Применение комбинационных микросхем. Дешифраторы и шифраторы

Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники

Кафедра РЭС

Реферат

На тему:

«Применение комбинационных микросхем. Дешифраторы и шифраторы»

Минск, 2009

Комбинационные микросхемы выполняют более сложные функции, чем простые логические элементы. Их входы объединены в функциональные группы и не являются полностью взаимозаменяемыми.

Например, любые два входа ЛЭ И-НЕ можно поменять местами, от этого выходной сигнал никак не изменится, а для комбинационных микросхем это невозможно, так как у каждого входа своя особая функция.

Объединяет комбинационные микросхемы с ЛЭ то, что и те и другие не имеют внутренней памяти. То есть уровни их выходных сигналов всегда однозначно определяются текущими уровнями входных сигналов и никак не связаны с предыдущими значениями входных сигналов.

Любое изменение входных сигналов обязательно изменяет состояние выходных сигналов. Именно поэтому ЛЭ иногда также называют комбинационными микросхемами в отличие от последовательных (или последовательностных) микросхем, которые имеют внутреннюю память и управляются не уровнями входных сигналов, а их последовательностями.

Строго говоря, все комбинационные микросхемы построены внутри из простейших ЛЭ, и эта их внутренняя структура приводится в справочниках. Но для разработчика цифровой аппаратуры эта информация обычно лишняя, ему достаточно знать только таблицу истинности, только принцип преобразования входных сигналов в выходные, а также величины задержек между входами и выходами и уровни входных и выходных токов и напряжений.

Внутренняя же структура важна для разработчиков микросхем, а также в тех случаях, когда надо построить новую комбинационную микросхему из микросхем простых ЛЭ.

Состав набора комбинационных микросхем, входящих в стандартные серии, был определён исходя из наиболее часто встречающихся задач. Требуемые для этого функции реализованы в комбинационных микросхемах наиболее оптимально, с минимальными задержками и минимальным потреблением мощности.

Дешифраторы и шифраторы

Функции дешифраторов и шифраторов понятны из их названия.

Дешифраторами называют комбинационные логические структуры, преобразующие код числа, поступающий на входы, в управляющий сигнал только на одном из выходов. Если на входы дешифратора подаётся двоичный код числа, то функционирование двоичного дешифратора можно описать с помощью выражений:

где - сигналы на входах дешифратора;

- сигналы на выходах дешифратора;

Таким образом, дешифратор представляет собой не что иное, как совокупность схем совпадений, формирующих управляющий (рабочий) сигнал только на одном из выходов, в то время как на остальных выходах управляющий сигнал отсутствует. По этой причине дешифраторы часто называют избирательными схемами. Дешифратор преобразует входной двоичный код в номер выходного сигнала (дешифрует код), а шифратор преобразует номер входного сигнала в выходной двоичный код (шифрует номер входного сигнала). Количество выходных сигналов (и соответствующих им выходов) дешифратора и входных сигналов (и соответствующих им входов) шифратора равно количеству возможных состояний двоичного кода (входного кода у дешифратора и выходного кода у шифратора), то есть 2ⁿ, где n - разрядность двоичного кода. Микросхемы дешифраторов обозначаются на схемах буквами DС (от английского Decoder), а микросхемы шифраторов - CD (от английского Coder) (рис. 1).

Активным всегда является только один выход дешифратора, причём номер этого выхода (и соответствующего ему сигнала) однозначно определяется входным кодом. Выходной код шифратора однозначно определяется номером входного сигнала.

Если реализовать выражение вида (1) без какого-либо его логического преобразования, то получим схему линейного дешифратора для двухразрядного слова с четырьмя выходами (рис. 2).

Выражения для функций четырёх выходов, описывающие работу линейного дешифратора, имеют вид:

Рассмотрим подробнее функцию дешифратора.

В стандартные серии входят дешифраторы на 4 выхода (2 разряда входного кода), на 8 выходов (3 разряда входного кода) и на 16 выходов (4 разряда входного кода). Различаются ИМС дешифраторов входами управления (разрешения/запрета выходных сигналов), а также типом выхода(2С или 0К). Выходные сигналы всех дешифраторов имеют отрицательную полярность. Входы, на которые поступает входной код, называют (часто) адресными входами. Обозначают эти входы цифрами 1, 2, 4, 8, где число соответствует весу двоичного кода (1 - младший разряд, 2 - следующий разряд и т.д.) или А0, А1, А2, А3. В отечественных сериях микросхемы дешифраторов обозначаются буквами ИД. На рис 3 показаны три наиболее типичные микросхемы дешифраторов.

Код на входах 1, 2, 4, 8, определяет номер активного выхода (вход 1 соответствует младшему разряду кода, вход 8 - старшему разряду кода). Входы разрешения С1, С2, С3 объединены по функции И и имеют полярность, указанную на рисунке.

В качестве примера покажем таблицу истинности дешифратора 3-8 (ИД7) (таблица 1.).

Существуют и дешифраторы 4-10 (например ИД6), которые обрабатывают не все возможные 16 состояний входного кода, а только первые 10 из них.

Первые три строки таблицы истинности соответствуют запрету выходных сигналов. Разрешением выхода будет единица на входе С1 и нули на входах С2 и С3. Символ “X” обозначает безразличное состояние данного входа (неважно, нуль или единица). Нижние восемь строк соответствуют разрешению выходных сигналов. Номер активного выхода (на котором формируется нулевой сигнал) определяется кодом на входах 1, 2, 4, причём вход 1 соответствует младшему разряду кода, а вход 4 - старшему разряду кода.

Наиболее типичное применение дешифраторов состоит именно в дешифрировании входных кодов, при этом входы С используются как стробирующие, управляющие сигналы. Номер активного (то есть нулевого) выходного сигнала показывает, какой входной код поступил. Если нужно дешифрировать код с большим числом разрядов, то можно объединить несколько микросхем (рис. 4).

Старшие разряды кода подаются на основной дешифратор, выходы которого разрешают работу нескольких дополнительных дешифраторов. На объединенные входы этих дополнительных дешифраторов подаются младшие разряды входного кода. Используя пять микросхем дешифраторов 2-4 можно получить дешифратор 4-16 (рис. 4) (однако лучше взять готовую микросхему 4-16).

Точно также на девяти ИМС 3-8 можно реализовать дешифратор 6-64, а на семнадцати ИМС 4-16 - дешифратор 8-256.

Ещё одно распространённое применение дешифраторов - селекция (выбор) заданных входных кодов. Появление отрицательного сигнала на выбранном выходе дешифратора будет означать поступление на вход интересующего нас кода. В данном случае увеличивать число разрядов входного селектируемого кода гораздо проще, чем в предыдущем (случае) (рис. 4). Например, две ИМС 4-16 позволяют селектировать 8-разрядный код (рис. 5).

В данном примере (рис. 5) селектируется 16-ричный код 2А (двоичный код 0010 1010). При этом один дешифратор работает с четырьмя младшими разрядами кода, а другой - с четырьмя старшими разрядами. Объединяются дешифраторы так, что один из них разрешает работу другого по входам и . Применяя механические переключатели выходов дешифраторов (тумблеры, перемычки), можно легко изменять код, селектируемый данной схемой.

Ещё одно важное применение дешифраторов состоит в перекоммутации одного входного сигнала на несколько выходов. Или, другими словами, дешифратор в данном случае выступает в качестве демультиплексора входных сигналов, который позволяет разделить входные сигналы, приходящие в разные моменты времени, на одну входную линию (мультиплексированные сигналы). При этом входы 1, 2, 4, 8 дешифратора используются в качестве управляющих, адресных, определяющих, на какой выход переслать пришедший в данный момент входной сигнал (рис. 6.6).

В такой схеме сигнал подаётся на один из входов С и пересылается на заданный выход. Если у микросхемы имеется несколько стробирующих входов С, то оставшиеся входы С можно использовать в качестве разрешающих работу дешифратора.

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

Для исключения таких паразитных импульсов можно применить синхронизацию с помощью стробирующих сигналов. Используемый для этого сигнал С должен начинаться после текущего изменения кода, а заканчиваться до следующего изменения кода. То есть должен быть реализован так называемый вложенный цикл. На рис. 7 показано , как будет выглядеть выходной сигнал дешифратора без стробирования и со стробированием.

В заключении отметим, что при проектировании цифровых устройств с использованием дешифраторов следует учитывать то, что задержки дешифраторов больше задержек простых логических элементов: примерно вдвое для входного кода и примерно в полтора раза для стробирующих входов. Если попытаться заменить дешифратор схемой на отдельных логических элементах, то такой дешифратор получится медленнее. (Точные величины задержек приводятся в справочниках).

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

Проблема преобразования (шифрации) кода часто возникает в дискретном устройстве в первую очередь по той причине, что удобство обработки информации (обычно в двоичном или двоично-десятичном коде) практически всегда усложняет проблему её отображения (у потребителя), которая в большинстве случаев должна быть наглядной и привычной, то есть десятичной. Кроме того, существуют задачи формирования спецкодов для их защиты от сбоев.

На рис. 8 показаны для примера две ИМС шифраторов: ИВ1 и ИВ3.

Первая ИМС имеет 8 входов и 3 выхода (шифратор 8-3), а вторая - 9 входов и 4 выхода (шифратор 9-4). Все входы шифраторов инверсные (активные входные сигналы - нулевые). Все выходы шифраторов тоже инверсные, то есть формируется инверсный код. Микросхема ИВ1 помимо 8 информационных входов и 3 разрядов выходного кода (1, 2, 4) имеет инверсный вход разрешения , выход признака прихода любого входного сигнала , а также выход переноса , позволяющий объединять несколько шифраторов для увеличения разрядности.

Таблица истинности шифратора ИВ1 приведена в таблице

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

Стандартное применение шифраторов состоит в сокращении количества сигналов. Например, в случае шифратора ИВ1 информация о восьми входных сигналах сворачивается в три выходных сигнала. Это очень удобно, например, при передаче сигналов на большие расстояния. Правда, входные сигналы не должны приходить одновременно. На рис. 9 показаны стандартная схема включения шифратора и временные диаграммы его работы.

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

Наличие у шифраторов входов и позволяет увеличивать количество входов и разрядов шифратора, правда, с помощью дополнительных элементов на выходе.

На рис. 10 показан пример построения шифратора 16-4 на двух микросхемах шифраторов ИВ1 и трёх элементах 2И-НЕ (ЛА3).

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

Задержка шифратора от входа до выхода кода примерно в полтора раза превышает задержку логического элемента, а задержка до выхода - примерно в два раза больше (точные величины задержек микросхем приводятся в справочниках).

Литература

1. Новиков Ю.В. Основы цифровой схемотехники. Базовые элементы и схемы. Методы проектирования. М.: Мир, 2001. - 379 с.

2. Новиков Ю.В., Скоробогатов П.К. Основы микропроцессорной техники. Курс лекций. М.: ИНТУИТ. РУ, 2003. - 440 с.

3. Пухальский Г.И., Новосельцева Т.Я. Цифровые устройства: Учеб. пособие для ВТУЗов. СПб.: Политехника, 2006. - 885 с.

4. Преснухин Л.Н., Воробьев Н.В., Шишкевич А.А. Расчет элементов цифровых устройств. М.: Высш. шк., 2001. - 526 с.

5. Букреев И.Н., Горячев В.И., Мансуров Б.М. Микроэлектронные схемы цифровых устройств. М.: Радио и связь, 2000. - 416 с.

6. Соломатин Н.М. Логические элементы ЭВМ. М.: Высш. шк., 2000. - 160 с.