4.9 Контрольные вопросы
1. Нарисуйте схемы бистабильных ячеек на ЛЭ ИЛИ-НЕ и И-НЕ и почсните их работу.
2. Нарисуйте схему классификации триггеров.
3. Нарисуйте временные диаграммы работы асинхронного RS триггера с прямыми входами.
4. Опишите отличия R-триггера, S-триггера и E-триггера от RS-триггера.
5. Нарисуйте таблицу истинности JK-триггера.
6. Нарисуйте функциональные схемы синхронного RS-триггера в базисе ИЛИ-НЕ и И-НЕ
7. Нарисуйте временные диаграммы работы синхронного RS-триггера с синхронизацией по переднему и по заднему фронту.
8. Нарисуйте функциональную схему R-триггера на базе RS-триггера.
9. Нарисуйте функциональную схему JK-триггера на базе RS-триггера.
10. Нарисуйте функциональную схему D-триггера на базе JK-триггера.
11. Нарисуйте функциональную схему n-разрядного регистра на D – триггерах.
12. Дайте определения счётчика и опишите классификацию счётчиков.
13. Дайте определения модуля счёта счётчика, разрешающей способности, время регистрации и ёмкости.
14. Опишите различные способы реализации произвольных модулей счёта в счётчиках.
15. Нарисуйте временные диаграммы работы распределителей уровней и импульсов.
16. Нарисуйте схему распределителя уровней на базе счётчика и дешифратора.
17. Нарисуйте схему распределителя импульсов на базе кольцевого регистра сдвига.
18. Нарисуйте функциональную схему счетчика Джонсона и временные диаграммы его работы.
Тема 5. Схемотехника цифровых узлов Лекция 5
Как было указано в предыдущем разделе, большинство современных цифровых устройств являются последовательностными или цифровыми автоматами с памятью, состоящими из комбинационной схемы и элементов памяти – запоминающих элементов (ЗЭ) (рис.4.1). Там были рассмотрены
простейшие цифровые элементы, к которым относятся триггера, регистры, счётчики и распределители тактов. Простейшие цифровые устройства могут быть легко синтезированы при помощи рассмотренных логических и цифровых элементов. Более сложные цифровые устройства, называемые цифровыми узлами, удобнее рассматривать и проектировать с более общих позиций, используя теорию цифровых автоматов.
5.1 Цифровые автоматы и их разновидности
Под цифровым автоматом (ЦА) понимают устройство, предназначенное для преобразования дискретной информации. С общей точки зрения, процесс получения информации есть ни что иное, как процесс снятия неопределенности в результате того, что из некоторой совокупности возможных в данной конкретной ситуации явлений выделяется явление, фактически имевшее место.
В состав цифровых автоматов обязательно входят запоминающие элементы (элементы памяти). Выходные сигналы в таких автоматах формируются в зависимости от входных сигналов и состояний, в которых находятся элементы памяти. Наличие элементов памяти придает ЦА свойство иметь некоторое внутреннее состояние А, определяемое совокупностью состояний всех элементов памяти. В зависимости от внутреннего состояния ЦА различно реагируют на один и тот же набор входных сигналов. Воспринимая входные сигналы Z при определенном состоянии, ЦА в соответствии с заложенной в него программой переходит в новое состояние и вырабатывает выходные сигналы W. Переходы ЦА из одного состояния в другое начинаются с некоторого исходного состояния, задание которого также является частью задания автомата. В конечном счете, текущее состояние и выходы автомата зависят от начального состояния и всех наборов входных сигналов, поступивших на автомат в предшествующие моменты времени. Таким образом, вся последовательность входных сигналов определяет последовательность состояний автомата и его выходных сигналов. Это объясняет название «последовательностные схемы».
Основным качеством, выделяющим цифровые автоматы из числа всех других преобразователей информации, является наличие дискретного множества внутренних состояний и свойства скачкообразного перехода автомата из одного состояния в другое. Скачкообразность перехода означает возможность трактовать этот переход как мгновенный, хотя для любого реально существующего автомата имеет место конечная длительность переходных процессов, так что требование скачкообразности перехода не удовлетворяется.
Второе допущение состоит в том, что после перехода автомата в произвольное состояние переход в следующее состояние оказывается возможным не ранее, чем через некоторый фиксированный для данного автомата промежуток времени τ>0, так называемый интервал дискретности автомата. Это допущение дает возможность рассматривать функционирование цифрового автомата в дискретном времени. При построении автоматов с дискретным автоматным временем различают синхронные и асинхронные автоматы.
Цифровые автоматы в каноническом представлении разделяют на две части (рис. 5.1): память (ЭП) и комбинационную цепь (КЦ). На входы КЦ подаются входные сигналы Zt и сигналы состояния At цифрового автомата. На ее выходе вырабатываются выходные сигналы Wt и сигналы перевода ЦА в новое состояние At+1.
Рис. 5.1. Структурная схема асинхронного (а) и синхронного (б) цифровых автоматов
В асинхронных автоматах (рис. 5.1.а) очень часто роль элементов памяти играют элементы задержки, через которые сигналы состояния At передаются на входы КЦ, чтобы совместно с новым набором входных переменных Zt определить следующую пару значений выходов Wt и состояния At+1 на выходе. Элементы асинхронного ЦА переключаются под непосредственным воздействием изменений входных сигналов. Скорость распространения процесса переключений в цепях асинхронного автомата определяется собственными задержками элементов, поэтому моменты переходов из одного состояния в другое заранее не определены и могут совершаться через неравные между собой промежутки времени.
В синхронных автоматах имеются специальные входы С для подачи синхросигналов, которые разрешают элементам памяти прием данных только в определенные моменты времени. Элементами памяти (ЭП) в таких автоматах служат синхронные триггеры. Моменты времени, в которые оказывается возможным изменение состояния автомата, определяются специальным устройством – генератором синхронизирующих импульсов, выход которого подключается на вход С синхронного автомата. Соседние моменты времени оказываются при этом обычно разделенными равными временными промежутками. Процесс обработки информации в синхронных ЦА упорядочивается во времени, и в течение одного такта возможно распространение процесса переключения только в строго определенных пределах тракта обработки информации.