Основные логические элементы

2.1. Логические диаграммы

У новичков вызывает удивление тот факт, что цифровые схемы выглядят совсем не так, как аналоговые. В них почти нет таких привычных дискретных элементов, как резисторы, диоды и транзисторы. Цифровые устройства построены в основном на интегральных схемах, содержащих логические элементы, триггеры, запоминающие устройства и т. п., а дискретные элементы, за исключением развязывающих конденсаторов, встречаются очень редко.

logicheskiye_diagrami
В гл. 1 мы говорили о таких достоинствах интегральных схем, как экономичность и надежность. Вместе с тем применение интегральных схем означает совершенно новый подход в электронике: сложное устройство состоит теперь из взаимосвязанных «кирпичиков» — интегральных схем. Поэтому диагностика неисправности сводится к локализации и замене дефектного «кирпичика» (обычно одной интегральной схемы). Однако для успешной диагностики нужно хорошо разбираться в логических функциях и электрических характеристиках каждого «кирпичика», что не только ускорит отыскание неисправностей микросхемы, но и поможет в решении более сложных задач.

2.2. Цифровые сигналы

Прежде чем рассматривать основные логические элементы, применяемые в цифровых схемах, упомянем об одном существенном отличии цифровых схем от аналоговых. Читатели, конечно, знают о том, что в электронных схемах сигналы представляются напряжениями и токами. В цифровых схемах сигналы существуют только на дискретных «этажах» или уровнях, а промежуточные состояния не допускаются. Обычная (позитивная) логика базируется всего на двух состояниях, которые называются логическим 0 (низкий уровень) и логической 1 (высокий уровень).
В аналоговых схемах сигналы могут иметь бесконечное число уровней напряжения или тока и плавно переходят с одного уровня на другой; в цифровых же схемах изменение напряжений или токов происходит резко и быстро.

2.3. Тристабильная логика

Большинство сложных микросхем, предназначенных для микропроцессорных систем, разработаны с учетом возможности их подключения к шине. К шине разрешается подсоединять выходы и входы нескольких микросхем, поэтому возникает опасность одновременного появления на шине конфликтующих логических уровней.
Чтобы преодолеть эту трудность, требуются логические устройства, которые не только формируют на своих выходах логический 0 и логическую 1, но и при необходимости отключаются от шины. По существу, в них появляется третье, высокоимпедансное состояние, поэтому такие устройства (микросхемы) относят к семейству тристабильной (трехустойчивой) логики.
Специальный входной сигнал, обычно называемый разрешением EN или выбором кристалла CS, переводит тристабильную микросхему в рабочее состояние. Сигнал EN (CS) может быть активным при высоком или низком уровне: в первом случае выходные сигналы микросхемы действительны, когда EN или CS соответствует логической 1, а во втором — логическому 0. Сигнал с активным низким уровнем обозначается небольшим кружком в месте его входа (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Сравнение обычных и тристабильных логических схем:
а —обычная логическая схема; б — тристабильная логическая схема (разрешается высоким уровнем EN); в — тристабильная логическая схема (разрешается низким уровнем EN)

2.4. Логические уровни

Под логическими уровнями понимают диапазоны напряжений, используемые для представления логических состояний 0 и 1. Неудивительно, что логические уровни для КМОП-схем существенно отличаются от уровней для TTЛ-схем. Действительно, уровни для КМОП-схем даются относительно напряжения питания (оно варьируется в диапазоне от +3 до +15 В), а для ТТЛ-схем уровни фиксированы. Значения логических уровней приведены в табл. 2.1.

2.5. Запас помехоустойчивости

В идеальном случае интерпретация логических уровней не должна вызывать ни неопределенности, ни неоднозначности. К сожалению, в реальных сигналах всегда действуют помехи (шум). Следовательно, важнейшим свойством логических схем становится способность подавлять помехи. Особенно это относится к устройствам, работающих в условиях сильных электрических помех, например на металлургическом заводе или судоверфи.
Способность логической схемы подавлять помехи измеряется запасом помехоустойчивости и определяется как разность между минимальными значениями выходного к входного напряжений в состоянии высокого уровня к максимальными значениями выходного, и входного напряжений в состоянии низкого уровня.
Запас помехоустойчивости для стандартных ТТЛ-схем серии 7400 обычно составляет 0,4 В, а для КМОП-схем равен 1/3 VDD (рис. 2.2).

Рис. 2.2. Логические уровни КМОП- и ТТЛ-схем

2.6. Логические элементы

Обозначения основных логических элементов в соответствии с английским (BS) и американским (MIL/ANSI) стандартами показаны на рис. 2.3. В Великобритании широко распространен американский стандарт, и лишь некоторые фирмы следуют стандарту BS[2]. Рассмотрим вкратце функции логических элементов, приведенных на рис. 2.3.

Рис. 2.3. Обозначения и таблицы истинности основных логических элементов.

Буфер. Буфер не изменяет логического состояния цифрового сигнала, т. е. логическая 1 (или 0) на входе вызывает логическую 1 (или 0) на выходе. Буферы обычно применяются для повышения нагрузочной способности по току, а также формирования логических уровней, действующих в интерфейсе (устройстве сопряжения).
Инвертор. Инвертор осуществляет дополнение логического состояния, т. е. логическая 1 на входе вызывает логический 0 на выходе и наоборот. Кроме того, инверторы усиливают сигнал по току и, как буферы, применяются в схемах интерфейсов.
Элемент И. На выходе элемента И логическая 1 появляется, если только все входы одновременно находятся в состоянии логической 1. Все остальные комбинации входов приводят к образованию на выходе логического 0.
Элемент НЕ-И. На выходе элемента НЕ-И образуется логический 0, когда все выходы одновременно находятся в состоянии логической 1. Любая другая комбинация входов вызывает появление на выходе логической 1. Следовательно, элемент НЕ-И — это просто элемент И с инвертированным выходом; кружок на выходе показывает эту инверсию.
Элемент ИЛИ. На выходе элемента ИЛИ появляется логическая 1, если хотя бы один из входов находится в состоянии логической 1. Другими словами, выход элемента ИЛИ соответствует логическому 0, если состояния всех входов одновременно равны логическому 0.
Элемент НЕ-ИЛИ. Элемент НЕ-ИЛИ выдает на выходе логическую 1, если только все его входы одновременно находятся в состоянии логического 0. Любая другая комбинация входов вызывает появление на выходе логического 0. Нетрудно заметить, что этот элемент представляет собой элемент ИЛИ с инвертированным выходом. По-прежнему на инверсию указывает небольшой кружок на выходе элемента.
Элемент исключающее ИЛИ. Выход элемента исключающее ИЛИ (сумматора по модулю 2) соответствует логической 1, если один из входов находится в состоянии логической 1, а другой — в состоянии логического 0. На выходе появляется логический 0, когда логические состояния обоих входов одинаковы. Отметим, что инверторы и буферы имеют по одному входу, элементы исключающее ИЛИ — два входа, а остальные логические элементы могут иметь до восьми входов.