Счетчики импульсов.

Последовательностные устройства

В сложных электронных устройствах вместе с комбинационными схемами применяются и такие, у которых есть "память". Значения их выходных сигналов зависят не только от того, какие сигналы действуют в данный момент времени на входе, но и от того, каково было внутреннее состояние схемы ранее. В качестве элементов памяти, как правило, используются триггеры. Схемы, содержащие и логические элементы, и элементы памяти, называются последовательностными.

Триггеры

Триггер – это устройство, имеющее два устойчивых состояния, способное под воздействием управляющего сигнала скачком переходить из одного состояния в другое и хранить это состояние сколь угодно долго. Способность хранить состояние сколь угодно долго и определяет "память" триггера.

Триггеры классифицируются:

- по числу информационных входов: с одним входом, с двумя входами и более;

- по моменту срабатывания: асинхронные и синхронные триггеры;

- по функциональному назначению:

триггеры с раздельным запуском (RS-типа),

счетные (Т-типа), комбинированные (RST-типа), универсальные (JK-типа), задержки (D-триггер) и др.;

- по типу входного воздействия: триггеры со статическими входами, триггеры с динамическими входами.

Статические входы – это такие, по которым входной сигнал оказывает свое воздействие в течение всей его длительности. При динамических входах сигнал воздействует на триггер только на длительности фронта или среза.

Все триггеры имеют два выхода – прямой "Q" и инверсный " ". Информация на одном выходе является инверсией информации на другом. В основу построения триггеров положено применение логических элементов "ИЛИ-НЕ" или "И-НЕ" и обратных связей.

Схема RS триггера на элементах "ИЛИ-НЕ" приведена на рис.18.1а. На рис. 18.1б показано его условное обозначение. Управление схемой.

Входы	прямой выход
S	R	Qn+1
		Qn
		Неопреде-ленность

в)

Рис. 18.1

осуществляется по уровню логической "1". Это значит, что когда на входах присутствует "0", т. е. , , состояние триггера не меняется. Уровень "0" является нейтральным.

Перед анализом работы схемы приведем логические действия элемента "ИЛИ-НЕ":

(18.1)

Пусть после включения питания на входах и выходах схемы установились состояния: R = 0; S = 0; Q = 1; . Уровень "1" с выхода Q поступает на вход С элемента Э2. На входе В по условию присутствует "0". Согласно (18.1) входные сигналы Э2 сформируют на его выходе уровень логического "0".

Этот уровень поступает на вход D элемента Э1. На входе А этого элемента также присутствует "0". Такие состояния, согласно (18.1), формируют на выходе Э1 уровень логической "1". Таким образом, состояние первого элемента поддерживает состояние второго и наоборот, т. е. это устойчивое состояние триггера.

Пусть в некоторый момент времени t₁ на вход R поступает сигнал с логическим уровнем "1". Так как на входе D Э1 в это время присутствует уровень "0", то, согласно (18.1), уровень выхода Э1 скачком изменится с "1" до "0", т. е. Q = 0. Теперь на входы С и В элемента Э2 воздействует уровень логического "0". Поэтому выход Э2 скачком изменяет уровень от "0" до "1", т. е. .

Новое состояние триггера так же устойчивое. Оно не изменится, когда на вход R будет воздействовать уровень логического "0". При поступлении на вход R новых "1" состояние триггера останется прежним. Оно изменится только в том случае, когда уровень "1" поступит на вход S. Таким образом, RS-триггер управляется поочередно по двум входам.

Таблица возможных состояний триггера приведена на рис. 18.1в. При отсутствии входных сигналов триггер сохраняет информацию о последней из поступивших команд, т. е. служит элементом памяти. Сочетание входных сигналов является недопустимым. При таком сочетании триггер может принять любое состояние. Потому оно не применяется.

Схема RS-триггера на элементах "И-НЕ" приведена на рис. 18.2. На рис. 18.1б показано его условное обозначение. Собственно триггер собран на элементах Э3 и Э4. Элементы Э1 иЭ2 выполняют роль инверторов. Логические действия для элементов "И-НЕ" имеют вид:

(18.2)

Исполнительным значением двоичного сигнала для элементов "И-НЕ" является "0", нейтральным – "1". Если на А и В присутствует уровень "1", то состояние триггера устойчивое. Пусть, например, А = В = 1, Q = 1, . Уровень "1" с выхода Q поступает на вход С, а так как вход В = 1 по условию, то согласно (18.2) на выходе элемента Э4 формируется уровень логического "0". Этот уровень поступает на вход D элемента Э3. Вход А этого элемента равен "1" по условию. По (18.2) эти уровни сформируют на выходе элемента Э3 логическую "1". Таким образом, состояние элемента Э3 поддерживает состояние элемента Э4 и наоборот, т. е. это устойчивое состояние триггера.

Совершенно аналогично можно показать, что состояние А = В = 1, Q = 0, так же устойчиво. Включение инверторов Э1 и Э2 позволяет изменить исполнительный уровень входных сигналов, т. е. для входов S и R исполнительным уровнем является "1", а нейтральным "0". Поэтому возможные состояния схемы рис. 18.2 соответствуют таблице рис. 18.1в. Согласно этой таблице состояние входов S = R = 0 является нейтральным и позволяет триггеру сохранять память о последней из поступивших команд. Чтобы изменить состояние выходов триггера, необходимо на вход S или R подать "1". Состояние S = R = 1 недопустимо.

Триггеры по рис. 18.1а и 18.2 переходят в новое состояние сразу после поступления входного сигнала и поэтому называются асинхронными.

Синхронные RS-триггеры.

Во многих устройствах необходимо синхронизировать во времени переключение триггеров. Дело в том, что неодновременное переключение может привести к появлению непредусмотренных состояний устройства и к срыву его работы. Синхронные триггеры имеют дополнительный вход для подачи на него синхронизирующего (тактового) импульса определенной длительности.

Синхроимпульс своим исходным (нулевым) значением блокирует (закрывает) информационные входы S и R. В этом случае триггер не реагирует на входные сигналы, сохраняя предыдущее состояние. Триггер воспринимает информацию на входах, когда значение синхронного импульса равно "1" и переходит в новое состояние на интервале среза синхроимпульса.

Схема синхронного RS-триггера приведена на рис. 18.3а. На рис. 18.3б – его условное обозначение. Во всех случаях, когда С = 0 на выходах элементов Э1 и Э2 уровни , т. е. нейтральны для элементов Э3 и Э4 не зависимо от состояния входных сигналов S и R. В этом и заключается эффект блокирования входов.

При С = 1 на выходах элементов Э1 и иЭ2 сигналы становятся инверсными по отношению к исходным S и R. Их комбинация вызовет реакцию триггера в соответствии с таблицей рис. 18.1в.

Например:

- если S = R = 0, то , триггер сохраняет «память» о предыдущем состоянии;

- если S = 1, а R = 0, то ; , триггер переходит в состояние "1", т. е. ;

- если S = 0, а R = 1, то , триггер переходит в состояние "0", т. е.

Пример наглядно показывает, что для входов S, R и С исполнительным уровнем является "1".

Кроме синхронных входов R и S синхронный триггер снабжается асинхронными входами S_A и R_A. Асинхронные входы позволяют задать триггеру определенное исходное состояние перед началом работы в синхронном режиме. При синхронном управлении триггером на входах S_A и R_A должен поддерживаться нейтральный уровень, т. е. "1".

JK-триггеры – это универсальные синхронные триггеры. Работа JK-триггера описывается таблицей рис. 18.4а. Входы триггера . Как и RS-триггер, он сохраняет свое состояние при J = K = 0. Когда J = 1, триггер переходит в состояние . При R = 1 – в состояние . При J = K = 1 начальное состояние триггера меняется на противоположное, т. е. . Это основное отличие JK от RS-триггера.

Условное обозначение JK-триггера показано на рис. 18.4б, а временные диаграммы, поясняющие его работу на рис. 18.4в. Во время действия тактового

Входы	Прямой выход
J	K

а)

Рис. 18.4

импульса С = 1 на интервале вход J = 1. Поэтому в момент среза импульса С триггер переходит в состояние Q = 1. На интервале С = 0. Триггер не воспринимает входную информацию. На интервале второго тактового импульса вход К = 1. Поэтому в момент t₄ триггер переключается: Q = 0. Во время действия третьего синхроимпульса J = 0; K = 0. Поэтому он не меняет своего состояния.

Обычно JK-триггеры снабжаются установочными входами R и S. Эти входы асинхронные. При S = 1 триггер устанавливается в состояние . При R = 1 – .

Схема JK-триггеров достаточно сложна и в лекции не рассматривается. Схемное усложнение позволило ликвидировать состояние неопределенности и увеличить число входов J и K (обычно по 3).

Счетный Т-триггер реализует только четвертую строку таблицы рис.18.4а. Таким свойством обладает JK-триггер, когда его входы J = K = 1. При таком включении входов триггер переключается в момент среза каждого тактового импульса. Отсюда следует, что счетный триггер имеет один тактовый вход, который обозначают символом «Т». Обозначение Т-триггера приведено на рис. 18.5а. На рис.18.5б приведены временные диаграммы, поясняющие его работу. Из диаграмм видно, что частота повторения импульсов на выходе триггера Q в два раза меньше частоты повторения импульсов на входе Т, т. е. Т-триггер делит частоту входных импульсов на 2. Счетные триггеры широко применяются в счетчиках, распределителях и делителях частоты.

D-триггер запоминает входную информацию в момент фронта синхроимпульса и хранит ее до следующего тактового импульса. D-триггер может быть выполнен на основе JK-триггера, при включении на входе элемента "НЕ", обеспечивающего условие . Отсюда следует, что D-триггер имеет тактовый вход С и вход D. Его работа описывается второй и третьей строкой таблицы рис. 18.4а, т. е. . Поэтому D-триггер является элементом памяти и находит широкое применение, в том числе в регистрах. Условное обозначение D-триггера и временные диаграммы, поясняющие его работу, приведены на рис. 18.6.

В микросхемном исполнении триггеры выпускаются в составе многих серий цифровых интегральных микросхем. Для условного обозначения им присвоены следующие индексы:

RS-триггеры – ТР;

JK-триггеры – ТВ;

D-триггеры – ТМ.

Например, микросхема К555 ТР2 содержит 4 RS-триггера.

Микросхемы К555 ТВ6 и К555 ТВ9 включают в свой состав по два IK триггера каждая. Микросхемы позволяют путем внешних коммутационных изменений получить схемы, выполняющие функции RS, D и Т-триггеров.

Счетчики импульсов.

Одной из наиболее распространенных операций в устройствах дискретной обработки информации является счет импульсов (таймеры ЭСЧ, цифровые измерительные приборы, АЦП и т. п.). Эту операцию выполняют счетчики, которые по назначению делятся на простые (выполняющие операцию суммирования и вычитания) и реверсивные.

Простые счетчики осуществляют переходы от предыдущего состояния к последующему только в одном направлении, т. е. могут или суммировать или вычитать импульсы. Реверсивные счетчики имеют переходы в двух направлениях – прямом и обратном. В зависимости от системы счисления счетчики делятся на двоичные и десятичные. Синхронизация счета бывает двух типов – синхронная (по фронту импульса) и асинхронная (по импульсу). В основу построения счетчиков положено применение Т-триггеров. Максимальное число, которое может быть записано в счетчике равно , где n – число разрядов счетчика. Каждый разряд двоичного счетчика представляет собой триггер.

Схема четырехразрядного счетчика на сумму приведена на рис. 18.7а. На рис. 18.7б приведены эпюры, поясняющие принцип его работы. На схеме "Т" – счетный вход счетчика, - выходы разрядов, "УСТ" – установка состояния. Связь между триггерами – по прямым входам. Перед началом счета все триггеры устанавливаются в нулевое состояние - . Для этого достаточно подать единичный потенциал по шине "УСТ". Счетные импульсы поступают на вход "Т" первого триггера и переключаю его срезом каждого импульса (диаграмма Q₁). Срезом импульсов выхода Q₁ переключается триггер Т₂ (диаграмма Q₂). Триггеры Т₃ и Т₄ переключаются по аналогичному алгоритму.

Все состояния триггеров счетчика отражаются таблицей состояний 18.1. Нетрудно видеть, что состояние разрядов счетчика представляет собой запись числа поступивших на данный момент импульсов в двоичном коде. После записи максимального числа счетчик автоматически обнуляется, т. е. устанавливается исходное состояние . Далее начинается новый цикл счета. При необходимости увеличить число N достаточно подключить к выходу счетчика дополнительные разряды (триггеры).

Аналогично суммирующему счетчику строится счетчик на вычитание. Схема такого счетчика приведена на рис. 18.7в. В этой схеме связь между триггерами выполнена по инверсным выходам, а шина "УСТ" объединяет установочные входы триггеров "S".

Перед началом счета все триггеры устанавливаются в состояние . С поступлением на вход Т счетных импульсов происходит изменение состояний триггеров на вычитание. Все состояния триггеров приведены в таблице 18.2. Таблица представляет собой двоичную запись линейно убывающих чисел.

Часто возникает необходимость в счетчиках, которые могли бы поочередно выполнять сложение и вычитание поступающих импульсов. Такие счетчики называются реверсивными. Реверсивные счетчики снабжаются системой коммутации связей между триггерами (с прямых на инверсные и обратно) и двумя счетными входами. При подаче импульса на вход "+1" между триггерами устанавливается связь по прямым выходам, при этом код, записанный в счетчике, устанавливается на единицу. При поступлении импульса на вход "-1" происходит обратная коммутация триггеров и код, записанный в счетчике, уменьшается на единицу. Условное обозначение реверсивного счетчика показано на рис. 18.8.

Таблица 18.1 Таблица 18.2

№ импульса						№ импульса
3

В ряде случаев возникает необходимость вернуть счетчик в исходное состояние после записи некоторого числа . Для создания такого счетчика достаточно ввести в него цепь ОС. Например, декадные счетчики выполняются на основе четырехразрядных двоичных счетчиков. Но счет необходимо выполнять от 0 до 9, т. е. после записи цифры 9 необходимо возвратить триггеры в исходное состояние. Значит, цепь ОС должна выделить двоичную комбинацию числа 10. Наиболее просто она может быть образована с использованием логического элемента "И" (рис. 18.9).

Промышленность выпускает счетчики в виде интегральных микросхем, в том числе двоичные (на сложение и вычитание), двоично-десятичные (декады), реверсивные, с программируемым коэффициентом счета. Например:

К555 ИЕ10 – синхронный, четырехразрядный двоичный счетчик;

К555 ИЕ9 – четырехразрядный двоично-десятичный счетчик;

К555 ИЕ6; ИЕ7 – двоично-десятичный и двоичный реверсивные

четырехразрядные счетчики;

К555 ИЕ14 – асинхронный счетчик-делитель с программируемым

коэффициентом деления.

Регистры.

Регистрами называют функциональные узлы, предназначенные для хранения n-разрядных двоичных чисел (слов). Основными видами регистров являются параллельный и последовательный.

Схема четырехразрядного параллельного регистра приведена на рис. 18.10. В этой схеме четыре D триггера объединены по входам С. Входами регистра являются входы D-триггеров. Выходы регистра могут иметь ключевую развязку посредством логических элементов "И".

В регистр информация поступает в виде параллельного кода по n проводам. Входы обозначены по разрядам кодовой комбинации . Одновременно на входы С всех триггеров подается логический сигнал "1" – "Запись". Во время фронта импульса С срабатывают все триггеры, принимая состояние входов. Для считывания информации достаточно на входы 1 всех логических элементов "И" подать уровень логической "1". Информация присутствует на выходах ; ; ; в виде параллельного кода на интервале длительности импульса "считывание".

Схема четырехразрядного последовательного (сдвигающего) регистра приведена на рис. 18.11а. На рис. 18.11б приведены временные диаграммы, поясняющие его работу.

Для построения регистра применяются D-триггеры. Схема имеет один вход – "x" и выходы каждого разряда - . Тактовые входы всех триггеров объединены по шине "СС" – сигнал сдвига. На вход первого разряда регистра поступает цифровой сигнал записываемого числа. На вход каждого следующего разряда поступает сигнал с выхода предыдущего разряда. Работой схемы управляет тактовая последовательность импульсов СС. Важно, чтобы период следования СС был равен длительности разряда записываемого кодового числа.

Пусть перед записью все D-триггеры находятся в состоянии . Пусть также на вход Х последовательно во времени поступают разряды кодового числа 1011 (диаграмма х). С поступлением первого импульса СС по его фронту в первый D-триггер записывается первый разряд кодового слова – "1". Во все остальные D-триггеры регистра будет записан "0". Эта информация будет храниться до прихода следующего импульса СС.

К моменту поступления второго импульса СС на вход первого D-триггера воздействует второй разряд кодового слова. Он равен "0". На вход второго D-триггера воздействует сигнал . На вход третьего и четвертого D-триггеров воздействует "0". По фронту второго импульса СС эта информация и записывается в соответствующий триггер. Первый разряд кодового слова сдвинулся во второй разряд регистра, а в первый разряд регистра записан второй разряд кодового слова.

Далее процессы повторяются. Каждый импульс СС продвигает записываемую информацию по разрядам регистра от входа к выходу. Поэтому последовательный регистр часто называют регистром сдвига. Фронтом четвертого импульса СС все разряды кодового числа расположатся в разрядах регистра как показано на рис. 18.11б. В общем случае для записи n разрядов кодового числа потребуется п импульсов СС.

Поступивший на вход Х последовательный код может быть считан с выходов как параллельный, т. е. последовательный регистр позволяет преобразовать последовательный код в параллельный.

Информация, записанная в последовательном регистре, может быть считана с выхода старшего разряда в виде последовательного кода. Для этого достаточно подать n импульсов СС.

Промышленность выпускает регистры в виде интегральных микросхем как параллельные, так и последовательные. Например:

К555 ИР15 – четырехразрядный параллельный регистр;

К555 ИР8 – восьмиразрядный последовательный регистр;

К555 ИР10 – восьмиразрядный сдвиговый регистр, осуществляет

параллельно-последовательную запись информации.