Мультивибраторы и одновибраторы на логических элементах

На рис. 10.18 приведена схема одновибратора на элементах ИЛИ - НЕ. Вход элемента DD2 соединен через резистор R с источником э.д.с. +Е, несколько превышающим по уровню логическую 1. Таким образом, при U_вх=0 на выходе элемента DD2 действует сигнал 0. Следовательно, на обоих входах элемента DD1 0 и на его выходе — 1. Если Е примерно равно уровню 1, то конденсатор разря­жен (U_c=0). При воздействии на вход элемента DD1 импульса с амплитудой уровня 1, на выходе элемента DD1 напряжение изменяется до уровня 0. Этот перепад напряжения через конденсатор С (на котором напряжение не мо­жет изменяться скачком) передается на вход элемента DD2 и на его выходе появляет­ся 1. В этом состоянии одновибратор остается до тех пор, пока конденсатор С не зарядится до напряжения, соответствующего уровню 1, от источника +Е через резистор R и малое выходное сопротивление элемента DD1 Тогда одновибра­тор вернется в исходное состояние.

Длительность импульса одновибратора ,

где U(1) — уровень логической единицы; — пороговый уровень логической единицы элемента DD2.

По окончании выходного импульса конденсатор С разряжается через рези­стор R. Для уменьшения времени восстановления включен диод VD, который откры­вается на время разрядки конденсатора С.

На рис. 10.19 приведена схема мультивибратора на логических элементах НЕ (в качестве которых могут быть использованы элементы ИЛИ - НЕ или И—НЕ с объединенными входами). Схема отличается от схемы рис. 10.18 включением конденсатора С в цепь обратной связи с выхода элемента DD2 на вход элемента DD1 и добавлением цепи R1 — VD1 на входе элемента DD1. Состояние квазиравновесия (1 на выходе одного элемента и 0 на выходе другого) удерживается в течение времени, требуемого для перезарядки конденсатора С1 (или С2) до уровня, соответ­ствующего порогу срабатывания элемента DD2 (или DD1). После этого состояния ло­гических элементов изменяются на противоположные и процессы повторяются. На выходах 1 и 2 мультивибратор генерирует прямоугольные импульсы противо­положных полярностей. Если R₁=R₂=R, С₁=С₂=С, то импульсы симметричны и мультивибратор называют симметричным.

Мультивибраторы и одновибраторы на логических элементах позволяют получить импульсы с малой длительностью фронта и среза. Однако температурная стабильность и диапазон регулиро­вания длительности импульсов у них ниже, чем в схемах на опера­ционных усилителях.

10.7 Цифровые счетчики импульсов

Цифровым счетчиком импульсов называют устройство, реализующее счет числа входных импульсов и фиксирующее это число в каком-либо коде.

Обычно счетчики строят на основе триггеров, поэтому счет импульсов ведется в двоичной системе счисления.

Функциональная схема простейшего двоичного трехразрядного цифрового счетчика импульсов приведена на рис. 10.20, а. Счетчик состоит из трех последовательно соединенных Т-триггеров, имею­щих вход R для установки в состояние 0.

На рис. 10.20, б показаны временные диаграммы счетчика. Табл. 11 иллюстрирует состояние триггеров. Если в исходном положении все триггеры были в состоянии 0, то по окончании первого вход­ного импульса триггер Т1 перейдет в состояние 1 (Х₀=1). По окончании второго входного импульса триггер Т1 переходит в состоя­ние 0 (Х₀=0). По окончании импульса Х₀ триггер Т2 переходит в состояние 1 (Х₁=1) и т. д. После восьмого входного импульса все триггеры переходят в состояние 0 и счет повторяется.

Из табл. 10.10 видно, что состояние триггеров отражает число по­ступивших на вход счетчика импульсов в двоичной системе счисле­ния (двоичном коде). Общее число возможных состояний (модуль) N счетчика определяют числом триггеров n: N=2ⁿ. В нашем слу­чае N=8.

Таблица 10.10 - Таблица состояний двоичного счетчика

Условное обозначение счетчика по схеме рис. 10.20, а приведено на рис. 10.20, в: СТ2 означает двоичный счетчик; выходы 1, 2, 4 — обозначения двоичных разрядов (2°=1. 2¹=2, 2²=4), соответствую­щих выходам Х₀, X₁, Х₂ схемы рис. 10.20, a; C1— счетный вход; R - установка нуля.

Для получения счетчика, работающего в другом коде, например десятичном, применяют обратные связи. На рис. 10.21, а приведена функциональная схема десятичного (декадного) счетчика импульсов на четырех триггерах, а на рис. 10.21, б — его условное обозначение.

С выхода триггера Т4 сигналы обратной связи поступают на входы триггеров Т2, Т3. Благодаря этому после поступления на вход счет­чика восьмого импульса на выходе триггера Т4 появляется сигнал 1 , который переводит триггеры Т3, Т2 а из состояния 0 в состоя­ние 1 (табл. 12).

Таблица 10.11 - Таблица состояний десятичного счетчика

Девятый импульс переводит триггер T1 в состояние 1, и все триггеры оказываются в состоянии 1. Десятый импульс перево­дит все триггеры в состояние 0, и счет начинается снова. Исполь­зуя обратные связи, можно построить счетчик, работающий в систе­ме счисления с любым основанием.

Рассмотренные счетчики выполняют операцию суммирования числа импульсов, поступивших на вход, поэтому их называют сум­мирующими. Для построения вычитающего счетчика можно соеди­нять последовательно не прямые (как в схеме рис. 10.20, а), а инвер­сные выходы триггеров. Такой счетчик работает следующим обра­зом.

Вначале все триггеры устанавливают в состояние 1 (при трех триггерах это соответствует двоичному числу 111). Поступивший на вход счетчика импульс переводит триггер T1 в состояние 0, а со­стояние остальных триггеров не изменяется. Следовательно, в счетчике будет записано двоичное число 110. Следующий входной им­пульс уменьшает число еще на одну единицу и т. д.

Счетчики, выполняющие операции сложения и вычитания, назы­вают реверсивными. Обычно они имеют два входа: сложения и вы­читания.

Счетчики выполняют в виде интегральных микросхем, например К176ИЕ1 (шестиразрядный двоичный счетчик), К176ИЕ2 (пяти­разрядный счетчик), К155ИЕ4 (счетчик-делитель на 12).

Цифровые счетчики импульсов применяют для счета числа им­пульсов либо для деления числа импульсов. Счет числа импульсов, поступающих на вход с высокой частотой, необходим в вычисли­тельной технике, автоматике, информационно-измерительной тех­нике (цифровые измерительные приборы.

10.8 Комбинационные схемы

10.8.1 Регистры

Регистром называют устройство, предназначенное для записи и хранения дискретного «слова» — двоичного числа или другой кодовой комбинации.

Основные элементы регистра — двоичные ячейки, в качестве которых применяются триггеры. Число двоичных ячеек определя­ется числом двоичных разрядов «слова» (длиной слова), на которое рассчитан регистр.

На рис. 10.22, а, б приведены схема и условное обозначение n-разрядного регистра на RS-триггерах. Информация в ячейки ре­гистра записывается по команде «Ввод» (1 на входе «Ввод»). Тогда сигналы n входов установят в соответствующие состояния триггеры Т1 - Тn. На выходе регистра информация появится по команде «Вывод», в ее отсутствие на выходах — нули. При считывании ин­формация, записанная в регистре, сохраняется.

Описанный регистр может запоминать и выдавать информацию только в параллельных кодах, когда каждому разряду соответ­ствует отдельная линия. Более экономична передача информации в последовательных кодах, когда используется одна линия для последовательной (во времени) передачи комбинации нулей и еди­ниц. Для записи и хранения информации в последовательных кодах применяют сдвигающие (сдвиговые) регистры. На рис. 10.23, а, б приведены схема и условное обозначение сдвигающего регистра на JK-триггерах (MS-типа). Здесь информация, поступившая на информационный вход, по окончании каждого синхронизирую­щего импульса передается («продвигается») из предыдущего триггера в последующий.

Рассмотрим работу регистра по схеме рис. 10.23, а. Пусть требуется записать в регистр трехразрядное двоичное слово D=101, имеющее разряды D1=1, D2=0, D3=l. При С=1 в триггер Т1 вводятся J1=D1=l и K1=D1=0. Поскольку JK-триггер с раздельными входами работает как синхронный RS-триггер, по окончании синхронизирующего (тактового) импульса (при переходе от С=1 к С=0) на выходе триггера T1 появляется Q1=l. Следовательно, по окон­чании первого тактового импульса Q1=D1=l, .

Затем на информационный вход регистра поступает второй разряд D2=0 слова D. При воздействии второго тактового импульса триггер T2 воспримет ин­формацию с выхода первого триггера: J2=Q1=l, K2= =0. По окончании вто­рого тактового импульса Q2=D2=1, , а первый триггер воспримет вход­ную информацию регистра и на его выходе Q1=D2=0, . Таким образом, произошел сдвиг информации из первого разряда регистра во второй; точно так же по окончании третьего тактового импульса Q3=D1=1, Q2=D2=0, Q1=D1=0 и все слово записано в регистр.

Считывать информацию из сдвигающего регистра можно либо в последовательном коде с выхода Q3, продвигая информацию через все разряды регистра к выходу, либо в параллельном коде одновременно с выходов Q1, Q2, Q3.