Анализ функциональной структуры и синтез дискретных уст-ройств ч.2

ВВЕДЕНИЕ Целью данного цикла лабораторных работ является изучение принципов построения, логической структуры и функциональных особенностей дискретных устройств на базе программы «Электронная лаборатория» (“Electronics Workbench”) фирмы “Interactive Image Technologies”, а также получение практических навыков анализа и синтеза дискретных устройств различного назначения. Во второй части лабораторного практикума рассмотрены вопросы синтеза и анализа сумматоров, триггеров и регистров, а также синтеза функций алгебры логики на базе мультиплексоров. Л а б о р а т о р н а я р а б о т а № 1 ИЗУЧЕНИЕ ТРИГГЕРОВ Ц е л ь р а б о т ы. Изучить виды, структуру, принципы построения и способы функционирования различных видов триггеров. 1 Сведения из теории В современных электронных системах автоматики, телемеханики, связи и вычислительной техники в качестве основного вида элементов памяти применяют триггеры. Триггер представляет собой устройство с двумя устойчивыми состояниями: 0 и 1. Он удобен для обработки двоичной информации. Двум устойчивым состояниям триггера отвечают различные значения выходного сигнала, каждый из которых соответствует логическим 0 и 1. Записанная в триггере двоичная информация (0 или 1) сохраняется до тех пор, пока состояние триггера не изменится. В случае необходимости входным сигналом триггер переводится из одного устойчивого состояния в другое, тем самым изменяется записанная в нем информация. Триггеры выпускают в интегральном исполнении в виде самостоятельных изделий, из которых собирают другие типовые цифровые устройства, или включают в состав любых дискретных устройств с памятью. Наибольшее распространение получили статические (потенциальные) триггеры, в которых устойчивые состояния различаются уровнем постоянного потенциала. Основу статических триггеров составляет би-стабильная ячейка на двух логических элементах ИЛИ-НЕ (рисунок 1.1, а) или И-НЕ (рисунок 1.1, б), охваченных перекрестной положительной обратной связью. Выходы и свободные входы логических элементов образуют соответственно выходы и входы триггера. Отличие логических элементов от других ключевых схем заключается в восстановлении логических уровней сигнала на выходе, если на вход подан сигнал, воспринимаемый им как логический 0 или 1. В сочетании с положительной обратной связью это свойство определяет наличие в схемах двух равноценных статически устойчивых состояний, в каждом из которых один логических элемент открыт, а другой закрыт. Поэтому выходные сигналы в триггере взаимно инверсны (противоположны в логическом смысле). Один выход называют прямым, а другой – инверсным, и они обозначаются соответственно Q и . Состояние триггера отождествляется с сигналом на прямом выходе: говорят, что триггер находится в единичном состоянии, когда Q = 1, и в нулевом, когда Q = 0. При отсутствии внешних сигналов бистабильная ячейка может неограниченно долго находиться в каждом из устойчивых состояний. Работой триггера управляют внешние сигналы. Цепь управления состоит в установке схемы в одно из двух устойчивых состояний или в изменении одного состояния на другое. Процесс переключения триггера носит регенеративный (лавинообразный) характер. Триггером могут управлять как единичные, так и нулевые сигналы, в соответствии с этим входы триггера называются прямыми и инверсными. Для элементов ИЛИ-НЕ переключающим сигналом является единичный сигнал, поэтому входы ячейки на дизъюнктивных элементах прямые, а для элементов И-НЕ переключающим сигналом является нулевой сигнал и входы ячеек на конъюнктивных элементах инверсные. Это находит отражение на графических обозначениях (функциональных схемах). Термины «триггер» и «бистабильная ячейка» не являются синонимами. Бистабильная ячейка составляет основу триггера, выполняя функцию ячейки памяти. В большинстве модификаций в состав триггера входит устройство управления, преобразующее входную информацию в управляющие сигналы, непосредственно воздействующие на входы бистабильной ячейки. Применение этого устройства позволяет расширить функциональные возможности триггера и получить многочисленные модификации устройств с двумя состояниями, реализующимися алгоритмами функционирования и способами управления. В интегральном исполнении бистабильная ячейка и устройство управления образуют единое целое в схемном и конструктивном отношениях, и поэтому понятием «триггер» принято обозначать всю интегральную структуру. Устройство управления может иметь различные логические структуры, число входов, а также их назначение. В зависимости от функционального назначения входные сигналы подразделяются на три категории. Сигналы, несущие информацию, которая подлежит записи в триггер, называются информационными. Сигналы, управляющие процессом записи информации, называются управляющими и делятся на подготовительные (разрешающие) и исполнительные (командные). Входы триггера классифицируются в зависимости от характера воздействующих на них сигналов и также делятся на три категории: информационные (логические), предустановки (подготовительные) и тактовые (синхронизирующие). На схемах входы обозначают условными знаками, которые приведены в таблице 1.1. По способу управления триггеры бывают со статическим и динамическим управлением. Триггеры со статическим управлением срабатывают в момент, когда входной сигнал достигает порогового уровня. При динамическом управлении триггеры реагируют на перепад управляющего сигнала. Входы также делятся на статические и динамические. Инверсные статические входы и выходы триггера обозначают символом логического отрицания , а динамические прямые и инверсные входы – соответственно указателями  и . Прямые статические входы и выходы триггера указателей не имеют. Т а б л и ц а 1.1 – Обозначения входов триггеров Тип входов Условное обозначение Функциональное назначение Информационные S Вход раздельной установки триггера в состояние 1 R То же в состояние 0 J Вход установки JK-триггера в состояние 1 K То же в состояние 0 T Вход счетного триггера (счетный вход) D Информационный вход D- и DV-триггера Управляющие V Подготовительный вход разрешения приема информации C Исполнительный вход приема информации, вход синхронизации (тактирующий вход) По способу ввода информации триггеры подразделяют на асинхронные и синхронные. В асинхронных триггерах ввод информации определяется изменением сигналов на логических входах. В синхронных триггерах смены информационных сигналов еще не достаточно для их переключения – нужен дополнительный командный импульс, который подается на синхронизирующий (тактирующий) вход С. При синхронизации триггер не реагирует на входные сигналы и в том числе на помехи в интервалах между тактовыми импульсами, что способствует повышению его помехоустойчивости. Основным и наиболее общим классификационным признаком является функциональный, который позволяет подразделять триггеры по их функциональному назначению и числу входов. Существование двух устойчивых состояний делает неоднозначным соотношение между логическими переменными на входах и выходах триггера. Триггеры являются простейшими последовательными устройствами, для определения выходных сигналов которых при смене информации на входах необходимо знать их состояние до этого момента. Описание работы триггера задается в виде таблицы переходов (состояний), определяющей состояние триггера Qn+1 в момент времени tn+1, если известно его состояние Qn и значение входного сигнала Xn в момент времени tn. При одном входе возможны только два значения входного сигнала и две имеющие практическое значение таблицы состояний (таблицы 1.2 и 1.3). Триггер, реализующий таблицу 1.2, называют D-триггером, а триггер, реализующий таблицу 1.3, называется T-триггером или счетным триггером. В алгебраической форме алгоритм, реализуемый D-триггером, имеет вид Qn+1 = Dn, т. е. он воспроизводит входной сигнал D со сдвигом на один такт, поэтому его называют триггером задержки. Т а б л и ц а 1.2 – Таблица состояний Т а б л и ц а 1.3 – Таблица состояний D-триггера Т-триггера Входной сигнал Dn Состояние Qn+1 Входной сигнал Tn Состояние Qn+1 Qn = 0 Qn = 1 Qn = 0 Qn = 1 0 0 0 0 0 1 1 1 1 1 1 0 Т-триггер меняет свое состояние всякий раз, когда меняется входной Т-сигнал с 0 на 1. В алгебраической форме алгоритм функционирования этого триггера описывается уравнением . Это уравнение совпадает с логической функцией операции «исключающее ИЛИ», т. е. Т-триггер выполняет операцию сложения по модулю два входной переменной, чем и объясняется его название «счетный триггер». При двух входах возможны три или четыре значения входного сигнала. В первом случае существуют четыре существенно различные таблицы переходов, но практически используется лишь одна, соответствующая так называемому RS-триггеру. В этом триггере с двумя входами R и S одна из комбинаций входного сигнала (00 или 11) не изменяет его состояния, а другая (01 или 10) устанавливает в нуль, а третья (10 или 01) – в единицу. Четвертая комбинация является запрещенной. Функция переходов для RS-триггера с прямыми и инверсными входами приведена в таблице 1.4. Т а б л и ц а 1.4 – Таблица состояний RS-триггера Сигнал на входе Состояние RS-триггера Qn+1 при прямых входах при инверсных входах Qn = 0 Qn = 1 Sn Rn 0 0 1 1 0 1 0 1 1 0 0 0 1 0 0 1 1 1 Аналитически работа RS-триггера описывается логическим выражением при условии, что RS = 0. При инверсных входах значения сигналов S и R заменяются инверсными, т. е. . При четырех значениях входного сигнала нет запрещенных комбинаций и можно образовать только одну функцию переходов, имеющую практическое значение (таблица 1.5). Двоичные логические сигналы и входы в данном случае принято обозначать J и K и триггер называть JK-триггером. В JK-триггере первые три комбинации имеют то же значение, что и в RS-триггере, но четвертая является не запрещенной, а приводит к переключению триггера в состояние, инверсное по отношению к предыдущему. Т а б л и ц а 1.5 – Таблица состояний JK-триггера