5-разрядный регистр сдвига 7496 использует асинхронные сброс и загрузку (пояснения см. ниже), 4-разрядный регистр 7495 имеет синхронную загрузку с отдельным синхронизирующим загрузочным входом, но не имеет входа сброса. Что касается счетчика 7496, то он обладает одной особенностью, о которой вам имеет смысл знать: его параллельные входы могут устанавливать соответствующий триггер только в 1 , но не в О . Один из авторов уже угодил в эту маленькую ловушку!

Входы задания ремймов

Входы параллель^ йой загрузли

Рис. 8.67. 4-разрядный реверсивный регистр сдвига типа 74LS194.

Реверсивные регистры сдвига. Некоторые регистры сдвига являются двунаправленными (реверсивными), т. е. могут производить сдвиг как влево, так и вправо. Направление сдвига задается с помощью одного или двух управляющих входов. Примерами реверсивных регистров сдвига могут служить устройства 74194 и 4194 (4-разрядные), а также 74198 (8-разрядный). Все они используют параллельную загрузку (74198 размещается в 24-контактном корпусе), имеют последовательные и два управляющих входа, которые определяют режим работы (сдвиг вправо, сдвиг влево, параллельный ввод или блокировка). Иногда реверсивным регистром сдвига называют схему 7495, однако это не совсем верно. В действительности она представляет собой 4-разрядный регистр с параллельной загрузкой, предназначенный для сдвига слева направо, но если выход каждой последующей триггер ной ступени соединить с загрузочным входом предыдущей, то он будет производить сдвиг справа налево по каждому перепаду тактового импульса на входе синхронизации. Настоящий реверсивный регистр сдвига не требует для выбора направления внешних соединений и производит сдвиги справа налево так же просто, как и слева направо (рис. 8.67).

ЗУПВ в качестве регистров сдвига. Запоминающее устройство с Произвольной выборкой всегда можно заставить работать в качестве регистра сдвига (но не наоборот), используя внешний счетчик для формирования последовательных адресов. Эта идея иллюстрируется на рис. 8.68. Синхронный реверсивный счетчик типа 74191 вырабаты- вает последовательность адресов для ЗУПВ 7489 объемом 4 бит х' 16 слов. Такая комбинация ведет себя подобно четырем 16-разряд-

p/w-

Влево/вправо

Такты

Данный вх/вых

л

74LS191

ОТП ЗАГР

Рис. 8.68.

ным регистрам, причем направление сдвига выбирается с помощью управляющего входа +/- счетчика 74191. Все остальные его входы,

как показано на рисунке, служат для разрешения счета.

8.27. Примеры других после, довательных схем

Появление на рынке большого числа разнообразных БИС (имеющих 1000 и более вентилей в одно.м кристалле) дает возможность использовать достаточно сложные устройства, выполненные на 0Д1ЮМ кристалле. В этом небольшом разделе мы приведем несколько выборочных примеров.

Память типа первым вошел, первым вышел . Запоминающее устройство типа первым вошел, первым вышел в некотором смысле аналогично регистру сдвига, поскольку информация, вводимая на входе, в том же порядке появляется на выходе. Однако между ними есть существенное отличие, которое состоит в том, что в регистре сдвига информация проталкивается вдоль него по мере ввода и тактирования дополнительных бит, а в запоминающем устройстве типа первым вошел, первым вышел данные проваливаются насквозь и выстраиваются в выходную очередь с очень малой задержкой. Таким образом, если очередь на выходе отсутствует, доступ к только что введенным данным можно получить почти сразу же. Управление вводом п выводом производится раздельными тактовыми последовательностями, а устройство помнит, какие данные введены и какие выведены. Можно провести аналогию с кегельбаном, где белые и черные игровые шары (биты) возвращаются на исходную позицию. Эти биты вводятся с помощью игральной машины, а время, которое требуется шару для того, чтобы прокатиться по своему лотку, соответствует задержке при сквозной передаче в ЗУ типа первым вошел, первым вышел (обычно 1-25 мкс). После этого биты поступают на выход и могут забираться пользователем по мере надобности (т. е. асинхронно).

Память типа первым вошел, первым вышел широко используется при буферном хранении асинхронной информации. Классическим примером является буферирование клавиатуры или другого внешнего устройства (например, магнитной ленты) ЭВМ или какого-либо иного ; прибора, предназначенного для обработки данных. При использова- НИИ этого метода данные не будут теряться в случае, когда ЭВМ не готова принять очередное выработанное слово - при условии, конечно,

ЧТО ЗУ не сможет заполниться целиком. Примерами устройств памяти первым вошел, первым вышел являются ИМС 3341 (МОП, 64 слова по 4 бита каждое), 74225 (ТТЛ, 16 слов по 5 бит каждое) и 40105 (КМ.ОП, 16 слов по 4 бита каждое). Новое устройство9423 благодаря сочетанию высокого быстродействия (10 МГц) с возможностью внутреннего последовательно-параллельного преобразования на входе и на выходе особенно удобно для обмена данными с магнитным диском с высокой плотностью записи.

Применение памяти типа первым вошел, первым вышел в качестве буферного ЗУ клавиатуры рассматривается в разд. 8.31.

Универсальный асинхронный приемник! передатчик. Универсальный асинхронный приемник/передатчик (УАПП) представляет собой современное устройство, которое преобразует параллельные данные (обычно в виде 8-разрядных слов) в последовательность бит, предназначенную для передачи по однопроводному кабелю, или, наоборот, принимает последовательность бит из линии связи, преобразуя ее в параллельные слова. Данные, передаваемые в последовательной форме, содержат самосинхронизирующие импульсы (СТАРТОВЫЙ и СТОПОВЫй), благодаря чему дополнительные синхронизирующие линии не требуются. Схемы УАПП обычно используются при сопряжении ЭВМ или микропроцессоров с последовательными устройствами, такими, как удаленные терминалы и печатающие устройства, однако могут применяться и в других случаях, когда оказывается удобным сократить за счет быстродействия число линий связи между источником и получателем информации.

Типичные устройства УАПП имеют номера 6011 и 1602 и выполняются с помощью р МОП-технологии. Для использования в новых разработках лучше использовать универсальные КМОП УАПП типа IM6402/6403, в состав которых входит даже генератор с кварцевой стабилизацией. Следует отметить, что УАПП является автономной ИМС, которую можно использовать в любой цифровой системе, как в большой, так и малой, в то время как новые программно-управляемые ИМС последовательной передачи (так называемые УСАРТ) требуют наличия резидентного микропроцессора (см. разд. 11.9).

Умножитель частоты. Умножитель частоты применяется для формирования последовательности выходных импульсов с частотой, значение которой связано стактовой частотой через рациональную дробь. Например, 3-декадный двоично-десятичный умножитель позволяет получать на выходе частоты, составляющие ллл/1000 от входной частоты, где ппп - трехразрядное десятичное число, заданное тремя входными двоично-десятичнымизнаками.Этонетоже самое,что счетчик по модулю п, так как с помощью последнего на выходе нельзя получить частоту, равную /ю от входной. Отметим один важный момент: импульсы, сформированные на выходе умножителя, в общем

> Универсальный синхронно-асинхронный приемник/передатчик.

случае не будут следовать равномерно. Они совпадают с входными тактовыми импульсами и образуют замысловатые комбинации, средняя частота которых задается предварительно. К дискретным умножителям частоты относятся ИМС 7497 и 4089, а к двоично-десятичным -4527 и 74167. (Как вы, наверное, заметили, умножитель частоты не похож на другие описанные здесь БИС. Приносим наши извинения, но мы не смогли найти другое место для описания этих устройств.)

Цифровые вольтметры. Существукл- цифровые вольтметры, выполненные в однокристальной ИМС. Они содержат аналого-цифровой преобразователь, а также схемы тактирования, счета и индикации. Примерами таких устройств могут служить 3V2-3Ha4Hbre вольтметры 7107, а также ИМС серии 74С936-74С938.

ИМС для бытовой аппаратуры. Б последние года широкое развитие получили ИМС, предназначенные для использования в товарах широкого потребления. Появились полупроводниковые схемы для хронометров, часов (включая будильники), калькуляторов, обнаружителей дыма и кнопочных телефонных номеронабирателей. Кроме того, в интегральном исполнении выпускаются многие радио-и телевизионные схемы, и, по-видимому, следующим большим этапом будет выпуск эффективных схем для автомобилей (управление двигателем, системы предотвращения столкновений и т. п.).

Игры и развлечения. Телеигры пользуются всеобщей популярностью, и изготовители полупроводниковых схем соревнуются в производстве пинг-понгов или космических войн . Б типичном случае этот кристалл (или кристаллы) воспринимает ряд аналоговых (от ручки управления) и цифровых (от кнопок) входных сигналов и вырабатывает видеосигнал на выходе. Бы сидите перед трубкой кинескопа и наблюдаете, как рвутся снаряды.

Интересные ИМС выпускаются для использования в электронных органах. Хорошим примером является источник ритмов ММ5871. Он содержит внутренний генератор темпа и может вырабатывать ритмы вальса, марша, церковной музыки, рока, а также других ритмов по специальному заказу.

Другим примером ИМС широкого потребления является схема синтезатора звуковых эффектов TI типа 76477. Она содержит несколько тактовых и шумовых генераторов, фильтры, смесители, модуляторы и логическую схему. С помощью такой ИМС можно имитировать звуки приближающегося локомотива, гоночного спортивного автомобиля (при аварии), щебетанье птиц и выстрелы из ружья с глушителем (для отпугивания птиц) - это лишь несколько примеров.

Надо отметить здесь, что бытовые ИМС имеют очень низкую стоимость. Например, генератор звуковых эффектов стоит не более трех долларов.

Микропроцессоры. Стыи крупным достижением технологии БИС является микропроцессор -ЭВМ, выполненная на одном кристалле.

0-1-2-3-

5-6-?-

Ш о Земля

2 3 4

I линий ввода/вывода

Потребитель точа J I I

8 якнки вмда/вы80йа

.---N

Порт f

ITOPT Z

1>Ч

t>4

порт о

АЛУ

Прогр /строб для наращивания лорга

-4,5-В,5 В 80 мА{макс)

Компараторы

пор

(а) (сяовныи переход

(б) вход счетчича/таймера

Входной гистерезис

-о

, I---Выбор вхоаз

-Прерывание и условный перещ

вход . ,.

1пп+ Земля

Лодпожка

т

KBapijesbiti резонато{1

-СБРОС

Рис. 8.69. Первый микропроцессор, содержащий на том же кристалле аналого-цифровой преобразователь и аналоговые компараторы (Intel 8022),

На одном краю диапазона микропроцессоров стоят мощные устройства для перемалывания чисел* типа 8086 (16-разрядный процессор, обладающий такими возможностями, как предварительный просмотр команд, аппаратное умножение и деление, стековые и строчные операции), кристаллы типа LSI-11 и микро-Nova, которые копируют существующие мини-ЭВМ. На другом краю находятся однокристальные процессоры для автономного использования, которые на том же кристалле реализуют функции ввода, вывода и памяти. Примером такого устройства является микропроцессор 8022, который кроме 8-разрядного процессора содержит на том же кристалле 8 компараторных входов, 8-разрядный аналого-цифровой преобразователь и память на 2048 8-разрядных слов (рис. 8.69). Микропроцессоры такого типа предназначены скорее для использования в качестве встроенных устройств управления приборами, нежели в качестве универсальных вычислительных устройств. С надеждой ожидаем дальнейшего развития удивительных функциональных БИС.

НЕКОТОРЫЕ ТИПОВЫЕ СХЕМЫ ЦИФРОВОЙ ТЕХНИКИ

В последующих разделах мы покажем несколько цифровых схем и с их помощью проиллюстрируем ряд стандартных методов. Некоторые из этих функций могут быть выполнены с помощью БИС, однако рассматриваемые реализации сделаны на хорошем уровне и позволяют проиллюстрировать, какого типа схемы можно строить с помощью имеющихся средств.

8.28. Счетчик по модулю п

Cxe!\ia, изображенная на рис. 8.70, на каждые п входных тактовых импульсов вырабатывает один выходной импульс. Микросхемы 74LS190 представляют собой синхронные двоично-десятичные реверсивные счетчики, установленные с помощью ВЫСОКОГО уровня на входе - в режим обратного счета. Идея устройства состоит в том, что вычитание производится до тех пор, пока на выходе переполнения (ПП) не возникнет НИЗКИЙ уровень. Это произойдет после того, как счетчик досчитает до нуля, а тактовый сигнал на входе перейдет в состоян[гс НИЗКОГО уровня. Затем по входу ЗАГР (загрузка) число п снова заносится в счетчик, после чего он готов к следующему циклу отсчета п входных импульсов. Значение п задается с помощью двух барабанных переключателей. Поскольку здесь используются нагрузочные резисторы, переключатель должен формировать инверсные значения двоично-десятичных разрядов. Обычно в цифровых переключателях это так и происходит. Два инвертора используются в качестве элементов задержки, с помощью которых достигается необходимая длительность импульса загрузки (минимально допустимое значение 35 не). Дело в то.м, что в процессе параллельного занесения счетчик выйдет из нулевого состояния и сигнал переполнения, по которому производится загрузка, сни-

мегся, а это может привести к возникновению пичка (см. разд. 8.34). За счет суммарной задержки в инверторах и в самом счетчике длительность импульсов становится равной 50 не.

Двоично-десятичный барабанный переключатель с инверсными выходами ЕЕСО 1776-12&

Все рсз1сторы го МЗЦ 3,3 кОм

1111

rmniL

Входная тактовая частота /

СЗЦ

/?о

ПП >

Все резисторы по 3,3 Ом

£. 1ельносто ,В1>1сочой части

lartTOBOrO ч

имрульса \

-< Рчзр - >

74LS150

т

ПП Р

м/м

~1 Г

-60 но

Рис. 8.70. Делитель по модулю п для двух десятичных знаков.

BbixoflHad тактовая -астота/о/ч,

74LS01

Выходной сигнал берется с выхода М/М (МАКС/МИН) (ВЫСОКИЙ уровень, когда счетчик в нуле) и представляет собой последовательность импульсов с длительностью, равной длительности высокой части входного тактового импульса. Схема может легко наращиваться до больших значений п путем каскадного синхронного подключения дополнительных счетчиков (рис. 8.70). Если вы построите подобнуго схему, используя синхронное каскадное соединение быстродействующих счетчиков типа 74S160 или 74S162, то она сможет работать прп входной тактовой частоте 50 МГц и выше.

8.23. Коммутируемый цифровой индикатор на светодиодах

Рассмотренный метод позволяет проиллюстрировать метод комдгу-тацпи (мультиплексирования) цифрового индикатора, который заключается в том, что п цифр каждого индицируемого числа последовательно и 6LICTP0 воспроизводится на 7-сегментных светодиодных индикаторах. (Могут, конечно, использоваться не только цифровые символы, а конструкция индикаторов также может отличаться от распространенной 7-сегментной организации). Коммутация индикаторов применяется

В целях экономии и упрощения конструкции: непрерывное воспроизведение каждого знака требует установки для каждой цифры индивидуальных дешифраторов, формирователей и токоограничивающих

Г-знаковая галета СИД ЦИФРОВОГО индикатора

50BZ 7401

12 3 4

катод Каюд Катод Катод 12 3 4

Все резиаоры по 330 Ow (средний топ 6 мА) 13

-С

-С

г 4069

100 кОм

-с

и дешифратор Ij (прЕобразоватгль') дво1лчно-десятич- ного кода в 77

7-сегментный

4511

&1

В С и

и

г

Рис. 8.71. Коммутируемый цифровой индикатор для четырех знаков.

резисторов, а также наличия индивидуальных связей между каждым регистром и соответствующим дешифратором (4 линии) и между каждым формирователем и соответствующим индикатором (7 проводов), а это уже большие затраты (жуткая путаница!).

В случае коммутации требуется лишь один дешифратор/формиро-затель и один набор токоограничивающих резисторов. Более того, юскольку светодиодные цифровые индикаторы выпускаются в виде

-символьных галет, причем соответствующие сегменты всех символов объединены, количество взаимных соединений сокращается весьма существенно. При использовании коммутации для управления 8-знаковым индикатором нужно произвести 15 соединений (7-сегментные входы, общие для всех цифр, плюс один катод или анод в цепи возврата каждой цифры), в то время как для непрерывного воспроизведения их потребуется 57. Еще одно любопытное преимущество коммутации заключается в том, что субъективно воспринимаемая глазом яркость будет в этом случае выше, чем при непрерывном свечении всех цифр при той же средней яркости.

На рис. 8.71 показана принципиальная схема индикации. Цифры, которые должны быть воспроизведены на индикаторе, хранятся в регистрах HCi - HQ. Вместо регистров можно использовать счетчики, если устройство представляет собой счетный частотомер или набор фиксаторов или если оно воспринимает данные от ЭВМ, с выхода аналого-цифрового преобразователя и т. п. В любом случае при данном методе каждая цифра последовательно выводится на внутреннюю 4-разрядную шину (в рассматриваемой схеме через буферные усилители с тремя состояниями КМОП 4503), где она дешифруется, а затем воспроизводится с помощью индикатора. (Схема 4511 - это преобразователь двоично-десятичного кода в 7-сегментный с формирователями сигналов управления цифровым индикатором.)

С помощью двух инверторов построена классическая схема КМОП-генератора импульсов, работающая с частотой порядка 1 кГц, которая подает сигналы на восьмеричный счетчик-дешифратор 4022. Каждый выход счетчика последовательно устанавливается в состояние ВЫСОКОГО уровня и выводит на шину очередную цифру. Одновременно он запитывает катод соответствующего индикатора, подавая на него НИЗКИЙ уровень через мощный буферный усилитель с открытым коллектором 40107. Счетчик 4022 циклически проходит состояния от О до 3, каждый раз сбрасываясь по достижении числа 4, Схема коммутируемой индикации может работать и при большем количестве цифр. Она повсюду используется в многоцифровых индикаторах на светодиодах.

Многие БИС, ориентированные на воспроизведение информации, как, например, счетчики, реле времени и часы, содержат встроенную схему коммутации индикатора и даже формирователи. Кроме того, существуют БИСы управления индикацией (например, 74С911 и 74С912), которые делают всю ту работу, которая раньше выполнялась с помощью ИМС средней степени интеграции.

8.30. Привод звездного телескопа

Схема, показанная на рис. 8.72, предназначена для управления приводом Гарвардского 61-дюймового оптического телескопа. Для питания двигателя экваториального привода (1 оборот в день) требуется источник электроэнергии переменного напряжения, частота которого должна устанавливаться равной любому значению в районе

1 kOm

1>

2,2 Pm

1 мпФ ISO kOm 5

ЧС--1-

1 0 1

100 г8м

cOv, =f:0,0 inn-

10 Ом

I80p0u6% 18DkOm 0 5o 4г

IB Ом

-Li 4,2

Гвдстройм+10%

8S0 Oi

фВ01 ф0,0)

10% 410%

15 кОм wmmii - ный сигнал

2В (Зфф)

743D

ПРОВ 7-1167 ОТРзи 5,

-ССТРОВ 74167Л1 ш. I Та г с

.z. J Такт г

CTP05 741671)1Пвы (>

C1P06 74167 01Пви >- /VC

TL П A В С D п

Разрешается установка только м„5 ияи„8

Все нагрузочные резисторы ло 3.3 гЫ

Рис. 8.72. Прецизионный формирователь сигнала переменноготока на частоты 60 Гц ±10% для управления телескопом. Выходная частота равна хх ххх. Для задания ssejAdOfi скорости ключи устанавливаются аа значение 60 1Ь5.