数字系统设计
第2节 基于MIL符号的数字电路的标记
更新于2008-08-29 10:36:02

2.2.1MIL符号

要描述数字电路的逻辑功能,使用上述真值表,就可以完全表现。真值表虽然可以完全描述逻辑功能,但只用表不容易懂。另外,逻辑功能多少有些复杂时,真值表就非常大,不适合实际应用。因此,作为简单描述逻辑功能的一个方法,使用上述布尔代数可以表示逻辑式。另一个方法是下面要说明的采用MIL符号(Military Standard Specification,军用标准规格)方法。这种方法是用MIL符号组合所表示的电路元件,用电路图表示逻辑功能的方法。用电路图表示就可以直观地把握逻辑功能,可以说是一个非常有效的方法。
下面详细说明用MIL符号描述数字电路的方法。前面所说明的逻辑功能描述方法,在数字电路的设计上,通常各自并不是独立的。例如,为了要明确逻辑功能,要做真值表,要使用布尔代数,用数字表现。另外,包括由此得到的各功能,用MIL符号以电路图的形式表现整个功能时,就相互联接起来了。
数字元件的基本电路构成前一章已经讲过。将这些元件组合构成数字电路时,一个一个地描述元件内部的电路图,那么整个电路图就非常繁杂。实际上,每个逻辑功能将各元件IC化,内部的电路可以作为“黑匣子”进行处理。所以,一一描述各元件内部电路是没意义的。因此,作为程序块用符号描述单位的逻辑功能,电路图就简略化了,非常方便处理,也容易懂。
作为描述这样的数字元件的逻辑功能符号,美国军队制作的MIL符号被广泛使用。数字电路通常是相当复杂的电路,使用这种符号的电路图,不仅可以描述逻辑功能,在进行数字电路的设计、解析、诊断等方面,也担负着重要的作用。因此,为了描述正确的电路图,正确使用MIL符号非常重要。


2.2.2MIL符号的用法

如上所述,MIL符号表示数字元件的逻辑功能。但是,即使同一个数字元件,由于正/负逻辑的选择方法不同,也会有不同的逻辑功能。所以,即使同一元件,功能不同就要使用不同的MIL符号。另外,连接元件时的负载侧的正/负逻辑不同,功能也不同。在使用了MIL符号的电路图上,经常是没有充分考虑到这些方面而造成混乱。由此,可能造成由电路图解读逻辑功能的困难,或者难于理会电路工作的结构方式。本书将明确规定、说明MIL符号的用法,这个用法有些麻烦的地方,但是如果正确理解、使用,就会对数字电路的设计非常有帮助。画得正确的电路图,容易说明逻辑功能。
表2.7正逻辑和负逻辑
(a)正逻辑      (b)负逻辑
H→“1”                L→“1”
L→“0”                 H→“0”
在说明MIL符号之前,再一次说明正逻辑和负逻辑。正逻辑、负逻辑的H和L与“1”和“0”的对应如表2.7所示,数字电路里“1”特别称为有源(active),在MIL符号里将着重对这种有源状态即“1”来论述逻辑功能。因此,正逻辑是H为有源,负逻辑是L为有源。有源这个词的意思有细微差别,指“生活”、“活动”“活动着”,这里是指某元件的逻辑功能正在有效地工作。
图2.1所示为MIL符号。该图(a)表示放大器(amplifier)、图(b)表示AND、图(c)表示OR,该图(d)的标记放在其他符号的信号端使用,为低电平,意味着有源(事实上的负逻辑)。作为MIL符号的用法,重要的是上面这四种符号。该图(e)和图(f)符号以后说明。MIL符号是描述元件的逻辑功能的符号,原则上不写电源和接地终端。该图(b)、(c)输入端是按两个或者三个的情况画的。例如,三个输入端就像该图(g)画出的那样。四个以上输入端后面论述。
从图2.1(a)放大器的逻辑功能来看,考虑像图22上示意的四种形式,放大器上安装图21(d)的负逻辑符号于输入端和输出端上。物理上称图22(a)和(b)为缓冲器(buffer),或者缓冲放大器,图(c)和图(d)为反相器(inverter)或反相放大器(inverting amplifier)。图(a)和图(b)、图(c)和图(d)的符号是不同的,但却是同一元件。
让我们按顺序研究一下图22的四种符号的逻辑功能。研究逻辑功能时,首先研究符号的输入、输出各自是正逻辑(P),还是负逻辑(N)。如图23所示,就是研究图的四个符号的正/负逻辑。也就是说输入端子上没有标记,是正逻辑,附有标记是负逻辑。图(a)的缓冲器放大正逻辑的输入信号,作为正逻辑信号输出。图(b)是将负逻辑的输入信号作为负逻辑的信号输出。另一方面,图(c)扩大正逻辑的输入信号,作为负逻辑信号输出。图(d)则相反,将负逻辑的输入信号以正逻辑信号输出。这些元件的物理功能分别是:缓冲器输入是高电平时,输出高电平;输入低电平时,输出低电平。而反相器输入高电平时,输出低电平;输入低电平时,输出高电平。


图2.1MIL符号(尺寸为制图时的比例常数)

图2.2缓冲器和反相器((a)和(b)、(c)和(d)是同一元件)

图2.3缓冲器和反相器的输入、输出的正/负逻辑


但是在考虑数字元件的逻辑功能时,上述那样单独思考就不大有意义了。需要考虑在连接负载元件时,逻辑功能实质上是怎样的。在这种情况下,负载侧有主导权,元件的输出侧的正/负逻辑取决于负载的输入正/负逻辑。这样,才能使MIL符号的用法具有一致性。图2.3的四种符号上连接负载,研究它的输入、输出的正/负逻辑,将成为图24所示的八种信号。例如,图2.4(a)的元件输出侧,负载的输入端口没有标记,是正逻辑,图(e)则有标记是负逻辑。如上所述,MIL符号的输入侧逻辑取决于元件的输入正/负逻辑,输出侧受负载元件的输入正/负逻辑控制(参见图2.5)。


图2.4向缓冲器和反相器连接负载时的输入、输出的正/负逻辑

图2.5输入和输出的正/负逻辑的决定方法


研究一下图24各元件是实现怎样的逻辑功能的。首先图(a)的元件如图2.3(a)所示,是将正逻辑的输入信号原封不动地作为正逻辑信号输出。由于控制元件的输出侧的负载逻辑是正逻辑,而元件的输出要与其相同逻辑,所以作为正逻辑的输出信号被接收。如果使用有源这一词说明的话,就是元件的输入高电平时,为有源(=“1”),这时输出也是高电平,也为有源(=“1”)。表2.8(a)真值表表示了这个元件的逻辑功能,结果是逻辑上等于什么也没做,这个功能称为缓冲功能。
接着看图2.4(e),和图(a)一样,正逻辑原封不动地传递正逻辑信号。但控制输出侧的是负逻辑,逻辑反相接收,也就是说“1”的信号接收为“0”;“0”的信号接收为“1”。使用有源这句话说,就是元件输入是高电平时,为有源,这时输出是低电平,也为有源。这个真值表如表2.8(b)所列,为NOT功能。同样图2.4(b)是作为NOT功能、(f)是作为缓冲器功能被应用。
表2.8缓冲器功能、反相器功能、NOT功能的真值表
(a)缓冲器功能和反相器功能(X=A)
A          X
1          1
0          0
(b)NOT功能(X=A-)
A           X
1           0
0           1
与图2.3(c)一样,图2.4(c)是作为负逻辑信号,输出正逻辑的输入信号。而控制输出侧的是正逻辑,信号被反相接收。逻辑上是表2.8(b)的NOT功能。图(g)输出侧是负逻辑,输出就原封不动地被接收。因此,这个元件将正逻辑的输入信号转换成了负逻辑,其真值表和缓冲器一样,如表2.8(a)所示。这是正/负逻辑的转换,称为反相器功能。图2.4(d)则相反,是将负逻辑信号转换成正逻辑,也作为反相器使用。图(h)是作为NOT功能被使用。
如观察图2.4(d)、(g)就可了解的那样,以上情况,重要的是反相器的逻辑功能不仅限于NOT功能,也作为反相器功能被使用。倒是作为反相器功能被使用的更多,这并不言过其实。同样,缓冲器有时也作为NOT功能使用。
缓冲器与反相器作为三种逻辑功能被使用,图2.6予以概括。在与负载的连接点处,逻辑不相等时(图中式子≠的地方)为NOT功能。而缓冲器功能在逻辑上等于什么也没做,如果只考虑电路的逻辑功能是可以把它拿掉的。但在数字电路里,它在增加扇出数、信号整形、延迟等电气上发挥重要的作用。


图2.6取决于缓冲器和反相器使用方法的逻辑功能


控制元件输出侧的正/负逻辑取决于负载的输入端的正/负逻辑。而这也是电路的设计者为了设计方便所选择的。但为了使元件的逻辑功能易懂,原则上如图2.7所示,元件的输出端是正逻辑的话,负载的输入端就选择正逻辑;是负逻辑的话,就选择为负逻辑。但这只是原则,经常也会出现不一致的情况。如图2.8,当负逻辑的标记同类连接时,把这两个标记都去掉,元件逻辑功能也不改变。通常,把标记去掉后思考的话,容易理解其逻辑功能。


图2.7连接负载时正/负逻辑的选择方法

图2.8标记(N)同类结合时,就是省略标记,逻辑功能也不变(但在研究电路的电气特性时不能省略)


通过以上说明明确了解到,数字元件的物理功能用H、L给予;而逻辑功能用“1”、“0”表现,负载连接的不同,其功能也发生变化。这样,明确区别物理功能和逻辑功能是很重要的。
接着,我们思考一下图2.1(b)、(c)的AND、OR逻辑功能。当然AND、OR的逻辑功能同布尔代数上的逻辑积、逻辑和一样。假设输入信号为A、B,输出信号为X,其真值表如表2.9所列。因此,使用有源这个词表现的话,AND的功能就是只要“所有的输入信号有源时,输出信号都为有源”;而OR的功能是“输入信号至少有一个是有源时,输出信号就是有源”。
图2.1(b)、(c)的AND、OR同有放大器时一样,如果思考输入端、输出端子上附有标记的情况,如图2.9、图2.10所示,可以考虑6种标记法。原则上也可以考虑图2.9、图2.10(e)、(f),但是实际应用时问题较多(后面论述),所以将其排除。那么在此研究一下它们连接负载元件时各自的逻辑功能。


图2.9AND的符号

图2.10OR的符号

 

 

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