Юрий Ревич - Занимательная микроэлектроника

Есть, разумеется, и элементы с большим числом входов, пример их использования мы увидим далее. Я не буду приводить здесь разводку выводов других типов логических микросхем, т. к. эти данные всегда можно найти в справочниках, например в [9]. Отдельно следует упомянуть, что многие микросхемы КМОП прекрасно коммутируют аналоговые сигналы, иногда даже специально делается отдельный вывод для подключения отрицательного напряжения питания, чтобы можно было пропускать двуполярное напряжение. Причем пропускание это осуществляется как в направлении от входа к выходу, так и обратно (таковы микросхемы 561КТЗ, КП1 и КП2 или, скажем, специально для этого предназначенные микросхемы серии 590KR*). Указанные микросхемы прекрасно работают также и с цифровыми сигналами, т. е. являются универсальными. Немного подробнее мы их рассмотрим далее.

Другой часто употребляемой разновидностью логических микросхем (в основном, правда, в составе больших интегральных схем, БИС) являются элементы, имеющие выход с открытым коллектором (или с открытым истоком). Такой выход, как мы помним, имеет компаратор 554САЗ (см. главу 6). Есть такие элементы и с чисто логическими функциями: в КМОП-серии это CD40107 (561 ЛАЮ), а в ТТЛ — 7403 (133ЛА7). Как правило, они могут коммутировать значительный ток (до 50 мА, причем интересно, что для схемы с открытым истоком, типа ЛАЮ, нагрузочная способность по току с увеличением напряжения питания растет, а не падает).

Эти элементы удобны не только для коммутации мощной нагрузки, но и для объединения на общей шине в так называемое «проводное» или «монтажное» ИЛИ. В этом случае объединенные коллекторами (истоками) транзисторы разных устройств работают на общую нагрузку. В нормальном состоянии все они разомкнуты и на шине имеется потенциал логической единицы. Любое устройство может перевести шину в состояние логического нуля, замкнув выходной транзистор, при этом состояния всех остальных устройств уже не будут иметь значения (т. н. «захват шины»). Электрических конфликтов на такой шине возникнуть не может, т. к. ток от источника питания всегда ограничен нагрузочным резистором. Примером такой шины может служить интерфейс I 2С, который мы будем разбирать в главе 16 .

Другой вариант построения выходов современных КМОП-элементов для коллективной работы представляет т. н. выход с третьим состоянием , когда оба транзистора, и по «плюсу» и по «минусу», могут быть разомкнуты. Так построены выходные каскады микроконтроллеров AVR, с которыми мы будем иметь дело в дальнейшем (см. главу 12 ).

В начале главы мы упоминали, что логические элементы носят еще название вентилей. На самом деле вентиль — это устройство для регулирования потока жидкости или газа. Каким же образом оправданно это название в приложении к нашим схемам? Оказывается, если на один из входов логического элемента подавать последовательность прямоугольных импульсов (некую аналогию потока жидкости), а на другой — логические уровни, то элемент будет себя вести совершенно аналогично вентилю.

Соответствующие диаграммы показаны на рис. 8.3, а . Из них вытекают следующие правила:

• для элемента «И-НЕ» логический уровень «1» является разрешающим, т. е. в этом случае последовательность на другом входе пропускается на выход без изменения (за исключением того, что она инвертируется, т. к. элемент у нас «И-НЕ», а не просто «И»). При логическом уровне «0» вентиль запирается, на выходе будет логическая единица;

• для элемента «ИЛИ-HE» ситуация полностью обратная: разрешающим является логический уровень «0», т. е. в этом случае последовательность на другом входе пропускается на выход (также с инверсией). При логическом уровне «1» вентиль запирается, на выходе будет логический ноль;

• для «Исключающего ИЛИ» все еще интересней: в зависимости от того, «0» на входе или «1»: относительно другого входа элемент ведет себя, соответственно, как повторитель или как инвертор, что дает довольно широкие возможности для управления двоичными последовательностями. Почему так происходит?

Рис. 8.3. Обработка цифровых сигналов при помощи логических элементов:

а— диаграммы прохождения сигналов через основные типы логических элементов; б— «антидребезг» на основе элемента «Исключающее ИЛИ»; ви г— использование элемента «Исключающее ИЛИ» для выявления разности фаз ( в ) и частот ( г ) сигналов

Элемент «Исключающее ИЛИ» обладает рядом интересных свойств, которые вытекают из его таблицы истинности:

Если сравнить эту таблицу с таблицами элементов «ИЛИ» и «И-НЕ» (см. главу 7 ), то можно заметить, что «Исключающее ИЛИ» есть логическое произведение этих элементов. Запомнить его таблицу истинности очень просто — он осуществляет функцию «несовпадения» (единица на выходе тогда, когда входы разные). Признаюсь, что я никогда не мог понять, почему в отечественной практике «Исключающее ИЛИ» обозначают значком «=1». По смыслу это обозначение больше подошло бы обратному элементу «совпадения», который представляет собой инверсию выхода «Исключающего ИЛИ» и носит название «Включающего ИЛИ». В любой логической серии есть специальные микросхемы «Исключающее ИЛИ» (561ЛП2), но функцию эту несложно воспроизвести и на базовых элементах, например, «И-НЕ».

Заметки на полях

Сама функция «Исключающее ИЛИ» (по-английски она называется XOR) имеет большое значение в логике и программировании. Например, часто употребляющаяся функция обнуления какого-то регистра в микроконтроллерах есть операция «Исключающее ИЛИ» этого регистра самого с собой (по определению, одинаковые входы дадут на выходе все 0). Другое интересное свойство этой функции — будучи применена к какому-то двоичному объекту дважды, она возвращает все, как было до операции. На этом принципе основано применение функции «Исключающее ИЛИ» в криптографии: первый раз вы складываете текст с секретным ключом, получая «абракадабру». Второй раз — на приемном конце — тот же ключ той же операцией применяется к этой «абракадабре», в результате чего получается исходный расшифрованный текст. Можно указать и еще одно распространенное применение «Исключающего ИЛИ», которое вы не раз встречали — получение «прозрачного» цвета в компьютерной графике. Эффект основан на том, что изготавливается т. н. XOR-маска. Там, где в XOR-маске были поля с нулевым значением бит (т. е. черного цвета), фон остается неизменным (если одна исходная величина равна нулю, то операция XOR будет повторять вторую исходную величину), в противном случае на фон с «дырой» накладывается то изображение, которое записано в XOR. Так, например, формируются «иконки» и «прозрачные» меню в Windows. Как видите, очень полезная функция.