Текст книги "Лекции по схемотехнике"

Автор книги: Автор Неизвестен

сообщить о нарушении

Текущая страница: 5 (всего у книги 7 страниц)

5.1.2 D-триггеры (триггеры задержки)

D-триггеры – это электронные устройства с двумя устойчивыми выходными состояниями и одним информационным входом D.

Характеристическое уравнение триггера: Q_n+1=D_n. Оно означает, что логический сигнал Q_n+1 повторяет значение сигнала, установленное на входе триггера в предшествующий момент времени.

Благодаря включению элемента D1 на входы RS-триггера поступают разнополярные сигналы (Рисунок 47,а), поэтому запрещённое состояние входных сигналов исключено  но время задержки распространения сигнала элемента D1 должно быть меньше, чем у элементов D2 и D3 (t_зд.р1<t_зд.р2=t_зд.р3).

В приведённой выше схеме D-триггера вследствие задержки распространения сигналов сигнал на выходе Q появляется с определённой задержкой, как показано на рисунке 47,б. Таким образом, в асинхронном D-триггере задержка определяется параметрами элементов схемы.

Условное графическое изображение асинхронного D-триггера приведено на рисунке 47,в.

Рисунок 47 Асинхронный D-триггер

Тактируемые D-триггеры. DV-триггеры

Тактируемый D-триггер состоит из ЯП и ЛУ на двух логических  элементах И-НЕ, как показано на рисунке 48,а. Триггер устанавливается в состояние Q_n+1=D_n только с приходом тактирующего импульса C=1, поэтому задержка тактируемого D-триггера определяется временем прихода тактового импульса. УГО тактируемого D-триггера приведено на рисунке 48,б.

Рисунок 48 Тактируемый D-триггер – а) и его УГО – б);

DV-триггер – в) и его УГО – г).

В схеме D-триггера часто параллельно входу C изготавливается ещё один вход V, как показано на рисунке 48,в. Такой триггер называется DV-триггером. При V=1 DV-триггер работает как обычный D-триггер, а при V=0 как бы защёлкивается и хранит ранее записанную информацию. Отсюда его второе название «триггер-защёлка», его УГО показано на рисунке 48,г.

D-триггер, тактируемый фронтом, построен по схеме «мастер-помощник» на двух триггерах D1 и D2, тактируемых импульсом и одном инверторе D3 (Рисунок 49,а). Такие схемы называются двухступенчатыми. Из схемы видно, что информационный вход D второго триггера соединён с выходом Q1, то есть триггеры по сигналу соединены последовательно. Инвертор является элементом развязки этих двух триггеров. Триггер D1 «мастер» тактируется прямым уровнем синхросигнала, а «помощник» D2-инверсным. При C=1 информация с входа D записывается на выход Q1, триггер D2 при этом закрыт. При переходе тактового сигнала C из 1 в 0 на тактовом входе триггера D2 формируется сигнал , триггер D2 открывается и записывает на основной выход Q информацию с выхода Q1. Таким образом, двухступенчатый триггер тактируется задним фронтом сигнала C, что и отмечается косой чертой на входе C УГО (Рисунок 49,б).

Рисунок 49 D-триггер, тактируемый фронтом, – а) и его УГО – б).

5.1.3 Триггер Т-типа (Счётный триггер)

Т-триггер или счётный триггер, имеет один счётный вход Т и два выхода (Рисунок 50,а). Функционирование триггера определяется уравнением:

Из уравнения следует, что Т-триггер каждый раз изменяет своё состояние на противоположное с приходом на счётный вход Т очередного тактирующего импульса длительностью t_и. Этому способствует наличие перекрёстных обратных связей с выходов триггера на входы элементов D1 и D2. Для надёжной работы триггера, с целью сохранения информации о предыдущем состоянии триггера в момент его переключения, в схему вводят элементы задержки, имеющие время задержки t_з>t_и.

Рисунок 50 Т-триггеры: – а) структурная схема, б) УГО TV-триггера,

в) Т-триггер на основе D-триггера.

По окончании действия тактирующего импульса.

Пусть в исходном состоянии Q=1. Сигнал T=1 откроет элемент D2, так как на втором входе D2 имеется сигнал лог «1» с выхода Q, а элемент D1 будет закрыт. Триггер переходит в состояние Q=0. Вентиль D2 остаётся открытым в течение времени  t_и, т.к. сигнал Q=1 будет задержан ЛЗ₁ на время τ_з>t_и. В то же время сигнал   не попадёт на вентиль D1 из-за временной задержки  ЛЗ₂. При  отсутствии элементов задержки возможно неоднократное переключение триггера при условии, если длительность импульса t_и значительно превышает время переключения триггера.

По окончании действия тактирующего импульса элементы D1 и D2 закроются, так как потенциал входа T=0. После чего на вход элемента D1 через ЛЗ₂ поступит сигнал . В результате с приходом второго импульса T=1 откроется элемент D1 и триггер переключится в состояние Q=1 и т. д.

Роль ЛЗ в Т-триггерах выполняют логические элементы с большим временем задержки t_зд.р или специальные компоненты электронных схем, например, диоды с накоплением заряда.

Кроме счётного входа Т-триггер может иметь вход разрешения V (Рисунок 50,б). Сигнал на этом входе разрешает (при V=1) или запрещает (при V=0) срабатывание триггера от поступающих на вход T сигналов. Т-триггеры, имеющие дополнительный вход V, называются TV-триггерами. Наличие входа V позволяет организовать счёт в заданном временном интервале, что существенно расширяет функциональные возможности Т-триггера.

Счётный Т-триггер может быть построен на основе D-триггера, соединив инверсный выход D-триггера со входом D, как показано на рисунке 50,в. В такой схеме каждый переход 1/0 на входе C будет приводить к переходу триггера в противоположное состояние. Например, если Q_n=1, то , и поэтому очередной тактовый импульс переведёт триггер в новое состояние, т.е. установит Q_n+1=D_n=0. Для правильной работы Т-триггера тактовый импульс должен быть коротким, а наличие элемента задержки ЛЗ ослабляет требование к длительности тактового импульса.

Таким образом, из рассмотрения принципа работы Т-триггера следует, что при Т=1 спадающий фронт сигнала на входе C переводит триггер в противоположное состояние. Частота изменения потенциала на выходе Т-триггера в два раза меньше частоты импульсов на входе C. Это свойство Т-триггеров позволяет строить на их основе двоичные счётчики. Поэтому эти триггеры и называют счётными.

5.1.4 JK-триггеры

JK-триггер – это схема с двумя устойчивыми выходными состояниями и двумя входами J и K (Рисунок 51.а). Подобно RS-триггеру, в JK-триггере входы J и K – это входы установки выхода Q триггера в состояние 1 или 0. Однако, в отличие от RS-триггера, в JK-триггере наличие J=K=1 приводит к переходу выхода Q триггера в противоположное состояние. Условие функционирования JK-триггера описывается функцией:

Рисунок 51 JK-триггеры: а) асинхронные; б) тактируемые фронтом.

Триггер JK-типа называют универсальным потому, что на его основе с помощью несложных коммутационных преобразований можно получить RS и Т-триггеры, а если между входами J и K включить инвертор, то получится схема D-триггера.

Недостатком этой схемы является зависимость работы схемы от длительности тактового импульса. Импульс должен быть коротким и должен закончиться до завершения процесса переключения триггера. Для ослабления требования к длительности тактового импульса в цепи обратных связей можно включить элементы задержки, как показано на рисунке 51,а пунктиром. Однако этот путь не всегда является целесообразным.

Разработаны и применяются в основном в интегральном исполнении JK-триггеры, тактируемые фронтом тактовых импульсов, которые не чувствительны к длительности тактовых импульсов.

JK-триггеры, тактируемые фронтом, строятся по схеме MS (master-slave то есть мастер-помощник). В схеме имеется два триггера: основной D1…D4, помощник D5…D8 и цепь, разделяющая их – D9 (Рисунок 51,б).

Триггер работает следующим образом. Пусть в исходном состоянии Q=0, а . При отсутствии тактового импульса (C=0), вентили D1 и D2 закрыты вне зависимости от  сигналов на остальных входах.

Пусть J=1, тогда с приходом тактового импульса C=1, D1 откроется, а D2 останется закрытым. Элементы D5 и D6 закроются сигналом   с выхода элемента D9. Сигнал лог. «0», снимаемый с открытого вентиля D1, записывает в основной триггер информацию, устанавливая его в состояние «1» (P=1, 

Несмотря на то, что на одном из входов D5 действует сигнал «1», а на одном из входов D6 – «0», они не изменят состояние вспомогательного триггера, так как на других входах элементов D5 и D6 действует сигнал лог. «0» с инвертора D9.

По окончании действия тактового импульса, появится сигнал лог. «1» на вторых входах вентилей D5, D6, а вентили D1 и D2 закроются. Так как основной триггер находится в состоянии «1», то откроется D5 и информация запишется во вспомогательный триггер (Q=1, ).

Совершенно аналогично сигнал «1», поданный на вход K, установит триггер в состояние «0».

Таким образом, в триггере данного типа изменение выходного сигнала происходит только в моменты, когда потенциал «C» переходит из «1» в «0». Поэтому говорят, что эти триггеры тактируются срезом (или фронтом) в отличие от триггеров, тактируемых потенциалом.

Условное графическое обозначение триггера приведено на рисунке 51,в.

Если соединить вместе входы J и K, то JK-триггер превратится в Т-триггер. Пусть триггер находится в исходном состоянии (). При подаче J=K=1 и C=1, вентиль D1 будет закрыт сигналом «0» с выхода . Так как открывается только вентиль D2, то триггер установится в нулевое состояние . При этом выходной потенциал Q=0 блокирует вентиль D2. Поэтому следующая комбинация J=K=1 и C=1 переводит триггер в состояние Q=1 и т.д.

5.1.5 Несимметричные триггеры

Несимметричный триггер (триггер Шмита) имеет два устойчивых состояния, однако, в отличие от симметричного триггера, нахождение его в том или ином устойчивом состоянии зависит от величины входного сигнала.

Несимметричный триггер на дискретных элементах состоит из двух транзисторов, в эмиттерную цепь которых включён резистор R_Э (Рисунок 52). При таком включении напряжение на базе транзистора VT1 зависит от значения коллекторного тока I_К2 транзистора VT2. В свою очередь, базовая цепь VT2 через делитель R1/R2 соединена с коллекторной цепью транзистора VT1. Эти цепи создают замкнутую петлю положительной обратной связи, которая, как и в симметричном триггере, обеспечивает быстрое переключение триггера Шмита из одного устойчивого состояния в другое, когда оба транзистора работают в активном режиме.

Рисунок 52 Триггер Шмита на транзисторах

В отсутствие входного напряжения (U_вх=0) триггер находится в устойчивом состоянии. При этом транзистор VT2 открыт и насыщен, так как на его базу через резисторы Rк1, R1 подаётся положительное напряжение, а транзистор VT1 закрыт. За счёт протекающего коллекторного тока I_К2=E/(R_К2+R_Э) на резисторе R_Э создаётся падение напряжения и на базе VT1 относительно эмиттера действует запирающее напряжение U_БЭ1=–R_ЭI_К2. В таком состоянии триггера напряжение на выходе U_ВЫХ=U⁰=R_ЭI_К2+U_КЭнас.

Если увеличивать входное напряжение, то пока U_вх<R_ЭI_К2+U_БЭнас триггер находится в исходном состоянии. Когда Uвх достигнет напряжения срабатывания U_СРБ=R_ЭI₂+U_БЭнас, открывается транзистор VT1, снижается его коллекторный потенциал, а следовательно и базовый ток VT2. В результате транзистор VT2 переходит в активный режим и в схеме развивается регенеративный процесс, приводящий к быстрому закрыванию транзистора VT2 и отпиранию VT1.

   (5.1)

Параметры схемы несимметричного триггера рассчитываются таким образом, чтобы при уменьшении входного напряжения транзистор VT2 открывался и триггер переходил в исходное устойчивое состояние при напряжении отпускания U_ВХ=U_ОТП<U_СРБ. При таком условии амплитудная передаточная характеристика имеет петлю гистерезиса (Рисунок 52,б).

Для открывания транзистора VT2 и перехода триггера в исходное устойчивое состояние необходимо уменьшить U_вх, чтобы транзистор VT1 перешёл из режима насыщения в активный режим работы. Только при этом условии напряжение на базе транзистора VT2 увеличится до U_БЭнас.

   (5.2)

Из соотношений (5.1) и (5.2) следует, что для обеспечения принятого условия U_СРБ>U_ОТП, необходимо, чтобы R_К1>R_К2.

Конденсатор C1 на устойчивые состояния триггера влияния не оказывает. Он выполняет функцию форсирующего конденсатора во время во время включения и выключения транзистора VT2 и тем самым способствует сокращению времени переключения триггера из одного устойчивого состояния в другое.

Несимметричный триггер может быть реализован на логических элементах. Для этого достаточно включить последовательно чётное число элементов НЕ и выход этой цепочки соединить со входом цепью обратной связи, образуемой резисторами R1 и R2 (Рисунок 53,а).

В отсутствие входного сигнала (U_вх=0) напряжение на выходе (U_вых=0). Если пренебречь входным током ЛЭ, то при U_вх>0 напряжение на входе D1 U_ВХ=U_ВХ–R₁I, где I=(U_ВХ1–U_ВЫХ)/R₂.

Таким образом,

U_ВХ1 = U_ВХ + (U_ВЫХ – U_ВХ1)R₁/R₂  (5.3)

Рисунок 53 Триггер Шмита на логических элементах

С ростом U_вх повышается напряжение U_вх1,  но пока U_вх1<U_пор логические элементы остаются в исходном состоянии и на выходе сохраняется сигнал U⁰. Когда U_вх1=U_пор, происходит переключение логических элементов и на выходе возникает сигнал U_ВЫХ=U¹. В результате схема переходит в другое устойчивое состояние. Напряжение срабатывания можно определить из приведённого выше выражения (5.3), если принять U_вх1=U_пор, U_ВЫХ=U¹, U_вх=U_срб:

U_СРБ = U_ПОР + (U_ПОР  – U⁰)R₁/R₂  (5.4)

Естественно, что при U_вх1>U_срб на выходе схемы сохраняется состояние лог. «1».

При уменьшении U_вх триггер переходит в исходное состояние, когда U_вх=U_отп. Значение U_отп определяется из соотношения (5.3), если положить U_вх1=U_пор, U_вых=U¹, U_вх=U_отп.

U_ОТП= U_ПОР + (U¹ – U_ПОР)R₁/R₂ (5.5)

Из соотношений (5.4) и (5.5) следует, что U_срб>U_отп и, таким образом, амплитудная передаточная характеристика несимметричного триггера на ЛЭ имеет петлю гистерезиса. Вычитая (5.5) из (5.4), получаем

U_СРБ  – U_ОТП = (U¹ – U⁰)R₁/R₂

Откуда видно, ширина петли гистерезиса пропорциональна логическому перепаду ∆U_Л.

Несимметричные триггеры применяют в качестве формирователей импульсов прямоугольной формы при воздействии на вход, например, синусоидального напряжения (Рисунок 53,б).

Поскольку выходное напряжение резко возрастает при U_ВХ=U_СРБ, то такие триггеры используют и в качестве компаратора напряжения – устройства, которое позволяет зафиксировать момент достижения сигналом некоторого заданного уровня.

5.2 Регистры

Регистры – это функциональные узлы на основе триггеров, предназначенные для приёма, кратковременного хранения (на один или несколько циклов работы данного устройства), передачи и преобразования многоразрядной цифровой информации.

В зависимости от способа записи информации (кода числа) различают параллельные, последовательные и параллельно – последовательные регистры.

5.2.1 Параллельные регистры (регистры памяти)

Запись кода в параллельные регистры осуществляется параллельным кодом, то есть во все разряды регистра одновременно. Их функция сводится только к приёму, хранению и передаче информации. В связи с этим параллельные регистры называют регистрами памяти.

Параллельный N-разрядный состоит из N триггеров, объединённых общими цепями управления.

В качестве примера на рисунке 54,а приведена схема 4-разрядного параллельного регистра, построенного на RS-триггерах D5…D8. Элементы D1…D4 образуют цепь управления записью, а элементы D9…D12 – цепь управления чтением.

Рисунок 54 Функциональная схема а) и УГО б) параллельного регистра.

Перед записью информации все триггеры регистра устанавливают в состояние «0» путём подачи импульса «1» на их R-входы.

Записываемая информация подаётся на входы DI₁…DI₄. Для записи информации подаётся импульс «Зп», открывающий входные элементы «И». Код входного числа записывается в регистр. По окончании импульса «Зп» элементы D1…D4 закрываются, а информация, записанная в регистр, сохраняется несмотря на то, что входная информация может изменяться.

Для считывания информации подают сигнал «1» на вход «Чт». По этому сигналу на выходные шины регистра на время действия сигнала передаётся код числа, записанный в регистр. По окончанию операции чтения выходные ключи закрываются, а информация, записанная в регистр, сохраняется. То есть возможно многократное считывание информации. Условное графическое обозначение параллельного регистра приведено на рисунке 54,б.

5.2.2 Регистры сдвига

Регистры сдвига представляют собой цепочку последовательно включённых D-триггеров или RS– и JK-триггеров, включённых в режим D-триггера. Появление импульса на тактовом входе регистра сдвига вызывает перемещение записанной в нём информации на один разряд вправо или влево. Как и другие регистры, регистры сдвига используются для записи, хранения и выдачи информации, но основным их назначением является преобразование последовательного кода в параллельный или параллельного в последовательный.

Схема 4-разрядного регистра сдвига приведена на рисунке 55. Схема работает следующим образом. Благодаря тому, что выход предыдущего разряда соединён со входом «D» последующего, каждый тактовый импульс устанавливает последующий триггер в состояние, в котором до этого находился предыдущий. Так осуществляется сдвиг информации вправо.

Рисунок 54 4-разрядный регистр сдвига

Вход «D» первого триггера служит для приёма в регистр входной информации DI в виде последовательного кода. С каждым тактовым импульсом на этот вход должен подаваться код нового разряда входной информации.

Запись параллельного кода  информации может быть произведена через нетактируемые установочные входы   триггеров (на рисунке 55 не показаны).

С выхода «Q4» последнего триггера снимается последовательный выходной код. Код на этом выходе регистра появляется с задержкой относительно входного последовательного кода на число периодов тактовых импульсов, равное числу разрядов регистра.

Параллельный выходной код можно снять с выходов Q1…Q4 всех триггеров регистра сдвига, снабдив их выходными ключами, подобными выходным ключам параллельного регистра (См. рисунок 54,а).

5.2.3 Реверсивные регистры сдвига

Реверсивные регистры сдвига обеспечивают возможность сдвига информации как вправо, так и влево. Они имеют специальный вход управления направлением сдвига.

Поскольку транзисторы и логические элементы способны передавать сигналы только в одном направлении с входа на выход (слева направо), то, для сдвига информации влево, необходимо информацию с выхода последующих триггеров по специально созданным цепям подавать на входы предыдущих триггеров и записывать их следующим тактовым сигналом. Это эквивалентно сдвигу информации влево.

Фрагмент функциональной схемы реверсивного регистра сдвига приведён на рисунке 56.

Рисунок 56 Реверсивный регистр сдвига

Если сигнал на входе направления сдвига N=1, то потенциал на входе «D_i» триггера определяется выходом Q триггера, стоящего слева от него. Если N=0, то выходом триггера, стоящего справа.

Таким образом, при N=1 тактовые импульсы производят сдвиг информации вправо, а при N=0 – сдвиг информации влево.

5.2.4. Интегральные микросхемы регистров (примеры)

Интегральные микросхемы регистров, как и другие микросхемы, имеют дополнительные управляющие входы, расширяющие их функциональные возможности и делающие их универсальными. В качестве примера рассмотрим микросхему К155ИР13.

К155ИР13 – это 8-разрядный реверсивный регистр сдвига с возможностью параллельной записи информации. УГО этого регистра приведено на рисунке 57. Изучив назначение входных и выходных сигналов, легко усвоить функциональные возможности микросхемы и особенности её применения.

Рисунок 57 Реверсивный регистр сдвига и записи информации К155ИР13

Буферный регистр КР580ИР82, входящий в состав МП-комплекта КР580, построен на D-триггерах и предназначен для записи и сохранения 8-разрядных данных в течение заданного промежутка времени. Этот регистр называют также регистром-защёлкой. Например, в МП-системах на МР КР580 он используется сохранения в течение машинного цикла байта состояния, а на МП1810 – адреса, поступающего по мультиплексированной шине адреса-данных. Его функциональная схема и условное графическое обозначение приведены на рисунке 58,а,б.

Рисунок 58 Буферный регистр КР580ИР82:

а) – функциональная схема, б) – УГО

Регистр состоит из 8-и D-триггеров, тактируемых фронтом, и 8-и элементов с тремя выходными состояниями. Схема управления построена на двух элементах ИЛИ-НЕ.

Если на вход   поступит разрешающий сигнал низкого уровня, а на вход STB – сигнал высокого уровня, то информация с входов передаётся на выходы. После перехода сигнала на входе STB с высокого уровня на низкий, информация, записанная в регистр, сохраняется до появления следующего разрешающего сигнала на входе STB. Сигнал высокого уровня   переводит выводы DO0–DO7 в 3-е (высокоомное) состояние.

Таким образом, микросхема может работать в трёх режимах:

– =0, STB=1 – режим шинного формирователя;

– =0, STB=0 – режим защёлки:

– =1 – 3-е состояние (режим отключения от нагрузки).

Многорежимный буферный регистр (МБР) К589ИР12 является универсальным 8-и разрядным регистром, состоящим из D-триггеров и выходных буферных схем с 3-мя устойчивыми состояниями. МБР имеет также встроенную селективную логику: «Схема управления режимами» и отдельный D-триггер для формирования запроса на прерывание центрального процессора.

МБР предназначен для использования в качестве портов ввода информации в МП от внешних устройств, или портов вывода информации из МП во внешние устройства.

Функциональная схема МБР и его УГО приведены на рисунке 59,а,б.

Рисунок 59 МБР К589ИР12: а) Функциональная схема, б) УГО.

Схема управления режимами (D1, D2, D4) в зависимости от сочетания управляющих сигналов C, ВР,   обеспечивает:

– Запись входной информации от внешнего устройства по сигналам , или выходной информации по сигналам ;

– Хранение информации по сигналам ;

– Выдачу информации по сигналам ;

– Передачу входной информации на выход (режим шинного формирователя) по сигналам .

Схема управления прерываниями (D3, D5, D6) формирует запрос на прерывание для МП по окончании сигнала записи информации в МБР от внешнего устройства по спаду сигнала «C». Сброс сигнала   осуществляется по входу   триггером D5 при выборе кристалла микропроцессором для считывания информации, а также при начальной установке МБР сигналом «R».