Основы электротехники. Учебник для высшего профессионального образования вт. Еременко, А. А. Рабочий, А. П. Фисун и др под общ ред вт. Еременко. Орел фгбоу впо Госуниверситет унпк, 2012. 529 с
 Скачать 7.28 Mb.
|
|
Т-триггер – этологическая схема с двумя устойчивыми состояниями и одним информационным входом, изменяющая свое состояние на противоположное всякий раз, когда на вход Т поступает управляющий сигнал. Т-триггер – единственный вид триггера, состояние которого в текущий период определяется собственным состоянием в предыдущем периоде. Самостоятельных Т-триггеров не выпускают. Основной способ построения Т-триггеров – введение соответствующих обратных связей в тактируемых RS, IK, триггерах. Т-триггер называют также счетным триггером (триггером со счетным входом. Его применяют в основном для счета входных импульсов и деления частоты этих импульсов. Применение Т-триггеров в счетчиках обусловлено тем, что каждому входному импульсу соответствует одно срабатывание, те. число срабатываний триггера соответствует числу импульсов. Деление частоты Т-триггером следует из принципа его действия. Каждому периоду изменения входного сигнала соответствует половина периода на выходе (двум периодам соответствует один, те. частота выходного сигнала оказывается в два раза ниже частоты входного. Импульсы на выходе Т-триггера имеют равные длительность паузы и ширину импульса независимо от скважности входного периодического сигнала. Последовательность таких импульсов называют меандром Диаграммы сигналов и таблица состояний Т-триггера показаны на рис. 20.18. Рис. 20.18. Диаграммы сигналов и таблица состояний Т-триггера Уравнение состояний (функция переходов) Т-триггера имеет вид Q(t+1) = T(t) * Q(t) + T(t) * Q(t) = T(t) Q(t) , где знак обозначает функцию ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ-ИЛИ. Имея функцию переходов, можно определить способы получения Т-триггеров из других. Например, если в уравнении состояний JК-триггера положить Кто получим уравнение, идентичное уравнению Т-триггера. На практике это означает, что если соединить между собой входы J и К и подавать на них импульсы, триггер будет выполнять функцию Т-триггера. 20.6. Несимметричные триггеры Такие триггеры часто называют триггерами Шмитта [1]. По своим свойствам они существенно отличаются от симметричных триггеров, так как у них нет памяти о предыдущем состоянии. Несимметричный триггер – это регенеративное устройство, имеющее гистерезисную передаточную характеристику, у которого выходной сигнал может принимать два значения. Переход от одного уровня выходного напряжения к другому происходит скачкообразно при определенном значении входного сигнала – напряжении срабатывания U сраб . Возвращение в исходное состояние происходит при другом уровне входного сигнала – напряжении отпускания U отп (рис. 20.19). Рис. 20.19. Амплитудная характеристика триггера Шмита Характеристика имеет вид гистерезисной петли с шириной ΔU. Триггер Шмитта используется для формирования резких перепадов напряжения из медленно меняющихся входных сигналов. Принцип действия триггера Шмитта рассмотрим на схеме, составленной из дискретных элементов (рис. 20.20). Рис. 20.20. Схема триггера Шмитта на биполярных транзисторах Работа схемы происходит следующим образом Пусть транзистор Т открыт при U вх = 0 и насыщен. Ток, протекающий вцепи к э, создает падение напряжения на резисторе э, препятствующее открыванию транзистора VT1. При этом в исходном положении Т будет находиться в состоянии отсечки, если управляющее напряжение U бэ1 меньше порогового напряжения открытия пор для данного транзистора. При подаче входного напряжения Т открывается в тот момент, когда U бэ1 = пор, потенциал его коллектора понижается, следовательно понижается потенциал и ток базы Т. Транзистор Т из режима насыщения начнет переходить в активный режим, теток через него понижается, что приводит к уменьшению падения напряжения на резисторе э. Последнее увеличивает ток через Т и еще более снижает потенциал его коллектора, что ведет к переходу его из активной области в режим насыщения. Процесс идет лавинообразно. В результате транзистор Т переходит в область отсечки, а транзистор Т – в область насыщения. Напряжение, при котором происходит переключение, называется напряжением срабатывания. Дальнейшее повышение входного напряжения только увеличивает глубину насыщения транзистора Т. Если уменьшить входное напряжение, то возврат схемы в исходное положение будет при меньшем входном напряжении. Схема представляет собой двухкаскадный усилитель, охваченный слабой положительной обратной связью. Параметры элементов схемы выбирают так, чтобы ток насыщения транзистора VT2 был больше тока насыщения транзистора VT1. Это условие выполняется, если Е/(R к2 + э ) Е/(R к1 + эк R к2 Различие в уровнях срабатывания и отпускания является необходимым условием работы схемы в триггерном режиме. Логические элементы со свойством триггера Шмитта имеют внутреннюю ПОС, глубина которой подобрана так, чтобы получить передаточную характеристику со значительным гистерезисом. Триггеры Шмитта вин- тегральном исполнении широко используются во входных цепях электронных устройств. Триггер Шмитта на основе операционного усилителя (ОУ) Достоинство триггера Шмитта на основе ОУ (рис. 20.21) – возможность получения заданных стабильных уровней напряжений срабатывания и отпускания и возможность регулирования ширины петли гистерезиса. Рис. 20.21. Схема триггера Шмитта на основе ОУ и его амплитудная выходная) характеристика Уровень входного сигнала срабатывания определяется опорным напряжением, которое можно регулировать в широких пределах. Триггер представляет собой ОУ, охваченный ПОС (положительной обратной связью) с помощью резисторов R 2 и R 3 . Коэффициент ПОС : = R 2 / (R 2 + R 3 ). Известно, что усилитель, охваченный ПОС, переходит в генераторный режим или становится регенеративным устройством, если К 1, где К – собственный коэффициент усиления ОУ. Если R 2 / (R 2 + Кто устройство будет обладать регенеративными свойствами и выходная характеристика будет иметь вид релейной (те. имеет скачкообразный характер. Смещение центра петли гистерезиса U 01 =U 0 *R 3 / (R 2 +R 3 ). Ширина петли гистерезиса ΔU пг =(U + м + м К, где м – максимальное положительное выходное напряжение ОУ; м – модуль максимального отрицательного выходного напряжения ОУ. 20.7. Цифровые автоматы В электронных системах и устройствах управления различными объектами широкое применение находят функциональные узлы, называемые цифровыми автоматами (ЦА) [2]. В общем случае цифровым автоматом называют цифровое устройство с памятью, предназначенное для преобразования входной цифровой информации в выходные сигналы управления различными объектами. Поведение цифрового автомата определяется – множеством входных сигналов X= (x 1 , x 2 ,…, x l ); – множеством выходных сигналов Y= (y 1 , y 2 ,…, y n ); – множеством внутренних состояний Z= (z 1 , z 2, …z s ); – начальным состоянием z i (t=0) Z; – функцией переходов z (t+1) = f(z (t) ; x (t) ); – функцией выходов y (t) = (z (t) ; x (t) ) – для ЦА Мили y (t) = (z (t) ) – для ЦА Мура. Разница между автоматами Мили и Мура состоит в разной форме зависимости функций выходов в автоматах Мили функция выходов зависит от входных сигналов и внутреннего состояния, а в автоматах Мура функция выходов однозначно определяется его внутренним состоянием. Функционирование ЦА может быть представлено – в виде словесного (текстового описания – в виде таблиц переходов и выходов – в виде графа функционирования. Структурно ЦА может быть представлен в виде трех функциональных устройств (рис. 20.22). Рис. 20.22. Структурная схема ЦА Мили Как следует из структурной схемы, е комбинационное устройство формирует сигналы управления памятью, а е комбинационное устройство вырабатывает выходные сигналы Y. ЦА содержит m триггеров, поэтому может иметь 2 m состояний, соответствующих разрядному двоичному слову. Разрядность n выходного слова Y может отличаться от значения m. Синтез цифрового автомата Рассмотрим выполнение этапов синтеза ЦА на примере гипотетического ЦА типа Мили, функционирование которого задано графом (рис. 20.23) Рис. 20.23. Граф переходов ЦА Табл. 20.6 переходов / выходов (z)/(y) представлена ниже Таблица 20.6 Таблица переходов ЦА Входные сигналы Состояния ЦА z 0 z 1 z 2 z 3 x 1 (x = 0) z 3 /0 z 0 /0 z 2 /0 z 0 /0 x 2 (x = 1) z 1 /0 z 2 /1 z 3 /0 z 1 /1 1. Определяем структуру памяти ЦА – число и тип триггеров. Число триггеров m зависит от числа состояний ЦА S ив данном примере равно m=[log 2 S]=[log 2 4]=2. В качестве триггеров выбираем JK- триггеры. 2. Производим кодирование S состояний ЦА состояниями триггеров (табл. 20.7). Таблица 20.7 Кодирование состояний ЦА Состояние ЦА – Z Z 0 Состояние триггера Т (Q 0 ) 0 1 0 1 Состояние триггера Т (Q 1 ) 0 0 1 1 3. Составляем таблицу функционирования ЦА, учитывающую функцию переходов z (t+1) = f(z (t) , x (t) ), функцию выходов y (t) = (z (t) ; x (t) ) и тип триггеров – JK (табл. 20.8). Таблица 20.8 Таблица функционирования ЦА 4. Пользуясь данными таблицы функционирования, с помощью карт Карно определяем минимизированные логические функции (ЛФ) для построения схем комбинационных устройств, формирующих сигналы управления триггерами J 1 , K 1 , J 0 , К и выходной сигнал y: 5. На основании полученных ЛФ строим логическую схему ЦА рис. 20.24). Рис. 20.24. Логическая схема синтезированного ЦА Схема синтезируемого ЦА может быть построена на триггерах любого типа, поэтому критерии выбора типа триггеров могут быть самыми разными, зависящими от конкретных условий. Можно, например, исходить из условия минимального количества логических элементов в комбинационной части ЦА и т.п. На основании сравнения выбранных критериев сложности реализации синтезируемых схем можно сделать вывод о предпочтительности выбора того или иного вида триггера или набора логических элементов. Пользуясь данными таблицы функционирования, получим, например, ЛФ для комбинационной части при реализации ЦА на триггерах, для чего составим карты Карно для сигналов управления триггерами D 0 и D 1 : D 0 ) ) ( 1 t Q ) ( 1 t Q D 1 ) ) ( 1 t Q ) ( 1 t Q ) ( 0 t Q 1 1 1 0 ) ( 0 t Q 1 0 1 1 ) ( 0 t Q 0 0 1 0 ) ( 0 t Q 0 1 0 0 x x x x x x D 0 = 1 0 1 Q x Q Q ; D 1 = 0 0 1 0 1 Q x Q Q x Q Q Подсчёт сложности реализации логических схем управления триггерами по полученным ЛФ дата) для реализации на триггерах требуется 6 элементов на 13 входов б) для реализации на триггерах потребуется другое количество элементов. 21. РЕГИСТРЫ И СЧЕТЧИКИ 21.1. Общие сведения о регистрах Регистр – это функциональный узел, предназначенный для записи, обработки и хранения цифровых слов. Над словами выполняется ряд операций прим, выдача, хранение, сдвиг, поразрядные логические операции. Главным классификационным признаком для регистров является способ приёма и выдачи данных. Поэтому признаку различают регистры параллельные (статические, последовательные (регистры сдвига) и параллельно-последовательные (универсальные. В параллельных регистрах прими выдача слов производятся по всем разрядам одновременно. В последовательных регистрах слова принимаются и выдаются разряд за разрядом. Эти регистры называют сдвигающими так как в них под действием тактирующих импульсов слова перемещаются в разрядной сетке с шагом в один разряд. Последовательно-параллельные регистры имеют одновременно как последовательные таки параллельные входы и (или) выходы. Существуют варианты с возможностью любого сочетания способов приёма и выдачи слов. Структурно любой регистр представляет собой несколько триггеров (по числу разрядов обрабатываемых слов, объединённых общими цепями тактирования (синхронизации, сброса и установки, разрешения приёма (записи) или выдачи (чтения) слов. Важнейшие характеристики регистров – разрядность и быстродействие. Разрядность определяется количеством триггеров для хранения слов, быстродействие характеризуется максимальной тактовой частотой, с которой может производиться запись, чтение или сдвиг информации. Для построения регистров используются триггеры, JK- и RS- триггеры. Однако в современной схемотехнике, согласно [43], характерно построение регистров именно на триггерах, преимущественно с динамическим управлением. Достоинство регистров на D- триггерах состоит в существенном уменьшении числа соединений в узле, кроме этого триггер повышает устойчивость регистра к помехам. В структурной схеме статического (параллельного) регистра рис. 21.1) приняты следующие обозначения С – вход сигнала тактирования; R – вход сигнала сброса (очистки) – установка логического нуля во всех разрядах выходного слова D 0 …..D n-1 – разрядное слово, подаваемое на входы данных D; EZ – вход разрешения третьего состояния на выходе Q 0 …..Q n-1 – разрядное слово, образованное на выходах Q; Рис. 21.1. Структурная схема (аи условное изображение статического разрядного регистра (б) Режимы работы разрядного регистра определяются совокупностью трех управляющих сигналов «тактирование» – Сброс очистка, третье состояние на выходе – EZ в соответствии с таблицей функционирования (табл. 21.1) Таблица 21.1 Режимы работы n- разрядного регистра Режим работы Управляющие сигналы Выходные сигналы С R EZ Очистка 1 0 1 Q 0 Q n-1 Запись 1 1 Q 0 Q n-1 Хранение 1 1 1 Q 0 Q n-1 Чтение 1 0 D 0 По принципу хранения информации регистры делят на статические и динамические С этой точки зрения статические регистры – это регистры, которые строят на триггерах, способных хранить информацию сколь угодно долго (конечно, при наличии напряжения питания. Динамические регистры строят на таких элементах памяти, как конденсатор, причем в качестве конденсатора обычно используется входная ёмкость МОП-транзистора. Подобный элемент памяти может хранить информацию лишь в течение небольшого промежутка времени (несколько мс, поэтому в динамических регистрах записанная информация требует постоянной регенерации. Из статических регистров можно составить блоки, называемые регистровыми файлами. Регистровые файлы позволяют хранить несколько многоразрядных слов с возможностью независимой и одновременной записи одного слова и чтения другого. Схема управления регистровым файлом позволяет легко наращивать размерность регистровой памяти, составляя блоки памяти из нескольких микросхем. Пример схемы регистрового файла показан на рис. 21.2 [43]. Рис. 21.2. Структурная схема четырёхразрядного регистрового файла 21.2. Сдвиговые регистры Сдвиговый регистр – это устройство, состоящее из нескольких триггеров, соединенных между собой определенным образом и предназначенное для обработки и кратковременного хранения цифровой информации (рис. 21.3). Рис. 21.3. Иллюстрация действия сдвигового регистра Принцип действия сдвигового регистра можно представить следующим образом [10]. Пусть имеется, например, четыре триггерных ячейки, соединенных между собой последовательно. На вход первой ячейки будем подавать двоичную информацию Х, считая, что триггеры тактируются тактовыми импульсами С. Символы A, B, C, D представляют триггеры регистра. Соединения внутри выполнены так, что после каждого тактового импульса каждый триггер фиксирует информацию предыдущего триггера. Составим таблицу состояний на выходах триггеров при поступлении на вход Х (см. рис. 21.3) двоичной информации. Примем для определенности, что до подачи тактовых импульсов исходное состояние триггеров было A = 0, B = 0, C = 0, D = 0 (табл. 21.2). Таблица 21.2 Состояния сдвигового регистра Регистры сдвига могут быть построены на триггерах разного видано наиболее распространены регистры на JK- и триггерах. Структурные схемы таких регистров показаны на рис. 21.4, 21.5. Рис. 21.4. Структурная схема сдвигового регистра на триггерах Рис. 21.5. Структурная схема сдвигового регистра на триггерах В схемах используется последовательный вводи вывод информации. На практике часто используют комбинации видов ввода ивы- вода последовательный вводи параллельный вывод, параллельный вводи последовательный вывод. Кроме этого сдвиговый регистр можно построить таким образом, что информацию, загруженную в него, возможно сдвигать в двух направлениях либо вправо (в сторону младших разрядов сдвигаемого числа, либо влево (в сторону старших разрядов сдвигаемого числа. Такие сдвиговые регистры называют реверсивными. Все эти возможности обеспечиваются дополнительными логическими элементами, которые соединяются между собой и с триггерами таким образом, чтобы обеспечить необходимую структуру регистра как единого целого. Пример структурной схемы реверсивного сдвигового регистра показан на рис. 21.6. Регистр имеет в своём составе 8 триггеров с выходами Q 0 …Q 7 , 8 логических элементов 3-2И-ИЛИ и набор логических элементов 2 инвертора для входных сигналов S 0 , S 1 , буферные усилители для сигналов Си логических элемента 2ИЛИ-НЕ и элемент И. Комбинации сигналов R S 0 S 1 позволяют выбрать режим работы регистра, а сигналы DSR, DSL определяют направление сдвига. Рис. 21.6. Структурная схема универсального сдвигового регистра регистр реверсивный, с параллельным выводом) Условное графическое обозначение универсального регистра КР 1533 ИР13 показано на рис. 21.7. Рис. 21.7. Условное графическое обозначение регистра КР1533ИР13 Функциональные возможности регистра отражены в его таблице функционирования (табл. 21.3). В таблице показано, что любые операции сданными возможны (разрешены) только при единичном уровне сигнала сброса (R=1). При R=0 происходит обнуление выходов (очистка регистра. Стрелки в графе С (см. табл. 21.3) показывают, что операции совершаются в момент изменения сигнала Сот нуля к единице (по фронту сигнала С. Таблица 21.3 Таблица функционирования регистра КР 1533ИР13 |