XI. DIGITÁLIS RENDSZEREK FIZIKAI MEGVALÓSÍTÁSÁNAK KÉRDÉSEI Ebben a fejezetben a digitális rendszerek analóg viselkedésével kapcsolatos témákat vesszük sorra. Elsőként arra térünk ki, hogy a logikai értékek képviselhetők áram- és feszültségértékekkel (értéktartományokkal) egyaránt. A két megközelítéstől függően merőben más módon valósíthatók meg a logikai függvények és a belőlük felépülő összetettebb digitális rendszerek 1
XI.1. ÁRAMLOGIKA A digitális áramkörök áramlogikás megvalósításánál a logikai állapotokat abban nyilvánulnak meg, hogy egy vezetéken folyik áram, vagy nem folyik. Az áram ki- és bekapcsolását kapcsolókkal végezzük. 2
Ez a megoldás elsősorban az automatizálásban jellemző, szerszámgépek és gyártóvonalak vezérlését oldják meg így. Viszonylag egyszerű kombinációs és sorrendi hálózatokról van szó, a működési sebesség rendszerint szerény. Ritkán ugyan, de a korszerű feszültséglogikára épülő digitális integrált áramkörök belső szerkezetében is előfordulnak áramlogikai elemek. 3
KAPCSOLÓK ÉS MÁGNESKAPCSOLÓK Az áramlogikában alkalmazott kapcsolók működtetése lehetséges mechanikai beavatkozással vagy elektromágnessel. 4
Az áramlogikával működő berendezéseknél a belső logikát mágneskapcsolókkal oldják meg. Itt az érintkezőt elektromágnes mozgatja. Szerkezettől függően akkor történik bekapcsolás, ha az elektromágnes áramot kap (munkaérintkező) vagy akkor, amikor nem kap (nyugvó érintkező). A kisebb mágneskapcsolókat reléknek (vagy jelfogóknak) nevezik, a nagyobbak a kontaktorok. 5
Az ábrán különböző mágneskapcsolókat látunk. 6
LOGIKAI FÜGGVÉNYEK MEGVALÓSÍTÁSA KAPCSOLÓKKAL Kapcsolók működtetésével logikai függvényeket tudunk megvalósítani. Az ábrán a fogyasztó bekapcsolása ÉS, VAGY és NEM függvény szerint történik a kapcsolók állásának függvényében. 7
PROGRAMOZHATÓ LOGIKAI VEZÉRLŐK (PLC) Ma az összetettebb áramlogikás kapcsolások helyett programozható logikai vezérlőkön (PLC programmable logic controller) futó szoftveres megoldásokat alkalmaznak. A PLC egy ipari felhasználásra alkalmas mikroszámítógép, a jellemző szerkezetet az ábra mutatja. 8
9
XI.2. FESZÜLTSÉGLOGIKA Ma a feszültséglogika számít az uralkodó megoldásnak a digitális alkatrészek és rendszerek megvalósításánál. A feszültséglogikánál a logikai változó két lehetséges állapotát két feszültségérték képviseli. Elvileg a két érték minél távolabb kell, hogy legyen egymástól a biztonságos működés végett, így az egyiket nulla voltra állítjuk, a másikat meg a tápfeszültséggel tesszük egyenlővé. 10
A következő ábra kapcsolótranzisztorral és ellenállásokkal megépített egyszerű megoldást (logikai inverter) mutat a logikai szintek létrehozására. Magas bemeneti szintnél (Vin=5 V) a tranzisztor telítésben van, ez nullához közeli kimeneti feszültséget eredményez. Alacsony bemeneti szint esetén (Vin=0 V)a tranzisztor lezárásban üzemel, a kollektor árama elhanyagolható, így a kimeneti feszültség a tápfeszültség közelében van. 11
A kimenet 0 a kimenet 1-es állapotban van 12
BIPOLÁRIS TRANZISZTOROKKAL MEGVALÓSÍTOTT LOGIKAI ELEMEK Az első, széles körben elterjedt, digitális integrált áramkörcsaládokat bipoláris tranzisztorokkal építették. Az első bipoláris áramkörcsalád TTL (transistor-transistor-logic) név alatt vált ismertté. Az SN7400 típusú TTL NAND kapu belső szerkezetét az ábrán láthatjuk. A kapcsolás elsősorban bipoláris tranzisztorokat tartalmaz, de szükségesek bizonyos ellenállások és diódák is. 13
14
A TTL sorozat kifejlesztését megelőzően voltak különböző próbálkozások logikai funkciók félvezetős megoldására. Egy ilyen próbálkozás diódák, ellenállások és tápfeszültség segítségével valósítanak meg ÉS (a ábra) és VAGY kaput (b ábra). Az a ábrán, ha egyik vagy mindkét dióda katódját (A és B bemeneti változók) lehúzzuk a földpontra, a kimeneten (C pont) néhány száz mv feszültséget kapunk, ez tekinthető logikai nullának. Ha mindkét bemenetet felemeljük a tápfeszültségre (5 V), a kimeneten is kb. ez az érték alakul ki. 15
A b ábrán, ha egyik vagy mindkét dióda anódját magas szintre emeljük (5 V), a kimeneti jel (C pont) ennél néhány száz mv-tal alacsonyabb lesz ugyan, de ez elfogadható magas logikai szintnek. 16
NMOS ÉS CMOS LOGIKAI ELEMEK Logikai elemek építhetők csak N csatornás-, vagy csak P csatornás MOSFET-ek és ellenállások felhasználásával. Pl. az alábbi ábra NMOS NOR kapcsolást mutat: egyik vagy mindkét MOSFET bemenetére magas logikai szintet vezetve a kimenet alacsony szintre esik. 17
A CMOS kapcsolások ugyanazon a szilícium lapon P csatornás és N csatornás MOSFET-eket kombinálnak a logikai kapuk és illesztők-, valamint a belőlük kialakítandó bonyolultabb áramkörök megvalósítására. Az ábra CMOS NAND kapu kapcsolási rajzát mutatja. 18
A kapcsolás működését az alábbi ábrák szemléltetik. Az egyes MOSFET-ek kapcsolóknak tekinthetők. Az alsó ágban elhelyezkedő N csatornás MOSFET-ek magas bemeneti logikai szintnél vezetnek, a felső ágban a P csatornás MOSFET-ek alacsony bemeneti szintnél vezetnek. 19
A 20
XI.3. IDŐBENI VISELKEDÉS LEÍRÁSA A digitális áramkörök időbeli viselkedését idődiagramokkal adjuk meg. Ezek a diagramok egyrészt az áramkör belső jelei közötti összefüggéseket mutatják, másrészt definiálják a külső jelekkel kapcsolatos elvárásokat. A mai digitális rendszerek többsége szinkron szekvenciális hálózat, amely órajel vezérlése alatt, lépésről-lépésre végzi a műveleteket. Az órajel maximális frekvenciáját a megfelelő fokozatok késései korlátozzák. 21
Az a ábrán megadott kombinációs hálózat időbeni viselkedését a b vagy a c ábrán megadott módon szokásos ábrázolni. A görbenyilak a rajzon ok-okozati összefüggést mutatnak. A GO jel kezdeményezi a READY és a DAT jelek logikai szintjének megváltozását. A várható késéseket trdy-nal és tdat-tal jelöltük. Ha valamilyen gyártott alkatrészről van szó, ezeket a késéseket az alkatrész adatlapján táblázat formájában adják meg. 22
A 23
Az egyes késésekre rendszerint nem csak egy, hanem három értéket adnak meg: minimális, tipikus és maximális késés, mivel a gyártási és az alkalmazási különbségek miatt a késések változóak. Szokásos a c ábrán látható módon is ábrázolni az időbeni viselkedést: megrajzoljuk a jelet a legkisebb és a legnagyobb késés esetére, a köztes részt pedig bevonalkázzuk. 24
XI.4. LOGIKAI HAZÁRDJELENSÉGEK A digitális áramkörök késései nem csak egyszerűen késleltetik a kimeneti jelek létrejöttét, hanem komoly működési zavarokat is okozhatnak, ezeket nevezzük logikai hazárdoknak. Minden olyan jelenséget ide sorolunk, amely hosszabb vagy rövidebb ideig nem a várt logikai értéket (hanem az ellenkezőjét) adja, vagy egyáltalán nem logikai értéket ad, hanem valamilyen köztes állapotot. Az alábbi pontokban megtárgyaljuk a különböző típusú hazárdjelenségeket. 25
STATIKUS HAZÁRD Statikus hazárd alatt olyan eseteket értünk, amikor a hálózat adott pontjában, a szemlélt időben, folyamatosan logikai nullát vagy logikai egyest várunk (a logikai egyenletek vagy a működési táblázat alapján), de rövid időre az ellenkező érték jelenik meg. Nevezhetjük az ilyen jelenséget megcsuklásnak is, de használatos az angol glitch kifejezés is. 26
Legegyszerűbb példaként szemléljük az alábbi egyszerű kapcsolást. A viselkedés a következő egyenlettel írható le: Ha figyelembe vesszük a logikai inverter késését, a bemeneti jel felfutó élét követően egy rövid logikai egyest kapunk a kimeneten. 27
DINAMIKUS HAZÁRD Dinamikus hazárd alatt azt értjük, hogy a hálózat adott pontjában változik a logikai érték a logikai egyenleteknek megfelelően, de ez a változás nem szabályosan történik, hanem többszöri odavissza ugrás jelentkezik (ábra). Ennek oka rendszerint az, hogy a szemlélt bemeneti állapotváltozás több változás kezdeményez a hálózaton belül és ezek a változások különböző késések után hatnak a kimenetre. 28
Példaként tekintsük az alábbi hálózatot. Az X bemenet változása három útvonalon is terjed a kimenet felé. Bejelöltük a közbenső logikai elemek kimeneteinek változásait. Csak a két VAGY kapu késéseit vesszük figyelembe, a felső kapu késése kisebb, az alsóé nagyobb. 29
A 30
Amikor az X bemenet nulláról egyesre vált, a két VAGY kapuhoz kötött ÉS kapu statikus hazárdot (0 1 0) generál a késések különbözősége miatt. Ez, kombinálva az alsó ágban jelentkező állapotváltozással, létrehozza a kimeneten a dinamikus hazárdnak nevezett többszörös változást (1 0 1 0). Dinamikus hazárd nem szokott fellépni a szabályosan megszerkesztett, kétfokozatú ÉS- VAGY ill. VAGY-ÉS hálózatokban. 31