Цифровые устройства последовательностного типа

Цифровые устройства последовательностного типа или цифровые автоматы с памятью — это электронные цифровые устройства, логические значения на выходах которых определяются не только совокупностью логических сигналов на входах в данный момент времени, но и состоянием внутренних элементов памяти по результатам его предшествующей работы. Запоминание предшествующих состояний выполняется при помощи триггеров и регистров памяти.

Типичными примерами логических автоматов с памятью являются счётчики импульсов и сдвиговые регистры.

Триггеры

Триггеры — это электронные устройства, обладающие двумя устойчивыми состояниями равновесия и способные скачком переходить из одного устойчивого состояния в другое под воздействием внешних управляющих сигналов.

Состояние называется устойчивым, если слабое внешнее воздействие не нарушает этого состояния. Для перехода триггера из одного состояния в другое необходимо, чтобы входной сигнал превысил пороговое значение.

Триггер Тр (Рисунок 41) в общем случае можно представить как устройство, состоящее из ячейки памяти ЯП и логического устройства (ЛУ) управления, преобразующего входную информацию в комбинацию сигналов, под воздействием которых ЯП принимает одно из двух устойчивых состояний.

Рисунок 41 Обобщённое устройство триггера а):

RS-триггеры с прямыми б) и инверсными статическими входами в).

 

Информационные сигналы поступают на входы A и В ЛУ и преобразуются в сигналы, поступающие на внутренние входы S и R ЯП. Процесс преобразования информационных сигналов осуществляется под воздействием сигналов, подаваемых на вход V разрешения приёма информации и вход C синхронизации, обеспечивающей тактируемый приём информации.

При наличии входа C триггер называют синхронным, а при его отсутствии — асинхронным. Управляющие сигналы на асинхронный триггер воздействуют непосредственно с началом своего появления на их входах, а в синхронных — только с приходом сигнала на входе C.

Триггеры могут иметь статические или динамические входы. Как статические, так и динамические входы могут быть прямыми или инверсными.

Входы называются статическими, если они имеют непосредственную связь с источником входных сигналов. Сигналом для управления статическим триггером с прямыми статическими входами является уровень лог. «1», а для управления триггером с инверсными входами — уровень лог «0».

Входы называются динамическими, если они соединены с источником входных сигналов через развязывающие цепи: магнитные, электронные или RC-цепи. Они реагируют только на перепады входных сигналов. Если срабатывание триггера происходит при изменении входного сигнала от «0» к «1», то входы называются прямыми, а если при изменении сигнала от «1» к «0», то — инверсными.

Входы Ś и Ŕ называются входами асинхронной установки триггера. Они предназначены для подачи приоритетных сигналов установки триггера в исходное состояние (0 или 1) в начале цикла работы независимо от воздействия информационных сигналов, то есть в обход схемы управления.

RS-триггеры

Наибольшее применение находят триггеры с раздельным запуском, которые называются RS-триггерами. Их условное графическое обозначение приведено на рисунке 41. В простейшем RS-триггере информационные сигналы подаются непосредственно на входы S и R ячейки памяти.

Входы, на которые подаются запускающие импульсы, называются установочными. Буквой S (Set — установка) обозначают вход, на который подаётся сигнал, устанавливающий триггер в единичное состояние (Q=1, ). Буквой R (Reset — сброс) обозначают вход, на который подаётся сигнал сброса, переводящий триггер в состояние «0» . Буквой Q обозначается прямой выход, а — инверсный.

RS-триггеры применяются как самостоятельно, так и в составе других более сложных триггеров, а также входят в состав регистров и счётчиков.

RS-триггеры на логических элементах

Функционирование логических устройств последовательностного типа описывается таблицами переходов, которые отличаются от таблиц истинности тем, что в них учитываются только результативные переходы, когда изменение комбинации сигналов на входе приводит к изменению выходного состояния. Однако таблица переходов может быть сведена к таблице истинности, если состояние внутренних элементов памяти считать входными сигналами.

Полная таблица функционирования (таблица истинности) приведена на рисунке 42,а, в которой предыдущее состояние триггера Q_n до подачи входных сигналов является одним из входных сигналов. Выходное состояние триггера после подачи входных сигналов обозначено символом Q_{n +1}. Таблица переходов триггера приведена на рисунке 42,б.

Qn	S	R	Qn +1	Режим работы
				Хранение «0»
				Подтверждение «0»
				Установка в «1»
			ф	Запрещённое состояние
				Хранение «1»
				Сброс в «0»
				Подтверждение «1»
			ф	Запрещённое состояние

а)

S	R	Qn +1
		Qn
		ф

б)

Рисунок 42 Таблица истинности а) и таблица переключений RS-триггера б)

 

Таблица истинности позволяет применить рассмотренную выше методику синтеза логических устройств комбинационного типа для синтеза устройств последовательностного типа, в том числе и RS-триггеров.

Для минимизации структурной формулы RS-триггера заполним карту Карно, приведённую на рисунке 43,а.

Рисунок 43 Карты Карно для минимизации структурной формулы RS-триггера

 

В соответствии с теорией минимизации неопределённых логических функций, для определения прямого значения функции Q_{n +1} неопределённые значения карты Карно «ф» (Рисунок 43,а) заменим «1» (Рисунок 43,б), а для определения инверсного значения — заменим «0» (Рисунок 43,в). Для получения функции минимизация производится по нулям.

Минимизированные значения функций Q_{n +1} и на элементах основного базиса имеют вид:

Рисунок 44 RS-триггеры: а), б) — на логических элементах ИЛИ-НЕ,

в), г) — на логических элементах И-НЕ.

 

Для реализации триггера на элементах ИЛИ-НЕ проинвертируем функцию : .

Структурная схема триггера, полученная в соответствии с этим выражением, приведена на рисунке 44,а. В структурной формуле установочные сигналы S и R представлены в прямом коде, следовательно исполнительными значениями сигналов являются уровни лог. «1», то есть триггер на элементах ИЛИ-НЕ имеет прямые статические входы.

Для реализации триггера на элементах И-НЕ дважды проинвертируем функцию Q_{n +1}:

Как следует из полученного выражения, исполнительными значениями сигналов здесь являются лог. «0», поэтому RS-триггер на элементах И-НЕ имеет инверсные статические входы. Структурная схема триггера и его УГО приведены на рисунках 44,в,г.

При разработке цифровых схем, в которые входят RS-триггеры, необходимо учитывать наличие запрещённого состояния входных сигналов для RS-триггеров на элементах ИЛИ-НЕ S=R=1, а для RS-триггеров на элементах И-НЕ Условие нормального функционирования для обеих схем RS-триггеров можно записать в следующем виде:

SR ≠ 1

Если в разрабатываемой схеме такое сочетание входных сигналов в принципе возможно, то эту ситуацию необходимо исключить путём включения во входную цепь дополнительных логических элементов, или использовать другие типы триггеров, не имеющих запрещённого состояния.

Рассмотренные RS-триггеры являются асинхронными поскольку управляющие сигналы воздействуют на триггер непосредственно с началом своего появления на их входах.

Синхронные RS-триггеры

В устройствах современной цифровой техники, для исключения опасных состязаний входных сигналов, срабатывание всех узлов и элементов в каждом такте должно происходить строго одновременно. Для достижения этой цели применяется жёсткая синхронизация с помощью специальных синхроимпульсов. Для работы в схемах с синхронизацией режима разработаны синхронные RS-триггеры.

Рисунок 45 Синхронные RS-триггеры: — а) на элементах ИЛИ-НЕ, — в) на элементах И-НЕ и их УГО б), и г).

 

Особенностью синхронного триггера является то, что ввиду наличия в схеме управления инвертирующих элементов, происходит изменение исполнительного значения управляющих сигналов по сравнению с асинхронными.

Синхронные RS-триггеры имеют три входа: S, R и C. Применение синхронизации не устраняет неопределённое состояние триггера, возникающее при одновременной подаче единичных сигналов на все три входа. Поэтому условием нормального функционирования является следующее неравенство:

SRC ≠ 1

Кроме трёх основных входов, синхронные RS-триггеры снабжаются ещё входами асинхронной установки состояния триггера — Ś и Ŕ. Они предназначены для подачи приоритетных сигналов установки триггера в исходное состояние (0 или 1) в начале цикла работы независимо от воздействия сигналов на входах S и R, то есть в обход схемы управления.

По своему воздействию на состояние триггера входы Ś и Ŕ являются самыми главными и поэтому на УГО отделяются от остальных сигналов горизонтальной линией.

RS-триггеры S, R и E-типов

В отличие от обычных RS-триггеров у триггеров S, R и E-типов комбинация сигналов S=R=1 не является запрещённой. При разнополярных сигналах алгоритм работы триггеров S, R и E-типов такой же, как и у обычных RS-триггеров, но при S=R=1 триггер S-типа переключается в «1», триггер R-типа в «0», а триггер E-типа не изменяет своего состояния (Рисунок 45).

Рисунок 46 RS-триггер Е-типа

 

Схема работает как обычный RS-триггер, но при подаче сигналов S=R=1 вентили D5 и D6 обеспечивают закрытое состояние элементов D1 и D2, поэтому выходное состояние триггера Q остаётся без изменения.

Если исключить из схемы Рисунок 46 элемент D6, то при подаче на вход сигналов S=R=1 блокируется только элемент D2, на выходе которого устанавливается «1», а на выходе D1 формируется «0». Эти сигналы устанавливают триггер в состояние Q=1, или подтверждают его, если до подачи сигналов S=R=1 триггер находился в состоянии Q=1. Такой триггер называется RS-триггером S-типа.

Если исключить из схемы Рисунок 46 элемент D5, оставив элемент D6, то при подаче на вход сигналов S=R=1 блокируется только элемент D1, поэтому триггер устанавливается в состояние Q=0 или подтверждают его, если до подачи сигналов S=R=1 триггер находился в состоянии Q=0. Такой триггер называется RS-триггером R-типа.