Комбинационные схемы, сумматоры и умножители

Цифровая схемотехника существенно отличается от аналоговой. При распространении логических сигналов по цифровой схеме они не затухают. На них до определенного предела не воздействуют шумы и помехи. Это является несомненным преимуществом цифровой схемотехники. В результате возникло большое количество видов цифровых микросхем. Все цифровые устройства разделяются на две большие группы: комбинационные схемы и последовательностные.

Комбинационные схемы — это устройства без памяти. Выходные сигналы этого вида цифровых схем зависят только от текущей комбинации входных логических сигналов, как это показано на рисунке 1, и не зависят от их предыдущих значений.

Рисунок 1. Функциональная схема цифрового комбинационного устройства

Схема, приведенная на рисунке 1, показывает, что на вход подается M сигналов, а на выходе из них формируется K выходных сигналов. При этом во внутренней схеме не должно быть обратных связей, как это показано на рисунке 2.

Комбинационная схема на логических элементах

Рисунок 2. Пример реализации комбинационного устройства на логических элементах

При проектировании цифрового комбинационного устройства исходное задание обычно описывается при помощи таблицы истинности. По ней с использованием метода СДНФ или СКНФ записываются логические выражения для выходного сигнала. Затем проводится минимизация этих выражений и составляется принципиальная схема разрабатываемого устройства.

В настоящее время проектирование цифровой схемы производится на одном из языков программирования схем (AHDL, VHDL или verilog). Например, схема "исключающее ИЛИ" на языке программирования verilog будет выглядеть следующим образом:

module ExclusiveOR(x1,x2,f);
 
input x1,x2;
 
output f;
 
assign f = ( x1 & ~x2 )|( ~x1 & x2 );
 
endmodule

Наиболее распространенными комбинационными устройствами являются дешифраторы, шифраторы, семисегментные дешифраторы, мультиплексоры и демультиплексоры, арифметические сумматоры и арифметико-логические устройства (АЛУ).

Дешифраторы предназначаются для преобразования двоичного или двоично-десятичного кода в любой другой код. (Здесь мы не рассматриваем устройства помехоустойчивого или криптографического кодирования.) Подробно с вопросами синтеза этих цифровых микросхем можно ознакомиться в статье "дешифраторы". В качестве отдельных микросхем сейчас дешифраторы практически не применяются. Даже семисегментные дешифраторы не находят применения, т.к. в настоящее время в основном используются матричные индикаторы. В настоящее время двоичные дешифраторы вместе с мультиплексорами используются в составе микросхем памяти (ОЗУ и ПЗУ) для обращения к конкретной ячейке памяти.

Особенностью двоичного дешифратора является то, что логический сигнал появляется только на выходе, соответствующем номеру двоичной комбинации. Условно-графическое обозначение дешифратора приведено на рисунке 3.

Рисунок 3. Условно-графическое обозначение дешифратора

Мультиплексоры и демультиплексоры — это различные виды коммутаторов. У мультиплексора много входов и один выход. У демультиплексора один вход и много выходов. И то и другое комбинационное устройство строятся на основе дешифратора. В качестве ключа, пропускающего или не пропускающего на выход логический сигнал применяется логический элемент "2И". В настоящее время чаще применяются микросхемы на " КМОП-логике. В них в качестве ключа используются полевые транзисторы, которые работают подобно механическому ключу. Поэтому подобные схемы можно использовать в качестве электронного коммутатора аналоговых сигналов. Вне зависимости от внутреннего устройства, мультиплексоры имеют одинаковое условно-графическое обозначение. Оно приведено на рисунке 4.

Рисунок 4. Условно-графическое обозначение мультиплексора

На данной схеме входы X служат в качестве информационных, входы A — адресные. Двоичный код, поданный на адресные входы определяет какой из входных сигналов X пройдет на выход Y. Обозначение в верхней части микросхемы MUX показывает, что это мультиплексор.

Еще одним распространенным цифровым комбинационным устройством является двоичный сумматор. Он применяется в составе арифметико-логического устройства (АЛУ), которое является основным блоком микропроцессора, входит в состав диспетчера памяти практически всех современных компьютеров, работает внутри цифровых фильтров. На рисунке 4 приведено условно-графическое обозначение микросхемы К155ИМ3 — четырехразрядного сумматора.

Рисунок 5. Условно-графическое обозначение сумматора

Реализация цифровых фильтров была бы невозможна без такого комбинационного устройства, как аппаратный умножитель. Подобная схема реализуется на основе массива логических элементов "2И" и двоичных сумматоров. Его условно-графическое обозначение показано на рисунке 6.

УГО аппаратного умножителя цифровых кодов

Рисунок 6. Условно-графическое обозначение аппаратного умножителя

Вместе со статьей "Комбинационные схемы, сумматоры и умножители" читают: