesialitet 5.090805 (Design, produksjon og vedlikehold av elektroniske produkter);

- "Elektroniske enheter og mikroelektronikk" for studenter av spesialiteten 5.090704 (Design, produksjon og vedlikehold av radiotekniske enheter).

Materialet som presenteres i dette arbeidet er ment å gjøre studentene kjent med det grunnleggende om moderne digitale mikrokretsløp og inkluderer hovedtyper av digitale enheter, som er mye brukt både som uavhengige produkter i form av mikrokretser med liten og middels grad av integrasjon, og som del av mikrokretser med høy grad av integrasjon: mikroprosessorer og mikrokontrollere.

Håndboken består av fem deler:

Logikk og grunnleggende kretsløp for digital mikrokrets,

Kombinasjonsordninger,

Utløser enheter,

registre,

Tellere.

Presentasjonen av materialet er strukturert på en slik måte at den konsekvent "fra enkel til kompleks" presenterer de grunnleggende teoretiske prinsippene for analyse og syntese av digitale enheter. Hver seksjon inneholder underseksjoner som gir informasjon om den konvensjonelle grafiske betegnelsen til enheten som studeres, dens operasjonstabell, funksjonelle eller skjematiske diagram og tidsdiagrammer for drift der det er nødvendig. Hver av ordningene er gitt en detaljert beskrivelse av logikken i driften på en slik måte at hver student vil mestre prinsippene for å analysere driften av digitale kretser og tilegne seg de nødvendige ferdighetene. Hvert av diagrammene ovenfor er typiske for denne enheten. Dette utelukker ikke en annen kretsimplementering.

Grunnleggende konsepter, definisjoner, regler er uthevet med "fet" type for å gjøre mestring av emnet mer praktisk og visuell.

Tatt i betraktning at presentasjonen av materialet utføres i stigende rekkefølge av kompleksiteten til de studerte digitale enhetene og at hvert påfølgende emne er basert på materialet til det forrige, er det tilrådelig å bruke denne metodologiske veiledningen i rekkefølgen der de tilsvarende seksjoner er plassert.

Denne håndboken er nyttig ikke bare når du studerer det teoretiske grunnlaget for digital mikrokrets, men også som forberedelse til laboratoriearbeid, hvis formål er å utdype kunnskap og tilegne seg praktiske ferdigheter i å sette sammen og feilsøke digitale enheter. Manualen kan brukes til selvstudium, samt kurs- og diplomdesign.

1 LOGISKE og skjematiske GRUNNLAG FOR DIGITAL MIKREKRETSINGENIERING

1.1 Grunnleggende begreper i logisk algebra

Logikk er vitenskapen om lover og former for tenkning.

Matematisk logikk er vitenskapen om å bruke matematiske metoder for å løse logiske problemer.

Alle digitale dataenheter er bygget på elementer som utfører visse logiske operasjoner. Noen elementer gir behandling av binære symboler som representerer digital eller annen informasjon, andre - vekslingskanaler som informasjon overføres gjennom, og til slutt, den tredje - kontroll, aktivering av ulike handlinger og implementering av betingelsene for implementering.

Elektriske signaler som virker ved inngangene og utgangene til disse elementene har som regel to forskjellige nivåer og kan derfor representeres av binære symboler, for eksempel 1 eller 0. La oss bli enige om å betegne forekomsten av en hendelse (for eksempel, tilstedeværelsen av et høyt spenningsnivå -eller punkt på kretsen) symbol 1. Dette symbolet kalles en logisk enhet. Fraværet av en hendelse vil bli merket med symbolet 0, kalt en logisk null.

Dermed blir hvert signal ved inngangen eller utgangen til et binært element tildelt en logisk variabel, som bare kan ha to verdier: tilstanden til den logiske enheten (hendelsen er sann) og tilstanden til den logiske null (hendelsen er usann) ). Disse variablene kalles Boolean etter den engelske matematikeren J. Boole, som på 1800-tallet utviklet de grunnleggende prinsippene for matematisk logikk. La oss betegne en logisk variabel med symbolet x.

Ulike boolske variabler kan kobles sammen med funksjonelle avhengigheter. For eksempel indikerer uttrykket y = f (x1, x2) den funksjonelle avhengigheten til den logiske variabelen y av de logiske variablene x1 og x2, kalt argumenter eller inngangsvariabler.

Enhver logisk funksjon kan alltid representeres som en samling av de enkleste logiske operasjonene. Slike operasjoner inkluderer:

Negasjon ("IKKE" operasjon);

Logisk multiplikasjon (konjunksjon, "AND" operasjon);

Logisk addisjon (disjunksjon, "ELLER"-operasjon).

Negasjon ("NOT"-operasjon) er en logisk forbindelse mellom den logiske inngangsvariabelen x og den logiske utgangsvariabelen y, der y er sann bare når x er usann, og omvendt, y er falsk bare når x er sann. La oss skildre denne funksjonelle avhengigheten i form av tabell 1.1, som kalles sannhetstabellen.

En sannhetstabell er en tabell som viser samsvaret mellom alle mulige kombinasjoner av binære argumentverdier til verdiene til en logisk funksjon.

Tabell 1.1- Sannhetstabell for "NOT"-operasjonen

x y
0 1
1 0

En logisk funksjon IKKE av en variabel y skrives som y =

og det står "y har ikke x". Hvis for eksempel x er et utsagn om tilstedeværelsen av et høynivåsignal (logisk en), så tilsvarer y utsagnet om tilstedeværelsen av et lavnivåsignal (logisk null).

Logisk multiplikasjon (konjunksjon, "AND"-operasjon) er en funksjon som bare er sann når alle variablene som multipliseres er sanne samtidig. Sannhetstabellen for den logiske multiplikasjonsoperasjonen tilsvarer tabell 1.2.

Tabell 1.2- Sannhetstabell for operasjonen av logisk multiplikasjon

x2 x1 y
0 0 0
0 1 0
1 0 0
1 1 1

OG-operasjonen er indikert med en prikk (). Noen ganger er poenget underforstått. For eksempel er "AND"-operasjonen mellom to variabler x1 og x2 betegnet som y = x1 x2.

Logisk addisjon (disjunksjon, "ELLER"-operasjon) er en funksjon som er falsk bare når alle termene til variablene er falske samtidig. Sannhetstabellen for den logiske addisjonsoperasjonen tilsvarer tabell 1.3. "ELLER"-operasjonen er angitt med tegnet V. For eksempel, y = x1 V x2.

Tabell 1.3 - Sannhetstabell for den logiske addisjonsoperasjonen

Studiet av digitale kretser må begynne med teorien om automater. I denne artikkelen kan du finne noen grunnleggende ting som vil hjelpe deg å ikke gå deg vill i flere artikler. Jeg har forsøkt å gjøre artikkelen lett å lese, og jeg er sikker på at en uforberedt leser vil være i stand til å forstå den lett.


Signal- en vesentlig informasjonsbærer som brukes til å overføre meldinger over et kommunikasjonssystem. Et signal, i motsetning til en melding, kan genereres, men mottak er ikke nødvendig (meldingen må mottas av mottakersiden, ellers er det ikke en melding, men bare et signal).

Artikkelen diskuterer et digitalt diskret signal. Dette er et signal som har flere nivåer. Det er klart at et binært signal har to nivåer - og de tas som 0 og 1. Når et høyt nivå er merket med én, og et lavt med null, kalles denne logikken positiv, ellers negativ.

Det digitale signalet kan representeres som et tidsdiagram.

I naturen eksisterer ikke diskrete signaler; derfor erstattes de av analoge signaler. Et analogt signal kan ikke gå fra 0 til 1 umiddelbart; derfor har et slikt signal en kant og en cutoff.
For å tegne det forenklet, ser det slik ut:

1 - lavt signalnivå, 2 - høyt signalnivå, 3 - signalstigning (foran), 4 - signalfall (kutt)

Signaler kan konverteres. Til dette brukes i praksis logiske elementer, og for å skrive dette formelt brukes logiske funksjoner. Her er de viktigste:

Negasjon - inverterer signalet.
Diagrammene er indikert som følger:

Logisk ELLER (logisk addisjon, disjunksjon)

I diagrammet:

Logisk OG (logisk multiplikasjon, konjunksjon)

I diagrammet:

De to siste kan ha negativ utgang (AND-NOT, OR-NOT). Verdiene til deres logiske funksjoner er invertert, og på diagrammet er utgangen tegnet med en sirkel.

Sammendragstabellen over logiske funksjoner til to argumenter ser slik ut:

Arbeid med logiske funksjoner er basert på lovene til logikkens algebra, hvor det grunnleggende er beskrevet i den vedlagte filen. Det er også oppgaver for selvkontroll og kontrollspørsmål om temaet.

Designe logiske kretser med logiske algebrafunksjoner

Logisk diagram kalles et sett med logiske elektroniske elementer koblet sammen på en slik måte at en gitt lov for kretsens virkemåte er oppfylt, med andre ord, en gitt logisk funksjon er oppfylt.
I henhold til avhengigheten av utgangssignalet på inngangssignalet, kan alle elektroniske logiske kretser deles betinget inn i:

Ordninger av den første typen, dvs. kombinasjonskretser, hvis utgangssignal kun avhenger av tilstanden til inngangssignalene i hvert øyeblikk;

Ordninger av den andre typen eller akkumulerende kretser(ordninger sekvensiell) som inneholder akkumulerende kretser ( elementer med minne), hvis utgangssignal avhenger både av inngangssignalene og av tilstanden til kretsen ved tidligere tider.

Etter antall innganger og utganger er skjemaer: med én inngang og én utgang, med flere innganger og én utgang, med én inngang og flere utganger, med flere innganger og utganger.

I henhold til metoden for synkronisering er ordningene med ekstern synkronisering (synkrone maskiner), med intern synkronisering(Asynkrone maskiner er et spesialtilfelle av dem).

Nesten hvilken som helst datamaskin består av en kombinasjon av kretser av den første og andre typen med varierende kompleksitet. Derfor er grunnlaget for enhver digital automat som behandler digital informasjon elektroniske elementer av to typer: hjernetrim eller kombinasjon og memorering... Logiske elementer utfører de enkleste logiske operasjonene på digital informasjon, og lagringselementer brukes til å lagre den. Som du vet, består en logisk operasjon i å konvertere digital informasjon til utdata i henhold til visse regler.

Vi kan anta at elementære logiske funksjoner er logiske operatorer av de nevnte elektroniske elementene, dvs. ordninger. Hvert slikt opplegg er indikert med et bestemt grafisk symbol. (De ble presentert ovenfor - Elementer AND, OR, NOT, OR-NOT, AND-NOT)

Som et eksempel er det følgende et elektrisk funksjonsdiagram av en logisk omformer (kombinasjonal automat) som implementerer en logisk funksjon i et elementært grunnlag av logiske elementer OG, ELLER, IKKE.

For konsolidering foreslår jeg å uavhengig syntetisere en logisk krets som implementerer følgende logiske funksjoner:

Dette kan for eksempel gjøres i den elektroniske arbeidsbenken.

Her er et eksempel på den første fullførte oppgaven:



© Copyright 2017, https://qzoreteam.ru