2.6.1. Вентильные защелки

На практике часто бывает необходимым, чтобы управление временем сброса и ус­тановки защелки осуществлялось посредством входного сигнала, отличного от сигналов R и S. Этот входной сигнал называется синхронизирующим или такто­вым входом (clock input). Логический элемент с таким управлением получил на­звание вентильная SR-защелка. Логическая схема, таблица истинности, времен­ная диаграмма и графическое обозначение такой защелки продемонстрированы на рис. 2.25. Когда сигнал на синхронизирующем входе Clk равен 1, сигналы в точках S' и R' равны входным сигналам S и R соответственно. Когда Clk - 0, сиг­налы в точках S' и R' тоже равны 0 и изменить состояние защелки невозможно.

Рис. 2.25. Вентильная SR-защелка: схема (а); таблица истинности (б); временная диаграмма (в); графическое обозначение (г)

До сих пор для описания поведения логических схем мы использовали таблицы истинности. В таблице истинности приводятся выходные значения схемы, соот­ветствующие каждой комбинации входных значений. Те логические схемы, вы­ходные значения которых уникально определены для каждого входного значе­ния, называются комбинаторными. Именно схемы этого класса обсуждались в разделах 2.1-2.4. Схемы, содержащие запоминающие элементы, относятся к другому классу и называются последовательными (рис. 2.24). Выходное значение любой такой схемы является функцией не только текущих значений входных пе­ременных, но и их предшествующего состояния.

Таблица истинности защелки нуждается в некоторой модификации, поскольку должна отражать предыдущее состояние схемы. Обратимся к приведенной на рис. 2.25, б таблице истинности, которая описывает поведение вентильной SR-защелки. В ней предыдущее состояние схемы обозначено как Q,(t). Переход в сле­дующее состояние, обозначаемое как Q,(t + 1), происходит после поступления так­тового импульса. Обратите внимание, что для набора входных значений S = R = 1 значение Q(t + 1) не определено по причинам, о которых рассказывалось выше.

Как следует из рис. 2.26, вентильная SR-защелка может быть реализована с помощью вентилей И-НЕ. Рекомендуем вам выполнить полезное упражнение и доказать, что данная схема функционально эквивалентна схеме, приведенной на рис. 2.25, а .

На рис. 2.27 показан еще один вид вентильной защелки, называемый вентиль­ной D-защелкой. В этой схеме сигналы S и R поступают из одного входа, обозна­ченного как D. В ответ на поступление тактового импульса значение на выходе Q, становится равным 1, если D - 1, или сбрасывается в 0, если D = 0. Это означает, что при поступлении каждого нового тактового импульса сигнал на входе D пере­дается на выход Q, D-защелки и сохраняется неизменным до прихода следующего тактового импульса.

Рис. 2.26. Вентильная SR-защелка, реализованная на основе вентилей И-НЕ

Рис. 2.27. Вентильная D-защелка: схема (а); таблица истинности (б); графическое обозначение (в); временная диаграмма (г)

2.6.2. Двухступенчатые триггеры

В схеме, представленной на рис. 2.25, предполагалось, что пока Clk - 1, значения на входах S и R не изменяются. Однако, проанализировав эту схему, вы увидите, что ее выходы немедленно реагируют на любые изменения значений на входах S и R. Аналогичным образом предполагается, что в схеме, приведенной на рис. 2.27, Q,= D, пока Clk = 1. Однако во многих случаях синхронное изменение сигнала на выходе, немедленно отражающее изменение сигнала на входе, недопустимо. В ча­стности, описанные выше защелки типа D и SR не годятся для создания счетчи­ков и сдвиговых регистров, о которых мы поговорим позднее. В таких схемах мгновенная передача логического условия от входов (R, S и D) к выходам защел­ки может привести к ее неверному функционированию. Эту проблему призва­на решать концепция ведущий-ведомый. Две вентильные D-защелки могут быть объединены в схему (рис. 2.28, а), которая получила название синхронный двух­ступенчатый триггер или D-триггер «ведущий-ведомый». Первая защелка, назы­ваемая ведущей, соединена со входом D второй защелки, пока сигнал Clock ра­вен 1. Изменение значения на входе Clock с 1 на 0 изолирует ведущую защелку от входа D и передает ее содержимое в ведомую. Но ни при каком состоянии заще­лок прямого пути от входа D до выхода Q не существует.

Следует заметить, что пока Clock = 1, изменения на входе триггера D немед­ленно отражаются на состоянии ведущей защелки. Предназначение ведомой за­щелки заключается в том, чтобы сохранять значение на выходе триггера, несмот­ря на переход ведущей защелки в следующее состояние, определяемое входом D. Это новое состояние передается ведомой защелке в тот момент, когда значение на входе Clock изменяется с 1 на 0. С этого момента ведущая защелка изолируется от входов ведомой, а следовательно, дальнейшие изменения на входе D не будут отражаться на состоянии ведомой защелки. Примеры изменения состояний вхо­дов и выходов такого D-триггера приведены на рис. 2.28, б.

Рис. 2.28. Двухступенчатый D-триггер: схема (а); временная диаграмма (б);

графическое обозначение (в)

Термином триггер (flip-flop) называют запоминающий элемент, выходное со­стояние которого меняется на фронте управляющего тактового сигнала (то есть в момент его перехода из одного состояния в другое). В описанном выше двухсту­пенчатом D-триггере видимые изменения происходят на отрицательном фронте сигнала (то есть в момент его перехода из 1 в 0). Изменение становится видимым, когда оно достигает терминала Q ведомой защелки. Обратите внимание, что в схеме на рис. 2.28 ведущей защелкой можно управлять с помощью дополнения сигнала Clock, а ведомой — с помощью исходного сигнала Clock. В последнем случае изменения на выходе триггера Q, будут происходить на положительном фронте тактового сигнала.

Графическое изображение триггера показано на рис. 2.28, в. Его тактовый вход обозначается стрелкой (а не с помощью пометки Clk). Это стандартное обозначе­ние, указывающее, что изменение состояния триггера происходит на положи­тельном фронте тактового сигнала. Поскольку на нашем рисунке представлена ситуация, когда изменение происходит на отрицательном фронте, на тактовом входе перед стрелкой отображается маленький кружок.