Απόστολος  Κοσσίδας,

Παντελής  Χελιώτης

 

 

Σχεδίαση Ψηφιακών Κυκλωμάτων

Α΄   Έκδοση

 

 

Εκδότης: Μπένου Ε.

 

Μορφή: Μαλακό εξώφυλλο

 

Αριθμός σελίδων: 222

 

Κωδικός ISBN: 9603590231

 

Διαστάσεις: 24 × 17 εκ.

 

Κωδ. Εύδοξος: 2760

 

Έτος έκδοσης: 1996

 

 

 

 

 ► παρουσίαση

Το βιβλίο "Σχεδίαση Ψηφιακών Κυκλωμάτων" έχει σκοπό να καλύψει την ύλη του αντίστοιχου μαθήματος για τους σπουδαστές των ΤΕΙ, όπως αυτή προβλέπεται από το επίσημο αναλυτικό πρόγραμμα.

Κατεβλήθη προσπάθεια ώστε στην παρουσίαση της ύλης των διαφόρων κεφαλαίων να υπάρχει ευκρίνεια και σαφήνεια, χωρίς να υποβάλλεται ο ενδιαφερόμενος σε περιπολογίες. Το βιβλίο θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί και από άτομα που ενδιαφέρονται για λογική σχεδίαση ψηφιακών κυκλωμάτων διότι πιστεύουμε ότι, λόγω του εκπαιδευτικού τρόπου που έχει συνταχθεί, μπορεί να βοηθήσει γενικότερα στον επαγγελματικό - επιστημονικό χώρο.

Ορισμένα θέματα δεν έχουν αναπτυχθεί σε βάθος και τούτο διότι εκφεύγουν κάπως από την ύλη του προβλεπόμενου μαθήματος, θεωρήθηκε όμως σκόπιμο να αναφερθούν διότι δίδουν μια γενικότερη ανάπτυξη στο αντικείμενο των ψηφιακών συστημάτων.

Τα κεφάλαια Α΄ και Β΄ αναφέρονται στα αριθμητικά συστήματα, στους κώδικες και στις λογικές συναρτήσεις. Τα κεφάλαια Γ΄ και Δ΄ αναλύουν λεπτομερώς τα συνδυαστικά και ακολουθιακά κυκλώματα. Τα κεφάλαια Ε΄ και ΣΤ΄ πραγματεύονται τα κυκλώματα προσαρμογής που χρησιμοποιούνται για την σχεδίαση αναλογικών και ψηφιακών συστημάτων και τις προγραμματιζόμενες λογικές διατάξεις. Τέλος, στο κεφάλαιο Ζ΄ δίδονται οι εξελίξεις των ψηφιακών συστημάτων στον τομέα των ηλεκτρονικών υπολογιστών. Από τη θέση αυτή πρέπει να ευχαριστήσουμε τους συναδέλφους που μας παρότρυναν στη συγγραφή αυτού του βιβλίου και να επισημάνουμε ότι τυχόν παρατηρήσεις, υποδείξεις ή σχόλια είναι ευπρόσδεκτα και θα βοηθήσουν σε μελλοντική έκδοση. Επίσης, ευχαριστούμε την κ. Ελευθερία Κόντε για την επιμέλεια της παρούσης έκδοσης.

Αθήνα 1996

Α. Κοσσίδας Π. Χελιώτης

 

 ► περιεχόμενα

 

ΚΕΦΑΛΑΙΟ A'

ΑΡΙΘΜΗΤΙΚΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ - ΚΩΔΙΚΕΣ

1.1 ΓΕΝΙΚΑ  9

1.2  ΤΟ ΔΕΚΑΔΙΚΟ ΔΥΑΔΙΚΟ ΚΑΙ ΛΟΙΠΑ ΣΥΣΤΗΜΑΤΑ ΑΡΙΘΜΗΣΗΣ  9

1.3  ΜΕΤΑΤΡΟΠΗ ΕΝΟΣ ΑΡΙΘΜΟΥ ΑΠΟ ΕΝΑ ΣΥΣΤΗΜΑ ΑΡΙΘΜΗΣΗΣ ΣΕ ΑΛΛΟ  11

1.3.1 Μετατροπή από το δεκαδικό σύστημα σε όλα τα άλλα, όταν ο αριθμός είναι ακέραιος 11

1.3.2 Μετατροπή από το δεκαδικό σύστημα αρίθμησης σε όλα τα άλλα συστήματα αρίθμησης, όταν ο αριθμός είναι μικρότερος της μονάδας  14

1.3.3 Μετατροπή αριθμού από οποιοδήποτε σύστημα αρίθμησης στο δεκαδικό  15

1.3.4 Μετατροπή από οποιαδήποτε βάση αρίθμησης σε άλλη  15

1.4 ΠΡΑΞΕΙΣ ΣΤΟ ΔΥΑΔΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ ΑΡΙΘΜΗΣΗΣ  16

1.4.1 Πρόσθεση δυαδικών αριθμών  16

1.4.2 Αφαίρεση δυαδικών αριθμών  17

1.4.3 Πολλαπλασιασμός δυαδικών αριθμών  17

1.4.4 Διαίρεση δυαδικών αριθμών  18

1.5 ΣΥΜΠΛΗΡΩΜΑΤΑ ΑΡΙΘΜΟΥ ΒΑΣΗΣ β ΩΣ ΠΡΟΣ ΒΑΣΕΙΣ β-1 ΚΑΙ β  18

1.6 ΠΑΡΑΣΤΑΣΗ ΤΩΝ ΘΕΤΙΚΩΝ ΚΑΙ ΑΡΝΗΤΙΚΩΝ ΑΡΙΘΜΩΝ ΣΤΟ ΔΥΑΔΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ

ΑΡΙΘΜΗΣΗΣ  19

1.6.1  Παράσταση θετικών και αρνητικών δυαδικών αριθμών με συμπλήρωμα ως προς 1  20

1.6.2  Παράσταση θετικών και αρνητικών δυαδικών αριθμών με συμπλήρωμα ως προς 2  21

1.7  ΠΡΑΞΕΙΣ ΜΕ ΠΡΟΣΗΜΑΣΜΕΝΟΥΣ ΔΥΑΔΙΚΟΥΣ ΑΡΙΘΜΟΥΣ  21

1.8 ΚΩΔΙΚΟΠΟΙΗΣΗ ΑΡΙΘΜΩΝ ΜΕΣΩ ΤΟΥ ΔΥΑΔΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΑΡΙΘΜΗΣΗΣ   23

1.9 ΟΚΤΑΔΙΚΟΣ ΚΩΔΙΚΟΠΟΙΗΜΕΝΟΣ ΣΤΟ ΔΥΑΔΙΚΟ  23

1.10 ΔΕΚΑΕΞΑΔΙΚΟΣ ΚΩΔΙΚΟΠΟΙΗΜΕΝΟΣ ΣΤΟ ΔΥΑΔΙΚΟ  24

1.11 ΔΕΚΑΔΙΚΟΣ ΚΩΔΙΚΟΠΟΙΗΜΕΝΟΣ ΣΤΟ ΔΥΑΔΙΚΟ  25

1.11.1 Δυαδικός κώδικας (Binary code)  25

1.11.2 Κώδικας Aiken ή 2421  25

1.11.3 Κώδικας Excess three (Υπερβολής κατά τρία)  26

1.11.4 Κώδικας Gray  26

1.11.5 Δυπενταδικός και Δυδεκαδικός κώδικας  27

1.12 ΚΩΔΙΚΟΠΟΙΗΣΗ ΧΑΡΑΚΤΗΡΩΝ ΜΕΣΩ ΤΟΥ ΔΥΑΔΙΚΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΑΡΙΘΜΗΣΗΣ  27

1.12.1 Ασφάλεια κωδικοποίησης χαρακτήρων  31

1.12.2 Κώδικας HAMMING  33

1.13 ΑΣΚΗΣΕΙΣ - ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ  39

 

ΚΕΦΑΛΑΙΟ Β'

ΑΛΓΕΒΡΑ BOOLE ΚΑΙ ΕΛΑΧΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ ΛΟΓΙΚΩΝ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΩΝ

2.1 ΓΕΝΙΚΑ  41

2.2 ΠΑΡΑΣΤΑΣΗ ΤΩΝ ΜΕΤΑΒΛΗΤΩΝ ΤΗΣ ΑΛΓΕΒΡΑΣ TOY BOOLE ΚΑΙ ΠΡΑΞΕΙΣ ΜΕ ΑΥΤΕΣ  41

2.3 ΑΞΙΩΜΑΤΑ ΤΗΣ ΑΛΓΕΒΡΑΣ TOY BOOLE  42

2.4 ΘΕΩΡΗΜΑΤΑ ΤΗΣ ΑΛΓΕΒΡΑΣ TOY BOOLE  43

2.4.1 Θεώρημα 1°  44

2.4.2 Θεώρημα 2°  44

2.4.3 Θεώρημα 3°  44

2.4.5 Θεώρημα 5°  46

2.4.6 Θεώρημα 6°  46

2.4.7 Θεώρημα 7°  47

2.4.8 Θεώρημα 8°  47

2.5 ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΑΛΓΕΒΡΑΣ ΜΕ ΛΟΓΙΚΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ  48

2.6 ΛΟΓΙΚΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ΔΙΑΚΟΠΤΩΝ  49

2.7 ΑΝΑΛΥΣΗ ΕΝΟΣ ΛΟΓΙΚΟΥ ΚΥΚΛΩΜΑΤΟΣ ΜΕ ΔΙΑΚΟΠΤΕΣ  51

2.8 ΣΥΝΘΕΣΗ ΕΝΟΣ ΛΟΓΙΚΟΥ ΚΥΚΛΩΜΑΤΟΣ ΜΕ ΔΙΑΚΟΠΤΕΣ  53

2.9 ΜΕΘΟΔΟΙ ΕΛΑΧΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗΣ ΛΟΓΙΚΩΝ ΣΥΝΑΡΤΗΣΕΩΝ  54

2.9.1 Αλγεβρική ελαχιστοποίηση λογικών συναρτήσεων  54

2.9.2 Γραφική μέθοδος ελαχιστοποίησης  55

2.9.3 Μέθοδος ελαχιστοποίησης με τα διαγράμματα του Venn  57

2.9.4 Μέθοδοι ελαχιστοποίησης με τους χάρτες του Karnaugh  60

2.9.5 Αδιάφοροι όροι  66

2.10 ΑΣΚΗΣΕΙΣ - ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ  68

 

ΚΕΦΑΛΑΙΟ Γ’

ΛΟΓΙΚΕΣ ΠΥΛΕΣ - ΣΥΝΔΙΑΣΤΙΚΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ

3.1 ΓΕΝΙΚΑ  71

3.2 ΛΟΓΙΚΕΣ ΠΥΛΕΣ  71

3.2.1 Μετασχηματισμός από πύλες AND, OR, NOT σε πύλες NAND, NOR  74

3.3 ΠΡΑΚΤΙΚΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ΠΥΛΩΝ OR ΚΑΙ AND  75

3.4 ΠΡΑΚΤΙΚΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ΠΥΛΩΝ NOT  80

3.5 ΠΡΑΚΤΙΚΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ΠΥΛΩΝ NAND, NOR  82

3.5.1 Κυκλώματα NOR και NAND με διόδους και τρανζίστορ DTL (Diode Transistor Logic) 85

3.6 Η ΠΥΛΗ EXCLUSIVE OR  86

3.7 ΔΥΑΔΙΚΟΣ ΗΜΙΑΘΡΟΙΣΤΗΣ (HALF ADDER)  89

3.8 ΔΥΑΔΙΚΟΣ ΑΘΡΟΙΣΤΗΣ ΤΡΙΩΝ ΕΙΣΟΔΩΝ Ή ΠΛΗΡΗΣ ΑΘΡΟΙΣΤΗΣ (FULL ADDER)   90

3.9 ΔΥΑΔΙΚΟΣ ΑΘΡΟΙΣΤΗΣ ΣΕΙΡΑΣ (SERIAL FULL ADDER)  92

3.10 ΠΑΡΑΛΛΗΛΟΣ ΔΥΑΔΙΚΟΣ ΑΘΡΟΙΣΤΗΣ (PARALLEL FULL ADDER)  93

3.11 ΔΥΑΔΙΚΟΣ ΑΦΑΙΡΕΤΗΣ ΣΕΙΡΑΣ (SERIAL FULL - SUBTRACTOR)  95

3.12 ΚΩΔΙΚΟΠΟΙΗΤΕΣ - ΑΠΟΚΩΔΙΚΟΠΟΙΗΤΕΣ (ENCODERS-DECODERS)  97

3.13 ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ΜΕΤΑΤΡΟΠΗΣ ΚΩΔΙΚΩΝ  101

3.14 ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ΣΥΓΚΡΙΣΗΣ (COMPARATORS)  103

3.14.1 Δυαδικός συγκριτής σειράς (Serial binary Comparator) 103

3.14.2 Παράλληλος δυαδικός συγκριτής (Parallel binary Comparator) 106

3.15 ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ (INTEGRATED CIRCUITS) 106

3.15.1 Οικογένεια ολοκληρωμένων κυκλωμάτων T.T.L.  108

3.15.2  Οικογένεια ολοκληρωμένων κυκλωμάτων C.M.O.S. 110

3.15.2 Οικογένεια ολοκληρωμένων κυκλωμάτων E.C.L. 112

3.16 ΑΣΚΗΣΕΙΣ -ΕΡΩΤΉΣΕΙΣ 114

 

ΚΕΦΑΛΑΙΟ Δ'

ΛΟΓΙΚΑ ΑΚΟΛΟΥΘΙΑΚΑ ΚΥΚΛΏΜΑΤΑ

4.1 ΓΕΝΙΚΑ  117

4.1 ΚΥΚΛΏΜΑΤΑ ΠΟΛΥ ΔΟΝΗΤΏΝ  117

4.2.1 Πολυδονητής δύο καταστάσεων (Bistable multibrator ή FLIP-FLOP)  118

4.2.2 Πολυδονητής μιας κατάστασης (Monostable multivibrator)  120

4.2.2 Πολυδονητής μιας κατάστασης με πύλες  123

4.2.3 Ασταθής πολυδονητής (astable multivibrator)  124

4.2.4 Ασταθής πολυδονητής με πύλες  126

4.3 ΠΡΑΓΜΑΤΟΠΟΙΗΣΗ ΤΩΝ FLIP-FLOP ΜΕ ΠΥΛΕΣ ΛΟΓΙΚΗΣ  128

4.3.1 R-S FLIP-FLOP  129

4.3.2 J-K FLIP-FLOP  130

4.3.3 Ωρολογιακό J-K FLIP-FLOP (clocked J-K FLIP-FLOP)  132

4.3.4 T FLIP-FLOP  134

4.3.5 D FLIP-FLOP  I35

4.3.6 R-S-T FLIP-FLOP  136

4.4 KATΑΧΩΡΗΤΕΣ (REGISTERS)  137

4.5  KATΑΧΩΡΗΤΕΣ ΟΛΙΣΘΗΣΗΣ (SHIFT REGISTERS)  138

4.5.1 Ολισθητής με R-S FLIP-FLOP  139

4.6 ΑΠΑΡΙΘΜΗΤΕΣ  142

4.7 ΔΥΑΔΙΚΟΙ ΑΠΑΡΙΘΜΗΤΕΣ (BINARY COUNTERS)  142

4.7.1 Σύγχρονος δυαδικός απαριθμητής  147

4.8 ΑΠΑΡΙΘΜΗΤΕΣ ΑΝΑΔΡΑΣΗΣ  152

4.8.1.  Απαριθμητές ως προς μέτρο m (modulo m)  153

4.8.2 Απαριθμητής δακτυλίου  156

4.9 ΑΠΑΡΙΘΜΗΤΗΣ JOHNSON (Twisted Ring Counter)  157

4.10 ΓΕΝΝΗΤΡΙΑ ΨΕΥΔΟΤΥΧΑΙΩΝ ΔΥΑΔΙΚΩΝ ΑΡΙΘΜΩΝ  159

4.11 ΑΣΚΗΣΕΙΣ - ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ 160

 

ΚΕΦΑΛΑΙΟ Ε'

ΛΟΓΙΚΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ΠΡΟΣΑΡΜΟΓΗΣ

5.1 ΓΕΝΙΚA 161

5.2 ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ ΨΗΦΙΑΚΩΝ ΣΗΜΑΤΩΝ ΣΕ ΑΝΑΛΟΓΙΚΑ  161

5.2.1 Χρήση των μετατροπέων D/A για την περιστροφή αξόνων  164

5.3 ΜΕΤΑΤΡΟΠΕΙΣ ΑΝΑΛΟΓΙΚΩΝ ΣΗΜΑΤΩΝ ΣΕ ΨΗΦΙΑΚΑ ΣΗΜΑΤΑ  165

5.3.1 Μετατροπή της πληροφορίας γωνίας άξονα σε ψηφιακή πληροφορία  170

5.4 ΑΠΟΠΛΕΚΤΉΣ (Demultiplexer)  172

5.5 ΠΟΛΥΠΛΕΚΤΗΣ (Multiplexer)  174

5.6 ΑΠΟΜΟΝΩΤΕΣ (Buffers)  175

5.7 MODEM 176

5.7.1 Διαμόρφωση  177

5.8 ΑΣΚΗΣΕΙΣ - ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ  179

 

ΚΕΦΑΛΑΙΟ ΣΤ'

ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΖΟΜΕΝΕΣ ΛΟΓΙΚΕΣ ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ

6.1  ΓΕΝΙΚΑ  181

6.2 ΑΝΑΠΑΡΑΣΤΑΣΗ ΚΥΚΛΩΜΑΤΩΝ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΖΟΜΕΝΗΣ ΛΟΓΙΚΗΣ  181

6.2.1 Πλεονεκτήματα της πρoγραμματιζόμενης λογικής  183

6.3 ΣΤΟΙΧΕΙΑ ΠΡΟΓΡΑΜΜΑΤΙΖΟΜΕΝΗΣ ΛΟΓΙΚΗΣ  185

6.4 ΜΝΗΜΗ PROM 185

6.5 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ ΧΡΗΣΗΣ ΜΝΗΜΩΝ PROM  187

6.5.1 Σχεδίαση πυλών OR, EX-NOR  187

6.5.2 Σχεδίαση πλήρους αθροιστή  189

6.5.3 Αποκωδικοποιητής BCD σε δεκαδικό  190

6.6 ΠΡΟΓΡAMMATLZOMENOI ΛΟΓΙΚΟΙ ΠΙΝΑΚΕΣ PLA (PROGRAMMABLE LOGIC ARRAYS)  193

6.7 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ ME PLA  195

6.8 PAL (Programmable-Array Logic)  196

6.9 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑ ME PAL  199

6.10  ΣΥΓΚΡΙΣΗ ΜΕΤΑΞΥ PROM - PLA - PAL  200

6.11 ΑΣΚΗΣΕΙΣ - ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ  203

 

ΚΕΦΑΛΑΙΟ Z

Η ΕΞΕΛΙΞΗ ΤΩΝ ΨΗΦΙΑΚΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ

7.1 ΓΕΝΙΚΑ  205

7.2 ΟΡΓΑΝΩΣΗ ΕΝΟΣ ΨΗΦΙΑΚΟΥ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΗ  205

7.2.1 Σύνδεση των μονάδων του υπολογιστή  209

7.3 ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΕΣ Σ’ ΝΑ ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΟ ΚΥΚΛΩΜΑ (ΜΙΚΡΟΕΛΕΓΚΤΕΣ)  211

7.3.1 Δομικές μονάδες των μικροελεγκτών  212

7.4 ΠΑΡΑΛΛΗΛΗ ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΙΚΗ  214

7.5 ΑΣΚΗΣΕΙΣ - ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ  217

 

ΕΥΡΕΤΗΡΙΟ  219

ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ  221