К статье ЭЛЕКТРОННЫЕ СХЕМЫ
Хотя в аналоговых и цифровых электронных схемах используются одни и те же основные схемные элементы, такие, как резисторы, конденсаторы, диоды и транзисторы, между этими двумя классами электронных схем существует резкое различие. Как отмечалось выше, в цифровых схемах используются всего два уровня схемных напряжений или токов, поэтому такие схемы часто называют двоичными или логическими. И хотя имеют место плавные переходы между двумя состояниями, их стараются сделать максимально быстрыми, чтобы можно было считать, что они происходят мгновенно. Но для быстродействующих схем конструктор, разумеется, должен учитывать длительность переходов из одного состояния в другое.
Существуют буквально тысячи серийно выпускаемых типов схем для использования в цифровой электронике; по существу, все они представляют собой интегральные схемы в широком диапазоне - от простых схем из нескольких транзисторов (малые интегральные схемы, или МИС) до весьма сложных "компьютеров на кристалле", содержащих в себе сотни тысяч транзисторов (сверхбольшие интегральные схемы, или СБИС). В своем большинстве эти схемы строятся из базовых блоков двух типов. Первый из них охватывает схемы, выполняющие основные логические операции; такие схемы называются комбинационными логическими схемами и отличаются тем, что их выходное состояние (напряжение или ток) в любой данный момент определяется состоянием их входов в тот же самый момент. Ко второму типу относятся схемы, содержащие память, вследствие чего их мгновенное состояние зависит не только от текущего состояния их входов, но и от предыстории их состояний. Такие схемы называют последовательностными логическими схемами.
Как для комбинационных, так и для последовательностных логических схем выходные состояния определяются двумя уровнями напряжения; названия этих состояний (напряжений) выбирают из следующего набора пар: высокое или низкое, истинное или ложное, включенное или выключенное и единица или нуль. Хотя используются все эти пары, последняя из них (единица или нуль) получила большее распространение. Реальные значения двух выбранных уровней напряжения в целом несущественны; важно лишь, что они должны быть легко отличимы друг от друга. Для большинства широко распространенных логических приборов - т.н. схем транзистор-транзисторной логики, или ТТЛ-семейства, - уровни напряжения между 2,5 и 5,0 В считают логической единицей, а уровни от 0 до 0,75 В - логическим нулем. Уровни напряжений, находящиеся между этими диапазонами, игнорируются. Следует отметить, что существует несколько семейств логических устройств, в каждом из которых приняты свои пределы значений для уровней напряжений.
Комбинационные схемы. Хотя такие схемы могут выполнять сложные логические функции, последние можно разделить на три базовые, из которых нетрудно получить более сложные. Первая из таких базовых функций - логическая инверсия (логическое НЕ); схема, выполняющая эту функцию, называется инвертором или инвертирующим логическим вентилем. На рис. 6 приведены символ, используемый для инвертора, и таблица значений, получаемых на выходе при том или ином входном сигнале. Такая таблица называется таблицей истинности и служит удобным способом представления возможных характеристик вход-выход логических схем. (Отметим, что из-за двоичной системы логических сигналов таблицы истинности имеют ограниченное число возможных входных сигналов.) Черточка над логической переменной указывает на логическую инверсию данной переменной.
Вторая базовая логическая операция, выполняемая цифровыми электронными схемами, - это логическое произведение двух или большего числа входных сигналов. Такая функция известна под названием логического И, а схему называют логическим элементом И. Функция И двух или большего числа входов принимает значение логической единицы только тогда, когда все входы одновременно являются логическими единицами. На рис. 7 представлены символ, используемый для логического элемента И (в данном случае для двух входов), и соответствующая таблица истинности. Как показано на этом рисунке, функция И обозначается точкой, как в выражении A?B.
Третья логическая операция - логическая сумма, или функция ИЛИ. Различаются две ее разновидности. Функция "Включающее ИЛИ" двух логических переменных принимает значение логической единицы, когда не обе переменные, а любая из них имеет значение логической единицы. На рис. 8 показан символ, используемый для логического элемента "Включающее ИЛИ", и приведена соответствующая таблица истинности. На рис. 9 приведены символ и таблица истинности для логического элемента "Исключающее ИЛИ". Операция "Включающее ИЛИ" обозначается символом +, а операция "Исключающее ИЛИ" - символом ?.
Используя описанные выше типы логических элементов, разработчики могут создавать системы высокой сложности, позволяющие выполнять любые логические операции над входными переменными.
Последовательностные схемы. Схемы, у которых выходы зависят не только от текущих значений сигналов на входах, но также и от предыстории состояний этих входов, нуждаются, помимо комбинационных схем, еще в одном типе элемента. Такого рода дополнительный элемент меняет свой выходной сигнал особым образом в зависимости от состояний на входах и может запоминать свое состояние. Этот элемент часто называют триггером, более точный термин - мультивибратор с двумя устойчивыми состояниями. На выходе мультивибратора может быть лишь одно из двух логических состояний (т.е. единица или нуль), и это состояние будет оставаться неизменным, пока не произойдет новое событие, которое и вызовет изменение данного стабильного состояния.
Используются и другие виды мультивибраторов (хотя и не в качестве устройств памяти). В ждущем мультивибраторе (одновибраторе) только одно из выходных состояний устойчиво; при вводе внешнего сигнала это состояние может измениться, но лишь на некоторое время, по истечении которого схема возвращается в свое исходное состояние. Мультивибратор с одним устойчивым состоянием может генерировать импульсы фиксированной длительности из приходящего на вход сигнала. Наконец, несинхронизированный мультивибратор - автогенератор несинусоидальных колебаний - может быть полезен для генерации непрерывных последовательностей (серий) импульсов, или "тактовых" сигналов.
Один из наиболее распространенных типов триггеров - J-K-триггер. На рис. 10 представлены обозначение такого триггера и таблица истинности с его операционными характеристиками. Этот триггер имеет J- и K-входы логических сигналов, вход тактовых (синхронизирующих) сигналов, два входа управления (предварительная установка и предварительный сброс), через которые на выходе Q устанавливаются соответственно логическая единица или логический нуль независимо от других входов. Любое изменение на выходе может происходить только в связи с изменением тактовых сигналов на входе (синхронная работа). В таблице на рис. 10 приведены текущие состояния входов J и K, а также выхода Q, и показано, что следующее состояние Q+ появится на выходе только после прихода тактового сигнала. Данная таблица похожа на таблицы истинности для приведенных выше комбинационных схем, за исключением того, что здесь в явной форме присутствует время.
Отметим, что если на входе J имеется логическая единица, а на K - логический нуль, то на выходе Q после прихода тактового сигнала установится логическая единица, причем это произойдет независимо от того, что было до прихода тактового сигнала. Если на входе J логический нуль, а на K - логическая единица, то после прихода тактового импульса на выходе Q установится логический нуль. Если на обоих входах J и K имеются логические нули, то выход Q с приходом тактового сигнала не изменится. Если же на обоих входах J и K имеются логические единицы, то после прихода тактового импульса на выходе установится значение, инверсное по отношению к тому, которое было перед приходом тактового сигнала. Эти четыре режима называют соответственно: установка, сброс, без изменений (или запоминание) и переключательный режим.
Рассмотренные здесь базовые вентили комбинаторной логики и триггер представляют собой элементы цифровых электронных схем, используемых в широком диапазоне применений - от простых счетных устройств до сложных схем кодирования и универсальных компьютеров. См. также КОМПЬЮТЕР .