Файл: Дроздов Е.А. Многопрограммные цифровые вычислительные машины.pdf

При построении схем машин логические возможности элементов и возможность их совместной работы удобно оценивать по техниче­ ским и электрическим параметрам, к которым относятся:

— тип схемы элемента; ■— особенности конструкции и технологии производства;

—быстродействие;

—рассеиваемая мощность;

—логические возможности;

—напряжения источников питания;

—уровни сигналов кодов 0 и 1;

—помехоустойчивость.

Эти параметры приводятся в справочных данных. Они обобща­ ются для комплексов элементов однотипных по используемым ак­ тивным и пассивным компонентам, способу построения их принци­ пиальных схем и технологии изготовления. На основе таких ком­ плексов формируются системы элементов.

Основными параметрами, в значительной степени отражающими особенности принципиальных схем элементов и возможности их применения, являются: быстродействие и средняя рассеиваемая мощность. Если первое определяет в принципе возможность реали­ зации на основе тех или иных элементов схем машины с требуемым быстродействием, т. е. возможность решения поставленной задачи, то вторая позволяет судить, насколько экономичен по потребляемой мощности выбранный путь решения.

Быстродействие характеризуется средним временем t3_ср за­ держки распространения сигнала в элементе.

выходного сигнала соответственно относительно спада или фронта входного сигнала (рис. 4.9).

Этот параметр удобен для оценки суммарных показателей вре­ мени распространения сигналов в сложных логических схемах.

Рассеиваемая мощность зависит от того, в каком состоянии на­ ходится схема. Закрытому состоянию может соответствовать мощ­ ность Р3, а открытому — Р0. Если Р3 и Р0 близки или схема прибли­ зительно половину времени находится в закрытом состоянии, а остальное время — в открытом, то пользуются средней мощностью

Рср = -Рз £ Р° 'Рассеиваемая схемой мощность может зависеть как

от нагрузки, так и от схем, включенных на входе. Если эта зависи­ мость существенна, то в справочных данных указываются условия, которым соответствует, например, средняя рассеиваемая мощность.

Логические возможности элемента характеризуются допустимы­ ми количествами аналогичных или каких-либо других элементов, которые могут быть подключены к входам и выходу элемента без нарушения устойчивости его работы и ухудшения скорости пере-

105

ключеняя выше допустимого предела. На входах элемента входные сигналы могут объединяться по схемам И и ИЛИ. Эти возможно­ сти указывают в технических данных элемента числами: т — коэф­ фициентом объединения по входам И и / — коэффициентом объ­ единения по входам ИЛИ.

Сигналы с выхода элемента могут подаваться одновременно на входы нескольких других элементов. При этом суммарная актив­ ная и реактивная (обычно емкостная) нагрузки также не должны превосходить определенных пределов. Это ограничение указывают

Рис. 4.9. Эпюры напряжении, иллюстрирующие задержку распространения сигналов в элементах

допустимым коэффициентом разветвления по выходу п. Для удоб­ ства пользования этим коэффициентом определяют, сколько и ка­ ких входов можно подключить к данному выходу.

Допустимые значения уровней сигналов, соответствующих ко­ дам 0 и 1, определяются по амплитудным передаточным характе­ ристикам. Эти значения в технических данных указываются для определенной температуры и диапазона колебания напряжений источников питания. При этом учитываются требования обеспече­ ния помехоустойчивости.

Помехоустойчивость обычно характеризуют допустимыми ампли­ тудами напряжений помех при единичном и нулевом уровнях вход­ ных сигналов. Эти напряжения для обоих уровней могут быть оди­ наковыми. Они определяются возможными зонами запаса ампли­ тудных передаточных характеристик, как было рассмотрено на рис. 4.8. Запас по амплитуде, а следовательно, и помехоустойчи­

106

проводимостью, строятся логические схемы, реализующие опера­ ции И, ИЛИ и их комбинации. В качестве дополнительных нагру­ зочных компонентов в диодных логических схемах могут использо­ ваться как активные, так и реактивные сопротивления. Соответст­ венно этому диодные логические схемы делятся на диодно-рези­ сторные, диодно-резисторно-конденсаторные и диодно-трансформа­ торные. По характеру выходных сигналой последние два типа отно­ сятся к импульсным схемам. Диодно-резисторные элементы могут работать как в статическом, так и в импульсном режимах. Рас­ смотрим принципы построения и работы, а также особенности рас­ чета диодно-резисторных элементов.

Диодно-резисторная схема элемента ИЛИ на два входа, приве­ денная на рис. 4.10, а, реализует логическую операцию Р = хiV * 2> где логическими переменными Х\ и х% обозначены соответственно входные сигналы их\ и их2 положительной полярности относительно некоторого уровня U0. Временная диаграмма работы элемента по­ казана на рис. 4.10,6, где напряжение уровня UQ соответствует коду 0, a U\ — коду 1. Аналогично можно построить схему на п входов.

На выходе схемы напряжение высокого уровня, соответствую­ щее коду 1, устанавливается с приходом хотя бы на один из вхо­ дов напряжения U\. Это соответствует открытому состоянию схемы. По отношению к сигналам, поступающим на входы, схема ИЛИ яв­ ляется собирательной. По отношению же к цепям, по которым по­ ступают входные сигналы, вследствие односторонней проводимо­ сти диодов схему ИЛИ часто называют разделительной.

В схемах рассматриваемого типа обычно не только U\, но и f/0> —Е. В частном случае напряжение Е может быть просто рав­ но 0, как показано на рис. 4.10, в. При увеличении на одном или на всех входах напряжения до Ui возрастает ток через прямое со­ противление Гд пр одного диода (или всех диодов) и резистор R.

Чтобы коэффициент передачи схемы был близок к единице, сопро­ тивление резистора R должно во много раз превосходить прямые сопротивления /*д пр диодов. Обычно у диодов, используемых в

подобного рода схемах, Гд пр составляет 100—300 ом, а величи­

на R — более 103 ом и может доходить до 100 ком и более. При та­ ких соотношениях сопротивлений практически все напряжение Е падает на резисторе R, и на выходе устанавливается напряжение, близкое к уровню входного сигнала.

При закрывании схемы, когда на обоих входах напряжение по­ нижается до уровня UQ, выходное напряжение также уменьшается

107

Во многих случаях при малых сопротивлениях нагрузки схемы ИЛИ строятся без резисторов R, роль которых выполняют сами

рис. 4.10,г, реализует логическую операцию Р —х^Хо над входными сигналим их1 и их 2 положительной полярности по отношению к не­ которому уровню потенциала U0. Входные положительные сиг­ налы уровня U\ соответствуют коду 1.

Принцип работы схемы И поясняется временной диаграммой на

ляется сигнал кода 1 только при совпадении сигналов на входах, называются схемами совпадения.

Высокий потенциал удерживается на выходе схемы до момента прекращения действия хотя бы одного из входных сигналов кода 1. При этом, поскольку в делителе напряжения, состоящем из рези­ стора R и прямого сопротивления гД ( как правило, R ^ > r n

потенциал на выходе схемы резко падает до U0 (схема закрывает­ ся), что соответствует выдаче кода 0.

Аналогично собирательной схеме быстродействие схемы совпа­ дения определяется скоростью переключения выходного напряже­ ния. Эта скорость в основном зависит от времени заряда и разряда емкости Сн, состоящей из паразитной емкости монтажа и входной емкости нагрузки. В отличие от собирательной схемы в схеме совпадения длительность фронта выходного сигнала намного превышает длительность спада tc (см. осциллограмму к рис. 4.10, д). При открывании схемы емкость Ся заряжается через резистор/?^» ^> гд п0 и разряжается при спаде выходного напряжения через ма­

лое прямое сопротивление диода гд Разумеется, что внутрен­

ние сопротивления источников входных сигналов должны быть много меньше R. Только в этом случае tc выходного сигнала будет в основном определяться временем спада входного.

Сравнивая схемы рис. 4.10, а и г, нетрудно установить, что схе­ ма ИЛИ для высоких уровней напряжения является схемой И для низких и наоборот схема И для высоких уровней является схемой ИЛИ для низких. Формально это соответствует двойственным ло­ гическим соотношениям

х х \/ х 2 = х :х 2 и х гх 2 = -т, V х 2.

Особенности расчета диодно-резисторных элементов. В сложных логических схемах машин элементы И и ИЛИ передают информа­ цию либо непосредственно подобным себе элементам, либо через транзисторные усилители, Поэтому при расчетах обычно ставится условие, чтобы диодно-резисторные элементы обеспечивали пере-*

ЮЗ

ключение выходного напряжения, управляющего последующими схемами, за некоторое требуемое время /тр. Для этого в первую очередь необходимо так рассчитать сопротивление резистора R, чтобы за это время обеспечивался перезаряд суммарной емкости нагрузки Сп, включающей паразитную емкость монтажа, а также неизбежные или специально вводимые входные емкости после­

вие fc< /Tp и подавно будет выполняться, если источники входных сигналов обеспечивают требуемые скорости переключения напря­ жений Ux 1 И «г-2.

Таким образом, для перепада выходного напряжения Лм„ых средний ток /зар. ср, который обеспечивает заряд емкости С„ не более чем за время /тр, должен быть по крайней мере

Тогда сопротивление резистора

(4.2)

'зар. ср

При таком расчете диоды должны иметь пренебрежимо малое прямое и очень большое обратное сопротивления.

В зависимости от типа схемы и полярности питающего напря­ жения источник питания Е и резистор R образуют либо источник, либо поглотитель тока. В общем случае величина отдаваемого им в нагрузку или поглощаемого тока зависит от амплитуды пере­ ключаемого напряжения. Однако желательно, чтобы этот источник или поглотитель тока был близок к идеальному, не зависящему от значения входных сигналов. Поэтому, вообще говоря, целесо­ образно выбирать Е и R по возможности большими.

Согласно изложенному выше, величина R в значительной сте­ пени ограничивается требуемым быстродействием схемы. Напря­ жение Е обладает большей, но также не безграничной свободой выбора. Чтобы определить, в каких пределах следует выбирать значения Е, рассмотрим отношение токов, поглощаемых в статике источниками входных сигналов при закрытом (uBblx—UQ) и откры­ том («Bbix= t/i) состояниях рассматриваемой схемы И.

В открытом состоянии при уровнях U1 на всех входах источ­ ники входных сигналов поглощают от источника питания ток

гЕ ~ и■

UQ