Глава VI Элементы аппаратуры объединения и разделения цифровых потоков.
В цифровой системе передачи одним из основных элементов аппаратуры являются устройства объединения и разделения цифровых потоков. Элементной базой для данных устройств являются импульсные, цифровые и аналоговые схемы. Основу данных схем составляют логические элементы, выполненные в виде микросхем. В данной главе рассмотрим основы кодирования сигнала двоичным кодом и устройства, которые работают в логическом режиме.
6.1. Логические элементы.
Во многих электронных устройствах для передачи сообщений кодированные сигналы в двоичном виде.
Двоичными называют цифровые сигналы, имеющие два уровня, обозначенные логическими 0 (нулями) и 1 (единицами) (рис.44).
рис. 44
Сочетание нулей и единиц, например 01101 , называется кодом. Любое десятичное число можно перевести из десятичной формы в двоичную и наоборот.
Например: число 6 представить двоичным кодом, для этого необходимо:
6 : 2 = 3 (остаток 0)
3 : 2 = 1 (остаток 1)
1 : 2 = 0 (остаток 1)
Соответственно код числа 6 в двоичной форме: 1 1 0.
Для обратного перехода используют следующую зависимость:
,
где А0, А1, А2 - код соответствующего числа.
тогда для кода 1 1 0 имеем:
1 + 1*2 + 0*2*2 = 6.
Операции по обработке двоичных кодов выполняют логические элементы , которые нашли широкое применение в системе связи.
Основными логическими элементами являются:
элемент логического отрицания - НЕ;
элемент логического сложения - ИЛИ;
элемент логического умножения - И.
Операция логического отрицания (НЕ) сводится к инверсии:
НЕ А = В, т.е. НЕ 0 = 1, НЕ 1 = 0
Условное обозначение элемента НЕ имеет вид (рис.45)
рис. 45
Операция логического сложения (ИЛИ) выполняется по правилу:
А + В = С
0 ИЛИ 0 = 0
1 ИЛИ 0 = 1
0 ИЛИ 1 = 1
1 ИЛИ 1 = 1
Условное обозначение элемента ИЛИ имеет вид (рис.46)
рис. 46
Логическое умножение (И) выполняется по правилу:
А * В = С
0 И 0 = 0
1 И 0 = 0
0 И 1 = 0
1 И 1 = 1
Условное обозначение элемента И имеет вид (рис.47)
рис. 47
Отдельно логические элементы, как правило, не выпускаются промышленностью, а изготавливаются универсальные схемы (на основе логических операций), выполняющие ряд функций. Например (рис.48)
рис. 48
Количество входов может быть различным, и они могут объединяться в различные конфигурации.
Универсальные логические элементы в свою очередь служат основой для создания других устройств, например, триггеров, мультиплексоров, счетчиков, делителей и т. д.
6.2. Триггеры.
Триггером называется устройство, обладающее двумя устойчивыми состояниями равновесия и способное переключаться из одного состояния в другое каждый раз, когда входной управляющий сигнал превосходит определенный уровень, называемый порогом срабатывания.
В электронных приборах триггер используется:
для формирования прямоугольных импульсов из входных сигналов, имеющих другую форму;
как ячейка памяти для хранения одного бита информации;
для построения других устройств - регистров, счетчиков, делителей и т.д.
В настоящее время широкое распространение в импульсной и цифровой технике получили триггерные устройства, реализованные на основе импульсных схем И-НЕ и ИЛИ-НЕ.
В зависимости от способа записи информации триггеры разделяются на асинхронные и синхронные (тактируемые).
В асинхронных триггерах запись информации производится в произвольные моменты времени, непосредственно при подаче сигнала на информационные входы триггеров.
Синхронные триггеры имеют наряду с информационными входами дополнительный вход С, на который поступает тактовый сигнал, т.е. для переключения такого триггера требуется наличие сигналов на информационном входе и на дополнительном одновременно.
Входы триггера, по которым он переключается фронтом или срезом импульса называют динамическими. Если триггер переключается уровнем входного сигнала, т.е. требует большой длительности сигнала, то такой вход называют статическим.
рис. 49
На рис.49 приведены условные обозначения простейшего асинхронного триггера с устойчивыми входами или RS - триггера.
Треугольники на входах триггера, направленные остриями в правую сторону (рис.49 а), показывают, что триггер переключается фронтом положительного перепада входного сигнала. Если треугольники направляют остриями в левую сторону (рис.49 б), то триггер переключается фронтом отрицательного перепада входного сигнала.
В изображении статических входов триггера треугольники отсутствуют (рис.49 в).
Схема асинхронного RS - триггера, реализованного на основе элементов И-НЕ, показана на рис.50.
рис. 50
Выходное состояние триггера при действии на его входах различных комбинаций сигналов в двоичной системе характеризуется таблицей состояний (переходов).
S |
R |
Q |
¬Q |
|
||
0 |
0 |
- |
- |
не изменяется |
||
0 |
1 |
0 |
1 |
|
||
1 |
0 |
1 |
0 |
|
||
1 |
1 |
Х |
Х |
не допускается |
||
S - установочный вход; R - сброс; Q - прямой вход; ¬Q - инверсный вход. |
|
входы триггера |
||||
Схема синхронного RSС - триггера состоит из асинхронного триггера и двух элементов И-НЕ рис.51 , благодаря которым триггер переключается только в том случае , если сигнал логической единицы поступает одновременно на тактовый вход С и один из информационных входов R или S.
В отсутствии сигнала =1= на тактовом входе RSС-триггер работает в режиме запоминания предыдущей информации.
рис. 51
Кроме RS-триггера, рассмотренного выше, нашли широкое применение триггеры других типов:
Т-триггер;
D-триггер;
JK- триггер;
триггер Шмитта.
Т-триггер - счетный триггер, т.к. он переключается каждый раз, когда на его входе появляется сигнал.
Асинхронный Т-триггер имеет один информационный вход (рис.52 а) и переключается каждый раз при наличии на его входе импульса (рис.52 б).
рис. 52
Синхронный двухступенчатый Т-триггер (рис.53 а) переключается после окончания действия тактового импульса (вх.С) при наличии логической единицы на информационном входе Т (рис.53 б).
рис. 53
D-триггер с задержкой, имеет 2 входа D- информационный и
С-тактовый (рис.54 а).
Триггер переключается в момент поступления очередного тактового импульса, если уровни сигналов на входе D и выходе Q различны (рис.54 б).
рис. 54
JK- триггер является универсальным, т.к. не имеет запрещенных комбинаций входных сигналов.
Синхронный JKC- триггер имеет информационные входы J и K, и тактовый вход С (рис.55).
На основе JK -триггера легко реализовать остальные типы тактируемых триггеров. Например, если объединить J и K в один общий вход, то получим синхронный Т-триггер.
рис. 55
Триггер Шмитта - представляет собой устройство, в котором переход из одного устойчивого состояния в другое осуществляется только при определенных условиях входного напряжения Е1 и Е2 , называемых пороговыми условиями (рис.56).
Наличие двух пороговых уровней входного сигнала в схеме свидетельствует о гистерезисном характере передаточной характеристики данного устройства. Идеализированная передаточная характеристика триггера Шмитта представлена на рисунке 56 б.
рис. 56