цифровые.

Достоинства ИМС - высокая надежность, малые габариты (1 см3 до 106 элементов),малое потребление энергии.

Недостаток - малая выходная мощность.

Пример обозначений ИМС.В качестве примера рассмотрим ИМС ``К 140 УД7':

К - ИМС для широкого пользования;

140 - номер серии ; первая цифра в номере серии - признак того, какая ИМС :

1,3- полупроводниковая, 2 - гибридная ;

УД- аббревиатура “запечатанного” устройства - усилитель дифференциальный;

7 - номер разработки.

1.2 Устройства промышленной электроники

1.2.1 Усилители

Усилителем называется устройство, предназначенное для усиления слабых сигналов за счет энергии источника питания.

Основными параметрами усилителя являются:

- коэффициент усиления по напряжению, в усилителях напряжения KU >1 ;

- коэффициент усиления по току, в усилителях тока KI >1;

- коэффициент усиления по мощности, причём

KP > 1 в любом усилителе.

Характеристики усилителей:

Рис.1.40 Рис.1.41 Рис.1.42

АЧХ для УНЧ, УПТ, ИУ приведены на рис.1.40, 1.41, 1.42.

По АЧХ определяется полоса пропускания частот усилителя :

.

2. Фазо-частотная характеристика (ФЧХ).

=Ф(f),

где - угол сдвига фаз между входным и выходным сигналами.

Поскольку усилитель содержит реактивные элементы, то фаза сигнала на входе не совпадает с фазой сигнала на выходе, причем на разных частотах угол сдвига фаз будет разной.

3. Амплитудная характеристика (АХ)

UВХ = f(UВХ )f=const .

АХ - это зависимость величины выходного напряжения от входного напряжения при f = const (рис.1.43).

Классификация усилителей по частотному диапазону:

Усилитель низкой (звуковой) частоты (УНЧ), f =десятки Гц … десятки кГц.

Усилитель высокой частоты (УВЧ), f =десятки кГц … десятки МГц.

Широкополосный усилитель (ШУ), f =десятки Гц … десятки МГц.

Усилитель постоянного тока (УПТ), f =0 … Мгц.

5. Избирательный (резонансный) усилитель (ИУ) - это усилитель, усиливающий сигнал в очень узком диапазоне частот (в идеале одну частоту).

Виды искажения сигналов при прохождении через усилитель. При прохождении через усилитель форма сигнала может искажаться. Существуют нелинейные и линейные искажения.

Рис.1.44 . Рис.1.45.

Нелинейные (рис.1.44) связаны с нелинейными характеристиками транзисторов (область линейной работы сравнительно невелика).

Линейные искажения - это искажения сигнала, связанные с разными К на различных частотах. Проявляются при усилении сигналов сложной формы, к примеру, прямоугольной (рис. 1.45).

Чем шире полоса пропускания частот усилителя, тем меньше он вносит искажений.

Усилитель, обладающий идеальной АЧХ, не вносит линейных искажений.

Понятие о входном и выходном сопротивлении усилителя. По отношению к источнику входного сигнала (ИС) усилитель является нагрузкой и как любая нагрузка обладает сопротивлением. Это и будет входным сопротивлением усилителя RВХ (рис.1.46).

Рис.1.46.

По отношению к нагрузке усилитель является источником электрического сигнала и как всякий источник обладает ЭДС и внутренним сопротивлением, последнее является выходным сопротивлением RВЫХ . ЭДС холостого хода EХХ = К UВХ .

УСИЛИТЕЛЬНЫЙ КАСКАД НА БИПОЛЯРНОМ ТРАНЗИСТОРЕ - это часть элементов схемы, включающая главную усилительную цепь каскада и элементы, обеспечивающие ее работу. Главная усилительная цепь состоит из транзистора и последовательно включенного с ним резистора RК (рис.1.47).

Определим коэффициент усиления в режиме холостого хода КUхх. По закону Ома

UВХ = IВХ RВХ = IБ RВХ,

где RВХ - входное сопротивление главной усилительной цепи, т.е. сопротивление p-n-перехода Э - Б.

Рис.1.47. Рис.1.48 .

По второму закону Кирхгофа имеем

,

.

Знак минус означает, что UВХ и UВЫХ разного знака, т.е. при прохождении через главную усилительную цепь сигнал инвертируется (фаза сдвигается на 180о);

1; RК = тысячи Ом, RВХ = сотни Ом, поэтому КUхх >>1.

Передаточная характеристика главной усилительной цепи по напряжению есть зависимость UВЫХ = f(UВХ). На данной характеристике можно выделить три области работы транзистора (рис.1.48):

1 - область отсечки;

2 - область линейной работы;

3 - область насыщения.

Прохождение синусоидального сигнала через главную усилительную цепь.

Режимы усиления. Используя передаточную характеристику можно посмотреть, как изменяется форма sin сигнала при прохождении через главную усилительную цепь (рис.1.49).

Рассмотрим три варианта :

входной сигнал изменяется вокруг нулевого уровня и попадает частично в области отсечки и частично в область линейной работы;

входной сигнал целиком укладывается в область линейной работы;

входной сигнал большой амплитуды занимает все три области.

На рис. 1.49. заштрихована та часть сигнала, которая укладывается в область линейной работы.

Сигнал на выходе будет совпадать по форме с этой частью входного сигнала.

Рассмотренным вариантам соответствуют три режима усиления:

Режим B - характеризуется отсутствием напряжения смещения (сигнал изменяется вокруг нулевого уровня), большими нелинейными искажениями (усиливается чуть меньше половины сигнала). Применяется в усилителях мощности.

Режим A характеризуется отпирающим смещением (транзистор приоткрывается), практическим отсутствием нелинейных искажений. Применяется в линейных усилителях напряжения .

Режим D характеризуется большой амплитудой входного сигнала. Входной сигнал занимает все три области (отсечки, линейной и насыщения). Сигнал на выходе получается в виде перепада напряжения от максимального до 0 (практически прямоугольный сигнал). Применяется в вычислительной технике (такой режим называется ключевым режимом работы.)

Схема усилительного каскада на биполярном транзисторе приведена на рис.1.50, где VT, RК - главная усилительная цепь ; R1, R2 - цепь подачи смещения, задает режим А; CР1, CР2 - разделительные конденсаторы, препятствующие протеканию постоянного тока. На сигнал рабочей частоты не влияют; RЭ, CЭ - цепь термостабилизации. Она препятствует температурным изменениям параметров транзистора, a следовательно, и усилителя. Создает отрицательную обратную связь по постоянному току, за счет чего стабилизируются параметры. Коэффициент усиления каскада равен коэффициенту усиления главной усилительной цепи:

.

На рис 1.51 представлена форма сигнала в различных точках усилительного каскада :

U1=UСМ + UВХ ; UCM = const; U2 = KU1 = K(UСМ + UВХ ) =KUСМ + КUВХ =UО + U~ .

Рис.1.51 .

Общие сведения о многокаскадных усилителях. Коэффициент усиления многокаскадного усилителя K=K1 K2 K3 …Kn =. Блок-схема многокаскадного усилителя представлена на рис.1.52. Согласующий каскад должен иметь большое входное сопротивление. Усилитель мощности усиливает сигнал по мощности до величины необходимой для нагрузки .

Рис.1.52 .

В многокаскадном усилителе различают следующие типы связей:

Емкостная и трансформаторная связи применяется в усилителях переменного напряжения, а гальваническая и потенциометрическая - в усилителе постоянного тока (УПТ).

Усилитель с емкостной связью имеет АЧХ, представленную на рис.1.53.

Влияние ёмкостной связи определяется зависимостью сопротивления ХС от частоты.

Рис.1.53

ХС =

при f ХС UВЫХ K

Чем меньше f, тем больше сопротивление ХС и тем меньшее напряжение передается на вход последующего каскада. За счёт этого уменьшается UВЫХ, а следовательно, и К.

Влияние трансформаторной связи связано с зависимостью ЭДС трансформатора Е2 от частоты:

E2=4,44W2fФ при f E2 UВЫХ K .

Наличие емкостной и трансформаторной связи обусловливает уменьшение коэффициента усиления в области низких частот. Если (f=0), то (K=0). В области высоких частот коэффициент усиления падает за счёт влияния ёмкости p-n-перехода СЭБ .

УСИЛИТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО ТОКА (УПТ) - это усилитель, который должен усиливать сигнал, начиная с частоты, равной 0. По этой причине нельзя использовать ёмкости и трансформаторы :

Рис.1.54 .

Отказ от ёмкостей и трансформаторов приводит к появлению дрейфа нуля у всех УПТ. АЧХ УПТ приведена на рис.1.54.

Дрейф нуля - это самопроизвольное изменение сигнала на выходе при отсутствии сигнала на входе (присутствует только в УПТ и появляется в следствие отказа от емкости и трансформатора в качестве межкаскадных связей).

Основные причины возникновения дрейфа нуля:

изменение параметров транзистора под действием температуры;

изменение напряжения источника питания.

Поскольку указанные изменения происходят очень медленно, то через усилители переменного напряжения с емкостной или трансформаторной связью эти помехи не проходят. Там нет дрейфа нуля. В УПТ же любые изменения напряжения на выходе предыдущего каскада усиливаются последующими каскадами, что и приводит к дрейфу нуля.

Меры борьбы с дрейфом нуля:

стабилизация температурного режима;

использование стабилизированных источников питания;

усиление сигнала по схеме модуляция - демодуляция;

использование специальных балансных схем.

Принцип усиления сигнала по схеме модуляция - демодуляция.

Рис.1.56 .

Рис.1.55.

Медленно изменяющийся сигнал, подлежащий усилению, накладывается на сигнал высокой частоты (амплитудная модуляция рис.1.55). Блок-схема усиления сигнала представлена на рис.1.56. Модулированный сигнал усиливается в усилителе переменного напряжения, после чего производят демодуляцию - выделение усиленного медленно изменяющегося сигнала). Поскольку усиление сигнала происходит в усилителе переменного напряжения, то дрейфа нуля нет. В целом схема существенно усложняется. Для уменьшения дрейфа нуля наиболее часто используются специальные балансные схемы.

Рис.1.57 .

В балансных схемах используются свойства

4-плечного балансного моста (рис.1.57). Если (условия балансировки моста), то мост сбалансирован . Из условия балансировки

(3=4) (UН = 3 -4 =0).

Свойства балансного моста:

независимо от изменения Uпит, если мост сбалансирован, UН =0;

изменение параметров R1 … R4 не приводящие к нарушению балансировки моста не приводят к появлению напряжения на выходе;

UH возникает только при разбалансировке моста.

Схема дифференциального каскада УПТ (рис.1.58). Схема содержит две одинаковых главных усилительных цепи VT1 - RK1 и VT2 - RK2 . Эти четыре элемента составляют схему 4- плечного моста. Транзисторы выбираются одинаковыми . Поэтому , RВХ1 =RВХ2,

RК1 =RК2 . Одинаковые главные усилительные цепи обладают одинаковыми коэффициентами и . ().

Рис.1.58 .

Схема питается от двух источников Е1 и Е2, Е1=Е2, ЕПИТ = Е =Е1+Е2 =2Е.

UН = UВЫХ1 - UВЫХ2, RБ - сопротивление для начальной балансировки схемы, RЭ - для стабилизации общего тока.

Возможные три способа подачи входных сигналов:

а) подача двух разных сигналов на два входа;

б) подача одного сигнала на оба входа (рис.1.59,а);

в) подача одного сигнала на один из входов (рис. 1.59,б).

Рассмотрим принцип действия усилителя для первого способа подачи входных сигналов. При подаче разных входных сигналов транзисторы открываются в разной степени, мостовая схема разбалансируется и появляется UН. Чем сильнее отличаются входные сигналы, тем сильнее разбаланс моста, тем больше напряжение UН .

UН = UВЫХ1 -UВЫХ2=КUВХ1 -КUВХ2=К(UВХ1 -UВХ2)

Схема дифференциального УПТ усиливает разность входных сигналов, поэтому каскад называется дифференциальным. Коэффициент усиления, не взирая на наличие двух усилительных цепей, равен коэффициенту усиления одной усилительной цепи.

Работа усилителя при подаче на вход одного сигнала. Вследствие идентичности транзисторов в случаях подачи одного сигнала на оба входа или на один из входов UВХ делится пополам между обоими транзисторами. При этом один транзистор приоткрывается, другой призакрывается.

Принцип действия можно проиллюстрировать диаграммой :

UВХ

Независимо от способа подачи входного сигнала коэффициент усиления схемы К остается неизменным.

Поскольку схема построена по принципу четырехплечного моста, то изменение напряжения питания не приводит к появлению UН и одинаковые температурные изменения параметров транзисторов не разбалансируют мост. Таким образом. существенно компенсируются причины возникновения дрейфа нуля.

Понятие о прямом и инверсном (инвертирующем) входе. Если сигналы на входе и выходе усилителя совпадают по фазе, то данный вход называется прямым, если не совпадают, то - инвертирующим. Для УПТ, изображённого на рис.1.58, по отношению к выходу с сигналом UВЫХ2 вход с сигналом UВХ1 - прямой, а вход с сигналом UВХ2 - инверсный.

ОПЕРАЦИОННЫЙ УСИЛИТЕЛЬ (ОУ) - это многокаскадный усилитель постоянного тока с большими коэффициентами усиления, имеющий два входа - прямой и инверсный, и один выход. В качестве каскадов использованы дифференциальные каскады УПТ, рассмотренные выше.

Коэффициент усиления ОУ КU - до 200000,

входное сопротивление RВХ - сотни кОм,

входной ток IВХ - доли мкА (при анализе схем им часто пренебрегают). Диапазон пропускания частот: f=(0…1МГц).

АЧХ для ОУ типична для УПТ (рис.1.60).

полупроводник транзистор тиристор выпрямитель

Рис.1.60 .

Передаточная характеристика UВЫХ = f(UВХ) снимается на постоянном токе (рис1.61).

Рис.1.61.

Рис.1.62 .

Так как КU велик, то область линейной работы UЛ мала. Например, если КU =100103 Е=10В, то

UЛ =0,0002В.

Поэтому часто используют идеализированную характеристику ОУ(рис.1.62.).

В литературе используются два варианта условного обозначения ОУ

UВЫХ =к(UВХ п - UВХ u ); UВЫХ =кUО .

UВХ п и UВХ u - входные напряжения прямого и инверсного входов соответственно.

В усилителях для улучшения свойств часто используют обратные связи.

ОБРАТНЫЕ СВЯЗИ В УСИЛИТЕЛЯХ . Под обратной связью (ОС) в усилителях понимают передачу части сигнала с выхода усилителя на его вход. Блок-схема усилителя с обратной связью приведена на рис.1.63, где К - коэффициент усиления усилителя без ОС;

Рис.1.63.

коэффициент передачи цепи обратной связи, в =;

UОС - напряжение ОС ;

KOC =UВЫХ /UВХ -коэффициент усиления усилителя с ОС.

Классификация обратных связей:

Положительная обратная связь - +ОС

Отрицательная обратная связь - -ОС

+ОС: UО =UВХ +UОС,

-ОС: UО =UВХ -UОС.

Кроме этого, различают :

ОС по напряжению - сигнал ОС UВЫХ ;

ОС по току - сигнал ОС IВЫХ ;

комбинированная обратная связь - сигнал ОС IВЫХ, UВЫХ .

Анализируя блок схему (рис.1.69) можно получить коэффициент усиления усилителя, охваченного обратной связью, КОС =. Для +ОС К =, для -ОС КОС =.

(-ОС - уменьшает коэффициент усиления, +ОС - увеличивает коэффициент усиления).

Влияние отрицательной обратной связи на характеристики и параметры усилителя.

Влияние -ОС на стабильность работы усилителя. Стабильность работы усилителя оценивается величиной - относительным изменением коэффициента усиления. Чем меньше , тем усилитель работает стабильнее. Так как КОС =f(К), то, разлагая эту функцию в ряд Тейлора и ограничиваясь двумя первыми членами, получаем

,

т.е. относительные изменения коэффициента усиления усилителя с обратной связью в (1+К) раз меньше, чем относительные изменения коэффициента усиления усилителя без обратной связи. Коэффициент усиления становится более стабильным.

2. Влияние -ОС на полосу пропускания частот усилителя (рис.1.64.). Так как KОС <K, то АЧХ усилителя с отрицательной ОС пойдёт ниже, чем АЧХ усилителя без ОС.

Определяя f ОС и f, получаем, f ОС > f, т.е. ОC расширяет полосу пропускания.

Рис.1.64 .

3. Влияние отрицательной обратной связи на искажения сигнала. Поскольку -ОС расширяет полосу пропускания частот, то линейные искажения уменьшаются. Можно показать, что -ОС уменьшает и нелинейные искажения.

4. Влияние отрицательной обратной связи на входное и выходное сопротивление. Используя разложение в ряд Тейлора и закон Ома, для некоторых видов -ОС, получаем

RВХ ОС =RВХ (1+К), RВЫХ ОС = .

-ОС увеличивают RВХ и уменьшают RВЫХ .

Как следует из отмеченного выше, свойства усилителя улучшаются, однако это достигается ценой уменьшения коэффициента усиления.

Ниже приведены два примера введения -ОС в усилительных каскадах.

Пример 1 (рис.1.65). Обратная связь вводится резистором RОС . Поскольку главная усилительная цепь инвертирует сигнал, то сигналы входа и обратной связи будут в противофазе, поэтому ОС будет отрицательной.

Рис.1.65. Рис.1.66.

Пример 2 (рис.1.66). Обратная связь вводится с помощью резистора RЭ. Это можно показать следующим образом: UЭ +UО -UВХ = 0 (по второму закону Кирхгофа), здесь UО= UБЭ - напряжение, непосредственно воздействующее на транзистор.

UО =UВХ -UЭ =UВХ -IЭRЭ, IЭ IК =IВЫХ UО =UВХ -IВЫХRЭ.

Из последнего выражения видно, что на вход влияет сигнал, пропорциональный выходному току, т.е. есть влияние выходной цепи на вход. Таким образом, включение RЭ обусловливает появление -ОС.

УСИЛИТЕЛЬНЫЕ СХЕМЫ НА БАЗЕ ОПЕРАЦИОННОГО УСИЛИТЕЛЯ.

Схема неинвертирующего усилителя представлена на рис.1.67,а, где RОС - сопротивление

обратной связи. Сигнал ОС подается на инверсный вход, поэтому UВХ И =UOC,

Рис.1.67 .

UВЫХ =К(UВХ П - UВХ И)=К(UВХ - UОС). Это говорит о том, что ОС отрицательная. Длятого, чтобы в ОУ ввести - ОС, нужно выход соединить с инверсным входом.

Выведем коэффициент усиления:

КОС = .

Пусть К>>1(это допустимо, так как K>>1), в этом случае '' 1 ''в знаменателе можно пренебречь, в результате чего получаем

КОС =, = ; UОС =,

==,

КОС ===1+.

Задавая соответствующие R1 и RОС, можно получить требуемый коэффициент усиления.

Схема инвертирующего усилителя представлена на рис.1.67,б.

При анализе инвертирующего усилителя пренебрегаем IО и UО вследствие их малости. По первому закону Кирхгофа имеем

IВХ +IОС - IО =0, IВХ = -IОС .

Найдем эти токи по закону Ома:

, IОС =, .

Пренебрегая UО, получаем UR1 =UВХ, UОС =UВЫХ, тогда

, откуда .

Знак “-” означает, что усилитель инвертирующий.

Суммирующий усилитель(рис.1.68) построен на базе инвертирующего усилителя. Математическая операция, которую он должен будет выполнять такова UВЫХ = iUi ;

Для входной цепи имеем :

I1 +I2 +I3 +IОС - IО =0 .

Используя соотношение, полученное для инвертирующего ОУ, получаем

Рис.1.68 .

I1 +I2 +I3 = -IОС ;

U1 /R1 +U2 /R2 +U3 /R3 =-UВЫХ /RОС ;

(RОС /R1)U1 +(RОС /R2)U2 +(RОС /R3)U3 = -UВЫХ ;

U1 +2U2 +3U3 = -UВЫХ ;

Если R1 =R2 =R3 =RОС, то 1 =2 =3 =1, то

UВЫХ = - Ui . Для того, чтобы избавиться от

минуса, можно последовательно включить еще один инвертирующий усилитель с К=1.

Интегрирующий усилитель (рис.1.69) должен выполнять операцию UВЫХ = К. Используя соотношение для инвертирующего усилителя, имеем I1 + IС =IО .

Пренебрегая IО, получаем I1 = -IС . Учитывая, что

IС =C,

имеем

UВХ /R1 = -CdUВЫХ /dt ; UВХ dt /(R1C) = - dUВЫХ ;

UВЫХ = - , где U(0) - начальные условия.

В двухтактном усилители используется два транзистора разных типов проводимости с одинаковым коэффициентом усиления. Поскольку цепь смещения отсутствует, транзисторы работают в режиме В, усиление сигнала осуществляется за два такта: в первую половину периода открыт VT1, VT2 - закрыт. Усиление сигнала осуществляется транзистором VT1. Во вторую половину периода VT1 закрывается, открывается - VT2. Вторая половина сигнала усиливается вторым транзистором. По нагрузке протекает ток IH от их транзисторов, поэтому сигнал на выходе повторяет сигнал на входе, но усилен по мощности.

1.2.2 Генератор прямоугольных колебаний (мультивибратор)

Рассмотрим мультивибратор на операционном усилителе. Работа мультивибратора основана на использовании компаратора.

Функция компаратора заключается в сравнении

сигналов и (рис.1.73). При этом, если , то ; если , то ;

если , то происходит переброс с

на .

Операционный усилитель усиливает разность входных сигналов и , поданных соответственно на прямой и инверсный входы, поэтому изменение выходного сигнала будет в точке, где , т. е. . Таким образом, операционный усилитель с идеализированной характеристикой можно использовать для сравнения сигналов и . Подавая на прямой вход опорное напряжение получаем схему сравнения напряжений и (рис.1.74).

Рис.1.74

Компаратор на операционном усилителе с положительной обратной связью(рис.1.75).

Вводим в операционный усилитель положительную обратную связь через резисторы и . Подаём на вход отрицательное напряжение , тогда ,

, .

При увеличении UВХ переброс компаратора будет в точке UВХ= UОП1. После переброса, UВЫХ = -, . Теперь, если уменьшать UВХ, переброс компаратора будет в точке . Таким образом, при увеличении UВХ компаратор перебрасывается в точке , а при уменьшении UВХ - в точке .

Переходный процесс подключения ёмкости под постоянное напряжение (заряд ёмкости) показан на рис.1.76.

Рис.1.76.

При подключении ёмкости под постоянное напряжение Uс изменяется по закону

, -- постоянная времени.

Скорость изменения UС зависит от постоянной времени ф. Чем меньше ф, тем быстрее растёт напряжение на конденсаторе.

Схема и принцип действия мультивибратора (рис.1.77,а и рис.1.77,б). Работа мультивибратора основана на использовании компаратора на операционном усилителе с положительной обратной связью. К инверсному входу подключена ёмкость, напряжение на которой сравнивается с опорным напряжением компаратора.

Рис.1.77 .

При равенстве напряжений компаратор перебрасывается в противоположное состояние и вновь происходит перезаряд ёмкости (рис.1.77,б).

Рассмотрим работу мультивибратора для трех моментов времени.

t = t1. . Пусть UВЫХ = - начинается заряд ёмкости.

t = t2 . -- переброс компаратора,+, -- емкость перезаряжается.

t = t3 . переброс компаратора.

Симметричный мультивибратор - это мультивибратор, у которого .

Частота следования импульсов мультивибратора

.

Рис.1.78.

У несимметричного мультивибратора (рис.1.78) . Для создания такого мультивибратора необходимо сделать разные цепи перезаряда ёмкости, за счёт использования двух параллельных ветвей в цепи заряда с разными сопротивлениями и встречно включёнными диодами:

2. ОСНОВЫ МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ ТЕХНИКИ

2.1 Логические функции и логические схемы

Логическое высказывание -- это высказывание, относительно которого можно однозначно сказать истинно оно или ложно. Логическое высказывание формализуется с помощью логических функций. Логическая функция может принимать два значения: “истина” или “ложь” (“1” или “0” соответственно).

Таблица истинности -- это табличное задание логической функции.

Элементарные логические функции “или”, “и”, “не”

“ИЛИ” -- логическое сложение -- дизъюнкция, описывается функцией .

Условимся, что логической единице будет соответствовать высокий уровень сигнала, логическому нулю -- низкий (нулевой) уровень.

На рис.2.1 представлена техническая реализация функции “ИЛИ” на ключах и диодах. При подаче на один из входов (или на оба) высокого потенциала (логической единицы) диоды открываются, и сигналы проходят на выход. В случае, если на оба входа подаётся низкий уровень -- диоды закрыты, на выходе будет нулевой уровень (логический ноль).

“И” -- логическое умножение -- конъюнкция, описывается функцией .

На рис.2.2 представлена техническая реализация функции “И” на ключах и диодах. При подаче на один из входов (или на оба) низкого потенциала (логического нуля) диоды открываются и шунтируют сопротивление , в результате чего на выходе будет низкий потенциал (логический ноль). Для того, чтобы на выходе был высокий потенциал (логическая единица), необходимо на оба входа подать высокий потенциал и тем самым запереть диоды. Ток от источника будет протекать по резисторам и и на выходе будет падение напряжения на , соответствующее логической единице.

“НЕ” -- логическое отрицание -- инверсия, логическое отрицание описывается функцией .

Для реализации логического отрицания используется свойство главной усилительной цепи каскада инвертировать сигнал (рис.2.3). Поскольку на реальных диодах в схемах “И” и “ИЛИ” при прямом включении происходит падение напряжения, то для доведения его до прежнего уровня логической единицы необходимо ставить усилительный каскад. Так как главная усилительная цепь каскада (рис.2.3) инвертирует сигнал, то в результате получаются функции “ИЛИ-НЕ” или “И-НЕ”.

“ИЛИ-НЕ”. Выражение, описывающее функцию “ИЛИ-НЕ”: .

Техническая реализация “ИЛИ-НЕ” представлена на рис.2.4. Транзистор работает в режиме Д (в ключевом режиме).

“И-НЕ”. Выражение, описывающее функцию “И-НЕ”: .

Техническая реализация “И-НЕ” представлена на рис.2.5,а и рис.2.5,б.

Рис.2.5.

Диоды VD1 и VD2 (рис.2.5,а) необходимы для того, чтобы не было ложного открытия транзистора от падения напряжения на открытых диодах VD3 или VD4 при подаче на них низкого потенциала (логического нуля).

На рис.2.5,б роль диодной сборки в схеме “И” выполняет многоэмиттерный транзистор. Поскольку в микросхемах такой транзистор занимает меньше места, чем диодная сборка, то такие логические схемы применяются чаще.

2.2 Триггеры

Триггер -- это устройство, имеющее два устойчивых состояния - “1” или “0”, - которые могут сохраняться сколь угодно долго. Переход из одного состояния в другое может происходить под воздействием управляющих сигналов. Триггер имеет два выхода (прямой и инверсный ) и один или несколько входов.

Классификация триггеров:

1) по функциональному назначению:

R-S-типа;

D-типа;

T-типа;

J-K-типа;

2) по способу управления:

асинхронные;

синхронные (тактируемые).

Асинхронные триггеры меняют своё состояние по приходу соответствующего управляющего импульса.

Синхронные триггеры изменяют своё состояние при наличии управляющего импульса в момент прихода синхронизирующего (тактового) импульса.

Классификация входов триггеров:

1. Статические входы, которые управляются уровнем сигнала.

2. Динамические входы, которые управляются либо фронтом, либо срезом.

2.2.1 Триггер r-s-типа

Если триггер находится в единичном состоянии, то .

Ситуации не существует.

Таблица истинности R-S-триггера

Здесь состояние триггера до подачи управляющих сигналов, -- состояние триггера после подачи управляющих сигналов.

Реализация триггера R-S-типа на элементах “И-НЕ”:

Анализ работы схемы, проведённый на основе таблицы истинности элемента “И-НЕ” подтверждает, что схема реализует функцию R-S-триггера (работу схемы в деталях рассмотреть самостоятельно).

Реализация триггера R-S-типа на элементах “ИЛИ-НЕ”:

Анализ работы схемы следует производить с использованием таблицы истинности элемента “ИЛИ-НЕ” (рассмотреть самостоятельно).

Временные диаграммы R-S-триггеров (пример):

Асинхронный R-S-триггер () Синхронный R-S-триггер

2.2.2 D-триггер запоминает ту информацию, которая есть на входе D в момент подачи синхронизирующего импульса

Т-триггер

При подаче единицы на вход Т-триггер переходит в противоположное предыдущему состояние. Т-триггер делит количество импульсов пополам.

J-k триггер. Таблица истинности J-K-триггера отличается от таблицы истинности R-S триггера одной нижней строчкой.

2.3 Регистры

Регистром называется устройство, предназначенное для приёма, хранения и выдачи информации. Проще всего построить регистры на триггерах D-типа.

Классификация регистров:

1. Параллельные.

2. Последовательные.

Схема параллельного регистра приведена на рис.2.6.

В параллельном регистре информация на регистр записывается в параллельном коде:

-- записываемый код, -- магистраль синхронизирующих импульсов, -- код, записанный в регистр.

По магистрали информация записываемого кода подаётся на входы . По приходу синхронизирующего импульса информация с магистрали переписывается в регистр и хранится там до подачи следующего синхронизирующего импульса. По приходу следующего синхронизирующего импульса в регистр записывается новая информация. Считывание информации с регистра осуществляется с выходов .