Praktická elektronika/Logické obvody

Digitální obvody (na rozdíl od analogových) využívají jen dvě napěťové úrovně. Jsou na nich založeny počítače a dnes i většina elektroniky včetně rádií.

Vyrábí se řada jednoduchých čipů, jako logická hradla, čítače, paměti, komparátory, AD/DA převodníky apod., které se dají snadno sestavovat dohromady, aby plnily složitější úkony. Pro ještě složitější použití lze (za řádově stovky korun) koupit malé, jednočipové programovatelné počítače - mikrokontrolery, nebo použít speciální integrovaný obvod - programovatelné hradlové pole.

Binární čísla

Hodnoty se zde obvykle vyjadřují jako čísla v dvojkové soustavě. Ta obsahuje pouze dva symboly - 0 a 1. Kombinací nul a jedniček pak získáme číslo v binárním formátu.

Desítkové číslo 1 je v binárním formátu "1", 2 je "10", 3 je "11", 4 je "100" a 5 je "101".

Dále například 8 je v binárním formátu "1000", 33 je "100001", 100 je "1100100" atd.

V případech, kdy třeba chceme číslo zobrazit na desítkovém LCD displeji, je lepší použít BCD formát - podobný desítkovému zápisu, v němž jsou jednotlivé číslice vyjádřeny jako 8-bitové (nebo 4-bitové u zhuštěného BCD) binární číslo.

Desítkové číslo 1238 je ve zhuštěném BCD formátu "0001 0010 0011 1000".

Kombinační obvody

Tyto obvody neobsahují žádnou zpětnou vazbu. Signál se šíří vždy ve směru od vstupu k výstupu. Kromě uživatelem navržených funkcí pro určité konkrétní zadání úlohy existují i hotová zapojení, která lze využít k jednoduššímu návrhu ještě složitějších zapojení.

Hradla

K operacím s těmito hodnotami použijeme hradla

Označení

Funkce

Tabulka hodnot

Nejčastější obvody

NOT (invertor)

výstup je opačná hodnota ke vstupu

X	NOT
0	1
1	0

AND

výstup je 1, jen když všechny vstupy jsou 1

X	Y	AND
0	0	0
0	1	0
1	0	0
1	1	1

OR

výstup je 1, když aspoň jeden vstup je 1

X	Y	OR
0	0	0
0	1	1
1	0	1
1	1	1

NAND (NOT AND)

výstup je 1, když aspoň jeden vstup je 0

X	Y	NAND
0	0	1
0	1	1
1	0	1
1	1	0

NOR (NOT OR)

výstup je 1, jen když všechny vstupy jsou 0

X	Y	NOR
0	0	1
0	1	0
1	0	0
1	1	0

Bohužel se pro ně občas používají nejednotné značky.

Výše uvedená hradla je pak možné propojovat do větších celků provádějících pokročilejší funkce. (Zabývá se tím booleovská algebra.) Pomocí hradel NAND nebo NOR lze realizovat jakoukoli kombinační logickou funkci.

Multiplexer

Jeho funkci je možné popsat jako přepínač signálu.
Obsahuje 1 datový vstup, který je pak kopírován (multiplexován) na 1 z n výstupů. To na který výstup konkrétně, je dáno hodnotou adresy na dalších vstupech obvodu. Adresa se samozřejmě může skládat z několika jednotlivých signálů, jejichž kombinace určuje právě jeden výstup. Pokud je šířka adresy m bitů, musí platit, že $2^{m}>=n$ (např. 3bitová adresa může rozlišit až 8 výstupů)

Demultiplexer

Obvod má opačnou funkci jako multiplexer. Rozdíl je, že podle adresy vybírá 1 z n vstupů a hodnotu kopíruje na 1 výstup. Který vstup je aktivní je opět rozlišeno adresou.

Jednobitová sčítačka

Tento obvod dokáže sečíst dva bity A a B na vstupu. Výstupem je pak 1bitový výsledek Y a tzv. přenos do vyššího řádu C.

A	B	Y	C
0	0	0	0
0	1	1	0
1	0	1	0
1	1	0	1

Někdy je tato sčítačka označována jako poloviční. Nedokáže totiž zpracovat přenos z nižšího řádu. Tuto chybu pak odstraňuje Úplná jednobitová sčítačka. Sloupec C-1 označuje právě přenos z niššího řádu.

C-1	A	B	Y	C
0	0	0	0	0
0	0	1	1	0
0	1	0	1	0
0	1	1	0	1
1	0	0	1	0
1	0	1	0	1
1	1	0	0	1
1	1	1	1	1

Ostatní obvody

převodníky kódů, např. binární->2 z 5
generátor signálů pro sedmisegmentový display z BCD kódu
generátor parity
komparátor vícebitových čísel

Obvody s pamětí (sekvenční)

Zatímco kombinační obvody jako jsou hradla mají výstup závisející jen na současném stavu vstupů, u sekvenčních obvodů hraje roli i předchozí stav. Základem sekvenčního obvodu je paměťová buňka (klopný obvod) s kapacitou jednoho bitu. Ta je schopa uchovat informaci typu 0 nebo 1.

Jejím základem jsou dvě hradla (NAND, nebo NOR), která jsou ve zpětnovazebním zapojení, tj. výstup hradla je přiveden na vstup hradla. Tím vzniká jednoduchý RS klopný obvod. Připojením dalších hradel na vstup tohoto obvodu vznikají složitější varianty, jako RST, D a JK.

Klopné obvody pak lze spojovat do vyšších celků a získávat tak obvody typu čítač, posunovací registr, záchytný (latch) registr.

Veškeré zde zmíněné obvody se běžně vyrábí a jsou integrovány do jednotlivých pouzder. Není tedy nutné v praxi latch registr stavět z NAND hradel. Nicméně pro představu a názorné odzkoušení je možné i toto zapojení z NAND hradel realizovat.

Klopné obvody

RS
D
CK
JK

Registry

posuvný/neposuvný

Čítače

Paměti

Jednočipové počítače

Technologie integrovaných obvodů

Prakticky jsou hradla relizována různými součástkami. V našem případě jako integrované obvody. V závislosti na jejich vnitřní stavbě rozlišujeme dvě hlavní používané technologie - TTL a CMOS. Obě řešení mají své základní varianty, ale existují i různá vylepšení pro snížení spotřeby obvodů, nebo zvýšení rychlosti odezvy obvodu na změnu vstupního signálu.

TTL

V technologii TTL se jako hlavního akčního prvku využívá bipolárního tranzistoru. Obvody se pak vyznačují vyšší spotřebou, ale i vyšší rychlostí zpracování signálu.

Napájecí napětí je 5 V.
Signál o napětí 0-0,8 V na vstupu hradla je považován za logickou nulu. Napětí vyšším než 2 V na vstupu označuje logickou jedničku.
Na výstupu hradla je logická nula reprezentována napětím 0-0,4 V a logická jednička napětím vyšším než 2,4 V. Horní hranice jedničky je pak dána napájecím napětím a vnitřním zapojením hradla. Typicky se jedná o 3,5 V.
Rozdíly pásem pro logickou jedničku a nulu pak představují šumovou imunitu 0,4 V. Ta byla zavedena z důvodu zajištění funkčnosti obvodů v zarušeném prostředí.
Rozmezí 0,8-2 V není definované jako logická úroveň proto je naším cílem zamezit těmto hodnotám.
Rozšiřující varianty jsou pak L, S, LS, ALS.

CMOS

Základem jsou tranzistory FET a MOSFET. Díky tomu mají mnohem nižší spotřebu než TTL, zvláště pak v ustáleném stavu. Nevýhodou bývá oproti TTL nišší rychlost zpracování signálu (zpoždění signálu je typicky 10 ns na NAND hradlo).

Napájecí napětí může být v rozmezí 5 až 15 V. U některých řad už i od 3,3 V.
Za logickou nulu na vstupu je považován signál 0 až 0,3 Ucc a logickou jedničku vyšší než 0,7 Ucc.
Na výstupu 0 V reprezentuje logickou nulu a napájecí napětí Ucc logickou jedničku.
Rozšiřující varianty jsou pak HC, HCT, AC, ACT.
Hradla CMOS obecně nejsou kompatibilní s TTL, tedy nelze připojovat výstup TTL na vstup CMOS. Pokud bychom toto požadovali, musíme použít obvod z řady T (HCT...).

Další odkazy

[1] - vysokoškolská skripta o tématu