Контрольная работа по дисциплине: «Основы микропроцессорной техники»

Рисунок 2.5 - Элемент «И-НЕ»

 

В качестве самостоятельного функционального узла также рассматривается  логический элемент «ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ» или сумматор по модулю 2 (рисунок 2.6). Мнемоническое правило для суммы по модулю 2 с любым количеством входов звучит так: На выходе будет:

- «1» тогда и только тогда,  когда на входе действует нечётное количество,

- «0» тогда и только тогда,  когда на входе действует чётное количество [3].

Рисунок 2.6 - Элемент «ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ»

 

На основе этих элементов изготавливают  комбинационные логические устройства и последовательностные цифровые устройства. Комбинационными называются такие логические устройства, выходные сигналы которых однозначно определяются входными сигналами. К ним относятся:

- шифратор - логическое устройство, выполняющее логическую функцию (операцию) — преобразование позиционного n-разрядного кода в m-разрядный двоичный, троичный или k-ичный код. Двоичный шифратор выполняет логическую функцию преобразования унитарного n-ичного однозначного кода в двоичный. При подаче сигнала на один из n входов (обязательно на один, не более) на выходе появляется двоичный код номера активного входа. Если количество входов настолько велико, что в шифраторе используются все возможные комбинации сигналов на выходе, то такой шифратор называется полным, если не все, то неполным. Число входов и выходов в полном шифраторе связано соотношением:

где

 — число входов,

 — число выходных двоичных разрядов.

-  дешифратор -  это комбинационные схемы с несколькими входами и выходами, преобразующие код, подаваемый на входы в сигнал на одном из выходов. На одном выходе дешифратора появляется логическая единица, а на остальных — логические нули, когда на входных шинах устанавливается двоичный код определённого числа или символа, то есть дешифратор расшифровывает число в двоичном, троичном или k-ичном коде, представляя его логической единицей на определённом выходе. Число входов дешифратора равно количеству разрядов поступающих двоичных, троичных или k-ичных чисел. Число выходов равно полному количеству различных двоичных, троичных или k-ичных чисел этой разрядности.

Для n-разрядов на входе, на выходе  ,   или  . Чтобы вычислить, является ли поступившее на вход двоичное, троичное или k-ичное число известным ожидаемым, инвертируются пути в определённых разрядах этого числа. Затем выполняется конъюнкция всех разрядов преобразованного таким образом числа. Если результатом конъюнкции является логическая единица, значит, на вход поступило известное ожидаемое число.

Из логических элементов являющихся дешифраторами можно строить  дешифраторы на большое число  входов. Каскадное подключение таких  схем позволит наращивать число дифференцируемых переменных.

- мультиплексор - устройство, имеющее несколько сигнальных входов, один или более управляющих входов и один выход. Мультиплексор позволяет передать сигнал с одного из входов на выход; при этом выбор желаемого входа осуществляется подачей соответствующей комбинации управляющих сигналов. Сигналы на адресных входах определяют, какой конкретно информационный канал подключен к выходу. Если между числом информационных выходов   и числом адресных входов   действует соотношение  , то такой мультиплексор называют полным. Если  , то мультиплексор называют неполным. Разрешающие входы используют для расширения функциональных возможностей мультиплексора. Они используются для наращивания разрядности мультиплексора, синхронизации его работы с работой других узлов. Сигналы на разрешающих входах могут разрешать, а могут и запрещать подключение определенного входа к выходу, то есть могут блокировать действие всего устройства.

- демультиплексоры - это логическое устройство, предназначенное для переключения сигнала с одного информационного входа на один из информационных выходов. Таким образом, демультиплексор в функциональном отношении противоположен мультиплексору. 

Демультиплексоры эффективно используются для преобразования последовательного  кода в параллельный.

- сумматор - устройство, преобразующее информационные сигналы в сигнал, эквивалентный сумме этих сигналов. В своей простейшей форме (на рисунке 2.7) сумматор имеет 4 сигнальных линии: пара входов для сигналов, представляющих одноразрядные двоичные числа "А" и "В", выход "S" (сумма "А" и "В") и сигнал переноса "M". Эта схема, которая обеспечивает сложение однобитных чисел "А" и "В", при этом "S" наименее значимый бит, "M" наиболее значимый бит, называется "полусумматор".

Рисунок 2.7 – пример двоичного сумматора

 

Последовательностными называют такие логические устройства, выходные сигналы которых определяются не только сигналами на входах, но и предысторией их работы, то есть состоянием элементов памяти. К ним относятся:

- триггер - класс электронных устройств, обладающих способностью длительно находиться в одном из двух устойчивых состояний и чередовать их под воздействием внешних сигналов. Каждое состояние триггера легко распознаётся по значению выходного напряжения. По характеру действия триггеры относятся к импульсным устройствам — их активные элементы работают в ключевом режиме, а смена состояний длится очень короткое время.

Отличительной особенностью триггера как функционального устройства является свойство запоминания двоичной информации. Под памятью триггера подразумевают способность оставаться в одном из двух состояний и  после прекращения действия переключающего сигнала. Приняв одно из состояний за «1», а другое за «0», можно считать, что триггер хранит один разряд числа, записанного в двоичном коде.

Триггеры подразделяются на две большие группы — динамические и статические. Названы они так по способу представления выходной информации.

Динамический триггер представляет собой управляемый генератор, одно из состояний которого (единичное) характеризуется наличием на выходе непрерывной последовательности импульсов определённой частоты, а другое (нулевое) — отсутствием выходных импульсов. Смена состояний производится внешними импульсами. Динамические триггеры в настоящее время используются редко.

К статическим триггерам относят устройства, каждое состояние которых характеризуется неизменными уровнями выходного напряжения (выходными потенциалами): высоким — близким к напряжению питания и низким — около нуля. Статические триггеры по способу представления выходной информации часто называют потенциальными.

Существуют такие виды триггеров как: асинхронные триггеры, синхронные триггеры, триггеры со статическим управлением, триггеры с динамическим, одно- двухступенчатые триггеры с динамическим управлением, триггеры со сложной логикой.

Типы триггеров:

1)RS-триггер - триггер, который сохраняет своё предыдущее состояние при нулевых входах и меняет своё выходное состояние при подаче на один из его входов единицы.

2)D-триггер - запоминает состояние входа и выдаёт его на выход.

3)T-триггер - при единице на входе Т, по каждому такту на входе С изменяет своё логическое состояние на противоположное, и не изменяет выходное состояние при нуле на входе T.

4)JK-триггер работает так же как RS-триггер, с одним лишь исключением: при подаче логической единицы на оба входа J и K состояние выхода триггера изменяется на противоположное.

- счетчик -  устройство, на выходах которого получается двоичный (двоично-десятичный) код, определяемый числом поступивших импульсов. Счётчики могут строиться на двухступенчатых D-триггерах, T-триггерах и JK-триггерах. Основной параметр счётчика — модуль счёта — максимальное число единичных сигналов, которое может быть сосчитано счётчиком.

Двоичный счетчик. Таблица истинности двоичного счетчика — последовательность двоичных чисел от нуля до 2ⁿ − 1, где n - разрядность счётчика. Наблюдение за разрядами чисел, составляющих таблицу, приводит к пониманию структурной схемы двоичного счетчика. Состояния младшего разряда при его просмотре по соответствующему столбцу таблицы показывают чередование нулей и единиц вида 01010101..., что естественно, т. к. младший разряд принимает входной сигнал и переключается от каждого входного воздействия. В следующем разряде наблюдается последовательность пар нулей и единиц вида 00110011... . В третьем разряде образуется последовательность из четверок нулей и единиц 00001111... и т.д. Из этого наблюдения видно, что следующий по старшинству разряд переключается с частотой, в два раза меньшей, чем данный.

Известно, что счетный триггер  делит частоту входных импульсов  на два. Сопоставив этот факт с указанной  выше закономерностью, видим, что счетчик  может быть построен в виде цепочки  последовательно включенных счетных  триггеров.

- регистр - последовательное или параллельное логическое устройство, используемое для хранения n-разрядных двоичных чисел и выполнения преобразований над ними. Регистр представляет собой упорядоченную последовательность триггеров, число которых соответствует числу разрядов в слове. С каждым регистром обычно связано комбинационное цифровое устройство, с помощью которого обеспечивается выполнение некоторых операций над словами.

Фактически любое цифровое устройство можно представить в  виде совокупности регистров, соединённых  друг с другом при помощи комбинационных цифровых устройств.

Основой построения регистров  являются D-триггеры, RS-триггеры.

Регистры различают по типу ввода (загрузки, приёма) и вывода (выгрузки, выдачи) информации:

1. С последовательным вводом и выводом информации
2. С параллельным вводом и выводом информации
3. С параллельным вводом и последовательным выводом.
4. С последовательным вводом и параллельным выводом.

Использование триггеров  с защёлками с тремя состояниями  на выходе, увеличенная нагрузочная  способность позволяют использовать регистры непосредственно на магистраль в качестве регистров, буферных регистров, регистров ввода-вывода, магистрального передатчика и т. д. без дополнительных схем интерфейса.

В параллельных (статических) регистрах схемы разрядов не обмениваются данными между собой. Общими для  разрядов обычно являются цепи тактирования, сброса/установки, разрешения выхода или  приема, то есть цепи управления. Пример схемы статического регистра, построенного на триггерах типа D с прямыми динамическими входами, имеющего входы сброса и выходы с третьим состоянием, управляемые сигналом EZ.

Последовательные (сдвигающие) регистры представляют собою цепочку  разрядных схем, связанных цепями переноса. Основной режим работы —  сдвиг разрядов кода от одного триггера к другому на каждый импульс тактового  сигнала. В однотактных регистрах  со сдвигом на один разряд вправо слово  сдвигается при поступлении синхросигнала. Вход и выход последовательные. Согласно требованиям синхронизации в  сдвигающих регистрах, не имеющих логических элементов в межразрядных связях, нельзя применять одноступенчатые  триггеры, управляемые уровнем, поскольку  некоторые триггеры могут за время  действия разрешающего уровня синхросигнала  переключиться неоднократно, что  недопустимо. Появление в межразрядных связях логических элементов, и тем  более, логических схем неединичной  глубины упрощает выполнение условий  работоспособности регистров и  расширяет спектр типов триггеров, пригодных для этих схем. Многотактные сдвигающие регистры управляются несколькими  синхропоследовательностями. Из их числа  наиболее известны двухтактные с  основным и дополнительным регистрами, построенными на простых одноступенчатых  триггерах, управляемых уровнем. По такту С1 содержимое основного регистра переписывается в дополнительный, а по такту С2 возвращается в основной, но уже в соседние разряды, что соответствует сдвигу слова. По затратам оборудования и быстродействию этот вариант близок к однотактному регистру с двухступенчатыми триггерами [3].

 

 

 

 

3. Интегральные аналоговые элементы, используемые в микропроцессорных  устройствах

Операционный усилитель (ОУ) - это  дифференциальный усилитель постоянного  тока с очень большим коэффициентом  усиления и несимметричным входом. Прообразом ОУ может служить классический дифференциальный усилитель с двумя  входами и несимметричным выходом. Принцип работы ОУ состоит в том, что выходной сигнал изменяется в положительном направлении, когда потенциал на входе (+) становится более положительным, чем потенциал на входе (-), и наоборот.

Рисунок 3.1 – условное обозначение  операционного усилителя.

 

Символы "+" и "-" – это входы ОУ, "инвертирующий" и "неинвертирующий". Операционные усилители обладают колоссальным коэффициентом усиления по напряжению и практически никогда не используются без обратной связи. Коэффициент усиления схемы без обратной связи так велик, что при наличии замкнутой петли характеристики усилителя зависят только от схемы обратной связи.

На рисунке 3.2 представлен инвертирующий  усилитель.

Рисунок 3.2 – инвертирующий усилитель.

 

Для того чтобы понять, как работает обратная связь, представим себе, что  на вход подан некоторый уровень  напряжения, скажем 1 В. Допустим, что резистор R1 имеет сопротивление 10 кОм, а резистор R2 - 100 кОм. Теперь представим, что напряжение на выходе стало равно 0. Резисторы R1 и R2 образуют делитель напряжения, с помощью которого потенциал инвертирующего входа поддерживается равным 0,91В. Операционный усилитель фиксирует рассогласование по входам, и напряжение на его выходе начинает уменьшаться. Изменение продолжается до тех пор, пока выходное напряжение не достигнет значения -10В, в этот момент потенциалы входов ОУ станут одинаковыми и равными потенциалу земли. Аналогично, если напряжение на выходе начнет уменьшаться и дальше и станет более отрицательным, чем -10В, то потенциал на инвертирующем входе станет ниже потенциала земли, в результате выходное напряжение начнет расти.

Рассмотрим схему на рисунке 3.3.

Рисунок 3.3 – инвертирующий усилитель

 

Анализ ее крайне прост: UA = Uвх. Напряжение UA снимается с делителя напряжения: UA = Uвых R1 / (R1 + R2). Если UA = Uвх, то коэффициент усиления Uвых / Uвх = 1 + R2 / R1. В приближении, которым мы воспользуемся, входной импеданс этого усилителя бесконечен. Если, как в случае с инвертирующим усилителем, мы внимательно рассмотрим поведение схемы при изменении напряжения на входах, то увидим, что она работает, как обещано.