Школьный прибор «Логика» (стр. 2 )

Рассмотренные комбинационные ЦУ характери­зуются тем, что в процессе работы сигналы на выходах опреде­ляются лишь значениями сигналов на входах в данный момент вре­мени. При дальнейшем сбросе входных сигналов значения выходных сигналов не сохраняются и на выходах комбинационных ЦУ устанав­ливаются пассивные уровни. Таким образом, комбинационные ЦУ представ­ляют собой устройства, не обладающие памятью.

Рассматриваемые нами последовательностные ЦУ, яв­ляются устройствами с памятью. Сигналы на выходах таких ЦУ оп­ределяются не только значениями входных сигналов в данный мо­мент времени, но и значениями сигналов на выходах (состоянием устройства) в предыдущий момент времени. При сбросе входных сигналов установленные на выходах в предыдущий момент времени сигналы сохраняются.

Наряду с логическими элементами при построении последовательностных ЦУ должны применяться элементы памяти, получившие название интегральных триггеров.

Любой интегральный триггер - это простейший элемент памя­ти, способный хранить 1 бит информации (один 0 или одну 1). Термин "бит" произошел от английского binary digit - двоичная единица. Соответственно имеет два устойчивых состояния: 0 и 1. В одном состоянии на выходе триггера удерживается 0, в другом -1 даже при сбросе активных сигналов на всех его входах.

Интегральные триггеры строятся на логических элементах с применением обратных связей.

Например, структура простейшего асинхронного RS-триггера с прямы­ми статическими входами имеет вид (рис. 2).

рис 2.

Именно применение обратных связей и обеспечивает наличие у триггера двух устойчивых состояний. Любой интегральный триггер имеет два комплементарных выхода: прямой Q и инверсный .

Интегральные триггеры могут иметь следующие виды входов:

R, К - входы установки 0. Пр подаче активного сигнала на такой вход триггер устанавливается в состояние 0. т. е. на его прямом выходе устанавливается уровень логического 0.

S, J - входы установки 1. При подаче активного сигнала на такой вход триггер устанавливается в состояние 1, т. е. на его прямом выходе устанавливается уровень логической 1.

D - информационный вход. На прямом выходе триггера устанав­ливается такой же сигнал, какой подается на вход D.

Т - счетный вход при подаче активного сигнала на такой вход триггер переключается в другое состояние, т. е. тот уро­вень сигнала, который удерживался на выходе триггера в предыду­щий момент времени, меняется на противоположный.

С - синхронизирующий вход. В триггерах этот вход выполняет функцию разрешающего.

Триггеры, имеющие вход С, называются синхронными, не имеющие такого входа - асинхронными. Асинхронные триггеры прак­тически встречаются крайне редко.

Управление интегральными триггерами.

По способу управления входы интегральных триггеров быть статическими и динамическими, для которых активным сигналом является импульс (точнее, фронт импульса, т. е. момент перепада напряжения на входе с уровня логического 0 до уровня логической 1 или наоборот).

Динамические входы могут быть:

Прямые, для которых активным сигналом является положительный перепад напряжения (передний фронт положительного импульса), т. е. момент t1 изменения уровня сигнала на входе с 0 до 1. В технической и справочной литературе активный сигнал принято обозначать: ­. Уровень логического 0 и логической 1, а также отрицательный перепад напряжения для прямых динамических входов будут пассивными.

1

или

0

 

Рис 3 а

Инверсные, для которых активным сигналом является отрица­тельный перепад напряжения (передний фронт отрицательного им­пульса), т. е. момент t2 изменения уровня сигнала на входе с 1 до 0. В технической и справочной литературе такой активный сигнал принято обозначать: ¯. Уровень логического 0 и 1, а также положительный перепад напряжения для инверсных дина­мических входов будут пассивными. Изображение этих входов при­ведено на рис. 3.б.

1

 

0

рис 3 б

Статическими прямыми в интегральных триггерах обычно вы­полняют входы J и К, статическими инверсными - входы R и S. Также статическими делают всегда входы D, но разделить их на прямые и инверсные нельзя, т. к. для информационных входов ак­тивными сигналами являются и 0 и 1.

Динамическими практически всегда выполняют входы С для строгой синхронизации по времени моментов срабаты­вания триггеров и других ЦУ.

Структура и особенности срабатывания интегральных триггеров.

1.  RS-триггеры. Структура такого асинхронного триггера с прямыми статическими входами приведена на рис.2, а его условное графическое изображение - на рис.3.

рис 3

Выполним в качестве примера анализ работы указанного триггера хотя бы для одного случая.

Предположим, что триггер - находится в состоянии 0. Тогда на его прямом выхо­де удерживается уровень логического 0. а на инверсном - 1. что покажем на рис. 3.5, Сигнал 0 с прямого выхода будет действовать на верхний вход элемента В, а сигнал 1 с инверсного выхода - на нижний вход элемента А, что тоже покажем на рис.3.5, На входе R обеспечим пассивный уровень логического о (пассивным здесь будет 0, а активным - 1, т. к. входы прямые статические).

Подадим на вход S активный сигнал 1. При этом сразу срабатывает элемент В, на выходе которого устанавливается уровень логического 0 (данное пе­реключение показано на рис.4 стрелкой). Этот сигнал 0 с выхода элемента В поступает на нижний вход элемента А (переключение уровня сигнала на этом входе с 1 до 0 также показано стрелкой на рис.4 стрелкой).

Указанная 1 с выхода элемента А передается на верхний вход элемента В (на рис.4 изменение уровня сигнала на верхнем входе элемента В с 0 до 1 показано стрелкой), но это не приводит к изменению сигнала на выходе этого элемента: как был в предыдущий момент времени 0, так он останется.

В результате на прямом выходе триггера установился уро­вень логической 1, а на инверсном - 0. Причем нетрудно убе­диться, что при снятии активного сигнала 1 со входа S ничего не изменится, т. е. установленные на выходах уровни сигналов сохра­няются.

рис 4

Вывод: при подаче на вход S (вход установки 1) активного сигнала триггер действительно устанавливается в состояние 1 (на его прямом выходе устанавливается уровень логической 1).

Аналогично при необходимости можно выполнять анализ рабо­ты любого триггера (зная его логическую структуру) для нужного случая.

Работу любого триггера (так же, как любого другого ЦУ) в справочниках и другой технической литературе принято описывать таблицей истинности. Составим такую таблицу для асинхронного RS – триггера.

таблица 4

Входы	Выходы
R	S	Q
0	0	Q
0	1	1	0
1	0	0	1
1	1	неопределенное

Первая строчка. На обоих входах действуют пассивные сигна­лы 0, поэтому состояние триггера не меняется, т. е. на выходах со­храняются уровни сигналов, кото­рые удерживались здесь в предыду­щем тактовом интервале (в таблице показано, что на прямом выходе Q сохраняется тот же сигнал 0 и аналогично на инверсном выходе Q - тот же сигнал Q).

Вторая строчка. Здесь ак­тивный сигнал 1 действует на вхо­де S (входе установки 1), поэтому на прямом выходе триггера устанавливается 1, на инверсном соответственно 0. Пассивный сигнал 0 на входе R влияния на триггер не оказывает.

Третья строчка. Если активный сигнал 1 подается на вход R (вход установки 0), то и на прямом выходе триггера устанавлива­ется 0 С на инверсном, естественно, 1). Пассивный сигнал 0 на входе S никакого влияния на триггер не оказывает.

Четвертая строчка. Этот случай мы уже специально упомяну­ли: если на обоих входах RS-триггера действуют активные сигна­лы (в данном случае 1, т. к. рассматриваемый триггер имеет пря­мые статические входы), то здесь заранее не известно (не опре­делено), какие сигналы установятся на выходах.

Аналогично составляются таблицы истинности для любых дру­гих триггеров.

2. JK-триггеры выпускаются только синхронными
с прямыми статическими входами J и К. Структура и условное графическое изображение приведены на рис.

рис 5

Главная особенность такого триггера: здесь, в отличие от RS-триггеров, допускается одновременная подача активных сигна­лов на оба входа. В этом случае при наличии активного разрешаю­щего сигнала на входе С триггер срабатывает как счетный Т, т. е. переключается в другое состояние. Отсутствие запрещенных комби­наций входных сигналов объясняется наличием двойной обратной связи (во внутреннем RS-триггере, а также соединение выходов со входными элементами И) и позволяет отнести такой триггер к ти­пу универсального. Рассмотрим еще один, очень важный момент. Напомним. что при наличии активных сигналов одновременно на обоих входах JK-триггера подача активного разрешающего сигнала на вход С приводит к переключению триггера в другое состояние. Но если в дальнейшем оставить на всех входах триггера активные уровни сигналов, то на этом дело не закончится. Триггер сразу же сно­ва начнет переключаться в другое состояние, затем еще раз и т. д., т. е. происходит "мерцание" триггера с очень большой час­тотой, практически никогда никому не нужное. Именно это приве­ло к необходимости использования динамических входов С для уп­равления работой триггеров.

 

3. D-триггеры выпускаются только синхронными со статическим входом D. Принцип построения и условное графичес­кое изображение приведены на рис 6

Путем несложного анализа выясняется, что при наличии раз­решения на входе С подача любого сигнала на вход D приводит к установлению такого же уровня на выходе Q. Отсюда и следует главная особенность D-триггеров: для входа D любой сигнал (и 0, и 1) является активным, т. е. способ­ным изменить состояние триггера.

Примечание: Необходимость иметь динамическое управление на входе С приводит к некоторому усложнению схемы рис. 6 синхронного D-триггера (справочную литературу).

рис 6

4. Т - триггеры. Специальные микросхемы Т-триггеров практически не выпускаются, т. к. в качестве счетных тригге­ров можно использовать имеющиеся в широком ассортименте микрос­хемы синхронных JK - и D-триггеров с динамическим управлением.

Разработка школьного лабораторного прибора «Логика»

В процессе изучения темы «Логические основы компьютера» мы сталкивались с проблемой изучения работы отдельных логических элементов на практике. Поэтому решили создать такой школьный прибор, который позволял бы изучать работу логических элементов и других простейших устройств, таких как сумматор и триггер. А также разработали практические работы, позволяющие проверить работу устройств и применять прибор при составлении таблиц истинности более сложных логических функций.

Для изготовления прибора нами использовались следующие элементы:

Перечень элементов:

R1, R4, R7, R10, R13 – 1кОм

R2, R5, R8, R11, R14, R16, R17, R18 – 82Ом

R3, R6, R9, R12, R15, R19, R20, R21 – 200 Ом

VT1, VT2, VT3 – КТ315А

D7, D8, D9, D10, D11, D12, D13, D14 – светодиодная матрица АЛС

D1 – К155ЛИ1

D2 – К155ЛЕ1

D3 – К155ЛН1

D4 – К155ТМ7

D5 – К155ИМ2

D6 – К155ЛН1

S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7, S8, S9, S10 – кнопки П2К

Блок питания.

Транзисторы VT1, VT2, VT3 – эмиттерные повторители, служат для согласования низкого сопротивления АЛС и высокого выходного сопротивления микросхем (для увеличения тока проходящего через светодиодную матрицу). Для того чтобы правильно отображать выходные сигналы микросхем, были использованы инверторы на микросхеме D6 К155ЛН1. Для выбора нужного типа микросхемы использованы кнопки включения питания S6, S7, S8, S9, S10 П2К. Кнопка включения питания S6 включает микросхему D1 К155ЛИ1, S7 - D2 К155ЛЕ1, S8 - D3 К155ЛН1, S9 - D4 К155ТМ7, S10 - D5 К155ИМ2. Кнопки S1, S2, S3, S4, S5 подают на входы микросхем в нажатом состоянии «1», в отжатом – «0».

Каждое УГО микросхемы, которое мы использовали для построения школьного прибора, с нанесенной нумерацией выводов корпусов и описанием назначения приведено в Приложении 5. Основные характеристики используемых микросхем приведены в Приложении 6.

Принципиальная электрическая схема школьного прибора «Логика»

Литература.

1.  , «Цифровые устройства и микропроцессорные системы.» – М. Радио и связь, 1987 г.

2.  «Основы дискретной автоматики» – М. Радио и связь, 1981 г.

3.  и др. «Основы цифровой техники» – М. Радио и связь,

1986 г.

4.  С, «Введение в цифровую технику», - М. Радио и связь, 1987 г.

5.  и др. «Применение интегральных микросхем в электронной вычислительной технике» \Справочник\ - М. Радио и связь, 1986 г.

6.  «Цифровые устройства» - Алмата, 1992 г.

7.  «Справочник по полупроводниковым приборам» Техника, 1984 г.

Перечень разработанных практических работ для учащихся 7-11 классов

с использованием школьного прибора «Логика»

Практическая работа №1 «Изучение работы логических элементов».

Практическая работа №2 «Изучение работы триггера»

Практическая работа №3 «Изучение работы двухразрядного сумматора»

Практическая работа№4 «Составление таблиц истинности сложных логических функций».