Что такое цифровой буфер
Перейти к содержимому

Что такое цифровой буфер

  • автор:

Цифровой буфер — Digital buffer

Цифровой буфер (или буфер напряжения ) представляет собой электронную схему , элемент , который используется для изоляции входа от выхода, не обеспечивая либо отсутствие напряжения или напряжение , которое является такой же , как входного напряжения. Он потребляет очень мало тока и не нарушает работу исходной цепи. Его также называют буфером с единичным усилением, поскольку он обеспечивает коэффициент усиления 1, что означает, что он обеспечивает самое большее напряжение, равное входному напряжению, и не выполняет функцию усиления.

Буфер напряжения имеет очень высокий входной импеданс (противодействие току со стороны нагрузки). Высокое входное сопротивление является причиной использования буфера напряжения. Схема с буфером напряжения всегда потребляет небольшое количество тока из-за высокого входного импеданса буфера. В результате это не повлияет на источник питания.

Цифровой буфер важен, потому что он может управлять включением и выключением передачи данных, которая широко используется в мире регистров (сложное устройство хранения данных) и шин (устройство передачи данных). Типичным цифровым буфером, который используется для управления множеством входов данных, записываемых на шину, является цифровой буфер с тремя состояниями, который управляет потоком данных с помощью выводов с тремя состояниями.

СОДЕРЖАНИЕ

Функциональность

Цифровой буфер служит для передачи напряжения от цепи с высоким уровнем выходного сопротивления во вторую цепь с низким уровнем входного сопротивления. Если у нас есть источник питания и нагрузка с низким сопротивлением (резистор) без буфера, согласно закону Ома (напряжение равно току, умноженному на сопротивление), от источника потребляется огромное количество тока. В результате источник питания потребляет огромное количество энергии, что вызывает большие помехи. Буфер напряжения всегда имеет очень высокий входной импеданс, приближающийся к бесконечности; в результате, независимо от того, какое значение имеет импеданс нагрузки, напряжение источника будет полностью зависеть от импеданса буфера (из-за закона Ома); напряжение на импедансе буфера является входным напряжением. Поскольку сопротивление бесконечно, схема будет потреблять очень небольшой ток и не будет мешать исходной схеме. Поскольку выходной ток генерируется источником напряжения через буфер, буфер действует как барьер между источником и нагрузкой, предотвращая, таким образом, влияние сопротивления нагрузки на сеть источника.

Категория

Буфер одиночного входного напряжения

Инвертирующий буфер

Этот вид буфера производит состояние, противоположное входному. Если вход высокий, выход низкий, и наоборот. Графически его часто представляют в виде треугольника с маленьким кружком на кончике. Инвертор — это основной строительный блок цифровой электроники. Декодеры, конечные автоматы и другие сложные цифровые устройства могут использовать инверторы.

Неинвертирующий буфер

Этот вид буфера не обеспечивает возможности инверсии или принятия решений. Цифровой буфер с одним входом отличается от инвертора. Он никоим образом не инвертирует и не изменяет свой входной сигнал. Он считывает ввод и выводит значение. Обычно сторона ввода считывает вход HIGH или LOW и выводит значение HIGH или LOW соответственно. Отправляет ли выходной терминал сигнал HIGH или LOW, определяется его входным значением. Выходное значение будет высоким тогда и только тогда, когда входное значение будет высоким. Другими словами, Q будет высоким тогда и только тогда, когда A будет HIGH.

Цифровой буфер с тремя состояниями

В отличие от цифрового буфера с одним входом, который имеет только один вход, цифровой буфер с тремя состояниями имеет два входа: вход данных и вход управления. (Управляющий вход аналогичен клапану, который управляет потоком данных.) Когда управляющий вход активен, выходное значение является входным значением, а буфер не отличается от цифрового буфера с одним входом.

Активный цифровой буфер с тремя состояниями

Цифровой буфер с активным высоким уровнем с тремя состояниями — это буфер с высоким уровнем управляющего входа в качестве активного состояния. Когда управляющий вход равен 1, происходит передача данных. Когда управляющий вход равен 0,

Неинвертирующий, активный высокий

Ввод данных Управляющий вход Выход
0 0 Hi-Z
1 0 Hi-Z
0 1 0
1 1 1

«Hi-Z» указывает на отсутствие тока и высокий импеданс, как если бы деталь была удалена из цепи. Когда управляющий вход равен 0, выход находится в состоянии «Hi-Z». Когда управляющий вход равен 1, входные данные передаются на выход.

Цифровой буфер с низким уровнем активности с тремя состояниями

Это в основном то же самое, что и активный высокий цифровой буфер, за исключением того факта, что буфер активен, когда управляющий вход находится в низком состоянии.

Неинвертирующий, активный низкий

Ввод данных Управляющий вход Выход
0 0 0
1 0 1
0 1 Hi-Z
1 1 Hi-Z
Инвертирование цифрового буфера с тремя состояниями

Цифровые буферы с тремя состояниями также имеют инвертирующие разновидности, в которых выходной сигнал является инверсным по отношению к входному.

Инвертирующий, активный высокий

Ввод данных Управляющий вход Выход
0 0 Hi-Z
1 0 Hi-Z
0 1 1
1 1 0
Инвертирующий, активный низкий

Ввод данных Управляющий вход Выход
0 0 1
1 0 0
0 1 Hi-Z
1 1 Hi-Z

Приложение

Буферы одиночного входного напряжения используются во многих местах для измерений, в том числе:

  • В схемах тензодатчиков для измерения деформаций в таких конструкциях, как мосты, крылья самолетов и двутавровые балки в зданиях.
  • В схемах измерения температуры для котлов и в высотных самолетах в холодной среде.
  • В схемах управления для самолетов, людей, перевозящих пассажиров в аэропортах, метро и во многих различных производственных операциях.

Буферы напряжения с тремя состояниями широко используются на шинах , что позволяет нескольким устройствам связываться друг с другом. Шина может одновременно считывать только один ввод данных с устройства, и это когда применяется буфер с тремя состояниями. Буфер с тремя состояниями с его управляющим входом может предотвратить чтение шиной избыточного ввода.

Цифровые элементы

Цифровые элементы программы представлены следующими группами: индикаторы, логические элементы, узлы комбинационного типа, узлы последовательностного типа, гибридные элементы.

Индикаторы

Семисегментный индикатор (ССИ)

Каждый из семи выводов индикатора управляет соответствующим сегментом, от а до g.

Дешифрирующий семисегментный индикатор (ДССИ)

Дешифрирующий семисегментный индикатор служит для отображения на своем дисплее шестнадцатеричных чисел от 0 до F, задаваемых состоянием на входе индикатора.

Пробник логического уровня

Пробник определяет логический уровень (0 или 1) в конкретной точке схемы. Если исследуемая точка имеет уровень логической 1, индикатор загорается красным цветом. Уровень логического нуля свечением не отмечается. С помощью команды Value в меню Circuit можно изменить цвет свечения пробника.

Логические элементы

Electronics Workbench содержит полный набор логических элементов и позволяет задавать их основные характеристики, в том числе тип элемента: ТТЛ или КМОП. Число входов логических элементов схем можно установить в пределах от 2 до 8, но выход элемента может быть только один.

Логическое НЕ

Элемент логическое НЕ или инвертор изменяет состояние входного сигнала на противоположное.

Логическое И

Элемент И реализует функцию логического умножения. Уровень логической 1 на его выходе появляется в случае, когда на один и на другой вход подается уровень логической единицы.

Логическое ИЛИ

Элемент ИЛИ реализует функцию логического сложения. Уровень логической 1 на его выходе появляется в случае, когда на один или на другой вход подается уровень логической единицы.

Исключающее ИЛИ

Двоичное число на выходе элемента исключающее ИЛИ является младшим разрядом суммы двоичных чисел на его входах.

Элемент И-НЕ

Элемент И-НЕ реализует функцию логического умножения с последующей инверсией результата. Он представляется моделью из последовательно включенных элементов И и НЕ.

Элемент ИЛИ-НЕ

Элемент ИЛИ-НЕ реализует функцию логического сложения с последующей инверсией результата. Он представляется моделью из последовательно включенных элементов ИЛИ и НЕ.

Исключающее ИЛИ-НЕ

Данный элемент реализует функцию "исключающее ИЛИ" с последующей инверсией результата. Он представляется моделью из двух последовательно соединенных элементов: исключающее ИЛИ и НЕ.

Буфер

Буфер служит для подачи больших токов в нагрузку. Данный буфер является неинвертирующим. Установку типа буфера можно произвести с помощью команды Model в меню Circuit (CTRL+M). При использовании ТТЛ элемента в качестве буфера необходимо выбрать модель буфера LS-BUF или LS-OC-BUF (Open Collector — открытый коллектор). Если в качестве буфера применяется КМОП элемент, следует выбрать модель HC-BUF, либо HC-OD-BUF (Open Drain — открытый сток). Если тип буфера не выбран, то буфер ведет себя как обычный цифровой элемент с малой нагрузочной способностью.

Буфер с тремя состояниями

Буфер с тремя состояниями имеет дополнительный разрешающий вход (enable input). Если на разрешающем входе высокий потенциал, то элемент функционирует по таблице истинности обыкновенного буфера; если низкий, то независимо от сигнала на входе выход перейдет в состояние с высоким импедансом. В этом состоянии буфер не пропускает сигналы, поступающие на вход.

Установка режима работы производится так же, как и для обычного буфера.

Узлы комбинационного типа

Полусумматор

Полусумматор производит сложение двух одноразрядных двоичных чисел. Он имеет два входа слагаемы — А, В и два выхода — суммы (Sum) и переноса (Carry). Суммирование производится элементом Исключающее ИЛИ, а перенос — элементом И.

Полный двоичный сумматор

Полный двоичный сумматор производит сложение трех одноразрядных двоичных чисел. Результатом является двухразрядное двоичное число, младший разряд которого назван суммой, старший разряд — переносом.

Входы: слагаемых — А, В и переноса — . Выходы: суммы — Sum и переноса — . Полный двоичный сумматор можно реализовать на двух полусумматорах и одном элементе ИЛИ.

Дешифратор из 3 в 8

Дешифратор — логическое устройство, имеющее n входов и выходов. Каждой комбинации входного кода соответствует активный уровень на одном из выходов. Данный дешифратор имеет три входа адреса (А, В, С), два разрешающих входа (Gl, G2) и 8 выходов (YO. Y7).

Активным уровнем является уровень логического нуля. Дешифратор работает, если на входе G1 высокий потенциал, а на G2 — низкий. В других случаях все выходы пассивны, т. е. имеют уровень логической 1.

Приоритетный шифратор из 8 в З

Шифратор выполняет операцию, обратную дешифратору. Данный шифратор при наличии на нескольких входах активного состояния активным считает вход со старшим номером. Кроме того, выход дешифратора инверсный, т.е. значения разрядов двоичного числа на выходе инвертированы.

Если хотя бы один из входов шифратора в активном состоянии, выход GS также будет в активном состоянии, а выход ЕО — в пассивном, и наоборот. При пассивном состоянии разрешающего входа Е1 выходы GS также будут пассивными. Активным уровнем, так же, как и у дешифратора, является уровень логического нуля.

Семисегментный дешифратор

Данное устройство предназначено для управления семисегментным индикатором. Четырехразрядное двоичное число на входе определяет комбинацию логических уровней на выходе дешифратора таким образом, что при подключении к нему семисегментного индикатора на его дисплее отображается символ, соответствующий числу на входе.

Для тестирования выходов дешифратора используется вывод LT (lamp testing). Когда на этот вход подан уровень логического 0, на всех выходах — логическая 1. Все выходы дешифратора устанавливаются в 0 при подаче на вход BI логического 0.

Декодирующий семисегментный индикатор имеет встроенное декодирующее устройство, поэтому при работе с ним не надо использовать данный дешифратор.

Мультиплексор из 8 в 1

Мультиплексор (селектор данных) осуществляет операцию передачи сигнала с выбранного входа на выход. Номер входа равен адресу — двоичному числу, определяемому состоянием адресных входов.Данный мультиплексор имеет 12 входов: восемь из которых — входы данных (DO — D7), три — входы адреса (А, В, С) и один — разрешающий вход (EN). Мультиплексор работает при подаче на вход разрешения логического 0. Выход W является дополнением выхода Y (W=Y’).

Демультиплексор

Что такое цифровой буфер

Рассмотрим микросхемы ТТЛ, которые в импульсно-вычислительных устройствах логической функции не выполняют — это буферные и разрешающие элементы. Их назначение — формировать цифровые сигналы, усиливать импульсы по току, т.е. обслуживать энергоемкие цифровые нагрузки. Такими нагрузками являются прежде всего так называемые шины данных, состоящие из нескольких токоведущих дорожек на печатной плате, число которых соответствует длине передаваемых цифровых слов — байтов. Например, если в системе циркулируют восьмиразрядные байты, шина данных будет иметь восемь проводников. К шине данных подключается обычно много источников и приемников цифровых сигналов. В итоге это приводит к тому, что при передаче сигнала по проводникам шины протекают импульсные токи, составляющие десятки миллиампер. Микросхемы, обслуживающие проводники шины данных, выполняют системные функции, например, отключают от шины неиспользуемые и данный момент приемники и передатчики цифровых слов.

Микросхемы, содержащие импульсные усилители тока цифровых сигналов принято называть буферными. Буферные микросхемы могут передавать сигнал без инверсии, либо с инверсией. Ряд таких элементов имеет вывод разрешения сигнала по входу. Очень удобными для обслуживания шин данных оказались элементы с тремя выходными состояниями: это обычные выходные состояния высокого и низкого уровней, а также размыкание (разрыв) выхода по специальной команде. Третье состояние назовем Z. Выходное сопротивление буферного элемента в данном режиме составляёт сотни килоом и сохраняется до прихода разрешающего сигнала.

Существует несколько типов микросхем КМОП, содержащих от четырех до шести каналов (с инверсией или без инверсии), предназначенных для согласования логических уровней КМОП (напряжение высокого уровня 3. 15 В, низкого — нуль) и ТТЛ (напряжение высокого уровня не менее 2,3 В, низкого — не более 0,3 В). Заметим, что большинство этих схем преобразует уровни от КМОП к ТТЛ. Как указывалось, инвесторы К561ЛН1 и К561ЛН2 также можно использовать для преобразования уровней КМОП — ТТЛ. Для полного использования свойств сложных микросхем, а также для построения множества «нетиповых» схемотехнических узлов, разработчики активно используют микросхемы, в которых содержится несколько инверторов. Обычно они имеют повышенную нагрузопную способность.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.