Digitale apparaten: flip-flops, vergelijkers en registers

Digitale apparaten zijn gebouwd op logische elementen en gehoorzamen daarom aan de wetten van de logische algebra. De basisapparaten van digitale technologie, samen met logische apparaten, zijn flip-flops.

Trigger (Engelse trigger - trigger) - een elektronisch apparaat dat twee stabiele toestanden heeft en onder invloed van een externe impuls van de ene toestand naar de andere kan springen.

Triggers of, meer precies, triggersystemen worden een grote klasse elektronische apparaten genoemd die het vermogen hebben om lange tijd in een van de twee stabiele toestanden te blijven en ze af te wisselen onder invloed van externe signalen. Elke triggerconditie is eenvoudig te herkennen aan de waarde van de uitgangsspanning.

Elke triggerstatus komt overeen met een bepaald (hoog of laag) uitgangsspanningsniveau:

1) de trigger is ingesteld op één toestand — niveau «1».

2) de flip-flop wordt gereset — niveau «0» aan de uitgang.

De stabiele toestand blijft zo lang als gewenst en kan worden gewijzigd door een externe puls of door het uitschakelen van de voedingsspanning. Che.een flip-flop is een elementair geheugenelement dat in staat is om de kleinste informatie-eenheid (één bit) «0» of «1» op te slaan.

Flip-flops kunnen worden gebouwd op discrete elementen, logische elementen, op een geïntegreerde schakeling of maken deel uit van een geïntegreerde schakeling.

De belangrijkste soorten flip-flops zijn: RS-, D-, T- en JK-flippers... Daarnaast zijn flip-flops onderverdeeld in asynchroon en synchroon. Bij asynchrone bediening wordt het overschakelen van de ene naar de andere toestand direct gedaan met de aankomst van een signaal op de informatie-ingang. Naast gegevensinvoer hebben gesynchroniseerde flip-flops een klokinvoer. Hun omschakeling vindt alleen plaats in aanwezigheid van een vrijgaveklokpuls.

Een RS-trigger heeft ten minste twee ingangen: S (set — set) — de trigger wordt ingesteld op de status van niveau «1» en R (reset) — de trigger wordt gereset naar de status van niveau «0». (Figuur 1).

In aanwezigheid van ingang C is de flip-flop synchroon - schakelen van de flip-flop (verandering van de status van de uitgang) kan alleen plaatsvinden op het moment van aankomst van de synchronisatie (synchronisatie) puls aan ingang C.

Figuur 1 — Conventionele grafische weergave van de RS-flip-flop en het doel van conclusies a) asynchroon, b) synchroon

Naast de directe uitgang kan de flip-flop ook een inverse uitgang hebben, waarvan het signaal tegengesteld zal zijn.

Tabel 1 geeft de toestanden weer die de flip-flop tijdens bedrijf kan aannemen. De tabel toont de waarden van de ingangssignalen S en R op een bepaald tijdstip tn en de toestand van de flip-flop (van de directe uitgang) op het volgende tijdstip tn + 1 na aankomst van de volgende pulsen. De nieuwe triggerstatus wordt ook beïnvloed door de vorige status van Qn.

Che.als het nodig is om naar de trigger «1» te schrijven, geven we een puls aan de S-ingang, als «0» - we sturen een puls naar de R-ingang.

De combinatie S = 1, R = 1 is een verboden combinatie omdat het onmogelijk is om te voorspellen welke toestand aan de uitgang zal ontstaan.

Tabel 1 - Synchrone RS-flip-flopstatustabel

De werking van de flip-flop is ook te zien aan de hand van timingdiagrammen (fig. 2).

Figuur 2 — Timingdiagrammen van een asynchrone RS-flip-flop

D-trigger (uit het Engels delay - delay) heeft één informatie-ingang en een klokingang (synchronisatie) (fig. 3).

De D-flip-flop bewaart en bewaart aan de uitgang Q het signaal dat op de data-ingang D was op het moment van aankomst van de klokpuls C. de flip-flop slaat informatie op die is geschreven als C = 1.

Tabel 2-Statustabel van de D-flip-flop

Figuur 3 — D-trigger: a) conventionele grafische weergave, b) timingdiagrammen van de werking

T-triggers (van het Engelse tuimelen - kantelen, salto), ook wel tel-flip-flops genoemd, hebben één informatie-ingang T. Elke puls (pulsverval) van de T-ingang (telingang) schakelt de trigger naar de tegenovergestelde toestand.

Figuur 4 toont de T-trigger-symboliek (a) en timingdiagrammen van de werking (b).

Figuur 4-T-flip-flop a) conventionele grafische notatie, b) timingdiagrammen van werking c) statustabel

Een JK-trigger (van het Engelse jump — jump, keer — hold) heeft twee data-ingangen J en K en een klokingang C. De toewijzing van pinnen J en K is vergelijkbaar met de toewijzing van pinnen R en S, maar de trigger heeft geen verboden combinaties. Als J = K = 1, verandert het zijn toestand in het tegenovergestelde (fig. 5).

Met de juiste aansluiting van de ingangen kan de trigger de functies van RS-, D-, T-triggers uitvoeren, d.w.z. is een universele trigger.

Figuur 5 -JK -flip-flop a) conventionele -grafische notatie, b) verkorte statustabel

Comparator (vergelijk - vergelijk) - een apparaat dat twee spanningen vergelijkt - voer Uin in met een referentie Uref. De referentiespanning is een constante spanning met positieve of negatieve polariteit, de ingangsspanning verandert in de loop van de tijd. Het eenvoudigste comparatorcircuit op basis van een operationele versterker wordt getoond in figuur 6, a. Als Uin Uop aan de uitgang U — us (Fig. 6, b).

Figuur 6 — Op-amp-comparator: a) het eenvoudigste schema b) prestatiekenmerken

Een positieve feedbackvergelijker wordt een Schmitt-trigger genoemd. Schakelt de comparator bij dezelfde spanning van «1» naar «0» en vice versa, dan triggert de Schmitt - bij verschillende spanningen. De referentiespanning creëert een PIC-circuit R1R2, het ingangssignaal wordt naar de inverterende ingang van de op-amp gevoerd. Figuur 7, b, toont de overdrachtskarakteristiek van de Schmitt-trigger.

Bij een negatieve spanning aan de inventarisingang van de OS Uout = U + sat. Dit betekent dat op de niet-inverterende ingang een positieve spanning inwerkt. Naarmate de ingangsspanning toeneemt, wordt de stroom Uin > Uneinv. (Uav - trigger) de comparator gaat naar toestand Uout = U -sat. Op de niet-inverterende ingang wordt een negatieve spanning aangelegd. Dienovereenkomstig, met een afname van de ingangsspanning op het moment Uin <Uneinv. (Uav - trigger) de comparator gaat in toestand Uout = U + sat.

Figuur 7 — Schmitt-werking van een op-amp: a) het eenvoudigste schema b) prestatiekenmerken

Een voorbeeld. Figuur 8 toont een schema van een relais-magneetschakelaar voor het besturen van een elektromotor, waardoor deze kan starten, stoppen en omkeren.

Figuur 8 — Motorbesturingsschema met relaisschakelaar

De commutatie van de elektromotor wordt uitgevoerd door magnetische starters KM1, KM2. Vrij gesloten contacten KM1, KM2 voorkomen de gelijktijdige werking van magnetische starters. Vrij open contacten KM1, KM2 zorgen voor zelfvergrendeling van knoppen SB2 en SB3.

Om de betrouwbaarheid van de werking te verbeteren, is het noodzakelijk om de relais-magneetschakelaarbesturingscircuits en stroomcircuits te vervangen door een contactloos systeem met behulp van halfgeleiderapparaten en -apparaten.

Figuur 9 toont een contactloos motorbesturingscircuit.

De vermogenscontacten van de magnetische starters werden vervangen door opto-simistoren: KM1-VS1-VS3, KM2-VS4-VS6. Het gebruik van optosimistoren maakt het mogelijk om een ​​zwakstroomregelcircuit te isoleren van een krachtig voedingscircuit.

Triggers bieden zelfvergrendelende knoppen SB2, SB3. Logische elementen EN zorgen voor gelijktijdige activering van slechts één van de magnetische starters.

Wanneer de transistor VT1 opent, vloeit de stroom door de LED's van de eerste groep opto-simistoren VS1-VS3, waardoor de stroom door de motorwikkelingen wordt verzekerd. Het openen van de transistor VT2 voedt de tweede groep opto-simistoren VS4 -VS6, zorgt voor de rotatie van de elektromotor in de andere richting.

Figuur 9 — Contactloos motorbesturingscircuit

Register - een elektronisch apparaat dat is ontworpen voor kortetermijnopslag en conversie van meercijferige binaire getallen. Het register bestaat uit flip-flops, waarvan het aantal bepaalt hoeveel bits van een binair getal het register kan opslaan - de grootte van het register (Fig. 10, a). Logische elementen kunnen worden gebruikt om de werking van triggers te organiseren.

Figuur 10 — Register: a) algemene weergave, b) conventionele grafische notatie

Volgens de methode van invoer en uitvoer van informatie, zijn registers verdeeld in parallel en serieel.

In een sequentieel register zijn de flip-flops in serie geschakeld, dat wil zeggen dat de uitgangen van de vorige flip-flop informatie doorgeven aan de ingangen van de volgende flip-flop. Flip-flop-klokingangen C zijn parallel geschakeld. Zo'n register heeft één data-ingang en één besturingsingang: klokingang C.

Een parallel register schrijft tegelijkertijd naar flip-flops waarvoor er vier data-ingangen zijn.

Figuur 10 toont de UGO en de pintoewijzing van een vier-bits parallel-serieel register.