У лекції розповідається про комбінаційних мікросхемах: Шифратори, дешифратор, мультиплексорах і компараторах кодів, про їх алгоритмах роботи, параметрах, типових схемах включення, а також про реалізацію на їх основі деяких часто зустрічаються функцій.
Комбінаційні мікросхеми виконують більш складні функції, ніж прості логічні елементи. Їх входи об'єднані у функціональні групи і не є повністю взаємозамінними. Наприклад, будь-які два входи логічного елемента І-НЕ абсолютно спокійно можна поміняти місцями, від цього вихідний сигнал ніяк не зміниться, а для комбінаційних мікросхем це неможливо, так як у кожного входу - своя особлива функція.
Об'єднує комбінаційні мікросхеми з логічними елементами то, що вони не мають внутрішньої пам'яті. Тобто рівні їх вихідних сигналів завжди однозначно визначаються поточними рівнями вхідних сигналів і ніяк не пов'язані з попередніми значеннями вхідних сигналів. Будь-яка зміна вхідних сигналів обов'язково змінює стан вихідних сигналів. Саме тому логічні елементи іноді також називають комбінаційними мікросхемами, на відміну від послідовних (або послідовних) мікросхем, які мають внутрішню пам'ять і керовані не рівнями вхідних сигналів, а їх послідовностями.
Строго кажучи, всі комбінаційні мікросхеми всередині побудовані з найпростіших логічних елементів, і ця їхня внутрішня структура часто наводиться в довідниках. Але для розробника цифрової апаратури ця інформація зазвичай зайва, йому досить знати тільки таблицю істинності, тільки принцип перетворення вхідних сигналів у вихідні, а також величини затримок між входами і виходами і рівні вхідних і вихідних струмів і напруг. Внутрішня ж структура важлива для розробників мікросхем, а також в тих рідкісних випадках, коли треба побудувати нову комбінаційну мікросхему з мікросхем простих логічних елементів.
Склад набору комбінаційних мікросхем, що входять в стандартні серії, був визначений виходячи з найбільш часто зустрічаються завдань. Необхідні для цього функції реалізовані в комбінаційних мікросхемах найбільш оптимально, з мінімальними затримками і мінімальним споживанням потужності. Тому намагатися повторити цю вже виконану одного разу роботу не варто. Треба просто вміти грамотно застосовувати те, що є.
Дешифратори і шифратори
Функції дешифраторів і шифраторів зрозумілі з їх назв. Дешифратор перетворює вхідний двійковий код в унітарний код (номер вихідного сигналу) (дешифрирует код), а шифратор перетворює номер вхідного сигналу у вихідний двійковий код (шифрує номер вхідного сигналу). Кількість вихідних сигналів дешифратора і вхідних сигналів шифратора дорівнює кількості можливих станів двійкового коду (вхідного коду у дешифратора і вихідного коду у шифратора), тобто 2 n. де n - розрядність двійкового коду (рис. 5.1). Мікросхеми дешифраторів позначаються на схемах буквами DC (від англійського Decoder), а мікросхеми шифраторів - CD (від англійського Coder).
Мал. 5.1. Функції дешифратора (зліва) і шифратора (праворуч)
На виході дешифратора завжди присутній тільки один сигнал, причому номер цього сигналу однозначно визначається вхідним кодом. Вихідний код шифратора однозначно визначається номером вхідного сигналу.
Мал. 5.2. Приклади мікросхем дешифраторів
Код на входах 1, 2, 4, 8 визначає номер активного виходу (вхід 1 відповідає молодшому розряду коду, вхід 8 - старшому розряду коду). Входи дозволу С1, С2, С3 об'єднані по функції І і мають зазначену на малюнку полярність. Для прикладу в табл. 5.1 наведена таблиця істинності дешифратора ІД7 (3-8). Існують і дешифратори 4-10 (наприклад, ІД6), які обробляють не всі можливі 16 станів вхідного коду, а тільки перші 10 з них.
Перші три рядки таблиці відповідають забороні вихідних сигналів. Дозволом виходу буде одиниця на вході С1 і нулі на входах С2 і С3. Символ "Х" позначає байдуже стан даного входу (неважливо, нуль або одиниця). Нижні вісім рядків відповідають вирішенню вихідних сигналів. Номер активного виходу (на якому формується нульовий сигнал) визначається кодом на входах 1, 2, 4, причому вхід 1 відповідає молодшому розряду коду, а вхід 4 - старшому розряду коду.
Таблиця 5.1. Таблиця істинності дешифратора 3-8 (ІД7)
Найбільш типове застосування дешифраторів полягає саме в дешифруванні вхідних кодів, при цьому входи С використовуються як стробирующие, керуючі сигнали. Номер активного (тобто нульового) вихідного сигналу показує, який вхідний код надійшов.
Мал. 5.5. Включення дешифратора як демультиплексор
Як і для будь-яких інших цифрових мікросхем, для дешифраторів найбільш критична ситуація одночасного або майже одночасного зміни вхідних сигналів. Наприклад, якщо строби З завжди дозволяють роботу дешифратора, то в момент зміни вхідного коду на будь-який вихід дешифратора можуть з'явитися паразитні негативні короткі імпульси. Це може бути пов'язано як з неодночасним виставленням розрядів коду (через недосконалість мікросхем джерел коду або через різні затримок поширення по лініях зв'язку), так і з внутрішніми затримками самих мікросхем дешифраторів.
Мал. 5.6. Стробування вихідних сигналів дешифратора
Якщо такі паразитні імпульси потрібно виключити, то можна застосовувати синхронізацію за допомогою стробирующих сигналів. Використовуваний для цього сигнал С повинен починатися після поточного зміни коду, а закінчуватися до наступного зміни коду, тобто повинен бути реалізований вкладений цикл. На рис. 5.6 показано, як буде виглядати вихідний сигнал дешифратора без стробування і зі стробированием.
Мал. 5.7. Позиційна індикація на дешифраторі з виходами ОК
Дешифратори, що мають виходи типу ОК (ІД5, ІД10), зручно застосовувати в схемах позиційної індикації на світлодіодах. На рис. 5.7 наведено приклад такої індикації на мікросхемі ІД5, яка представляє собою два дешифратора 2-4 з об'єднаними входами для подачі коду і стробами, що дозволяють легко будувати дешифратор 3-8. При цьому старший розряд коду вибирає один з дешифраторів 2-4 (нуль відповідає верхньому по схемі дешифратор, а одиниця - нижньому). Тобто в даному випадку номер палаючого світлодіода дорівнює вхідному коду дешифратора. Така індикація називається позиційною.
На рис. 5.9 показані для прикладу дві мікросхеми шифраторів ІВ1 і ІВ3. Перша має 8 входів і 3 виходи (шифратор 8-3), а друга - 9 входів і 4 виходи (шифратор 9-4). Всі входи шифраторів - інверсні (активні вхідні сигнали - нульові). Всі виходи теж інверсні, тобто формується інверсний код. Мікросхема ІВ1, крім 8 інформаційних входів і 3 розрядів вихідного коду (1, 2, 4), має інверсний вхід дозволу -ЕI, вихід ознаки приходу будь-якого вхідного сигналу -GS, а також вихід перенесення -EO, що дозволяє об'єднувати декілька шифраторів для збільшення розрядності .
Мал. 5.9. мікросхеми шифраторів
Стандартне застосування шифраторів полягає в скороченні кількості сигналів. Наприклад, в разі шифратора ІВ1 інформація про восьми вхідних сигналах згортається в три вихідних сигнали. Це дуже зручно, наприклад, при передачі сигналів на великі відстані. Правда, вхідні сигнали не повинні приходити одночасно. На рис. 5.10 показані стандартна схема включення шифратора і тимчасові діаграми його роботи.
Мал. 5.10. Стандартне включення шифратора
Інверсія вихідного коду призводить до того, що при приході нульового вхідного сигналу на виході формується не нульовий код, а код 111, тобто 7. Точно так же при приході, наприклад, третього вхідного сигналу на виході утворюється код 100, тобто 4, а при приході п'ятого вихідного сигналу - код 010, тобто 2.
Мультиплексори (англійське Multiplexer) призначені для почергового передачі на один вихід одного з декількох вхідних сигналів, тобто для їх мультиплексування. Кількість мультіплексіруемих входів називається кількістю каналів мультиплексора, а кількість виходів називається числом розрядів мультиплексора. Наприклад, 2-канальний 4-розрядний мультиплексор має 4 виходи, на кожен з яких може передаватися один з двох вхідних сигналів. А 4-канальний 2-розрядний мультиплексор має 2 виходи, на кожен з яких може передаватися один з чотирьох вхідних сигналів. Число каналів мультиплексорів, що входять в стандартні серії, становить від 2 до 16, а число розрядів - від 1 до 4, причому чим більше каналів має мультиплексор, тим менше у нього розрядів.
На рис. 5.12 показані для прикладу кілька мікросхем мультиплексорів зі складу стандартних серій. У вітчизняних серіях мультиплексори мають код типу мікросхеми КП. На схемах мікросхеми мультиплексорів позначаються буквами MS.
Мал. 5.12. Приклади мікросхем мультиплексорів
Таблиця 5.3. Таблиця істинності 8-канального мультиплексора
У табл. 5.3 як приклад наведена таблиця істинності однорозрядного 8-канального мультиплексора з виходами 3С (КП15).
У таблиці сигнали на входах 0. 7 позначені D0. D7, прямий вихід - Q, інверсний вихід - -Q, Z - третій стан виходу. При одиниці на вході -EZ обидва виходи знаходяться в третьому стані. При нулі на вході -EZ вихідний сигнал на прямому виході повторює стан вхідного сигналу, номер якого задається вхідним кодом на входах 1, 2, 4. Сигнал на інверсному виході протилежний по полярності сигналу на прямому виході.
На рис. 5.13 приведена тимчасова діаграма роботи 4-канального мультиплексора. Залежно від вхідного коду на вихід передається один з чотирьох вхідних сигналів. При заборону роботи на виході встановлюється нульовий сигнал незалежно від вхідних сигналів.
Мал. 5.13. Тимчасова діаграма роботи 4-канального мультиплексора з дозволом
Мікросхеми компараторов кодів (англійське Comparator) застосовуються для порівняння двох вхідних кодів і видачі на виходи сигналів про результати цього порівняння (про рівність або нерівність кодів). На схемах компаратори кодів позначаються двома символами рівності: "= =". Код типу мікросхеми компаратора коду в вітчизняних серіях - СП.
Прикладом такої мікросхеми може служити СП1 - 4-х розрядний компаратор кодів, що порівнює величини кодів і видає інформацію про те, який код більше, або про рівність кодів (рис. 5.16).
Крім восьми входів для порівнюваних кодів (два 4-х розрядних коду, що позначаються А0. А3 і В0. В3), компаратор СП1 має три керуючих входу для нарощування розрядності (А> B, A
Мал. 5.16. 4-х розрядний компаратор кодів СП1 (два варіанти позначення)
Таблиця істинності компаратора кодів (табл. 5.4) здається на перший погляд досить складною, але насправді все просто.
Якщо використовується одиночна мікросхема, то для її належного функціонування достатньо подати одиницю на вхід A = B, а стану входів AB не важливі, на них можна подати як нуль, так і одиницю. Призначення виходів зрозуміло з їх назви, а полярність вихідних сигналів позитивна (активний рівень - одиниця).
Таблиця 5.4. Таблиця істинності компаратора СП1
Входи порівнюваних кодів