Помехоустойчивость. Поскольку в состав одновибраторов входят линейные элементы, их помехоустойчивость обычно хуже, чем у других цифровых схем. Одновибраторы особенно чувствительны к емкостным связям вблизи внешних времязадающих элементов R и С. Кроме того, некоторые одновибраторы имеют склонность к ложному запуску от иголок на шине земли или U+.

Паспортные данные. Не забывайте, что характеристики одновибратора (точность выдержки времени, нестабильность по температуре и напряжению питания) могут существенно ухудшаться на краях рабочего диапазона. В паспортных данных на устройство обычно задается диапазон длительностей выходного импульса, в котором оно имеет хорошие характеристики, и это может ввести в заблуждение.

Развязка по выходу. Вообще, в любом цифровом устройстве, содержащем триггеры, выходы должны быть буферированы (с помощью вентиля, инвертора, возможно, интерфейсного элемента типа линейного формирователя - возбудителя или драйвера). Если устройство типа одновибратора подключается к кабелю непосредственно, то за счет влияния нагрузочной емкости и отражения сигналов в кабеле работа его может стать неустойчивой.

Общие соображения по применению одновибраторов. При

использовании одновибраторов для формирования импульсной последовательности убедитесь в том, что на концах не будут вырабатываться дополнительные импульсы, т. е. что сигналы, разрешающие запуск одновибратора, сами не производят его запуск. Это легко сделать, пцательно просмотрев таблицу истинности. Применением одновибраторов не следует увлекаться, хотя заманчиво ставить их везде, где только можно, и наблюдать, как импульсы от них разбегаются во все точки схемы. Устройства, содержащие большое число одновибраторов, свидетельствуют о неопытности разработчика.Помимо уже упомянутых проблем существуют еще и дополнительные сложности, связанные с тем, что схема, насыщенная одновибраторами, не допускает существенной регулировки тактовой частоты, так как все выдержки времени в схеме настроены на определенный порядок возникновения событий. Когда есть возможность выполнить те же функции без применения одновибраторов, ею надо воспользоваться.

Пример такой схемы показан на рис. 8.60. Предположим, что по спаду входного сигнала требуется сформировать импульс, а затем еще один, задержанный по отношению к первому. Эти импульсы могут использоваться для предварительной установки схемы и запуска Операций, перед которыми требовалось выполнить некоторые предварительные действия, о завершении которых сообщает спад входного сигнала. Поскольку для управления остальной частью схемы скорее всего используются тактовые импульсы, будем предполагать, что Сигнал на D-входе снимается синхронно с передним фронтом такта. В схеме а на рис. 8.60 входной перепад запускает первый одновибратор.

который по концу своего выходного импульса запускает второй одно-вибратор.

Схема б делает то же самое при помощи D-триггеров, которые выра-батывают на выходе импульсы с длительностью, равной одному периоду тактовой частоты. В отличие от асинхронной схемы, где триггеры +

Рис. 8.60. Схема цифровой задержки (б); заменяющая задержку на одновибраторах (о).

соединяются каскадно, данная схема является синхронной. По ряду причин, в частности связанных с помехоустойчивостью, предпочтительнее применять синхронные системы. Если требуется формировать импульсы большей длительности, можно использовать ту же самую схему, взяв при этом другую тактовую частоту, которая может быть получена путем деления основной (высокочастотной) тактовой последовательности с помощью цепочки счетных триггеров. В этом случае основной тактовый сигнал может использоваться для тактирования D-триггеров. В синхронных системах, как правило, имеется несколько серий тактовых импульсов, образованных в результате деления основной частоты.

8.23 Получение выдержки времени с помощью счетчиков Как мы уже подчеркивали, существует целый ряд причин, по которым следует избегать применения одновибраторов в логических устрой-

ствах. На рис. 8.61 показана еще одна цифровая схема, позволяющая заменить одновибратор при формировании импульсов большой длительности. Интегральная схема 4060 представляет собой 14-разрядный двоичный счетчик (14 каскадно включенных триггеров) типа КМОП. фронтом входного сигнала на выходе устанавливается высокий уровень, который разрешает работу счетчика. После отсчета 2 импуль-

8192 периода -I тактовой частоты

Выход

пллл.

I I

4060

Рис. 8.61. Формирование импульсов большой длительности цифровым способом.

СОВ ВЫСОКИЙ уровень возникнет на выходе Q , в результате чего триггер и счетчик сбросятся. Данная схема позволяет с высокой точностью вырабатывать импульсы большой длительности, причем последняя может изменяться с коэффициентом 2. В состав счетчика 4060 входит также внутренний генератор, который может заменить внешний источник тактовых импульсов.

СТАНДАРТНЫЕ ИМС ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНЫХ ФУНКЦИЙ

Различные сочетания триггеров и вентилей, так же как и рассмотренные ранее комбинационные схемы, могут быть размещены в одном кристалле ИМС. В последующих разделах мы дадим обзор большинства наиболее часто используемых типов ИМС в соответствии с выполняемыми функциями. Для упрощения все элементы ТТЛ будем обозначать номерами 7400, хотя на практике обычно используется субсемейство 74LS00 либо родственные ему.

8.24. Фиксирующие схемы ( защелки ) и регистры

Фиксирующие схемы-защелки и регистры позволяют запоминать комбинацию двоичных разрядов, поданную на их входы, и хранить ее после изменения входных сигналов. Регистр можно построить с помощью ряда D-триггеров, однако в этом случае число входов и выходов у него будет больше, чем это обычно требуется. Поскольку в данном применении нет необходимости использовать раздельно тактовые и установочные входы, эти цепи можно объединить для всех

Глот 8

Входы -

выходы фнпсатор4

Рис. 8.62. 4-разрядиый регистр D-типа 74LS175.

триггеров, что позволит сократить число выводов ИМС и даст возможность разместить в стандартном 16-контактном корпусе 4 нли 6 триггеров. Так, например, ИМС 74174 (ТТЛ) и 4174 (КМОП) представляют собой б-разрядные (6 триггеров в одном корпусе) D-регистры, 74175

и 4175-4-разрядные D-регистры с прямыми и инверсными выходами. И те, и другие имеют общие тактовые и установочные входы и размещаются в 16-контактных корпусах (рис. 8.62).

Термины фиксирующая схема , регистр-защелка или фиксатор обычно служат для обозначения специального типа регистров, которые в открытом состоянии отслеживают на своих выходах входные сигналы, а в закрытом хранят их последнее значение. Поскольку термин фиксатор стал неоднозначным, часто для того, чтобы отличать друг от друга два очень сходных устройства, используются термины прозрачный фиксатор (собственно защелка ) и регистр D-типа . Примерами первого являются счетверенные защелки типа 7475 и 4042, причем 7475 имеет два разрешающих прием входа, по одному для каждой пары входных бит. Л1аксимальное число входов (принимаемых бит) для стандартных защелок-фиксаторов и регистров D-типа равно 8. Примерами таких устройств являются 74373 и 74374 соответственно.

Существуют регистры и фиксаторы, использующие на своих выходах схемы с тремя состояниями, например 4-разрядный регистр D-типа 8551. Такие приборы особенно удобны при коммутации нескольких 4-разрядных групп на одну 4-разрядную шину, как это делается при мультиплексировании цифрового иникатора, которое вскоре будет рассмотрено. Упомянутые выше ИМС 74373 и 74374 также имеют выходы с тремя состояниями.

Одной из разновидностей фиксаторов является так называемый адресуемый фиксатор - многоразрядный регистр, который позволяет адресоваться к любому биту с целью его корректировки, оставляя при этом остальные биты неизменными. Примерами подобных устройств являются ИМС 74259 и 4099 -8-разрядные адресуемые фиксаторы, выполненные в 16-разрядном корпусе. Они имеют один информационный вход, 8 выходных шин и могут использоваться в качестве распределителей (демультиплексоров).

Иногда вместо регистра лучше применять устройство памяти, известное под названием ЗУ с произвольной выборкой (ЗУПВ).

Стробирующих информационные входы,- Прим. ред.

Оно работает аналогично ПЗУ, с той лишь разницей, что в него можно быстро записывать новую информацию. Запоминающие устройства с произвольной выборкой выпускаются в самых разнообразных вариантах: начиная от 7481 (объемом 16 бит) и 7489 (объемом 16 слов, каждое по 4 бита) и кончая гигантскими устройствами - объемом до 64 кбит. Более подробно ЗУПВ будут рассматриваться вместе с микропроцессорами в гл. И (т. 2).

Наконец, следует отметить, что в кристалле ИМС функция защелки часто совмещается с другими функциями. Например, 74399 представляет собой счетверенный мультиплексор на 2 входа, имеющий на выходе регистр D-типа; 8554 - двоичный счетчик, снабженный защелкой и имеющий выходы с тремя состояниями; НР5082-7300 - это десятичный цифровой индикатор, содержащий в одном кристалле дешифратор двоично-десятичного кода, регистр-защелку и формирователь сигналов управления цифровым индикатором. И во многих других случаях имеет смысл поискать ИМС с нужными комбинированными функциями, так как это позволяет сэкономить место, сократить стоимость и упростить конструкцию.

8.25. Счетчики

Как мы уже говорили, соединяя триггеры друг с другом, можно построить счетчик. Существует поразительное множество разнообразных устройств такого типа, выполненных в одном кристалле ИМС. Попытаемся выяснить некоторые их характерные особенности, а затем дадим представление о том, какой выбор имеется среди стандартных ИМС.

Объем счетчика. Среди стандартных ИМС, -относящихся к широко распространенному клас- -су 4-разрядных счетчиков, существуют различные типы двоично-десятичных (делителей на 10) и двоичных (или шестнадцатеричных, делителей на 16) счетчиков и даже несколько делителей на 12. В семействе ТТЛ вы можете найти 8-разрядные счетчики (двоично-десятичный - 74390 и двоичный - 74393, рис. 8.63). В семействе КМОП выпускаются двоичные счетчики, имеющие 7, 12 и 14 ступеней, к выходам большинства Р *- З- Сдвоенный 1лс, лг\пг\ асинхронный двоично-

из которых имеется внешний доступ (4024, 4020, десятичный счетчик ти-4040, 4060), а также большие кристаллы типа па 74LS390. 4536 - 24-разрядный счетчик с переменным числом разрядов (выходная триггерная ступень выбирается с помощью 5-разрядного входа), снабженный внутренним генератором. В обоих семействах выпускаются счетчики по модулю и , позволяющие производить деление на целое число и, которое задается с помощью входного слова. Для получения большего числа разрядов счетчики, в том Числе и синхронные, можно соединять каскадно.

Тактирование, Cpejiji счетчиков, выпускаемых промышленностью в виде стандартных ИМС, одни могут тактироваться положительным, а другие отрицательным перепадом. Более существенно здесь то, является ли счетчик синхронным или асинхронным. В синхронных счетчиках тактирование всех триггеров происходит одновременно, в то время как в асинхронных каждый последующий триггер тактируется выходом предыдущего. В асинхронных счетчиках имеют место переходные состояния, поскольку начальные триггерные ступени перебрасываются несколько раньше последующих. Например, прп переходе от числа 7 (0П1) к числу 8 (1000) асинхронный счетчик пройдет через состояния 6, 4 и 0. Это может привести к ложной работе схемы, воспринимающей текущее состояние счетчика, если в ней не будут предусмотрены соответствующие меры. В таких случаях желательно нспользо вать что-либо наподобие Ь-триггера, чтобы анализировать состояние счетчика только по тактовому перепаду. Асинхронные счетчики рабо тают медленнее синхронных, поскольку они накапливают задержк} распространения. Для облегчения наращивания (путем подключения выхода Q одного счетчика к тактовому входу последующего) асинхронные счетчики должны иметь вход, работающий по заднему фронту.

Примером двоично-десятичного и двоичного счетчиков являются ИМС 7490 и 7493 (асинхронные) и 74160 и 74161 (синхронные).

Реверсивные счетчики. Некоторые счетчики могут считать в обоих направлениях. Примерами таких устройств могут служить

Входы параллельной загрузки

Рис. 8.64. 4-разрядньщ синхронный реверсивный счетчик типа 74LS193.

синхронные реверсивные двоично-десятичный (74190) и двоичный (74191) счетчики, в которых используется отдельный управляющий вход (+/-), а также двоично-десятичный (74192) и двоичный (74193) счетчики с раздельными счетными входами для прямого и обратного счета (рис. 8.64). Ультрасовременный КМОП-счетчик 4029 может считать в обоих направлениях как в двоично-десятичном, так и в двоичном коле Мыс Канаверал постооонитесь!

Предварительная установка. Некоторые счегчнкн имеют информационные входы, которые позволяют предварительно заносить в них какое-либо число. Это, в частности, может потребоваться при построении счетчика по модулю , а также в ряде других применений. Предварительная установка (или загрузка) может быть как синхронной, так и асинхронной. В устройствах 74160-74163 используется синхронная загрузка. Это означает, что ввод данных в счетчик производится по очередному перепаду тактового импульса при условии, что на линии ЗАГРУЗКА действует разрешающий сигнал. Счетчики 74190-74193 являются асинхронными: информация, присутствующая на входных линиях, вводится в счетчик при наличии разрешающего сигнала ЗАГРУЗКА независимо от состояния тактовой цепи. Иногда здесь используется термин параллельная загрузка , поскольку все биты загружаются одновременно.

Функция СБРОС (или установка в О ) представляет собой одну из форм предварительной установки. В большинстве счетчиков вход СБРОС является асинхронным, хотя в некоторых типах используется синхронный сброс (например, 74162 и 74163).

Прочие особенности счетчиков. В некоторых счетчиках на выходных линиях используются интегральные фиксаторы. Здесь всегда при.меняются фиксаторы-защелки, и, следовательно, счетчик может использоваться так, как если бы фиксатор вообще отсутствовал. (Следует помнить, что любой счетчик с параллельными входами может работать как фиксатор, однако при этом нельзя одновременно производить счет и хранить информацию.) Иногда очень удобно иметь счетчик в сочетании с фиксатором, например в том случае, когда после начала нового цикла счета требуется воспроизвести или вывести предыдущее значение. В счетном частотомере это позволяет получить устойчивую индикацию с корректировкой после каждого цикла отсчета и не воспроизводить на индикаторе все текущие состояния счетчика, сбрасывая его в нуль после окончания каждого цикла (см. разд. 14.10).

Имеются также счетчики с фиксаторами, которые используют на выходах схемы с тремя состояниями. Они незаменимы в тех случаях, когда для индикации или передачи в другие устройства цифры (или группы из 4 бит) должны коммутироваться на общую шину. Примерами таких ИМС являются 4-разрядные счетчики типа 8552 (двоично-Десятичный) и 8554 (двоичный). Существуют даже счетчики с объединенными входными и выходными выводами, предназначенные для работы на одну общую шину. Счетчики типа 8556 (двоичный) и 8555 (двоично-десятичный) имеют выходы с тремя состояниями, которые в Закрытом состоянии служат в качестве входов параллельной загрузки. Ниже будут приведены некоторые примеры использования таких устройств.

Если вы захотите использовать счетчик совместно с индикатором, о к вашим услугам несколько устройств, объединяющих в одном кристалле счетчик, регистр, 7-сегментный дешифратор и формирова-

Гйшение Включение mm- Провврпа внешнего Q катора индика- генератора

Рис. *1.б5. 8-знаковый универсальный однокристальный счетчик на 10 МГц типа Intersjl 7216. (С разрешения фирмы Intersil Inc.).

тель уровней для управления индикатором.Например, в состав серии 74Ы2-74144 входит счетчик в 16-контактном корпусе, имеющий только семисегментный выход; существует также ряд счетчиков в 24-контактных корпусах, имеющих, кроме того, и двоичный выход. Выпускаются даже микросхемы, содержащие в одном корпусе счетчик и индикатор (например, TIL 306/307). Стоит посмотреть на этог прибор, который считает и высвечивает отсчитанные цифры!

В виде больших интегральных схем (БИС) выпускаются устройства, содержащие на одном кристалле несколько счетных каскадов, интегральный фиксатор, дешифратор и коммутируемые формирователи сигналов управления цифровым индикатором. В 4-разрядных счетчиках серии 74С925-74С928 семейства КМОП эти функции объединены в одном 16-контактном корпусе. С помощью такой ИМС в сочетании с 4-разрядным цифровым индикатором на светодиодах можно построить счетчик с индикацией 4 десятичных разрядов. На рис. 8.65 показана очень удачная БИС счетчика, которая не тре бует большого числа дополнительных компонентов.

8.26. Регистры сдвига

Если несколько триггеров соединить таки.м образом, что выход Q каждого предыдущего триггера будет управлять О-входом последующего, а все тактовые входы будут возбуждаться одновременно, то получится схема, которая носит название регистр сдвига . По каждому тактовому импульсу комбинация нулей и единиц в регистре будет сдвигаться вправо, а слева через D-бход первого триггера будет вводиться новая информация. Как и во всех триг-1ерных схемах, информация, присутствующая на левом входе непосредственно перед возникновением тактового импульса, будет введена в регистр, и на выходе имеет место обычная задержка распространения. Таким образом, регистры можно объединять каскадно, не опасаясь возникновения режима логических гонок. Регистры сдвига широко используются для преобразования данных из параллельной формы (и бит поступают одновременно по п независимым линиям) в последовательную (биты один за другим передаются по одной информациоииой линии) и наоборот. Их также удобно применять в качестве запоминающих устройств, особенно в тех случаях, когда данные считываются и записываются всегда одинаковым образом. Регистры сдвига, так же как счетчики и фиксаторы, представлены большим числом разнообразных модификаций. Ниже будут рассмотрены все наиболее важные моменты, связанные с регистром сдвига.

ОбъемЛ-разрятые (например,7495) и 8-разрядные (74161 и4021) регистры являются стандартными. Выпускаются также регистры объемом до 1024 биг(например,устройство 2533,размещенное в мини-корпусе (мини-DIP) с двухрядным расположением выводов) и более. В семействе КМОП можно найти регистры сдвига, имеющие перемен;

i 1 I 1 1 1 И

Структура. Большинство регистров сдвига являются одиночными, однако выпускаются также сдвоенные, счетверенные и даже сшестеренные регистры. Так, 4517 представляет собой сдвоенный 64-разрядный регистр с раздельными тактовыми входами; 2518/2519 - сшестеренные 32-разрядные регистры с общим

Рис. 8.66. 8-разрядный сдвиговый тактовым ВХОДОМ, регистр семейства КМОП с парал-

лельными входами типа 4021. Статические и динамические

регистры. Статический регистр, подобно триггеру, хранит информацию неопределенно долго. Динамический регистр должен постоянно тактироваться с некоторой минимальной частотой; в противном случае он все забудет . Малые регистры - всегда статического типа (все упоминавшиеся ТТЛ и КМОП-регистры являются статическими), однако большие МОП-регистры могут быть динамическими. Последние проще в изготовлении и потребляют меньшую мощность, однако могут доставлять неудобства при использовании.

Входы и выходы. Регистры сдвига длиной более 8 разрядов обычно имеют только последовательные входы и выходы, иными словами, доступны лишь вход первого триггера и выход последнего. В некоторых случаях выводятся несколько промежуточных выходов (например, в 18-разрядном регистре 4006 имеются выходы для каждых 4 бит, а в 128-разрядном регистре 4562 - для каждых 16 бит). В небольших регистрах имеется возможность сделать параллельные входы или выходы. Примерами таких устройств являются 4-разрядный регистр сдвига с параллельным входом и выходом типа 7495 и 8-разрядный регистр сдвига с параллельным входом и последовательным выходом типа 74166. Схема 74199 представляет собой 8-разрядный регистр сдвига с параллельным входом и параллельньш выходом; поскольку только для этого требуется 16 контактов, он размещается в корпусе большего размера (24-контактном). Единственный способ разместить подобное устройство в стандартном 16-контактном корпусе - это использовать одни и те же линии в качестве входов и выходов. Такой метод применен в устройстве 8546, где выходные линии имеют три состоя-i ния и служат также в качестве параллельных входных линий.

Так же как и у счетчиков, входные и установочные линии регистров! могут быть либо синхронными, либо асинхронными: 8-разрядный ре- гистр сдвига 74166 имеет синхронную загрузку и асинхронный сброс,

ную длину, например, для регистра 4557 длина может задаваться в пределах от 1 до 64 бит при помощи 6-разрядного управляющего входа На рис. 8.66 показан широко распространенный 8-разрядный регистр

сдвига с параллельными входами КМОП 4021.