Комбинационные функциональные схемы

Комбинационные функциональные схемы, реализованные на стандартных ИМС С помощью карт Карно можно построить логику, чтобы выполнять достаточно сложные функции, такие, как, например, двоичное сложение и сравнение величин, контроль по паритету, мультиплексирование (выбор одного из нескольких входов), который определяется двоичным адресом и т. п. В реальности сложные функции, которые используются наиболее часто, уже реализованы в виде интегральных микросхем. Рассмотрим лишь некоторые из них.

1. Преобразователи кодов.

Операция изменения кода числа называется его перекодированием.

Интегральные микросхемы, выполняющие эти операции, называются преобразователями кодов. Преобразователи кодов бывают простые и сложные.

К простым относятся преобразователи, которые выполняют стандартные операции изменения кода чисел, например, преобразование двоичного кода в унитарный или обратную операцию. Сложные преобразователи кодов выполняют нестандартные преобразования кодов, и их схемы приходится разрабатывать каждый раз с помощью алгебры логики.

Интегральные микросхемы преобразователей кодов выпускаются только для наиболее распространенных операций:

• * преобразователи двоично-десятичного кода в двоичный код;
• * преобразователи двоичного кода в двоично-десятичный код;
• * преобразователи двоичного кода в код Грея;
• * преобразователи двоичного кода в код управления сегментными индикаторами;
• * преобразователи двоичного или двоично-десятичного кода в код управления шкальными или матричными индикаторами.

В качестве примера рассмотрим преобразователь двоичного кода в код управления семисегментным цифровым индикатором, приведенный на рис. 7.1а. Сам индикатор представляет собой полупроводниковый прибор, в котором имеются семь сегментов, выполненных из светодиодов. Включением и выключением отдельных сегментов можно получить светящееся изображение отдельных цифр или знаков. Конфигурация и расположение сегментов индикатора показаны на рис7.1а. Каждой цифре соответствует свой набор включения определенных сегментов индикатора. Соответствующая таблица приведена на рис. 7.1б. В этой таблице также приведены двоичные коды соответствующих цифр.

Такие индикаторы позволяют получить светящееся изображение не только цифр от 0 до 9, но других знаков, используемых в 8- и 16-ричной системах счисления. Для управления такими индикаторами выпускаются интегральные микросхемы типов КР514ЙД1, К514ИД2, К133ПП1, 176ИД2, 176ИДЗ, 564ИД4, 564ИД5 и др. Преобразователи кодов, выполненные по технологии КМОП, можно использовать не только со светодиодными индикаторами, но и с жидкокристаллическими или катодолюминесцентными.

Примерами простейших преобразователей кодов, которые широко применяются в цифровых устройствах, являются шифраторы и дешифраторы.

Шифратором называют кодовый преобразователь, который имеет n входов и k выходов, и при подаче сигнала на один из входов (обязательно только на один) на выходах появляется двоичный код возбужденного входа. Очевидно, что число выходов и входов в полном шифраторе связано соотношением.

n=2k (7.1).

Рассмотрим принцип построения шифратора на примере преобразования 8-разрядного единичного кода в двоичный код. Схема такого шифратора приведена на рис. 7.2a, а его условное схематичное обозначение — на рис. 7.2б. Если все входные сигналы имеют нулевое значение, то на выходе шифратора будем иметь нулевой код Y0=Y1=Y2=0.

Младший выход, т. е. выход с весовым коэффициентом, равным 1, должен возбуждаться при входном сигнале на любом из нечетных входов, так как все нечетные номера в двоичном представлении содержат единицу в младшем разряде. Следовательно, младший выход — это выход схемы ИЛИ, к входам которой подключены все входы с нечетными номерами. Следующий выход имеет вес два. Он должен возбуждаться при подаче сигналов на входы с номерами 2, 3, 6, 7, т. е. с номерами, имеющими в двоичном представлении единицу во втором разряде. Таким образом, входы элемента ИЛИ должны быть подключены к входным сигналам, имеющим указанные номера.

Старший разряд двоичного кода формируется из входных сигналов с номерами 4, 5, 6 и 7; т. е. из четырех старших разрядов единичного кода.

Как следует из выполненного построения, при помощи шифратора можно сократить (сжать) информацию для передачи ее по меньшему числу линий связи, так как k.

В цифровых системах с помощью шифраторов обеспечивается связь между различными устройствами посредством ограниченного числа линий связи.

Дешифратором называют преобразователь двоичного n-разрядного кода в унитарный 2n — разрядный код, все разряды которого, за исключением одного, равны нулю. Дешифраторы бывают полные и неполные. Для полного дешифратора выполняется условие:

N=2n, (7.2).

где n — число входов, а N — число выходов.

В неполных дешифраторах имеется n входов, но реализуется N<2n выходов. Так, например, дешифратор, имеющий 4 входа и 10 выходов, будет неполным, а дешифратор, имеющий 2 входа и 4 выхода, будет полным.

Рассмотрим принцип построения дешифратора на примере преобразования трехразрядного двоичного кода в унитарный код. Если считать, что входы и выходы упорядочены по возрастающим номерам, т. е. считать, что коду 000 соответствует выход Y0, коду 001 — выход Y1 и т. д., то для полного дешифратора можно записать восемь упорядоченных уравнений:

(7.3).

Реализовать восемь уравнений (7.3) можно с помощью восьми трехвходовых элементов И. Полученная схема дешифратора приведена на рис. 7.3 а, а его условное схематичное изображение приведено на рис. 7.3б.

2. Интегральные микросхемы преобразователей кодов, шифраторов и дешифраторов. Промышленность выпускает большое количество различных микросхем преобразователей кодов, шифраторов и дешифраторов, некоторые из которых приведены в табл.7.1.

Таблица 1 — Интегральные микросхемы преобразователей кодов, шифраторов и дешифраторов.

На базе микросхем, приведенных в табл.7.1, возможно проектирование преобразователей кодов, шифраторов и дешифраторов различной степени сложности. Кроме приведенных специализированных микросхем иногда используют программируемые запоминающие устройства, которые применяют для вывода различных символов на экран монитора при управлении от двоичного кода. К таким элементам относятся микросхемы ПЗУ типа К155РЕ21… К155РЕ24, которые используются в качестве преобразователей двоичного кода в код русского, латинского алфавита, код арифметических и дополнительных символов.

3. Мультиплексоры и демультиплексоры

Мультиплексоры. Мультиплексором называют функциональный узел, который обеспечивает передачу цифровой информации, поступающей по нескольким входным линиям связи, на одну выходную линию. Выбор входной линии, информация с которой поступает на выход, осуществляется при помощи сигналов, поступающих на адресные входы.

Обобщенная схема мультиплексора приведена на рис. 7.4. Мультиплексор MUX (Multiplexer) в общем случае можно представить в виде коммутатора, управляемого входной логической схемой. Входные логические сигналы X, поступают на входы коммутатора и через коммутатор передаются на выход Y. Управление коммутатором осуществляется входной логической схемой. На вход логической схемы подаются адресные сигналы Ak (Adress). Мультиплексоры могут иметь дополнительный управляющий вход Е (Enable), который может выполнять стробирование выхода Y. Кроме этого некоторые мультиплексоры могут иметь выход с тремя состояниями: два состояния 0 и 1 и третье состояние — отключенный выход (выходное сопротивление равно бесконечности). Перевод мультиплексора в третье состояние производится сигналом ОЕ (Output Enable).

Большинство мультиплексоров способно передавать сигналы информации X только в одном направлении — от входа на выход. Однако имеются мультиплексоры, которые могут передавать информационные сигналы в обоих направлениях. Такие мультиплексоры называются двунаправленными. Двунаправленные мультиплексоры способны передавать не только цифровые, но и аналоговые сигналы. В литературе такие мультиплексоры часто называют селекторами-мультиплексорами (Data Selector-Multiplexer).

Интегральные микросхемы мультиплексоров можно разделить на группы по следующим признакам:

• * по числу входов: 2-, 4-, 8- и 16-входовые;
• * по числу мультиплексоров в одном корпусе (числу разрядов);
• * по наличию стробирующего входа Е;
• * по наличию выхода с тремя состояниями (наличию входа ОЕ);
• * по способности передавать сигналы в двух направлениях.

Промышленность выпускает большое количество различных микросхем мультиплексоров.

Применение мультиплексоров с тремя состояниями выходов позволяет легко увеличить число коммутируемых каналов.

Демультиплексоры. Демультиплексором (ДМХ) называют функциональный узел, который обеспечивает передачу цифровой информации, поступающей по одной линии на одну из нескольких выходных линий. Эта линия выбирается при помощи сигналов, поступающих на адресные входы схемы.

Таким образом демультиплексор выполняет преобразование, обратное действию мультиплексора.

Интегральные микросхемы демультиплексоров, так же, как и схемы мультиплексоров, можно разделить на группы по следующим признакам:

• * по числу выходов;
• * по числу демультиплексоров в одном корпусе;
• * по наличию стробирующего импульса Е,
• * по способности передавать сигналы в двух направлениях.

Поскольку функции демультиплексоров сходны с функциями дешифраторов, их условное обозначение сделано одинаковым, а именно ИД. Поэтому такие микросхемы часто называют дешифраторами-демультиплексорами. Так, например, дешифратор К155ИДЗ можно использовать в качестве демультиплексора с форматом (1>16). При этом входы разрешения дешифрации используются в качестве основного входа демультиплексора X, а адресные входы и выходы используются по прямому назначению. В табл.7.2 приведены некоторые схемы демультиплексоров и дешифраторов, которые можно использовать качестве демультиплексоров.

Мультиплексоры-демультиплексоры. Среди схем коммутации можно особо выделить схемы, которые способны пропускать сигналы в обоих направлениях. К таким элементам относятся коммутационные микросхемы, выполненные по технологии КМОП. Коммутаторы КМОП способны пропускать как аналоговые, так и цифровые сигналы, в них можно менять местами вход и выход. Такие элементы выпускаются в следующих сериях интегральных микросхем: К176, К561, К564, КР1561, 1564, 590 и 591.

Для обозначения коммутационных возможностей мультиплексоров и демультиплексоров можно пользоваться записью (1-n), в которой двунаправленная стрелка указывает на двунаправленную передачу сигналов.

Таблица 2 — Интегральные схемы демультиплексоров.

Таблица 3 — Интегральные схемы мультиплексоров-демультиплексоров.

В табл.3 приведены сведения о некоторых ИМС мультиплексоров-демультиплексоров.

мультиплексор интегральный преобразователь микросхема Библиографический список.

• 1. Каган Б. М. Электронные вычислительные машины и системы: Учеб. Пособие для вузов.- 3-еизд., перераб. и доп.-М.: Энергоатомиздат, 1991. 592с.: ил.
• 2. Основы радиоэлектроники: Учебное пособие / Ю. И. Волощенко, Ю. Ю. Мартюшев, И. Н. Никитина и др.; Под ред. Г. Д. Петрухина.-М.: Изд-во МАИ, 1993.-416 сю: ил.
• 3. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника: Справочное руководство. Пер. с нем.-М.: Мир, 1982.-512 с., ил.
• 4. Алексенко А. Г. Шагурин И.И. Микросхемотехника: Учеб. пособие для вузов.-2-е изд., перераб. и доп.- М.: Радио и связь, 1990. 496 с.: ил.
• 5. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники: В 3-х томах: Пер. с англ.- 4-е изд. Перераб. и доп.- М.: Мир, 1993. ил.