Podstawy Elektroniki – Układy cyfrowe

1

CYFROWE UKŁADY SCALONE

Układy analogowe są przystosowane do przetwarzania napięć (lub prądów), których wartości zawierają

się w pewnym przedziale wartości.

u k ła d

a n a lo g o w y

W E

W Y

u k ła d

c yfr o w y

W E

W Y

H

L

Układy cyfrowe służą do przetwarzania sygnałów o dwóch wielkościach napięć (ewentualnie prądów):

wysokiej (H-high) i niskiej (L-low).

Podstawy Elektroniki – Układy cyfrowe

2

Na ogół układ cyfrowy posiada n wejść, m wyjść i q stanów pamięciowych. Każdy z wektorów a, b, czy c

nazywamy słowem logicznym. Każdy element słowa logicznego nazywamy bitem. Słowo ośmiobitowe

nazywane jest bajtem. Stany na wyjściu zależą od aktualnej sytuacji na wejściu. Stany pamięciowe zależą

zarówno od aktualnej konfiguracji na wejściu jak i od słów, jakie istniały tam w poprzednich chwilach czasu.

zasilanie

c

1,

c

2

...c

q

a

1

.
.

a

m

b

1

.
.
.

b

n

układ

cyfrowy

GND

wejście

wyjście

pamięć

Podstawy Elektroniki – Układy cyfrowe

3

Pracę układów cyfrowych opisuje się za pomocą dwuwartościowej algebry Boole’a, zwanej logiką

matematyczną. W tym celu poziomom H i L układu cyfrowego przyporządkowuje się wartości logiczne - np.

odpowiednio „1” (prawda) i „0” (fałsz) (tzw. logika dodatnia) lub odwrotnie „0” i „1” (logika ujemna). Układy

cyfrowe są więc układami wykonującymi pewne funkcje logiczne.

Podstawowe twierdzenie logiczne :Każdą funkcję logiczną można złożyć z kombinacji trzech

podstawowych działań logicznych : sumy (alternatywy- lub - OR), iloczynu (koniunkcji - i - AND) oraz

negacji (inwersji - nie - NOT).

Urządzenia elektroniczne realizujące te funkcje nazywamy bramkami odpowiednio OR, AND i NOT.

Są one dostarczane w wyspecjalizowanych układach cyfrowych.

Podstawy Elektroniki – Układy cyfrowe

4

OR

AND

NOT

a

b

Wy

1

1

1

1

0

1

0

1

1

0

0

0

a

b

Wy

1

1

1

1

0

0

0

1

0

0

0

0

WE WY

1

0

0

1

a

b

Wy

a

b

WY

WE

WY

W y

a

b

=

+

W y

a b

= ∗

WY

W E

=

Bramka OR Wyjście bramki OR (czyli LUB) jest w stanie wysokim, jeżeli któreś z wejść (lub oba) jest w

stanie wysokim. Można to wyrazić za pomocą "tablicy prawdy", pokazanej na rysunku.

Bramka AND Wyjście bramki AND (czyli I) jest w stanie wysokim tylko wtedy, gdy oba wejścia są w stanie

wysokim.

Inwerter (funkcja NOT). Często potrzebujemy zmienić stan logiczny na przeciwny (nazywa się to również

negowaniem

stanu logicznego).

Podstawy Elektroniki – Układy cyfrowe

5

Najbardziej uniwersalnymi bramkami są bramki NAND (NOT-AND) i NOR (NOT-OR).

a

b

WY

1

1

0

1

0

1

0

1

1

0

0

1

a

b

WY

1

1

0

1

0

0

0

1

0

0

0

1

NAND

NOR

NAND Jest to połączenie bramki AND z inwerterem. Zero logiczne "0" na wyjściu jest ustawiane

tylko wtedy gdy na obu wejściach jest jedynka logiczna "1".W pozostałych przypadkach na wyjściu

zawsze jest stan "1".

NOR Bramka jest złożona z bramki NOT i OR. Zasada działania jest taka sama jak bramki OR z tą

różnicą, że sygnał wyjściowy jest jeszcze negowany

Podstawy Elektroniki – Układy cyfrowe

6

Każą funkcję logiczną można utworzyć z pewnej kombinacji tylko bramek NAND lub tylko bramek NOR.

Zmiana funkcji logicznej danej bramki w przypadku zmiany rodzaju logiki

LOGIKA

dodatnia

ujemna

AND OR

OR AND

NAND NOR

NOR NAND

Podstawy Elektroniki – Układy cyfrowe

7

Jedną z bardziej użytecznych funkcji logicznych jest Exclusive OR.

Exclusive-OR Wyjście bramki XOR jest w stanie wysokim jeżeli jedno albo drugie
wejście jest w stanie wysokim (jest to zawsze funkcja dwóch zmiennych)

a

b

a b a b

⊕ = ∗ + ∗

a

b

WY

0 0 0
1 0 1
0 1 1
1 1 0

EX-OR

Podstawy Elektroniki – Układy cyfrowe

8

Z bramek cyfrowych (bramek logicznych) można łatwo budować rozmaite użyteczne układy elektroniczne.

Grupy bramek cyfrowych tworzą tzw. rodziny. Najbardziej rozpowszechniona jest rodzina bramek TTL

(Transistor - Transistor Logic), a w niej seria 74. Na przykład, w układzie scalonym typu 74xx00 znajdują się

cztery bramki NAND (xx oznacza rodzaj bramki: S-szybka, LS-szbka małej mocy itd):

Zasilanie

V

CC

wy-

tło-

cze-

nie

GND - masa

Po zasileniu układu scalonego (miedzy końcówkami oznaczonymi przez V

CC

i

GND) założony schemat

realizuje się poprzez proste łączenie wejść i wyjść bramek. Poziomy logiczne określone są przez wartość

napięcia odpowiednio między wejściem (lub wyjściem) a GND.

Podstawy Elektroniki – Układy cyfrowe

9

Inne układy z tej serii zawierają inne funkcje logiczne, np. 7402 - cztery bramki NOR, 7440 - 8-wejściową

bramkę NAND itd.

Uprawiając elektronikę z układami TTL serii 74 należy wiedzieć, że :

• układy zasila się napięciem 5±0.25 V;

• układy pracują w logice dodatniej;
• napięcie odpowiadające logicznemu zeru zawiera się między 0 a 0.4 V z dopuszczalnym marginesem

błędu 0.4 V;

• napięcie odpowiadające logicznej jedynce wynosi 3.3 V lecz nie mniej niż 2.4 V z marginesem błędu 0.4 V;
• wejście bramki niepodłączone do niczego znajduje się w stanie logicznym „1”;
• wyjść bramek nie wolno łączyć równolegle!!! Może to spowodować ich uszkodzenie;
• średni czas propagacji sygnału przez bramkę wynosi od 1 do 30 ns (typowo - około 10 ns);
• średnie zużycie mocy przez bramkę wynosi około 10 mW;

Podstawy Elektroniki – Układy cyfrowe

10

Użyteczne schematy:

• Wielowejściowa funkcja AND.

Wartość logiczna „1” pojawia się na wyjściu wtedy i tylko wtedy, gdy stan logiczny wszystkich wejść wynosi

„1”. Przez fizyków bywa nazywany układem koincydencyjnym.

a

1

a

2

a

3

.
.

a

n

Podstawy Elektroniki – Układy cyfrowe

11

• Układ antykoincydencyjny

f

a b

= ∗

a

b

WY

Podstawy Elektroniki – Układy cyfrowe

12

• Układ opóźniający.

W pierwszym przypadku -opóźnienie jest proporcjonalne do stałej czasowej RC.

W drugim - do liczby bramek o czasu propagacji sygnału przez nie.

a

x

U

WY

a

WY

U

a

U

WY

czas

U

a

U

x

czas

Podstawy Elektroniki – Układy cyfrowe

13

• Cyfrowy układ różniczkujący

-

wytwarzający sygnały w momentach rozpoczęcia i zakończenia pewnego sygnału. W przypadku, gdy liczba

bramek (n) w linii opóźniającej jest nieparzysta, sygnał wyjściowy ma odwróconą polaryzację.

W E

W Y

X

lin ia opóźniająca

U

W E

U

X

U

W Y

1

n

Podstawy Elektroniki – Układy cyfrowe

14

Bramki nie powinny być nadmiernie obciążane. Każdy układ cyfrowy ma określoną obciążalność, czyli liczbę

mówiącą ile wejść cyfrowych może być podłączonych do danego wyjścia.

+5V

WY

700

Ω

WY

WE

3.5 V

W przypadku, gdy układ cyfrowy ma sterować innym układem należy posłużyć się wzmacniaczem np.

tranzystorowym (a) lub driverem (b) - wzmacniaczem znajdującym się w rodzinie cyfrowych układów

scalonych zwiększającym obciążalność wyjścia bramki.

Gdy do układu cyfrowego wprowadza się sygnał sterujący z zewnątrz, należy zadbać o zachowanie

standardowych napięć i polaryzacji. Na rysunku c pokazano przykład rozwiązania za pomocą diody Zenera,

która nie dopuszcza do przekroczenia na wejściu bramki napięcia 3.5 V, jak również do pojawienia się napięć

o odwróconej polaryzacji i napięciu większym niż -0.7 V.

Podstawy Elektroniki – Układy cyfrowe

15

Układy arytmetyczne.

Każde słowo logiczne może być interpretowane jako pewna liczba zapisana w danym kodzie binarnym. Na

przykład słowo (1011) w kodzie naturalnym jest liczbą 11 : 1

⋅2

0

+1

⋅2

1

+0

⋅2

2

+1

⋅2

3

. Za pomocą cyfrowych

układów elektronicznych można konstruować układy dokonujące operacji arytmetycznych na takich liczbach.

Ich podstawą są półsumatory - układy dodające dwie liczby jednobitowe a i b.

W wyniku sumowania powstaje

liczba dwubitowa której elementami

są suma s i przeniesienie p :

s - funkcja EXOR,

p - funkcja AND.

a

b

s

p

a

b

s

p

0 0 0

0

1 0 1

0

0 1 1

0

1 1 0

1

Podstawy Elektroniki – Układy cyfrowe

16

Sumator jednobitowy

, który może pracować przy sumowaniu na i-tej pozycji poza danymi a

i

i b

i

przyjmuje także przeniesienie z pozycji poprzedniej p

i-1

; generuje sumę s

i

i przeniesienie na pozycję następną

p

i

:

a

i

b

i

p

i-1

s

i

p

i

0 0 0 0

0

1 0 0 1

0

0 1 0 1

0

0 0 1 1

0

1 1 0 0

1

0 1 1 0

1

1 0 1 0

1

1 1 1 1

1

p

i-1

a

i

b

i

1
2

∑

1
2

∑

s

i

p

i

Podstawy Elektroniki – Układy cyfrowe

17

Bramka AND morze być wykorzystana do sterowania przepływem informacji. Ciąg impulsów podany na

wejście układu dostanie się do wyjścia wtedy i tylko wtedy gdy na wejściu sterującym pojawi się

stan logiczny „1”.

WEJŚCIE

STEROWANIE

WYJŚCIE

Podstawy Elektroniki – Układy cyfrowe

18

Urządzeniami przeznaczonymi do kontroli przepływu informacji są multipleksery i demultipleksery.

W przedstawionym obok przykładzie multipleksera informacja

podawana jest na czterokanałowe wejście. Do wyjścia dostanie się

tylko informacja z kanału, którego adres zostanie wywołany przez

podanie na wejście adresowe dwubitowego adresu wejścia

informacyjnego.

W demultiplekserze informacja z wejścia jest kierowana do tego

wyjścia, którego adres został wywołany przez podanie na wejście

adresowe numery wyjścia informacyjnego.

Działanie obu urządzeń jest możliwe dopiero wtedy, gdy wejście

„zezwolenie” znajduje się w stanie logicznym „1”.

WEJŚCIE 0

WEJŚCIE 1

WEJŚCIE 2

WEJŚCIE 3

WYJ.

A

1

A

0

WEJ. ADRESOWE

ZEZWOLENIE

WEJŚCIE

ZEZWOLENIE

WYJŚCIE 0

WYJŚCIE 1

WYJŚCIE 2

WYJŚCIE 3

A

1

A

0

WEJ. ADRESOWE

Podstawy Elektroniki – Układy cyfrowe

19

Liczniki.

Liczniki stosuje się do zliczania impulsów. Najprostszy licznik można zbudować z szeregowo

połączonych, synchronicznych przerzutników bistabilnych, z których każdy pod wpływem impulsu zegara,
zmienia swój stan na przeciwny do poprzedniego.

„1”

WE

Q

0

Q

1

Q

2

Q

3

WE

Q

0

Q

1

Q

2

Q

3

Podstawy Elektroniki – Układy cyfrowe

20

Licznik złożony z n przerzutników jest w stanie zliczyć do 2

n

impulsów. Liczniki takie nazywa się

szeregowymi. Poza zliczaniem bywają one wykorzystywane do dzielenia częstości.

Kod binarny, w którym zapisane są stany licznika czterobitowego nazywany jest kodem

heksadecymalnym :

Czterobitowe liczniki szeregowe znajdują się w układach cyfrowych 7493.

LICZB

A

CYFRA W KODZIE

HEKSADECYMALNYM

ZAPIS DWÓJKOWY

2

3

2

2

2

1

2

0

0

0

0 0 0 0

1

1

0 0 0 1

2

2

0 0 1 0

3

3

0 0 1 1

4

4

0 1 0 0

5

5

0 1 0 1

6

6

0 1 1 0

7

7

0 1 1 1

8

8

1 0 0 0

9

9

1 0 0 1

10

A

1 0 1 0

11

B

1 0 1 1

12

C

1 1 0 0

13

D

1 1 0 1

14

E

1 1 1 0

15

F

1 1 1 1

Podstawy Elektroniki – Układy cyfrowe

21

Wadą liczników szeregowych jest występowanie stanów nieustalonych, spowodowanych skończonym czasem
propagacji sygnału od wejścia do wyjścia każdego przerzutnika. Czas trwania stanu nieustalonego jest tym
dłuższy, im większa jest liczba przerzutników. Szybki liczniki o dużej pojemności buduje się więc jako
liczniki równoległe :

„1”

WEJŚCIE

Q

0

Q

1

Q

2

Q

3

A

B

W liczniku tym zliczane impulsy podawane są równolegle na wejścia wszystkich przerzutników, jednak na
impulsy te reagują tylko odpowiednie przerzutniki. Na każdy impuls reaguje tylko przerzutnik 0, na którego
wejścia J i K podano jedynkę logiczną, podczas gdy wejścia pozostałych przerzutników są w stanie „0”, czyli
zamrożenia. Gdy licznik jest w stanie (0000) impuls wejściowy wywoła więc stan (0001). Wtedy wejścia J i K
przerzutnika 1 znajdą się w stanie logicznym „1”. Na następny impuls zareaguje więc przerzutnik 0 i 1, dając
w wyniku (0010). W stanie (0011), który jest wykrywany przez bramkę logiczną A, na impulsy wejściowe
reaguje przerzutnik 2, a dopiero w stanie (0111), wykrywanym przez bramki A i B następuje reakcja
przerzutnika 3.

Podstawy Elektroniki – Układy cyfrowe

22

Ponieważ w życiu codziennym stosuje się dziesiętny kod zapisu liczb, ważną klasę urządzeń stanowią liczniki
dziesiętne. W śród nich szczególną pozycję zajmują liczniki liczące w najbardziej rozpowszechnionym kodzie

dziesiętnym, BCD (Binary
Coded Decimal).

W szeregowym liczniku
BCD pokazanym obok,
bramka AND wykrywa
dziesiątkę (stan 1010) i
zeruje licznik za pomocą
asynchronicznych wejść
asujących

R

.Liczniki

BCD zawarte są w
układach 7490.

WE

„1”

Q

0

Q

1

Q

2

Q

3

CYFRA

BCD

0 0000
1 0001
2 0010
3 0011
4 0100
5 0101
6 0110
7 0111
8 1000
9 1001

Podstawy Elektroniki – Układy cyfrowe

23

Dekodery.

Dekodery służą do zamiany informacji zapisanej w danym kodzie na informację zrozumiałą dla

odbiorcy. Najczęściej wykorzystuje się je do wyświetlania informacji numerycznych i alfanumerycznych.
Poniżej przedstawiony został dekoder dla wyświetlacza nodistronowego :

0 1 2 3 4 5 6 7 8

A

0

A

1

A

2

A

3

Budowa jego oparta została o realizację następujących równań logicznych, wynikających z kodu BCD :

" "

O

A

A A

A

=

∗ ∗

∗

0

1

2

3

,

" "

1

0

1

2

3

=

∗ ∗

∗

A

A A

A

,

" "

2

0

1

2

3

=

∗ ∗

∗

A

A A

A

itd.

Urządzenia o działaniu odwrotnym, np. zamieniające sygnały z klawiatury na słowa logiczne, nazywane są
koderami.

Podstawy Elektroniki – Układy cyfrowe

24

Nodistron

(wyświetlacz cyfr stosowany np. w stołowym woltomierzu) to lampa wypełniona gazem

szlachetnym, w której znajduje się jedna wspólna anoda i 10 katod uformowanych w kształt cyfr.
Wyświetlanie cyfr odbywa się przez wywołanie przepływu prądu przez gaz do odpowiedniej katody.
Włączanie prądu odbywa się za pośrednictwem tranzystorów sterowanych z dekodera.

+70 V

katody

sterowanie

anoda

Podstawy Elektroniki – Układy cyfrowe

25

Obecnie powszechniej stosowane są niskonapięciowe wyświetlacze z diod świecących. Do ich obsługi
wykorzystuje się wyspecjalizowane dekodery BCD i alfanumeryczne, budowane na podobnej zasadzie, z
wyjściem dostosowanym do kodu siedmioelementowego (a, b, ...,g oznaczają kolejne elementy wyświetlacza).
Najbardziej sprawne energetycznie są wskaźniki na ciekłych kryształach.

WE BCD

a
b
c
d
e
f
g

Alfanumeryczny wskaźnik 7x5 elementowy

Podstawy Elektroniki – Układy cyfrowe

26

Rejestry.

Rejestry są urządzeniami pozwalającymi zapamiętywać słowa logiczne oraz dokonywać na nich operacji

przesunięcia (pomnożenia lub podzielenia przez 2).

zezwolenie na zapis równoległy

wejście równoległe

wejście szeregowe

zegar

kasowanie

wyjścia równoległe

wyjście

szeregowe

Podstawy Elektroniki – Układy cyfrowe

27

wyjscia

zegar

Do rejestru słowo logiczne może być zapisane asynchronicznie przez wejście równoległe (po uzyskaniu

zezwolenia). W każdej chwili może być ono odczytane z wyjścia równoległego. Informację można również

zapisać podając ją kolejno, bit po bicie, na wejście szeregowe, synchronicznie z impulsami zegara.

Jednocześnie w wyniku taktów zegara stary zapis pojawia się kolejno, bit po bicie, na wyjściu szeregowym.

Istnieją również rejestry pozwalające przesuwać informację w kierunku przeciwnym (dzielić wartość przez 2).

Odmianą rejestrów są liczniki pierścieniowe, w których informacja krąży. Mogą one służyć jako

generatory złożonych, cyklicznych przebiegów cyfrowych.