Masterat/ziSpecializarea: Tehnici Avansate de InginerieElectromecanica

Elemente de Electronica Digitala:

1.– Circuite Logice Combinationale 2.– Circuite Logice Secventiale

Page 1 of 15

1. Coduri. Codificare si decodificare

1.1. Coduri

În electronica digitala, numerele zecimale sunt reprezentate sub formalor binara, aplicatia care stabileste legatura respectiva reprezentând asanumitul cod binar-zecimal (BCD – Binar Code Decimal). Codificarea estenecesara în acest caz datorita faptului ca lucrul în sistemul binar, în care seopereaza cu numai doua valori (0 si 1) este mai sigur decât în cel zecimal, încare se opereaza cu 10 valori (cifrele zecimale 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9).Codificarea este necesara si datorita altor motive, cum este cel privindcorectia erorilor la transmiterea de date.În practica, în functie de aplicatia respectiva, se folosesc si alte tipuride coduri, asa cum se va vedea în continuare.

1.1.1. Codul binar-zecimal 8421

Fig. 1. 1 – Transformarea unui numar zecimal în cod 8421 (a) si a unui numar dincod 8421 în numar zecimal (b) Tabel 1.2 – Echivalenta numerelor zecimale cu cele în cod cu surplus de 3

NUMERE ZECIMALE NUMERE ÎN COD CU SURPLUS 3

0 00111 01002 01013 01104 01115 10006 10017 10108 10119 110014 0100 011127 0101 101038 0110 1011459 0111 1000 1100606 1001 0011 1001

SUTE ZECI UNITATIPage 2 of 15

Prin codificarea în acest cod, unui numar zecimal îi corespunde un sirde grupe de patru cifre binare (tetrade), care, la rândul lor corespund scrieriiîn sistemul binar a fiecarei cifre zecimale care formeaza numarul respectiv.Ordinea tetradelor corespunde rangului cifrei corespunzatoare. În figura1.1.a este prezentat un exemplu de codificare a unui numar zecimal în cod8421, iar în figura 1.1.b este prezentat un exemplu de decodificare a unuinumar scris în codul 8421 si trecere a acestuia în forma sa zecimala.Este de subliniat faptul ca, în codul 8421 nu se utilizeaza niciodatatetradele urmatoare: 1010, 1011, 1100, 1101, 1110, 1111, deoarece elecorespund unor numere zecimale mai mari decât 9, deci nu pot reprezentacifre zecimale. Tabelul 1.3 prezinta echivalenta dintre primele 18 numerezecimale si cele în codul 8421.

NUMEREZECIMALE

NUMEREBINARE

NUMERE ÎNCOD 8421

NUMERE ÎNCOD GRAY

0 0000 0000 00001 0001 0001 00012 0010 0010 00113 0011 0011 00104 0100 0100 01105 0101 0101 01116 0110 0110 01017 0111 0111 01008 1000 1000 11009 1001 1001 110110 1010 0001 0000 111111 1011 0001 0001 111012 1100 0001 0010 101013 1101 0001 0011 101114 1110 0001 0100 100115 1111 0001 0101 100016 10000 0001 0110 1100017 10001 0001 0111 11001

Tabel 1.3 – Echivalenta numerelor zecimale cu cele exprimate în cod 8421 siîn cod Gray

1.1.2. Codul cu surplus (exces) de 3

Codul cu surplus de 3 este tot un cod din grupa codurilor binarzecimale,care se bazeaza pe faptul ca, fiecarei cifre zecimale din numarul ceurmeaza a fi codificat i se adauga valoarea 3, dupa care rezultatului i seasociaza numarul binar reprezentat printr-o tetrada, ca în cazul precedent. În

Page 3 of 15

tabelul 1.1 este prezentata echivalenta unor numerelor zecimale în codul cu surplus 3.1.1.2. Codul Gray

Particularitatea acestui cod consta în faptul ca, la trecerea de la unnumar zecimal la urmatorul, mai mare cu o unitate, echivalentul sau în codulGray se modifica doar prin schimbarea unei cifre binare.În tabelul 1.3 estedata echivalenta unor numere zecimale cu cele în cod Gray.

2. Codificatoare

Codificatorul este un circuit logic combinational folosit pentru atransforma un numar zecimal în numar codificat într-o forma în care sistemulelectronic digital îl poate utiliza, el fiind plasat la interfata între sistemulelectronic digital si utilizatorul uman, pentru adaptarea sistemelor denumeratie respective. Circuitele logice combinationale, CLC, sunt un caz particular al sistemelor secventiale finite sau al automatelor finite, numite automate de grad 0.Circuitele logice combinationale se caracterizeaza prin faptul ca variabilele de iesire sunt independente de timp si de starea interna, fiind determinate numai de variabilele de intrare (starea variabilelor de intrare la momentul considerat).Codificatorul este de fapt o matrice de circuite SAU.Schema bloc a unui astfel de codificator este prezentata în figura 2.1.a, înfigura 2.1.b fiind dat tabelul de adevar al circuitului. Pe baza acestuia, sepoate concepe schema logica (figura 2.1.c), precum si schema practica,cuprinzând si diode luminescente pentru afisarea în sistem binar a numaruluicodificat (figura 2.1.d).

Fig. 2. 1 – Codificator pentru codificarea numerelor zecimale în numere binare(cod 8421) (a), tabela sa de adevar (b), schema logica a codificatorului (c) si schemade realizare practica (d)

De obicei, intrarile sunt negate, deoarece activarea unei intrari (deexemplu, de la o tastatura) se face prin punerea la masa a ei.

Page 4 of 15

2.1. Dispozitive de afisare cu sapte segmente

Acestea reprezinta dispozitive de iesire frecvent utilizate pentrureprezentarea numerelor zecimale. Cele sapte segmente ale indicatorului,notate cu literele a, b, c, d, e, f, g (figura 2.2.a) permit, prin activarea doar aunora dintre ele, afisarea oricareia din cifrele zecimale (figura 2.2.b).Segmentele pot fi diode luminescente sau cristale lichide si se realizeazacompact, în carcase de diferite forme (figurile 2.2.c, d, e).În figura 2.2.g este prezentat un circuit de afisare cu diodeluminescente si modul de conectare a acestuia (figura 2.2.h), pornind de laschema de alimentare a unei diode luminescente (figura 2.2.f). În practica,în locul comutatoarelor din figura 2.2.h, se foloseste un circuit electronicnumit formator de afisare. De foarte multe ori, el este inclus în circuituldecodificatorului.

Fig. 2. 2 – Afisor cu sapte segmente: notarea segmentelor (a); tabelul segmenteloractivate pentru afisarea cifrelor zecimale (b); tipuri constructive de dispozitive deafisare (c, d, e); schema de alimentare a unei diode luminescente (f); afisor cu diodeluminescente cu anod comun (g); conectarea afisorului cu anod comun (h)

2.2. Decodificatoare

Decodificatorul (figura 2.3.a) este un circuit logic combinationalcare realizeaza functia inversa celei pe care o realizeaza codificatorul, adicatrecerea numerelor binare în forma lor zecimala. Aceste circuite sunt matricede circuite SI. În practica, datorita acelorasi motive ca si la codificatoare,iesirile sunt active la nivelul logic scazut (zero), prin utilizarea circuitelorlogice SI-NU.

Page 5 of 15

Circuitul cel mai utilizat ca decodificator este circuitul TTL de tip7447 (CDB 447), care este un decodificator-formator, el cuplându-se directcu un circuit de afisaj cu sapte segmente (figura 2.4).Numarul în cod 8421 care trebuie decodificat se aplica la intrarile D,C, B, A, semnalele pentru comanda afisorului cu 7 segmente fiind obtinute laiesirile a, b, c, d, e, f, g ale decodificatorului.

Fig. 2. 3 – Decodificator (a); decodificator-formator (b)

Circuitul mai dispune de înca trei intrari, cu urmatoarele functii:- intrarea de stingere (BI); când la aceasta se aplica semnal de nivel scazut,la toate iesirile apare semnal de nivel înalt, care asigura stingerea tuturorsegmentelor, indiferent de semnalele de la celelalte intrari;- intrarea de stingere succesiva (RBI); când la aceasta se aplica semnal denivel scazut, intrarea LT fiind în stare de nivel înalt, iar intrarile A, B, Csi D la nivel scazut, toate iesirile de segmente se decupleaza, determinândstingerea tuturor segmentelor;- intrarea LT; când la aceasta intrare se aplica semnal logic 0 si intrarile BIsi RBI sunt cuplate la nivel logic 1, la iesiri apare semnal logic 0.

Fig. 2. 4 – Decodificator-formator cu circuit 7447 (a) ; cuplarea decodificatoruluila afisorul cu sapte segmente(b)

Schema principiala a circuitului 7447 este prezentata în figura 2.5.

Page 6 of 15

Fig. 2. 5 – Schema electronica a circuitului decodificator-formator 7447

În figura 2.6 este reprezentata schema de afisare pentru 6 cifre, încare se arata utilizarea intrarii de stingere succesiva (RBI) pentru blocareanulurilor în rangurile superioare ale indicatorului cu ranguri multiple.

Page 7 of 15

Fig. 2. 6 – Utilizarea intrarii de stingere succesiva (RBI) pentru blocarearangurilor superioare

2.3 Afisoare cu cristale lichide

Dispozitivele de afisaj cu diode luminescente functioneaza prin emisiaunei radiatii în domeniul vizibil. Pe de alta parte, dispozitivele de afisare cucristale lichide nu emit radiatie luminoasa, ci doar actioneaza selectiv asuprafenomenelor de reflexie, absorbtie, dispersie si difuzie a luminii ambiante,motiv pentru care energia consumata în timpul functionarii este mai mica. Înfigura 2.7.a este prezentata constructia unui afisor cu cristale lichide cusapte segmente, în figura 2.7.b fiind prezentata cuplarea acestui afisor cu uncircuit decodificator-formator integrat de tip CMOS.Atunci când, la un segment oarecare al afisorului se aplica osuccesiune de impulsuri simetrice dreptunghiulare de frecventa joasa,segmentul respectiv îsi modifica aspectul si devine negru, în timp ce restulsuprafetei cristalului lichid ramâne de culoare deschisa (cenusiu-argintie).Pe placa inferioara a afisorului se aplica continuu impulsuri simetricedreptunghiulare cu frecventa de 30 Hz. Acelasi semnal se aplica si la una dincele doua intrari ale fiecarui circuit SAU-EXCLUSIV utilizate pentrucomanda afisorului

Page 8 of 15

Fig. 2. 7 – Constructia afisorului cu cristale lichide (a) si comanda acestuia cudecodificator-formator CMOS (b)

3. Numaratoare

Majoritatea sistemelor numerice contin circuite de numarare,destinatia acestora fiind determinarea unui numar de evenimente sau deintervale de timp. Ele sunt circuite logice secventiale care permit numararea impulsurilor aplicate la intrare si memorarea lor. Circuitele logice secventiale sunt circuite de comutare la care starea externa(iesirea), la un moment dat, depinde nu numai de starea intrarilor la momentul de timp considerat, ci si de starile anterioare ale acestuia. Din acest motiv circuitele logice secventiale(CLS) trebuie sa aiba memorie in care sa se pastreze informatia referitoare la evolutia lor anterioara. Definirea circuitelor logice secventiale se bazeaza pe introducerea conceptului de stare interna. Informatia pastrata in memorie si pe baza careia se cunoaste complet evolutia anterioara a circuitului se numeste stare interna a acestuia. Existenta starilor interne la aceste circuite, face ca evolutia lor in timp sa fie complet definita prin starile interne succesive in care circuitul se poate afla. Deasemenea, spre deosebire de circuitele logice combinationale, existenta starilor interne face ca timpul sa apara ca variabila explicita in functionarea acestor circuite.

Page 9 of 15

Ele pot fi utilizate si în altescopuri, cum ar fi divizarea de frecventa.

3.1. Numaratoare asincrone

Procedurile de numarare binara si zecimala si zecimala sunt ilustrateîn tabelul 3.1.Folosind numai 4 ranguri binare (D, C, B si A), se poate numara de la0000 pâna la 1111 în sistemul binar, adica de la 0 la 15 în sistemul zecimal.Coloana A a tabelului corespunde rangului cel mai putin semnificativ,coloana D corespunzând celui mai semnificativ rang. Un dispozitiv denumarare care numara de la 0 la 15 trebuie sa aiba 16 stari de iesire, elnumindu-se numarator cu 4 ranguri. Schema functionala a unui numarator cu4 ranguri, alcatuit din patru circuite basculante bistabile JK este prezentata înfigura 3.2.a. În momentul initial, starea iesirilor numaratorului corespundenumarului binar 0000 (numaratorul este sters – CLEAR). La aplicareaimpulsului de tact 1 la intrarea de sincronizare (CLK) a triggerului T1, acestabasculeaza (pe caderea impulsului) si la iesirea numaratorului apare numarulbinar 0001. Al doilea impuls de tact basculeaza triggerul T1 în starea sainitiala (Q = 0), ceea ce, la rândul sau, determina bascularea triggerului T2 înstarea Q = 1. La iesirea numaratorului apare numarul binar 0010.Numaratoarea continua în acest fel, caderea fiecarui impulsdeterminând bascularea triggerului T1, T2 basculeaza de doua ori mai rar (odata la doua impulsuri) si asa mai departe.

Page 10 of 15

Tabel 3.1 –Succesiunea de numarare pentru numaratorul cu 4 ranguri

Fig. 3. 2 – Numarator cu 4 ranguri: schema logica (a) si diagramele de timpale semnalelor (b)

Diagramele de timp din figura 3.2.b ilustreaza si ele functionareanumaratorului la numararea primelor 10 impulsuri.Deoarece fiecare trigger nu poate actiona direct decât asupra celuiurmator (de rang imediat superior), pentru bascularea tuturor triggerilor,adica pentru parcurgerea unui ciclu de numarare este necesar un anumitinterval de timp.

Page 11 of 15

Fig. 3. 3 – Schema numaratorului asincron decadic

Un alt numarator asincron numaratorul decadic, construit pe bazaschemei anterioare, este cel din figura 3.3, unde, în plus, este adaugat uncircuit SI-NU cu rol de stergere, adica de setare în stare 0 a tuturor triggerilorîn momentul sosirii celui de-al zecelea impuls. Acest lucru se face tinândcont ca numarul 10 în forma binara este 1010, deci numai rangurile 1 si 3trebuie setate în 0, celelalte fiind deja în aceasta stare. În acest fel, numarareaîncepe din nou, ciclul repetându-se dupa fiecare10 impulsuri.

3.2. Numaratoare sincrone

Aceste numaratoare se folosesc pentru cresterea vitezei de numarare.Schema unui numarator sincron cu trei ranguri este prezentata în figura3.4.a. Daca se analizeaza schema legaturilor intrarilor de sincronizare aletriggerilor (CLK), se observa ca acestea sunt legate în paralel; impulsurile detact se aplica nemijlocit la intrarea de sincronizare a fiecarui trigger.Succesiunea de numarare într-un ciclu este prezentata în tabelul dinfigura 3.4.b. Coloana A a tabelului corespunde rangului binar 0 (rangulunitatilor), coloana B corespunde rangului zecilor si coloana C corespunderangului sutelor. Pe baza schemei din figura 3.4.a si a tabelului din figura3.4.b, se poate face analiza completa a unui ciclu de functionare anumaratorului sincron cu trei ranguri.

Page 12 of 15

Fig. 3. 4 – Numarator sincron cu trei ranguri: schema logica (a) si tabelulsuccesiunii de numarare (b)

3.3. Numaratoare inverse

Pâna acum s-au analizat asa-numitele numaratoare directe, sau deacumulare, care numara în sens crescator impulsurile de la intrare. Exista însasi situatii când este nevoie de o numarare în sens invers, descrescator, caz încare numaratorul se numeste numarator invers. Schema unui numaratorasincron invers cu trei ranguri este prezentata în figura 3.5.a, în tabelul dinfigura 3.5.b fiind prezentata succesiunea de numarare. Schemanumaratorului este asemanatoare cu cea a numaratorului direct din figura3.2, deosebirea constând numai în metoda de transfer al semnalului de latriggerul T1 sa T2 si de la acesta la T3. Intrarea de sincronizare (CLK) afiecarui trigger este legata la iesirea complementara (Q ) a triggeruluianterior.Înaintea începerii numararii, este necesar ca acesta sa fie presetat înstarea 111 (numarul zecimal 9), prin intermediul intrarii de preset (PS).

Page 13 of 15

Fig. 3. 5 – Numarator asincron invers cu 3 ranguri: schema (a) si succesiunea denumarare (b)

3.4. Numaratoare cu autooprire

Numaratorul invers prezentat în paragraful anterior este un numaratorciclic. Cu alte cuvinte, când acest numarator trece în starea 000, el începe dinnou numararea de la numarul binar 111 si asa mai departe. În unele cazuri,este necesar ca numaratoarea sa se opreasca atunci când s-a terminat seria denumarare.

Fig. 3. 6 – Numarator invers cu 3 ranguri cu autooprire

Schema unui astfel de numarator este prezentata în figura 3.6, eafiind obtinuta plecând de la schema din figura 3.5.a, la care se adauga uncircuit SAU cu 3 intrari, care stabileste valoarea 0 la intrarile triggerului T1

(cel din stânga) atunci când la iesirile C, B A ale numaratorului aparesemnalul 000. Acest numarator poate începe un nou ciclu de numarare numaidaca la intrarea de presetare se aplica nivelul logic 0.Utilizând un element logic sau o combinatie de mai multe astfel deelemente, se poate completa schema oricarui numarator, direct sau invers,pentru oprirea numararii acestuia.

Page 14 of 15

Bibliografie:

1. Lucian Balut – Circuite Electronice – Editura SIGMA TRADING METAFORA, Constanta 1999

2. Lucian Balut – Componente si Dispozitive Electronice – Editura LEDA, Constanta 1997

3. Lucian Balut – Device Modeling for Circuit Analysis – Editura MUNTENIA & LEDA, Constanta 2002

4. Teodor Maghiar, Mircea Calugareanu, Constantin Stanescu, Karoly Bondor – Electronica Industriala – Editura UNIVERSITATII DIN ORADEA, Oradea 2001

5. Festila L. – Electronica digitala II - Circuite Logice Secventiale – LITO UTCN, 1994

6. S. Pasca , N Tomescu, I. Sztojanov – Electronica Analogica si digitala (Vol I,II si III )

Page 15 of 15