Návrh kombinačního obvodu a ošetření nevyužitých vstupů

1. Návrh kombinačního obvodu a ošetření nevyužitých vstupů Střední odborná škola Otrokovice Autorem materiálu a všech jeho částí, není-li uvedeno jinak, je Ing. Miloš Zatloukal Dostupné z Metodického portálu www.rvp.cz, ISSN: 1802-4785, financovaného z ESF a státního rozpočtu ČR. Provozováno Výzkumným ústavem pedagogickým v Praze. www.zlinskedumy.cz

2. Charakteristika DUM 2

3. Návrh kombinačního obvodu a ošetření nevyužitých vstupů Obsah tématuKombinační obvody Sekvenční obvody Návrh BCD detektoru Ošetření nevyužitých vstupů - pro AND, (NAND) - pro OR, (NOR)

4. Návrh kombinačního obvodu Podle toho, jakou funkci číslicový logický obvod realizuje rozlišujeme obvod Kombinační - jeho výstup závisí pouze na kombinaci aktuálních vstupů - má jednodušší strukturu - také jeho návrh je méně složitý (lze zde dobře uplatnit zákony Booleovy algebry) Sekvenční - jeho výstup závisí nejen na kombinaci aktuálních vstupů, ale také na stavech vstupů a výstupů v předchozím čase - obsahuje zpětnou vazbu a paměť předchozích stavů - návrh musí brát zřetel na časové hledisko - kombinace stavů v čase - pořadí stavů v čase - často potřebují časový řídicí signál (synchronizační)

5. Návrh kombinačního obvodu Navrhněte kombinační obvod, který rozpozná, zda je na jeho vstupy (D, C, B, A) přivedeno čtyřbitové dvojkové číslo v rozsahu 0 (0000)2 až 9 (1001)2 (jde o BCD číslo) nebo zda jde o číslo v rozsahu 10 (1010) až 15(1111) (nejde o BCD číslo). Takový obvod se označuje jako tzv. BCD detektor (bude potřeba pro konstrukci BCD sčítačky). Řešení: Nejprve co má být výsledkem? Rovnice a z ní vyplývající schéma zapojení. Kroky řešení: Tabulka popisující zadání - vstupy D, C, B, A - výstup Y

6. Návrh kombinačního obvodu Z tabulky je vidět, že pokud je číslo typu BCD, výstup Y = 0, pokud nejde o BCD číslo, nabývá výstup Y stavu jedna. 2) Tabulka se všemi čísly od 0 do 15, tedy dvojkově od 0000 do 1111 3) Další postup Úvaha a z ní návrh rovnice Rovnice z tabulky 4) Úprava rovnice - pomocí pravidel Booleovy algebry - pomocí mapy 5) Schéma zapojení

7. Návrh kombinačního obvodu Úvaha – logické podmínky pro Y = 1: D musí být 1 (ale D = 1 i pro čísla 8 a 9) Jaké pak musí být C a B? Jakékoliv kromě dvou nul. Z A nelze vyvodit pravidlo – nebudeme ho proto pro rovnici uvažovat. Y = 1, pokud platí D (D=1) a současně platí C nebo B (tj. jedna jednička nebo obě) Slovní popis zapíšeme symbolicky Y = D . (C + B) nebo Y = D and (C or B) – máme tak rovnici, zbývá její ověření a schéma zapojení

8. Návrh kombinačního obvodu Ověření rovnice Y = D . (C + B) tabulkou Z tabulky je vidět, že slovnímu popisu – logickým podmínkám bylo vyhověno. Podle rovnice nakreslíme schéma zapojení. Obr. 1: Schéma BCD detektoru

9. Návrh kombinačního obvodu Rovnice z tabulky – zjednodušený zápis: Negaci nahradíme apostrofem Negace A = A’ Y = DC’BA’ + DC’BA + DCB’A’+ DCB’A + DCBA’ + DCBA = 1010 1011 1100 1101 1110 1111 Čísla 10 11 12 13 14 15 Pozn. Pod součiny jsou dvojkově čísla 10 až 15 – pod nimi desítková = DC’B(A’ + A) + DCB’(A’ + A) + DCB(A’ + A) = Pozn. Po vytknutí společných součinů platí, že (A’ + A) = 1, 1 krát cokoliv = cokoliv = DC’B + DCB’ + DCB = Pozn. Lichý počet členů rovnice (3) rozšíříme na 4 – jeden už v rovnici obsažený přidáme – nejvhodnější se jeví součin DCB (lze to provést podle zákona A+A=A) = DC’B + DCB’ + DCB+ DCB = Pozn. – změníme pořadí – aby vznikly k sobě dvojice a šlo opět vytýkat

10. Návrh kombinačního obvodu = DC’B + DCB + DCB’ + DCB= Pozn. Změna pořadí součinů – vhodné dvojice k sobě = DB (C’ + C) + DC(B’ + B) = Pozn. Po vytknutí společných členů DB platí, že (X’+ X) = 1, 1 krát cokoliv = cokoliv = DB + DC = Pozn. Vytkneme D = D(B+C) = D(C+B) Pozn. Místo B+C napíšeme C+B – aby byla rovnice upravená shodná s rovnicí podle úvahy Y = D(C+B) Závěr: Po úpravách je rovnice shodná s rovnicí získanou úvahou a tedy i schéma zapojení.

11. Ošetření nepoužitých vstupů Jde nám přitom o číslicové integrované obvody – (dále jen IO) – např. ty, které realizují funkci logických členů typu AND, OR, NAND a NOR. Pro vyšší poměr cena/výkon bývá v jednom integrovaném obvodu často několik logických členů (2 až 8). Navíc jde často o členy s několika vstupy – opět o 2 až 8. V praxi poměrně často nastává situace, kdy podle schématu tvoříme rozpis potřebných IO a potřebujeme např. už jen jeden dvouvstupový člen typu AND. Nyní můžeme řešit následující: - použít nový IO s tím, že ze čtyř jeho členů využijeme jen jeden (a ostatní tedy nebudou využity) - z použitých IO nám ale zbyl (je zatím nevyužitý) jeden člen sice typu AND ale takový, který má více vstupů než jsou právě požadované 2 (ale 3, 4, 8). Lze takový člen použít – a co se vstupem, co nepoužijeme? Nechat ho jen tak – nikam ho nepřipojit ?

12. Ošetření nepoužitých vstupů Co se může stát ? - nemusí dojít k ničemu závadnému, ale - mohou přes nezapojené vstupy pronikat do obvodu nežádoucí parazitní signály: - tyto představují rušení -navíc tak dochází k náhodným změnám stavů nikam nezapojených vstupů - a tedy k nečekanému chování takovýchto logických členů a tedy i celého číslicového systému Závěr: Nevyužité vstupy proto nenecháváme nezapojené (tj. volné) – vždy je někam připojíme – kam? Závisí to na typu logického členu - záleží na jeho funkci (AND, OR…) a také na jeho vnitřní struktuře - u dvouhodnotových členů (0,1) je v závislosti na typu členu jedna neutrální (neagresivní) a druhá je agresivní ve smyslu, že je dominantní. Př. pro AND a NAND je neutrální logická 1 a agresivní je log. 0 pro OR a NOR je naopak neutrální logická 0 a agresivní je log. 1 Proč?

13. Ošetření nepoužitých vstupů Protože pro AND platí: A . 1 = A A . 0 = 0 (tedy na A vůbec nezáleží, nula v součinu je dominantní) Pozn. Podobně to platí i pro funkci NAND Pro OR platí: A + 0 = A A + 1 = 1 (tedy na A vůbec nezáleží, jednička v součtu je dominantní) Pozn. Podobně to platí i pro funkci NOR Vše přehledně shrnuje tabulka: Jak tento poznatek využít?

14. Ošetření nepoužitých vstupů AND, NAND Nepoužité vstupy připojíme přes vhodný rezistor (doporučená hodnota je 1 kΩ) na napájecí napětí Ucc (tím na vstupu zajistíme trvalý stav logické jedna) Obr. 2: AND, NAND – Ošetření nepoužitých vstupů – na log. 1

15. Ošetření nepoužitých vstupů OR, NOR Nepoužité vstupy připojíme na zem (tím na vstupu zajistíme trvalý stav logické nuly) A co nějaký jiný způsob? Je nějaký? Ano, ale s omezením. Obr. 3: OR, NOR – Ošetření nepoužitých vstupů – na log. 0

16. Ošetření nepoužitých vstupů Nevyužitý vstup (nebo i několik) lze připojit na nějaký už použitý vstup ale téhož logického členu. Je to podle rovnice A . A . A = A nebo A + A + A = A Jaká jsou omezení tohoto způsobu ošetření nepoužitých vstupů? AND, NAND – prakticky žádná, spojené vstupy se z hlediska zátěže předchozího výstupu chovají jako jeden (tedy sníží logický zisk = výstupní větvení) pouze o 1 OR, NOR Z vnitřní struktury těchto logických členů je patrné, že do uzlu spojené vstupy představuji logickou zátěž všech spojených vstupů – tedy se z hlediska větvení chovají jako nespojené a proto snižují logický zisk o více než 1 (o tolik, kolik vstupů je paralelně propojeno).

17. Ošetření nepoužitých vstupů AND, NAND OR, NOR U TTL logiky je vždy na nepřipojeném vstupu automaticky logická jedna. Obr. 5: OR, NOR – spojení vstupů Obr. 4: AND, NAND – spojení vstupů

18. Obvody, které vyžadují synchronizační signál se nazývají: Kombinační (např. multiplexer) Sekvenční (např. RS) Sekvenční s časováním (např. RST) Kontrolní otázky V rovnici pro BCD detektor se nevyskytuje bit A. Je tomu tak proto, Že BCD číslo je tříbitové Hodnota bitu neustále kolísá a nelze jej tak použít pro logické pravidlo Že jde o chybu 3. Proč nemůžeme libovolně propojovat vstupy log. členu typu NOR? Protože nesnesou trvalejší zatížení vstupů Protože každý vstup představuje jednotkovou zátěž a ty se sčítají Protože hrozí jejich poškození

19. Obvody, které vyžadují synchronizační signál se nazývají: Kombinační (např. Multiplexer) Sekvenční (např. RS) Sekvenční s časováním (např. RST) Kontrolní otázky – správné odpovědi – červeně V rovnici pro BCD detektor se nevyskytuje bit A. Je tomu tak proto, Že BCD číslo je tříbitové Hodnota bitu neustále kolísá a nelze jej tak použít pro logické pravidlo Že jde o chybu 3. Proč nemůžeme libovolně propojovat vstupy log. členu typu NOR? Protože nesnesou trvalejší zatížení vstupů Protože každý vstup představuje jednotkovou zátěž a ty se sčítají Protože hrozí jejich poškození

20. Seznam obrázků: Obr. 1: vlastní, Schéma BCD detektoru Obr. 2: vlastní, AND, NAND – Ošetření nepoužitých vstupů – na log. 1 Obr. 3: vlastní, OR, NOR – Ošetření nepoužitých vstupů – na log. 0 Obr. 4: vlastní, AND, NAND – Ošetření nepoužitých vstupů připojením na už použitý vstup Obr. 5: vlastní, OR, NOR – Ošetření nepoužitých vstupů připojením na už použitý vstup

21. Seznam použité literatury: [1] Matoušek, D.: Číslicová technika, BEN, Praha, 2001, ISBN 80-7232-206-0 [2] Blatný, J., Krištoufek, K., Pokorný, Z., Kolenička, J.: Číslicové počítače, SNTL, Praha, 1982 [3] Kesl, J.: Elektronika III – Číslicová technika, BEN, Praha, 2003, ISBN 80-7300-075-X [4] Pinker, J.,Poupa, M.: Číslicové systémy a jazyk VHDL, BEN, Praha, 2006, ISBN 80-7300-198-5

22. Děkuji za pozornost 