13. Логические и цифровые устройства

Логическими сообщениями называют такие, истинность или неверность которых может быть определена однозначно. Логические сообщения могут принимать состояние "ИСТИНА" (1) или "НЕПРАВДА" (0). Такие же состояния могут принимать устройства релейно-контактной автоматики ("включен - выключен"), поэтому последовательность их действий (алгоритм) могут описывать уравнение, составленные из логических сообщений.

Основными операциями обработки логических сообщений есть: операция НЕТ (логическое возражение или инверсия), операция ИЛИ (логическое добавление или дизъюнкция) и операция И (логическое умножение или конъюнкция). Кроме этих основных логических операций используют еще производные от них операции ИЛИ-НЕТ, И-НЕТ, ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ (ОПЕРАЦИЯ НЕРАВНОЗНАЧНОСТИ) и ОПЕРАЦИЯ РАВНОЗНАЧНОСТИ.

Логические элементы, которые реализуют логические операции НЕТ, ИЛИ, И и прочие могут быть созданы на дискретных полупроводниковых приборах (транзисторах, диодах, резисторах), на ИМС, на гидравлических или пневматических элементах. Технико-экономические преимущества ИМС обусловили применение для логических операций почти исключительно ИМС.

Широко распространенными логическими элементами, которые имеют два стойких состояния, которые они могут менять скачком при поступлении сигналов управления, являются триггеры. Наиболее простые асинхронные R-S триггеры имеют два входа - R и S и два выхода - прямой Q и инверсный . Таблица истинности R-S триггера:

S R Q_n+1

0 0 Q_n

0 1 0

1 0 1

1 1 запрещенная операция.

Универсальные J-К-триггеры кроме входов R и S имеют входы J, К и синхронизирующий вход С. Для входов J, К таблица истинности имеет вид:

На базе J-К-триггеров можно создать синхронный R-S-триггер, счетный Т-триггер, D-триггер. Синхронный R-S-триггер на базе J-К-триггера реагирует на смену входных сигналов лишь в момент срезания тактового импульса на входе С. У Т-триггера входы J и К соединяют между собою и подают на их напряжение логической единицы, так что J = К = 1. Тогда при каждом тактовом импульсе на входе синхронизации С = Т = 1 выходы триггера будут перебрасываться в противоположное состояние. Такие триггеры используют в счетчиках частоты. В D- триггерах . В таком триггере всегда сигнал на выходе Q_n+1 становится равной Q_n+1 = D по фронту тактового импульса на входе С, то есть триггер запоминает сигнал на входе D в момент тактового импульса и держит его к следующему тактовому импульсу. Поэтому этот триггер может использоваться как элемент памяти.

Путем последовательного соединения нескольких Т-триггеров в таким образом, что выход каждого триггера соединяется с входом следующего Т-триггера, можно получить счетчик импульсов, который будет превращать количество импульсов, что поступило к входу первого Т-триггера, в двойное число, разряды которого получаются на выходах всех триггеров в виде параллельного кода.

Параллельный регистр - это устройство с п входами и п выходами. При поступлении синхронизирующего импульса на соответствующий вход С состояние всех входных разрядов передается в выходные разряды и сохраняется там до поступления следующего импульса. Ведь параллельный регистр можно использовать как элемент оперативной памяти.

Последовательный регистр можно получить с п последовательно соединенных D-триггеров. Если подать на синхронизирующий вход С первого триггера п импульсов, то на выходе можно прочитать информацию, накопленную регистром, в последовательному двоичном коде.

Дешифратор - это комбинационно-логическое устройство, которое для каждой комбинации кодов на входах создает логическую единицу или нуль лишь на одном своем выходе. Используется для выбора определенной микросхемы в микропроцессорных устройствах и для преобразования двоичного кода в десятичный. Существуют также дешифраторы, которые превращают определенный входной код в определенный исходный код. Такие дешифраторы используют для управления индикаторами, которые отображают знаковую информацию.

Мультиплексор - это комбинационное устройство, в котором выход соединяется с одним из нескольких входов в соответствии с кодом, поданным на его адресные входы.

Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) - это большая интегральная микросхема, которая имеет m адресных входов и п выходов. Количество входов определяет количество адресных ячеек памяти, которое равняется 2n. На выходах получаются двойные числа, любое из которых отвечает определенному адресу ячейки памяти.

В цифровых устройствах, которые руководят техническими системами, возникает необходимость преобразования аналоговой величины (угловой скорости вращения, температуры, давления) в цифровой код, который подается на вход цифрового устройства. Для создания аналоговых сигналов управления необходимое обратное преобразование двоичных кодов цифровых устройств в аналоговый сигнал. Эти задачи решаются с помощью специальных устройств - аналогово-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей. Конструктивно они выполняются в виде интегральных микросхем.