20.6. Первоначальная обработка асинхронного сигнала
Последовательностные схемы могут быть как асинхронными, так и синхронными. Асинхронная реализация требует, как правило, меньших аппаратурных затрат, но сопряжена с проблемами предотвращения возможности декодирования переходного состояния, возникающего на короткое время из-за различий во времени задержки элементов. Техническая реализация синхронных систем значительно проще. Когда в каком-либо элементе системы происходит изменение логического сигнала, он может сработать лишь после воздействия фронта тактового импульса. Следовательно, временная диаграмма тактового сигнала определяет промежутки времени, в течение которых система находится в стационарном состоянии. Целесообразно позаботиться о том, чтобы все переключения в системе производились одинаково- либо по положительному, либо по отрицательному фронту. Если, например, все схемы запускаются по отрицательному фронту, то установившееся состояние системы гарантируется, когда на тактовый вход подана единица.
Данные, которые система получает извне, как правило, не синхронизированы с ее тактовыми сигналами. Чтобы можно было их обрабатывать синхронно, необходимо прежде всего предварительно их подготовить. В следующих разделах рассмотрены некоторые необходимые для этого схемы.
20.6.1. УСТРАНЕНИЕ ВИБРАЦИЙ МЕХАНИЧЕСКИХ КОНТАКТОВ
При размыкании или замыкании механического ключа возникает цепочка импульсов вследствие механических колебаний (вибраций) контактов. При этом счетчик регистрирует неопределенное число импульсов вместо истинных одиночных. Чтобы избежать этого, можно применить ключи с ртутными контактами. Однако это решение относительно дорогое. Простой способ устранения вибраций с помощью RS-триггера представлен на рис. 20.23. В состоянии покоя R = 0, S = 1 и, следовательно, х = 0. Если производится переключение, то на вход R из-за размыкания нормально-замкнутого контакта поступает последовательность импульсов. Так как теперь R = S == 1, то состояние на выходе х не изменяется. После полного размыкания нормально-замкнутого контакта последовательность импульсов поступает на нормально-разомкнутый контакт. При первом соприкосновении контактов R1 = 1 и S = 0. Поэтому триггер переключается, и х становится равным единице. Это состояние запоминается на следующий период вибраций. Триггер переключается обратно только тогда, когда переключающий контакт опять становится нормально-замкнутым. Протекание процесса во времени становится ясным из импульсных диаграмм на рис. 20.24.
Рис.. 20.23. Защита от колебаний механического ключа.
20.6.2. СИНХРОНИЗАЦИЯ ИМПУЛЬСОВ
Простейший метод импульсной синхронизации заключается в применении D-триг-гера. Внешний сигнал х подастся .на D-вход, как показано на рис. 20.25, а тактовый сигнал системы Ф-на С-вход. Таким образом, состояние входной переменной х считывается на фронт срабатывания каждого тактового импульса и передается на выход. Поскольку состояние на входе х может измениться как при Ф = 0, так и при Ф = 1, нужно использовать триггер, срабатывающий по одному фронту.
На рис. 20.26 для примера представлена временная диаграмма импульсов для положительного запускающего фронта импульса. Импульс, длительность которого меньше, чем период тактового импульса, может быть пропущен. Этот случай также показан на рис. 20.26. Если такие короткие импульсы не должны теряться, необходимо их перед подачей на D-триггер записывать в буферный регистр. Для этого служит предварительно включенный D-триггер F1 на рис. 20,27. Он управляется асинхронно посредством подачи сигнала на S-вход. При поступлении очередного положительного фронта тактового импульса переменная у устанавливается в 1- Если к этому моменту времени x опять становится равным нулю, триггер F1 тем же самым фронтом импульса сбрасывается в нуль. Таким образом, короткий х- импульс удлиняется до следующего фронта тактового сигнала и не теряется. Этот случай показан на рис. 20.28.
20.6.3. СИНХРОННЫЙ ОДНОВИБРАТОР
С помощью схемы на рис. 20.29 можно получить синхронизованные с тактовыми импульсами входные импульсы, длительность которых определяется периодом
Рис. 20.24. Временные диаграммы.
Рис. 20.25. Схема синхронизации.
Рис. 20.26. Временные диаграммы.
Рис. 20.27. Регистрация коротких импульсов.
Рис. 20.28. Временные диаграммы
Рис. 20.29. Формирование синхронных одиночных импульсов.
Рис. 20.30. Временные диаграммы.
тактовых импульсов и не зависит от длительности сигнала х.
Если х переходит из 0 в 1, то при поступлении следующего положительного фронта тактового импульса устанавливается состояние Q1 = 1 и Q2 = 1. Это означает, что и у == 1. При следующем положительном фронте устанавливается состояние Q2 = 0 и у = 0. Это состояние сохраняется до тех пор, пока х, по крайней мере в течение тактового периода, будет равен О, а затем перейдет в 1. Короткие запускающие импульсы, которые не охватывают положительный фронт тактового сигнала, теряются, как в схеме синхронизации на рис. 20.25. Чтобы избежать этого, нужно, как показано на рис. 20.27, для запоминания входных импульсов перед их передачей ввести дополнительный предварительный триггер. Пример на рис. 20.30 поясняет эту операцию.
Синхронный одновибратор с длительностью импульса большей, чем один тактовый период, может быть просто реализован с помощью синхронного счетчика (рис. 20.31). Если на вход запуска х подать 1, счетчик при поступлении следующего тактового импульса загружается параллельно. Затем он считает последующие тактовые импульсы до достижения завершающего состояния Zмакс. При достижении этого состояния формируется сигнал переноса се = 1. В этом состоянии счетчик блокируется благодаря входу разрешения счета Ер; выходная переменная у устанавливается в 0. Обычный вход разрешения E нельзя использовать для этой цели, так как он связан не только с триггерами, но и непосредственно влияет на CЕ. При этом возникают нежелательные колебаний
Новый цикл начинается с операции параллельной загрузки. Непосредственно после загрузки на выходах устанавливается состояние се = О и у = 1. Обратная связь с выхода се через элемент НЕ-И на вход х препятствует началу новой операции загрузки до достижения состояния счетчика Zмакc. Не позже этого момента на входе х должно установиться состояние 0, в противном случае в счетчик тотчас же начнется новая загрузка, т.е. счетчик работает как счетчик по модулю (М + 1).
На рис. 20.32 представлены временные диаграммы для длительности импульса, равной длительности девяти тактовых импульсов. Если использовать 4-разрядный двоичный счетчик, для получения такой длительности импульса необходимо, чтобы Р = 7. Первый такт используется для ввода информации, остальные восемь- для счета до 15.
Рис. 20.31. Синхронный одновибратор.
Рис. 20.32. Временные диаграммы.
20.6.4. СИНХРОННЫЙ ДЕТЕКТОР ИЗМЕНЕНИЙ
Синхронный детектор изменений должен формировать синхронный с тактовым выходной сигнал, когда входная переменная х изменяет свое состояние. Для построения такой схемы используем одновибратор, показанный на рис. 20.29. Он формирует выходной импульс, когда х переходит из состояния «О» в «I». Для того чтобы получить выходной импульс при переходе из «I» в «О», заменим вентиль И элементом ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ, как показано на рис. 20.33. Принцип работы такой схемы поясняется временными диаграммами, приведенными на рис. 20.34.
20.6.5. СИНХРОННЫЙ ТАКТОВЫЙ ПЕРЕКЛЮЧАТЕЛЬ
Часто требуется отключать и выключать тактовые сигналы без остановки тактового генератора. Для этой цели можно в принципе использовать логический элемент И. Если сигнал включения не синхронизован с тактовым, длительность тактовых импульсов при включении и выключении не определена. Чтобы избежать этого эффекта, можно использовать для синхронизации запускающийся по одному фронту импульса D-триггер, как показано на рис. 20,35. Если Е = 1, то по следующему положительному фронту тактового сигнала на выходе устанавливается состояние Q = 1 и, следовательно, Ф' = 1. Благодаря срабатыванию триггера по фронту первый импульс управляемого такта Ф' всегда имеет полную длительность.
При выключении можно не использовать положительный фронт тактового сигнала, поскольку тогда непосредственно после нарастания уровня сигнала Q=0. Это может привести к появлению очень коротких выходных импульсов. Поэтому триггер по входу сброса асинхронно устанавливается в «О», когда на входах Е и Ф также «О». Для этого служит вентиль ИЛИ, подключаемый к R- входу. Как видно из рис. 20.36, на выходе элемента И удается получить тактовые импульсы только полной длительности.