Легко проверить, что эта схема работает так, как и было задумано. Поскольку она является синхронной, или тактируемой, сигналы на -обоих выходах изменяются одновременно (если же выход первого триггера непосредственно подключить к тактовому входу второго, то получится асинхронный счетчик). В общем случае предпочтительнее использовать синхронные (или тактируемые) системы, поскольку они имеют более высокую помехоустойчивость. Это обусловлено тем, что к моменту возникновения тактового импульса триггеры находятся в установившемся состоянии, а схемы, в которых входные сигналы анализируются только по фронтам тактовых импульсов, не подвержены воздействию помех, возникающих за счет емкостных связей от других триггеров или по каким-либо другим причинам. Еще одно преимущество состоит в том, что в тактируемых системах переходные состояния (вызванные задержками, в результате которых выходные сигналы изменяются не одновременно) не вызывают на выходах ложных сигналов, поскольку система не воспринимает никаких изменений, происходящих после возникновения импульса. В дальнейшем мы проиллюстрируем это на ряде примеров.

Запрещенные состояния. Что произойдет со схемой деления на 3, если ее триггеры каким-то образом окажутся в состоянии (Qi, 2) = =(1, 1)? Это может легко произойти при включении питания, поскольку начальное состояние триггеров предсказать невозможно. Из схемы видно, что первый тактовый импульс переведет ее в состояние (1,0) и далее она будет функционировать как положено. В подобных случаях важно производить проверку запрещенных состояний, поскольку схема может случайно оказаться в одном из них. (С другой стороны, все возможные состояния системы можно определить на начальном этапе разработки.) Полезным диагностическим инструментом является диаграмма состояний, показанная для данного примера на рис. 8.53. Если в системе используются и другие переменные, то обычно для каждого перехода рядом со стрелкой записываются условия. Стрелки

могут идти в обоих направлениях, а также из одного состояния К нескольким другим.

Упражнение 8.23. Постройте синхронную схему деления на 3 о помощью двух JK триггеров. Это может быть выполнено (16 различными способами) без использования вептилей или инверторов. Когда вы будете составлять таблицу требуемых значений для входов /{ Ki и /g, не забудьте, чтодля каждой точки /, К существуют две озможнооти. Например, если выход триггера переходит нз О в 1, то /, К=\, X (где Л - любое значение). Наконец, проверьте, не будет ли схема застревать в запрещен-иом состоянии (это имеет место в четырех из 16 возможных решений этой задачи).

ДИАГРАММА СОСТОЯНИЙ КАК ИНСТРУМЕНТ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Диаграмма состояний может оказаться весьма полезной при разработке последовательной логики, особенно в тех случаях, когда переходы из одного состояния в другое могут происходить различным путем. При создании такой схемы нужно сначала выбрать совокупность единственных состояний системы и каждому из них присвоить свое собственное имя (т. е. двоичный адрес). Здесь потребуется не менее п триггеров, где п - наименьшее целое, для которого 2 больше или равно числу различимых состояний системы. Далее устанавливаются

Получены все высшие тш

Прохождение соответствунпцего

хцрса

Рис. 8.54. Диаграмма состояний.

N.B шкопе \

Вне\ шть\ \

правила переходов из одного состояния в другое, т. е. все возможные условия для входа в каждое состояние и выхода из него. Таким образом, задача построения последовательной логики свелась к задаче построения комбинационной логики, которую всегда можно решить-с помощью известных методов, как, например, карты Карно. Реальный пример показан на рис. 8.54. Заметим, что здесь могут иметь местэ состояния, перехода из которых к другим состояниям нет (например получение диплома ).

8.19. Синхронизатор

Интересным применением триггеров в последовательных схемах является использование их в качестве синхронизаторов. Предположим, что в синхронную тактированную систему с триггерами и т. п. поступает какой-то внешний управляющий сигнал и вы хотите использовать состояния этого сигнала для управления некоторым действием. Например, сигнал от измерительного прибора или экспериментальной установки может указывать, что данные готовы для передачи в ЭВМ.

Поскольку экспериментальная установка и ЭВМ работают совершенно яезавнсимо друг от друга, т. е. асинхронно, необходимо иметь метод, который позволил бы установить порядок 3 работе двух систем.

Пример: синхронизатор импульсов. В качестве примера еще раз рассмотрим схему, в которой триггер подавителя дребезга разрешает прохождение последовательности импульсов (разд. 8.16). Эта

Г JmrLTL-

Вхоцная послецователь-ность импульсов

Останов

Выход

Рис. 8.65. Синхронизатор импульсной последовательности,

схема открывает вентиль всякий раз, когда ключ замкнут, независимо от фазы подаваемой на него импульсной последовательности, поэтому первый или последний импульс могут оказаться укороченными. Про-ема состоит в том, что замыкание ключа происходит асинхронно с последовательностью импульсов. В некоторых случаях важно, чтобы все тактовые импульсы имели только полные периоды, и тогда нужно использовать схему синхронизации, подобную той, которая представлена на рис. 8.55. При нажатии кнопки ПУСК на выходе вентиля 1 возникает ВЫСОКИЙ уровень, однако до появления заднего фронта <чередного импульса на выходе триггера Q сохранится НИЗКИЙ уровень. В результате на выход вентиля 3 И-НЕ будут проходить только полные импульсы. На рис. 8.55 показаны временные диаграммы.

554 Глша 8

Кривые со стрелками показывают, какие действия вызываются соответ ствующими перепадами. Из диаграммы видно, что изменения Q происходят сразу по заднему фронту входного сигнала.

Логические состязания а иголка Рассмотренный пример позволяет осветить тонкий, но предельно важный вопрос: что произойдет, если для переброса триггера использовать положительный перепад? Если вы тщательно проанализируете этот случай,то увидите, что

с ПУСКОМ схемы все будет в полном порядке, но, если кнопку СТОП нажать в момент, когда на входе действует НИЗКИЙ уровень, произойдет весьма неприятная вещь (рис. 8.56). Поскольку последний (3) вентиль И-НЕ будет открыт до тех пор, пока на выходе триггера не установится НИЗКИЙ уровень (за-Выход 1 I I I у держка для ТТЛ составляет при-

pggg близительно 20 нс, для КМОП -

100 нс и более), на выходе схемы Возникнет короткий всплеск или иголка . Это классический пример логического состязания . Принимая определенные меры предосторожности, подобных ситуаций можно избежать, что и показывает рассмотренный пример. Иголки - это страшная вещь, если они заведутся в ваших схемах. Помимо всего прочего, их практически невозможно увидеть на осциллографе и вы можете просто не знать об их существовании. Иголки могут самым произвольным образом тактировать цепочки триггеров; они могут расширяться или сужаться до полного исчезновения, проходя через вентили и инверторы.

Упражнение 8.24. Покажите, что рассмотренная схема синхронизатора импульсов (рис. 8.55) ие вырабатывает иголок .

Несколько замечаний по поводу синхронизаторов. Сигнал на D-вход триггера может поступать не только от ключа с подавителем дребезга, но также и от других логических схем. В интерфейсных блоках ЭВМ и других аналогичных схемах часто бывает нужно передавать асинхронный сигнал в тактируемое устройство. В этих случаях идеальным решением является использование тактируемых триггеров или синхронизаторов.

В рассмотренной схеме, так же как и во всех других логических схемах, необходимо соответствующим образом подключить неиспользованные входы. В данном случае входы S и R нужно подключить так, чтобы они не влияли на работу схемы (для 7474 соединить с ВЫ-

Glitch - иногда их называют мерцаниями (чаще в ЦАП), иногда вводят англицизм глитч .- Прим. ред. ) Блоках связей.- Прим. ред.

СОКИМ уровнем, а для 4013 заземлить). Неиспользуемые входы, не влияющие на выход (например, входы незадействованных вентилей), можно оставлять неподключенными. Это не относится к элементам КМОП, у которых они должны заземляться во избежание появления тока в выходном каскаде (более подробно см. в гл. 9) . Промышленностью выпускается сдвоенный синхронизатор 74120, однако широкого распространения он не получил.

Моностабальные мулыпавабраторы. Моностабильный мультивибратор, или одновибратор, представляет собой разновидность триггера (триггер иногда называют бистабильным мультивибратором), в котором выход одного из вентилей имеет емкостную связь со входом другого вентиля, в результате чего схема всегда возвращается в одно состояние. Если с помощью кратковременного входного импульса ее принудительно установить в другое состояние, то она вернется в исходное с задержкой, которая будет определяться величиной емкости и параметрами схемы (входным током и т. п.). Схема эта широко используется для формирования импульсов заданной длительности и полярности. Построение одновибраторов на вентилях и /?С-элементах представляет собой довольно сложную задачу: здесь необходимо учитывать конкретное выполнение входных вентильных схем, так как напряжение на емкости в одновибраторе может превышать напряжение питания. Чтобы не развивать у читателя дурных привычек, мы не будем приводить примеры подобных схем и рассмотрим одновибратор, который выпускается в виде стандартного функционального блока. В реальных устройствах лучше всего использовать одновибраторы в интегральном исполнении, а создавать схемы собственной конструкции имеет смысл лишь в случае крайней необходимости, например если на плате имеется свободный вентиль и нет ни одного места для дополнительной микросхемы. Возможно, однако, что это не имеет смысла даже в таком случае.

8.20. Характеристики одновибраторов

Входы. Одновибраторы срабатывают по положительному или отрицательному перепаду, поданному на соответствующие входы. Единственное требование к сигналу запуска состоит в том, что он должен обладать некоторой минимальной длительностью - обычно от 25 до 100 НС. При этом он может быть как короче, так и длиннее выходного Импульса. Обычно в схеме предусматривается несколько входов, что позволяет использовать для запуска схемы одновибратора несколько сигналов: одни по отрицательному перепаду, другие по положительному (напомним, что отрицательный перепад означает переход с ВЫСОКОГО уровня на НИЗКИЙ, а не отрицательную полярность). Дополнительные входы могут также использоваться для запрета запуска. На рис. 8.57 показаны четыре примера одновибратор ных схем.

* И пробоев от наводок,- Прим. ред.

Запуск го этим

Заеркка

Рис. 8.57. Четыре наиболее распространенных одновибратора и их таблицы истинности.

Цифровые схемы 657

В строках таблиц стрелками показаны направления перепадов на входах, при которых происходит запуск. Например, 74121 запускается, когда на одном из входов А происходит перепад с ВЫСОКОГО уровня на НИЗКИЙ, при условии что на входе Л и на другом входе А действует ВЫСОКИЙ уровень. Схема 9602 представляет собой сдвоенный одновибратор с вентилем ИЛИ на входе; если используется только один вход, другой должен быть заблокирован, как показано в таблице. Одновибратор 74121 имеет три входа, связанные с комбинацией венти-лей И н ИЛИ. На входе В установлен триггер Шмитта, что позволяет снизить требования к скорости нарастания входного сигнала и к уровню помех. В состав этого одновибратора входит также не слишком хороший внутренний времязадающий резистор, который вы можете использовать, если у вас нет желания подключать внешний резистор R. Широко распространенная ИМС 74123 представляет собой сдвоенный одновибратор с вентилем И на входе; на неиспользованные входы должны подаваться разрешающие сигналы. Заметим, в частности, что он срабатывает и по спаду сигнала на 7?-входе, если в этот момент на оба входа запуска поданы соответствующие сигналы. Это свойство не является для одновибраторов универсальным и может требоваться или не требоваться, в зависимости от конкретного применения (чаще всего оно не требуется). На входе одновибратора 8853 установлена необычная схема, представляющая собой элемент задержки и Исключающее ИЛИ . Логический уровень, действующий на одном из входов одновибратора, определяет, какой полярности перепад должен действовать на втором входе для его запуска. Если эти два входа объединить вместе, то схема будет срабатывать по перепадам обеих полярностей.

При изображении одновибраторов на принципиальных схемах входной вентиль обычно не показывается. Это позволяет сэкономить место, но создает некоторую путаницу.

Перезапуск. Большинство одновибраторов, например упомянутые уже 9602, 74123 и 8853, а также 4098 (КМОП) будут начинать новый цикл отсчета временнбго интервала, если за время действия выходного импульса на вход поступит. 1Юбый запускающий сигнал. Такие устройства носят название одновибраторы с перезапуском . Выходной импульс одновибратора будет шире, чем обычно, если перезапуск схемы происходит во время действия выходного импульса и закончится по истечении интервала номинальной длительности с момента поступления последнего запускающего сигнала. Одновибратор 7421 не имеет перезапуска; во время действия выходного импульса он не воспринимает перепады на входе. Большинство перезапускаемых одновибраторов можно включить таким образом, чтобы они не перезапускались. Простой пример подобной схемы показан на рис. 8.58.

Имеется в виду температурная нестабильность резистора, а следовательно, длительности выходного импульса,- Прим, ред.

Сброс. Большинство одновибраторов имеет вход сброса R, который отменяет все остальные функции. Кратковременный сигнал по входу R обрывает выходной импульс. Этот вход может использо-

Рис. 8.58. Схема одновибратора без перезапуска.

ваться для предотвращения выработки выходного импульса в момент включения питания логической системы; учтите, однако, сделанное выше замечание по 74123.

Длительность импульса. С помощью стандартных одновибраторов можно получать импульсы длительностью от 40 не до нескольких миллисекунд (и даже секунд) за счет подключения внешнего конденсатора, обычно в сочетании с резистором. С помощью устройства, подобного ИМС 555 (см. разд. 4.13), можно формировать импульсы и большей длительности, однако его входные характеристики зачастую создают неудобства. Интервалы времени очень большой длительности лучше всего отсчитывать цифровым способом (см. разд. 8.23).

8.21. Пример схемы одновибратора

На рис. 8.59 показана схема генератора прямоугольных импульсов с независимой регулировкой частоты и скважности, которая позволяет с помощью внешнего сигнала закрывать выход по отрицательному перепаду выходного импульса. Токовое зеркало Ti - Та формирует на Ci нарастающее напряжение. Когда это напряжение достигает порога верхнего компаратора, равного Vg (/+, запускается одновибра-тор, который вырабатывает положительный импульс длительностью 2 мкс, устанавливая -канальный ПТ Q4 в проводящее состояние и разряжая конденсатор. Таким образом, на Ci формируется пилообразный сигнал, нарастающий от нулевого потенциала до значения 4-8В со скоростью, которая задается потенциометром R. Нижний компаратор из пилообразных импульсов вырабатывает прямоугольные со скважностью, которая с помощью резистора R может линейно регулироваться в пределах от 0,1 до 99%. Оба компаратора обладают гистерезисом порядка нескольких милливольт (R и Rg), наличие которого позволяет предотвратить многократные переходы, возникающие под воздействием помех. В схеме применен сдвоенный компаратор типа LM393 с малым потреблением, который имеет на выходах схемы с открытым коллектором и диапазон синфазного сигнала на входе от нуля до напряжения питания.

Отличительным свойством данной схемы является ее способность синхронизироваться (работать в стартстопном режиме) по внешнему управляющему сигналу. При наличии сигнала на входе ОСТАНОВ схема останавливает свой генератор по очередному отрицательному

1{ +)2 В

Рис, 8.59. Самосинхронизирующийся генератор импульсов с внешним запуском.

перепаду на выходе. Когда сигнал на входе ОСТАНОВ снова перейдет в состояние НИЗКОГО уровня, генератор сразу же начинает формировать полные периоды, как если бы задний фронт возник в момент снятия сигнала ОСТАНОВ. Дополнительный 3-й вход схемы И-НЕ, соединенный с выходом компаратора, служит для того, чтобы схема ие застревала при заряженной емкости Ci. Длительность импульса на выходе одновибратора выбрана достаточно большой, чтобы за это время Ci мог полностью разрядиться.

8.22, Предостережения относительно одновибраторов

С одновибраторами связан ряд проблем, которые не встретятся в других цифровых схемах. Кроме того, существуют некоторые общие принципы, которыми необходимо руководствоваться при их использовании. Сначала остановимся на патологии одновибраторов.

Проблемы применения одновибраторов. Длительность импульса. Для построения одновибраторов используется сочетание линейных и цифровых методов. Поскольку линейные схемы чувствительны к изменениям Уъэ и Аиэ от температуры и т. п., одновибраторы также

* Скважность здесь есть отношениедлительности импульса к паузе.- Прим. ред.

СКЛОННЫ реагировать на изменения температуры и напряжения питания дрейфом длительности выходного импульса. В типовых устройствах, например 9602, длительность выходного импульса колеблется в пределах нескольких процентов при изменении температуры в интервале О-50°С и при отклонениях напряжения питания ±5%. Кроме того, разброс параметров от устройства к устройству для ИМС данного типа составляет ±10%. Лучшими в этом отношении являются ИМС 74121, 74221 и74С221,для которых отклонения длительности в том же интервале изменения температуры и напряжения питания составляют десятые доли процента, а типичный разброс от устройства к устройству- 1%. При рассмотрении чувствительности к изменениям температуры и напряжения питания важно помнить, что кристалл (чип) микросхемы может обладать эффектом саморазогрева, а отклонения напряжения питания во время действия выходного импульса (например, короткие броски или иголки по шине питания) способны существенно повлиять на его длительность (или вызвать ложный запуск).

Длинные импульсы. При формировании длинных импульсов величина емкости конденсатора может превышать значение нескольких микрофарад, что приводит к необходимости использовать электролитические конденсаторы. В этом случае возникает проблема тока утечки (величина которого для конденсаторов малых емкостей незначительна), особенно если учесть, что в большинстве одновибраторов во время действия выходного импульса к конденсатору прикладывается напряжение обеих полярностей. Для разрешения этой проблемы может потребоваться установка диода или транзистора либо переход на цифровые методы формирования задержек с использованием тактовых импульсов и триггерных каскадов, как показано в разд. 8.23. Применение внешнего диода или транзистора повышает чувствительность к температуре и снижает точность задания длительности импульса. Это может также привести к затруднению перезапуска.

Скважность. В некоторых схемах одновибраторов при высокой скважности длительность выходного импульса уменьшается. Типичным примером являются элементы серии ТТЛ 9600-9602, у которых при скважности менее 60% длительность выходного импульса постоянна, а при скважности 100% уменьшается приблизительно на 5%. Прекрасное в других отношениях устройство 74121 в этом отношении еще хуже, так как при высокой скважности вообще ведет себя неустойчиво.

Запуск. Если для запуска одновибраторов использовать слишком короткие сигналы, они могут вырабатывать на выходе нестандартные, или дрожащие , импульсы. Для запускающего импульса задается минимальная длительность, например, для прибора 74121 она составляет 50 НС, а для 4098-140 не при напряжении питания -f 5 В и 40 не при (Упит=+15 В (при повышенном напряжении питания элементы КМОП обладают более высоким быстродействием и имеют повышенную нагрузочную способность).