Что такое электронные схемы: цифровая схемотехника? Значение электронные схемы: цифровая схемотехника в энциклопедии Кольера

К статье ЭЛЕКТРОННЫЕ СХЕМЫ Хотя в аналоговых и цифровых электронных схема х используются одни и те же основные схемные элемент ы, такие, как резисторы, конденсаторы, диоды и транзисторы, между этими двумя классами электронных схем существует резкое различие . Как отмечалось выше , в цифровых схемах используются всего два уровня схемных напряжений или токов, поэ тому такие схемы часто называют двоичными или логическими. И хотя имеют место плавные переходы между двумя состояниями, их стараются сделать максимально быстрыми, чтобы можно было считать , что они происходят мгновенно . Но для быстродействующих схем конструктор , разумеется, должен учитывать длительность переходов из одно го состояния в друг ое. Существуют буквально тысячи серийно выпускаемых типов схем для использования в цифровой электронике; по существу, все они представляют собой интегральные схемы в широком диапазоне - от простых схем из нескольких транзисторов (малые интегральные схемы, или МИС) до весьма сложных "компьютеров на кристалле", содержащих в себе сотни тысяч транзисторов (сверхбольшие интегральные схемы, или СБИС ). В своем большинстве эти схемы строятся из базовых блоков двух типов. Первый из них охватывает схемы, выполняющие основные логические операции ; такие схемы называются комбинационными логическими схемами и отличаются тем, что их выход ное состояние ( напряжение или ток) в любой данный момент определяется состоянием их вход ов в тот же самый момент. Ко второму типу относятся схемы, содержащие память , вследствие чего их мгновенное состояние зависит не только от текущего состояния их входов, но и от предыстории их состояний. Такие схемы называют последовательностными логическими схемами. Как для комбинационных, так и для последовательностных логических схем выходные состояния определяются двумя уровнями напряжения; названия этих состояний (напряжений) выбирают из следующего набора пар: высокое или низкое, истинное или ложное, включенное или выключенное и единица или нуль . Хотя используются все эти пары , последняя из них (единица или нуль) получила большее распространение . Реальные значения двух выбранных уровней напряжения в целом несущественны; важно лишь , что они должны быть легко отличимы друг от друга. Для большинства широко распространенных логических приборов - т.н. схем транзистор-транзисторной логики, или ТТЛ-семейства, - уровни напряжения между 2,5 и 5,0 В считают логической единицей, а уровни от 0 до 0,75 В - логическим нулем. Уровни напряжений, находящиеся между этими диапазонами, игнорируются. Следует отметить , что существует несколько семейств логических устройств, в каждом из которых приняты свои пределы значений для уровней напряжений. Комбинационные схемы. Хотя такие схемы могут выполнять сложные логические функции , последние можно разделить на три базовые, из которых нетрудно получить более сложные. Первая из таких базовых функций - логическая инверсия (логическое НЕ); схема, выполняющая эту функцию, называется инвертором или инвертирующим логическим вентилем. На рис. 6 приведены символ , используемый для инвертора, и таблица значений, получаемых на выходе при том или ином входном сигнал е. Такая таблица называется таблицей истинности и служит удобным способом представления возможных характеристик вход-выход логических схем. (Отметим, что из-за двоичной системы логических сигналов таблицы истинности имеют ограниченное число возможных входных сигналов.) Черточка над логической переменной указывает на логическую инверсию данной переменной. Вторая базовая логическая операция, выполняемая цифровыми электронными схемами, - это логическое произведение двух или большего числа входных сигналов. Такая функция известна под названием логического И, а схему называют логическим элементом И. Функция И двух или большего числа входов принимает значение логической единицы только тогда , когда все входы одновременно являются логическими единицами. На рис. 7 представлены символ, используемый для логического элемента И (в данном случае для двух входов), и соответствующая таблица истинности. Как пока зано на этом рисунке, функция И обозначается точкой, как в выражении A?B. Третья логическая операция - логическая сумма , или функция ИЛИ. Различаются две ее разновидности. Функция "Включающее ИЛИ" двух логических переменных принимает значение логической единицы, когда не обе переменные, а любая из них имеет значение логической единицы. На рис. 8 показан символ, используемый для логического элемента "Включающее ИЛИ", и приведена соответствующая таблица истинности. На рис. 9 приведены символ и таблица истинности для логического элемента "Исключающее ИЛИ". Операция "Включающее ИЛИ" обозначается символом +, а операция "Исключающее ИЛИ" - символом ?. Используя описанные выше типы логических элементов, разработчики могут создавать системы высокой сложности, позволяющие выполнять любые логические операции над входными переменными. После довательностные схемы. Схемы, у которых выходы зависят не только от текущих значений сигналов на входах, но также и от предыстории состояний этих входов, нуждаются, помимо комбинационных схем, еще в одном типе элемента. Такого рода дополнительный элемент меняет свой выходной сигнал особым образом в зависимости от состояний на входах и может запоминать свое состояние. Этот элемент часто называют триггер ом, более точный термин - мультивибратор с двумя устойчивыми состояниями. На выходе мультивибратора может быть лишь одно из двух логических состояний (т.е. единица или нуль), и это состояние будет оставаться неизменным, пока не произойдет новое событие , которое и вызовет изменение данного стабильного состояния. Используются и другие виды мультивибраторов (хотя и не в качестве устройств памяти). В ждущем мультивибраторе (одновибраторе) только одно из выходных состояний устойчиво; при вводе внешнего сигнала это состояние может измениться , но лишь на некоторое время , по истечении которого схема возвращается в свое исходное состояние. Мультивибратор с одним устойчивым состоянием может генерировать импульсы фиксированной длительности из приходящего на вход сигнала. Наконец , несинхронизированный мультивибратор - автогенератор несинусоидальных колебаний - может быть полезен для генерации непрерывных последовательностей (серий) импульсов, или "тактовых" сигналов. Один из наиболее распространенных типов триггеров - J-K-триггер. На рис. 10 представлены обозначение такого триггера и таблица истинности с его операционными характеристиками. Этот триггер имеет J- и K-входы логических сигналов, вход тактовых (синхронизирующих) сигналов, два входа управления (предварительная установка и предварительный сброс ), через которые на выходе Q устанавливаются соответственно логическая единица или логический нуль независимо от других входов. Любое изменение на выходе может происходить только в связи с изменением тактовых сигналов на входе (синхронная работа ). В таблице на рис. 10 приведены текущие состояния входов J и K, а также выхода Q, и показано, что следующее состояние Q+ появится на выходе только после прихода тактового сигнала. Данная таблица похожа на таблицы истинности для приведенных выше комбинационных схем, за исключением того , что здесь в явной форме присутствует время. Отметим, что если на входе J имеется логическая единица, а на K - логический нуль, то на выходе Q после прихода тактового сигнала установится логическая единица, причем это произойдет независимо от того, что было до прихода тактового сигнала. Если на входе J логический нуль, а на K - логическая единица, то после прихода тактового импульса на выходе Q установится логический нуль. Если на обоих входах J и K имеются логические нули, то выход Q с приходом тактового сигнала не изменится. Если же на обоих входах J и K имеются логические единицы, то после прихода тактового импульса на выходе установится значение, инверсное по отношению к тому, которое было перед приходом тактового сигнала. Эти четыре режима называют соответственно: установка, сброс, без изменений (или запоминание ) и переключательный режим. Рассмотренные здесь базовые вентили комбинаторной логики и триггер представляют собой элементы цифровых электронных схем, используемых в широком диапазоне применений - от простых счетных устройств до сложных схем кодирования и универсальных компьютеров. См. также КОМПЬЮТЕР .