Podstawy układów cyfrowych – układy sekwencyjne, część 2

Klasyczna technika cyfrowa oprócz opisanych wcześniej przerzutników typu RS oferuje znacznie więcej ich rodzajów. Z całej tej gamy obecnie największe znaczenie ma przerzutnik typu D. Na jego bazie można stworzyć wiele układów rejestrowych.
Przerzutnik typu D jest wręcz powszechnym elementem tworzącym różnorodne układy rejestrowe. Ma banalnie prostą funkcję: w wyniku wystąpienia odpowiedniego zbocza sygnału zegarowego następuje wpis do przerzutnika stanu występującego na wejściu danych (D) (rysunek 1). Odgrywa on rolę komórki pamiętającej, od tej chwili jakiekolwiek zmiany na wejściu danych nie będą miału wpływu na zapamiętany stan.

Nie jest to jedyny typ przerzutnika i tutaj warto wspomnieć o innym, który jest określany jako przerzutnik JK. Jest to funkcjonalnie najbardziej uniwersalny przerzutnik, chociaż jego znaczenie staje się coraz mniejsze ze względu na upowszechnianie się mikrokontrolerów (rysunek 2).

W przeciwieństwie do przerzutnika typu D, ten ma dwa wejścia danych: wejście J oraz K. Są to oryginalne oznaczenia samego twórcy tego „wynalazku”– Jacka Kilby’ego. W związku z podwójnym wejściem sygnału danych, realizowana funkcja przerzutnika JK jest bardziej złożona. W sytuacji, gdy stany logiczne na obu wejściach (J oraz K) są różne, następuje wpis do przerzutnika stanu występującego na wejściach: J —> Q oraz K —> zanegowane Q. W przypadku, gdy stany na wejściach są identyczne, przerzutnik zmienia stan na przeciwny, gdy są to dwie jedynki lub nie zmienia stanu, gdy są to dwa zera.

Przerzutnik D

Wróćmy jednak do przerzutnika typu D. Kiedyś bardzo mnie nurtowało jaki będzie jego stan tuż po włączeniu zasilania. Z punktu widzenia teorii układów logicznych należy uznać za stan nieokreślony – każda możliwość jest równie prawdopodobna. Jednak wyciąganie wniosków z obserwacji rzeczywistości pozwala zauważyć, że przerzutnik raczej ustawia się do określonej wartości logicznej. Zależności tu występujące są na tyle złożone, że trudno je przewidywać. Są one zależne od natury samego przerzutnika (jak jego technologia wykonania: bipolarna czy MOSFET) oraz od środowiska pracy (współpracujące układy mogą mieć swój wpływ). Jednak żeby przerzutniki działały w sposób zdeterminowany, mają specjalne wejście do zerowania (czasami występuje również wejście do ustawiania). Działanie przerzutnika na przykładzie układu 74HCT74 pokazuje rysunek 1. Tuż po włączeniu zasilania stan przerzutnika należy uznać za nieokreślony. Dopiero wystąpienie stanu niskiego na wejściu CLR (zerowanie przerzutnika) determinuje jego stan. Przerzutnik ten reaguje na narastające zbocze sygnału zegarowego (CLK), toteż zmiany jego stanu następują w tych momentach (zakładając, że na wejściach CLR oraz PRE są jedynki logiczne, gdyż te sygnały mają „wyższy priorytet” i wpływają natychmiast na wyjściowy stan przerzutnika). Oferta produkowanych przerzutników typu D jest szeroka, co czasami może prowadzić do dosyć istotnych komplikacji. Jako przykład niech posłuży wspomniany wyżej układ 74HCT74 oraz CD4013. Pomijając inne rozmieszczenie wyprowadzeń, oba zawierają w sobie dwa przerzutniki typu D z możliwością ustawiania oraz zerowania, oba reagują na narastające zbocze sygnału zegarowego lecz mają istotną różnicę: stanem aktywnym na wejściu zerowania/ustawiania jest zero logiczne dla 74HCT74 natomiast w CD4013 jest to jedynka logiczna. Warto zwracać uwagę na szczegóły, gdyż ignorowanie ich jest gwarancją kłopotów.

Zatrzask D

Oprócz przerzutników (ang. flip-flop) w „przyrodzie” występują zatrzaski (ang. latch). Pomimo że ich symbol na schematach jest identyczny, to jest bardzo istotna różnica w działaniu. Przerzutnik reaguje na wystąpienie zbocza na wejściu zegarowym, z tego względu czasami jest nazywany przerzutnikiem „z wpisem zboczem”. Zatrzask z kolei reaguje na poziom sygnału na wejściu zegarowym, toteż jest nazywany przerzutnikiem „z wpisem poziomem”. Nieuwzględnienie tej cechy często prowadzi do kłopotów. Dawno temu sam się o tym boleśnie przekonałem chcąc na bazie układu 74LS75 (jest to zatrzask) zbudować rejestr przesuwny, jak pokazuje rysunek 3.

Przy pierwszym impulsie zegarowym stan wejścia powielił się natychmiast na każdym wyjściu. Tak robić nie wolno. Taka wiedza empiryczna, zdobyta w wyniku własnych przemyśleń i eksperymentów jest najcenniejsza.
(…)

——– ciach! ——–

To jest tylko fragment artykułu, którego pełna wersja ukazała się w numerze wrześniowym czasopisma Zrozumieć Elektronikę (ZE 9/2023). Pełna wersja czasopisma umieszczona jest pod tym linkiem. Natomiast niepełna, okrojona wersja, pozwalająca zapoznać się z zawartością numeru ZE 9/2023 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 (10 zł),
– 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.