Logické úrovně, šumová imunita, větvení Střední odborná škola Otrokovice Logické úrovně, šumová imunita, větvení Autorem materiálu a všech jeho částí, není-li uvedeno jinak, je Ing. Miloš Zatloukal Dostupné z Metodického portálu www.rvp.cz, ISSN: 1802-4785, financovaného z ESF a státního rozpočtu ČR. Provozováno Výzkumným ústavem pedagogickým v Praze. www.zlinskedumy.cz

Charakteristika DUM 2 Název školy a adresa Střední odborná škola Otrokovice, tř. T. Bati 1266, 76502 Otrokovice Číslo projektu CZ.1.07/1.5.00/34.0445 /2 Autor Ing. Miloš Zatloukal Označení DUM VY_32_INOVACE_SOSOTR-PE-CT/1-EL-5/19 Název DUM Logické úrovně, šumová imunita, větvení Stupeň a typ vzdělávání Středoškolské vzdělávání Kód oboru RVP 26-41-L/52 Obor vzdělávání Provozní elektrotechnika Vyučovací předmět Číslicová technika Druh učebního materiálu Výukový materiál Cílová skupina Žák, 18 – 19 let Anotace Výukový materiál je určený k frontální výuce učitelem, případně jako materiál pro samostudium, nutno doplnit výkladem; náplň: vlastnosti logických obvodů – logické úrovně, šumová imunita, větvení. Vybavení, pomůcky Dataprojektor Klíčová slova Logický, člen, statický, dynamický, napájecí napětí, intervaly napětí, šumová imunita, větvení výstupů, logický zisk. Datum 2. 4. 2013

Logické úrovně, šumová imunita, větvení Obsah tématu Vlastnosti logických členů Napájecí napětí Napěťové intervaly logických úrovní Šumová imunita Větvení výstupu CMOS logické členy

Vlastnosti logických členů - jednu skupinu logických členů tvoří obvody elektrické - tedy takové, ve kterých se jako 2 základní veličiny používají elektrické napětí a elektrický proud - tyto elektrické veličiny mohou mít různou charakteristickou velikost - chování logických obvodů popisují jejich parametry Dělí se na - statické - dynamické Základní statické parametry: - napájecí napětí - intervaly napětí pro logické úrovně - šumová imunita - větvení výstupů Základní dynamické parametry: - náběh a doběh impulzu - zpoždění signálu průchodem logickým členem - pracovní frekvence - spotřeba elektrické energie

Vlastnosti logických členů Napájecí napětí - značí se Ucc - velmi důležitá veličina, odvozují se z ní: - intervaly logických úrovní (napětí odpovídající úrovním logické nuly a jedničky) - šumová imunita (odolnost obvodu proti rušivému signálu na jeho vstupu) - použitelnost pro mobilní přístroje (bateriově napájené) - výrobce obvodu definuje povolené meze napájecího napětí nutného pro správnou činnost obvodu (minimální a maximální hodnotu) Příklady TTL: řada 74xxx Ucc = +5V ± 5% tj. od 4,75 V do 5,25 V řada 84xxx Ucc = +5V ± 5% tj. od 4,75 V do 5,25 V řada 54xxx Ucc = +5V ± 10% tj. od 4,50 V do 5,50 V CMOS: Ucc = 3 až 18 V HCMOS: Ucc = 2 až 6 V

Vlastnosti logických členů Napěťové intervaly logických úrovní - logické obvody mají vždy definované určité rozmezí hodnot napětí - pro logickou 0 - pro logickou 1 - není to přesně jedna hodnota napětí – např. 4,00 V (pro log. 1) - jde o interval (rozmezí) číselných hodnot ve tvaru od: xxx, do: yyy - tato tolerance hodnot je velmi důležitá, aby se logické obvody mohly vůbec vzájemně propojovat - různé technologie a v jejich rámci i různé řady mohou mít různé napěťové rozlišení pro logickou nulu a jedničku - z důvodu požadavku na propojování logických členů se sleduje, zda je daná napěťová úroveň na - vstupu obvodu - výstupu obvodu

Vstup Napětí [V] Výstup Napěťové intervaly pro vstup a výstup TTL obvodů Logická úroveň Vstup Napětí [V] Výstup 0 – L (Low) UIL ≤ 0,8 U0L ≤ 0,4 1 – H (High) UIH ≥ 2 U0H ≥ 2,4 Význam jednotlivých katalogových značek: UIH - vstupní napětí v logické 1 (Input High) UIL - vstupní napětí v logické 0 (Input Low) UOH - výstupní napětí v logické 1 (Output High) UOL - výstupní napětí v logické 0 (Output Low) Tolerance hodnot vstupních a výstupních úrovní obvodu TTL jsou uvedeny na obrázku.

Napěťové intervaly pro výstup a vstup TTL obvodů Obr. 1

Šumová imunita – odstup poruch od signálu - je to odolnost dané technologie proti parazitnímu rušení, které by mohlo způsobit nechtěnou změnu na výstupu (tedy nevyvolanou změnou vstupu) - jde o přesah tolerančních pásem mezi hraničním napětím pro vstup a výstup - zvolené napěťové úrovně zabezpečují činnost systému proti náhodným poruchám tím, že napětí na výstupu musí být vždy - o 0,4 V vyšší pro log 1 a - o 0,4 V nižší pro log 0 než je mez určující spolehlivou činnost obvodu na jeho vstupu - jde o údaje velmi nízké (max. bezpečnost proti rušivému signálu) - protože je typická hodnota výstupního napětí pro logickou 1 asi 3,4 V a pro logickou 0 asi 0,2 V (pak vychází šumová imunita pro log. 1 asi 2 V a pro log. 0 asi 1,2 V) - výrobci s rezervou udávají 0,9 V - v praxi se uvedené hodnoty mohou překročit v případě, že rušivý signál je dostatečně krátký, takže logický obvod na něj nestačí zareagovat

Šumová imunita – výpočet pro TTL v tabulce Logická Vzorec Výpočet Výsledek Teoretická 1 UOH – UIH 2,4 V – 2,0 V 0,4 V UIL – UOL 0,8 V – 0,4 V V praxi dosahovaná 3,4 V – 1,2 V 2,2 V 1,4 V – 0,2 V 1,2 V

Větvení výstupu - jde o základní požadavek na logické členy - je to možnost spolehlivého a snadného navazování (vstupů jednoho logických členů na výstupy jiného) - je přitom nutné aby jeden výstup nějakého členu byl schopen budit větší množství vstupů dalších členů Výstupní větvení – logický zisk - je to číslo, které určuje maximální počet vstupů stejné technologie, které můžeme zapojit na výstup logického členu při zachování logických úrovní - říká se mu také logický zisk nebo logická zatížitelnost, značí se N - logické obvody nelze přetěžovat nadměrným rozbočením jejich výstupů (jinak hrozí, že nebudou dodrženy napěťové intervaly pro logickou nulu a jedničku)

Větvení výstupu – tabulka Řada TTL - typ Větvení Standardní 10 LS a ALS 20 výkonové 30 Větvení výstupu – příklad Výstup logického členu NAND je rozbočen na 3 další vstupy (členů XOR, NOT a OR) Obr. 2

Vstup Napětí [V] Výstup CMOS logické členy Srovnání s TTL - napájecí napětí Ucc: od +3 V do + 18 V z něj se pak odvozují - napěťové intervaly logických úrovní Napěťové intervaly pro vstup a výstup CMOS obvodů Logická úroveň Vstup Napětí [V] Výstup 0 – L (Low) UIL = 30% UCC U0L < 0,05V 1 – H (High) UIH = 70% UCC U0H = UCC – 0,05V

CMOS logické členy Napěťové úrovně pro řadu CMOS 4xxxx Signál Ucc [V] 5 10 15 UIL ≤ 1,5 ≤ 3 ≤ 4,5 UIH ≥ 3,5 ≥ 7 ≥ 10,5 UOL ≤ 0 UOH ≈5 ≈10 ≈15 vše ve voltech, ≈ … téměř, nepatrně menší, I = Input, O = Output L = nízká úroveň (log. nula), H = vysoká úroveň (log. jedna)

CMOS logické členy Srovnání s TTL – pokračování Z napájecího napětí Ucc (od +3 V do + 18 V) se dále odvozuje - šumová imunita – vychází v závislosti na Ucc poměrně vysoká - u CMOS (řada 4xxx) – přibližně 40 % Ucc - u HCMOS – přibližně 30% Ucc (nejlépe vychází u CMOS obvodů s Ucc = 15 V) - větvení výstupu – uvádí se 50 až 100 (ale pozor, při vysokých pracovních frekvencích a Ucc = 10 V je větvení jen 10) - rozsah pracovních teplot – podle typu pouzdra - plastové (40 až 85 °C) - keramické (55 až 125 °C)

Kontrolní otázky 1. Největší toleranci napájecího napětí (a zároveň nejširší rozsah pracovních teplot) má TTL řada 54xxx 74xxx 84xxx 2. Nejširší zakázané pásmo pro TTL obvody je u výstupu a jeho šířka činí 1,2 V 1,5 V 2,0 V 3. Výstupní větvení je Schopnost logického obvodu signálově napájet více než 1 další vstup Možnost spojit více výstupů do 1 uzlu Nezávislé na možnostech obvodu poskytovat na výstupu dostatečně velký proud

Kontrolní otázky – správné odpovědi červené 1. Největší toleranci napájecího napětí (a zároveň nejširší rozsah pracovních teplot) má TTL řada 54xxx 74xxx 84xxx 2. Nejširší zakázané pásmo pro TTL obvody je u výstupu a jeho šířka činí 1,2 V 1,5 V 2,0 V 3. Výstupní větvení je Schopnost logického obvodu signálově napájet více než 1 další vstup Možnost spojit více výstupů do 1 uzlu Nezávislé na možnostech obvodu poskytovat na výstupu dostatečně velký proud

Seznam obrázků: Obr. 1: vlastní, Napěťové úrovně pro výstup a vstup TTL obvodů Obr. 2: vlastní, Větvení výstupu – příklad

Seznam použité literatury: [1] Matoušek, D.: Číslicová technika, BEN, Praha, 2001, ISBN 80-7232-206-0 [2] Blatný, J., Krištoufek, K., Pokorný, Z., Kolenička, J.: Číslicové počítače, SNTL, Praha, 1982 [3] Kesl, J.: Elektronika III – Číslicová technika, BEN, Praha, 2003, ISBN 80-7300-075-X

Děkuji za pozornost 