етодические указания для самостоятельной подготовки к занятию.
Повторить материалы об устройств и использовании логических элементов [3,6,9,11,12,15,16,18].
Логические элементы характеризуются такими параметрами.
Основные статические параметры:
– входное напряжение логической единицы (минимальное) 
(VIH);
– входное напряжение логического нуля (максимальное) 
(VIL);
– выходное напряжение логической единицы (минимальное) 
(VOH);
– выходное напряжение логического нуля (максимальное) 
(VOL);
– пороговое напряжение элемента Uпор (VIK);
– напряжение источника питания (указывается номинал, отклонения от номинала, величина пульсации) Uпит (VCC – для ТТЛ элементов и VDD – для КМОП элементов);
– выходный ток логической «1» 
(IOH);
– выходный ток логического «0» 
(IOL);
– входной ток логической «1» 
(IIH);
– входной ток логического «0» 
(IIL);
– ток потребления I (ICC);
– диапазон рабочих температур Тmin, Тmax, ºC;
– коэффициент разветвления по выходу Кроз.
Статические параметры логических элементов определяются по статическим характеристикам – передаточной и выходной.
Основные динамические параметры:
– время перехода из состояния логической «1» в состояние логического «0» 
;
– время перехода из состояния логического «0» в состояние логической «1» 
;
– время задержки включения 
;
– время задержки выключения 
;
– время задержки распространения сигнала во время включения 
(TPHL);
– время задержки распространения сигнала во время выключения 
(TPLH);
– среднее время задержки распространения сигнала 
.
Во время подготовки к занятию также необходимо повторить вопросы, связанные с методами минимизации ПФ с помощью карт Карно с последующим переходом от минимальных форм представления функций к представлению в разных элементных базисах.
4.3 Контрольные вопросы и задача
1. Привести таблицу истинности логических функций ИЛИ, И, ИЛИ-НЕ, И-НЕ.
2. Опишите передаточную характеристику логического элемента , который выполняет инверсию входного сигнала.
3. Какое назначение диодов на входах ТТЛ элементов ?
4. Объясните, что такое «третье состояние» на выходе логического элемента.
5. Реализуйте функции ИЛИ на элементах И-НЕ.
6. Приведите карты Карно для функций трех, четырех, пяти переменных.
римеры аудиторных задач
Задача 1.На логических элементах микросхем серии SN74LS построить с минимальными аппаратными затратами схему для реализации функции от четырех переменных, функционирование которой отображается в табл.4.1. Рассчитать максимальное время задержки распространения сигнала через полученную схему.
Таблица 4.1 – Таблица значений логической функции
| Номер набора входных сигналов | Входные переменные | Значения функции | |||
| X4 | X3 | X2 | X1 | Y | |
Решения. Для минимизации аппаратных затрат во время построения схемы, необходимо получить аналитическое выражение для выходного сигнала функции в виде ДДНФ или ДКНФ [9,15]. Для этого за данными из таблицы 4.1 построим карту Карно (рис.4.1)
 |
Рисунок 4.1 – Карта Карно для функции за табл.4.1
Для получения МДНФ выполним операцию «склеивания» соседних единиц на карте Карно и получаем такую функцию:
. (4.1)
Для построения электрической схемы (рис.4.2), реализующей функцию (4.1), необходимо 3 элемента 3И (ИМС SN74LS11, содержащая 3 элемента 3И), 3 элемента 2ИЛИ (ИМС SN74LS32, содержащая 4 элемента 2ИЛИ), 1 элемент 2И (ИМС SN74LS08, содержащая 4 элемента 2И),4 элемента НЕ (ИМС SN74LS04, содержащая 6 элементов НЕ).
На элементах DD4.1, DD4.2, DD4.3 реализован элемент 4ИЛИ, поскольку в серии SN74LS нет ИМС, которая содержит элементы 4ИЛИ.
Определим из справочника [6] среднее время задержки распространения сигнала для использованных в схеме ИМС логических элементов (для ИМС SN74LS08 tзд.р.ср = 20 нс, для ИМС SN74LS11 tзд.р.ср = 20 нс, для ИМС SN74LS04 tзд.р.ср = 15 нс, для ИМС SN74LS32 tзд.р.ср = 22 нс), для схемы на рис.4.2 находим максимальное время задержки распространения сигнала от входа к выходу: через элементы DD1.1 – DD2.1 – DD4.1 – DD4.2, то есть tзд= 15+20+22+22=77 нс.
 |
Функцию (4.2) можно реализовать с использованием ЛЭ одного типа: И-НЕ. Для этого необходимо взять двойную инверсию над правой частью формулы (4.1) и применить правила де Моргана, после чего получим:
. (4.2)
В итоге получаем схему, показанную на рис.4.3.
Для построения электрической схемы (рис.4.3), реализующей функцию (4.2), необходимо 2 элемента 4И-НЕ (ИМС SN74LS20, которая содержит 2 элемента 4И-НЕ), 3 элемента 3И-НЕ (ИМС SN74LS10, содержащая 3 элемента 3И-НЕ), 4 элемента 2И-НЕ (ИМС SN74LS00, содержащая 4 элемента 2И-НЕ). Среднее время задержки распространения сигнала для использованных в схеме логических элементов такое: для ИМС SN74LS20 tзд.р.ср = 15 нс, для ИМС SN74LS00 tзд.р.ср = 15 нс, для ИМС SN74LS10 tзд.р.ср = 15 нс. Максимальное время задержки распространения сигнала в схеме на рис.4.3: через элементы DD1.1-DD3.1-DD4.2, то есть tзд.р.ср = tзд.р.ср DD1 + tзд.р.ср DD3 + tзд.р.ср DD4 = 60 нс.
 |
.
Задача 2.Рассчитать элементы схемы преобразователя уровня на основе «фиксатора потенциалов» [11]: выбрать диод VD, рассчитать значение сопротивлений резисторов R1, R2 , величину напряжения Uд (рис.4.4).
Исходные данные: ЛЭ технологии КМОП, UпитЛЭ = +5 В.
Рисунок 4.4 – Схема “ фиксатора потенциалов”
Решение. Поскольку ЛЭ КМОП-технологии, его входными токами можно пренебречь. Диод рекомендуется выбирать из таких соображений: небольшие значения прямого падения напряжения Uпр и прямого тока Iпр. Например, возьмем диод КД401А, у которого Uпр = 1В при Iпр = 1мА, а Uобр max = 75В.
При разомкнутом ключе напряжение на входе ЛЭ (уровень ) обеспечивается резистором R2. Для определения уровня (при замкнутом ключе), воспользуемся эквивалентной схемой:
Рисунок 4.5 – Эквивалентная схема “ фиксатора потенциалов” при замкнутом ключе
Напряжение (точка А на рис.4.6):
.
Исходя из того, что не должно превышать напряжение питания ЛЭ и зная Uд.пр, выберем значение Uд = 4В.
Рассчитаем значение сопротивлений:
,
где
;
.
Пусть R2=3 кОм, тогда R1=8.46 кОм.
Задача 3. Применить ІМС серии SN74 для управления нагрузкой с сопротивлением RН = 220 Ом, подключенной к источникам питания:
а) Uпит = +5В.
б) Uпит = +9В.
Решение.
а) Пример схемы включения нагрузки:
Рисунок 4.6 – Подключение нагрузки к логическому элементу, Uпит = 5В
Нагрузка будет включена, когда на выходе ЛЭ будет логический «0». Типичные параметры ЛЭ серии SN74: = 0,4В, = 2,5В, 
= 16 мА, = 0,4мА.
Для схемы на рис.4.6
.
Поскольку 
, применить ЛЭ с обычным выходом нельзя, поэтому воспользуемся ЛЭ с повышенной погрузочной способностью, например , элемент 4И-НЕ ИМС SN7440, у которого 
= 48 мА.
б) поскольку Uпит = +9В , что превышает напряжение питания ИМС серии SN74 (для которой Uпит = +5В), применим ЛЭ «с открытым коллектором», для которого допускается подключение нагрузки к высоковольтному источнику питания, например элемент 2И ІМС SN7417, для которого = 40 мА, а напряжение питания нагрузки не должно превышать +15В (рис.4.7).
Рисунок 4.7 – Подключение нагрузки к логическому элементу
«с открытым коллектором», Uпит = 9В