Майк Тули - Справочное пособие по цифровой электронике

• Название: Справочное пособие по цифровой электронике
• Автор: Майк Тули
• Издательство: "Энергоатомиздат"
• Жанр: Справочники
• Год: 1990
• ISBN: 5-283-02492-Х (рус.); 1-87077-500-7 (англ.)

Систематизированы сведения по применению в микропроцессорной технике и микроЭВМ различного рода цифровых интегральных микросхем. Описаны схемотехника, назначение, методы использования и особенности конструирования цифровых микроэлектронных устройств. Рассмотрены варианты компоновки и печатного монтажа, обсуждена диагностика неисправностей цифровой техники. Для рассматриваемых микросхем приведены отечественные аналоги.

Для широкого круга читателей, не обладающих специальной подготовкой в области электроники и цифровой микропроцессорной техники.

---

2) если А1 и В подключены к логической 1, одновибратор запускается отрицательным фронтом сигнала на входе А2;

3) когда А2 и В подключены к логической 1, запуск осуществляется отрицательным фронтом сигнала на входе A1.

В отличие от других микросхем одновибратор 74121 не допускает повторного запуска (перезапуска) при формировании им выходного импульса. Иными словами, после начала формирования выходного импульса последующие сигналы запуска не распознаются. Более того, в обычных условиях одновибратор до следующего запуска требует интервала восстановления, равного длительности выходного импульса.

3.2. Расширители импульсов

Типичное применение одновибратора связано с расширением очень короткого импульса. Микросхема 74121 идеально подходит для реализации этой функции; ее можно запустить очень коротким импульсом, на который она реагирует формированием выходного импульса фиксированной длительности. Единственное условие надежного запуска состоит в том, чтобы длительность входного импульса превышала 50 нс. Номинал времязадающего резистора должен находиться в диапазоне от 1,5 до 47 кОм. Минимальная емкость внешнего конденсатора составляет 10 пкФ, а максимальная ограничивается только его током утечки. При необходимости можно использовать конденсатор емкостью в сотни микрофарад. Следовательно, одновибратор обеспечивает значительно больший диапазон длительностей выходных импульсов, чем рассмотренные выше простые схемы с инверторами. Длительность выходного импульса микросхемы 74121 в зависимости от R и С можно определить по номограмме (рис. 3.7.)

Рис. 3.7. Номограмма для расчета длительности импульса в микросхеме 74121. При С = 0,01 мкФ и R = 15 кОм длительность импульса составляет 100 мкс.

3.3. RS-триггеры

Рано или поздно у вас возникает потребность в устройстве, которое может хранить логическое состояние (0 или 1) неопределенно долго, но, разумеется, пока есть питание. Такие устройства образуют элементарную разновидность памяти, а поскольку их выход может находиться в одном из двух устойчивых состояний, их называют бистабильными схемами или триггерами.

Простейший триггер реализуется на двух элементах НЕ-И или НЕ-ИЛИ (рис. 3.8).

Рис. 3.8. Типы RS-триггеров:

а — на элементах НЕ-И; б — на элементах НЕ-ИЛИ

Он имеет два входа установки и сброса и два дополняющих выхода Q и Q¯. Сигнал логической 1 на входе установки заставляет выход Q перейти (или остаться) в состоянии логической 1, а сигнал логической 1 на входе сброса заставляет выход Q перейти (или остаться) в состояние логического 0. В любом случае триггер останется в установленном или сброшенном состоянии до тех пор, пока входной сигнал не изменит это его состояние.

У простейших триггеров, выполненных на элементах НЕ-И или НЕ-ИЛИ, имеется существенный недостаток, который виден из таблицы истинности (табл. 3.1).

Невозможно предсказать выходное состояние, которое останется после подачи логической 1 на оба входа одновременно. Следовательно, необходимы специальные меры, чтобы предотвратить такую запрещенную входную комбинацию.

На практике триггеры на элементах НЕ-И и НЕ-ИЛИ встречаются редко, так как существует множество более универсальных микросхем триггеров, поведение которых полностью предсказуемо. Обозначения трех наиболее распространенных триггеров RS-, D- и JK-типов показаны на рис. 3.9.

Рис. 3.9. Условные обозначения RS-, D- и JK-триггеров.

D-триггер имеет два основных входа: D (от Delay — задержка или Data — данные) и CLOCK (синхронизация). Входные данные (логический 0 или логическая 1) подаются в триггер так, что его выходное состояние изменяется только в те моменты, когда меняется состояние сигнала синхронизации. Такая работа называется синхронизируемой. Предусматриваются также вспомогательные входы (обычно с активным низким уровнем), предназначенные для прямой установки или сброса триггера. Эти входы называются (пред) установкой PR и очисткой (сбросом) CLR.

Типичное использование D-триггера как однобитной защелки данных показано на рис. 3.10. Работа схемы наглядно поясняется временной диаграммой на рис. 3.11.

Рис. 3.10. D-триггер как защелка данных.

Рис. 3.11. Временная диаграмма работы D-триггера.

Как видно из диаграммы, состояние входа D передается на выход Q по нарастающему фронту сигнала синхронизации. Спадающий фронт сигнала синхронизации не оказывает воздействия на выход Q. Отметим, что обычные D-триггеры, например 7474, 74174 и 74175, синхронизируются нарастающим фронтом CLOCK, а JK-триггеры — спадающим фронтом.

3.4. JK-триггеры

JK-триггер имеет два синхронизируемых входа J и K, два прямых входа PR и CLR, вход синхронизации, а два выхода являются дополняющими, т. е. когда один из них представляет 1, другой представляет 0, и наоборот. Входы PR и CLR активны при низком уровне, т. е. сигнал логического 0 на входе PR переводит выход Q в состояние логической 1, а сигнал логического 0 на входе CLR — в состояние логического 0. Таблица истинности JK-триггера приведена в табл. 3.2.

Действия сигналов (пред) установки PR и очистки (сброса) CLR приведены в табл. 3.3

3.5. Двоичные счетчики/делители

На рис. 3.12 представлен типичный четырехразрядный двоичный счетчик-делитель на JK-триггерах. Каждый из триггеров делит частоту пополам, поэтому, как видно из временной диаграммы на рис. 3.13, частота выходного сигнала равна 1/16 частоты входного сигнала.

Рис. 3.12. Четырехразрядный счетчик на JK-триггерах.

Рис. 3.13. Временная диаграмма работы счетчика, показанного на рис. 3.12.

Поиск неисправностей в таком делителе обычно сводится к просмотру выходных сигналов Q каждого разряда с помощью логического пробника или осциллографа. Подозрительным оказывается разряд, в котором действует правильно синхронизируемый входной сигнал, а выходвое состояние не изменяется. В триггере этого разряда нужно проверить логическое состояние входов J, K, PR и CLR. Чтобы триггер осуществлял счет, на всех этих входах должен быть высокий уровень (логическая 1).

3.6. Регистры сдвига

На рис. 3.14 показан четырехразрядный регистр сдвига, построенный на JK-триггерах. Данные сдвигаются из отдельного разряда в соседний справа разряд по каждому спадающему фронту синхронизации. За четыре полных такта синхронизация логическая 1 со входа первого разряда передается на выход Q последнего разряда.

Рис. 3.14. Четырехразрядный регистр сдвига на JK.

Временная диаграмма работы регистра сдвига представлена на рис. 3.15. При ее построении предполагалось, что первоначально регистр сброшен, а логическое состояние на входе не изменяется в течение четырех тактов синхронизации.

Рис. 3.15. Временная диаграмма работы регистра сдвига, показанного на рис. 3.14 (предполагается, что на входе данных действует сигнал логической 1).

Поиск неисправностей в регистре сдвига оказывается не таким простым, как в двоичном счетчике. Обычно проверяют, что в каждом разряде имеется синхронизация, и прослеживают выходы Q каждого разряда. К сожалению, такая проверка может дать обескураживающий результат, если вход данных не изменяется. Поэтому иногда приходится отсоединять входную цепь и проверять эффект загрузки во все разряды логического 0 (вход J первого триггера подсоединяется к земле) и логической 1 (вход J первого триггера через резистор 1 кОм подсоединяется к питанию +5 В).

3.7. Логические пульсаторы

Производить физические отсоединения в схеме для изменения логического состояния конкретного узла и неудобно, и долго. Конечно же, должен существовать более практичный способ моментального изменения состояния узла без вмешательства паяльником и риска повреждения элементов на печатной плате. Для этого требуется логический пульсатор.

Логический пульсатор — это простой прибор, предназначенный для введения в проверяемую схему короткого импульса (самодельный логический пульсатор описан в приложении 2). Длительность импульса устанавливается небольшой для того, чтобы не повредить ни проверяемую схему, ни сам пульсатор, а полярность импульса изменяется с помощью специального переключателя. Импульс генерируется при нажатии соответствующей кнопки, вмонтированной в корпус прибора. Нормально зонд пульсатора должен иметь высокое сопротивление, чтобы не влиять на логическое состояние узла.