Лекция 16. Управление работой систем неразрушающего контроля

Элементы, применяемые для реализации совместного использования электрических линий шины называются шинными формирователями (ШФ, BD (Bus Driver)). Они ставятся между шиной и любым участником обменных операций по шине. Через шинные формирователи устройства микро-ЭВМ физически подключаются к шине и друг к другу. Шинные формирователи обеспечивают: усиление формируемых сигналов по мощности; отключают устройство от шины, когда оно не участвует в обмене; обеспечивают требуемые для логических сигналов их физические уровни; Шинный формирователь

Часто к системной шине необходимо подключать несколько устройств, что создает проблему возникновения конфликтов на шине. Соответственно, при наличии нескольких приемников нагрузка на источник увеличивается. Эти проблемы можно решить с помощью микросхем, имеющих выходы с тремя состояниями, называемыми шинными формирователями. Шинный формирователь

Реализация шинных формирователей Наиболее широко для создания ШФ используются следующие классы логических элементов: ТТЛ - транзисторно-транзисторная логика (на основе биполярных транзисторов и резисторов); ТТЛШ - транзисторно-транзисторная логика с диодами Шоттки (на основе сборки диодов Шоттки или PNP транзисторов в сочетании с диодами Шоттки); КМОП - комплементарная структура металл-оксид- полупроводник (на основе полевых транзисторов с изолированным затвором с каналами разной проводимости);

Элементы с тремя состояниями кроме выходов 0 и 1 имеют третье состояние выхода: Z-состояние, состояние высокого импеданса, состояние низкой проводимости, в котором выходной ток пренебрежительно мал. Выходной каскад с третьим состоянием может быть построен на ТТЛ(Ш)- или КМОП-элементах. Графическое обозначение Элементы с тремя состояниями Для перевода элемента в третье состояние используется специальный управляющий вход OE (Output Enable). На принципиальных схемах элементы с тремя состояниями выхода обозначаются знаком треугольника или буквой Z.

Выходной каскад на КМОП-элементах Таблица истинности работы Элементы с тремя состояниями При высоком уровне входного сигнала OE разрешает работу, он открывает транзисторы T3 и T4, позволяя нормально работать инвертору на транзисторах T1 и T2, через который данные передаются на выход. При низком уровне сигнала OE выход находится в состоянии «Отключено». В цифровой технике применяются следующие разновидности выходных каскадов с третьим состоянием: с инверсией входных данных или без нее; с высоким или низким активным состоянием управляющего сигнала.

Выходы типа третье состояние можно соединять параллельно при соблюдении условия, что в любой момент времени активным может быть только один из них. В этом случае остальные выходы не мешают активному формированию сигнала в точке соединения выходов. Эта возможность позволяет применять такие элементы для формирования систем с распределенной шиной, в которых несколько источников информации подключаются к одной линии связи. Преимущества таких элементов: быстродействие; высокая нагрузочная способность. Преимущества элементов с тремя состояниями

Шинные формирователи различаются: по разрядности; по направлению передачи (одно или двунаправленные); по типу передачи сигнала (в прямом или инвертированном виде); по типу разрешающего сигнала (прямой или инверсный); по электрическим параметрам. Микросхемы шинных формирователей. Классификация

Условно графическое изображение микросхемы шинного формирователя Bus Driver Обозначение схем с тремя состояниями Указывает на двунаправленный BD Выбор направления передачи Выбор возможности передачи Вход OE разрешает или запрещает работу ШФ, вход T (Transmit) служит для выбора направления передачи данных.

Структура двунаправленного шинного формирователя Двунаправленный шинный формирователь состоит из набора двунаправленных трех стабильных схем (в данном случае 8 схем), управляемых синхронно. Двунаправленная схема представляет собой две включенные встречно- параллельно однонаправленные трех стабильные схемы. Одновременно может быть включена только одна схема. Так как шина A подключена к МП, а шина B к магистрали, то нагрузочная способность у них разная: выходные токи шины B больше выходных токов шины A.

Регистром называется совокупность однонаправленных трёх стабильных буферных схем, управляемых одновременно. Буферные регистры, также как и шинные формирователи, работают на магистраль, но их особенностью является возможность запоминать своё состояние, т. е. они могут выполнять временную буферизацию данных, что составляет важнейшую функцию портов. Буферные регистры, построенные на выходных каскадах с тремя состояниями, позволяют портам отключаться от магистрали под действием управляющих сигналов, а также обеспечивают необходимую нагрузочную способность. Буферные регистры

Изображение буферного регистра Структура буферного регистра Register Strobe D – триггер Буферные регистры

Внутренне буферный регистр можно представить как последовательное соединение D-триггера и однонаправленного трёх стабильного каскада. Приём данных разрешается сигналом STB. D-триггер (от английского DELAY) называют информационным триггером, а также триггером задержки. D - триггер бывает только синхронным. Он может управляться (переключаться) как уровнем тактирующего импульса, так и его фронтом. Для триггера типа D, состояние в интервале времени между сигналом на входной линии и следующим состоянием триггера формируется проще, чем для любого другого типа Буферные регистры

Работа схемы буферного регистра В исходном состоянии вход OE активен, поэтому состояние внутреннего регистра триггера передается на выход. После того как вход STB (вход STB разрешает или запрещает прием данных в буфер) переходит в активное состояние (1), состояние входной шины перемещается во внутренний регистр триггера (2), поэтому изменение состояния этой шины с некоторой задержкой передается на выход (3). После перехода управляющего входа STB в пассивное состояние (4) содержимое внутреннего регистра триггера и выходной шины измениться не может, поэтому изменение состояния входной шины никак не отражается на выходе (5). При переходе входа OE в пассивное состояние (6) с некоторой задержкой выходная шина переходит в третье состояние (7). Выход OE переходит в активное состояние (8), возвращая выход в активное состояние (9).

В цифровой схемотехнике помимо выхода с тремя состояниями используются ещё два типа выходов: выход с открытым коллектором; выход с открытым эмиттером. Типы выходов

Элементы с открытым коллектором или с открытым стоком строятся на ТТЛШ- или КМОП-структуре соответственно. Выходная цепь этих элементов заканчивается одиночным транзистором, коллектор которого не соединен с какими-либо цепями внутри микросхемы. В случае с КМОП-структурой элемент имеет выходную цепь в виде одиночного МОП-транзистора, сток которого разомкнут. Транзистор может находиться в насыщенном (открытом) или запертом состоянии. Насыщенное состояние трактуется как логический нуль, запертое – как логическая единица. Насыщение транзистора в схеме с открытым коллектором обеспечивается на выходе напряжением U КЭН (малое напряжение коллектор – эмиттер). При запирании транзистора выход имеет неизвестный потенциал, так как он не подключен к каким-либо цепям. В связи с этим для формирования высокого уровня напряжения при запирании транзистора к выходу элемента с открытым коллектором или открытым стоком подключают нагрузочные резисторы, соединенные с источником питания. Выход с открытым коллектором

Положительными чертами этих элементов являются возможность одновременной работы нескольких элементов, выходы которых соединены параллельно, что исключает выход элемента из строя из-за ошибок управления, а также дополнительная возможность реализации операций монтажной логики. Условное обозначение схем с открытым коллектором Схема выходной цепи элемента с открытым коллектором Выход с открытым коллектором Выходы элементов с открытым коллектором можно соединять параллельно, при этом можно получить режим поочередной работы элементов на общую линию (активный только один элемент) или режим монтажной логики, реализующей операцию «Логическое И» (если активны несколько элементов).

Выход с открытым коллектором Временная диаграмма напряжения на шине с общим коллектором Недостатком объединения нескольких элементов на один провод является низкая скорость передачи информации, обусловленная затягиванием переднего фронта и, как следствие, большой задержки переключения с 0 на 1. Это связано с тем, что при переключении выходная емкость шины заряжается сравнительно малым током резистора R. Величину этого сопротивления невозможно уменьшить меньше некоторого предела, определяемого напряжением низкого уровня, который определяется, в свою очередь, допустимым током потребления всей схемы в целом.

Выход с открытым эмиттером характерен для элементов типа ЭСЛ (эмиттерно-связанная логика). Возможность соединения выходов элементов даёт возможность реализовать дополнительные операции монтажной логики ИЛИ. Условное обозначение схем с открытым эмиттером Выход с открытым эмиттером