Типовые логические узлы

Триггеры

Триггер – это последовательностная схема с двумя состояниями, каждое из которых при определенных условиях на входах поддерживается постоянным. Когда на выходной линии триггера логическая «1», говорят, что триггер установлен. В противном случае говорят, что триггер сброшен.

Триггер типа RS

RS-триггер имеет два входа S (set – устанавливать) и R (recet – сбросить).

Таблица 5.1 – Таблица состояний RS-триггера

Рис.5.1. Построение простого RS-триггера на базе элемента стрелка Пирса (а) и

штрих Шеффера (б)

Достоинство простого RS-триггера – минимальное количество элементов.

Недостаток – любое случайное изменение сигналов на входах приводит к

ложным срабатываниям триггера.

Синхронный триггер

В синхронных системах хранящаяся в триггерах информация должна изменяться только в строго определенные моменты времени. Для этой цели в триггер вводится дополнительный вход, называемый входом синхронизации.

Рис.5.2. Синхронный RS-триггер

При нулевом значении синхроимпульса состояние триггера фиксировано и не реагирует на изменения входных сигналов. При «1» вентили 1 и 2 открыты и состояния входов S, R в соответствии с таблицей 5.1 определяют состояние выхода синхронного триггера.

Двухтактный RS-триггер (МS-триггер)

Двухтактный RS-триггер обеспечивает одновременную запись новой информации в триггер и считывание предыдущей.

		DD2

DD3

Рис.5.3. Двухтактный RS-триггер.

С помощью инвертора (3) осуществляется двухфазное управление RS-триггерами (1) и (2). при С = 1 в триггер (1) записывается новая информация, при этом триггер (2) по входу С закрыт и продолжает хранить предыдущую информацию. При С = 0 триггер (1) перестает реагировать на состояние входов R и S. В то же время для триггера (2) С = 1 и выход триггера (1) переписывается в триггер (2) то есть на выход двухтактного триггера.

D-триггер

D-триггер обеспечивает запись сигналов «0» или «1» по одному входу при наличии синхроимпульса по входу С.

Рис.5.4. Однотактный D-триггер

D-триггер аналогично RS-триггерам может быть однотактным и двухтактным.

Т-триггер (счетный триггер)

Счетный триггер обеспечивает последовательное деление количества поступающих на счетный вход импульсов на 2.

Рис.5.5. Т-триггер

JK-триггер

JK-триггер представляет собой обобщенную версию RS-триггера. Вход J соответствует входу S, а вход K соответствует входу R. Разница в поведении триггеров RS и JK обнаруживается, когда на оба JK входа подается логическая «1». В то время как поведение RS-триггера для входной комбинации R = 1, S = 1 не определено, поведение JK-триггера аналогично поведению Т-триггера. То есть по синхроимпульсу JK-триггер изменяет свое состояние на противоположное.

Рис.5.6. JK-триггер

Триггеры, переключаемые фронтом синхроимпульсов

Одно из свойств двухтактного D-триггера (рис.5.7.) состоит в том, что как опрос входных сигналов, так и обновление выходных происходит по фронту (в нашем случае отрицательному) синхроимпульса. Для этого типа триггера состояние ведущей секции реагирует на изменение входного сигнала все время, пока синхроимпульс имеет значение «1». То значение, которое будет иметь вход D непосредственно перед отрицательным фронтом синхроимпульса, определит окончательное состояние ведущей секции. Именно это состояние будет передано ведомой секции сразу после отрицательного фронта синхроимпульса. Следовательно, входной сигнал должен иметь правильное значение только в течении небольшого отрезка времени (равного времени срабатывания ведущей секции) непосредственно перед отрицательным фронтом синхроимпульса.

Рис.5.7. Двухтактный D-триггер, переключаемый фронтом импульса

О триггерах, обладающих таким свойством, говорят как о триггерах, переключаемых фронтом синхроимпульса.

Ранее описанные триггера RS (рис.5.3.), JK (рис.5.6.) и T (рис.5.5.) не обладают этим свойством, поскольку окончательное состояние ведущей секции зависит от значения входного сигнала на всем интервале времени, когда синхроимпульс равен «1». Так для RS-триггера окончательное состояние ведущей секции зависит от того, какой из входов R или S, последним принимал значение «1» за время синхроимпульса.

Асинхронные входы в триггерах

Среди триггеров широко распространены триггеры с дополнительными входами, функции которых не зависят от сигналов синхронизации. Часто добавляются два входа, «предустановка» и «очистка», с помощью которых триггер может быть установлен в нужное состояние независимо от сигналов на других входах, включая синхронизирующий. Поскольку эти входы работают независимо от синхронизации, их называют асинхронными.

Рис.5.8. RS-триггер с асинхронными входами

Регистры

Регистром называется устройство, предназначенное для записи и хранения одного дискретного «слова» - двоичного числа или иной кодовой комбинации.

Помимо хранения записанной информации с помощью регистра можно получить инвертированный код «слова», осуществлять сдвиг информации на один или несколько разрядов, последовательный код преобразовывать в параллельный и наоборот.

Основными элементами регистра являются триггеры. Число триггеров определяется числом двоичных разрядов «слова». По принципу работы регистры разделяются на регистры без сдвига и регистры со сдвигом (сдвигающие регистры). Последние в свою очередь могут быть двухтактными и однотактными.

Регистр без сдвига (параллельный регистр)

При подаче (рис.5.9.) управляющего импульса на шину R все D-триггера регистра устанавливаются в положение «0» (регистр обнуляется). Ввод новой информации осуществляется через D-входы триггеров по сигналу запись, поступающему на вход С.

Рис.5.9. Параллельный восьмиразрядный регистр, построенный на D-триггерах

Регистры со сдвигом информации (последовательные регистры)

Сдвиги данных в регистре – одна из основных операций в цифровых системах. С ее помощью решаются такие задачи, как преобразование данных из последовательной в параллельную форму и обратно, умножение и деление на степени двойки, позиционирование данных, последовательное хранение данных.

При каждом синхроимпульсе (рис.5.10.) все триггера, за исключением самого левого, будут принимать текущее состояние своего левого соседа. Состояние крайнего левого триггера определяется входом «последовательный вход» (D).

Рис.5.10. Последовательный регистр, построенный на двухтактных D-триггерах

Последовательно-параллельные регистры

Рис.5.11.

Последовательно-параллельные регистры обеспечивают как сдвиг информации, так и предварительную запись и считывание информации со всех триггеров регистра.

Примеры регистров в интегральном исполнении

Рис.5.12.

8-разрядный последовательный сдвигающий регистр с параллельным входом (а)

4-разрядный универсальный сдвигающий регистр (б)

Счетчики

В общем виде счетчик – это последовательностная схема, в основе которой лежит регистр и которая в ответ на импульсы на специальной линии проходит через предписанную последовательность состояний. Счетчики с циклической повторяющейся последовательностью состояний называются счетчиками по модулю. Счетчики по модулю характеризуются как модулем, так и типом счетной последовательности, которая в частности, может быть двоичной, двоично-десятичной, в коде Грея и др.

Двоичные счетчики

Двоичный счетчик представляет собой совокупность Т-триггеров, каждый из которых ассоциируется с битом в двоичном представлении числа. Если в счетчике n триггеров, то число возможных состояний счетчика ровно 2ⁿ, и следовательно, его модуль также равен 2ⁿ. Счетная последовательность в двоичном суммирующем счетчике начинается с 0 и доходит до максимального числа 2ⁿ – 1, после чего снова проходит через 0 и повторяется. В вычитающем двоичном счетчике последовательные двоичные числа перебираются в обратном порядке, и максимальное число следует за 0 при повторении последовательности.

Рис.5.13. Асинхронный двоичный суммирующий счетчик

В счетчике (рис.5.13.) каждое изменение состояния левого триггера вызывает изменение состояния триггера справа. Другими словами, волна изменений состояния будет распространяться последовательно, асинхронно слева, направо.

Для синхронных АУ нужно, чтобы все триггеры во всех компонентах изменяли свои состояния одновременно по синхроимпульсу. Поэтому асинхронные счетчики неприменимы в таких ситуациях.

Рис.5.14. Параллельный синхронный двоичный суммирующий счетчик.

Вычитающие счетчики

Вычитающие счетчики могут быть как синхронными, так и асинхронными. Построение вычитающих счетчиков аналогично суммирующим с той лишь разницей, что к последующему триггеру подключается не прямой, а инверсный выход предыдущего.

Я

Рис.5.15. Синхронный вычитающий счетчик

Если с помощью логических элементов организовать переключение выходов Q* или Q предыдущего триггера на вход последующего, то счетчик становится реверсивным и может, как суммировать, так и вычитать.

Принцип организации счетчика с модулем не являющемся степенью числа 2

Если для асинхронного входа установки в «0» (R), имеющегося в счетчике, сформировать с помощью логических элементов И цепь, в которой сигнал «1» будет появляться в зависимости от требуемой комбинации на выходе счетчика, то данный счетчик будет сбрасываться в «0» каждый раз, как только эта комбинация будет появляться, то есть счетчик будет делить не на 2ⁿ, а на меньшее число раз в зависимости от комбинации.

Рис. 5.16. двоичный четырехразрядный счетчик с коэффициентом деления 6.

Десятичные счетчики

Десятичный счетчик состоит из нескольких подсчетчиков, соответствующих десятичным разрядам. Подсчетчики считают по модулю 10, и их называют декадными счетчиками. Наиболее распространено представление в двоично-кодированном десятичном коде 8421, в котором каждая десятичная цифра кодируется четырехразрядным двоичным числом. Счетная последовательность суммирующего декадного счетчика в этом случае совпадает с двоичной последовательностью от 0000 до 1001, после чего следует снова 0. и последовательность повторяется.

а) б)

Рис.5.17.Принцип организации счетчика ст10 (а); трех декадный синхронный суммирующий счетчик, работающий в коде 8421 (б ).

Выход (Р) у каждого счетчика является выходом переноса (сигнал «1» на выходе Р появляется при числе в счетчике равном 9).

Кольцевые счетчики

В качестве счетчика может быть использован сдвигающий регистр, замкнутый в кольцо цепью обратной связи (рис.5.18.).

Рис.5.18. Кольцевой счетчик. D1-D4 – условное обозначение D-триггеров

В этом счетчике продвигается одна единица, которая при подаче очередного продвигающего импульса передается в следующую по порядку ячейку. Дойдя до конца регистра, единица записывается в первую ячейку и счет повторяется. Количество D-триггеров в счетчике должно быть равно необходимому числу состояний n = N или необходимому коэффициенту деления, если счетчик используется в качестве делителя.

Очевидно, что при больших коэффициентах деления простейший кольцевой счетчик становится неэкономичным, так как требует столько же триггеров. Для уменьшения количества триггеров используется последовательное соединение кольцевых счетчиков. В этом варианте выходной сигнал одного кольцевого счетчика является продвигающим импульсом для другого.

Рис.5.19.

Коэффициент деления счетчика рис.5.19 равен N = n · m.

При n ≈ m требуется минимальное количество D-триггеров при заданном N.