Цифровые компараторы

Компаратор - устройство сравнения кодов чисел

В общем случае компаратор параллельных кодов двух m-разрядных двоичных чисел представляет собой комбинационную схему с 2m входами и тремя выходами (“равно”, “больше”, “меньше”). При поступлении на входы кодов двух сравниваемых чисел сигнал логической единицы появляется только на одном из выходов. В некоторых случаях компаратор может иметь менее трех выходов.

Одноразрядный компаратор имеет два входа на которые одновременно поступают одноразрядные двоичные числа x₁ и x₂, и три выхода (=, >, <).

Из таблицы истинности логические уравнения компаратора при сравнении x₁ с x₂ получаются в виде

Реализация такого компаратора в базисе И–НЕ приводит к следующей схеме (рис. 27):

Многоразрядные компараторы обычно выполняют на базе одноразрядных. При этом используется принцип последовательного сравнения разрядов многоразрядных чисел, начиная с их старших разрядов, так как уже на этом этапе, если x_1m 4>№ x_2m, задача может быть решена однозначно, и сравнение следующих за старшими разрядов не потребуется.

Рис. 27. Одноразрядный компаратор двоичных чисел

Интегральные триггеры

Триггер - это устройство, имеющее два устойчивых состояния и способное под действием управляющих сигналов скачкообразно переходить из одного состояния в другое.

Можно выделить две основные области их применения: формирование импульсов и работу в качестве элементарных автоматов цифровых устройств.

Как формирователи, триггеры позволяют получать стандартные по амплитуде прямоугольные импульсы с малой длительностью фронта и среза, практически не зависящей от скорости изменения управляющего сигнала. В роли цифровых автоматов с двумя внутренними состояниями различные типы триггеров выполняют функции ячеек памяти, каскадов задержки, пересеченных ячеек и т. д.

Триггер, как элементарный конечный автомат, характеризуется следующими свойствами:

• число внутренних состояний – два (единица и нуль), что соответствует одной внутренней переменной, обозначаемой для триггеров буквой Q;

• число выходных переменных y – одно, значение переменной y совпадает со значением Q;

• число входных переменных x зависит от типа триггера.

Наряду с выходом Q, называемым прямым, триггер имеет и инверсный выход  . Состояние триггера определяется значением его прямого выхода.

Все известные на сегодняшний день триггеры по функциональному признаку можно разделить на четыре основных типа:

• RS-триггеры – триггеры с двумя установочными входами;

• D-триггеры – триггеры задержки с одним входом;

• Т-триггеры с одним счетным входом;

• универсальные триггеры с несколькими входами.

Как и любые цифровые автоматы, триггеры могут быть асинхронными и синхронными.

Различают также триггеры со статическими и динамическими входами. Входы, управляемые потенциальными (уровнями напряжений), называются статическими (включая и сигнал синхронизации).

Причем, если триггер переключается сигналами логической единицы, то его называют триггером с прямым управлением, в противном случае – триггером с инверсным управлением.

Входы же управляемые перепадами потенциалов называют динамическими.

1. RS-триггер

Асинхронный RS-триггер

В простейшем исполнении триггер это симметричная структура из двух логических элементов ИЛИ–НЕ либо И–НЕ, охваченных перекрестной положительной обратной связью. Схема триггера на элементах ИЛИ–НЕ и его условное обозначение приведены на рис. 28.

Рис. 28. Асинхронный RS-триггер на элементах ИЛИ–НЕ: а – логическая структура; б – условное обозначение

Этот триггер (бистабильная ячейка) обладает двумя устойчивыми состояниями, которые обеспечиваются за счет связи выхода каждого элемента с одним из входов другого. Свободные входы служат для управления и называются информацион-ными или логическими. Одному из выходов присвоено наименование прямого, его обозначают буквой Q, а другому – наименование инверсного и обозначают  .

Вход, по которому триггер устанавливается в единичное состояние (Q = 1,  = 0), называют входом S (от английского Set – установка), а в нулевое (Q = 0,  = 1) – входом R (reset – возврат).

Работа триггера характеризуется таблицей переходов состояний (табл. 6), из которой следует, что на двух наборах переменных его состояние не определено. Карта Карно для нахождения логической функции переходов RS-триггера приведена на рис. 29.

Таблица 6

Такт tn			Такт tn+1
Rn	Sn	Qn	Qn+1
0 0 1 1 0 0 1 1	0 1 0 1 0 1 0 1	0 0 0 0 1 1 1 1	0 1 0 – 1 1 0 –

Доопределив ее единицами на запрещенных наборах и применив правила минимизации получим

.

 

Возможны следующие состояния триггера, в зависимости от комбинации входных сигналов:

• Rⁿ, Rⁿ = 0, сигнал на выходе может быть Qⁿ⁺¹ = 1 или Qⁿ⁺¹ = 0, что соответствует нейтральному состоянию (режим хранения информации);

• Sⁿ = 1, Rⁿ = 0, Qⁿ⁺¹ = 1 – установка триггера в единичное состояние;

• Sⁿ = 0, Rⁿ = 1, Qⁿ⁺¹ = 0 – установка в нулевое состояние;

• Sⁿ = 1, Rⁿ = 1 – состояние не определено. Если затем входная комбинация станет Sⁿ = 0, Rⁿ = 0, то триггер с равной вероятностью может установиться или в нулевое, или в единичное состояние, поэтому входная комбинация Sⁿ = 1, Rⁿ = 1 недопустима.

Минимизированная таблица состояний RS-триггера и его временная диаграмма имеют вид (рис. 30):

При синтезе устройств на триггерах возникает задача определения требуемых входных комбинаций для перехода триггера из одного (заданного) состояния Qⁿ в другое (требуемое) Qⁿ⁺¹.

Эту задачу удобно решать с помощью таблицы, называемой матрицей переходов.

Рассмотрим функцию переходов для всех возможных изменений выхода триггера Qⁿ  Qⁿ⁺¹:

0  0; 0  1; 1  0; 1  1.

С учетом этого, получим систему уравнений

.

Результаты анализа этих уравнений позволяют составить матрицу переходов RS-триггера (табл. 7), показывающую сочетания входных сигналов, которые обеспечивают требуемое состояние триггера при его переходе из такта n в такт (n + 1). Если RS-триггер выполнить на элементах И–НЕ, то получим схему, приведенную на рис. 31.

Такой вариант триггера называют  -триггером или RS-триггером с инверсным управлением.

Синхронный RS-триггер. Известно, что из-за задержек переключения логических элементов могут возникнуть ложные состояния. Устранить это помогает временное стробирование. Временное стробирование обеспечивается синхронизирующими (тактовыми) импульсами, поэтому синхронный RS-триггер кроме информационных входов R и S имеется вход C, на который подается синхронизирующий сигнал (рис. 32).

Такой триггер функционирует как RS-триггер только при условии наличия синхронизирующих импульсов. В противном случае, т.е. при отсутствии синхронизирующих импульсов, состояние его сохраняется неизменным Qⁿ⁺¹ = Qⁿ , какие бы сигналы ни подавались на информационные входы, причем возможна подача сочетания R = S = 1 (или R = S = 0 для триггера с инверсными входами).

Рис.32. Синхронный RS-триггер с прямыми статическими входами на элементах И-НЕ и его условное обозначение

Специфика синхронных триггеров со статическим управлением по входу синхронизации такова, что в течение времени действия тактового импульса смена сигналов на информационных входах вызывает новые срабатывания. Следовательно, синхронные триггеры со статическим управлением при активном состоянии тактового входа ведут себя подобно асинхронным. Во многих случаях это свойство является недостатком, так как может оказаться причиной сбоев в цифровых устройствах.

От этого свободны триггеры с динамическим и двух ступенчатым управлением. Триггеры с динамическим управлением в зависимости от схемы исполнения реагируют на перепад напряжения от нуля к единице, либо от единицы к нулю. Таким образом, сигналы, поступающие на динамический вход, воспринимаются только в те моменты времени, когда их состояние изменяется определенным образом.

На рис. 33. приведено условное обозначение синхронных RS-триггеров с динамическими входами синхронизации.

Двухступенчатые триггеры содержат первую ступень для промежуточной записи входной информации и вторую – для последующего запоминания и хранения. У двухступенчатых триггеров формирование нового состояния происходит за два такта, поэтому их иногда называют двухтактными.

Функциональные свойства всей триггерной системы определяются первой ступенью, вторая ступень обычно представляет собой синхронный RS-триггер со статическим управлением.

2. D-триггер

Функциональная особенность триггеров этого типа состоит в том, что сигнал на выходе Q в такте (n+1) равен значению сигнала на входе D в предыдущем такте n. Другими словами, D-триггер задерживает на один такт информацию, существовавшую на входе D. Триггер принял свое название от первой буквы английского слова delay – задержка. Логическое уравнение D-триггера имеет вид:

.

Асинхронный D-триггер не применяется, так как его выход просто повторяет входной сигнал после окончания переходного процесса, поэтому все реальные D-триггеры тактируемые и функционируют в соответствии с табл. 8. Смена состояний триггера происходит под действием тактового импульса (С=1), т. е. хранение информации в D-триггере обеспечивается цепями синхронизации. Управление по тактовому входу может быть статическим, динамическим, а также двухступенчатым.

Матрица переходов D-триггера приведена в (табл. 9)

Структурная логическая схема простейшего D-триггера со статическими входами и его условное обозначение представлены на рис.34.

а                             б

Рис.34. Пример D-триггера со статическим управлением уровнем С = 1 – а и его обозначение – б

3. T-триггер

Триггер Т -типа, или счетный триггер, имеет один информационный Т-вход. Смена его состояний происходит всякий раз, когда входной сигнал меняет свое значение в определенном направлении. В зависимости от того, какой перепад напряжения используется для управления (от нуля к единице или от единицы к нулю), различают Т-триггеры с прямым или инверсным динамическим управлением ( -триггер).

По способу ввода входной информации Т-триггеры могут быть асинхронными и синхронными.

Управление Т-триггера имеет вид

.

Порядок смены состояний Т и  -триггеров приведен в табл. 10, а их временная диаграмма работы на рис. 35.

Особенностью Т-триггера является в два раза меньшая часто-та выходных сигналов по срав-нению с частотой сигналов на входе. Это позволяет использо-вать его в качестве делителя частоты последовательности импульсов на два, а также при создании двоичных счетчиков.

а                         б

Рис. 35. Таблица состояний Т-триггеров и временные диаграммы их работы: а – Т-триггера; б –  -триггера

Счетные триггеры как самостоятельные микроэлектронные изделия не выпускаются промышленно, так как их легко получить из других типов триггеров, например из D-триггеров (рис. 36).

Счетные триггеры со статическим управлением во время действия входного импульса проявляют склонность к генера-ции, и практической реализации не нашли.

4. JK-триггер

Функциональная особенность JK-триггеров состоит в том, что при всех входных комбинациях, кроме одной  , они действуют подобно RS-триггеру, причем вход J играет роль входа S, а K-вход соответствует -входу. При входной комбинации  в каждом такте выходной сигнал меняет свое значение на противоположное. JK-триггеры не имеют неопределенных состояний. Таблица переходов состояний триггера имеет вид (табл. 11)

Используя карту Карно (рис. 37) найдем минимальную форму уравнения триггера.

.

Для составления матрицы переходов JK-триггера подставим в полученное уравнение все возможные сочетания состояний триггера

0 00= , при любом K и J =0,

0 11= , при любом K и J =1.

1 00= , при любом J и K =1,

1 11= , при любом J и K =0.

Откуда следует матрица переходов (табл. 12), которую используют при синтезе цифровых устройств на JK-триггерах. В схемном отношении JK-триггер отличается от триггеров RS-типа наличием обратных связей. Логическая структура простейшего JK-триггера показана на рис. 38.

Элементы временной задержки в данной схеме играют роль стабилизаторов состояний триггера, и непосредственно на его функциональные свойства не влияют.

В интегральной схемотехнике применяются только синхронные JK-триггеры в силу жестких требований к длительности входных сигналов для асинхронного варианта.

Рис. 38. Логическая структура JK-триггера

JK-триггеры относятся к универсальным устройствам. Их универсальность имеет двойственный характер. Во-первых, эти триггеры с равным успехом могут быть использованы в счетчиках, регистрах, делителях частоты и других электронных узлах, во-вторых, путем определенного соединения выводов они легко обращаются в триггеры других типов.

Если, например, принять J=D и K= , то уравнение JK-триггера примет вид:

,

что соответствует логическому уравнению D-триггера.

Для получения T-триггера достаточно объединить вход J и K и подавать на них входные импульсы. Это будет вариант синхронного T-триггера. В асинхронном варианте T-триггера на входы J и K подают сигнал логической единицы, а входные импульсы поступают на вход синхронизации (рис.39).

а                                   б                                   в

Рис. 39. Использование JK-триггера в качестве: а – D-триггера; б – асинхронного T-триггера; в – синхронного T-триггера

Рассмотренные JK-триггеры являются одноступенчатыми.

Однако более устойчивыми в работе являются двухступенчатые триггеры, поскольку обе ступени тактируются поочередно, что предупреждает паразитную генерацию в схеме.