Исследование цифровых устройств последовательностного типа

1. Цель работы

Изучение принципа действия и режимов работы последовательностных устройств (триггеров, регистров, счетчиков) на основе экспериментальных таблиц состояний и временных диаграмм сигналов.

2. Общие положения

В последовательностных устройствах выходной сигнал определя­ется не только поданными на вход сигналами, но и предыдущим сос­тоянием выходов. То есть эти устройства обладают памятью. К последовательностным устройствам относятся триггеры, регистры памяти и регистры сдвига, различные счетчики импульсов.

2.1. RS–триггер на логических элементах ИЛИ–HE

Триггер – это устройство, имеющее два устойчивых состояния, из­менение которых, происходит мгновенно под действием управляющих импульсов. Триггеры применяются в регистрах, счетчиках и формиро­вателях импульсов, а также в качестве элементов памяти в цикловых системах автоматического управления.

Схема RS–триггера (рис. 3.1) содержит два логических эле­мента (ЛЭ) D1 и D2, охваченных перекрестными цепями положительной обратной связи (ПОС). Состояние триггера оценивается по сигналу на прямом выходе . На другом (инверсном) выходе сигнал должен иметь противоположный уровень. Для установки триггера в единичное состояние ( ) предназначен вход S, а в нулевое ( ) – вход R.

Работа триггера обусловливается таблицей состояний ЛЭ ИЛИ–НЕ. Единичное состояние триггера ( ) получим при нулевых сигналах на обоих входах ЛЭ D1 ( ), для чего надо подать единичный

с игнал S = 1 на нижний вход ЛЭ D2. Это состояние затем сохранится и после прекращения единичного сигнала на входе S, так как такой сигнал будет подаваться на верхний вход D2 с выхода .

Таблица 3.1

R	S
0	1	1	0
0	0	1	0
1	0	0	1
0	0	0	1
1	1	0	0

а б

Рис. 3.1. RS–триггер: а – схема; б – обозначение RS–триггера

на ЛЭ ИЛИ–НЕ

Для переключения триггера в нулевое состояние ( ) необходи­мо подать на вход R сигнал 1, а на входе S сохранить 0. Процесс переключения триггера имеет лавинообразный характер за счет дейс­твия ПОС, поэтому время переключения очень мало.

Таблица 3.2

R	S		Режим
0	0		Хранение
0	1	1	Запись 1
1	0	0	Запись 0
1	1	Х	Запрещено

При сигналах R = S = 0 выходной сигнал Q может быть единичным или нулевым в зависимости от предыдущего сочетания входных сигналов R и S (табл. 3.1). При подаче сигналов R = S = 1 триггер утрачивает свои типичные свойства, так как на обоих выходах устанавливается сигнал одного уровня . Поэтому такой режим работы допускать нельзя. Если обозначить состо­яние триггера после подачи входных сиг­налов буквами , а до подачи – , то таблицу состояний можно упростить (табл. 3.2)

2.2. RS–триггер на ЛЭ И–НЕ

Структура этого триггера (рис. 3.2, а) аналогична предыдущей, но в отличие от рассмотренной схемы, активным уровнем сигнала, пе­реключающим данный триггер, является не единичный, а нулевой, что объясняется свойствами ЛЭ И–НЕ.

Таблица 3.3

R	S		Режим
0	0	Х	Запрещено
0	1	0	Запись 0
1	0	1	Запись 1
1	1		Хранение

а б

Рис. 3.2. RS–триггер: а – схема; б – обозначение

RS–триггера на ЛЭ И–НЕ

Поэтому, в таблице состояний (табл. 3.3) все режимы работы противоположны рассмотренным, а в обозначении (рис. 3.2, б) введен знак инверсии на входах R и S.

Рассмотренные RS–триггеры являются асинхронными. Они имеют только информационные входы, изменение сигналов на которых непос­редственно влияет на момент переключения триггера. Поэтому воз­можны ложные переключения из-за действия помех и «состязаний» сигналов, проходящих по двум входам триггера.

2.3. Синхронный D–триггер

В синхронных триггерах помимо информационных входов предус­матривается синхронизирующий вход С. Подача импульса на этот вход переключает триггер в состояние, зависящее от сигналов на инфор­мационных входах. Самым простым из синхронных триггеров является

D-триггер, который имеет один информационный вход D. В его схеме (рис. 3.3, а) по сравнению с предыдущей введены ЛЭ D1 и D2. Так как вход С соединен с обоими ЛЭ D1 и D2, то при С = 0 на их выходах образуются единичные сигналы q₁ = q₂ = 1, которые обеспечивают режим хранения для RS–триггера на ЛЭ D3 и D4 (табл. 3.4).

Т аблица 3.4

C	D
0	0
0	1
1	0	0
1	1	1

а б

Рис. 3.3. D-триггер: а – схема; б – обозначение D-триггера

При подаче на вход С тактового импульса (С = 1) на выходах ЛЭ D1 и D2 появляются сигналы противоположных уровней и для триггера создается режим записи. Сигнал со входа D переписывается без из­менения уровня на выход триггера, что объясняется двойной инвер­сией сигнала в ЛЭ D1 и D3 ( ).

В типовых D–триггерах на ИС предусматриваются также дополни­тельные входы R и S для установки исходного состояния триггера

(рис. 3.3, б). Наиболее универсальным по своим возможностям является синхронный JK–триггер с двумя информационными входами.

Синхронные триггеры имеют высокую помехоустойчивость и надеж­ность работы, так как переключаются импульсом по одному входу С, что исключает «состязание» сигналов.

2.4. Счетный Т–триггер

Счетный триггер имеет один тактовый вход Т. При подаче каждо­го импульса на этот вход триггер переходит в противоположное состояние. Переключение триггера может осуществляться как от фронта входного импульса (0–1), так и по его срезу (1–0).

а б

Рис. 3.4. Т–триггер: а – схема; б - обозначение Рис. 3.5. Временные диаграммы

Т–триггера работы Т–триггера

Т–триггеры в интегральном исполнении не производятся и могут создаваться на основе триггеров других типов. Для преобразования

D–триггера в счетный триггер необходимо соединить инверсный выход со входом D (рис. 3.4, а). Период выходных импульсов Т–триггера удваивается по сравнению со входными, а частота делится на 2 (рис. 3.5). Обозначение Т–триггера показано на рис. 3.4. б, а его логическая функция имеет вид .

2.5. Параллельный регистр

Назначение регистров – хранение и преобразование многоразрядных двоичных чисел. Элементами схемы регистров являются синхронные триггеры D–типа или JK–типа , число которых определяет разрядность регистра. Наиболее простым из них является параллельный регистр памяти на D–триггерах , объединенных по тактовому входу С (рис. 3.6, а).

Схема осуществляет перезапись двоичного числа со входов , _, ... на выходы , ,.. при поступлении тактового импульса (С = 1).

После окончания импульса (С = 1) регистр хранит ин­формацию и не реагирует на изменение сигналов на входах .

В типовых регистрах на ИС помимо входов и С имеется вход сброса R для установки нуля на выходах регистра (рисунок 3.6, б).

а б

Рис. 3.6. Параллельный регистр: а – схема: б – обозначение параллельного регистра

2.6. Последовательный регистр

Этот регистр является регистром сдвига и применяется для пре­образования последовательного кода в параллельный. В схеме регистра могут использоваться двухступенчатые D–триггеры, переклю­чаемые срезом входного импульса. Выход каждого триггера соединен с D–входом последующего, а входы синхронизации соединены между со­бой по аналогии с параллельным регистром (рис. 3.7). Каждый тактовый импульс на входе С переводит триггер в состояние, в ко­тором находился предыдущий триггер. Таким образом, информация, вве­денная по первому входу D, продвигается с каждым тактовым импуль­сом по схеме вправо поразрядно.

Для записи числа в последовательный регистр необходимо однов­ременно с тактовыми импульсами С подавать поразрядно на вход D двоичный код этого числа, начиная со старшего разряда.

а б

Рис. 3.7. Последовательный регистр: а – схема; б – обозначение

последовательного регистра

На рис. 3.8 в качестве примера показаны диаграммы сигналов при вводе числа А = 13 (код 1101).

Рис. 3.8. Временные диаграммы работы последовательного регистра

При выводе информации в последовательном коде подаются только тактовые импульсы в количестве n – 1, а выходной сигнал снимается с триггера старшего разряда.

Современные регистры на ИС выполняются универсальными и могут работать как в режиме параллельного, так и последовательного вво­да информации. Для этого предусматривается вход V выбора режима работа регистра. Чаще всего при V = 1 осуществляется параллельная запись информации со входов , а при V = 0 может производиться последовательный ввод сигналов с одиночного входа D. Неиспользуе­мые информационные входы взаимно блокируются.

2.7. Кольцевой регистр сдвига

Это замкнутый в кольцо последовательный регистр, у которого выход триггера старшего разряда соединен с D–входом триггера младшего разряда. После предварительной записи одной или нескольких кодовых единиц они будут циркулировать по разрядным триггерам под воздействием тактовых импульсов на входе С.

2.8. Суммирующий счетчик импульсов

Счетчики используются для подсчета числа импульсов, поступаю­щих на вход, и выдачи информации об их количестве в двоичном коде. Как и регистры, счетчики строятся на основе триггеров. Прос­тейшим является суммирующий счетчик импульсов с последовательным переносом, в котором счетные триггеры соединены последовательно.

Каждый входной импульс увеличивает число, записанное в счет­чике, на единицу. Для приведения триггеров в исходное нулевое сос­тояние все входы R объединены в шину сброса (рис. 3.9).

а б

Рис. 3.9. Счетчик импульсов: а – схема; б – обозначение счетчика импульсов

Е мкость счетчика, характеризующая максимальное число импуль­сов до переполнения всех разрядов, определяется коэффициентом пе­ресчета , зависящим от числа n триггеров . Диаграммы ра­боты трехразрядного счетчика импульсов с триггерами, переключае­мыми срезом, показаны на рис. 3.10.

Рис. 3.10. Временные диаграммы работы счетчика импульсов

Недостатками счетчика с последовательным переносом является сравнительно малое быстродействие и возможность появления ложных сигналов на выходах. Эти недостатки устраняются в счетчиках с па­раллельным переносом (синхронных), в которых триггеры переключа­ются одновременно за счет объединения всех счетных входов.

2.9. Реверсивный счетчик импульсов

Реверсивный счетчик кроме суммирования может выполнять вычитание числа импульсов, то есть работать в режиме обратного счета. При вычитании каждый входной импульс уменьшает двоичное число, хранящееся в счетчике, на единицу. Для этого счетные входы после­дующих триггеров соединяются не с прямыми, а с инверсными выхода­ми предыдущих триггеров.

Изменение направления счета осуществляется за счет разных счетных входов (+1 и –1) или подачей сигнала управления (0 или 1) на специальный вход V выбора режима работы счетчика. Для расширения функциональных возможностей реверсивные счетчики на ИС имеют также входы предварительной установки желаемого исходного состояния выходов. Ввод числа с этих входов D1, D2,… на выход производится параллельным кодом при подаче импульса за­писи на специальный вход С.

П ример обозначения реверсивного дво­ично–десятичного четырехразрядного счетчика с параллельным пере­носом приведен на рис. 3.11.

В большинстве счетчиков предусматри­вается также выход переноса (р > 9) и выход займа (р < 0), которые используются для наращивания разрядности счетчиков и циклической перезаписи информации со входов .

Рис. 3.11. Обозначение двоично–десятичного счетчика импульсов

2.10. Делители частоты

Кроме подсчета числа входных импульсов счетчики могут приме­няться для деления частоты следования этих импульсов. Один счет­ный триггер делит частоту входных импульсов на 2, а счетчик из n–триггеров имеет максимальный коэффициент деления , при­менительно к выходу триггера старшего разряда.

Один из способов получения любого заданного коэффициента

(в пределах ) состоит во введении ЛЭ «И» (И–НЕ), сбрасы­вающего все триггеры в нуль при прохождении серии из заданного числа импульсов. Для этого выход ЛЭ (рис. 3.12) соединяют с шиной сброса, а его входы подключают к пряным выходам тех триггеров, которые соответствуют единичным разрядам в заданном двоичном коде . При этом необходимо учитывать, что в схеме счетчика триггер старшего разряда расположен справа, а в написании двоичного числа старший разряд – слева.

Рис. 3.12. Схема делителя частоты

В асинхронном счетчике используются и «нулевые» триггеры, у которых инверсный выход соединяется со входом ЛЭ. В приведенной схеме делителя частоты задан (двоичный код 1011), то есть через каждые 11 входных импульсов триггеры сбрасываются в нуль и на выходе ЛЭ возникают короткие «нулевые» импульсы . Частота следования этих импульсов , а длительность опре­деляется временем задержки распространения сигнала в триггере ( ) и ЛЭ ( ): .

Если в делителе применить реверсивный счетчик со входами предустановки, то внешний ЛЭ не потребуется. В этом случае необходи­мо соединить вход записи С с выходом займа (р < 0) и использовать режим обратного счета. Коэффициент деления при этом будет ра­вен числу М, код которого установлен на входах D1– .