9.1.2 Типовые кцу
В цифровой технике при построении сложных устройств широко применяются не только отдельные логические элементы, реализующие элементарные булевы функции, но и их комбинации в виде типовых структур, выполняемых как единое целое в виде интегральных микросхем (ИМС). На входы таких структур могут подаваться информационные логические сигналы и сигналы управления. Последние могут определять, например, порядок передачи информационных входных сигналов на выход или играть роль сигналов синхронизации. Во многих случаях, особенно при использовании в устройствах выходных цепей с тремя состояниями, в качестве сигналов синхронизации выступают сигналы “Выбор микросхемы” (CS). Наличие активного значения такого сигнала управления (в одних схемах это логический нуль, в других - логическая единица) разрешает устройству выполнение заданных функций, отсутствие его - переводит схему в “невыбранное” состояние, при котором она не выполняет обработку информации, а её выходы отключены от нагрузки.
9.1.2.1 Шифраторы и дешифраторы
В повседневной жизни для представления чисел мы применяем десятичную систему счисления. Если последняя используется для представления дискретных сообщений (дискретной информации - данных), то говорят о кодировании – установлении соответствия между элементами данных и совокупностью символов, называемых кодовой комбинацией. В большинстве современных компьютеризированных систем управления и автоматики входная дискретная информация представлена в десятичном (унитарном) коде, а обработка информации цифровым компьютером осуществляется над данными, представленными в двоичном коде. Возникает задача преобразования десятичного (унитарного) кода в двоичный при вводе в систему и обратного перевода двоичного кода в десятичный (унитарный) при выводе из цифровой системы результатов обработки информации.
Комбинационное цифровое устройство (КЦУ), выполняющее перевод десятичного (унитарного) кода в двоичный, называется шифратором (кодером) двоичного кода, а осуществляющее преобразование двоичного кода в десятичный (унитарный) – дешифратором (декодером) двоичного кода.
Очень часто десятичные коды преобразуются в двоично-десятичные, которые называют BCD (Binary Code Decimal)-кодами или кодами 8421. В этом случае КЦУ, преобразующие десятичный код в BCD-код и наоборот, называют соответственно шифратором (кодером) и дешифратором (декодером) двоично-десятичного кода (BCD-кода).
Распространенным выходным устройством, отображающим десятичные числа, является семисегментный индикатор. Его работой управляет дешифратор, преобразующий BCD-код в семисегментный. Рассмотрим названные устройства более подробно.
9.1.2.1.1 Шифраторы двоичного кода
Шифраторы двоичного кода преобразуют десятичный (унитарный) код в двоичный. Если число разрядов выходного ДК (выходов шифратора) равно m, то максимальное число входных шин определяется числом возможных кодовых комбинаций ДК и составляет 2m .
Условное обозначение шифратора показано на рисунке 9.2.
Рисунок 9.2
На выходных шинах устанавливается ДК, десятичный эквивалент которого соответствует номеру входа, на котором появилась логическая 1. На остальных входах при этом присутствуют нули. Такой код называют унитарным (десятичным).
Рассмотрим пример проектирования шифратора, у которого число разрядов выходного ДК m=2. Максимальное число входов равно 2m=22=4, что позволяет отобразить двухразрядным выходным двоичным кодом четыре десятичные цифры 0, 1, 2, 3. Иногда при проектировании шифраторов нулевой вход опускают, считая, что нулевой цифре на входе соответствуют пассивные сигналы (нули) на всех оставшихся входах. Активный входной сигнал – логическая 1. Принимая такой подход, составим таблицу истинности рассматриваемого в примере (рисунок 9.2.1) шифратора (таблица 9.2).
Таблица 9.2
№ набора |
С |
В |
А |
F2 |
F1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
2 |
0 |
1 |
0 |
1 |
0 |
3 |
0 |
1 |
1 |
– |
– |
4 |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
5 |
1 |
0 |
1 |
– |
– |
6 |
1 |
1 |
0 |
– |
– |
7 |
1 |
1 |
1 |
– |
– |
Рисунок 9.2.1
Минимизируем функции F2, F1 с помощью диаграмм Вейча (рисунок 9.3)
Рисунок 9.3
Если провести минимизацию по нулевым значениям функций F2, F1, получим минимальные КНФ:
F2 = B + C, F1 = C + A.(9.4)
В результирующие конъюнкции входят те переменные, которые в пределах накрытия не меняют своего значения (входят в прямой или инверсной форме). Переменные, которые находятся в столбцах и строках, не помеченных черточкой входят в прямой форме, а помеченные – в инверсной.
Принципиальная схема шифратора, реализующего эти уравнения, показана на рисунке 9.4.
Рисунок 9.4
В цифровой электронике существует много ИМС, выполняющих функцию шифратора, например, К555ИВ1. Ниже показаны ее функциональное обозначение (рисунок 9.5) и таблица истинности (таблица 9.3)
Рисунок 9.5
Кодируемый сигнал низкого уровня (логический 0) поступает на один из входов X0...Х7. На остальных входах должны быть сигналы высокого уровня (таблица 9.3).
Микросхема имеет управляющий (стробированый) вход V и два дополнительных выхода: Р – разрешение переноса и G – запрет переноса. Активными сигналами на этих выходах являются логические единицы. Сигналы на входе V разрешают работу ИМС в режиме кодирования (V=0) или запрещают работу (V=1). В случае запрета (V=1) на всех выходах устанавливаются напряжения высокого уровня независимо от сигналов на входах. Сигнал запрета переноса (Р=0) появляется тогда, когда на всех информационных входах X0...Х7 будут сигналы высокого уровня (логические единицы). В этом случае появляется единица на выходе G.
Сигналы с выходов G и P используют для управления схемой, которая принимает сигналы с выходов шифратора.
Некоторые шифраторы основную функцию совмещают с возможностью введения приоритетов кодируемых сигналов. Микросхема К555ИВ1 (рисунок 9.5) обладает такой возможностью. Функция приоритета реализуется следующим образом. В ИМС допускается одновременное поступление активных сигналов (логических нулей) на несколько входов. Приоритетом обладает активный сигнал на входе с меньшим номером, и выходной двоичный код будет соответствовать этому выбранному сигналу. Например, при комбинациях входных сигналов 11110111, 00000111, 10100111, записанных в порядке принятом в таблице 9.3, результат будет один и тот же: на выходе будет сформирован код 011, поскольку приоритетом обладает нулевой сигнал на входе Х3.
Таблица 9.3
X7 |
X6 |
X5 |
X4 |
X3 |
X2 |
X1 |
X0 |
F2 |
F1 |
F0 |
G |
P |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
0 |
1 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
0 |