Ψηφιακές συσκευές: σαγιονάρες, συγκριτές και καταχωρητές

Οι ψηφιακές συσκευές είναι χτισμένες σε λογικά στοιχεία, επομένως υπακούουν στους νόμους της λογικής άλγεβρας. Οι βασικές συσκευές της ψηφιακής τεχνολογίας, μαζί με τις λογικές συσκευές, είναι οι σαγιονάρες.

Trigger (αγγλικά trigger - trigger) - μια ηλεκτρονική συσκευή που έχει δύο σταθερές καταστάσεις και μπορεί να μεταπηδήσει από τη μια κατάσταση στην άλλη υπό την επίδραση μιας εξωτερικής ώθησης.

Ενεργοποιητές ή, ακριβέστερα, συστήματα σκανδάλης ονομάζονται μια μεγάλη κατηγορία ηλεκτρονικών συσκευών που έχουν την ικανότητα να παραμένουν σε μία από τις δύο σταθερές καταστάσεις για μεγάλο χρονικό διάστημα και να τις εναλλάσσουν υπό την επίδραση εξωτερικών σημάτων. Κάθε συνθήκη ενεργοποίησης αναγνωρίζεται εύκολα από την τιμή της τάσης εξόδου.

Κάθε κατάσταση ενεργοποίησης αντιστοιχεί σε ένα ορισμένο (υψηλό ή χαμηλό) επίπεδο τάσης εξόδου:

1) η σκανδάλη έχει ρυθμιστεί σε μία κατάσταση — επίπεδο «1».

2) το flip-flop επαναφέρεται — επίπεδο «0» στην έξοδο.

Η σταθερή κατάσταση παραμένει όσο επιθυμείτε και μπορεί να αλλάξει με εξωτερικό παλμό ή με απενεργοποίηση της τάσης τροφοδοσίας. Τσε.ένα flip-flop είναι ένα στοιχειώδες στοιχείο μνήμης ικανό να αποθηκεύει τη μικρότερη μονάδα πληροφοριών (ένα bit) «0» ή «1».

Τα flip-flops μπορούν να κατασκευαστούν σε διακριτά στοιχεία, λογικά στοιχεία, σε ολοκληρωμένο κύκλωμα ή να αποτελούν μέρος ενός ολοκληρωμένου κυκλώματος.

Οι κύριοι τύποι σαγιονάρων περιλαμβάνουν: RS-, D-, T-, και JK-flippers... Επιπλέον, οι σαγιονάρες χωρίζονται σε ασύγχρονες και σύγχρονες. Στην ασύγχρονη ενεργοποίηση, η εναλλαγή από τη μια κατάσταση στην άλλη γίνεται απευθείας με την άφιξη ενός σήματος στην είσοδο πληροφοριών. Εκτός από τις εισόδους δεδομένων, οι συγχρονισμένες σαγιονάρες διαθέτουν είσοδο ρολογιού. Η εναλλαγή τους πραγματοποιείται μόνο με την παρουσία ενός ενεργοποιητικού παλμού ρολογιού.

Μια σκανδάλη RS έχει τουλάχιστον δύο εισόδους: S (set — set) — η σκανδάλη έχει ρυθμιστεί στην κατάσταση επιπέδου «1» και R (reset) — η σκανδάλη επαναφέρεται στην κατάσταση επιπέδου «0». (Εικ. 1).

Παρουσία της εισόδου C, το flip-flop είναι σύγχρονο — η μεταγωγή του flip-flop (αλλαγή κατάστασης της εξόδου) μπορεί να συμβεί μόνο τη στιγμή της άφιξης του παλμού συγχρονισμού (συγχρονισμού) στην είσοδο C.

Σχήμα 1 — Συμβατική γραφική αναπαράσταση του flip-flop RS και ο σκοπός των συμπερασμάτων α) ασύγχρονη, β) σύγχρονη

Εκτός από την άμεση έξοδο, το flip-flop μπορεί να έχει και αντίστροφη έξοδο, το σήμα της οποίας θα είναι αντίθετο.

Ο Πίνακας 1 δείχνει τις καταστάσεις που μπορεί να λάβει το flip-flop κατά τη λειτουργία. Ο πίνακας δείχνει τις τιμές των σημάτων εισόδου S και R σε μια συγκεκριμένη χρονική στιγμή tn και την κατάσταση του flip-flop (της άμεσης εξόδου) την επόμενη στιγμή του χρόνου tn + 1 μετά την άφιξη του επόμενου όσπρια. Η νέα κατάσταση ενεργοποίησης επηρεάζεται επίσης από την προηγούμενη κατάσταση του Q n.

Τσε.εάν είναι απαραίτητο να γράψουμε στη σκανδάλη «1» — δίνουμε έναν παλμό στην είσοδο S, εάν «0» — στέλνουμε έναν παλμό στην είσοδο R.

Ο συνδυασμός S = 1, R = 1 είναι ένας απαγορευμένος συνδυασμός γιατί είναι αδύνατο να προβλεφθεί ποια κατάσταση θα δημιουργηθεί στην έξοδο.

Πίνακας 1 - Σύγχρονος πίνακας καταστάσεων flip-flop RS

Η λειτουργία του flip-flop μπορεί επίσης να φανεί χρησιμοποιώντας διαγράμματα χρονισμού (Εικ. 2).

Σχήμα 2 — Διαγράμματα χρονισμού ενός ασύγχρονου flip-flop RS

Το D-trigger (από τα αγγλικά delay — delay) έχει μια είσοδο πληροφοριών και μια είσοδο ρολογιού (συγχρονισμού) (Εικ. 3).

Το D-flip-flop αποθηκεύει και αποθηκεύει στην έξοδο Q το σήμα που βρισκόταν στην είσοδο δεδομένων D τη στιγμή της άφιξης του παλμού ρολογιού C. το flip-flop αποθηκεύει πληροφορίες που γράφτηκαν όταν C = 1.

Πίνακας 2-Πίνακας καταστάσεων του D-flip-flop

Σχήμα 3 — Δ-σκανδάλη: α) συμβατική γραφική αναπαράσταση, β) χρονικά διαγράμματα λειτουργίας

Οι σκανδάλες T (από το αγγλικό tumble — ανατροπή, τούμπες), που ονομάζονται επίσης counting flip-flops, έχουν μία είσοδο πληροφοριών T. Κάθε παλμός (αποσύνθεση παλμού) της εισόδου T (είσοδος μέτρησης) αλλάζει τη σκανδάλη στην αντίθετη κατάσταση.

Το Σχήμα 4 δείχνει τη συμβολολογία της σκανδάλης Τ (α) και τα διαγράμματα χρονισμού της λειτουργίας (β).

Εικόνα 4-T-flip-flop α) συμβατική-γραφική σημειογραφία, β) διαγράμματα χρονισμού της λειτουργίας γ) πίνακας καταστάσεων

Μια σκανδάλη JK (από το αγγλικό jump — jump, keer — hold) έχει δύο εισόδους δεδομένων J και K και μια είσοδο ρολογιού C. Η εκχώρηση των ακίδων J και K είναι παρόμοια με την εκχώρηση των ακίδων R και S, αλλά η σκανδάλη έχει χωρίς απαγορευμένους συνδυασμούς. Αν J = K = 1, αλλάζει την κατάστασή του στο αντίθετο (Εικ. 5).

Με την κατάλληλη σύνδεση των εισόδων, η σκανδάλη μπορεί να εκτελέσει τις λειτουργίες των RS-, D-, T-triggers, π.χ. είναι μια καθολική σκανδάλη.

Εικόνα 5 -JK -flip-flop α) συμβατική -γραφική σημειογραφία, β) συντομευμένος πίνακας καταστάσεων

Συγκριτής (σύγκριση — σύγκριση) — συσκευή που συγκρίνει δύο τάσεις — είσοδος Uin με αναφορά Uref. Η τάση αναφοράς είναι μια σταθερή τάση με θετική ή αρνητική πολικότητα, η τάση εισόδου αλλάζει με την πάροδο του χρόνου. Το απλούστερο κύκλωμα σύγκρισης που βασίζεται σε λειτουργικό ενισχυτή φαίνεται στο Σχήμα 6, α. Αν Uin Uop στην έξοδο U — us (Εικ. 6, β).

Σχήμα 6 — Συγκριτής Op-amp: α) το απλούστερο σχήμα β) χαρακτηριστικά απόδοσης

Ένας συγκριτής θετικής ανάδρασης ονομάζεται έναυσμα Schmitt. Εάν ο συγκριτής αλλάξει από «1» σε «0» και αντίστροφα στην ίδια τάση, τότε η σκανδάλη Schmitt - σε διαφορετικές τάσεις. Η τάση αναφοράς δημιουργεί ένα κύκλωμα PIC R1R2, το σήμα εισόδου τροφοδοτείται στην είσοδο αναστροφής του op-amp. Το σχήμα 7, β, δείχνει το χαρακτηριστικό μεταφοράς της σκανδάλης Schmitt.

Σε αρνητική τάση στην είσοδο αποθέματος του λειτουργικού συστήματος Uout = U + sat. Αυτό σημαίνει ότι μια θετική τάση δρα στη μη αντιστρεπτική είσοδο. Καθώς η τάση εισόδου αυξάνεται, το ρεύμα Uin > Uneinv. (Uav — σκανδάλη) ο συγκριτής πηγαίνει στην κατάσταση Uout = U -sat. Εφαρμόζεται αρνητική τάση στη μη αναστρέφουσα είσοδο. Αντίστοιχα, με μείωση της τάσης εισόδου τη στιγμή Uin <Uneinv. (Uav — σκανδάλη) ο συγκριτής μεταβαίνει σε κατάσταση Uout = U + sat.

Εικόνα 7 — Λειτουργία Schmitt ενός op-amp: α) το απλούστερο σχήμα β) χαρακτηριστικά απόδοσης

Ενα παράδειγμα. Το Σχήμα 8 δείχνει μια σχηματική εικόνα ενός επαφέα ρελέ για τον έλεγχο ενός ηλεκτροκινητήρα, που του επιτρέπει να ξεκινήσει, να σταματήσει και να αντιστραφεί.

Σχήμα 8 — Σχέδιο ελέγχου κινητήρα ρελέ-επαφέα

Η μεταγωγή του ηλεκτροκινητήρα πραγματοποιείται από μαγνητικούς εκκινητήρες KM1, KM2. Οι ελεύθερα κλειστές επαφές KM1, KM2 εμποδίζουν την ταυτόχρονη λειτουργία μαγνητικών εκκινητήρων. Οι ελεύθερα ανοιχτές επαφές KM1, KM2 παρέχουν αυτοκλείδωμα των κουμπιών SB2 και SB3.

Για να βελτιωθεί η αξιοπιστία της λειτουργίας, είναι απαραίτητο να αντικατασταθούν τα κυκλώματα ελέγχου ρελέ-επαγωγέα και τα κυκλώματα ισχύος με ένα σύστημα χωρίς επαφή που χρησιμοποιεί συσκευές και συσκευές ημιαγωγών.

Το σχήμα 9 δείχνει ένα κύκλωμα ελέγχου κινητήρα χωρίς επαφή.

Οι επαφές ισχύος των μαγνητικών εκκινητήρων αντικαταστάθηκαν με οπτο-simistors: KM1-VS1-VS3, KM2-VS4-VS6. Η χρήση οπτοσιμιστών καθιστά δυνατή την απομόνωση ενός κυκλώματος ελέγχου χαμηλού ρεύματος από ένα ισχυρό κύκλωμα τροφοδοσίας.

Οι σκανδάλες παρέχουν κουμπιά αυτόματου κλειδώματος SB2, SB3. Λογικά στοιχεία ΚΑΙ εξασφαλίζουν ταυτόχρονη ενεργοποίηση μόνο ενός από τους μαγνητικούς εκκινητές.

Όταν ανοίγει το τρανζίστορ VT1, το ρεύμα ρέει μέσω των LED της πρώτης ομάδας οπτο-simistors VS1-VS3, εξασφαλίζοντας έτσι τη ροή του ρεύματος μέσω των περιελίξεων του κινητήρα.Το άνοιγμα του τρανζίστορ VT2 τροφοδοτεί τη δεύτερη ομάδα οπτο-simistors VS4 -VS6, εξασφαλίζοντας την περιστροφή του ηλεκτροκινητήρα προς την άλλη κατεύθυνση.

Εικόνα 9 — Κύκλωμα ελέγχου κινητήρα χωρίς επαφή

Εγγραφή - μια ηλεκτρονική συσκευή σχεδιασμένη για βραχυπρόθεσμη αποθήκευση και μετατροπή πολυψήφιων δυαδικών αριθμών. Ο καταχωρητής αποτελείται από flip-flops, ο αριθμός των οποίων καθορίζει πόσα bit ενός δυαδικού αριθμού μπορεί να αποθηκεύσει ο καταχωρητής — το μέγεθος του καταχωρητή (Εικ. 10, α). Τα λογικά στοιχεία μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την οργάνωση της λειτουργίας των σκανδαλισμών.

Εικόνα 10 — Μητρώο: α) γενική αναπαράσταση, β) συμβατική γραφική σημειογραφία

Σύμφωνα με τη μέθοδο εισαγωγής και εξόδου πληροφοριών, οι καταχωρητές χωρίζονται σε παράλληλους και σειριακούς.

Σε έναν διαδοχικό καταχωρητή, τα flip-flop συνδέονται σε σειρά, δηλαδή οι έξοδοι του προηγούμενου flip-flop περνούν πληροφορίες στις εισόδους του επόμενου flip-flop. Οι είσοδοι ρολογιού Flip-flop C συνδέονται παράλληλα. Ένας τέτοιος καταχωρητής έχει μια είσοδο δεδομένων και μια είσοδο ελέγχου - είσοδο ρολογιού C.

Ένας παράλληλος καταχωρητής εγγράφει ταυτόχρονα σε flip-flops για τα οποία υπάρχουν τέσσερις είσοδοι δεδομένων.

Το σχήμα 10 δείχνει την κατανομή UGO και την ακίδα ενός παράλληλου σειριακού καταχωρητή τεσσάρων bit.