8.3. Цифровые автоматы

В процессе обработки цифровой информации в электронных блоках возникают задачи обработки последовательностей дис­кретных сигналов во времени, которые нельзя решить с помощью одних комбинационных схем. Такие задачи возникают в том слу­чае, когда выходные сигналы устройств зависят не только от входных, поступающих в данный момент, но и от всех предыду­щих сигналов, поступивших ранее. Такие задачи выполняют цифровые автоматы с памятью.

Роль элементарных цифровых автоматов выполняют тригге­ры. Триггеры представляют собой логические цепи с памятью и являются основной элементной базой для построения любых, сколь угодно сложных, цифровых устройств.

Существует несколько типов триггеров. В первую очередь их разделяют на тактируемые и нетактируемые.

В нетактируемых триггерах их состояния изменяются сразу же, как только установятся сигналы на входах, а в тактируемых изменение выходных сигналов осуществляется в соответствии с входными только после того, как будут поданы разрешающие сигналы на их тактовые входы. Тактирование триггеров возмож­но посредством статической и динамической синхронизации.

Статическая синхронизация осуществляется импульсом (ло­гическим уровнем 1 или 0), а динамическая - фронтом (логиче­ским перепадом 1/0 или 0/1).

Наиболее простым и распространённым из всех типов триг­геров является триггер с установочными входами или так назы­ваемый S-R- триггер. Простейшие не тактируемые S-R - триггеры представляют из себя две цепи И - НЕ или ИЛИ - НЕ, замкнутые в кольцо. Их условные обозначения и потенциальная диаграмма работы показаны на рис. 8

Рисунок 8.3 - Асинхронный S-R триггер

Если отсутствуют внешние воздействия, S=1, a R=0, то на выходе Q устанавливается потенциал, равный единице, а на дру­гой Q - нулю. Если изменить сигнал и подать на вход S=1, R=1, то сигналы на выходах останутся те же Q =1, Q=0. Они будут на­ходится там до тех пор, пока на входе сигнал не изменится на S =0, R=1. Тогда на выходе сигналы изменятся на Q=0, Q=1. Эти сигналы на выходах триггера будет находиться до тех пор, пока не изменятся сигналы на входах. Для осуществления переходов триггера из одного состояния в другое на его входах обязательно должны быть противоположные сигналы, т.е. всегда между сиг­налами на входах должно выполняться соотношение S R=Q. Час­тота выходного сигнала триггера вдвое меньше, чем частота входного сигнала, т.е. триггер осуществляет деление количества входных импульсов на 2.

Простейшие триггеры в тех или иных сочетаниях входят во все типы более сложных триггеров. В частности, тактируемые импульсом триггеры состоят из простейшего триггера и входной логической цепи.

Существуют другие виды триггеров с более сложной комби­нацией входных и выходных сигналов, например: S-C-R- триггер изменяет свое состояние на выходе в зависимости от потенциала тактирующего импульса С; D - триггер не имеет неопределённых состояний на выходе (электронная защелка) или J-C-K триггер, отличающийся от S-C-R- триггера наличием перекрёстных цепей обратной связи с выходов основного триггера на входы комбина­ционной части.

Счетчики применяются для подсчета импульсов за опреде­ленное время или между поступлениями синхросигналов. Осно­вой счетчика является триггер.

Счетчики бывают асинхронными, когда работа составляю­щих его триггеров не синхронизирована, и синхронными, когда на входы триггеров подаются синхроимпульсы.

Счетчики по режиму счета могут быть реверсивными и нере­версивными. В реверсивных счетчиках возможен прямой и об­ратный счет, а в нереверсивном - только прямой или только об­ратный.

Принципиальная схема четырехразрядного двоичного счёт­чика, построенного на триггерах, представлена на рис. 8.4.

Счетные импульсы С поступают на вход R первого триггера. Поступление первого импульса вызывает срабатывание 1-го триггера и на его прямом выходе появляется логическая единица Q₁. Поступление 2-го импульса возвращает первый триггер в ис­ходное положение (Q₁=0) и перекидывает второй триггер в еди­ничное состояние Q₂=1 и т.д.

Таким образом, на выходах Q₁ Q₂, Q₃ и Q₄ триггеров форми­руется двоичный код числа импульсов, поступивших на вход счетчика. После каждого триггера частота поступающих импуль­сов делится на 2. Разрядность счетчика соответствует количеству триггеров. Она может наращиваться до требуемого значения.

Рисунок 8.4- Схема двоичного счётчика

Существует большое количество других цифровых уст­ройств, построенных на базе комбинационных устройств, тригге­ров и счетчиков. К ним можно отнести регистры памяти, предна­значенные для хранения цифровой информации, регистры сдвига - для перемещения разрядов чисел на определенное количество тактов вперед или их задержки. Большую группу подобных уст­ройств составляют микропроцессоры, рассматриваемые ниже.