Компьютерная схемотехника (стр. 8 из 32)

На рисунке 4.16 показано объединение нескольких логических элементов с открытым коллектором на общий выход.

Рисунок 4.16

Для нулевых сигналов на выходах логических элементов ЛЭ1...ЛЭ3 (соответствующий выходной транзистор открыт) данная схема выполняет функцию “монтажное ИЛИ”: при появлении логического нуля хотя бы на одном из выходов логических элементов выходной сигнал также будет равен нулю.

Для единичных сигналов на выходах логических элементов ЛЭ1...ЛЭ3 (соответствующий выходной транзистор закрыт) схема выполняет функцию “монтажное И”: выходной сигнал равен единице лишь при одновременном появлении логических единиц на выходах всех логических элементов.

За счет технологии изготовления выходного транзистора и получения от него заданных характеристик элементы с открытым коллектором обладают более высокой нагрузочной способностью, чем обычные ЛЭ, поэтому могут использоваться для подключения нагрузок типа тиристоров, реле, индикаторов (светодиодов) и т.п. (рисунок 4.17).

Рисунок 4.17

При этом необходимо обеспечить выполнение условия

,(4.14)

где Iн – ток нагрузки;

– значение допустимого тока, который может протекать через открытый выходной транзистор логического элемента (рисунок 4.17).

На рисунке 4.17.1 показан пример подключения на выход ЛЭ с открытым коллектором светодиода VD.

Рисунок 4.17.1

Когда с выхода ЛЭ снимается логический 0, выходной транзистор VT открыт, и светодиод VD оказывается включенным в прямом направлении. При протекании через VD прямого тока последний зажигается. Ток Iн равен току зажигания светодиода Iзаж.VD, который составляет £20 mA. Падение напряжения на открытом диоде UVD.пр составляет (1,7…2) В. Резистор R ограничивает величину прямого тока и рассчитывается по формуле:

(4.14.1)

Например, если Ek=5 B; UVD.пр=2 В; Iзаж.VD=20 mA, то R=(5-2)/(20*10-3)=150 Ом.

4.15 Логические элементы с третьим состоянием

Один из наиболее широко используемых способов подключения логических элементов на общий выход основан на применении в их выходных цепях электронных буферных схем, способных под действием управляющих сигналов либо подключать к нагрузке выходной логический сигнал, принимающий значения (состояния) 0 или 1, либо отключать выход от нагрузки (переводить его в так называемое 3-е (высокоимпедансное, Z-состояние)).

Ниже показаны: обозначение логического элемента (повторителя) с тремя состояниями на электрических схемах (рисунок 4.18,а) и принципиальная схема его выходного каскада, обеспечивающего 3 состояния выходного сигнала: логический 0; логическую 1 и 3-е (Z) состояние (рисунок 4.18,б).

Рисунок 4.18

В поле функционального обозначения логических элементов с тремя состояниями имеется специальный символ

.

Помимо основных входов, на которые подаются входные логические переменные, подобные элементы содержат управляющий вход “Выбор кристалла” - CS, активным сигналом на котором, как правило, является логический 0 (рисунок 4.18,а).

Три состояния выходных сигналов обеспечиваются управляющими сигналами на базах транзисторов VT1 и VT2 (рисунок 4.18,б):

Единичное состояние – на базе VT1 - единица (транзистор - открыт); на базе VT2 - нуль (транзистор - закрыт) и с выхода снимается логическая 1;

Нулевое состояние – на базе VT1 - нуль (транзистор закрыт); на базе VT2 - единица (транзистор - открыт) и с выхода снимается логический 0;

Z - состояние – на базах VT1 и VT2 - логические нули (оба транзистора закрыты) и выход оборван от общей шины (находится в высокоимпедансном (Z) состоянии).

Элементы с тремя состояниями широко используются в микропроцессорной технике для подключения выходов различных устройств микропроцессорной системы к общей шине.

5.РЕАЛИЗАЦИЯ ЛОГИЧЕСКИХ ФУНКЦИЙ в разных базисах

5.1 Базисные наборы ЛЭ и их взаимосвязь

Существует несколько базисных (функционально полных) наборов логических элементов, на которых можно реализовывать любую переключательную функцию:

1) И, ИЛИ, НЕ;

2) И – НЕ;

3) ИЛИ - НЕ.

Для реализации ПФ, представленной булевым выражением в ДНФ или КНФ, достаточно трех ЛЭ: И, ИЛИ, НЕ, поэтому этот набор считается функционально полным или базисным (базисом).

На практике более широко используются базисы И-НЕ или ИЛИ-НЕ. Это связано с тем, что уменьшение номенклатуры элементов до одного типа упрощает проектирование устройства и его ремонт. Кроме того, наличие в этих элементах инвертора (усилителя) повышает нагрузочную способность элемента (усиливает сигнал).

Используя тождества и теоремы булевой алгебры, можно преобразовать выражения ПФ, записанные в виде комбинации функций И, ИЛИ, НЕ, к виду, который может быть реализован элементами базиса И-НЕ, ИЛИ-НЕ. Сказанное отражает таблица 5.1.

Таблица 5.1

Элемент	Логические операции
	НЕ	И	ИЛИ
И-НЕ
ИЛИ-НЕ

Ниже показана схемная реализация функций НЕ, И, ИЛИ в базисах И-НЕ (рисунок 5.1, а, б, в) и ИЛИ-НЕ ( рисунок 5.1 ,г, д, е).

Рисунок 5.1

Функцию И-НЕ называют функцией Шеффера (штрихом Шеффера), обозначая её в виде F = AêB, а функцию ИЛИ-НЕ - функцией Пирса (стрелкой Пирса), обозначая её в виде А¯В. Базис И-НЕ называют базисом Шеффера, а базис ИЛИ-НЕ - базисом Пирса.

5.2 Реализация логических функций в различных базисах

5.2.1 Реализация элемента “Равнозначность” (исключающее ИЛИ - НЕ)

На выходе такого элемента должна быть логическая 1, если на входах одновременно присутствуют одинаковые логические переменные (единицы или нули).

Булево выражение логической функции, соответствующей рассматриваемому элементу имеет вид

.(5.1)

Очевидно, что данное выражение легко реализуется элементами базиса И, ИЛИ, НЕ.

Используя теорему де Моргана и тождества булевой алгебры, преобразуем выражение (5.1) к виду, позволяющему реализовать функцию “равнозначность” в базисе И-НЕ (5.2) и ИЛИ-НЕ (5.3)

,(5.2)

.(5.3)

Ниже показаны функциональные схемы элемента “равнозначность” на ЛЭ базисов И, ИЛИ, НЕ (рисунок 5.2,а); И-НЕ (рисунок 5.2,б) и ИЛИ-НЕ (рисунок 5.2,в).

А Б

В

Рисунок 5.2

5.2.2 Реализация элемента “Неравнозначность” (исключающее ИЛИ, сумма по модулю два)

На выходе такого элемента должна быть логическая 1, если на входах присутствуют неравнозначные логические переменные:

F = 1, если А = 1, В = 0 или А = 0, В = 1.

Булево выражение логической функции рассматриваемого элемента имеет вид

.(5.4)

Это выражение может быть легко реализовано элементами базиса И, ИЛИ, НЕ. Применяя теорему де Моргана и тождества булевой алгебры, преобразуем выражение (5.4) к виду, позволяющему реализовать функцию “неравнозначность” в базисе И-НЕ (5.5) и ИЛИ-НЕ (5.6).

,(5.5)

.(5.6)

Ниже показаны функциональные схемы элемента “неравнозначность” на ЛЭ базисов И, ИЛИ, НЕ (рисунок 5.3, а); И-НЕ (рисунок 5.3, б) и ИЛИ-НЕ (рисунок 5.3, в).