8.3. Цифровые автоматы

В процессе обработки цифровой информации в электронных блоках возникают задачи обработки последовательностей дискретных сигналов во времени, которые нельзя решить с помощью одних комбинационных схем. Такие задачи возникают в том случае, когда выходные сигналы устройств зависят не только от входных, поступающих в данный момент, но и от всех предыдущих сигналов, поступивших ранее. Такие задачи выполняют цифровые автоматы с памятью.

Роль элементарных цифровых автоматов выполняют триггеры. Триггеры представляют собой логические цепи с памятью и являются основной элементной базой для построения любых, сколь угодно сложных, цифровых устройств.

Существует несколько типов триггеров. В первую очередь их разделяют на тактируемые и нетактируемые.

В нетактируемых триггерах их состояния изменяются сразу же, как только установятся сигналы на входах, а в тактируемых изменение выходных сигналов осуществляется в соответствии с входными только после того, как будут поданы разрешающие сигналы на их тактовые входы. Тактирование триггеров возможно посредством статической и динамической синхронизации.

Статическая синхронизация осуществляется импульсом (логическим уровнем 1 или 0), а динамическая - фронтом (логическим перепадом 1/0 или 0/1).

Наиболее простым и распространённым из всех типов триггеров является триггер с установочными входами или так называемый S-R- триггер. Простейшие не тактируемые S-R - триггеры представляют из себя две цепи И - НЕ или ИЛИ - НЕ, замкнутые в кольцо. Их условные обозначения и потенциальная диаграмма работы показаны на рис. 8.3.

Рисунок 8.3 – Асинхронный S-R триггер

Если отсутствуют внешние воздействия, S=1, а R=0, то на выходе устанавливается потенциал, равный единице, а на другой Q - нулю. Если изменить сигнал и подать на вход S=1, R=1, то сигналы на выходах останутся те же =1, Q=0. Они будут находится там до тех пор, пока на входе сигнал не изменится на S=0, R=1. Тогда на выходе сигналы изменятся на =0, Q=1. Эти сигналы на выходах триггера будет находиться до тех пор, пока не изменятся сигналы на входах. Для осуществления переходов триггера из одного состояния в другое на его входах обязательно должны быть противоположные сигналы, т.е. всегда между сигналами на входах должно выполняться соотношение SR=0. Частота выходного сигнала триггера вдвое меньше, чем частота входного сигнала, т.е. триггер осуществляет деление количества входных импульсов на 2.

Простейшие триггеры в тех или иных сочетаниях входят во все типы более сложных триггеров. В частности, тактируемые импульсом триггеры состоят из простейшего триггера и входной логической цепи.

Существуют другие виды триггеров с более сложной комбинацией входных и выходных сигналов, например: S-C-R- триггер изменяет свое состояние на выходе в зависимости от потенциала тактирующего импульса С; D – триггер не имеет неопределённых состояний на выходе (электронная защелка) или J-C-K триггер, отличающийся от S-C-R- триггера наличием перекрёстных цепей обратной связи с выходов основного триггера на входы комбинационной части.

Счетчики применяются для подсчета импульсов за определенное время или между поступлениями синхросигналов. Основой счетчика является триггер.

Счетчики бывают асинхронными, когда работа составляющих его триггеров не синхронизирована, и синхронными, когда на входы триггеров подаются синхроимпульсы.

Счетчики по режиму счета могут быть реверсивными и нереверсивными. В реверсивных счетчиках возможен прямой и обратный счет, а в нереверсивном – только прямой или только обратный.

Принципиальная схема четырехразрядного двоичного счётчика, построенного на триггерах, представлена на рис. 8.4.

Счетные импульсы С поступают на вход R первого триггера. Поступление первого импульса вызывает срабатывание 1-го триггера и на его прямом выходе появляется логическая единица Q₁. Поступление 2-го импульса возвращает первый триггер в исходное положение (Q₁=0) и перекидывает второй триггер в единичное состояние Q₂=1 и т.д.

Таким образом, на выходах Q₁, Q₂, Q₃ и Q₄ триггеров формируется двоичный код числа импульсов, поступивших на вход счетчика. После каждого триггера частота поступающих импульсов делится на 2. Разрядность счетчика соответствует количеству триггеров. Она может наращиваться до требуемого значения.

Рисунок 8.4 – Схема двоичного счётчика

Существует большое количество других цифровых устройств, построенных на базе комбинационных устройств, триггеров и счетчиков. К ним можно отнести регистры памяти, предназначенные для хранения цифровой информации, регистры сдвига – для перемещения разрядов чисел на определенное количество тактов вперед или их задержки. Большую группу подобных устройств составляют микропроцессоры, рассматриваемые ниже.

Контрольные вопросы к главе 8.

1. Дайте определение комбинационным логическим устройствам.

2. Дайте определение цифровым автоматам.

3. Что такое двоичный код?

4. Какие элементарные действия имеются в алгебре логики?

5. Напишите правила дизъюнкции.

6. Напишите правила конъюнкции.

7. Что такое инверсия?

8. Определите закон универсального множества.

9. Определите закон повторения.

10. Определите закон нулевого множества.

11. Определите переместительный закон.

12. Определите закон многократной инверсии.

13. Определите сочетательный закон.

14. Определите закон дополнительности.

15. Определите распределительный закон.

16. Определите закон поглощения.

17. Определите закон склеивания.

18. Определите закон Пирса.

19. Определите закон Шеффера.

20. На каких элементах выполняется схема И?

21. На каких элементах выполняется схема ИЛИ?

22. На каких элементах выполняется схема НЕ?

23. Дайте определение переключательной функции.

24. Для чего необходима минимизация переключающей функции?

25. Что такое таблица истинности?

26. Дайте определение триггера.

27. Дайте определение счетчика.

28. Какие виды триггеров вы знаете?

29. Какие виды счетчиков вы знаете?

30. Какими сигналами переключаются триггеры?