Материал: Физические основы и схемотехника электронных устройств автоматики. Гиоргадзе А.L., Кириллов Ю.В
ГЛАВА 3. СХЕМОТЕХНИКА ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВ И ПРОИСХОДЯЩИЕ В НИХ ПРОЦЕССЫ
3.1. Классификация типовых элементов и устройств цифровой техники
Стремительный прогресс электроники, немыслимый без глубоких исследований и миллиардных капиталовложений, привел к появлению быстро развивающихся областей электронной техники – импульсной и цифровой техники.
Основой электронной техники являются аналоговые, импульсные и цифровые устройства.
Элементную базу цифровых устройств электронной техники составляют интегральные микросхемы (ИМС) и микропроцессоры (МП).
Интегральные микросхемы делятся на аналоговые и цифро-
вые.
Аналоговые ИМС применяются в импульсных устройствах и предназначены для работы с сигналами, которые могут принимать непрерывный во времени ряд значений.
Всвою очередь, аналоговые ИМС подразделяются на специализированные ИМС – для узлов и устройств определенного типа (например, генераторов прямоугольных и пилообразных импульсов) и на универсальные ИМС – для различных узлов и устройств (операционные усилители, компараторы и др.)
Вимпульсных устройствах к ИМС подключаются навесные дискретные радиокомпоненты (резисторы, конденсаторы и др.) с целью регулировки параметров выходных импульсных последовательностей, таких как амплитуда и частота импульсов, скважность.
Цифровые ИМС применяются в цифровых устройствах и предназначены для реализации логических функций, свойства которых изучает булева алгебра. В процессе функционирования цифрового устройства обычно анализируется единственный параметр – уровень напряжения сигнала.
Простейшими типовыми элементами цифровой техники являются логические элементы (ЛЭ) – электронные схемы, выполняющие простейшие логические операции и подразделяющиеся на:
-элементы, реализующие операцию логическое умножение – конъюнкцию (конъюнкторы, элементы И, схемы совпадения);
31
-элементы, реализующие операцию логическое сложение – дизъюнкцию (дизъюнкторы, элементы ИЛИ, схемы собирания);
-элементы, реализующие операцию логическое отрицание – инверсию (инверторы, элементы НЕ);
-базовые логические элементы – элемент И – НЕ (элемент Шеффера) и элемент ИЛИ – НЕ (элемент Пирса).
Ктиповым устройствам цифровой техники относятся:
-вспомогательные устройства, предназначенные для усиления, формирования, задержки, генерирования и т.п. электрических сигналов в цифровых схемах (транзисторные ключи, интеграторы, дифференциаторы, ограничители, формирующие линии, мультивибраторы, блокинг-генераторы и т.п.);
-устройства хранения информации (устройства памяти) – триггеры;
-функциональные устройства, представляющие собой совокупность электрорадиокомпонентов, логических элементов и вспомогательных устройств, объединенных в конструктивно законченную сборочную единицу, и обеспечивающие заданное действие над сигналом. К типовым функциональным устройствам относятся счетчики, регистры, дешифраторы и шифраторы, коммутаторы, компараторы, сумматоры, цифроаналоговые и аналого-цифровые преобразователи, запоминающие устройства.
3.2. Цифровая обработка электрического сигнала
Сигнал является средством передачи информации. В электронных устройствах передача информации осуществляется с помощью электрических сигналов – аналоговых и дискретных.
Цифровая техника – сравнительно новая область в современной электронике. Цифровые устройства работают в дискретном режиме, особенностью которого является практически мгновенный переход из одного состояния в другое.
Большинство сигналов, встречающихся в повседневной жизни, звуковые и видеосигналы, существуют в аналоговой форме. Прежде чем ввести эти сигналы в цифровую систему, необходимо преобразовать их в цифровую форму. После соответствующей об-
32
работки цифровой сигнал снова преобразуется в исходную аналоговую форму (рис. 3.1).
Рис. 3.1
Элементную базу цифровых устройств составляют интегральные микросхемы и микропроцессоры.
Прогресс технологии интегральных микросхем и появление больших интегральных схем (БИС) привели к многократному расширению применения микропроцессоров в компьютерах, системах управления, измерительных приборах и системах регистрации данных.
Основные элементы микропроцессорной системы изображены на рис. 3.2.
Рис. 3.2
Микропроцессор, называемый так же центральным процессором (ЦП), выполняет арифметические и логические операции в соответствии с программой, хранимой в памяти. Работа всех элементов системы синхронизируется и управляется центральным процессором.
33
Архитектура микропроцессора или организация микрокомпьютерной системы представлена на рис. 3.3. Показаны функциональные связи между различными элементами типичной микропроцессорной системы.
Рис. 3.3
Микропроцессор – это однокристаллическая микросхема, содержащая все необходимые схемы для интерпретации и выполнения команд программы на языке обработки данных, логических и арифметических операций, синхронизации и управления системой.
Микропроцессоры обычно монтируются в 40-штырьковом плоском корпусе с двухрядным расположением выводов (рис. 3.4)
Рис. 3.4
3.3. Электронные ключи
Транзисторы, несмотря на то, что начальный ток коллектора возрастает с повышением температуры окружающей среды и это приводит к изменению характеристик транзистора, широко применяются в различных импульсных и цифровых устройствах.
Работа транзистора в импульсном режиме иначе называемой ключевым или режимом переключения, имеет ряд особенностей.
34
3.3.1. Импульсный режим работы транзисторного ключевого каскада
Рабочим режимом транзистора является режим, когда транзистор работает с нагрузкой Rн в выходной цепи. Обычно сопротивление нагрузки во много раз меньше выходного сопротивления Rвых самого транзистора.
Рассмотрим импульсный (ключевой) режим работы транзистора с помощью его выходных характеристик.
В каскадах с транзисторами применяют обычно питание от одного источника – источника выходной цепи Е2 (рис. 3.5).Для нормального режима работы транзистора необходимо, чтобы эмиттерный переход находился под постоянным напряжением в десятые доли вольта – напряжение смещения базы. Подача некоторого напряжения смещения от источника питания коллекторной цепи осуществляется с помощью резистора или делителя. На (рис. 3.5) показана подача напряжения смещения на базу транзистора в схеме ОЭ.
Рис. 3.5
Разделительный конденсатор Cp в схеме служит для передачи на вход транзистора усиливаемого переменного напряжения и
35