Podstawy układów cyfrowych – układy sekwencyjne, część 1

Kolejnym stopniem wtajemniczenia są układy sekwencyjne, które bazują na różnego rodzaju przerzutnikach. Ten element to podstawa w budowie różnego rodzaju rejestrów, liczników oraz automatów synchronicznych. Co to jest przerzutnik? Zaczniemy od najprostszego: przerzutnik RS.

Co to jest przerzutnik

W układach impulsowych występuje coś, co jest określane jako multiwibrator. Spośród kilku jego wariantów budowy swoją uwagę skupimy na wariancie bistabilnym (który ma dwa stany stabilne). Podstawowe jego rozwiązanie pokazuje schemat na rysunku 1. W stanie ustalonym na wyjściach (kolektorach tranzystorów T1 i T2) występują pewne stany logiczne.

Jeżeli stan na wyjściu zostanie oznaczony jako Q (kolektor tranzystora T2, rysunek 1), to wyjście po przeciwnej stronie będzie oznaczone jako zanegowane Q (kolektor tranzystora T1, ten sam rysunek). Odzwierciedla to jednocześnie stany logiczne występujące na tych wyjściach – będą miały wartości przeciwne.

Co będzie się działo w układzie po naciśnięciu na przycisk S1 (rysunek 2)?

Sytuację pokazuje rysunek 2a. Spowoduje to brak wysterowania tranzystora T1: w obwodzie z elementami S1 i złącza baza-emiter tranzystora T1 nie popłynie prąd. To prowadzi do zatkania tranzystora T1 i jednocześnie pojawienia się na jego kolektorze napięcia bliskiego napięciu zasilającemu. To napięcie spowoduje przepływ prądu w obwodzie R4 i złącza baza-emiter tranzystora T2 (rysunek 2b). Jego skutkiem będzie nasycenie tranzystora T2 i pojawienie się na jego kolektorze napięcia bliskiego zeru. W wyniku tego tranzystor T1 zostaje zatkany (rysunek 2c). Ten stan wcześniej był wymuszony naciśnięciem przycisku S1, który w tej chwili może zostać zwolniony. Powstała sytuacja (rysunek 2 d) staje się stabilna. Występujące napięcia na kolektorach obu tranzystorów prowadzą do sytuacji, gdzie oba tranzystory będą się „wzajemnie podtrzymywać”. Można to interpretować w ten sposób, że naciśnięcie przycisku S1 wymusza stan wysokiego napięcia na kolektorze tranzystora T1, jednocześnie napięcia bliskiego zeru na kolektorze tranzystora T2. Oczywiście zagadnienie jest symetryczne: naciśnięcie przycisku S2 doprowadzi do rezultatu odwrotnego.

Warto zauważyć, że naciśnięcie jakiegokolwiek przycisku doprowadzi do powstania w układzie stanu wysokiego po stronie, gdzie znajduje się przycisk (S1 —> T1, S2 —> T2) bez względu na stan wcześniejszy. Powstał układ pełniący funkcję zapamiętywania stanu. W układach cyfrowych takie rozwiązanie jest określane jako przerzutnik: elementarna komórka zdolna do trwałego przechowywania informacji jednobitowej.

Nikt nikomu nie zabroni jednoczesnego naciśnięcia obu przycisków. To spowoduje wpisanie na oba wyjścia logicznej jedynki. Taka sytuacja jest w konflikcie z ideą działania przerzutnika, gdzie na wyjściach występują stany przeciwne. Jest to stan zabroniony (nie ze względów na możliwość uszkodzenia układu a jedynie na konflikt logiczny na wyjściu). Puszczenie obu przycisków spowoduje powrót „do normalności”. Jaka ona będzie? To zależy, nie da się tego przewidzieć, choć będzie ściśle zdeterminowana. Jednoczesne puszczenie obu przycisków „w świecie ludzi” jest inaczej postrzegane „w świecie kwantowym”. Zawsze któryś z przycisków będzie przytrzymany dłużej i to wpłynie na stan końcowy. Nawet jeżeli uda się rzeczywiście jednocześnie puścić oba przyciski, to również ustali się stan stabilny. Trudno jest wyrokować jaki to będzie stan, bo to zależy od wartości użytych elementów. Podobnie jest w momencie włączenia zasilania dla układu. Jakakolwiek asymetria wartości elementów wpłynie na określony stan końcowy.

(…)

——– ciach! ——–

To jest tylko fragment artykułu, którego pełna wersja ukazała się w numerze sierpniowym czasopisma Zrozumieć Elektronikę (ZE 8/2023). Pełna wersja czasopisma umieszczona jest pod tym linkiem. Natomiast niepełna, okrojona wersja, pozwalająca zapoznać się z zawartością numeru ZE 8/2023 znajduje się tutaj.

Andrzej Pawluczuk

apawluczuk@vp.pl

Uwaga! Osoby, które nie są (jeszcze) stałymi Patronami ZE, mogą nabyć PDF-y z pełną wersję tego numeru oraz wszystkich innych numerów czasopisma wydanych od stycznia 2023, „stawiając kawę” (Cappuccino = 10 złotych za jeden numer czasopisma w postaci pliku PDF).
W tym celu należy kliknąć link (https://buycoffee.to/piotr-gorecki), lub poniższy obrazek

Następnie wybrać:
– jeśli jeden numer ZE – CAPPUCINO (10zł),
– jeśli kilka numerów ZE – WSPIERAM ZA. I tu wpisać kwotę zależną od liczby zamawianych numerów – wydań (N x 10zł),
Wpisać imię nazwisko.
Podać adres e-mail.
Koniecznie zaznaczyć: „Chcę dołączyć wiadomość dla Twórcy” i tu wpisać, który numer lub numery mamy wysłać na podany adres e-mailowy.