online kép - Fájl  tubefájl feltöltés file feltöltés - adja hozzá a fájlokat onlinefedezze fel a legújabb online dokumentumokKapcsolat
  
 

Letöltheto dokumentumok, programok, törvények, tervezetek, javaslatok, egyéb hasznos információk, receptek - Fájl kiterjesztések - fajltube.com

 

Online dokumentumok - kep
  

A digitalis elektronika alapjai

számítógépes

Fájl küldése e-mail



egyéb tételek

 
Az ACCESS adattípusai
Az Excel adatkezelése
Digitalis rendszerek tervezése a VHDL nyelv segítségével
Halózatok halózata: az internet
A szamok kódolasa
Böngészők (browser-ek)
Halózat hardver eszközei
Egyenaramú halózatok
Hashelés és ritka indexes szervezési módszerek
A MESTERSÉGES INTELLIGENCIA MÓDSZEREI A PROGRAMOZHATÓ AUTOMATÁKBAN
 
 

A digitális elektronika alapjai



A címben megjelölt témát célszerű a digitális elektronika alapáramkörei felől megközelíteni.

Kiindulásként tekintsük a kapcsoló üzemmódban működő tranzisztort, ez ugyanis a legegyszerűbb digitális áramkör, minthogy két egymástól jól elhatárolt állapota van: zárt és telített.

A bipoláris tranzisztor kapcsolóüzemű működését az 1. ábra szemlélteti.

A karakterisztika munkaegyenese mentén zajlik a működési folyamat. Az I. tartományban a tranzisztoron keresztül csak elhanyagolható áram folyik, ezért nyitott kapcsolóként viselkedik.


1. ábra. A kapcsolóüzemű tranzisztor




A II. szakasz a tranzisztor aktív tartománya, de kapcsoló szempontból ez most minket nem érdekel. Elérve a III. tartományt a tranzisztor telítődik, viselkedése pedig a zárt kapcsolóhoz hasonló. Ha még tovább haladunk, a tranzisztor túlvezérlésbe kerül, bázisrétegében nagy töltésmennyiség halmozódik fel. Ennek kiürítése időt igényel, amely a kapcsolási sebességre kedvezőtlen hatású. A működés gyorsításának érdekében, a telítődés meggátolására a bázis-kollektor átmenet Schottky diódával söntölhető. A kapcsolás idődiagramja ugyancsak az 1. ábrán látható. Megfigyelhet 131c25b ő, hogy ugrásjelre a tranzisztor válasza nem azonnali, hanem csak egy bizonyos késleltetéssel jelenik meg.

Digitális elemként már csak ritkán alkalmaznak egyedi, diszkrét tranzisztort. E szerepet egyértelműen az integrált áramkör kapcsolások vették át, az úgynevezett kapuáramkörök (kapcsolóáramkörök).

Az integrált áramkörök igen sok szempont szerint osztályozhatók, mi most azonban az áramkör funkciójára és működésének időbeni megvalósulására fogunk koncentrálni. Ilyen tekintetben léteznek alapáramkörök és összetett, de általános funkciót megvalósító áramkörök. Az időtényezőt is figyelembe véve kombinációs és sorrendi működésű áramkörök léteznek. Működésük leírható szöveges formában, logikai függvények segítségével, igazságtáblázattal, grafikus formában különböző diagramokkal, vagy valamilyen szimbolikus nyelven.

A logikai alapfüggvények a NEM, ÉS, VAGY kapcsolatok. Az ezeket megvalósító áramkörök a logikai alapáramkörök (alapkapuk). Egyszerű függvények még az ezekből származtatott ES-NEM, VAGY-NEM és a KIZARO-VAGY.

Az integrált áramkörök két nagy családja a szerint különül el, hogy a morzsán megvalósított aktív alkatrészek bipoláris, vagy fém-oxid-félvezető (MOS) típusú térvezérlésű tranzisztorok (TTL, MOS/CMOS áramkörcsalád). Az integrált áramkörök jellegzetes paraméterei: a kapunkénti késleltetés (a bemenetre adott ugrásjel és a kimeneten megjelenő válasz közötti idő), a teljesítményfelvétel, az egységnyi felület (egy aktív alkatrész létrehozására szükséges felület a morzsán), a megbízhatóság, az integráltsági fok, a zaj, a költségek, a technológia, stb.

A bipoláris integrált áramkörökben megvalósuló tranzisztor-tranzisztor logika alapkapcsolása az ES-NEM függvényt valósítja meg. Ezzel szemben a CMOS alapkapcsolás a NEM függvénynek felel meg.

Az integráltság mértéke (foka) lényeges kihatással van egy adott rendszer kialakítására. Ma már ritkán találkozunk logikai rendszerekben alapáramkörökkel. A rendszerek nagy részét néhány igen magas integráltsági fokú áramkörből alakítják ki. Különös visszatérés az alapkapukhoz az ún. egyedi logika (egy kapu egy tokban), amelyet legújabban alkalmaznak tervezési hibák kijavítására, vagy utólagos hozzáadások esetében.

A következőkben azokról az áramkörökről lesz szó elvi szinten és a teljesség igénye nélkül, amelyekkel a digitális jelek feldolgozhatók és logikai funkciók megvalósíthatók.


1. Kombinációs logikai hálózatok

Kombinációs hálózatoknak nevezzük az olyan logikai függvényekkel jellemezhető hálózatokat, amelyek kimenetén a logikai értékeket a bemenetekre adott logikai értékkombinációk egyértelműen meghatározzák. Egy általános kombinációs hálózatot szemléltet a 2. ábra.

2. ábra. Kombinációs hálózat és függvényrendszere

A kimeneti változók hozzárendelése a bemeneti változókhoz igazságtáblázat, vagy Boole függvények alapján végezhető. Megvalósításuk ROM típusú áramkörökkel, a logikai függvény megkövetelte működést biztosító kapukkal, vagy speciális programozható eszközökkel lehetséges.

A legfontosabb kombinációs áramkörök a következők:

a) Kódolók/dekódolók. Ezek információk adott szabályok szerinti átalakítását megvalósító áramkörök, azaz, amelyek egyik ábrázolási módról egy másik ábrázolási módra való áttérést valósítják meg. A kódolás folyamata lehet feltételekhez kötött. A dekódolás a kódolás ellentett művelete.

b) A digitális jelek egyesítésére és szétválasztására szolgálnak a nyaláboló (multiplexer) és a nyalábbontó (demultiplexer) áramkörök.

A nyaláboló n bemenőjelből valamilyen logika szerint kiválaszt egyet, és azt megjeleníti a kimeneten. A kiválasztás vezérlőjelek (kiválasztójelek) segítségével történik. Amennyiben a kiválasztás nem egyedi jelekre vonatkozik, hanem adatok sorozatából kell kiválasztani egyet, akkor az eszközt adat-szelektornak nevezik.

A nyalábbontó a nyaláboló ellentett műveletét valósítja meg, vagyis segítségével a bemenőjel választhatóan több kimenetre csatolható. Az említett áramköröket a 3. ábrán tüntettük fel.


3. ábra. Nyaláboló, nyalábbontó, adat-szelektor




c) Az összehasonlító (komparátor) áramkörök két számot hasonlítanak össze egymással. Két szám azonosságának feltétele az, hogy minden megfelelő bitjük megegyezzen. Az összehasonlítás feltétele lehet a nagyobb, vagy kisebb állapot megállapítása is. Az ezt megvalósító eszköz az amplitúdó komparátor.

d) Aritmetikai áramkörök. Digitális áramkörökkel számtani műveletek is végezhetők. Az aritmetikai áramkörök számtani műveleteknek megfelelő logikai kapcsolatokat valósítanak meg a bemeneti változók között. Minden aritmetikai áramkör csak egyféle kód fogadására alkalmas. A legegyszerűbb aritmetikai áramkör a félösszeadó, amely két bináris számot képes összeadni az előző átvitel figyelembevétele nélkül. A teljes összeadó három bináris számot ad össze, amelyek közül az egyik az átvitel. Az összeadás műveletének az elvégzése történhet sorosan, vagy párhuzamosan. A többi aritmetikai művelet elvileg összeadásra vezethető vissza, de ez egyaránt bonyolítja és lassítja a műveletvégzés folyamatát. Léteznek nagy­teljesítményű és gyors műveletvégzésre optimizált műveletvégző egységek, amelyek már a mikroprocesszorokba is beépülnek. Műveletvégzéskor előfordul, hogy az ábrázoláshoz szükséges bitszám meghaladja a rendelkezésre állót, és túlcsordulás következik be.

e) Programozható logikai eszközök. A programozható logikai tömb (programozható logikai sík/hálózat) olyan logikai áramkör, amely valamely bemenő információnak valamilyen funkciót feleltet meg. Ez ugyanakkor lényeges eltérés a csak olvasható tárolókhoz képest, amelyek a bemeneti kombinációnak egy jól meghatározott tartalmat feleltetnek meg. Megvalósításuk azon alapszik, hogy csaknem minden kombináció ÉS és VAGY kapukkal létrehozható. Olyan mátrix szerkezetet alakítanak ki, amelyben a bemeneti változók és negáltjaik közötti ÉS kapcsolat egyszerűen kereszteződő vezetékekkel megvalósítható. Egy másik mátrixban az ÉS kapuk kimenete és a VAGY kapuk bemenete közötti kapcsolat valósítható meg hasonló módon. Kimenetként csak egy, vagy kevésszámú VAGY szükséges. Mivel a logikai függvények általában egyszerűsíthetők, a szükséges tagok száma lecsökken, tehát rendszerint egy programozható logikai tömb több információt tárolhat, mint az azonos méretű ROM. A programozás beíróberendezéssel, feszültség-impulzusokkal történik. A feszültségnek megfelelő elektromos tér után még használják a mezőprogramozható logikai tömb megnevezést is. Előnyös tulajdonságai ellenére ezek a kapcsolások háttérbe szorultak a még fejlettebb programozható eszközök megjelenése óta. Ezekről azonban később teszünk említést.

f) Digitális függvénygenerátorok. A kombinációs áramkörök tetszőleges függvényalak létrehozására is alkalmasak. Egy y=f(x) függvény ROM áramkör segítségével táblázatos módon valósítható meg. Nagy felbontáshoz több helyértékű számok és nagy tárolókapacitás szükséges. Ez azonban csökkenthető, ha csak a táblázat egy részét tárolják, a többit pedig ebből számolással vezetik le.

A kombinációs hálózatok használatakor fellépő kritikus jelenség a hazárd. A késleltetések a működés során időbeli jeleltolódásokat idézhetnek elő, amelyekkel végzett logikai műveletek értelemszerűen hibákat eredményeznek. E jelenségeket nevezik hazárdnak. A hazárd kialakulását a 4. ábrán tanulmányozhatjuk, ahol egy tagadó áramkörnél megjelenő többletkésleltetést vettük figyelembe.


4. ábra. A hazárd jelenség keletkezése

Látható, hogy a hazárd az élszomszédos tömbök határvonalán, azok eltolódása miatt keletkezik. A hazárd megszüntethető, ha a kritikus helyet egy redundáns, a logikai függvényt nem befolyásoló tömbbel lefedik (közömbösítik).

2. Sorrendi hálózatok

Sorrendi (szekvenciális) hálózatnak nevezik az olyan logikai hálózatokat, amelyek kimeneti változói nemcsak a bemeneti változóktól függenek, hanem az illető rendszer előző állapotától is.

A továbbiakban a legfontosabb sorrendi áramkörökkel fogunk megismerkedni.

a)  A billenő áramkörök olyan pozitívan visszacsatolt áramkörök, amelyek kimenőjele ugrásfüggvény szerint változik és az átbillenés következtében csak két diszkrét értéket vehet fel (L,H). A bistabil billenő áramkör a számítástechnika kiemelt fontosságú eleme. A bistabil billenőkörök alapkapcsolásának az RS bistabil tekinthető. Megvalósítható ES-NEM, vagy VAGY-NEM kapukkal. Ezt és a működésének megfelelő igazságtáblázatot az 5. ábra mutatja be.


5. ábra. RS billenőkör


Belátható, hogy a kapcsolás időfüggése a visszacsatolás miatt lép fel. Nagyon fontos észrevétel, hogy az egyik kimenetére vonatkoztatva (pl. Q kimenetre), a kapcsolás elemi tárolócellának tekinthető. Az RS billenőkört csak jobb tulajdonságokkal rendelkező egyéb billenőkörök alapvető részegységeként alkalmazzák. A jobb tulajdonságok alatt itt elsősorban azt értjük, hogy működése órajellel vezérelhető és hogy csak jól meghatározott állapotokkal rendelkezik. Az órajelvezérlés lehet élvezérléses, vagy szintvezérléses elvű. A legelterjedtebb kapcsolások a D bistabil és a közbenső tárolót tartalmazó mester-szolga elvű bistabil. A bistabil áramköröket rendszerint nullázó (Reset) és egy-beíró (Preset) bemenetekkel is ellátják.



b) Számlálók. A számlálók sorrendi áramkörökből felépülő funkcionális egységek, amelyek a bennük tárolt információ értékét a bejövő jel hatására eggyel növelik, vagy csökkentik. A számlálók hasznos belső állapotainak számát, amely egyben a maximálisan megszámlálható értékek számát jelenti modulónak nevezik és a számláló fontos jellemzője. A számlálók összekapcsolt bistabil áramkörökből épülnek fel. A számlálók több szempont alapján osztályozhatók:

a számlálót felépítő bistabilok kapcsolása alapján: soros, párhuzamos

a számlálót felépítő sorrendi hálózat jellege alapján: aszinkron, szinkron

a számlálás iránya alapján: előre, hátra, kétirányú számláló

a számlálandó információt kifejező kódrendszer alapján: bináris, BCD stb.

Az aszinkron számláló jellegzetes tulajdonsága, hogy az impulzusok csak az első egység órabemenetére kerülnek, ezért a tárolóelemek állapotváltozása a terjedési időkkel eltoltan láncolódva történik. Ez egy hátrányos tulajdonság. Szinkronszámlálóknál az órajel hatása minden tárolóelemnél azonos időben érvényesül. Az előválasztó számláló olyan számláló, amely akkor ad kimenőjelet, ha a bemenő impulzusok száma azonos egy előre meghatározott számmal.

c) Regiszterek. A regiszterek közös vezérléssel rendelkező egymással összekapcsolt bistabil áramkörök, amelyekbe digitális információk írhatók, vagy onnan olvashatók. Alapvető tulajdonságuk, hogy a beléjük sorosan, vagy párhuzamosan bevitt információt meghatározott ideig tárolni tudják, esetleg a tárolt információval relatív helyváltoztatást (léptetőregiszter) képesek végezni és a tárolt információ soros, vagy párhuzamos kiadására alkalmasak

d) Tárolók. A tárolók (memóriák) nagyobb mennyiségű információ átmeneti, vagy tartós tárolására szolgáló egységek. A tárolók jellegzetes csoportját a félvezető tárolók alkotják, itt csak ezeket fogjuk tárgyalni. A tárolók is sokféle szempont szerint csoportosíthatók. Ezek közül a leglényegesebbek:

a tartalom módosíthatósága szerint: változtatható, vagy rögzített tartalom

a tárolás időbeli módja szerint: statikus, dinamikus

a címzés alaprendszere szerint: közvetlen (véletlen) elérésű, soros elérésű, asszociatív elérésű

gyártástechnológia szerint: bipoláris, MOS

adattárolás szervezése szerint: bit-szervezésű, szó-szervezésű

A tárolócellák az egy bit tárolását elvégző tárolóelemek. A statikus tárolók bipoláris, vagy MOS, a dinamikus tárolók pedig MOS technológiával készülnek. A dinamikus cella a tartalmát csak rövid ideig képes tárolni, ezért periodikus frissítést igényel. A PC típusú számítógépek operatív tárolója (RAM memória) dinamikus tároló, vagy ennek valamilyen továbbfejlesztett változata. A tárolók egyik legfontosabb jellemzője az elérési (hozzáférési) idő, azaz a címzés és a neki megfelelő adat megjelenése között eltelő időintervallum.

A tárolókkal kapcsolatosan számos fogalom szerepel a szakirodalomban, ezeket foglaljuk most össze.

olvasható írható tároló (Read Write Memory - RWM)

közvetlen hozzáférésű tároló (Random Access Memory - RAM)

csak olvasható tároló (Read Only Memory - ROM)

programozható csak olvasható tároló (Programmable ROM - PROM)

törölhető programozható csak olvasható tároló (Erasable PROM - EPROM)

elektromosan törölhető programozható csak olvasható tároló (Electrically Erasable PROM - EEPROM)

tartalom alapján címezhető (asszociatív) tároló (Content Addressable Memory - CAM)



soros elérésű tároló (Serial Access Memory - SAM)

flash tároló (flash memory), ez nemfelejtő, írható-olvasható félvezető tároló, amely szavanként írható, blokkonként törölhető és a többi típushoz képest lassú

e) Programozható eszközök. A mezőprogramozható kapumátrix az alkalmazásorientált (ASIC) áramkörök egyik alapvető típusa. Három fő belső alegységből épül fel: konfigurálható logikai blokk, bemeneti-kimeneti egységek, programozható összeköttetések. A konfigurálható logikai blokk tartalmazza mindazon elemeket, amelyek valamely logikai függvény megvalósításához szükségesek. A bemeneti-kimeneti egységek mindegyike egymástól függetlenül bemenetként, kimenetként, vagy kétirányú kapuként határozható meg. A programozható összeköttetések segítségével az előbbiek közötti kapcsolat valósítható meg. Rendkívüli rugalmasságuk miatt a mezőprogramozható kapumátrixok alkalmazása igen sokrétű. Akár különleges mikroprocesszorok létrehozására is alkalmasak. A legmodernebb típusuk az ún. memória-alapú mezőprogramozható kapumátrix, amelyik az említett három alegységen kívül memóriát is tartalmaz. A bekapcsolás pillanatában az óhajtott konfigurációnak megfelelő tartalom az alkalmazási felületre telepített EPROM-ból a belső tárolóba töltődik és ezt követően a belső tároló vezérli az összeköttetéseket létesítő logikát. Legnagyobb előnye, hogy az eszköz átprogramozása az EPROM újraírására korlátozódik.

A sorrendi hálózatok használatakor fellépő kritikus jelenség a versenyfutás. Versenyfutás több visszacsatoló hurkot tartalmazó sorrendi hálózatnál léphet fel. Akkor jelenik meg, ha egyidejűleg több visszacsatoló hurokban történik állapotváltozás és ekkor a hurkokban szereplő különböző késleltetések következtében a hálózat állapotváltozásai nem mindig lesznek egyértelműek.

3. Analóg-digitális, digitális-analóg átalakítók

Az elektronikai elemekből felépülő berendezésekben mind analóg, mind pedig digitális kifejezésmód előfordulhat. Vegyes rendszereknél a találkozási pontokon értelemszerűen analóg-digitális, illetve digitális-analóg átalakítást kell végezni.

Az analóg-digitális átalakításnak a meghatározó lépései: a mintavételezés, a kvantálás és a kódolás. Az így kapott leképezés tetszőlegesen finomítható a mintavételezések és a kvantálási szintek sűrűségének a növelésével.

Az analóg-digitális átalakítóknak három alaptípusa ismeretes:

közvetlen összehasonlításos módszer
- fokozatos megközelítéses módszer
- számlálásos módszer

A digitális-analóg átalakítók a digitális jelek analóg típusú átalakítására szolgálnak. Ez áramkörileg a számkódolt adatoknak velük arányos feszültséggé, vagy árammá való átalakítását jelenti. Annak ellenére, hogy többtípusú digitális-analóg átalakító ismeretes, működésük rendszerint a súlyozott áramok összegezésére vezethető vissza.


Pillanatnyilag a digitális elektronika legbonyolultabb és legfejlettebb technológiát képviselő áramkörei a mikroprocesszorok, mikrovezérlők és a digitális jelprocesszorok, de ezek akár felületes bemutatása meghaladja e sorok kereteit.

Irodalomjegyzék

Szittya O.: Analóg és digitális technika, LSI, Budapest, 1999.

K.Beuth - O.Beuth: Az elektronika alapjai - III. kötet, Digitális elektronika, Műszaki, Budapest, 1994.

U. Tietze - Schenk: Analóg és digitális áramkörök, Műszaki, Budapest, 1981.

Buzás G.: Alkatrészek, eszközök, technológiák, Cédrus, Budapest, 1995.


Találat: 3202