LABORATORIUM PODSTAWY ELETRONII PRZERZUTNII
el ćwiczenia Zapoznanie się z budową i zasada działania przerzutników synchronicznych jak i asynchronicznych. Poznanie przerzutników asynchronicznych odniesione jest do przerzutników zrealizowanych na bramkach NAND i NOR, natomiast synchronicznych do przerzutników typu, oraz D. Program ćwiczenia ma zostać zrealizowany na praktycznym zestawieniu układów przerzutników do wymaganych zastosowań. Przebieg ćwiczenia: 1. Zapoznanie się z zasada działania przerzutników asynchronicznych RS wykonanych jako układ bramek NAND oraz NOR. Następnie przerzutników synchronicznych D,, T występujących na danym stanowisku laboratoryjnym, korzystając z instrukcji 2. Przeprowadzić analizę stanów wyjściowych dla kaŝdego przerzutnika asynchronicznego. 3. Ustalić odpowiedni poziom napięcia wejściowego oraz częstotliwość do prawidłowej obserwacji sygnałów wyjściowych dla przerzutnika synchronicznego 4. Przeprowadzić analizę stanów wyjściowych dla kaŝdego przerzutnika synchronicznego 5. Zaprojektować i wykonać licznik modulo 2, oraz modulo 3 na przerzutnikach. Liczniki maja zliczać w przód i tył. Przeprowadzić analizę stanów wyjściowych dla kaŝdego z liczników 6. Zaprojektować i wykonać przerzutnik D zbodowany na przerzutnikach. Przeprowadzić analizę stanów wyjściowych dla kaŝdego z liczników 7. Wyniki ćwiczenia umieścić w sprawozdaniu 2
Wiadomości podstawowe: 1. Przerzutniki synchroniczne Przerzutniki zrobione z dwóch bramek, takie jak na rysunku 1, jest znany jako przerzutnik RS (ang. set-reset) albo asynchroniczny (ang. jam loaded). Wymuszenie jednego lub drugiego stanu takiego przerzutnika jest moŝliwe w dowolnej chwili przez doprowadzenie do właściwego wejścia odpowiedniego sygnału wejściowego. Stosuje się je do usuwania drgań zestyków i w wielu innych układach. ednak najczęściej uŝywane przerzutniki wyglądają nieco inaczej. Zamiast dwóch wejść asynchronicznych mają dwa wejścia "danych" i jedno wejście "zegarowe". Stan wyjścia moŝe się zmieniać lub pozostać niezmieniony; zaleŝy to od stanu linii wejściowych (danych) tylko w czasie trwania impulsu zegara. R S Rys. 1. Schemat najprostszego przerzutnika taktowanego (synchronicznego). Rys. 2. Przerzutnik taktowany. est to po prostu zwykły przerzutnik RS i para bramek (sterowanych przebiegiem taktującym), które odblokowują wejścia zerujące i ustawiające. Łatwo sprawdzić, Ŝe jego tablicą prawdy jest: S R n+1 0 0 n 0 1 0 1 0 1 1 1 nieokreślony 3
gdzie n+1 oznacza stan wyjścia po przejściu impulsu zegara, a n - stan wyjścia przed pojawieniem się impulsu zegara. Podstawowa róŝnica między tym i poprzednimi przerzutnikami polega na tym, Ŝe R i S mają teraz charakter wejść danych. Stan tych wejść w czasie trwania impulsu zegara wymusza zachowanie się wyjścia. Przerzutnik ten ma jednak jedną niewygodną właściwość. Stan wyjścia moŝe zmieniać się w odpowiedzi na stan wejść, gdy sygnał taktujący jest w stanie wysokim. W tym sensie jest to w dalszym ciągu przerzutnik asynchroniczny (znany jest pod nazwą "przezroczystego zatrzasku", ang. transparent latch, poniewaŝ jego wyjście "widzi" wejście, gdy sygnał taktujący jest w stanie wysokim) 5). Prawdziwie poŝyteczne przerzutniki to układy o nieco innych strukturach: przerzutnik dwuzboczowy (ang. master-slave flip flop) i przerzutnik wyzwalany zboczem (ang. edgetriggered flip-flop). 2. Przerzutniki dwuzboczowe i wyzwalane zboczem Są to najbardziej popularne przerzutniki. Dane ustalone w liniach wejściowych tuŝ przed zmianą stanu zegara, czyli jego "zboczem", wyznaczają stan wyjść ustalający się po przejściu impulsu taktującego. Z uwagi na to, Ŝe są powszechnie dostępne w postaci tanich układów scalonych, nie konstruuje się ich nigdy samodzielnie. Warto jednak zaznajomić się z ich strukturą wewnętrzną, co pomoŝe zrozumieć zasadę ich działania. Na rys. 3a i 3b przedstawiono odpowiednie schematy ideowe. Rys. 3a. 4
Rys. 3b. - Przerzutniki D wyzwalane zboczem Oba układy to przerzutniki typu D. Stan wejścia D pojawi się na wyjściu po zakończeniu impulsu zegara. Zasada działania przerzutnika dwuzboczowego będzie prawdopodobnie łatwiejsza do zrozumienia. Oto jak on działa. iedy sygnał taktujący jest w stanie wysokim, bramki 1 i 2 są odblokowane, wymuszając na pierwszym przerzutniku - wykonanym z bramek 3 i 4 i nazywanym głównym (ang. master) - taki sam stan, jaki panuje na wejściu D: M = D, M' = D'. Bramki 5 i 6 są zablokowane, więc drugi przerzutnik - wykonany z bramek 6 i 7 i nazywany pomocniczym (ang. slave) - zachowuje poprzedni stan. iedy na wejściu zegarowym pojawia się opadające zbocze impulsu, wejścia przerzutnika głównego są odłączone od wejścia D, jednocześnie wejścia przerzutnika pomocniczego są dołączone do wyjść przerzutnika głównego. Wobec tego przerzutnik główny przekazuje swój stan przerzutnikowi pomocniczemu. Na wyjściu nie zachodzą Ŝadne inne zmiany, poniewaŝ pierwszy przerzutnik został juŝ "zatrzaśnięty". Przy następnym narastającym zboczu zegara przerzutnik pomocniczy zostanie zablokowany i zachowa swój stan, podczas gdy przerzutnik główny będzie ponownie reagował na stan wejścia. Przerzutnik wyzwalany zboczem zachowuje się na zewnątrz tak samo, ale jego wewnętrzne działanie jest nieco inne. Analiza pracy takiego przerzutnika nie jest trudna. Schemat przedstawiony na rysunku 3b pokazuje uproszczoną strukturę wewnętrzną przerzutnika D wyzwalanego narastającym zboczem impulsu zegara, którego dwa egzemplarze zamknięte w jednej obudowie tworzą popularny układ scalony oznaczany symbolem '74. Wcześniej omówiony przerzutnik typu master-slave przekazuje informację na wyjście zboczem opadającym. Istnieją przerzutniki wyzwalane zarówno zboczem dodatnim, jak i ujemnym. o więcej, większość przerzutników ma takŝe wejścia asynchroniczne typu SET (ustawiające) i LEAR (zerujące). Zerowanie i ustawianie moŝe być wykonywane poziomem niskim lub wysokim, zaleŝnie od typu przerzutnika. ilka popularnych przerzutników pokazano na rysunku 4. 5
Rys. 4. - Przerzutnik D i Mały klin oznacza "wyzwalany zboczem", małe kółeczko oznacza "negację" lub uzupełnienie. Tak, więc układ '74 jest podwójnym przerzutnikiem typu D, wyzwalanym zboczem narastającym, z wejściami asynchronicznymi SET i LEAR aktywnymi poziomem niskim. Układ 4013 (MOS) jest podwójnym przerzutnikiem typu D, wyzwalanym zboczem narastającym, z wejściami asynchronicznymi SET i LEAR aktywnymi poziomem wysokim. Układ '112 jest podwójnym przerzutnikiem typu, w którym przekazywanie danych na wyjście odbywa się na zboczu opadającym i który ma wejścia asynchroniczne SET i LEAR aktywne poziomem niskim. Przerzutnik. Zasada działania przerzutnika jest podobna do zasady działania przerzutnika D z tą róŝnicą, Ŝe ma on dwa wejścia danych. Oto tablica prawdy: n+1 0 0 n 0 1 0 1 0 1 1 1 ' n Wynika z niej, Ŝe jeŝeli stany na wejściach i są róŝne, to przy następnym aktywnym zboczu zegara wyjście znajdzie się w stanie określonym, przez. eŝeli i są w stanie niskim, to stan wyjścia się nie zmieni. eŝeli i są w stanie wysokim, to stan wyjścia będzie się zmieniał na przeciwny przy kaŝdym kolejnym impulsie zegara 3. Przerzutniki Przerzutnik jest to najprostszy układ sekwencyjny. Przerzutniki dzielimy na synchroniczne tzn. takie, w których występuje, (co najmniej jeden) wyróŝniony sygnał zwany przebiegiem zegarowym, taktującym lub synchronizującym. Przebieg ten wyznacza cykl pracy układu, a jego okres stanowi umowną jednostkę czasu. Sygnał zegarowy określa chwile, w których stany wejść oddziałują na układ. hwile te są wyznaczane przez zbocze dodatnie bądź ujemne przebiegu taktującego, dlatego mówimy o synchronizacji układu zboczem narastającym lub opadającym. W chwilach tych stan innych wejść nie powinien się zmieniać. Odcinek czasu pomiędzy dwoma kolejnymi zboczami aktywnymi sygnału zegarowego jest nazywany okresem. Dla oznaczania sposobu wyzwalania danego przerzutnika stosuje się symbole przedstawione na poniŝszym rysunku: 6
a) wyzwalanie zboczem dodatnim. b) wyzwalanie zboczem ujemnym. Są takŝe przerzutniki synchroniczne wyzwalane poziomem. Drugą grupę stanowią przerzutniki asynchroniczne, w których kaŝda zmiana stanu wejść układu oddziałuje na układ, powodując jego reakcję. Układy synchroniczne z racji oddziaływania wejść na wyjścia tylko w chwilach określonych przez sygnał zegarowy są układami bardziej odpornymi na zakłócenia niŝ układy asynchroniczne. Badany przez nas przerzutnik jest właśnie układem synchronicznym z racji posiadania wejścia taktującego. Reaguje więc on na informację tylko w obecności impulsu zegarowego, przy czym stan wejść informacyjnych powinien być wówczas juŝ ustalony i nie zmieniać się. aŝdy przerzutnik uŝywany w technice cyfrowej jest układem, o co najmniej dwóch wejściach i z reguły dwóch wyjściach. Wejścia mogą być: - zegarowe (inaczej: synchronizujące, wyzwalające). Wejście to oznaczane jest literą lub oznaczeniami:, L, P, L. (przy czym występuje ono tylko w przerzutnikach synchronicznych). - informacyjne. - programujące, przygotowujące. Wejścia programujące są wejściami asynchronicznymi i nadrzędnymi w stosunku do pozostałych wejść. Ich nadrzędność wraŝa się tym, Ŝe przy sterowaniu przerzutnika od strony pozostałych wejść o stanie przerzutnika decydują wyłącznie wejścia programujące. Działanie przerzutnika w naszym przypadku opisaliśmy za pomocą tzw. tablicy wzbudzeń, która określa, jaki powinien być stan wejść informacyjnych, aby przerzutnik przeszedł z jednego stanu do drugiego. 3.1. Przerzutnik synchroniczny typu. Symbol graficzny oraz tablicę wzbudzeń przedstawia rysunek: 7 + 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0
Przerzutnik ma dwa wejścia informacyjne oznaczone literami i oraz wejście zegarowe. Wejście = 1 ustawia przerzutnik w stan 1, a wejście = 1 ustawia przerzutnik w stan 0. Dla stanu = 0 i = 0 przerzutnik ten pamięta stan poprzedni. Podanie stanu = 1 i = 1 sprawia, przerzutnik zmienia swój stan na przeciwny w stosunku do poprzedniego. Wszystkie zmiany wyjść zachodzą w obecności aktywnego zbocza impulsu zegarowego podanego na wejście (dla oznaczenia na rys. jest to zbocze opadające). Działanie dynamiczne przerzutnika wyzwalanego opadającym zboczem impulsu zegarowego obrazuje przebieg zdjęty z wejść i wyjść układu. 3.2. Przerzutnik synchroniczny typu MS. Przerzutnik typu moŝe być synchronizowany zboczem ujemnym, dodatnim lub poziomem, a takŝe moŝe być przerzutnikiem dwutaktowym, co oznacza, Ŝe do ustawienia stanu przerzutnika są wymagane dwa kolejne zbocza impulsu zegarowego tzn. cały pojedynczy impuls prostokątny. Przerzutnik taki nazywamy przerzutnikiem kategorii Master Slave, w skrócie MS (master pol. Pan, slave - pol. sługa). Przerzutnik dwutaktowy (MS) działa w ten sposób, Ŝe w czasie pierwszego zbocza (narastającego) są próbkowane stany wejść i, drugie zbocze (opadające) powoduje zgodną z tablicą przejść zmianę stanu przerzutnika. W rezultacie zmianę stanu obserwujemy przy opadającym zboczu impulsu zegarowego i dlatego symbol graficzny takiego przerzutnika mówi nam, Ŝe jest to przerzutnik reagujący na opadające zbocze impulsu zegarowego. Ogólnie rzecz biorąc kolejność zboczy moŝe być odwrócona, czyli czytanie wejść moŝe być przy zboczu ujemnym, a zmiana stanu wyjść przy zboczu dodatnim. ak przedstawia poniŝszy rysunek, przerzutnik dwutaktowy składa się z dwu przerzutników połączonych kaskadowo. Pierwszy z nich nazywany jest Master (M), drugi Slave (S). 8
Schemat logiczny takiego rozwiązania: Dla zapewnienia poprawnej pracy przerzutnika sygnały na wejściach informacyjnych powinny być ustalone przez cały czas trwania impulsu zegarowego. Zmiana stanu wejść podczas aktywnego zbocza impulsu zegarowego moŝe spowodować niezgodne z tablicą przejść działanie przerzutnika. Przykładem scalonego przerzutnika typu MS moŝe być układ 7473 zawierający w swej strukturze dwa niezaleŝne przerzutniki z wyprowadzonym wejściem zerującym reagującym na stan niski (LR). GND 14 7493 LR LR 1 Vcc W układach cyfrowych zawierających przerzutniki naleŝy liczyć się z moŝliwością przypadkowego ustalenia stanu układu po włączeniu zasilania. Wobec tego na ogół wymaga się sprowadzenia układu do stanu początkowego przed rozpoczęciem pracy. Takie wstępne przygotowanie układu osiąga się za pomocą wejść zerujących wprowadzających wyjście przerzutnika w stan niski lub wejść ustawiających wprowadzających wyjście przerzutnika w stan wysoki na wyjściu, przy czym niedozwolona jest jednoczesna aktywacja obu tych wejść. 9
4. Dzielniki częstotliwości 4.1. Dzielniki częstotliwości przez 2 Wykorzystując właściwość przerzutnika, polegającą na zmianie stanu po kaŝdym impulsie zegara, moŝna łatwo wykonać układ dzielenia częstotliwości przez 2. Dwa przykłady takiego układu pokazano na rys. 5. Rys. 5. - Przerzutniki w układach dzielników częstotliwości przez 2 Przerzutnik zmienia stan na przeciwny po kaŝdym impulsie zegara, gdy jego oba wejścia utrzymywane są w stanie wysokim. Tę samą funkcję spełnia równieŝ drugi układ, poniewaŝ do wejścia D przerzutnika jest doprowadzany sygnał z jego własnego wyjścia '. Wobec tego w momencie nadejścia impulsu zegara przerzutnik D widzi na wejściu negację swojego własnego stanu. W kaŝdym przypadku częstotliwość przebiegu wyjściowego jest dwukrotnie mniejsza od częstotliwości przebiegu wejściowego. 4.2. Dzielniki częstotliwości przez 2 n Łącząc kaskadowo kilka dzielników przez 2 (tzn. łącząc wyjście kaŝdego przerzutnika z wejściem zegarowym następnego przerzutnika) uzyskuje się układ dzielnika przez 2 n, czyli licznika binarnego. Na rysunku 6 pokazaliśmy 4-stopniowy licznik asynchroniczny z przeniesieniem szeregowym (ang. ripple counter) oraz jego przebiegi czasowe. 10
Rys. 6. - Licznik 4-bitowy: a) schemat, b) przebiegi czasowe eŝeli wejścia zegarowe są sterowane sygnałami z wyjść, trzeba uŝyć przerzutników wyzwalanych zboczem opadającym (wskazują na to symbole negacji). Pokazany układ jest licznikiem zliczającym do 16, albo inaczej - dzielnikiem częstotliwości sygnału zegarowego przez 16. Sygnał wyjściowy ostatniego przerzutnika jest falą prostokątną o częstotliwości równej 1/16 częstotliwości wejściowego sygnału taktującego. Układ taki nazywa się licznikiem, poniewaŝ informacja obecna na czterech wyjściach, odczytywana jako 4-bitowa liczba binarna, przyjmuje w kolejnych taktach zegara kolejne wartości binarne od 0 do 15, ulegając za kaŝdym razem zwiększeniu o jeden. Ilustrują ten fakt pokazane na rysunku 6 przebiegi czasowe. W ich opisie skrótami MSB i LSB oznaczono odpowiednio najbardziej i najmniej znaczący bit licznika. Wygięte strzałki wskazują uzaleŝnienia między sygnałami, co ułatwia zrozumienie zasady działania układu. Licznik jest tak poŝytecznym układem funkcjonalnym, tak Ŝe doczekał się wykonania w postaci scalonej w wielu wersjach, w tym jako licznik 4-bitowy, BD i wielocyfrowy. Łącząc kaskadowo wiele takich liczników i wyświetlając wynik zliczania na wyświetlaczu cyfrowym (np. wykorzystującym diody świecące) moŝna stosunkowo łatwo zbudować licznik zdarzeń. eŝeli ciąg impulsów będzie doprowadzany do wejścia takiego licznika dokładnie przez 1 sekundę, uzyskamy częstościomierz, który wyświetla częstotliwość (liczbę okresów na sekundę), zliczając naprawdę liczbę okresów w ciągu jednej sekundy. W rzeczywistości istnieją juŝ scalone jednoukładowe częstościomierze, zawierające generator wzorcowy, licznik, układy sterowania i wyświetlania.. W praktyce prosta metoda kaskadowego łączenia liczników, polegająca na łączeniu wyjść kaŝdego przerzutnika z wejściem zegarowym następnego przerzutnika, prowadzi do pojawienia się kilku interesujących problemów związanych z kumulującymi się opóźnieniami, które powstają w czasie "przenoszenia się" sygnału przez łańcuch przerzutników. Liczniki "synchroniczne, (w których wszystkie wejścia zegarowe widzą ten sam sygnał taktujący) są zwykle lepsze. Wobec tego zajmijmy się teraz systemami taktowanymi synchronicznie. 11
Układy badane. Przerzutnik typu MS z wejściem zerującym i ustawiającym. Symbol przerzutnika i tablica przejść. R S R S + 0 0 1 1 0 1 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 R S + 0 0 0 1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 0 1 1 0 1 0 R S + 0 0 1 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 0 1 R S 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 + = Ustaliliśmy, Ŝe przerzutnik reaguje na opadające zbocze impulsu zegarowego, na co wskazuje symbol. 12