skriptum

FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ
VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ



Impulzová a číslicová technika

Garant předmětu:
Doc. Ing. Jaromír Kolouch, CSc.


Autor textu:
Doc. Ing. Jaromír Kolouch, CSc.
Ing. Viera Biolková


Impulzová a číslicová technika 1



































© Jaromír Kolouch, Viera Biolková 2003
2 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně

Obsah
1 Zařazení předmětu ve studijním programu........................................................ 11
1.1 ÚVOD DO PŘEDMĚTU..................................................................................................11
1.2 VSTUPNÍ TEST ............................................................................................................11
2 Impulsové signály a obecné vlastnosti přenosových článků.............................. 13
2.1 ÚVOD.........................................................................................................................13
2.2 PŘENOS IMPULSOVÉHO SIGNÁLU LINEÁRNÍMI ČLÁNKY ..............................................14
2.3 PŘENOS IMPULSOVÉHO SIGNÁLU LINEÁRNÍ PŘENOSOVOU SOUSTAVOU ......................15
2.4 PŘENOS IMPULSOVÉHO SIGNÁLU KASKÁDOU ZESILOVAČŮ S OMEZENÍM ....................16
2.5 SHRNUTÍ KAPITOLY 2.................................................................................................17
2.6 KONTROLNÍ OTÁZKY..................................................................................................18
3 Základní pasívní přenosové články...................................................................... 19
3.1 ÚVOD.........................................................................................................................19
3.2 DVOJBRAN RC (INTEGRAČNÍ) ....................................................................................19
3.3 DVOJBRAN CR (DERIVAČNÍ) ......................................................................................21
3.4 DĚLIČ NAPĚTÍ RC.......................................................................................................23
3.5 DVOJBRANY RLC 2. ŘÁDU.........................................................................................25
3.6 IMPULSOVÝ TRANSFORMÁTOR ...................................................................................26
3.7 SHRNUTÍ KAPITOLY 3.................................................................................................29
3.8 KONTROLNÍ OTÁZKY..................................................................................................29
4 Diody v impulsových obvodech ............................................................................ 30
4.1 ÚVOD.........................................................................................................................30
4.2 POLOVODIČOVÉ SPÍNACÍ DIODY S PŘECHODEM P-N ...................................................30
4.3 SCHOTTKYHO DIODY A STABILIZAČNÍ DIODY .............................................................32
4.4 SHRNUTÍ KAPITOLY 4.................................................................................................33
4.5 KONTROLNÍ OTÁZKY..................................................................................................33
5 Spínací tranzistory................................................................................................. 34
5.1 ÚVOD.........................................................................................................................34
5.2 STATICKÉ VLASTNOSTI BIPOLÁRNÍCH SPÍNACÍCH TRANZISTORŮ ................................34
5.3 DYNAMICKÉ VLASTNOSTI BIPOLÁRNÍCH SPÍNACÍCH TRANZISTORŮ............................37
5.4 TRANZISTORY ŘÍZENÉ POLEM.....................................................................................42
5.5 SHRNUTÍ KAPITOLY 5.................................................................................................43
5.6 KONTROLNÍ OTÁZKY..................................................................................................44
6 Základní impulsové obvody s diodami a s tranzistory....................................... 45
6.1 ÚVOD.........................................................................................................................45
6.2 DIODOVÉ TVAROVAČE, SPÍNAČE A UPÍNACÍ OBVODY .................................................45
6.3 TRANZISTOROVÉ SPÍNAČE..........................................................................................47
6.4 SHRNUTÍ KAPITOLY 6.................................................................................................53
6.5 KONTROLNÍ OTÁZKY..................................................................................................53
7 Zesilovače impulsových signálů............................................................................ 54
8 Napěťové komparátory......................................................................................... 55
8.1 ÚVOD.........................................................................................................................55
8.2 PRINCIP FUNKCE.........................................................................................................55
8.3 JEDNODUCHÉ KOMPARÁTORY S DISKRÉTNÍMI TRANZISTORY .....................................56
8.4 KOMPARÁTORY S KOMPARAČNÍMI ZESILOVAČI..........................................................57
Impulzová a číslicová technika 3
8.5 SHRNUTÍ KAPITOLY 8................................................................................................. 61
8.6 KONTROLNÍ OTÁZKY ................................................................................................. 61
9 Klopné obvody........................................................................................................62
9.1 ÚVOD ........................................................................................................................ 62
9.2 BISTABILNÍ KLOPNÝ OBVOD ...................................................................................... 62
9.3 MONOSTABILNÍ KLOPNÝ OBVOD................................................................................ 64
9.4 ASTABILNÍ KLOPNÝ OBVOD ....................................................................................... 66
9.5 POUŽITÍ INTEGROVANÉHO ČASOVAČE 555 PRO KONSTRUKCI MONOSTABILNÍCH A
ASTABILNÍCH KLOPNÝCH OBVODŮ. ........................................................................... 66
9.6 SHRNUTÍ KAPITOLY 9................................................................................................. 68
9.7 KONTROLNÍ OTÁZKY ................................................................................................. 68
10 Základní pojmy číslicové techniky .......................................................................69
10.1 KONTROLNÍ OTÁZKY ................................................................................................. 70
11 Kombinační logické funkce...................................................................................71
11.1 ÚVOD ........................................................................................................................ 71
11.2 ZPŮSOBY ZÁPISU A ZOBRAZENÍ KOMBINAČNÍCH LOGICKÝCH FUNKCÍ........................ 73
11.2.1 Zápis kombinačních logických funkcí pomocí pravdivostní tabulky................. 73
11.2.2 Zápis kombinačních logických funkcí logickým výrazem ................................. 74
11.2.3 Zobrazení kombinačních logických funkcí pomocí mapy ................................. 76
11.2.4 Zobrazení kombinačních logických funkcí logickými schématy s kombi-
načními logickými členy.................................................................................... 78
11.3 ZJEDNODUŠOVÁNÍ ZÁPISU KOMBINAČNÍCH LOGICKÝCH FUNKCÍ ............................... 78
11.3.1 Minimalizace úplně určených funkcí ................................................................ 79
11.3.2 Minimalizace neúplně určených funkcí............................................................. 80
11.3.3 Skupinová minimalizace.................................................................................... 81
11.4 SHRNUTÍ KAPITOLY 11............................................................................................... 82
11.5 PŘÍKLADY KE KAPITOLE 11....................................................................................... 82
11.6 KONTROLNÍ OTÁZKY ................................................................................................. 85
12 Realizace kombinačních logických funkcí ...........................................................86
12.1 ÚVOD ........................................................................................................................ 86
12.2 REALIZACE KOMBINAČNÍCH LOGICKÝCH FUNKCÍ ZÁKLADNÍMI KOMBINAČNÍMI
ČÍSLICOVÝMI OBVODY............................................................................................... 86
12.2.1 Realizace kombinačních logických funkcí součinovými a součtovými
obvody............................................................................................................... 87
12.2.2 Realizace kombinačních logických funkcí pomocí členů AND-OR-INVERT ... 88
12.3 POUŽITÍ MULTIPLEXORŮ A DEMULTIPLEXORŮ K REALIZACI KOMBINAČNÍCH
LOGICKÝCH FUNKCÍ .................................................................................................. 89
12.4 DALŠÍ ZPŮSOBY REALIZACE KOMBINAČNÍCH LOGICKÝCH FUNKCÍ............................. 93
12.5 SHRNUTÍ KAPITOLY 12............................................................................................... 95
12.6 KONTROLNÍ OTÁZKY ................................................................................................. 96
13 Hazardy u kombinačních logických obvodů .......................................................97
13.1 ÚVOD ........................................................................................................................ 97
13.2 HAZARDY V KOMBINAČNÍCH OBVODECH S DVOUSTUPŇOVOU STRUKTUROU
(NAND-NAND, NOR-NOR) .................................................................................. 99
13.2.1 Algebraický přístup......................................................................................... 100
13.2.2 Použití Karnaughových map pro analýzu hazardů......................................... 100
13.3 ZPŮSOBY ZNEŠKODNĚNÍ HAZARDŮ.......................................................................... 102
13.4 SHRNUTÍ KAPITOLY 13............................................................................................. 102
4 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
13.5 PŘÍKLADY KE KAPITOLE 13 .....................................................................................103
13.6 KONTROLNÍ OTÁZKY................................................................................................103
14 Základní prvky sekvenčních systémů................................................................ 104
14.1 ÚVOD.......................................................................................................................104
14.2 JEDNODUCHÉ ASYNCHRONNÍ KLOPNÉ OBVODY........................................................105
14.2.1 Klopné obvody typu RS....................................................................................106
14.2.2 Klopný obvod typu RS se vzorkovacím vstupem.............................................110
14.2.3 Klopný obvod typu D se statickým řízením .....................................................110
14.3 DVOUSTUPŇOVÉ KLOPNÉ OBVODY A KLOPNÉ OBVODY ŘÍZENÉ HRANOU..................112
14.3.1 Dvoustupňový klopný obvod typu RS ..............................................................112
14.3.2 Dvoustupňový klopný obvod typu JK ..............................................................113
14.3.3 Dvoustupňový klopný obvod typu D (řízený hranou)......................................114
14.3.4 Další typy klopných obvodů řízených hranou .................................................116
14.3.5 Vzájemný převod různých typů klopných obvodů řízených hranou ................117
14.4 REGISTRY.................................................................................................................118
14.5 SHRNUTÍ KAPITOLY 14.............................................................................................119
14.6 PŘÍKLADY KE KAPITOLE 14 ......................................................................................119
14.7 KONTROLNÍ OTÁZKY................................................................................................121
15 Čítače a stavové automaty .................................................................................. 122
15.1 ÚVOD.......................................................................................................................122
15.2 ASYNCHRONNÍ BINÁRNÍ ČÍTAČ.................................................................................122
15.3 SYNCHRONNÍ ČÍTAČE ...............................................................................................124
15.3.1 Binární synchronní čítače ...............................................................................125
15.3.2 Dekadické synchronní čítače a synchronní čítače s jinými kódy ....................130
15.3.3 Integrované synchronní čítače vyráběné v řadě 74.........................................131
15.4 ZKRACOVÁNÍ CYKLU A NEPRACOVNÍ STAVY U ČÍTAČŮ ............................................132
15.5 STAVOVÉ AUTOMATY ..............................................................................................134
15.6 SHRNUTÍ KAPITOLY 15.............................................................................................138
15.7 PŘÍKLADY KE KAPITOLE 15......................................................................................139
15.8 KONTROLNÍ OTÁZKY................................................................................................146
16 Generátory pravoúhlých signálů v číslicové technice ...................................... 147
16.1 ÚVOD.......................................................................................................................147
16.2 AUTONOMNÍ GENERÁTORY ......................................................................................147
16.3 SPOUŠTĚNÉ GENERÁTORY........................................................................................149
16.4 SHRNUTÍ KAPITOLY 16.............................................................................................151
16.5 KONTROLNÍ OTÁZKY................................................................................................152
17 Technická realizace číslicových obvodů a pravidla pro jejich použití .......... 153
17.1 ÚVOD.......................................................................................................................153
17.2 ŘADY TTL...............................................................................................................154
17.3 ŘADY CMOS...........................................................................................................156
17.4 OŠETŘENÍ NEVYUŽITÝCH VSTUPŮ ČÍSLICOVÝCH OBVODŮ A POŽADAVKY NA
HRANY VSTUPNÍCH SIGNÁLŮ....................................................................................162
17.5 ZVLÁŠTNÍ TYPY VÝSTUPŮ ČÍSLICOVÝCH OBVODŮ....................................................163
17.6 VAZBA MEZI ČÍSLICOVÝMI OBVODY RŮZNÝCH ŘAD .................................................164
17.7 POŽADAVKY NA ROZVOD NAPÁJECÍHO NAPĚTÍ V ČÍSLICOVÝCH SYSTÉMECH............166
17.8 KRITÉRIA PRO VOLBU ŘADY ČÍSLICOVÝCH OBVODŮ V DANÉ APLIKACI ....................167
17.9 SHRNUTÍ KAPITOLY 17.............................................................................................169
17.10 KONTROLNÍ OTÁZKY................................................................................................169
Impulzová a číslicová technika 5
18 Generátory tvarových kmitů...............................................................................170
18.1 ÚVOD ...................................................................................................................... 170
18.2 ANALOGOVÉ GENERÁTORY ..................................................................................... 170
18.3 ČÍSLICOVÉ GENERÁTORY......................................................................................... 171
18.4 SPECIÁLNÍ INTEGROVANÉ OBVODY PRO STAVBU GENERÁTORŮ TVAROVÝCH
KMITŮ ..................................................................................................................... 172
18.5 SHRNUTÍ KAPITOLY 18............................................................................................. 172
19 Přílohy...................................................................................................................173
19.1 PŘEHLED ŘAD ČÍSLICOVÝCH INTEGROVANÝCH OBVODŮ ......................................... 173
19.2 VLASTNOSTI REÁLNÝCH SPOJŮ................................................................................ 177
20 Dodatky.................................................................................................................178
20.1 VÝSLEDKY VSTUPNÍHO TESTU ................................................................................. 178
20.2 VÝSLEDKY PŘÍKLADŮ A ODPOVĚDI NA KONTROLNÍ OTÁZKY ................................... 179
20.2.1 Kapitola 2........................................................................................................ 179
20.2.2 Kapitola 3..................................................................................................... 179
20.2.3 Kapitola 4........................................................................................................ 180
20.2.4 Kapitola 5........................................................................................................ 180
20.2.5 Kapitola 6........................................................................................................ 180
20.2.6 Kapitola 8........................................................................................................ 181
20.2.7 Kapitola 9........................................................................................................ 181
20.2.8 Kapitola 10...................................................................................................... 182
20.2.9 Kapitola 11...................................................................................................... 182
20.2.10 Kapitola 12...................................................................................................... 182
20.2.11 Kapitola 13...................................................................................................... 183
20.2.12 Kapitola 14...................................................................................................... 183
20.2.13 Kapitola 15...................................................................................................... 183
20.2.14 Kapitola 16...................................................................................................... 183
20.2.15 Kapitola 17...................................................................................................... 184
21 Literatura..............................................................................................................185
6 Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně
Seznam obrázků
Obr. 2.1. Exponenciální (a) a dvojexponenciální (b) impuls........................................... 13
Obr. 2.2. Ideální (čárkovaně) a reálný (plně) pravoúhlý impuls a jeho parametry ........ 14
Obr. 2.3. Vliv lineárního přenosového článku na dobu hran přenášeného impulsu ....... 15
Obr. 2.4. Náhrada kaskády lineárních přenosových článků z hlediska přenosu hran
impulsového signálu.........................