Ψηφιακό buffer - Εργασία, Ορισμός, Πίνακας αλήθειας, Διπλή αντιστροφή, Ανεμιστήρας

Ένα buffer stage βασικά ένα ενισχυμένο ενδιάμεσο στάδιο που επιτρέπει στο ρεύμα εισόδου να φτάσει στην έξοδο χωρίς να επηρεαστεί από τη φόρτωση εξόδου.

Σε αυτήν την ανάρτηση θα προσπαθήσουμε να καταλάβουμε τι είναι τα ψηφιακά buffer και θα ρίξουμε μια ματιά στον ορισμό, το σύμβολο, τον πίνακα αλήθειας, τη διπλή αναστροφή χρησιμοποιώντας τη λογική πύλη 'ΟΧΙ', τον ανεμιστήρα ψηφιακού buffer out, τον τρι-κατάλογο buffer, ισοδύναμο διακόπτη τρισδιάστατης μνήμης, Ενεργό buffer τριών καταστάσεων 'HIGH', Ενεργό buffer τριών καταστάσεων αντιστροφής 'HIGH', Ενεργό buffer κατάστασης τριών καταστάσεων 'LOW', Ενεργό 'LOW' αναστροφή buffer τριών καταστάσεων, έλεγχος buffer τρισδιάστατης κατάστασης , έλεγχος διαύλου δεδομένων buffer tri-state και τέλος θα ρίξουμε μια επισκόπηση σχετικά με τα κοινά διαθέσιμα ψηφιακά buffer και IC buffer buffer.

Σε μια από τις προηγούμενες δημοσιεύσεις μάθαμε για τη λογική πύλη «ΟΧΙ» που ονομάζεται επίσης ψηφιακός μετατροπέας. Σε μια πύλη NOT η έξοδος είναι πάντα συμπληρωματική της εισόδου.

Έτσι, εάν η είσοδος είναι 'ΥΨΗΛΗ' η έξοδος γυρίζει 'ΧΑΜΗΛΗ', εάν η είσοδος είναι 'ΧΑΜΗΛΗ' η έξοδος γυρίζει 'ΥΨΗΛΗ', οπότε αυτό ονομάζεται μετατροπέας.

Θα μπορούσε να υπάρξει μια κατάσταση όπου η έξοδος πρέπει να διαχωριστεί ή να απομονωθεί από την είσοδο, ή σε περιπτώσεις όπου η είσοδος μπορεί να είναι αρκετά αδύναμη και πρέπει να οδηγήσει φορτία που απαιτούν υψηλότερο ρεύμα χωρίς αναστροφή της πολικότητας του σήματος χρησιμοποιώντας ένα ρελέ, ή τρανζίστορ κλπ. Σε τέτοιες περιπτώσεις τα ψηφιακά buffer καθίστανται χρήσιμα και εφαρμόζονται αποτελεσματικά ως buffer μεταξύ της πηγής σήματος και του πραγματικού σταδίου του προγράμματος οδήγησης φορτίου.

Τέτοιος λογικές πύλες η οποία μπορεί να παρέχει έξοδο σήματος όπως η είσοδος και να ενεργεί ως ενδιάμεσο στάδιο buffer ονομάζεται ψηφιακό buffer.

Ένα ψηφιακό buffer δεν εκτελεί καμία αντιστροφή του τροφοδοτικού σήματος και δεν είναι ούτε συσκευή «λήψης αποφάσεων», όπως η λογική πύλη «ΟΧΙ», αλλά δίνει την ίδια έξοδο με την είσοδο.

Απεικόνιση του ψηφιακού buffer:

Το παραπάνω σύμβολο είναι παρόμοιο με τη λογική πύλη «ΟΧΙ» χωρίς το «o» στην άκρη του τριγώνου, πράγμα που σημαίνει ότι δεν εκτελεί καμία αντιστροφή.

Η εξίσωση Boolean για το ψηφιακό buffer είναι Y = A.

Το 'Y' είναι η είσοδος και η έξοδος 'A'.

Πίνακας αλήθειας:

Διπλή αναστροφή χρησιμοποιώντας λογικές πύλες 'NOT':

Ένα ψηφιακό buffer μπορεί να κατασκευαστεί χρησιμοποιώντας δύο λογικές πύλες 'NOT' με τον ακόλουθο τρόπο:

Το σήμα εισόδου αναστρέφεται πρώτα από την πρώτη πύλη NOT στην αριστερή πλευρά και το ανεστραμμένο σήμα στη συνέχεια αναστρέφεται περαιτέρω από την επόμενη πύλη 'NOT' στη δεξιά πλευρά, γεγονός που καθιστά την έξοδο ίδια με την είσοδο.

Γιατί χρησιμοποιούνται ψηφιακά buffer

Τώρα μπορεί να ξύσετε το κεφάλι σας γιατί υπάρχει ακόμη και το ψηφιακό buffer, δεν κάνει καμία λειτουργία όπως άλλες πύλες λογικής, θα μπορούσαμε απλώς να ρίξουμε το ψηφιακό buffer από ένα κύκλωμα και να συνδέσουμε ένα κομμάτι σύρματος ……. Σωστά; Βασικά, όχι ακριβώς.

Εδώ είναι η απάντηση : Μια πύλη λογικής δεν απαιτεί υψηλό ρεύμα για την εκτέλεση οποιωνδήποτε λειτουργιών. Απαιτεί απλώς ένα επίπεδο τάσης (5V ή 0V) με χαμηλό ρεύμα.

Όλοι οι τύποι λογικών πυλών υποστηρίζουν κυρίως έναν ενσωματωμένο ενισχυτή, έτσι ώστε η έξοδος να μην εξαρτάται από σήματα εισόδου. Αν ακολουθήσουμε δύο λογικές πύλες 'NOT' στη σειρά, έχουμε την ίδια πολικότητα σήματος με την είσοδο στον πείρο εξόδου, αλλά, με σχετικά υψηλότερο ρεύμα. Με άλλα λόγια, το ψηφιακό buffer λειτουργεί σαν ψηφιακός ενισχυτής.

Ένα ψηφιακό buffer μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως στάδιο απομόνωσης μεταξύ των σταδίων της γεννήτριας σήματος και των σταδίων του οδηγού, επίσης βοηθά στην αποτροπή της αντίστασης που επηρεάζει το ένα κύκλωμα από το άλλο.

Ένα ψηφιακό buffer μπορεί να παρέχει υψηλότερη ικανότητα ρεύματος που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την οδήγηση των τρανζίστορ εναλλαγής πιο αποτελεσματικά.

Το ψηφιακό buffer παρέχει υψηλότερη ενίσχυση που ονομάζεται επίσης δυνατότητα “fan-out”.

Δυνατότητα ψηφιακού buffer fan-out:

ΑΓΑΠΗΜΕΝΑ : Ο ανεμιστήρας μπορεί να οριστεί ως ο αριθμός των λογικών πυλών ή των ψηφιακών IC που μπορούν να οδηγηθούν παράλληλα από ένα ψηφιακό buffer (ή οποιοδήποτε ψηφιακό IC).

Ένα τυπικό ψηφιακό buffer έχει ανεμιστήρα 10, πράγμα που σημαίνει ότι το ψηφιακό buffer μπορεί να οδηγήσει 10 ψηφιακά IC παράλληλα.

ΑΓΑΠΗΜΕΝΟΣ : Το fan-in είναι ο αριθμός των ψηφιακών εισόδων που μπορούν να γίνουν αποδεκτές από την ψηφιακή πύλη λογικής ή το ψηφιακό IC.

Στο παραπάνω σχήμα το ψηφιακό buffer έχει ανεμιστήρα 1, που σημαίνει μία είσοδο. Η πύλη «2» εισόδου λογικής «AND» έχει ανεμιστήρα δύο και ούτω καθεξής.

Από το παραπάνω σχηματικό ένα buffer συνδέεται στις 3 εισόδους τριών διαφορετικών λογικών πυλών.

Αν συνδέσουμε απλώς ένα κομμάτι σύρματος στη θέση του buffer στο παραπάνω κύκλωμα, το σήμα εισόδου ενδέχεται να μην έχει επαρκές ρεύμα και να προκαλέσει πτώση τάσης σε όλες τις πύλες και ίσως να μην αναγνωρίζει καν το σήμα.

Συμπερασματικά, ένα ψηφιακό buffer χρησιμοποιείται για την ενίσχυση ενός ψηφιακού σήματος με υψηλότερη έξοδο ρεύματος.

Buffer τριών καταστάσεων

Τώρα ξέρουμε τι κάνει ένα ψηφιακό buffer και γιατί υπάρχει σε ηλεκτρονικά κυκλώματα. Αυτά τα buffer έχουν δύο καταστάσεις 'HIGH' και 'LOW'. Υπάρχει ένας άλλος τύπος buffer που ονομάζεται 'Tri-state buffer'.

Αυτό το buffer έχει ένα επιπλέον pin που ονομάζεται 'Enable pin'. Χρησιμοποιώντας τον ακροδέκτη ενεργοποίησης μπορούμε να συνδέσουμε ή να αποσυνδέσουμε την έξοδο από την είσοδο ηλεκτρονικά.

Όπως ένα κανονικό buffer, λειτουργεί ως ψηφιακός ενισχυτής και δίνει σήμα εξόδου ίδιο με το σήμα εισόδου, η μόνη διαφορά είναι ότι η έξοδος μπορεί να συνδεθεί ηλεκτρονικά και να αποσυνδεθεί από τον πείρο ενεργοποίησης.

Έτσι εισάγεται μια τρίτη κατάσταση, σε αυτήν την έξοδο δεν είναι ούτε «ΥΨΗΛΗ» ούτε «ΧΑΜΗΛΗ» αλλά μια κατάσταση ανοικτού κυκλώματος ή υψηλή αντίσταση στην έξοδο και δεν αποκρίνεται στα σήματα εισόδου. Αυτή η κατάσταση αναφέρεται ως 'HIGH-Z' ή 'HI-Z'.

Το παραπάνω είναι το ισοδύναμο κύκλωμα του buffer τριών καταστάσεων. Ο ακροδέκτης ενεργοποίησης μπορεί να συνδέσει ή να αποσυνδέσει την έξοδο από την είσοδο.

Υπάρχουν τέσσερις τύποι buffer Tri-state:
• Ενεργό buffer τριών καταστάσεων 'HIGH'
• Ενεργό buffer “LOW” Tri-state
• Ενεργό buffer τριών καταστάσεων 'HIGH' αντιστροφής
• Ενεργό 'LOW' αναστροφή buffer τριών καταστάσεων
Ας δούμε το καθένα διαδοχικά.

Ενεργό buffer τριών καταστάσεων 'HIGH'

Στο ενεργό buffer tri-state 'HIGH' (για παράδειγμα: 74LS241) ο πείρος εξόδου συνδέεται με τον πείρο εισόδου όταν εφαρμόζουμε 'HIGH' ή '1' ή θετικό σήμα στον ακροδέκτη ενεργοποίησης.

Εάν εφαρμόσουμε 'LOW' ή '0' ή αρνητικό σήμα στον ακροδέκτη ενεργοποίησης, η έξοδος αποσυνδέεται από την είσοδο και μεταβαίνει στην κατάσταση 'HI-Z' όπου η έξοδος δεν θα ανταποκριθεί στην είσοδο και η έξοδος θα είναι σε κατάσταση ανοικτού κυκλώματος.

Ενεργό buffer τριών καταστάσεων 'LOW'

Εδώ η έξοδος θα συνδεθεί με την είσοδο όταν εφαρμόζουμε 'LOW' ή '0' ή αρνητικό σήμα στο pin ενεργοποίησης.
Εάν εφαρμόσουμε το 'ΥΨΗΛΟ' ή το '1' ή το θετικό σήμα για να ενεργοποιήσουμε τον πείρο, η έξοδος αποσυνδέεται από την είσοδο και η έξοδος θα είναι σε κατάσταση 'HI-Z' / κατάσταση ανοικτού κυκλώματος.

Πίνακας αλήθειας:

Ενεργό 'ΥΨΗΛΟ' αναστρέψιμο ρυθμιστικό τριών καταστάσεων

Στην ενεργή προσωρινή προσωρινή μνήμη αντιστροφής αναστροφής 'HIGH' (παράδειγμα: 74LS240), η πύλη ενεργεί ως λογική πύλη 'ΟΧΙ' αλλά, με τον πείρο ενεργοποίησης.

Εάν εφαρμόσουμε 'ΥΨΗΛΟ' ή '1' ή θετικό σήμα στην είσοδο ενεργοποίησης, η πύλη ενεργοποιείται και ενεργεί σαν μια κανονική πύλη λογικής 'ΟΧΙ' όπου η έξοδος της είναι αντιστροφή / συμπληρωματική της εισόδου.
Εάν εφαρμόσουμε 'LOW' ή '0' ή αρνητικό σήμα στον ακροδέκτη ενεργοποίησης, η έξοδος θα είναι σε κατάσταση 'HI-Z' ή ανοικτού κυκλώματος.

Πίνακας αλήθειας:

Ενεργό buffer 'LOW' αναστροφής τριών καταστάσεων:

Στην ενεργή προσωρινή μνήμη αντιστροφής αντιστροφής 'LOW', η πύλη ενεργεί ως λογική πύλη 'ΟΧΙ' αλλά, με την ενεργοποίηση του πείρου.

Εάν εφαρμόσουμε 'LOW' ή '0' ή αρνητικό σήμα για να ενεργοποιήσουμε το pin, η πύλη ενεργοποιείται και λειτουργεί σαν κανονική λογική πύλη 'NOT'.
Εάν εφαρμόσουμε το 'ΥΨΗΛΟ' ή το '1' ή το θετικό σήμα για να ενεργοποιήσουμε τον πείρο, ο πείρος εξόδου θα βρίσκεται στην κατάσταση 'HI-Z' / κατάσταση ανοικτού κυκλώματος.

Πίνακας αλήθειας:

Έλεγχος buffer τριών καταστάσεων:

Από τα παραπάνω είδαμε ότι ένα buffer μπορεί να παρέχει ψηφιακή ενίσχυση και τα buffer tri-state μπορούν να αποσυνδέσουν πλήρως την έξοδο από την είσοδο και να δώσουν κατάσταση ανοικτού κυκλώματος.

Σε αυτήν την ενότητα θα μάθουμε για την εφαρμογή του tri-state buffer και πώς χρησιμοποιείται σε ψηφιακά κυκλώματα για την αποτελεσματική διαχείριση της επικοινωνίας δεδομένων.

Στα ψηφιακά κυκλώματα μπορούμε να βρούμε ένα δίαυλο δεδομένων / καλώδια που μεταφέρουν δεδομένα, μεταφέρουν όλα τα είδη δεδομένων σε ένα μόνο δίαυλο για να μειώσουν τη συμφόρηση καλωδίωσης / να μειώσουν τα ίχνη PCB και επίσης να μειώσουν το κόστος κατασκευής.

Σε κάθε άκρο του διαύλου, συνδέονται πολλές λογικές συσκευές, μικροεπεξεργαστές και μικροελεγκτές, οι οποίοι προσπαθούν να επικοινωνούν μεταξύ τους ταυτόχρονα που δημιουργούν κάτι που ονομάζεται διαμάχη.

Η διαμάχη συμβαίνει σε ένα κύκλωμα όταν ορισμένες συσκευές σε ένα δίαυλο οδηγούν το 'HIGH' και μερικές συσκευές οδηγούν το 'LOW' ταυτόχρονα που προκαλεί βραχυκύκλωμα και προκαλεί ζημιά σε ένα κύκλωμα.

Το tri-state buffer μπορεί να αποφύγει τέτοια διαμάχη και να στέλνει και να λαμβάνει σωστά δεδομένα μέσω ενός διαύλου.

Το tri-state buffer χρησιμοποιείται για την απομόνωση λογικών συσκευών, μικροεπεξεργαστών και μικροελεγκτών μεταξύ τους σε ένα δίαυλο δεδομένων. Ένας αποκωδικοποιητής επιτρέπει μόνο ένα σύνολο buffer τριών καταστάσεων να μεταφέρει δεδομένα μέσω του διαύλου.

Πείτε εάν το σύνολο δεδομένων 'A' είναι συνδεδεμένο σε έναν μικροελεγκτή, το σύνολο δεδομένων 'B' σε έναν μικροεπεξεργαστή και το σύνολο δεδομένων 'C' σε ορισμένα λογικά κυκλώματα.

Στο παραπάνω σχήμα, όλα τα buffer είναι ενεργά buffer tri-state.

Όταν ο αποκωδικοποιητής ορίζει το ENA 'HIGH' το σύνολο δεδομένων 'A' είναι ενεργοποιημένο, τώρα ο μικροελεγκτής μπορεί να στείλει δεδομένα μέσω του διαύλου.

Τα υπόλοιπα δύο σύνολα δεδομένων 'B' και 'C' βρίσκονται σε κατάσταση 'HI-Z' ή πολύ υψηλής αντίστασης που απομονώνει ηλεκτρικά τον μικροεπεξεργαστή και τα λογικά κυκλώματα από το δίαυλο, το οποίο χρησιμοποιείται επί του παρόντος από τον μικροελεγκτή.

Όταν ο αποκωδικοποιητής ορίζει ENB 'HIGH' το σύνολο δεδομένων 'B' μπορεί να στείλει δεδομένα μέσω του διαύλου και τα υπόλοιπα σύνολα δεδομένων 'A' και 'C' απομονώνονται από το δίαυλο σε κατάσταση 'HI-Z'. Ομοίως, για το πότε είναι ενεργοποιημένο το σύνολο δεδομένων 'C'.

Ο δίαυλος δεδομένων χρησιμοποιείται από οποιονδήποτε από τα σύνολα δεδομένων 'A' ή 'B' ή 'C' σε μια δεδομένη στιγμή για να αποφευχθεί η διαμάχη.

Μπορούμε επίσης να δημιουργήσουμε αμφίδρομη (αμφίδρομη) επικοινωνία συνδέοντας δύο buffer τριών καταστάσεων παράλληλα και σε αντίθετη κατεύθυνση. Οι ακίδες ενεργοποίησης μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως έλεγχος κατεύθυνσης. Για τέτοιου είδους εφαρμογές μπορεί να χρησιμοποιηθεί το IC 74245.

Ακολουθεί η συνήθως διαθέσιμη λίστα ψηφιακών buffer και buffer Tri-state:

• 74LS07 Hex Μη αναστρέψιμος ρυθμιστής
• 74LS17 Hex Buffer / Driver
• 74LS244 Octal Buffer / Line Driver
• 74LS245 Octal Bi-directional Buffer
• CD4050 Hex Μη αναστρέψιμο ρυθμιστικό
• CD4503 Hex Tri-state Buffer
• HEF40244 Tri-state Octal Buffer

Αυτό ολοκληρώνει τη συζήτησή μας σχετικά με τον τρόπο λειτουργίας των ψηφιακών buffer και τις διάφορες ψηφιακές διαμορφώσεις τους, ελπίζω να σας βοήθησε να κατανοήσετε καλά τις λεπτομέρειες. Εάν έχετε περαιτέρω ερωτήσεις ή προτάσεις, εκφράστε τις ερωτήσεις σας στην ενότητα σχολίων για να λάβετε μια γρήγορη απάντηση.