1.7. Логические состязания и иголки
Рассмотрим применение триггера в последовательных схемах в качестве синхронизатора (Хоровиц, т. 1, 552). Допустим, что в синхронизированную тактированную систему с триггерами поступает внешний управляющий сигнал и нами используется состояние этого сигнала для управления некоторым действием (например, сигнал для передачи данных в ЭВМ).
Рис. 12. Синхронизатор импульсной последовательности
Рассмотрим схему, в которой триггер подавителя дребезга разрешает прохождение последовательности импульсов (рис. 12). Это схема открывает вентиль И-НЕ всякий раз, когда ключ замкнут независимо от фазы подаваемой на него импульсной последовательности.
Первоначально считаем, что запуск D-триггера происходит срезом импульса С.
При нажатии кнопки Пуск в момент t = 0 (рис. 13, а) на входе D появляется фронт положительного импульса вплоть до нажатия кнопки Стоп в момент 6, однако, до момента 1 (срез первого импульса С) Q остается лог. 1. Другими словами, только после нажатия кнопки Пуск на выходе Y будут появляться инвертированные входные сигналы.
В данной схеме D- триггер имеет тактируемый вход, срабатывающий на срез входного испульса С.
Что произойдет, если для переброса D-триггера использовать фронт положительного импульса С?
Рис. 13. Временные диаграммы синхронизатора при управлении срезом (а) и фронтом (б) входного импульса
В этом случае с пуском схемы будет все аналогично, но в том случае, если кнопку Стоп нажать в момент времени 6, когда на С действует низкий уровень лог. 0, то произойдет следующее. В момент 7|−: С = 1, Q = 1, следовательно, Y = 0. Поэтому до тех пор, пока на выходе триггера Q окончательно не установится лог. 0, на выходе Y будет лог. 0.
Окончательная установка Q = 0 произойдет через время задержки (для ТТЛ-20 нс, для КПОП- 100 нс) и только после этого на выходе Y станет Y = 1.
В результате этого на выходе схемы возникнет короткий всплеск или иголка (glitch –мерцание) − идет процесс так называемого логического состязания. Подобные иголки страшная вещь, поскольку они могут произвольным образом тактировать цепочки триггеров, расширяться или сужаться до полного исчезновения, проходя через вентили или инверторы, оставаясь невидимыми на осциллографе.
1.8. Генераторы импульсов на логических элементах
1.8.1. Мультивибратор на логических элементах
Как отмечено ранее, автоколебательные импульсные генераторы являются астабильными (нестабильными) устройствами, т.е. не имеют устойчивых состояний. Подобные генераторы имеют различные схемные решения и строятся на различных элементах. Общим для них является наличие положительной обратной связи и релаксационной (времязадающей) RC-цепи, в которой происходит постепенное нарастание или убывание напряжения до достижения определенного уровня, при котором происходит скачкообразный переход генератора из одного состояния в другое.
Ранее были рассмотрены генераторы – мультивибраторы на биполярных транзисторах и операционных усилителях.
Рассмотрим наиболее типичные автогенераторы – мультивибраторы на логических элементах (рис. 9). Электрическая схема мультивибратора на двух ЛЭ И-НЕ содержит две цепи RC, являющиеся времязадающими релаксационными элементами. Через конденсаторы обеспечивается петля положительной обратной связи. Фактически на элементах DD1 и DD2 реализованы инверторы.
В схеме могут присутствовать диоды VD1 и VD2, роль которых будет рассмотрена ниже.
При значениях R1 = R2 = R, C1 = C2 = C схема генерирует напряжение U1 и U2 в форме меандра (рис. 14, б) частотой f . Период Т равен примерно Т 0,7 RC. При значениях R = 2,1 кОм и С = 0,1 мкФ частота импульсов около 5 кГц.
а) б)
Рис. 14. Схема автогенераторного мультивибратора на логических элементах
Анализируя микросхемы на логических элементах, следует постоянно учитывать, что логические элементы характеризуются величиной напряжения переключения из лог. 0 в лог. 1 и наоборот. В частности, переключение, например, из лог. 0 в лог. 1 происходит при напряжении Uпер 0,5Е (E напряжение питания).
Допустим, что после включения источника питания (конденсаторы разряжены) из-за технологического разброса параметров один из инверторов, например, DD1 устанавливается в единичное состояние (момент времени 0): говорится, что DD1 отключен. На его выходе лог. 1, т.е U1 E. Выход DD1 связан с землей через цепочку R1C1, так что в начальный момент времени на резисторе R1 большое напряжение (UR1 = Udd2), а на конденсаторе C1– нулевое. Именно за счет большого напряжения UR1 = Udd2 в исходном состоянии Udd2 на входе инвертора DD2 лог. 1, а на выходе лог. 0 (элемент включен).
В промежутке времени 0-1 напряжение на конденсаторе C1 растет, а напряжение на резисторе UR1 = Udd2 падает по экспоненциальному закону и в момент времени 1 ток заряда через резистор R1 уменьшается настолько, что UR1 = Udd2 достигает критического уровня, при котором это значение воспринимается элементом DD2 как лог. 0, элемент DD2 выключается и скачком на его выходе устанавливается лог. 1.
Скачок напряжения на выходе DD2 передается через конденсатор С2 на вход DD1 (момент времени 1), так что на выходе DD1 устанавливается лог. 0 (элемент включен). Падение напряжения на выходе DD1 (переход от лог. 1 до лог. 0) через конденсатор С1 передается на вход DD2 и UR1 = Udd2 скачком падает.
В момент 1 начинается зарядка С2 и экспоненциальное уменьшение напряжения на входе DD1: UR2 = Udd1. Конденсатор С1, ранее заряженный, в данном промежутке времени разряжается до нуля. И вновь после того, как в момент времени 2 ток заряда через резистор R2 уменьшается настолько, что UR2 = Udd1 достигает критического уровня, при котором это значение воспринимается элементом DD1 как лог. 0, элемент DD1 выключается и скачком на его выходе устанавливается лог. 1. Мультивибратор снова переключается в первоначальное состояние и далее процессы повторяются циклически.
Вспомогательные диоды VD1 и VD2 (обозначены пунктиром на рис. 9) образуют цепь быстрого разряда конденсаторов через внутренние выходные сопротивления DD1 и DD2, минуя разрядные резисторы R1 и R2, что улучшает форму генерируемых импульсам по срезам.
Видоизменим схему, представленную на рис. 15, устраняя конденсатор С2 из схемы (рис. 14). Данный ждущий мультивибратор - одновибратор создан на двух ЛЭ И-НЕ и содержит одну цепь R1C.
Повторяя вышеприведенные рассуждения, можно сказать следующее. Если на входе элемента DD3 входной импульс отсутствует, то после включения источника питания (конденсатор С разряжен), на выходе элемента DD3 лог. 1, и, следовательно, на выходе DD1 лог. 0. Конденсатор С остается разряженным, так что UDD2 =0, а на выходе DD2 лог. 1. Схема находится в ожидании входного импульса.
В момент 1 прихода входного импульса Х = лог. 1 на выходе элемента DD3 лог. 0, и, следовательно, на выходе DD1 лог. 1.
Следовательно, DD1 устанавливается в единичное состояние (момент времени 1): DD1 отключен. На его выходе лог. 1, т.е U1 E. Выход DD1 связан с землей через цепочку R1C, так что в начальный момент времени 1 на резисторе R1 большое напряжение (UR1 = Udd2), а на конденсаторе C– нулевое. За счет большого напряжения UR1 = Udd2 в исходном состоянии Udd2 на входе инвертора DD2 лог. 1, а на выходе лог. 0 (элемент включен).
а) б)
Рис. 15. Одновибратор на двух ЛЭ И-НЕ
В промежутке времени 1-2 напряжение на конденсаторе C растет, а напряжение на резисторе UR1 = Udd2 падает по экспоненциальному закону и в момент времени 2 ток заряда через резистор R1 уменьшается настолько, что UR1 = Udd2 достигает критического уровня, при котором это значение воспринимается элементом DD2 как лог. 0, элемент DD2 выключается и скачком на его выходе устанавливается лог. 1.
Скачок напряжения на выходе DD2 передается через непосредственную связь на вход DD1 (момент времени 2), так что на выходе DD1 устанавливается лог. 0 (элемент включен). Падение напряжения на выходе DD1 (переход от лог. 1 до лог. 0) через конденсатор С передается на вход DD2 и UR1 = Udd2 скачком падает.
Заметим, что за счет броска напряжения потенциал входа DD2 может стать отрицательным и будет оставаться таковым, пока конденсатор С не разрядится полностью. Этот процесс портит срез выходного импульса. Для ускорения разрядки конденсатора и предназначен диод VD, замыкающий конденсатор на землю.
Мультивибратор переключается в первоначальное состояние и вновь ожидает входного сигнала.