Путеводитель в мир электроники. Книга 2 - Борис Семенов

Рис. 14.15. Пояснение работы логического элемента ИЛИ

В разомкнутом состоянии переключателей SA1 и SA2 прибор PV регистрирует низкий уровень, при замыкании переключателей SA1 или SA2 регистрируется высокий уровень, то же самое происходит и при их одновременном замыкании.

Таблица истинности элемента показана на рис. 14.16.

Рис. 14.16. Диаграмма напряжений и таблица истинности элемента ИЛИ (OR)

Элемент ИЛИ-HE (NOR) показан на рис. 14.17 и дополнительных пояснений не требует.

Рис. 14.17. Таблица истинности и диаграмма напряжений элемента ИЛИ-HE (NOR)

Элемент Исключающее ИЛИ (XOR) — может быть составлен из названных элементов путем их соединения по определенному правилу. Однако этот элемент принято включать в набор «кирпичиков» цифровой техники, поскольку функция, выполняемая им, уникальна. Это — цифровой компаратор, который сигнализирует о равенстве сигналов на входах. На выходе будет лог. 0 только когда на обоих входах 0 или 1. Таблица истинности этого элемента показана на рис. 14.18.

Рис. 14.18. Таблица истинности и диаграмма напряжений элементу Исключающее ИЛИ (XOR)

Элемент Исключающее ИЛИ-HE (XNOT-OR) мало чем отличается от предыдущего элемента. На выходе будет лог. 1, только когда на обоих входах 0 или 1. Таблица его истинности показана на рис. 14.19.

Рис. 14.19. Таблица истинности и диаграмма напряжений элемента Исключающее ИЛИ-НЕ (XNOT-OR)

Кроме описанных простейших элементов, часто используются и более сложные, размещенные в одном корпусе микросхемы. Например, элемент 2И-ИЛИ, изображенный на рис. 14.20, может быть заменен показанной эквивалентной схемой.

Рис. 14.20. Вариант комбинации логических элементов в одном корпусе для удобства создания конструкций

Иногда в практических схемах, кроме обычных логических элементов, можно встретить логические элементы, выполненные на диодах-резисторах (рис. 14.21).

Рис. 14.21. Диодно-резисторные логические элементы

Так делают, когда нецелесообразно устанавливать лишний корпус микросхемы, а небольшое увеличение при этом потребляемого тока значения не имеет. Существует много и других комбинаций, но мы пока ограничимся вопросами построения логических цепей, называемых комбинационными логическими схемами, и перейдем к другому виду — последовательностным схемам (схемам, работающим в определенной последовательности действий).

Триггер — ячейка памяти

Итак, комбинационная логическая схема, как мы уже поняли, строится на основе элементарного логического элемента. Последовательностная логическая схема в своей основе имеет другой элементарный элемент — триггер. Но не думайте, что сейчас вы встретите что-то принципиально новое. В рассказе о триггере мы столкнемся со знакомыми нам логическими «кирпичиками», соединенными особым образом.

Итак, триггер. Он предназначен для размещения цифровых данных, обеспечения нужных временных задержек, формирования заданных последовательностей сигналов. Триггер обладает очень важным свойством — имеет память. Он запоминает входные сигналы даже тогда, когда они будут сняты. Различают несколько разновидностей триггеров, поэтому поговорим о них по очереди. Эти элементы мы будем рассматривать на примере конкретных микросхем из КМОП серий, которые наиболее удобны для изготовления своих конструкций (все ниже изложенное справедливо и для других серий, но иногда с небольшими поправками, о которых можно узнать в справочнике).

Триггер Шмитта по своему функционированию напоминает буферный элемент, поскольку не выполняет никакой логической операции (может использоваться как обычный буфер). Но в отличие от обычных элементов, он обладает, гистерезисом при переключении и предназначен для формирования цифровых сигналов на выходе с крутыми фронтами (для исключения ложных срабатываний) при медленном изменении уровня сигнала на входе, например для сопряжении цифровой схемы с аналоговой или с механическими контактами кнопок и переключателей. Метод получения гистерезиса при помощи положительной обратной связи мы уже рассматривали в главе 13, когда речь шла об аналоговых компараторах.

На практике часто используются триггеры Шмитта как с одиночным инвертирующим триггером, так и с логикой 2И-НЕ на входе, рис. 14.22.

Рис. 14.22. Триггеры Шмитта из серии К561

Если вам не удалось приобрести одиночный триггер Шмитта, то его можно заменить эквивалентом, собранным на двух обычных инверторах, как это показано на рис. 14.23, но для этого придется. установить дополнительные резисторы, как показано.

Рис. 14.23. Замена инвертирующего элемента триггера Шмитта его аналогом на двух инверторах

Рис. 14.24 поясняет процесс переключения такого элемента.

Рис. 14.24. Гистерезисная характеристика триггера Шмитта (с инверсией сигнала и диаграммы напряжений, поясняющие работу

На них удобно выполнять генераторы импульсов, как это показано на рис. 14.25.

Рис. 14.25. Генератор импульсов на основе триггера Шмитта

RS-триггер (его вид и эквивалентная структура, но собранная на двух отдельных элементах 2ИЛИ-НЕ, приведены на рис. 14.26).

Рис. 14.26. RS-триггер, таблица истинности для прямого выхода Q и его внутренняя структура

Входы имеют уникальные названия: S (set) — установка, R (reset) — сброс. Работу триггера поясняет приведенная таблица истинности, где Q(t) — состояние выхода до появления управляющего входного сигнала, a Q(t+1) — последующее состояние (для инверсного выхода, если он есть, все то же самое, только наоборот).

При подаче на оба входа триггера (R и S) уровня логической единицы состояние — на выходах не определено (непредсказуемо), поэтому такой сигнал является запрещенным и обычно, не используется. Для установки на выходе Q логической единицы необходимо подать лог. 1 на вход S, и наоборот — для установки лог. 0 достаточно кратковременно подать лог. 1 на входе R. При нулевых уровнях на входах состояние триггера не изменяется — это состояние называется режимом хранения. При включении питания состояние триггера не определено — он может с равной вероятностью иметь на выходе Q как единицу, так и ноль.

Среди серии 561 в качестве RS-триггеров могут использоваться микросхемы приведенные на рис. 14.27.

Рис. 14.27. Микросхемы многофункциональных триггеров

Реальные микросхемы, выпускающиеся промышленностью, чаще всего являются совмещенными — их можно использовать и в качестве RS-триггеров, и в качестве других типов триггеров. Это на практике оказывается удобнее, чем применять триггеры «в чистом виде».

На рисунке из трех типов микросхем только одна является в чистом виде RS-триггером (561TP2). Две остальные многофункциональны, но если у них дополнительные входы не использовать (т. е. подключить к общему проводу), а сигналы подавать только на R и S входы, то мы получим типичный RS-триггер.

В одном корпусе у микросхемы 561ТР2 имеется четыре независимых триггера, а дополнительный вход EZ (если на нем лог. 0) позволяет переводить выходы всех триггеров в Z-состояние.

D-триггер — имеет и другое название — триггер с задержкой на такт (типичный вид его показан на рис. 14.28).

Рис. 14.28. D-триггер, диаграмма напряжений и таблица истинности, поясняющая его работу

Вход D (data — информация) называется информационным, а вход С (clock — часы) — синхронизирующим. Работает триггер следующим образом. При подаче тактового импульса на вход С, представляющего собой, например, перепад логического сигнала из низкого уровня в высокий (об этом указывает наклонная черта у вывода, как показано на рис. 14.28), происходит запись логического сигнала, установленного на входе D, в триггер. Логический сигнал, записанный в триггере, появляется на прямом и инверсном выходах (Q и Q¯), как показано на временной диаграмме, представленной на том же рисунке.