Модуль. Элементная база электроники - ПК-3,5 4

В.М. Абузяров

Электроника

Конспект лекций

 

Тверь 2014 г.

 

СОДЕРЖАНИЕ:

Введение 3

Модуль. Элементная база электроники - ПК-3,5 4

Тема №1: Пассивные компоненты электронных устройств. 4

Тема №2: Электровакуумные и ионные приборы. 16

Тема №3: Полупроводниковые элементы. 27

2. Модуль. Электронные устройства - ПК-3,5. 51

Тема №1: Аналоговые устройства. 51

Тема №2:Импульсные устройства. 71

Тема №3: Источники питания. 87

Тема №4: Цифровые устройства. 102

Тема №5: Электронные средства связи. 148

Таблица 1.5. Старая система обозначения резисторов

Элемент обозначения	Пример обозначения
первый	второй	третий
С — резисторы постоянные	1 — углеродистые и бороуглеродистые	Порядковый	С5-2
2 — металлодиэлектрические и металлоокисные	номер р рразработки
3 — композиционные пленочные
4 — композиционные объемные
СП — резисторы переменные	5 — проволочные		СП1-3
CT — терморезисторы	1 — кобальто-марганцевые		CT2-3
2 — медно-марганцевые
3 — медно-кобальто-марганцевые
4 — никель-кобальто-марганцевые
СН — варисторы	1 — карбидо-кремниевые		СН1-2

Единой системы обозначения резисторов зарубежного производства нет. Каждая фирма-производитель имеет собственную систему обозначения резисторов. Но на практике нет необходимости изучать такие системы, поскольку на корпусе резистора имеется информация о его номинале и допуске, а по геометрическим размерам можно судить о его рассеиваемой мощности.

1. буквенное обозначение типа резистора:

1. CR - углеродистые (корпус светло-коричневого цвета);

2. ER - мощные проволочные;

3. MR - металлопленочные (корпус зеленого цвета);

4. MPR - прецизионные металлопленочные;

5. NFR - предохранительные (корпус серого цвета);

6. PR - мощные металлопленочные (корпус красного цвета);

7. RC - бескорпусные или SMD-резисторы;

8. SFR - стандартные пленочные (корпус светло-зеленого цвета);

9. VR - высоковольтные (корпус светло-голубого цвета);

10. WR - мощные пленочные эмалированные (корпус коричневого цвета);

2. цифровое обозначение максимального диаметра корпуса, где первая цифра обозначает целые, а вторая - десятые доли миллиметра. Исключение составляют резисторы типа AC, ACL, ER для которых эти цифры обозначают мощность рассеивания в Вт;

3. буквенный код, обозначающий вариант исполнения выводов резистора и мате­риал их покрытия.

Следует обратить внимание на предохранительные резисторы. Имеющие малое сопротивление, они используются в качестве плавких предохранителей: при токовой перегрузке выходят из строя.

 

Маркировка резисторов отечественного производства
Номинальные сопротивления и допуска на резисторах обозначаются одним из двух способов — с использованием буквенно-цифрового обозначения, или путем нанесения цветовой маркировки.

Сопротивление потерь

В катушках индуктивности помимо основного эффекта взаимодействия тока и магнитного поля наблюдаются паразитные эффекты, вследствие которых импеданс катушки не является чисто реактивным. Наличие паразитных эффектов ведёт к появлению потерь в катушке, оцениваемых сопротивлением потерь . Потери складываются из потерь в проводах, диэлектрике, сердечнике и экране:

Потери в проводах

Потери в проводах вызваны тремя причинами:

· Провода обмотки обладают омическим (активным) сопротивлением.

· Сопротивление провода обмотки возрастает с ростом частоты, что обусловлено скин-эффектом. Суть эффекта состоит в вытеснении тока в поверхностные слои провода. Как следствие, уменьшается полезное сечение проводника и растет сопротивление.

· В проводах обмотки, свитой в спираль, проявляется эффект близости, суть которого состоит в вытеснении тока под воздействием вихревых токов и магнитного поля к периферии намотки. В результате сечение, по которому протекает ток, принимает серповидную форму, что ведёт к дополнительному возрастанию сопротивления провода.

Потери в диэлектрике ]

Потери в диэлектрике (изоляции проводов и каркасе катушки) можно отнести к двум категориям:

· Потери от диэлектрика межвиткового конденсатора (межвитковые утечки и прочие потери, характерные для диэлектриков конденсаторов).

· Потери, обусловленные магнитными свойствами диэлектрика (эти потери аналогичны потерям в сердечнике).

В общем случае можно заметить, что для современных катушек общего применения потери в диэлектрике чаще всего пренебрежимо малы.

Потери в сердечнике

Потери в сердечнике складываются из потерь на вихревые токи, потерь на перемагничивание ферромагнетика — на «гистерезис».

Потери на вихревые токи

Переменное магнитное поле индуцирует вихревые ЭДС в окружающих проводниках, например в сердечнике, экране и в проводах соседних витков. Возникающие при этом вихревые токи (токи Фуко) становятся источником потерь из-за омического сопротивления проводников.

Добротность

С сопротивлениями потерь тесно связана другая характеристика — добротность. Добротность катушки индуктивности определяет отношение между активным и реактивным сопротивлениями катушки. Добротность равна

 

Векторная диаграмма потерь и добротности реальной катушки индуктивности. Обозначения: Z — импеданс; X_c — ёмкостная составляющая импеданса; X_l — индуктивная составляющая импеданса; X — реактивная составляющая импеданса; R_i — активная составляющая импеданса.

 

Трансформатор

Генераторы электростанций имеют ЭДС порядка 10–20 кВ. Для передачи электроэнергии на большие расстояния нужно повышать напряжение до нескольких сотен киловольт.

С другой стороны, напряжение бытовой электросети составляет 220 В. Поэтому при доставке энергии обычному потребителю требуется понижение напряжения до сотен вольт.

Замечательно, что повышение и понижение напряжения в случае синусоидального переменного тока не представляет никаких сложностей. Для этого используются специальные устройства трансформаторы.

Простейший трансформатор состоит из двух обмоток, навитых на один и тот же замкнутый стальной сердечник.

Первичная обмотка содержит N1 витков; на неё подаётся входное напряжение u1. Это напряжение как раз и требуется преобразовать повысить или понизить.

Вторичная обмотка содержит N2 витков. К ней подсоединяется нагрузка, условно обозначаемая резистором R. Это потребитель, для работы которого нужно преобразованное напряжение u2.

Схема трансформатора изображена на рис.

 

 

Тема №2: Электровакуумные и ионные приборы [4].

Введение

Электронная лампа была первым активным (усиливающим) элементом в электронике. Сегодня использование электронных ламп для усиления малых сигналов выглядит устаревшим. Однако они все еще находят применение в тех случаях, когда речь идет о больших напряжениях или о высокочастотных сигналах большой мощности. Кроме того, у любителей музыки популярны ламповые усилители звуковой частоты с присущими им особенностями. В частности, плавное изменение характеристик схемы вблизи перегрузок может создавать субъективное впечатление чистоты звука большой силы. Вот почему инженеру в области электроники полезно иметь, по крайней мере, элементарное представление о лампах и ламповых схемах. В этой главе дается краткий обзор схем на электронных (вакуумных) лампах, включая описание той из них, которая до сих пор используется очень широко, а именно — электронно-лучевой трубки.

Термоэлектронная эмиссия

В начале 80-х годов прошлого века Томас Эдисон, занимаясь осветительными приборами с угольной нитью накала, обратил внимание на почернение стеклянного баллона после нескольких часов работы такого устройства. Пытаясь перехватить хотя бы часть частиц, образующих почернение, он запаял внутрь одной из своих ламп металлическую пластину и удивился, обнаружив, что при подаче на эту пластину положительного напряжения относительно нити накала в цепи течет ток. В течение последующих 20 лет никто не знал, что ток в этом «эффекте Эдисона» обусловлен электронами, испускаемыми нагретой нитью и улавливаемыми положительно заряженной пластиной. Чтобы описать этот процесс теплового освобождения частиц, был придуман термин термоионная эмиссия, а сами свободные частицы стали называть термоионами. Хотя сегодня слово «ион» означает «атом, потерявший или приобретший электрон», его первоначальное значение было много шире и просто означало любую свободно передвигающуюся частицу (по-гречески, ион — «идущий»).

Ламповый диод

Примерно в то же время, когда Эдисон обнаружил почернение баллонов осветительных ламп, это явление исследовал также Амброз Флеминг, занимавшийся усовершенствованием детектора Маркони для обнаружения радиоволн. В 1904 году он запатентовал свою «пульсирующую» лампу, названную так по той причине, что она позволяет пропускать ток только в одном направлении. На рис. 3.1 показано схематическое изображение лампового диода (двухэлектродной лампы), как теперь принято называть изобретение Флеминга. Нить накаливания окружена свернутой в цилиндр пластиной, обычно называемой анодом, поскольку ее потенциал, как правило, поддерживается положительным по отношению к нити. Аналогично, нить обычно называют катодом. На рис. 3.2 приведено обозначение диода на схемах, где явным образом указаны катод и анод.

На рис. 3.3 показана вольтамперная характеристика лампового диода, причем можно заметить, что она похожа на характеристику р-п перехода, приведенную на рис. 1.11. В отличие от р-п перехода, в ламповом диоде небольшой ток течет в прямом направлении при нулевом напряжении на диоде. Это происходит потому, что нить испускает электроны, отрывающиеся от интенсивно колеблющихся при высокой температуре атомов, и электроны имеют при этом определенную скорость. Малая доля этих электронов достигает анода даже в отсутствие способствующего этому электрического поля.

Когда на анод подается небольшое положительное напряжение, большее число электронов притягивается им. Однако не все электроны, эмитированные катодом, достигают анода, так как большое облако электронов между катодом и анодом действует как отрицательный пространственный заряд, оказывающий отталкивающее действие на испускаемые катодом электроны. Можно сказать, что этот эффект торможения подобен действию обедненного слоя в полупроводниковом р-п переходе. По мере того как на анод подается все большее положительное напряжение, эффект пространственного заряда ослабевает и все большее и большее число электронов достигает анода.

Если анод сделать отрицательным относительно катода, то электроны, испускаемые катодом, будут отталкиваться обратно к катоду, и в конце концов ток вовсе перестает течь, когда отрицательное напряжение на аноде становится равным нескольким вольтам. Обратите внимание, что при хорошем вакууме отсутствуют не основные носители, которые могли бы вызвать обратный ток утечки. Все же, из-за остатков газа в откачанном баллоне и из- за утечки по поверхности стекла, какой-то обратный ток существует. Но этот ток совершенно другой природы по сравнению с р-п переходом, где наличие не основных носителей теплового происхождения непосредственно влияет на работу этого полупроводникового прибора.

Ламповый триод

Чтобы можно было управлять анодным током и, таким образом, получить усиливающий термоэлектронный прибор, нужно было добавить что-то вроде дополнительного электрода. Первым это сделал в 1907 году Ли де Форест, который сконструировал лампу с проволочной решеткой, или сеткой, между катодом и анодом. Это трехэлектродное устройство, или триод, показано на рис. 3.4; на рис. 3.5 приведено его условное обозначение на схемах.

Обычно сетка поддерживается отрицательной по отношению к катоду и, будучи таковой, она отталкивает обратно к катоду часть эмиттированных им электронов, позволяя лишь определенной доле электронов достигать анода, проходя через отверстия в решетке. Чем более отрицательным становится напряжение на сетке, тем в большей степени проявляется ее отталкивающее действие и тем меньшим становится анодный ток. В конце концов, достигается точка отсечки, когда электроны не достигают анода и ток падает до нуля. В этом смысле лампа ведет себя подобно полевому транзистору: и в триоде, и в полевом транзисторе мы имеем выходной ток, управляемый входным напряжением. Типичная проходная характеристика лампового триода показана на рис. 3.6; интересно сравнить ее с графиком на рис. 2.5(a) для полевого транзистора. Как и в случае с полевым транзистором, передаточная способность лампы определяется следующим образом

Крутизну иногда называют взаимной проводимостью; действительно, так можно сказать, исходя из приведенного определения величины gm, но это совершенно неуместно. Соотношение взаимности подразумевает обоюдную зависимость, а это не применимо ни к лампе, ни к полевому транзистору: хотя напряжение на сетке или на затворе и управляет током анода или стока, обратного действия нет, и название крутизна (буквально — сквозная проводимость) является предпочтительным.

Цифровая электроника

Основные понятия алгебры логики

Закон исключенного третьего

Если х ≠ 1, то х = 0, если х ≠ 0, то х = 1.

Логическая функция у = f(х1,х2,...,хn) задана, когда каждому набору х однозначно сопоставляется у. Количество функций, образуемых n переменными равно:

Если n = 1, то => N = 4:
у1 = 0,
у2 = 1,
у3 = х,
у4 = /х.

Для двух переменных n = 2 и N= 16.

В таблице 1 приведены некоторые из возможных функций при n=2.

х1	х2	у1	у2	у3	у4

Таблица 1 Логические функции двух переменных

Аксиомы алгебры логики

х+0=х	х×0=0	х 0=х
х+1=1	х×1=х	х 1=х
х+х=х	х×х=х	х х=0
х+х=1	х×х=0	х х=1

Правила Де-Моргана

Закон поглощения

х1+х1×х2 = х1(1+х2) = х1×1 = х1х1 "поглощает" х2

Базовые логические элементы

Разработкой каждой серии цифровых ИС начинается с базового логического элемента. Так называют элемент, который лежит в основе всех микросхем серии: комбинационных(логических), триггеров, счетчиков и др. Как правило, базовые логические элементы выполняют операции "И-НЕ" либо "ИЛИ-НЕ". Принцип построения базового элемента, способ управления его работой, напряжение питания и другие параметры являются определяющими для всех ИС данной серии. Широко распространены ИС, построенные на базовых элементах транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ)

Технология ТТЛ

Базовый элемент ТТЛ (рис. 2-6) строится на основе многоэмиттерного транзистора {модуль 1 глава 1.5.1} VT1, обеспечивающего коньюнкцию входных сигналов Xi, и сложного инвертора на транзисторах VT2-:VT4, выполняющего операцию "НЕ".

Когда на все входы Xi многоэмиттерного транзистора поданы сигналы 1 (высокий потенциал, сравнимый с +E), все его эмиттерные переходы закрыты. Ток от источника через резистор R1 и коллекторный переход VT1 поступает на базу VT2. Транзистор VT2 открывается до насыщения и открывает VT4 также до насыщения. Транзистор VT3 в это время закрыт, поскольку напряжение на коллекторе открытого транзистора VT2 мало. Диод VD служит для повышения порога открывания транзистора VT3.

Рис.2-6 Базовый элемент ТТЛ

Таким образом, рассмотренный элемент ТТЛ выполняет логическую операцию "И-НЕ" ().

Для ограничения тока через открытый транзистор VT3 при случайном коротком замыкании выхода элемента включен резистор R4.

В состав некоторых серий цифровых ИС ТТЛ входят логические элементы без коллекторной нагрузки выходного транзистора VT4 - элементы с "открытым" коллектором. Они предназначены для работы с внешней нагрузкой в виде индикаторных приборов, светодиодов и т.д.

Если какие либо из входов многоэмиттерного транзистора никуда не подключены, то это воспринимается элементом как подача на эти входы 1, так как тока в цепи неподключенного эмиттера нет. Поэтому, например, элементы "И-НЕ" ("ИЛИ-НЕ") можно использовать как простые инверторы, подавая инвертируемый сигнал на один из входов "И-НЕ" или же соединяя все входы вместе. В схеме "И-НЕ" сигнал можно подавать только на один из входов, оставляя остальные неподключенными (рис.2-7).

Рис.2-7 Использование элементов "и-не’,’или-не’ как инверторов

Технология КМОП

В качестве инверторов можно использовать МОП транзисторы, но р- и n-канальные цифровые элементы оказались непрактичными как базовые для массовых микросхем прежде всего из-за низкого быстродействия. Действительно, при Rс=100кОм и емкости нагрузки Сн=30 пФ время отключения составит t = 2,2RcCн= 6,6 мкс, что соответствует максимальной частоте входных импульсов 150 кГц.

Увеличить быстродействие на порядок позволяет последовательное (столбиком) соединение р и n-канальных МОП-транзисторов. Тогда резистор Rc в схеме не нужен, а заряд и разряд паразитных нагрузочных емкостей будет происходить через относительно небольшие сопротивления р- и n-каналов.

С помощью металлизации поверхности кристалла элементы структуры соединяются в схему инвертора DD1 (рис.2-11). К затворам присоединен защитный стабилитрон VD1, без него вход инвертора будет пробит статическим электричеством.

Цифровые микросхемы должны быть крайне устойчивы к таким явлениям, как пробои от статического или наведенного от силовых сетей электричества. Прежде всего защита гарантируется их структурой. На рис. 2-11 показана полная эквивалентная схема инвертора КМОП. Стоковое напряжение (плюс источника питания) подключается на n-подложку.

Рис.2-11 Упрощенная и полная схемы инвертора на КМОП транзисторах

Конденсатор С символизирует входную емкость инвертора. Как правило, она составляет от 5 до 15 пф. Диоды VD1 – VD3 защищают изоляцию затвора от пробоя. Диод VD1 имеет пробивное напряжение 25 В, VD2 и VDЗ-50 В. Последовательный резистор R=200 Ом... 2 кОм не позволяет скачку тока короткого замыкания передаваться в незаряженную входную емкость С. Тем самым защищается выход предыдущего (управляющего) инвертора от импульсной перегрузки. Диоды VD4-VD5 защищают выход инвертора от пробоя между n+ и p+ областями. Диод VD6 защищает канал от ошибочной перемены полярности питания.

ЭСЛ технология

Цифровые микросхемы эмиттерно-связанной логики (ЭСЛ) имеют наибольшее быстродействие, достигшее в настоящее время субнаносекундного диапазона. Особенность ЭСЛ в том, что схема логического элемента строится на основе интегрального дифференциального усилителя (ДУ), транзисторы которого могут переключать ток и при этом никогда не попадают в режим насыщения. Поэтому такие схемы самые быстродействующие.

Рис.2-12 Схема элемента ЭСЛ

На рис.2-12а показана основа логического элемента DD1 - переключатель тока I0. Если входным сигналом Uвх открыть транзистор VТ1, через него потечет весь ток I0, вытекающий из общей точки связанных эмиттеров Э. На коллекторе транзистора VТ1 окажется напряжение низкого уровня. В этот момент транзистор VТ2 тока не имеет, он вынужденно находится в состоянии отсечки. На его коллекторе присутствует напряжение высокого уровня.

В отличие от аналоговых применений дифференциального усилителя, когда стремятся использовать разность напряжений Uвых между коллекторами, цифровая микросхема, переключающая ток I0, снабжается двумя инверсными выходами логических уровней, где выделяются напряжения высокого и низкого уровней.

На рис. 2-12б показан простейший одновходовый элемент ЭСЛ. Новым в развитии элемента DD1 (рис. 2-12а) здесь является источник опорного напряжения Uоп. Это напряжение фиксирует порог срабатывания переключателя тока. Тем самым дифференциальный усилитель превращается в логический элемент. У него теперь два состояния выходов, которые переключаются лишь при условиях: Uвх>Uоп или Uвх<Uоп. Однако при проектировании ЭСЛ ставилась задача: получить сверхскоростную логику. В схеме (рис.2-12б) этого достичь нельзя, так как выходное сопротивление выходов Q и Q велико, оно приближается к величине Rн. Для снижения выходного сопротивления к коллекторным выходам подключаются эмиттерные повторители, работающие в линейном режиме. Теперь выходное сопротивление эмиттерного выхода значительно уменьшается:

Rвых=Rk/(B+1), где (В+1) - коэффициент усиления по току транзистора-эмиттерного повторителя. Эмиттерные выходы чаще делаются "открытыми", чтобы можно было их соединять в элементы "монтажное ИЛИ". Сопротивление внешнего нагрузочного резистора Rэн можно выбрать от 300 Ом до 30 кОм.

Принципиальная особенность микросхем ЭСЛ: они питаются отрицательным напряжением -Uи.п.э (то есть напряжение подается от эмиттеров), а коллекторные цепи заземляются. Этим способом повышается помехоустойчивость ЭСЛ. Ток потребления Iпот вытекает из микросхемы в источник.

Динамические параметры ИС

Основным динамическим усредненным параметром быстродействия ИС является среднее время задержки распространения сигнала , где - время задержки распространения сигнала при выключении микросхемы, - время задержки при включении микросхемы.

Статические параметры ИС

Uип - напряжение источника питания;

U0вх, U0вых - входное и выходное напряжение логического 0;

U1вх, U1вых - входное и выходное напряжение логической 1;

I0вх, I0вых - входной и выходной ток логического 0;

I1вх, I1вых - входной и выходной ток логической 1;

Условное обозначение различных типов ИС состоит из четырех элементов. Первый элемент - цифра, указывающая на технологическую разновидность микросхемы: полупроводниковые 1, 5, 7; гибридные - 2, 4, 6, 8; прочие - 3. Второй элемент обозначает порядковый номер серии и состоит из двух цифр 00-:99. Третий индекс из двух букв определяет функциональные свойства ИС, ее назначение. Четвертый элемент - порядковый номер разработки ИС в данной серии для микросхем одного назначения. Более подробные данные об ИС приводятся в справочниках.

 

Цифровые коды

Двоичный позиционный код

В обыденной жизни применяется десятичная система счисления, в которой используется 10 цифр от 0 до 9 и число представлено как сумма степеней числа 10. Например, число 1407 представляет сокращенную запись суммы 1*103+4*102+0*101+7*100. В цифровой электронике чаще всего используется двоичная система счисления.

Двоичная (бинарная) система основана на степенях числа 2, оперирует только с двумя символами (цифрами): 0 и 1. Двоичная цифра (символ 0 и 1) является единичной элементарной информацией, которая называется битом. Биты объединяются в слова определенной длины, слово длиною в 8 бит называется байтом. В настоящее время наиболее распространены системы с байтовой организацией данных. Поскольку в двоичной системе используется два символа, она имеет основание 2 и значения, которые должны быть приписаны отдельным позициям (веса), являются степенями числа 2.

Целые числа без знака в двоичной системе счисления представляются следующим образом:

a_m2^m+a_m-12^m-1+....+a₄2⁴+a₃2³+a₂2²+a₁2¹+a₀2₀, где a_i=0, или 1.

Наименьшая значащая цифра (младший разряд числа) здесь расположена справа, а слева последовательно каждая цифра представляет собой более высокий разряд, более высокую степень числа 2. Например, код 1011 представляет число 1*23+0*22+1*21+1*20=8+2+1=11.

Веса 27 26 25 24 23 22 21 20.

Переводимое число 1 0 0 1 1 0 1 1 = 128 + 0 + 0 + 16 + 8 + 0 + 2 + 1 = 155.

 

Двоично-десятичный код

Двоично-десятичный код представляет собой десятичный код, каждый разряд которого представлен четырьмя разрядами двоичного кода. Например:

4610 = 0100.01102-10; 84210 = 1000.0100.00102-10.

Он используется для выдачи информации на цифровые индикаторы. На каждый индикатор поступает четырехразрядный двоичный код и высвечивается одна из цифр десятичного кода.

 

Восьмеричный код

Двоичный код для представления больших чисел требует очень большого числа двоичных разрядов, состоящих из единиц и нулей. С такими кодами человеку работать затруднительно и легко возникают ошибки. Для облегчения работы двоичные коды можно представить в восьмеричной форме: каждые три разряда, начиная с младшего, записываются в виде десятичной цифры. Так как самое большое число, которое можно записать тремя двоичными разрядами равно 7 (1112=710), то восьмеричные коды записываются цифрами от 0 до 7. Например, 101.1102 = 568,11.1002 = 347.

 

Шестнадцатеричный код

Он образуется аналогично восьмеричному, но объединяются четыре разряда, начиная с младшего, и записываются в виде одного символа. Самое большое число, которое можно записать четырьмя двоичными разрядами 11112 = 1510, что составляет уже 2 десятичных цифры, а представить нужно в виде одного символа. Поэтому вводятся новые символы для представления чисел от 10 до 15. Для этого используются буквы латинского алфавита А, B, C, D, E, F.

Десятичный код - 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Код Грея

Рассмотренные выше коды называются позиционными, так как вес каждого разряда определяется его положением (позицией) в рассматриваемом коде. Так в двоичном позиционном коде 1 в крайнем правом разряде представляет число 20, в следующем разряде - 21 и т.д. Поэтому двоичный позиционный код еще называют кодом 8421. В цифровых датчиках применение этого кода может привести к большим ошибкам. В цифровых датчиках перемещения или угла поворота единица изображается отверстием в маске, через которое проходит световой луч, а ноль изображается непрозрачным участком маски.

"10"	"2"	Код Грея

Таблица 5 Сравнение двоичного кода и кода Грея

Если пользоваться двоичным, то при перемещении маски, например, из положения 0111 в положение 1000 из-за неодновременной смены трех "1" на три "0" могут кратковременно возникнуть коды 1100, 1010, 1101 и т.д., которые значительно отличаются как от предыдущего, так и от последующего значения и погрешность становится непредсказуемой. Все проблемы снимаются при использовании кода Грея, в котором при увеличении кода на 1 каждый раз изменяется только один из разрядов. Код Грея используется только для снятия информации с датчика. Для дальнейшей обработки информации код Грея переводится в двоичный позиционный по следующему алгоритму:

Сложение

Сложение двоичных кодов производится побитно на основе следующих соотношений: 0+0=0; 0+1=1; 1+0=1; 1+1=0 и 1 - в перенос (в результате 10).

Например:

1 перенос 111 переносы
+9 +1001 +7 +0111
5 0101 1 0001
14 1110 8 1000

Вычитание

Это действие можно выполнять так же как и в десятичных кодах, занимая 1 старшего разряда (производить заем):

1 заем
- 10 -1010
5 0101
5 0101

Но для многоразрядных кодов процедура очень осложняется, когда приходится занимать не из соседнего старшего разряда, а из более старших разрядов. Поэтому в цифровой технике вводится понятие дополнительного кода, который позволяет совершенно одинаково выполнять операции сложения и вычитания. Для указания знака кода используется самый старший его разряд. В положительном коде старший разряд равен нулю, а в отрицательном – единице. Дополнительный код положительного числа совпадает с его прямым (обычным) кодом. Дополнительный код отрицательного числа получается путем инверсии прямого кода и добавления к результату единицы.

Например: прямой и дополнительный код числа +5 равен 0101, дополнительный код числа –5 равен +1 = 1010+1 = 1011.

Старший разряд "1" указывает, что код представляет отрицательное число. Код называется дополнительным потому, что он дополняет n-разрядный прямой код до значения 2n. В приведенном примере 0101+1011 = 100002 = 24.

Имеется другой способ определения дополнительного кода, несколько быстрее приводящий к цели. Разряды прямого кода переписываются справа налево, начиная с младшего разряда D0 до первой встретившейся 1, остальные разряды инвертируются.

Например 10110пр = 01010доп.

Вычитание двоичных кодов сводится к сложению положительных и отрицательных кодов и выполняется как сложение их дополнительных кодов. При выполнении этой операции очень важно проследить чтобы результат действия над кодами не исказил знаковый разряд. Поэтому должен быть определенный запас нулевых разрядов, расположенных после знакового разряда. В нижеприведённых примерах операнды занимают всего 4 разряда, но будем использовать восьмиразрядные коды.

Умножение

Операция выполняется также как и для десятичных кодов: множимое умножается на каждый разряд множителя и результаты складываются со сдвигом. Можно умножать, начиная с младших разрядов со сдвигом влево, или со старших со сдвигом вправо.

6₁₀* 7₁₀ 111 111
^* 110 ^* 110
000 111
111 111
^* 111 * 000
101010₂ = 42₁₀ 101010

Деление

Выполняется как вычитание со сдвигом. Например:

18:6 = 3 22:4 = 5,5

10010: 110 10110: 100
- 110 11 - 100 101,1
110 110
- 110 - 100
000 10,0
- 100
000

Дешифраторы

Дешифратор – логический узел, осуществляющий коммутацию одного из N выходов по заданным n адресным входам. На рис 5-1 показан дешифратор 3х8 (3 адресных входа, 8 выходов). При подаче на входы а0а1а2 какого-либо кода на выходе с номером определенным адресным кодом появляется 1, а на остальных выходах - 0. Дешифратор используется для выбора (коммутации) одного из блоков цифрового устройства.

Рис 5-1 Дешифратор

Если число выходов N < 2n, то дешифратор называется неполным.

При стробсигнале √ = 0 все выходы обнулены.

Двухъярусная схема

При большом числе выходов применяются двухъярусные схемы с использованием стробирующих входов. Если имеется k – разрядный дешифратор, то для n > k потребуется 2n-k+1 дешифраторов.

Например, требуется построить дешифратор 4х16 используя дешифраторы 2х4. В этом случае n = 4, а k = 2, и потребуется 24-2+1 = 5 дешифраторов.

Рис.5-2 Двухярусный дешифратор

 

Сумматоры

Сумматор – устройство, осуществляющее операцию сложения двоичных кодов {глава 4.1} по правилам:

0+0 = 0, 0+1 = 1, 1+0 = 1, 1+1 = 0 и 1 - перенос.

Таблица 6 реализуется в виде более сложной комбинации логических элементов, которые образуют полный сумматор, содержащий 3 входа и 2 выхода.

 

Триггеры

Триггер – логическая схема с положительной обратной связью, имеющая 2 устойчивых состояния (бистабильная ячейка).

Асинхронный RS-триггер

1) RS-триггер на двух элементах "2и-не

Рис.6-1 RS-триггер с инверсными входами

Данное уравнение является особым логическим уравнением, которое выражает последующее состояние выхода y1 в зависимости от входов х1 и х2 и предыдущего состояния выхода. Иначе его можно представить в виде:

Если S = R = 1, тогда Q_n+1 = 0+1Q_n = Q_n (хранение).

Если S = 0, R = 1, тогда Q_n+1 = 1+1Q_n = 1 (установка 1).

Если S = 1, R = 0, тогда Q_n+1 = 0+0Q_n = 0 (установка 0).

S	R	Qn+1
		Запрещенное состояние
		установка 1
		установка 0
		хранение

Таблица 7 Состояния триггера

Рис.6-2 Схемное обозначение триггера

Генератор меандра

Если соединить в кольцо любое нечетное число инвертирующих элементов, то образуется генератор меандра – периодической последовательности прямоугольных импульсов, у которых длительности импульса и паузы равны tимп = tпаузы (скважность =1).

Рис.6-7 Меандр

 

Статический Т-триггер

Q	/Q	C	/S	/R

Таблица 8 Состояния T-триггера

Однотактный JK-триггер

Двухтактный JK-триггер.

Регистры

Классификация регистров

Регистр – функциональный узел объединяющий несколько однотипных триггеров.

Типы регистров:

1) Регистры защелки – строятся на триггерах защелках (К155ТМ5; К155ТМ7), запись в которые ведется уровнем стробирующего сигнала.