Логічні елементи, що застосовуються в електронно-обчислювальній техніці (стр. 2 из 6)

Таблиця 2 - Таблиця істинності тактового D-тригера

D
0 0 1 1	0 1 0 1	0 0 1 1

Тут Q^t означає логічний рівень на прямому виході до подачі імпульсу синхронізації, a Q^t+1 - логічний рівень на цьому виході після подачі імпульсу синхронізації.

В такому тригері відбувається затримка сигналу на виході по відношенню до сигналу, поданого на вхід, під час паузи між синхросигналами. Для стійкої роботи тригера необхідно, щоб протягом синхроімпульса інформація на вході була незмінною.

Тактові D-тригери можуть бути з потенційним і динамічним управлінням. У перших з них інформація записується протягом часу, при якому рівень сигналу С=1. В тригерах з динамічним управлінням інформація записується тільки протягом перепаду напруги на вході синхронізації. Динамічні входи зображають на схемах трикутником. Якщо верхівка трикутника звернута в сторону мікросхеми, то тригер «спрацьовує» по фронту вхідного імпульсу, якщо від неї - по зрізу імпульсу. В такому тригері інформація на виході може бути затримана на один такт по відношенню до вхідної інформації.

Лічильний Т-тригер (рисунок 6). Його називають також тригером зі лічильним входом. Він має один вхід керування Т і два виходи Q і Q'. Інформація на виході такого тригера змінює свій знак на протилежний при кожному позитивному (або при кожному негативному) перепаді напруги на вході. В серії мікросхем, що випускаються, Т-тригерів, як правило, немає. Але тригер такого типу може бути створений на базі тактового D-тригера, якщо його інверсний вихід з'єднати з інформаційним входом. Як видно з діаграми, частота сигналу на виході Т-тригера в два разу нижче частоти сигналу на вході, тому такий тригер можна використовувати як подільник частоти і двійковий лічильник.

Рисунок 6 - Лічильний тригер

В серіях мікросхем, що випускаються, є також універсальні JK-тригери. При відповідному під'єднанні вхідної логіки JK-тригер може виконувати функції тригера будь-якого іншого типу.

Умовні графічні позначення тригерів на принципових схемах наведені на рисунку 7.

Рисунок 7 - Графічні позначення тригерів

3 РЕГІСТРИ

Кілька тригерів можна об'єднати в регістр - вузол для зберігання чисел з двійковим поданням цифр розрядів. Основними видами регістрів є паралельні і послідовні (зсувні).

В паралельному регістрі на тактових D-тригерах (рисунок 8) код числа, що запам‘ятовується, подається на інформаційні входи всіх тригерів і записується в регістр з приходом тактового імпульсу. Вихідна інформація змінюється з подачею нового вхідного слова і приходом наступного імпульсу запису. Такі регістри використовують в системах оперативної пам'яті. Число тригерів в них дорівнює максимальній розрядності слів, що зберігаються у ньому.

Схема послідовного регістра і часова діаграма, що ілюструє його роботу, наведені на рисунок 9. З приходом тактового імпульсу С перший тригер записує код Х (0 або 1), що знаходиться в цей момент на його вході D, а кожний наступний тригер перемикається в стан, в якому до цього знаходився попередній. Так відбувається тому, що сигнал, який записується, проходить із входу D тригера до виходу Q із затримкою, більшою тривалості фронту тактового імпульсу (протягомі якого відбувається запис). Кожний тактовий імпульс послідовно зсуває код числа у регістрі на один розряд. Тому для запису N-розрядного коду необхідно N тактових імпульсів. На діаграмі видно, що чотирирозрядне число 1011 було записане у відповідні розряди регістра (1 - Q4, 0 - Q3, 1 - Q2, 1 - Q1) після приходу четвертого тактового імпульсу. До приходу наступного тактового імпульсу це число зберігається в регістрі у виді паралельного коду на виході Q4-Q1. Якщо необхідно отримати інформацію, що зберігається у послідовному коді, то її знімають із виходу Q4 в моменти приходу наступних чотирьох імпульсів (5-9). Такий режим називається режимом послідовного зчитування.

Рисунок 8 - Паралельний регістр на тактових D-тригерах

Дуже зручні універсальні регістри, що дозволять здійснювати як послідовний, так і паралельний запис і зчитування. Такі регістри можна використовувати як перетворювачі паралельного коду в послідовний і навпаки. Наприклад, мікросхема К555ИР1 (рисунок 10) - чотирирозрядний універсальний зсувний регістр. Регістр працює в режимі зсуву по тактових імпульсах, що надходять на вхід С1, якщо на вході V2 є напруга низького рівня. Вхід V1 служить для введення інформації в перший розряд регістра в цьому режимі. Якщо ж на вході V2 напруга високого рівня, то регістр здійснює паралельний запис інформації із входів D1-D4 по імпульсах синхронізації, що надходять на вхід С2.

Рисунок 9 - Послідовний регістр

Рисунок 10 - Чотирирозрядний зсувний регістр

4 ЛІЧИЛЬНИКИ

Лічильником називають прилад, призначений для підрахунку числа імпульсів, поданих на вхід. Вони, як і зсувні регістри, складаються з ланцюжка тригерів. Розрядність лічильника, а отже, і число тригерів, визначається максимальним числом, до якого він рахує.

Регістр зсуву можна перетворити в кільцевий лічильник, якщо вихід останнього тригера з'єднати з входом D першого. Схема такого лічильника на N розрядів наведена на рисунку 11. Перед початком підрахунку імпульсом початкової установки в нульовий розряд лічильника (Q0) записується логічна 1, в інші розряди — логічні 0. З початком рахунку кожний з лічильних імпульсів Т, що приходять, перезаписує 1 в наступний тригер, і число імпульсів, що надійшли, визначається за номером виходу, на якому є 1. Передостанній (N-1) імпульс переведе в одиничний стан останній тригер, а N-ний імпульс перенесе цей стан на вихід нульового тригера, і підрахунок розпочнеться спочатку. Таким чином, можна побудувати кільцевий лічильник з довільним коефіцієнтом перерахунку (будь-якою основою числення), змінюючи лише число тригерів в ланцюжку.

Рисунок 11 - Кільцевий лічильник на регістрі зсуву

Недолік такого лічильника - велике число тригерів, необхідних для його побудови. Більш економічні, а тому і більш розповсюджені лічильники, які побудовані на лічильних Т-тригерах. Після кожного тактового імпульсу Т сигнал на вході D змінюється на протилежний і тому частота вихідних імпульсів вдвічі менша частоти імпульсів, що надходять. Зібравши послідовний ланцюжок з n лічильних тригерів (з'єднуючи вихід попереднього тригера із входом С наступного), ми отримаємо частоту

. При цьому кожний вхідний імпульс змінює код числа на виході лічильника на 1 в інтервалі від 0 до .

Мікросхема К555ИЕ5 (рисунок 12) містить лічильний тригер (вхід С1) і подільник на вісім (вхід С2), створений трьома з'єднаними послідовно тригерами. Тригери спрацьовують по зрізу вхідного імпульсу (по переходу з 1 в 0). Якщо з'єднати послідовно всі чотири тригери, то одержимо лічильник за модулем 2⁴=16. Максимальне число, що зберігається в лічильнику при повному заповненні його одиницями дорівнює N=2⁴-1=15=(1111)₂. Такий лічильник працює з коефіцієнтом рахунку К (модулем), кратним цілій степені 2, і в ньому відбувається циклічний перебір К=2ⁿ стійких станів. Лічильник має входи примусової установки в 0.

Рисунок 12 - Лічильник з коефіцієнтом перерахування 16 і його часова діаграма

Часто потрібні лічильники з числом стійких станів, відмінним від 2ⁿ. Наприклад, в електронних годинниках є мікросхеми з коефіцієнтом рахунку 6 (десятки хвилин), 10 (одиниці хвилин), 7 (дні тижня), 24 (години). Для побудови лічильника з модулем К ≠ 2ⁿ можна використати прилад з n тригерів, для якого виконується умова 2ⁿ>K. Очевидно, такий лічильник може мати зайві стійкі стани (2ⁿ-К). Виключити ці непотрібні стани можна використанням зворотних зв'язків, по колах яких лічильник перемикається в нульовий стан в тому такті роботи, коли він дораховує до числа К.

Для лічильника з К=10 потрібні чотири тригери (бо 2³<10<2⁴). Лічильник повинен мати десять стійких станів N=0, 1, ..., 8, 9. В тому такті, в якому він повинен був би перейти в одинадцятий стійкий стан (N=10), його необхідно перевести в вихідний нульовий стан. Для такого лічильника можна використати мікросхему К555ИЕ5 (рисунок 13), ввівши коло зворотного зв'язку з виходу лічильника, відповідних числу 10 (тобто 2 і 8), на входи установки лічильника в 0 (вхід R). В самому початку 11-го стану (число 10) на обох входах елемента і мікросхеми з'являються логічні одиниці (так звана «просічка» на виході «2»), що генерує сигнал переводу всіх тригерів лічильника в нульовий стан.

Рисунок 13 - Двійково-десятковий лічильник і часова діаграма його роботи

В усіх серіях цифрових мікросхем є лічильники з внутрішньою організацією найбільш «ходових» коефіцієнтів перерахування, наприклад в мікросхемах К555ИЕ2 і К555ИЕ6 К=10, в мікросхемі К555ИЕ4 К=2×б=12.