Вспомогательные элементы цифровых узлов и устройств

К числу вспомогательных отнесем элементы, не выполняющие логические операции или запоминание данных, но необходимые для построения ЦУ: элементы задержки, формирования и генерации импульсных сигналов, а также их визуальной индикации.

Элементы задержки

Задержки цифровых сигналов требуются прежде всего для временного со­гласования распространения сигналов по различным путям в ЦУ с целью борьбы с критическими временными состязаниями, нарушающими работо­способность автоматов с памятью.

Вариант технической реализации элементов задержки зависит от требуемых значений параметров задержки сигналов, а именно: величины, стабильно­сти, регулируемости и т. д. На практике применяют различные варианты реализации задержек: отрезки обычных или специальных коаксиальных ка­белей, цепочки логических элементов, искусственные электромагнитные линии задержки, RC-цепочки, одновибраторы, схемы деления частоты'так­товых сигналов. Остановимся на самых типичных для ЦУ вариантах — це­почках логических элементов и RC-цепочках.

В первом случае используется естественная инерционность логических эле­ментов. При составлении из нескольких логических элементов последова­тельной цепочки можно суммировать задержки отдельных элементов. Для целей задержки естественно применять простейшие элементы-инверторы или повторители. Это удобный способ — в простейшем корпусе МИС уже размещены 6 инверторов или повторителей. Задержку можно регулировать дискретно, изменяя число элементов в цепочке. Если цепочка составлена из инверторов, то при четном их числе получается просто задержка сигнала, при нечетном — задержка с инверсией. Величины получаемых задержек обычно подходят к требуемым, т. к. требуется компенсация разновременно­сти распространения сигналов в цепях, также составленных из логических элементов. Точность задержки ограничивается разбросом собственных за­держек элементов и невысока.

Задержку на большее время можно получить с помощью RC-цепочки, включаемой в цепь передачи сигнала (рис. 1.12), где она формирует экспо­ненциальные процессы перезаряда емкости через резистор R с постоянной времени RC. Если считать пороговым напряжением середину логического перепада, то время задержки t_d = RC-ln2 = 0,7RC (индекс d происходит от английского delay, что означает задержку). После RC-пепочки в схеме включены три инвертора для формирования достаточно крутых фронтов на выходе элемента задержки.

Имеется существенная разница в условиях применения RC-цепочек в схемах на МОП-транзисторах и в схемах на биполярных приборах. В первом случае входные токи элементов пренебрежимо малы и включение на входе логиче­ского элемента даже большого сопротивления вполне допустимо. Во втором случае входные токи элементов значительны, поэтому в их входные цепи можно включать лишь малые сопротивления (иначе произойдут недопусти­мые изменения уровней напряжения U₀ и U₁ из-за падений напряжения на резисторе R). Нередко допустимые значения сопротивления резистора R со­ставляют в этом случае величину порядка сотен Ом. При малых значениях сопротивления R постоянную времени придется увеличивать за счет больших емкостей С, что не всегда удобно по конструктивным соображениям.

Рис. 1.12. Схема задержки с RС-цепочкой

С увеличением постоянной времени RC напряжение на емкости при пере­ключениях становится все более пологим. При этом свойственный логиче­ским элементам разброс пороговых напряжений будет вызывать все боль­ший разброс задержек. Таким образом, чем больше задержка, тем менее точной она становится. Кроме того, для некоторых элементов (типа КМОП) слишком длительные фронты входных сигналов недопустимы по паспорт­ным данным. Нежелательны затянутые фронты и для элементов ТТЛ(Ш) с их сквозными токами. Поэтому в схеме (рис. 1.12) первые элементы цепи формирования имеют выход с ОК, в котором не возникают сквозные токи.

Перед повторным срабатыванием схема должна восстановиться, для чего длительность постоянного уровня входного напряжения должна быть око­ло 3RC.

В схемах ЦУ задержки на RC-цепочках могут составлять величины до еди­ниц миллисекунд.

Цепочки RC используются не только непосредственно, но и в форме время-задающих цепей одновибраторов, которые также являются элементами, пригодными для использования в качестве задержек цифровых сигналов (фронтов). Одновибраторы имеют одно устойчивое состояние, которое явля­ется исходным. Входной сигнал переводит одновибратор в квазиустойчивое состояние, в котором он находится в течение времени, определяемого пара­метрами схемы одновибратора. Затем одновибратор возвращается в свое ус­тойчивое состояние. При этом формируется фронт, который служит выход­ным сигналом. Значит, длительность квазиустойчивого состояния одновибратора, т. е. длительность формируемого им одиночного импульса, и есть время задержки сигнала. Одновибратор является релаксационной схемой, способной формировать крутые фронты благодаря наличию в ней положи­тельной обратной связи. Задержку сигнала в ЦУ при наличии обычных для них синхросигналов можно получить с помощью счетчиков. При этом входной сигнал должен разрешать работу счетчика, находящегося в нулевом исходном состоянии. Счетчик начнет подсчитывать синхросигналы, а при его переполнении вы­работается выходной сигнал. Таким образом, осуществится задержка t_d = NT, где N — емкость счетчика, Т — период синхроимпульсов.

Сравнительно недавно в номенклатуре ИС, появились специальные элементы задержки. На рис. 1.13 показан фрагмент схемы такого элемента, предназна­ченный для задержки отрицательного фронта. Положительные фронты вход­ного импульсного сигнала задерживаются другой схемой подобного вида.

В схеме (рис. 1.13) в исходном состоянии высокий уровень входного напря­жения насыщает транзистор Т, и на неинверсный вход 2 дифференциаль­ного усилителя-компаратора поступает малое напряжение "коллектор-эмиттер" этого транзистора. На инверсный вход 1 поступает более высокое напряжение с делителя, образованного резистррами R₂ и R_np, причем в схе­ме имеется возможность регулирования этого напряжения, т. к. сопротивле­ние R_np может программироваться пропусканием через него тока Iпр. После завершения режима программирования .значение R_np остается неизменным.

Поступление отрицательного фронта входного напряжения запирает транзи­стор Т, и емкость начинает заряжаться от источника питания через резистор R₁ с постоянной времени R₁C. Когда напряжение на емкости достигнет на­пряжения, установленного на верхнем входе усилителя-компаратора, он пе­реключится и выработает выходной сигнал

Рис. 1.13. Фрагмент схемы интегрального элемента задержки

В номенклатуре отечественных ИС появились три элемента задержки на 100, 125 и 150 нc с пятью равномерными отводами у каждого.

С помощью элементов задержки и простых логических схем решаются зада­чи формирования импульсов по длительности и генерации импульсных по­следовательностей.

Формирование импульсов по длительности

К задачам формирования импульсов по длительности относятся расшире­ние, сужение и стандартизация их длительности. Эти операции реализуются схемой (рис. 1.14, а). Если конкретизировать функцию F, считая ее дизъ­юнкцией, то, как видно из временных диаграмм на рис. 1.14, б, схема будет расширять входной импульс на интервал, равный времени задержки t_d. Если понимать под функцией F конъюнкцию и рассмотреть временные диаграм­мы (рис. 1.14, в), то можно видеть, что схема дает сужение входного им­пульса на величину t_d. Если , то будет выполнена стандартизация длительности импульса. Выходной импульс будет иметь длительность t_d, не­зависимо от длительности входного (при t_вх > t_d); Это иллюстрируется вре­менными диаграммами рис. 1.14, г. Заметим, что схема при может быть заменена сочетанием обычного конъюнктора и инвертирующей за­держки.

a

б в г

Рис. 1.14. Схема формирования импульса по длительности (а) и временные диаграммы реализации операций расширения (б), сужения (в) и стандартизации (г) импульсов

Генераторы импульсов

На элементах задержки и логических элементах строятся генераторы им­пульсных последовательностей. Простейший вариант показан на рис. 1.15, а. При нулевом значении сигнала управления Упр на выходе элемента И-НЕ имеется логическая единица, которая через обратную связь с задержкой на t_d передается на верхний вход элемента. Таким обра­зом, в исходном состоянии верхний вход элемента И-НЕ находится в со­стоянии логической единицы. Изменение управляющего сигнала является командой для начала работы генератора. Появление единицы на нижнем входе Упр элемента И-НЕ дает совпадение единиц на обоих входах, что переводит выход схемы в нулевое состояние. Это состояние длится в тече­ние интервала t_d, т. к. после него нуль с выхода схемы по обратной, связи пройдет на верхний вход элемента и поставит его в единичное состояние, которое также сохранится на время t_d, после чего изменится из-за воздей­ствия по цепи обратной связи. Следовательно, схема будет генерировать симметричные импульсы с длительностями импульса и паузы, равными t_d (рис. 1.15, б).

б а

г в

Рис. 1.15. Схемы генераторов симметричных (а) и несимметричных (в) импульсов и соответствующие временные диаграммы их выходных сигналов (б, г).

Очень частр требуются импульсы, в которых длительности импульса и паузы должны быть различны. На рис. 1.15.в показана схема, в которой возможно от­дельное задание длительностей импульса и паузы.

Работу схемы легко уяснить из рассмотрения временных диаграмм на рис. 1.15, г. Видно, что длительность паузы устанавливается элементом за­держки 2, после чего можно задать необходимую длительность импульса эле­ментом задержки 1. При этом

t_n = t_d2 и t_и = 2t_d1+ t_d2. Здесь пауза короче импуль­са. Если требуется обратное соотношение, выходной сигнал можно проинвертировать.

На логических элементах и элементах задержки строят генераторы, к кото­рым не предъявляется жесткие требования по стабильности частоты (допустимы отклонения порядка процентов).

Генераторами прямоугольных импульсов служат также типовые микросхемы мультивибраторов, стабильность частоты которых имеет тот же порядок, что и генераторов, рассмотренных выше.

Для получения импульсных последовательностей с высокой стабильностью частоты применяют, как правило, кварцованные генераторы, для которых даже без применения специальных, мер нетрудно получить стабильность частоты с отклонениями порядка .10^-5 или даже еще меньше.

Элементы индикации

Для общения с оператором ЦУ могут снабжаться средствами визуальной индикации символьных данных. Среди них имеются и сложные устройства, такие как экранные дисплей, и простые, такие как светодиодные индикато­ры или матрицы. Здесь же рассмотрим только простейшие индикаторы сим­волов, которые могут встретиться проектировщику как объект самостоя­тельного изготовления.

Преобразование электрических сигналов в видимое изображение может быть основано на разных физических явлениях: светоизлучении полупро­водниковых структур, оптических явлениях в жидких кристаллах, электро­люминесценции, процессах в газовом разряде и др.

Светодиоды изготовляются на основе полупроводниковых материалов (арсенида галлия, фосфида галлия, арсенид-фосфида галлия и др.), пропус­кание тока через которые вызывает их свечение. Яркость свечения светодиода непосредственно зависит от величины тока. Обычно достаточны токи от единиц до приблизительно двадцати миллиампер При падении напряже­ния на диоде около 1...2 В. Как правило, последовательно со светодиодом включается резистор, задающий и стабилизирующий ток диода.

Из нескольких диодов составляются индикаторы и матрицы, отображающие буквы и цифры. Широко применяются семисегментные индикаторы, в которых семь сегментов-диодов расположены так, что при зажигании опреде­ленной их комбинаций высвечивается тот или, иной символ (рис. 1.16, а).

а

б в

Рис. 1.16. Семисегментный индикатор и отображаемые им цифры (а), варианты индикатора с общим анодом (б) и общим катодом (в)

Выпускаются семисегментные индикаторы (ССИ) с общим анодом или об­щим катодом (рис. 1.16, б, в).

Для зажигания сегмента в схеме с общим анодом, подключенным к источ­нику питания Ucc, нужно снизить напряжение на его катоде (зажигание сигналом .логического нуля). Для зажигания сегмента, в схеме с общим като­дом, подключенным к общей точке схемы, необходимо повысить напряже­ние на его аноде (зажигание сигналом логической единицы).

Для управления сегментами, удобны элементы с выходом типа ОК, посколь­ку при их использовании имеется внешняя цепочка с резистором, сопро­тивление которого можно задать с учетом характеристик применяемых светодиодов.

В схеме (рис. 1.17, а) показано управление одним из сегментов ССИ. Диод зажигается, когда на выходе управляющего элемента напряжение равно Uo, Через диод будет протекать ток I_d = (Ucc - U_d - Uo)/R, следовательно для его задания требуется условие R= (Ucc - U_d - Uo)/ I_d. Для этой схемы тре­буются ССИ с общим анодном. Необходим управляющий элемент с доста­точно большим выходным током в нулевом состоянии ( ).

В схеме (рис. 1.17, б) диод зажигается, когда выходной транзистор управ­ляющего элемента запирается. Через, диод. течет, ток I_d = (Ucc - U_d)/R, откуда следует R = (Ucc - U_d)/ I_d. Для этой схемы требуется ССИ с общим катодом. Выход управляющего элемента должен удовлетворять условию Iвых.о (Ucc - Uo)/R.

Если выходные токи управляющих элементов недостаточны для управления диодом, между выходом элемента и сегментом индикатора можно включить буферный каскад на транзисторе. Примеры приведены на рис. 1.17, в, г.

Для логического управления ССИ имеются стандартные ИС-дешифраторы ССИ, работающие согласно табл. 1.1.

а

б в г

Рис. 1.17. Схемы управления сегментом индикатора с общим анодом (а), общим катодом (б) и использованием усилительных каскадов (в, г)

Таблица 1.1

Таблица 1.1 (окончание)

Второй тип индикаторов, имеющих обычные для ИС уровни управляющих сигналов, — жидкокристаллические. Ранее они применялись преимущест­венно в электронных часах, калькуляторах и измерительных приборах. С появлением портативных компьютеров с автономным питанием энергети­ческая экономичность жидкокристаллических индикаторов стала особенно важной, и с их использованием стали делать дисплеи — сложные перифе­рийные устройства отображения информации ЭВМ.

На основе светодиодов или жидкокристаллических индикаторов изготовля­ются как семисегментные изображения символов, так и более сложные, ото­бражаемые возбуждением определенных сегментов из поля матрицы. Число строки столбцов матрицы может быть различным. Для примера на рис. 1.18 показано поле размерностью 7х5, причем матрица неполная, из нее исклю­чены 8 сегментов (дважды по 4), поскольку они не используются при отобра­жении символов. Принципы формирования изображения при управлении сегментами матрицы те же, что и при управлении СОИ, а именно: входные коды специальным дешифратором преобразуются в сигналы возбуждения отдельных сегментов.

Рис. 1.18. Неполная матрица индикатора 7х5

При реализации так называемых плоских дисплеев, т. ё. индикаторов мно­гозначных символов, например, содержащих несколько ССИ, удобно ис­пользовать мультиплексное управление, при котором одни и те же управ­ляющие схемы поочередно обслуживают различные ССИ, выбирая их в оп­ределенной последовательности. При этом каждый индикатор возбуждается импульсно, в течение времени 1/n, где n— число индикаторов. Иллюзия постоянного свечения всех светодиодов создаётся из-за инерционности чело­веческого зрения. Если частота возбуждения символов составляет десятки герц (современные средства визуальной индикации имеют частоты в 70...100 Гц), то мерцания изображений неощутимы.

В отличие от светодиодных, жидкокристаллические индикаторы не светятся. В темноте они не видны. В них под действием электрических полей меня­ются лишь свойства отражения света, благодаря чему и можно видеть ото­бражаемые символы.