29.1 Последовательностные цифровые устройства

Кроме комбинационных устройств, рассмотренных ранее, существует класс цифровых устройств, в которых при одинаковых воздействиях на входе, на выходе автомата могут возникать различные выходные состояния. Состояние выхода такого устройства зависит не только от того, какие сигналы присутствуют на его входах в данный момент времени, но и от того, какие последовательности сигналов поступали на входы устройства в предшествующие моменты времени, т.е. как говорят, автомат помнит свою предысторию и хранит ее в памяти. Поэтому такие устройства называют последовательностными или автоматами с памятью.

Последовательностные цифровые устройства (ПЦУ) – это цифровые устройства, у которых состояние выходов зависит не только от состояния входов в текущий момент времени, но и от состояния входов в предыдущие моменты времени, то есть ПЦУ обладает памятью.

Для описания последовательностного автомата с памятью, помимо состояний входов X(t) и выходов Y(t), необходимо также знать состояние памяти автомата, как говорят, его внутреннее состояние S(t), определяемое совокупностью состояний всех элементов памяти.

В общем виде последовательностный автомат с памятью рассматривается состоящим из двух частей: комбинационного цифрового устройства (КЦУ) и памяти, состоящей из элементов памяти (ЭП) (рисунок 29.1). В качестве элементов памяти могут быть применены как однобитовые элементы памяти (различные типы триггеров), так и многобитовые (многоразрядные) цепочки триггеров.

Функционирование (т.е. изменение состояния устройства) многотактного автомата происходит в дискретные моменты времени, ход которого обозначается натуральными числами t = 1, 2, 3 и т.д. В каждый момент дискретного времени t автомат находится в определенном состоянии S(t), воспринимает через входы соответствующую данному моменту комбинацию входных переменных X(t), выдает на выходах некоторую функцию выхода Y(t), определяемую как Y(t) = f(S(t),X(t)), и переключается в новое состояние S(t+1), которое определяется функцией переходов j как S(t+1)= j ( S(t),X(t)).

Рисунок 29.1 – Структурная схема последовательностного

цифрового устройства

Закон функционирования последовательностных автоматов может задаваться в виде уравнений, таблиц и временных диаграмм. Под законом функционирования понимается совокупность правил, описывающих последовательность переключения состояний автомата и последовательность выходных сигналов в зависимости от последовательности поступления входных сигналов.

К функциональным узлам последовательностного типа относятся: триггерные устройства, регистры, счетчики.

Простейшими типами последовательностных схем являются триггеры, имеющие два устойчивых состояния, обозначаемых как «1» и «0».

29.2 Общее определение триггеров

Триггер – это ПЦУ, которое может находиться в двух устойчивых состояниях. Самопроизвольный переход из одного состояния в другое исключен. Если на выходе триггера лог. 1, то говорят, что триггер установлен, если лог. 0, то – сброшен. Для переключения триггера из одного состояния в другое используют специальные входы управления. Номенклатура входов и их тип зависит от типа триггера. Схема простейшего триггера без входов управления приведена на рисунке 29.2. Для удобства использования триггера у него обычно делается два выхода: прямой выход – Q и инверсный выход – .

Рисунок 29.2 – Схема простейшего триггера

Таким образом, триггеры – это элементарные автоматы, содержащие собственно элемент памяти (фиксатор) и схему управления. Фиксатор строится на двух инверторах, связанных друг с другом «накрест», так что выход одного соединен со входом другого. Такое соединение дает цепь с двумя устойчивыми состояниями (см. рисунок 29.2). Действительно, если на выходе инвертора 1 имеется логический ноль, то он обеспечивает на выходе инвертора 2 логическую единицу, благодаря которой сам и существует. То же согласование сигналов имеет место и для второго состояния, когда инвертор 1 находится в единице, а инвертор 2 – в нуле. Любое из двух состояний может существовать неограниченно долго.

Переходное состояние, в котором инверторы активны, неустойчиво. Это можно показать, имея в виду, что напряжения в любой цепи не являются идеально постоянными, а всегда имеет место флуктуация. Флуктуации обязательно приведут фиксатор в одно из двух стабильных состояний, так как из-за наличия в схеме петли положительной обратной связи любое изменение режима вызывает продолжение в том же направлении, пока фиксатор не перейдет в устойчивое состояние, когда петля обратной связи как бы разрывается вследствие потери инверторами усилительных свойств (переход в режимы отсечки и насыщения, свойственные устойчивым состояниям).

Чтобы управлять фиксатором, нужно иметь в логических элементах дополнительные входы, превращающие инверторы в элементы И-НЕ либо ИЛИ-НЕ. На входы управления поступают внешние установочные сигналы.

Установочные сигналы показаны на рисунке 29.3 штриховыми линиями. Буквой R латинского алфавита (от Reset) обозначен сигнал установки триггера в ноль (сброса), а буквой S ( от Set) – сигнал установки в состояние логической единицы (установки). Состояние триггера считывается по значению прямого выхода, обозначаемого как Q. Для фиксатора на элементах ИЛИ-НЕ установочным сигналом является единичный, поскольку только он приводит логический элемент в нулевое состояние независимо от сигналов на других входах элемента. Для фиксатора на элементах И-НЕ установочным сигналом является нулевой, как обладающий тем же свойством однозначно задавать состояние элемента независимо от состояний других входов.

Рисунок 29.3 – Схемы фиксаторов с входами управления

на элементах ИЛИ-НЕ и элементах И-НЕ

Практически все серии цифровых интегральных схем содержат готовые триггеры, и поэтому задача проектировщика – правильное использование имеющихся триггеров. Отсюда важное значение приобретают классификации триггеров, изучение их параметров и особенностей функционирования.