38

2.2.6. Динамический D-триггер

Втриггерах с динамическим управлением по входу синхронизации

,или просто динамических триггерах, запись входной информации происходит в момент перепада в тактовом сигнале. Непосредственно после записи информационные входы блокируются, чем устраняется «прозрачность» триггера. Запись может производиться в момент положительного перепада в тактовом сигнале (по фронту синхронизирующих импульсов) или в момент отрицательного перепада (по срезу синхроимпульсов). Наиболее распространенным типом динамического триггера является D-триггер, но имеются и JK-триггеры с динамическим управлением.

Схема динамического D-триггера показана на рис. 2.19. Он состоит из двух вспомогательных бистабильных ячеек-триггеров (Т1 -элементы 1 и 2 , Т2 - элементы 3 и 4) и выходного RS-триггера с инверсными входами Т3. Рассмотрим основные режимы и особенности работы D-триггера.

Рис. 2.19. Динамический D-триггер; а – схема; б – УГО

Режим хранения.

ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА И МИКРОПРОЦЕССОРЫ. ЧАСТЬ 1

40

Подготовка к записи.

Когда С будет равен нулю, установятся единичные уровни на

выходах х2 и х3, и взаимная блокировка вспомогательных триггеров снимается. Один из них перейдет в неопределенное состояние, другой останется в устойчивом. Когда закончатся переходные процессы во вспомогательных триггерах, схема будет готова к записи информации в выходной триггер.

Синхронизация информации и тактов. Вывод о том, что запись информации производится по фронту тактового импульса, не следует понимать слишком буквально. Так как и подготовка к записи, и блокировка занимают некоторое время, то выходной сигнал D должен быть неизменным в некоторой окрестности фронта синхроимпульса (рис. 2.20). Для того, чтобы триггер работал устойчиво, информация должна

поступать на вход D не позднее, чем за время tSU (время установления) до тактового перепада и оставаться неизменной, по крайней мере, в

течении tH (времени удержания) после него. Важное обстоятельство, определяющее возможности применения триггера в различных устройствах, заключается в том, что минимальное время задержки появления на выходе записанного сигнала по отношению к фронту

синхроимпульса tP больше времени удержания. Например, для динамического триггера К155ТМ2 tSU=20нс, tH=5нс, tP=10нс.

D

C

Q

tP

Рис. 2.20. Синхронизация информации и тактов

Так как время задержки tP больше времени удержания tH, то выход динамического триггера может быть подключен к информационному входу для введения обратной связи. На этом основана работа динамического D-триггера в качестве делителя частоты на 2 (рис. 2.21). Под действием обратной связи, поданной с инверсного выхода Q на вход D, триггер меняет свое состояние в каждом такте по фронту импульсов, подаваемых на синхронизирующий вход.

ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА И МИКРОПРОЦЕССОРЫ. ЧАСТЬ 1

42

Когда входное напряжение превышает верхний порог срабатывания е1, выходное напряжение увеличивается скачком с U0 до U1. Обратное изменение Uвых происходит тогда, когда входное напряжение становится меньше е0 - нижнего порога срабатывания (рис. 2.23).

U 0

t

Рис. 2.23. Триггер Шмитта как формирователь импульсов

Нетрудно показать, что если пренебречь входными токами логического элемента, то:

где UП - порог переключения логического элемента,

U0 и U1 -напряжения логического 0 и 1.

Ширина петли гистерезиса, определяющая помехоустойчивость триггера как формирователя, зависит от отношения сопротивлений резисторов в цепи обратной связи:

e1 − e0 = R1 (U1 −U 0 ) . R2

Временные диаграммы, иллюстрирующие работу триггера Шмитта как формирователя импульсов, приведены на рис. 2.23. Благодаря положительной обратной связи выходное напряжение меняется скачкообразно даже тогда, когда напряжение на входе изменяется

ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА И МИКРОПРОЦЕССОРЫ. ЧАСТЬ 1

R1

R2

Рис. 2.24. Логические элементы как усилитель:

а– смещение за счет входного тока;

б– смещение с помощью обратной связи

2.3.2.Ждущие мультивибраторы

Ждущим мультивибратором называют устройство, предназначенное для генерации одиночного прямоугольного импульса заданной длительности в ответ на входной сигнал запуска. Ждущий мультивибратор имеет одно устойчивое состояние, в котором может находиться неопределенное время. Под действием входного сигнала он переходит в квазиустойчивое состояние, в котором может находиться в течение определенного, зависящего от параметров схемы интервала. По истечении этого интервала мультивибратор вновь возвращается в устойчивое исходное состояние. Он называется также моностабильным мультивибратором, одновибратором.

Схема ждущего мультивибратора (рис.2.25а) может быть построена на основе бистабильной ячейки - триггера, в котором выход одного элемента имеет емкостную связь с входом другого. В результате такой модификации схема возвращается всего в одно состояние при отсутствии входного сигнала.

ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА И МИКРОПРОЦЕССОРЫ. ЧАСТЬ 1

Рис. 2.25. Ждущий мультивибратор на элементах 2И-НЕ ТТЛ: а – схема;

В квазиустойчивом состоянии он находится в течение интервала

времени, в котором напряжение на резисторе R уменьшается от U1 до UП (рис. 2.25б). Длительность импульса определяется как

где τ = R C - постоянная времени заряда конденсатора.

Если величина R невелика, то нужно учесть выходное сопротивление элемента в единичном состоянии (200-400 Ом ).

Имеются интегральные схемы ждущих мультивибраторов, например, К555АГ1 (рис. 2.26). Кроме собственно мультивибратора, микросхема содержит логические элементы в цепи запуска, что расширяет функциональные возможности устройства. Предпочтительным способом является подача положительного перепада (по фронту) на вход триггера Шмитта В при нулевом уровне хотя бы на одном из входов А. Длительность импульса определяется внешними элементами (0,7 R C).

46

Рис. 2.26. Ждущий мультивибратор К555АГ1: а – УГО; б – таблица запуска

Формирователи импульсов типа мультивибраторов с внешними времязадающими элементами обладают сравнительно низкими помехоустойчивостью и стабильностью. В цифровых устройствах более предпочтительными являются формирователи импульсов, реализованные на логических элементах и триггерах. Примеры таких схем будут даны в следующих разделах.

В качестве формирователя импульсов по фронту входного сигнала можно рассматривать схему, которая иллюстрировала эффект логических состязаний. Длительность импульса определяется временем задержки в инверторе. Устанавливая различное число инверторов (нечетное!), можно менять длительность выходного импульса. Комбинируя различные логические элементы, нетрудно получить подобные формирователи, работающие по срезу или по фронту и срезу входного сигнала (более подробно этот вопрос будет рассматриваться в части 2 учебного пособия по дисциплине «Цифровые устройства и микропроцессоры»).

2.3.3. Автоколебательные мультивибраторы

Интегральные схемы логических элементов могут использоваться и для построения генераторов с самовозбуждением, создающих непрерывную последовательность прямоугольных импульсов. Вариант генератора, называемый автоколебательным мультивибратором, можно получить на основе схемы рис. 2.25а, если и вторую цепь обратной связи сделать емкостной рис.2.27. Оба состояния такого устройства оказываются квазиустойчивыми.

ЦИФРОВЫЕ УСТРОЙСТВА И МИКРОПРОЦЕССОРЫ. ЧАСТЬ 1

Мультивибратор непрерывно переходит из одного состояния в другое, генерируя прямоугольные колебания. Период колебания равен:

Для обеспечения мягкого режима самовозбуждения, по крайней мере, один из элементов переводится в линейный режим (рис. 2.28). Третий логический элемент играет роль буферного усилителя.

R1 R2

C1

Рис.2.28. Автоколебательный мультивибратор с мягким самовозбуждением

Стабильность частоты колебаний мультивибратора невысока. Для повышения стабильности в качестве времязадающего элемента используют кварцевый резонатор, включаемый вместо конденсатора С1 (второй конденсатор при этом является разделительным или вообще исключается из схемы).