Содержание

Синхронный RS триггер 26

Введение

В сегодняшнем мире огромную роль играет электроника и электронные приборы. Сегодня все электротехническое стало таким же обыденным как биологическое. Это нисколько не парадоксально просто несколько десятков лет назад ситуация была в корне другой. Но сегодня сложно представить, как человечество обходилось без компьютеров, интернета, да и простых электрических лампочек. Использование передовых технологий позволило человечеству выйти на новый уровень существования. За этой наукой будущее - со временем электронные средства позволят создать такие вещи как электромобили или новые поколения вычислительных устройств - сверхмощные компьютеры и ноутбуки.

Данная работа посвящена рассмотрению роли триггеров, регистров, счетчиков в цифровых устройствах. Во-всех современных компьютерах применяется логическая система, изобретения Джорджем Булем.

С развитием электроники появился такой класс электронной техники, как цифровая. Цифровая техника включает в себя такие устройства как триггеры, регистры, счётчики, комбинационные устройства, программируемые логические интегральные схемы и др.

Средством обработки двоичных сигналов в ЭВМ являются логические элементы.

Логический элемент компьютера - это часть электронной логической схемы с одним или несколькими входами и одним выходом, через которую проходят электрические сигналы, представляющие 0, 1.

К таким устройствам относятся такие типовые логические устройства как триггер, сумматор, полусумматор, шифратор, дешифратор и счётчик. Они предназначены для формирования, обработки и передачи электрических импульсных сигналов и перепадов напряжения и тока, а также для управления информацией и её хранения одном бите, то есть 0 или 1.

Целью данной работы является рассмотрение триггеров применяемых в ЭВМ, как они устроены и функционируют.

Объектом исследования данной работы стали триггеры, в состав которых входят: RS, D, T и JK-триггеры.

Курсовое исследование написано при использовании специализированных исследований некоторых авторов.

Библиографический список представлен в конце курсовой работы.

Схемотехника — научно-техническое направление, охватывающее проблемы проектирования и исследования схем электронных устройств радиотехники и связи, вычислительной техники, автоматики и др. областей техники. Основная задача Схемотехники — синтез электронных схем, обеспечивающих выполнение определённых функций, и расчёт параметров входящих в них элементов. Термин «Схемотехника» появился в 60-х гг. 20 в. в связи с разработкой унифицированных схем, пригодных одновременно для многих применений.

На основе электронной схемы создают соответствующее устройство (входящее в состав некоторой технической системы). К устройству предъявляется требование надёжной работы в течение заданного времени в реальных условиях производственного разброса параметров элементов и их старения, влияния внешней среды и возмущающих воздействий. Поэтому при разработке схем наряду с расчётом номинальных значений параметров элементов необходимо рассчитывать эксплуатационные допуски на них, предусматривать в схеме средства, повышающие надёжность устройства (обеспечивающие устойчивую работу схемы при внешних воздействиях), а также позволяющие контролировать его исправность.

Электрический сигнал — это электрическая величина (напряжение, ток), которая изменяется со временем. В основном вся электроника работает с электрическими сигналами, но в последнее время всё чаще используются и другие виды сигналов (например давление, температура, свет).

Аналоговый сигнал — это сигнал, который может принимать любые значения в определённых пределах (например, напряжение может плавно изменяться в пределах нескольких десятков вольт). Устройства, которые работают только с аналоговыми сигналами, называются аналоговыми устройст-вами.

1 Постановка задачи

При выполнении курсового проектирования были рассмотрены следующие задачи:

- синтез структуры проектируемого устройства.

- анализ сложности проектируемого устройства и выбор типа триггера, использование которого для реализации устройства позволяет минимизировать его сложность.

- синтез триггерного устройства выбранного типа.

2 Тема курсового проекта

Тематика данного курсового проекта является, проектирование схемы заказной интегральной схемы, выполняющей функцию восьмиразрядного синхронного реверсивного сдвигающего регистра и синхронной реверсивной пересчетной схемы по следующим исходным данным:

- типы триггеров, подлежащих рассмотрению при реализации регистра: T, D

- выполняемые операции сдвига: влево на 3 разряда и вправо на 3 разрядa для T, Dтриггеров

- типы триггеров, подлежащих рассмотрению пpи реализации счётчика: JK, RS

- выполняемые операции сдвига: влево на 2 разряда и впpаво на 2 разрядa

- генерируемая последовательность двоичных эквивалентов чисел:

- для триггеров JK, RS ( (0,5,1,7,3,2,4), (4,2,3,7,1,5,0) )

3 Элементная база

3.1 Элементная база вычислительных систем

Резистор

Резистор или сопротивление (англ. resistor, от лат. resisto — сопротивляюсь) — пассивный элемент электрических цепей, обладающий определённым или переменным значением электрического сопротивления, предназначенный для линейного преобразования силы тока в напряжение и напряжения в силу тока, ограничения тока, поглощения электрической энергии и др. Весьма широко используемый компонент практически всех электрических и электронных устройств.

Схема замещения резистора чаще всего имеет вид параллельно соединенных сопротивления и емкости. Иногда на высоких частотах последовательно с этой цепью включают индуктивность. В схеме замещения сопротивление — основной параметр резистора, емкость и индуктивность — паразитные параметры.

Закон Ома для мгновенных значений тока и напряжения справедлив только в резистивных цепях.

Рисунок – 3.1 Шесть резисторов разных номиналов и точности, промаркированные с помощью цветовой схемы

Конденсатор

Конденсатор (от лат. condensare — «уплотнять», «сгущать» или от лат. condensatio — «накопление») — двухполюсник с постоянным или переменным значением ёмкости и малой проводимостью; устройство для накопления заряда и энергии электрического поля.

Конденсатор является пассивным электронным компонентом. В простейшем варианте конструкция состоит из двух электродов в форме пластин (называемых обкладками), разделённых диэлектриком, толщина которого мала по сравнению с размерами обкладок (см. рис.). Практически применяемые конденсаторы имеют много слоёв диэлектрика и многослойные электроды, или ленты чередующихся диэлектрика и электродов, свёрнутые в цилиндр или параллелепипед со скруглёнными четырьмя рёбрами (из-за намотки). Ёмкость конденсатора измеряется в фарадах.

Рисунок 3.2 - Основа конструкции конденсатора — две токопроводящие обкладки, между которыми находится диэлектрик

Катушка индуктивности

Катушка индуктивности — винтовая, спиральная или винто-спиральная катушка из свёрнутого изолированного проводника, обладающая значительной индуктивностью при относительно малой ёмкости и малом активном сопротивлении. Как следствие, при протекании через катушку переменного электрического тока наблюдается её значительная инерционность.

Применяются для подавления помех, сглаживания биений, накопления энергии, ограничения переменного тока, в резонансных (колебательный контур) и частотно-избирательных цепях, в качестве элементов индуктивности искусственных линий задержки с сосредоточенными параметрами, создания магнитных полей, датчиков перемещений и так далее.

Рисунок – 3.3 Катушка индуктивности (дроссель) на материнской плате компьютера

Транзистор

Транзистор (англ. transistor), полупроводниковый триод радиоэлектрон-ный компонент из полупроводникового материала, обычно с тремя выводами, способный от небольшого входного сигнала управлять значительным током в выходной цепи, что позволяет его использовать для усиления, генерирования, коммутации и преобразования электрических сигналов. В настоящее время транзистор является основой схемотехники подавляющего большинства электронных устройств и интегральных микросхем. Транзисторами также называются дискретные электронные приборы, которые, выполняя функцию одиночного транзистора, имеют в своем составе много элементов, конструктивно являясь интегральной схемой, например составной транзистор или многие транзисторы большой мощности.

Рисунок – 3.4 Дискретные транзисторы в различном конструктивном оформлении

Микросхема

Интегральная (микро)схема (ИС, ИМС, м/сх), микросхема, чип (англ. chip — тонкая пластинка — первоначально термин относился к пластинке кристалла микросхемы) — микроэлектронное устройство — электронная схема произвольной сложности (кристалл), изготовленная на полупроводниковой подложке (пластине или плёнке) и помещённая в неразборный корпус или без такового, в случае вхождения в состав микросборки.

Большая часть микросхем изготавливается в корпусах для поверхностного монтажа.

Часто под интегральной схемой (ИС) понимают собственно кристалл или плёнку с электронной схемой, а под микросхемой (МС) — ИС, заключённую в корпус. В то же время выражение чип-компоненты означает «компоненты для поверхностного монтажа» (в отличие от компонентов для пайки в отверстия на плате).

Рисунок – 3.5 Фотография микросхемы

Процессор

Центральный процессор (ЦП; также центральное процессорное устройство — ЦПУ; англ. central processing unit, CPU, дословно — центральное обрабатывающее устройство) — электронный блок либо интегральная схема (микропроцессор), исполняющая машинные инструкции (код программ), главная часть аппаратного обеспечения компьютера или программируемого логического контроллера. Иногда называют микропроцессором или просто процессором.

Изначально термин центральное процессорное устройство описывал специализированный класс логических машин, предназначенных для выполнения сложных компьютерных программ. Вследствие довольно точного соответствия этого назначения функциям существовавших в то время компьютерных процессоров, он естественным образом был перенесён на сами компьютеры. Начало применения термина и его аббревиатуры по отношению к компьютерным системам было положено в 1960-е годы. Устройство, архитектура и реализация процессоров с тех пор неоднократно менялись, однако их основные исполняемые функции остались теми же, что и прежде.

Главными характеристиками ЦПУ являются: тактовая частота, производительность, энергопотребление, нормы литографического процесса, используемого при производстве (для микропроцессоров) и архитектура.

Рисунок – 3.6 Intel Core i7 2600K Socket LGA1155, вид сверху, термораспределительная защитная крышка и текстолитовая платформа

Микроконтроллер

Микроконтроллер (англ. Micro Controller Unit, MCU) — микросхема, предназначенная для управления электронными устройствами.

Типичный микроконтроллер сочетает на одном кристалле функции процессора и периферийных устройств, содержит ОЗУ и (или) ПЗУ. По сути, это однокристальный компьютер, способный выполнять относительно простые задачи.

Отличается от микропроцессора интегрированными в микросхему устройствами ввода-вывода, таймерами и другими периферийными устройствами.

Рисунок – 3.7 Микроконтроллер

3.2 Элементы логики

Выполняющие простейшие логические операции: операция логического умножения и логического сложения. Такие элементы называются логические элементы И (AND) и логический элемент ИЛИ (OR). Данные логические элементы объединяет то, что они имеют несколько равноправных входов (от 2 до 12), а выход всего один. На выходе сигнал соответствует комбинации сигналов на входе, над которыми выполнена соответствующая функция. Ниже показано условное графическое обозначение элементов И и ИЛИ.

Рисунок – 3.8 Обозначение элементов И и ИЛИ: слева логический элемент И и ИЛИ (DIN); справа логический элемент И и ИЛИ (ANSI).

Кроме многочисленных логических элементов И и ИЛИ существуют такие логические элементы, которые на выходе инвертируют сигнал. К названию таких элементов добавляется в конце частичка НЕ, то есть элемент И с инверсией сигнала на выходе называется И-НЕ (NAND), а элемент ИЛИ соответственно ИЛИ-НЕ (NOR). Ниже показано условное графическое обозначение элементов И-НЕ и ИЛИ-НЕ.

Рисунок – 3.9 Обозначение элементов И-НЕ и ИЛИ-НЕ: слева логический элемент И-НЕ и ИЛИ-НЕ (DIN); справа логический элемент И-НЕ и ИЛИ-НЕ (ANSI).

Как указывалось выше, данные элементы имеют несколько равноправныхвходов, поэтому для чёткого распознавания логических элементов с разным количеством входов перед названием логического элемента ставят число которое соответствует количеству входов логического элемента. Например, обозначение двухвходового элемента И с инверсией на выходе будет иметь обозначение 2И-НЕ, а пятивходового элемента выполняющего функцию ИЛИ с инверсией – 5ИЛИ-НЕ.

Как известно для каждого логического элемента выполняющего соответственную функцию существует своя таблица истинности.

Ниже приведена сводная таблица истинности для двухвходовых логических элементов И, И-НЕ, ИЛИ, ИЛИ-НЕ.

Таблица 3

Сигналы на входе			Сигналы на выходе
1	2	И		И-НЕ	ИЛИ	ИЛИ-НЕ
0	0	0		1	0	1
0	1	0		1	1	0
1	0	0		1	1	0
1	1	1		0	1	0

Логический элемент НЕ (Hex Inverters)

Схема «НЕ» (инвертор) реализует операцию отрицания. На рисунке 3.10 изображено условно-графическое обозначение элемента «НЕ». В таблице 3.1 представлена таблица истинности для данного элемента.

Рисунок 3.10 – Условно-графическое обозначение элемента «НЕ»

Таблица 3.1

Таблица истинности элемента «НЕ»

X
1	0
0	1

Логический элемент «И»

Схема «И» реализует конъюнкцию (логическое умножение) двух или более логических значений. На рисунке 3.1.2 изображено условно-графическое обозначение элемента «И». В таблице 3.1.2 представлена таблица истинности для данного элемента.

Рисунок 3.11 – Условно-графическое обозначение элемента «И»

Таблица 3.2 – истинности элемента «И»

0	0	0
0	1	0
1	0	0
1	1	1

Единица на выходе схемы «И» будет тогда и только тогда, когда на всех входах будут единицы. Когда хотя бы на одном входе будет нуль, на выходе также будет нуль.

Связь между выходом z этой схемы и входами х и у описывается соотношением z = х у (читается как «х и у»).

Операция конъюнкции на функциональных схемах обозначается знаком & (читается как «амперсанд»), являющимся сокращенной записью английского слова and.

Логический элемент «ИЛИ»

Схема «ИЛИ» реализует дизъюнкцию (логическое сложение) двух или более логических значений. На рисунке 3.12 изображено условно-графическое обозначение элемента «ИЛИ». В таблице 3.2 представлена таблица истинности для данного элемента.

Рисунок 3.12 – Условно-графическое обозначение элемента «ИЛИ»

Таблица 3.3 – истинности элемента «ИЛИ»

X	Y	X˅Y
0	0	0
1	1	1
1	0	1
1	1	1

Когда хотя бы на одном входе схемы «ИЛИ» будет единица, на ее выходе также будет единица.

Знак «1» на схеме — от устаревшего обозначения дизъюнкции как «>=1» (т.е. значение дизъюнкции равно единице, если сумма значений операндов больше или равна 1). Связь между выходом z этой схемы и входами х и у описывается соотношением z = х ˅ у.

Логический элемент «Исключающее ИЛИ»

Логический элемент Исключающее ИЛИ, как и ранее рассмотренные логические элементы имеет несколько равноправных входов и один выход, но не один из входных выводов не может заблокировать другие входы, установив выходной сигнал к уровню единицы или нуля. Исходя из сказанного, можно установить логику работы элемента Исключающее ИЛИ: высокий логический уровень на выходе появляется только тогда, когда только на одном из входов есть высокий уровень, а если на всех входах одновременно присутствуют сигналы логического нуля или логической единицы, то на выходе буде низкий уровень напряжения.

Так же как и все остальные логические элементы элемент Исключающее ИЛИ может иметь инверсию на выходе, такой элемент называют Исключающее ИЛИ-НЕ. Логика работы такого элемента следующая: высокий уровень на выходе логического элемента Исключающее ИЛИ-НЕ появиться только в том случае, когда на всех входах одновременно присутствует сигналы лог. 0 или логическую 1. Таким образом таблица истинности логических элементов

Исключающее ИЛИ и Исключающее ИЛИ-НЕ будет иметь следующий вид:

Таблица 3.4

Входные выводы			Тип логического элемента
1	2	Исключающее ИЛИ		Исключающее ИЛИ-НЕ
0	0	0		1
0	1	1		0
1	0	1		0
1	1	0		1

Элементы Исключающее ИЛИ из-за своего специфического функционала не имеют широкого применения, поэтому отдельных суффиксов в их обозначении не присутствует, они в основном входят в серию ЛП.

Рисунок 3.12– Условное графическое обозначение элементов Исключающее ИЛИ: DIN (слева) и ANSI (справа)

3.3 Таблица истинности

Таблица истинности — это таблица, которая описывает логическую функцию. Логическая функция здесь — это функция, у которой значения переменных и значение самой функции выражают истинность. Например, они принимают значения «истина» либо «ложь» (true либо false, 1 либо 0). Таблицы истинности применяются для определения значения какого-либо высказывания для всех возможных случаев значений истинности высказываний, которые его составляют. Количество всех существующих комбинаций в таблице находится по формуле N=2*n; где N - общее количество возможных комбинаций, n - число входных переменных. Таблицы истинности нередко используются в цифровой технике и булевой алгебре, чтобы описать работу логических схем.

Таблица 3.5

Пример выполнения логических операций с помощью таблицы истинности

3.4 Методы минимизации на основе карт Карно

Куб Карно — графический способ минимизации переключательных (булевых) функций, обеспечивающий относительную простоту работы с большими выражениями и устранение потенциальных гонок. Представляет собой операции попарного неполного склеивания и элементарного поглощения. Карты Карно рассматриваются как перестроенная соответствующим образом таблица истинности функции. Карты Карно можно рассматривать как определённую плоскую развертку n-мерного булева куба.

Карты Карно были изобретены в 1952 году Эдвардом В. Вейчем и усовершенствованы в 1953 году Морисом Карно, физиком из «Bell Labs», и были призваны помочь упростить цифровые электронные схемы.

В карту Карно булевы переменные передаются из таблицы истинности и упорядочиваются с помощью кода Грея, в котором каждое следующее число отличается от предыдущего только одним разрядом.

Рисунок 3.13 – Примеры карт Карно

4 Триггеры

Триггером называется устройство, имеющее два устойчивых состояния и сохраняющее любое из них сколь угодно долго после снятия внешнего воздействия, вызвавшего переход триггера из одного состояния в другое. Поэтому говорят, что триггер обладает памятью. Триггер можно представить в общем случае состоящим из ячейки памяти и устройства управления (порой весьма сложного), преобразующего входную информацию в комбинацию сигналов, под воздействием которых ячейка памяти принимает одно из двух устойчивых состояний.

Такими цифровыми микросхемами являются триггеры (англ. – Trigger или Flip-Flop). В отличие от простых логических микросхем, которые называют комбинационными (НЕ, И-НЕ, ИЛИ и другие) и их сигналы на выходе чётко соответствуют сигналам на входе, то триггеры относятся к последовательным или последовательностным микросхемам, уровень выходного напряжения которых, зависит от того в какой последовательности поступали сигналы на вход триггера. С помощью триггеров строят более сложные цифровые микросхемы.

Сигналы, поступившие на вход триггера, могут храниться только до тех пор, пока на него подается напряжение питания. После каждого включения триггера на его выходах появляются случайные логические уровни напряжения. Триггеры обладают очень высоким быстродействием, сравнимым с задержками при переключении простейших логических элементов, однако объём хранимой информации мал. Один триггер может хранить только один сигнал или бит.

Внутреннее устройство триггера. Простейший триггер представляет собой схему из двух логических элементов, взаимодействуя между собой с помощью положительной обратной связи, которая обеспечивает нахождения выходов триггера в одном их двух логических состояний неограниченное время.

Рисунок – 4 Схема триггерной ячейки на логических элементах (RS триггер)

Схема на рисунке выше представляет простейший триггер (или триггерная ячейка), который имеет два входа и два выхода. Входы триггера реагируют на низкий логический уровень: вход R – сброс (англ. Reset – сброс) и вход S – установка (англ. Set – установка), выходы: прямой Q(англ. Quit – выход) и инверсный –Q.

4.1 Типы триггеров

По функциональному признаку различают RS-триггеры, D-триггеры, Т-триггеры и JK-триггеры, а также их комбинации.

Основу любого триггерного устройства составляет элементарная ячейка памяти на двух инверторах с кольцом положительной обратной связи, называемая защелкой (рисунок 4.1).

При подаче питания ЛЭ не могут находиться в активной области передаточной характеристики, так как петлевое усиление много больше единицы, и ячейка переходит в одно из двух устойчивых состояний с инверсными уровнями на выходах и. Это состояние ячейка будет хранить, пока включен источник питания.

4.1.1 RS- триггер

RS триггер получил название по названию своих входов. Вход S (Set — установить англ.) позволяет устанавливать выход триггера Q в единичное состояние (записывать единицу). Вход R (Reset — сбросить англ.) позволяет сбрасывать выход триггера Q (Quit — выход англ.) в нулевое состояние (записывать ноль).

В простейшем случае RS триггер это два логических элемента "2И-НЕ", соединенные последовательно друг с другом. Его принципиальная схема приведена на рисунке 4.2

Рисунок 4.2

Схема простейшего RS триггера на схемах "2И-НЕ". Входы R и S инверсные (активный уровень'0')

Рисунок – 4.3 Обозначение RS триггера

Рассмотрим принцип работы RS триггера, выполненный по изображенной на рисунке 1 схеме подробнее. Пусть на входы R и S подаются единичные потенциалы. Если на выходе верхнего логического элемента "2И-НЕ" Q присутствует логический ноль, то на выходе нижнего логического элемента "2И-НЕ" появится логическая единица. Эта единица подтвердит логический ноль на выходе Q. Если на выходе верхнего логического элемента "2И-НЕ" Q первоначально присутствует логическая единица, то на выходе нижнего логического элемента "2И-НЕ" появится логический ноль. Этот ноль подтвердит логическую единицу на выходе Q. То есть при единичных входных уровнях схема RS триггера работает точно так - же как и схема на инверторах.

Подадим на вход S нулевой потенциал. Согласно таблице истинности логического элемента "И - НЕ" на выходе Q появится единичный потенциал. Это приведёт к появлению на инверсном выходе триггера нулевого потенциала.

Теперь, даже если снять нулевой потенциал с входа S, на выходе триггера останется единичный потенциал. То есть мы записали в триггер логическую единицу.

Точно так же можно записать в RS-триггер и логический ноль. Для этого следует воспользоваться входом R. Так как активный уровень на входах оказался нулевым, то эти входы — инверсные. Составим таблицу истинности RS триггера. Входы R и S в этой таблице будем использовать прямые, то есть и запись нуля, и запись единицы будут осуществляться единичными потенциалами (таблица 4).

Таблица 4

Таблица истинности RS триггера

С	R	S	Q(t)	Q(t+)	Пояснения
0	x	x	0	0	Режим хранения информации
0	x	x	1	1
1	0	0	0	0	Режим хранения информации
1	0	0	1	1
1	0	1	0	1	Режим установки единицы S=1
1	0	1	1	1
1	1	0	0	0	Режим записи нуля R=1
1	1	0	1	0
1	1	1	0	*	R=S=1 запрещенная комбинация
1	1	1	1	*

RS триггер можно построить и на логических элементах "ИЛИ". Его схема приведена на рисунке 4.4. Принцип работы RS триггера, собранный на логических элементах "ИЛИ" будет точно таким же, как и рассмотренный ранее. Единственное отличие в работе этой схемы по сравнению с предыдущей схемой RS триггера будет заключаться в том, что сброс и установка триггера будет производиться единичными логическими уровнями. Эти особенности связаны с принципами работы инверсной логики, которые рассматривались ранее.

Рисунок 4.4 - Схема простейшего RS триггера на логических элементах ИЛИ-НЕ. Входы R и S прямые (активный уровень '1')

Так как RS триггер при реализации его на логических элементах "И" и "ИЛИ" работает одинаково (его принцип работы от схемы не зависит), то и условно-графическое изображение на принципиальных схемах тоже одинаково. Условно-графическое изображение RS триггера на принципиальных схемах приведено на рисунке 4.3

Рисунок 4.5 - Условно-графическое обозначение RS триггера