10.25. Логические автоматы с памятью

Логическими автоматами с памятью, или последовательными логи­ческими устройствами, называются устройства, логические значения на выходах которых определяются как совокупностью логических

Значений на входах в данный момент времени, так и состоянием автомата по результатам его предшествующей работы. Запоминание предшест­вующих состояний обычно выполняется при помощи триггеров.

Типичными примерами логических автоматов с памятью являются счетчики импульсов и регистры.

Рассмотрим работу трехразрядного счетчика (рис. 10.117, а) ча основе двухступенчатых Ж-триггеров (рис. 10.116, б) с представле­нием результата счета в двоичной системе счисления.

Перед началом работы счетчика все его разряды устанавливаются в состояние Q = Qi = Q = 0. В момент окончания первого счетного импульса триггер младшего разряда ТТ_{ переключается, а состояние триггеров старших разрядов ТТ₂ и ТТ₃ не изменяется, т. е. значение двоичного числа на выходе счетчика равно Q₃QtQi = 001. В момент окончания второго счетного импульса триггер 7Ti снова переклю­чается и логическое значение выхода младшего разряда изменяется с 1 на 0. Поэтому одновременно переключится и триггер ТТг, т. е. пъпгпу ~ 010. Далее переключение триггеров происходит аналогич­но, так что число импульсов на входе счетчика соответствует числу в двоичной системе счисления на его выходе (рис. 10.117, б).

Регистрами называются устройства для приема, хранения, передачи и преобразования информации, представленной обычно в двоичной системе счисления. На рис. 10.118,а в качестве примера приведена схема трехразрядного регистра сдвига. Предварительно подачей сигналов на установочные входы R и S все триггеры устанавливаются в состояние Qi =£?2 =(2з ⁼0.

Установим далее триггер 7Ti в состояние Q - 1. При этом состоя­ние регистра определится совокупностью значений QiQjQ* ~ 100. Под действием первого импульса синхронизации состояние регистра из­менится на Q1Q2Q3 ⁼ 010, под действием второго импульса синхро­низации - на QxQiQi = 001 и т.д. (рис. 10.118, б).

КЛАССИФИКАЦИЯ ИМПУЛЬСНЫХ И ЦИФРОВЫХ УСТРОЙСТВ

Полупроводниковые импульсные и цифровые устройства объеди­няют обширную группу устройств, которые применяются в системах управления технологическими процессами, при передаче информации, в измерительной и вычислительной технике. В современных импуль­сных и цифровых устройствах работают ОУ в импульсном режиме и транзисторы в качестве бесконтактных ключей.

Работу ОУ в импульсном режиме объясним на примере цепи, показан­ной на рис. 10.96, в которой к неинвертирующему входу ОУ подключен источник постоянной ЭДС Е_о, а к инвертирующему входу - источник сигнала с линейно изменяющейся во времени ЭДС е_с =kt (рис. 10.97,д) Для упрощения анализа примем, что ОУ идеальный. По второму закону Кирхгофа для контура, отмеченного на рис. 10.96 штриховой линией, составим уравнение:

В момент времени t₀ = Е₀/к у напряжения «_вх отрицательное зна­чение заменяется положительным (рис. 10.97, б). Одновременно в соответствии с амплитудной характеристикой идеального ОУ (рис. 10.76, б - ломаная линия /) напряжение на его выходе скачком изменится от положительного до отрицательного значения ЭДС Е

источника питания (рис. 10.97, в).

Импульсный режим работы ОУ используется в устройствах сравнения измеряемого напряжения с опорным напряжением, называемых компа­раторами, и других устройствах на их основе.

Различают импульсные устройства с несколькими устойчивыми й с несколькими временно устойчивыми состояниями.

В импульсном устройстве первого типа для изменения устойчивого состояния необ­ходимо однократное внешнее воздействие, изменяющее режим ОУ или транзисторного ключа. В импульсном устройстве с временно устойчивыми состояниями происходит периодическое переключение ОУ или открывание и закрывание транзисторного ключа без внешнего воздействия или их состояние восстанавливается через некоторое время после однократного внешнего воздействия.

В цифровых устройствах применяются логические элементы, на основе которых реализуются логические автоматы с памятью и без памяти. Рабочее состояние логических автоматов первого типа зависит не только от набора сигналов управления в данный момент времени, но и от его предшествующего состояния. Рабочее состояние логических автоматов второго типа зависит только от набора сигналов управле­ния.

В дальнейшем работу всех импульсных и цифровых устройств будем рассматривать, полагая, что ОУ и транзисторные ключи идеальные

ИМПУЛЬСНЫЕ УСТРОЙСТВА С ВРЕМЕННО УСТОЙЧИВЫМИ СОСТОЯНИЯМИ

Импульсные устройства с временно устойчивыми состояниями явля­ются источниками импульсов напряжения, значение и длительность ко­торых, а также частота повторения могут регулироваться в широких пределах.

А. Мультивибратор. Мультивибратором называется устройство с дву­мя временно устойчивыми состояниями, представляющее собой гене­ратор импульсов напряжения прямоугольной формы. Обычно он служит для запуска з работу других импульсных устройств при их совместной синхронной работе.

Наиболее распространены мультивибраторы на основе ОУ. Различают симметричные и несимметричные мультивибраторы. У первых длитель­ности прямоугольных импульсов и интервалы времени между ними рав­ны, у вторых различны.

Схема замещения симметричного мультивибратора приведена на рис. 10.104, а, в которой ОУ является компаратором (см. рис. 10.96 и 10.97). Рассмотрим один период работы мультивибратора. По второ­му закону Кирхгофа для контура цепи, отмеченного на рисунке штри­ховой линией,составим уравнение

где

и и„ — напряжения положительной и отрица-

тельной последовательной обратной связи по напряжению (см. рис. 10.77, _а).

Пусть в момент времени t =0 напряжение на входе ОУ "_вх(0) > > 0 (рис. 10.105, г). Тогда по амплитудной характеристике ОУ (рис. 10.76, б, ломаная линия 1) напряжение на его выходе

А напряжения

и по (10.54)

где Е -напряжение источника питания ОУ (рис. 10.105, а-в).

Такое состояние цепи мультивибратора, которому соответствует схема замещения на рис. 10.104, б (ключ К в положении /), неустойчи­во Действительно, напряжения на выходе мультивибратора и на кон­денсаторе различны: и_с(0) > «_вых(0)- Поэтому конденсатор будет разряжаться через резистор г цепи отрицательной обратной связи и цепь подключенную к выходу ОУ, а напряжение на нем - изменяться по экспоненциальному закону (см. рис. 5.4), стремясь к значению ЭДС (-£" = и ). В момент времени г,, определяемый условием и_вх(',_) = 0,^Вт.^Хе. и_с(',_) ⁼~^Uimax' напряжение на входе ОУ из­менит свое положительное значение на отрицательное. В результате этого произойдет переключение ОУ по его амплитудной характери­стике и скачком изменятся напряжения

где учтено, что напряжение на конденсаторе по закону коммутации (5.2) скачком не изменяется: "_с(^,_) ~^ис^\+^- Одновременно раз­рядка конденсатора сменится его зарядкой [см. (5.22)] по схеме замещения на рис. 10.104, б (ключ К в положении 2)

т.е.по (10.54)

процесс закончится в момент времени t₂, определяемый условием

В этот момент времени вновь скачком изменятся напряжения

а зарядка конденсатора сменится его разрядкой по схеме замещения на рис. 10.104,6 (ключ К в положении 1)

процесс закончится в момент времени t₃, определяемый условием

Далее процессы в цепи мультивибратора будут периодически по­вторяться.

Длительность положительных импульсов напряжения определя­ется формулами (10.55а), (10.556):

а частота работы симметричного мультивибратора с учетом соотноше­ния t₃ ~h ⁼ ti~ t\ равна

В несимметричном мультивибраторе интервалы времени зарядки ^{г ~ 11 и разрядки ?э — t% конденсатора различны. Это достигается включением в цепь отрицательной обратной связи параллельно двух различных резисторов: один для зарядки, а другой для разрядки кон­денсатора. Для этого последовательно с каждым из этих резисторов включается диод, прямое направление которого соответствует току зарядки или току разрядки.

Б. Одновибратор. Одновибратором называется устройство с одним устойчивым и одним временно устойчивым состоянием, предназначенное для формирования однократного прямоугольного импульса на­пряжения требуемой длительности при воздействии на входе импульса напряжения от внешнего источника.

Одновибраторы применяются для стандартизации импульсов на­пряжения по длительности, управления работой электромагнитных реле, задержки импульсов напряжения и деления частоты их повто­рения.

Схема одновибратора на основе ОУ (рис. 10.106) отличается от схемы мультивибратора (см. рис. 10.104) тем, что параллельно кон­денсатору в цени отрицательной обратной связи включен диод, который в дальнейшем будем считать идеальным.

Работу одновибратора иллюстрирует совмещенная временная ди­аграмма на рис. lC.107,ff-d.

По второму закону Кирхгофа для контура, отмеченного на рис. 10.106, а штриховой линией, в любой момент времени справедливо соотношение (10.54).

Устойчивому состоянию одновибратора соответствует схема заме­щения на рис. 10.106, б (ключ К в положении 1), а напряжения на его

элементах постоянны и равны

(рис. 10.107, а, б и д), так как диод включен в прямом направлении и напряжение на конденсаторе и_с = 0.

Если в момент времени 11 на вход одновибратора подать достаточно большой но амплитуде импульс напряжения положительной полярности от источника сигналов, то иод действием ЭДС е (рис. 10.107, в) напря­жение на входе ОУ может стать отрицательным. В результате произой­дет переключение ОУ аналогично описанному выше для мультивибра­тора и скачком изменятся напряжениятак как напряжение на конденсаторе скачком не изменяется [см. (5.2) ]. Это состояние одновибратора, которому соответствует схема замеще­ния на рис. 10.106, б (ключ К в положении 2), временно устойчивое. Действительно, после переключения ОУ начинается зарядка конден­сатора через резистор г цепи отрицательной обратной связи [см. (5.22)]В этот момент времени произойдет переключение ОУ и скачком изме­нятся напряжения

Длительность оложительного прямоугольного импульса напряже­ния на выходе одновибратора определяется уравнениями (10.56):

В. Генератор линейно изменяющегося напряжения. Генераторы линей­но изменяющегося напряжения входят в состав компараторов, устройств управления перемещением электронного луча по экрану осциллогра­фа и т. д.

Простейший генератор линейно изменяющегося напряжения (рис. 10.108) содержит несимметричный мультивибратор, напряжение которого (рис. 10.109, а) используется для управления работой транзи­стора в ключевом режиме. В интервалах времени At транзистор за­крыт и происходит зарядка конденсатора емкостью С через резистив-ное сопротивление г_к с большой постоянной времени т = г_кС от источника с ЭДС £'_к (контур 1), в интервалах времени At _аз транзи­стор открыт и происходит разрядка этого конденсатора с малой по­стоянной времени т _aj «0 (контур 2).

При соблюдении условия Д'_зар ^ т_за напряжение на конденсаторе при его зарядке [см. (5.22)] изменяется практически по линейному закону (рис. 10.109, б).