СИСТЕМЫ СЧИСЛЕНИЯ И ЦИФРОВЫЕ КОДЫ.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ЦИФРОВЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ МИКРОСХЕМАХ.

ЦИФРОВАЯ ТЕХНИКА.

Основным направлением развития систем управления станками является все возрастающее применение микроэлектронных устройств на основе цифровых интегральных микросхем (ИМС). Все современные устройства ЧПУ выпускаются с использованием в качестве элементной базы ИМС, а самые последние - на основе микропроцессоров. Это связано с такими достоинствами ИМС, как высокая надежность при широких функциональных возможностях, малые габаритные размеры и энергопотребление, сравнительно невысокая стоимость.

Огромные успехи, достигнутые интегральной полупроводниковой микроэлектронной технологией, позволили создать приборы, по всем параметрам превосходящие изделия сходного назначения, собранные наотдельных компонентах. Переход к интегральным микросхемам существенно изменил способы построения электронной аппаратуры, поскольку изделия микросхемотехники представляют собой законченные функциональные узлы, будь то логические элементы для выполнения простейших операций или процессоры вычислительных машин, состоящие из многих тысяч элементов.

Цифровые ИМС функционируют в ключевом режиме с двумя уровнями напряжений соответствующих логическим уровням следующим образом: за уровень логической единицы принимается уровень напряжения близкий к напряжению питания, за уровень логического нуля – потенциал близкий к нулевому.

В качестве активных элементов цифровых микросхем сейчас применяются два типа транзисторов: биполярные и полевые (униполярные). Цифровые микросхемы на биполярных и полевых транзисторах существенно различаются по многим показателям, и развитие их идет самостоятельными путями.

Способ соединения транзисторов между собой в пределах одного элемента определяет их логический базис или логику. Логический базис состоит из двух элементов: входная логика (организует логику работы ИМС) и выходной каскад (усиление – формирование выходных сигналов). Поэтому базовые элементы ИМС имеют двойное название, например, из логических интегральных схем на биполярных транзисторах в настоящее время наибольшее распространение имеют транзисторно-транзисторная логика (ТТЛ). Из новых направлений следует отметить инжекционно-интегральную логику (ИИЛ), на основе которой создаются микросхемы большой степени интеграции высокого быстродействия и малым потреблением энергии. Микросхемы на основе полевых транзисторов также широко используются в настоящее время. Наиболее распространены перспективные схемы, основанные на совместном включении пары транзисторов идентичных по параметрам, но с каналами разных видов проводимости, так называемые комплиментарные структуры (КМОП-структуры).

Показателем сложности микросхемы с точки зрения числа входящих в нее активных элементов служит степень интеграции. Степень интеграции интегральной микросхемы определяется по формуле: , где N - число элементов и компонентов, образующих данную микросхему. Значение К, полученное расчетным путем округляют до ближайшего большего целого числа. В настоящее время промышленным путем производятся микросхемы от 1-й степени интеграции (до 10 элементов включительно) до 5-й степени интеграции (микросхемы, содержащие от 10 000 до 100 000 элементов и компонентов).

На практике сложность микросхем часто оценивают качественными критериями: микросхемами малой степени интеграции (МИС) считают изделия, содержащие до 10 элементов, средней (СИС) - до 100, большой (БИС) - от 100 до 1000 и сверхбольшой (СБИС) - свыше тысячи элементов.

Для удобства разработчиков аппаратуры и по технологическим признакам цифровые интегральные схемы выпускают сериями. Серией называют совокупность микросхем различного функционального назначения, которые имеют согласованные электрические и временные параметры для совместного использования.

Микросхемы одной серии изготавливаются по единой технологии, и они имеют сходное конструктивное исполнение. В состав современных развитых серий входят десятки типов микросхем - от логических элементов до функционально законченных узлов: счетчиков, регистров, сумматоров, запоминающих устройств, арифметико-логических узлов, микропроцессоров и других. Каждая цифровая микросхема обладает не только переключательными, но и другими свойствами и оценивается рядом параметров, обусловленных внутренней структурой и конструктивным исполнением. Некоторые из этих параметров касаются конкретной микросхемы, другие характеризуют все изделия данной серии.

Оценивают микросхемы по следующим основным параметрам:

1. Б ы с т р о д е й с т в и е характеризуется максимальной частотой смены входных сигналов, при которой еще не нарушается нормальное функционирование. Это один из важнейших параметров, так как определяет время обработки информации.

2. К о э ф ф и ц и е н т р а з в е т в л е и и я по в ы х о д у (коэффициент нагрузки) Краз характеризует нагрузочную способность микросхемы. Этот параметр определяет максимальное число входов элементов данной серии, которым можно нагрузить выходы микросхемы без нарушения её нормального функционирования.

3. Коэффициент о б ъ е д и н е н и я по в х о д у определяет число логических входов, которые имеет микросхема. Для простейших логических элементов это число равноценных входов по И либо по ИЛИ. Логические элементы массового производства выпускаются с 2, 3, 4 и 8 входами. Когда возникает надобность в большем числе входов, применяют специальные микросхемы – расширители (экспандеры) либо используют несколько однотипных логических элементов, которые соединяют с учетом законов булевой алгебры.

Более сложные устройства содержат и другие входы: адресные, установочные, разрешающие, входы синхронизации и т. д. По отношение к предыдущим каскадам каждый такой вход обычно представляет такую же нагрузку, как и логические (информационные) входы.

4. П о м е х о у с т о й ч и в о с т ь или, как ее еще называют, шумовой иммунитет определяет допустимое напряжение помех на входах микросхемы и непосредственно связана с её передаточной характеристикой. В общем случае этот параметр оценивается по нескольким показателям. В зависимости от продолжительности помехи разделяют статическую и динамическую помехоустойчивость. Статическую помехоустойчивость связывают с помехами, длительность которых больше времени переходных процессов, а динамическую — с кратковременными помехами. Для обеихвидовпомехоустойчивости может учитываться воздействие напряжения низкого и высокого уровней.

Статическая помехоустойчивость служит основным показателем защищённости микросхем от помех.

Динамическая помехоустойчивость выше статической, так как при кратковременных помехах сказываются паразитные емкости и инерционные процессы в микросхеме. Динамическая помехоустойчивость в справочных данных не указывается, потому что зависит не только от типа микросхемы, и от условий ее работы.

Для представления чисел в цифровых устройствах широко используются различные системы счисления. В общем виде цифровой код можно представить следующим выражением:

N n = … + a2n2 + a1n1 + a0n0 + …,

где

n – основание системы,

а i – весовой коэффициент в i –том разряде кода ,

N – цифровой код в данной системе счисления.