4.6. КОМБИНАЦИОННЫЕ ИНТЕГРАЛЬНЫЕ МИКРОСХЕМЫ

Наряду с построением комбинационных логических устройств на основе логических элементов типов И-НЕ (либо ИЛИ—НЕ) в настоящее время широко используются готовые комбинационные узлы, выполненные в виде ИМС среднего и высокого уровня интеграции. Промышленность изготавливает наиболее часто встречающиеся комбинационные схемы. Применение готовых узлов не только упрощает разработку схем, но и снижает стоимость оборудования, так как готовый узел на одной ИМС заменяет устройство, собираемое из множества логических элементов, размещенных в нескольких корпусах. Стоимость логических устройств на ИМС приближенно может быть оценена числом использованных корпусов вне зависимости от их типов.

Применение комбинационных ИМС позволяет строить более сложные цифровые и логические устройства при меньших аппаратурных затратах. Поэтому разработчик электронной аппаратуры должен стремиться по возможности использовать имеющуюся номенклатуру комбинационных ИМС для построения устройств. Кратко охарактеризуем наиболее распространенные комбинационные ИМС.

Рис. 4.15. Дешифратор

4.6.1. Дешифраторы. Дешифратором (рис. 4.15) называется комбинационное устройство, в котором при каждой комбинации входных переменных формируется единичный сигнал только на одном выходе. Таблица истинности дешифратора с четырьмя входами А, В, С, D приведена в табл. 4.7. Дешифратор содержит число выходов, равное числу комбинаций входных переменных . Применяются дешифраторы с меньшим число выходов (10 или 12 выходов при четырех переменных на входе, тогда ряд комбинаций входных переменных не используется).

Таблица 4.7. Таблица истинности дешифратора

Дешифратор реализует логические функции: .

Если входные переменные представить как двоичную запмсь чисел, то логическая единица формируется на том выходе, номер которого соответствует десятичной записи того же числа. Например, , число 1001 в двоичном коде. В десятичном коде это число соответствует 9, т. е. при данной комбинации входных переменных . Дешифраторы широко используются в качестве преобразователей двоичного кода в десятичный, а также во многих устройствах ().

4.6.2. Мультиплексоры. Мультиплексором называется комбинационное устройство, в котором выход соединяется с одним из входов (а, В, С и т. д.) в соответствии с кодом адреса.

Рис. 4.16. Мультиплексор: а - упрощенная схема, б - обозначение.

Эквивалентная схема мультиплексора на четыре входа приведена на рис. 4.16, а. В положении ключа 00 (код адреса ) в положении , в положении в положении . Работу мультиплексора описывает логическое уравнение

Обозначение схемы мультиплексора приведено на рис. . На входы X, Y подаются сигналы, определяющие, какой из входных сигналов будет передан на выход устройства. Мультиплексоры находят широкое применение в устройствах отображения информации (см. § 4.13), в различных микроэлектронных и микропроцессорных устройствах управления и в ЭВМ.

4.6.3. Сумматоры. Сумматор является простейшим цифровым устройством. Он предназначен для сложения двух чисел, заданных в двоичном коде. Сравним суммирование десятичных и двоичных чисел:

Правила сложения двоичных и десятичных чисел одинаковы:

1) сложение производится поразрядно — от младшего разряда к старшему;

2) в младшем разряде вычисляется сумма младших разрядов слагаемых . Эта сумма в данной системе счисления может быть записана однозначным числом либо двухзначным числом . Функция Р называется переносом;

3) во всех последующих разрядах находится сумма данных разрядов слагаемых причем при к этой сумме добавляется единица (в числовых примерах, приведенных выше, этот случай помечен звездочкой), результат сложения в разряде записывается в виде однозначного или двухзначного числа.

Таким образом, в каждом разряде необходимо найти сумму (если ), т. е. определить . Одноразрядный двоичный сумматор характеризуется таблицей истинности (табл. 4.8).

Одноразрядный сумматор состоит из двух комбинационных схем: одна для формирования , вторая для определения . Многоразрядный сумматор строится на основе одноразрядных в соответствии с правилами сложения по схеме рис. .

Таблица 4.8. Таблица истинности одноразрядного сумматора

Рис. 4.17. Сумматор и полусумматор (в)

Многоразрядные сумматоры выпускаются промышленностью в виде ИМС, обозначение которой приведено на рис. .

4.6.4. Полусумматоры. Полусумматором называется комбинационное устройство, отличающееся от одноразрядного сумматора отсутствием сигнала . Таблица истинности полусумматора приведена в табл. 4.9. Полусумматоры выпускаются в виде ИМС (рис. 4.17, в).

4.6.5. Цифровые схемы сравнения формируют на выходе при равенстве подаваемых на вход двух двоичных многоразрядных чисел А (поразрядно записываем ) . Другими словами, , если и т.д. Цифровая схема сравнения часто реализуется на схеме с применением многоразрядного сумматора (рис. 4.18).

Таблица 4.9. Таблица истинности полусумматора

Таблица 4.10. Таблица истинности ПЗУ

Рис. 4.18. Цифровая схема сравнения на базе схемы сумматора

Рис. 4.19. Реализация комбинационных устройств на ПЗУ

Действительно, если то сумма , сигнал переноса . Аналогично во втором разряде при сумма . Точно так же и в остальных разрядах . Таким образом, при поразрядном равенстве кодов на выходе сумматора . Последнее фиксируется элементом И, на вход которого поданы .

Схема рис. 4.18 может фиксировать неравенство чисел А и В. Легко убедиться, что при сигнал на выходе сумматора .

Цифровая схема сравнения — это цифровой аналог компаратора, являющегося одним из важнейших устройств импульсной техники. Цифровая схема сравнения также находит широкое применение.

4.6.8. Постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) представляет собой большую интегральную схему (БИС), имеющую входов и выходов. Упрощенная структурная схема ПЗУ при приведена на рис. 4.19, а. На входе ПЗУ установлен дешифратор. При каждой комбинации входных сигналов появляется сигнал 1 на одном из выходов дешифратора . Между шинами дешифратора k, I, m, n и выходными шинами ПЗУ X, F, Z включены цепочки из двух диодов, одна из которых приведена на рис. 4.19, б. Цепочки не проводят ток, и связи между шинами k, I, m, n и X, Y, Z в исходном состоянии ПЗУ отсутствуют.

Потребитель создает нужные связи между шинами, подавая пробивные напряжения между определенными выходами, при этом соответствующие диоды пробиваются и в дальнейшем могут рассматриваться как короткозамкнутые. Созданные постоянные связи показаны на рис. 4.19, а кружками. При подаче сигнала 1 на шину k на шинах X и Z теперь также будут единичные потенциалы. Таким образом, потребитель может реализовать на ПЗУ нужную ему таблицу истинности комбинационного устройства. В схеме рис. 4.19, а, например, реализована табл. 4.10.

Процесс записи таблицы в ПЗУ можно уподобить процессу записи текста в чистой тетради. Одна схема ПЗУ может заменить большое число логических микросхем малого и среднего уровня интеграции, поэтому ПЗУ могут эффективно использоваться для создания сложных комбинационных устройств. Кроме того, ПЗУ находят широкое применение как элементы постоянной памяти, в которые заносятся сведения, постоянно используемые при работе управляющих и вычислительных устройств, в том числе микропроцессоров.