Аналоговая схемотехника

При построении схем часто используются не все входы ИМС. В соответствии с логикой работы элемента ИМС на эти входы следует подать либо 1, либо 0. Логический уровень нуля как в ТТЛ, так и в КМОП подается подключением вывода к корпусу. Логический уровень единицы подается подключением к источнику питания, причем в ТТЛ подключение осуществляется через токоограничительный резистор для защиты от скачков напряжения, возникающих, например, при включении питания. Неиспользуемые входы одного элемента можно подключить к используемым (например, чтобы получить инвертор из схемы 2И-Не).

В одном корпусе располагается несколько одинаковых элементов, часть из которых в разрабатываемой схеме может не использоваться. Так как неиспользуемые элементы подключены к выводам питания, за счет наводимых на входе сигналов они потребляют энергию и могут создавать помехи для остальных элементов. Поэтому для ТТЛ рекомендуется, для МДП обязательно: нельзя оставлять неподключенными неиспользуемые выходы.

2.2 Передача сигналов и помехи

2.2.1 Источники помех

Одной из важнейших задач при проектировании электронных устройств является передача сигналов и борьба с помехами, возникающими при этом.

1. Источниками некоторых помех являются сами элементы. При переключении элементов в их выходных цепях возникают кратковременные, но большие, сквозные токи. Большие токи могут вызвать и цепи перезаряда емкостей.

Токи протекают по шине питания и по «земляной» шине, которые имеют соответственно полные сопротивления Z_CC и Z_GND. На этих сопротивлениях падает напряжение, имеющее форму протекающего по шинам тока. На рис. показано, что сквозной ток i, возникший в элементе DD1, вызывает на соответствующих шинах падение напряжения--на положительной шине импульс в отрицательную сторону, на отрицательной--в положительную. Если входной сигнал последующего элемента единица, напряжение этого сигнала будет снижено. При достаточном снижении сигнала элемент сработает неправильно (помеха). При нулевом сигнале на входе снижение напряжения на положительной шине не вызовет помехи, но помеху вызовет повышение напряжения на земляной шине.

Конструктивной мерой борьбы с помехами по питанию являются следующие.

а) Земляную шину на печатных платах выполняют как можно больше поверхности. Иногда заполняют пустующие участки платы.

б) Шины питания (положительные) выполняют как можно короче, иногда их проводят специальными конструкциями большого сечения над печатной платой.

в) При конструировании печатной платы располагают положительные и отрицательные шины питания как можно близко друг к другу. В двусторонних платах их располагают с разных сторон так, чтобы они проходили одна над другой. Тогда они создают емкость, действие которой показана ниже.

Схемотехническими методами борьбы являются следующие.

а) Ограничение сквозных токов и токов перезаряда конденсаторов включением последовательно с ними сопротивлений .

б) Применение развязывающих каскадов на выходе элементов, чтобы уменьшить емкостные составляющие.

в) Установка емкостей между выводами питания каждой ИМС (как показано на рис.). Импульсная помеха, возникшая на шинах питания, проходит через конденсатор, который играет роль фильтра. Конденсатор должен быть высокочастотным. Обычно в качестве фильтрующих конденсаторов используют керамические конденсаторы.

Трассировка шин питания с разных сторон печатной платы так же создает емкость, служащую фильтром.

2 Перекрестные помехи создаются токами, протекающими в соседних линиях. Если токи резко изменяются, в соседних линиях возникают помехи за счет паразитных емкостей между линиями. Для борьбы с перекрестными помехами линии не располагают параллельно, между линиями размещают экранированные заземленные проводники (так , в частности, поступают в плоских кабелях), используют витые пары, коаксиальные кабели.

Для борьбы с внешними магнитными полями используют экранирование.

2.2.2 Передача сигналов

Линии передачи сигналов между микросхемами (межсоединения) даже на печатной плате имеют достаточно большую длину. Их влияние на помехозащищенность нельзя приуменьшать.

а) При непосредственной связи между элементами помеха поступает на вход принимающего элемента так же, как и полезный сигнал. Поэтому проводники непосредственной связи должны быть как можно короче и проходить, по возможности, над земляной шиной.

б)Значительную защиту от помех дает установка на приемной стороне триггера Шмитта. Гистерезис, имеющийся в этой схеме, вызывает переключение в «1» при напряжении, большем, чем порог срабатывания обычной микросхемы, и в «0» при напряжении, меньшем напряжения питания. Помеха, чтобы вызвать срабатывание, должна иметь достаточную величину. Промышленностью выпускаются триггеры Шмитта (SN74 13, SN74 14- соответственно 155ТЛ1, 155ТЛ2, 155ТЛ3) , осуществляющие, как обычные логические элементы, логические функции «И», «ИЛИ», «НЕ» с сигналами, имеющими высокие пороги срабатывания.

в)Известно, что операционный усилитель, работающий с парафазным сигналом, ослабляет синфазную помеху, поступающую на его входы. Для защиты от помех парафазный сигнал подают на дифференциальные входы компаратора. На один из входов компаратора поступает сигнал U+U_пом , на другой -U+U_пом (U-полезный сигнал, U_пом -сигнал помехи). Сигнал на выходе представляет собой разность этих напряжений, т.е. равен удвоенному полезному сигналу, а помеха уничтожается.

Выше было показано, что во время перехода входного сигнала из одного порогового состояния в другое появляются импульсные помехи. Особенно проявляется это в многовходовых элементах, каждый из входов которых устанавливается в новое состояние независимо от остальных входов. Одним из способов борьбы с помехами такого рода является синхронизация: переход элемента в новое состояние осуществляется по синхроимпульсу, который подается тогда, когда все входные сигналы элемента переключились. Осуществление синхронизации возможно, по крайней мере, при выполнении двух условий: элементы должны иметь дополнительный вход синхронизации; к моменту прихода синхроимпульса все переключения входов должны завершиться. К частоте синхронизации и длительности импульсов синхронизации предъявляются жесткие требования, так как они влияют на быстродействие системы. Между двумя импульсами синхронизации входы элементов ИМС могут переустанавливаться, но это не оказывает влияния на элемент. Импульс синхронизации должен иметь минимальную длительность. Во многих случаях для синхронизации используются фронты или срезы импульсов, которые в свою очередь должны иметь максимальную крутизну.

2.2.3 Гальваническая развязка

Для передачи электрических сигналов необходимы две линии. В качестве одной из них используется металлический корпус прибора (устройства). В двусторонних печатных платах для «корпуса» используется одна из сторон, в многослойных -- один из слоев. В этом слое могут быть и другие межсоединения, но большая часть площади отдана «корпусу». При передаче сигналов от одного устройства к другому корпуса должны быть соединены. Непосредственное соединение проводами имеет существенное ограничение. Во-первых, до соединения корпуса могут иметь разные потенциалы. Соединение их может создать кольцевые цепи, по которым пройдут токи от выравнивания потенциалов, что может привести к перенапряжению на элементах. Во-вторых, одним из устройств может быть силовое устройство, питание которого осуществляется напряжением, отличающимся как по величине, так и по качеству (например, в цепи двигателя постоянного тока постоянно присутствует множество импульсных помех, обусловленных счеточно-коллекторным механизмом). Кроме того, в электрически связанных цепях возникают перекрестные помехи, помехи по цепям питания и т.д.

Для гальванической развязки (т.е. передачи сигнала при с отсутствии гальванической связи между приемником и источником сигнала) служат оптопары (оптроны). В показанном примере передающая часть оптрона (фотодиод) подключена к элементу с открытым коллектором. Приемная часть оптрона (фототранзистор) гальванически развязана от первой части схемы: свой источник питания (U_П2), отдельный корпус, с которым связана вторая часть схемы.

Если возможно, гальваническую развязку осуществляют с помощью оптрона, на который сигнал подается с помощью витой пары.

В витой паре один из поводов можно представить как оплетку (экран) кабеля. Витая пара является аналогом коаксиального кабеля и служит хорошей защитой от помех. Одной из характеристик коаксиального кабеля является волновое сопротивление. Волновое сопротивление определяется распределенными параметрами кабеля: сопротивлением, индуктивностью, емкостью, не привязанными к одной точке, а имеющимися по всей длине кабеля. Коаксиальный кабель требует согласования нагрузки. Сопротивления R₁ и R₂ служат резисторами-терминаторами, служащими для согласования волновой нагрузки витой пары. Передающая часть имеет корпус 1, приемная--корпус 2.

Недостатком передачи сигналов с помощью гальванической развязки является невысокое быстродействие, связанное с быстродействием оптрона.

2.2.4 Согласование уровней сигналов разнотипных элементов

В элементах КМОП уровень логической единицы значительно ближе к напряжению питания, чем у элементов ТТЛШ. Точно так же уровень логического нуля в КМОП ближе к нулю, чем в ТТЛШ.

Это значит, что при передаче сигнала от КМОП к ТТЛШ для ТТЛШ создается более благоприятный режим, чем при передаче от элемента ТТЛШ. Единственным ограничением такого соединения является большой входной ток элементов ТТЛШ. Однако и это практически не создает ограничений.

При передаче сигнала от ТТЛШ к КМОП уровня логической единицы ТТЛШ может быть недостаточно. В таких случаях применяют подтягивающий резистор R номинала около 5кОм.



2.3 Использование простейшей индикации

2.3.1 Светодиодная индикация

Устройства индикации имеют большое разнообразие и различную сложность. Во многих ситуациях можно использовать простейшие элементы, такие как фотодиоды, фотодиодные матрицы, ЖКИ, миниатюрные лампочки.

Для включения светодиодов обычно используют элементы с выходом типа «открытый коллектор». Яркость свечения светодиода зависит от величины тока, протекающего через него. Ток светодиода можно изменять от нуля до 20 мА. На светодиоде падает напряжение порядка 1В. На рис. показаны некоторые варианты включения фотодиода. Резистором R₁ можно подобрать необходимый ток светодиода. В вар. а) светодиод излучает при открытом (проводящем) состоянии выходного транзистора микросхемы. В вар. б) светодиод излучает, наоборот, при закрытом транзисторе микросхемы. Вар. в) используется, когда тока выходного каскада ИМС недостаточно для свечения фотодиода. В этом случае используется буферный транзистор с подтягивающим резистором в цепи базы. Такое включение возможно и для микросхем с обычным выходом.



Светодиодные матрицы содержат определенное количество диодов (чаще всего--семь), имеющих общий катод или общий анод. Каждый диод матрицы подключается, как одиночный диод. Включенные диоды создают визуальный символ. Например, семисегментные матрицы предназначены для индикации цифр от нуля до девяти. Подключение матрицы с общим анодом показано на рис.

Для уменьшения потребления тока используют динамическую индикацию, при которой матрицы подключаются по очереди, информация на них поступает только тогда, когда матрица должна быть включена. Такая схема позволяет уменьшить количество управляющих ключей (элементов).

Сначала открывается ключ VT1. К моменту его отпирания поступает код цифры первой матрицы (на входы всех матриц). Когда ключ открыт, светится цифра первой матрицы. Затем поступает код цифры второй матрицы и открывается ключ VT2 и т.д. Если период индикации Т и число матриц n, каждая из них светится в течение времени, немного меньшем, чем . Благодаря инерционности человеческого зрения можно сделать частоту переключений такой, что сменяемость индикации будет незаметной. Если смена индикации происходит с частотой более 24 Гц, экран воспринимается как статический. Современные средства отображения информации работают с частотой смены информации 70…100Гц. Для увеличения яркости увеличивают токи диодов (не превышая среднего тока сверх допустимого).

2.3.2 Использование ЖКИ

Устройство ЖКИ было рассмотрено в курсе "Промышленная электроника и микроэлектроника". Стоит напомнить, что кристаллы обладают свойством изменять прозрачность под действием электрического напряжения. Жидкие кристаллы это органические вещества, которые при нормальных температурах становятся жидкими, сохраняя при этом свою кристаллическую структуру. Благодаря жидкому состоянию, есть возможность управлять микроскопическими объемами кристалла. Жидкий кристалл располагают между стеклянными пластинами, на одну их которых нанесены прозрачные металлические сегменты. Между ними и общим электродом подается напряжение, от чего кристалл, расположенный под сегментом, становится непрозрачным. Сегмент становится видимым.

На основе ЖКИ можно изготавливать не только семисегментные , но и куда более сложные структуры. Управление семисегментными элементами ЖКИ можно организовать так же, как и семисегментными светодиодными матрицами. Однако имеется существенная разница. Светодиод при подаче на него напряжения может светить как угодно долго. ЖКИ же быстро теряет состояние, установленное внешним напряжением, и по истечении небольшого времени снова становится прозрачным. Поэтому заданное состояние должно постоянно восстанавливаться. Чтобы не менялась контрастность изображения, элементы ЖКИ сначала приводят в прозрачное состояние, а затем восстанавливают предыдущее состояние индикации. Такая смена осуществляется с частотой в десятки Гц.

Возбуждение сегментов индикации осуществляется прямоугольными импульсами фазовым методом. Прямоугольные импульсы подаются на пластину с прозрачными металлическими сегментами (U_сегм) и общий электрод (U_{опорн.).} Если сегмент должен быть прозрачным, частота подается в одинаковой фазе (см. импульсы 1, 2 и от n+1). Тогда напряжение между электродами равно нулю. Для того, чтобы сегмент был виден, напряжение на информационном входе устанавливают U_инф=1. Это напряжение инвертирует напряжение импульсов U_сегм (импульсы 3, 4 и до n). Тогда напряжение между электродами равно напряжению импульса. Таким образом, если сегмент должен индицироваться некоторое время, напряжение между этим сегментом и общим электродом постоянно скачком меняется от нуля до напряжения питания.

ЖКИ практически не потребляют энергии (около 10 мкА на сегмент). Поэтому их выгодно использовать в аппаратуре с батарейным питанием.

2.4 Микросхемы

2.4.1 Логические элементы

В этом разделе показаны функции различных элементов и их обозначение. Важное замечание к обозначениям. В обозначении элемента имеется главное поле (в котором указывается функциональное назначение элемента) и одно или два дополнительных поля (для обозначения входных и выходных сигналов). Для них выполняются следующие требования.

а) Буквенные обозначения в дополнительных полях должны быть без инверсий.

б) Инверсные выходные сигналы обозначаются кружочком. Кружочек на входе означает, что активным является низкий уровень входного сигнала . В этом случае буквенное обозначение входного сигнала с внешней стороны микросхемы производится со значком инверсии (черточка над обозначением).

Микросхемы, осуществляющие различные логические функции (НЕ, И, ИЛИ, ИЛИ-НЕ, И-НЕ, И-ИЛИ-НЕ и др.), входят как в состав серий ТТЛ, так и в состав серий КМДП. В сериях ТТЛ (SN74) все элементы совместимы по входам и выходам: напряжение логического нуля U⁰ 0,4 В, напряжение логической единицы U¹ 2,4 В. В сериях КМДП эти параметры зависят от напряжения питания. В справочниках приводятся данные при напряжениях 5В, 10В, 15В. При напряжении питания 5В для большинства ИС U⁰ , а U¹ 3,6В. Поэтому элементы КМДП по выходному напряжению без ограничений могут быть источниками сигнала для элементов ТТЛ. Микросхемы ТТЛ требуют большей осторожности при применении их в качестве источника сигнала. Однако в большинстве случаев микросхемы совместимы.

Большинство элементов имеет стандартный двухтактный выход, часть микросхем имеют выход с открытым коллектором, имеются микросхемы с тремя состояниями выхода. Цоколевка микросхем указывается в справочниках. Во многих случаях цоколевка микросхем ТТЛ и КМДП, имеющих одинаковое назначение, совпадает. Однако встречаются случаи, когда микросхемы, имеющие одинаковое наименование в разных сериях, имеют разное назначение и разную цоколевку (например, 1533ЛА8-SN74ALS01 и 561 ЛА8-CD4012A). Количество элементов, помещающихся в одном корпусе, определяется количеством выводов этого корпуса. Так корпус, имеющий четырнадцать выводов содержит шесть инверторов (НЕ) или повторителей, четыре двухвходовых элемента, два четырехвходовых, один восьмивходовой. На рис. показаны микросхемы с инверсией. Схемы без инверсии имеют такую же цоколевку.

операционный усилитель схемотехника микроконтроллер

Как было показано выше, элементы с открытым коллектором имеют повышенную мощность. С их помощью можно организовать монтажное ИЛИ и монтажное И. Для этого открытые коллекторы соединяют с источником питания через общий резистор. Элементы с открытым коллектором используются для обслуживания элементов индикаторов, светодиодов (см. занятие 8). Для некоторых микросхем нагрузку можно подключать к источнику питания с большим напряжением. К общему коллектору можно подключить обмотку реле.

Некоторые элементы имеют вход стробирования Е. Стробирование предназначено для того, чтобы выходной сигнал ИМС подавался на вход последующего элемента только тогда, когда Е=1. Это качество отображается в условно-графическом обозначении (УГО) элемента. На рис. показано, что элемент ЛЕ3 выполняет функцию ИЛИ для входов х₁…х₄. Результат этой функции логически умножается на состояние входа Е. Результат логического умножения инвертируется. Эти операции можно описать выражением: = y.

Некоторые элементы имеют входы Е для установки третьего состояния, причем в одних-- такие входы имеются в каждом элементе (например, в ЛП8), а в других--один вход на все элементы микросхемы (ЛП10).

Мажоритарный элемент имеет нечетное количество входов. Выход его принимает состояние логической единицы (или нуля при наличии инверсии), когда логические единицы поданы на более половины входов (мажоритарная система голосования). Для примера показан логический элемент 533ЛП3, состояние которого можно описать выражением: y = . Для этого элемента на выходе будет состояние 0, при единицах на любых двух входах (или на всех входах).

В состав логических элементов относят и элементы «исключающее ИЛИ» (ЛП5, ЛП12) с функцией: y = a+ b.

К логическим элементам можно отнести микросхемы ТЛ1, ТЛ2, ТЛ3, представляющие собой соответственно 4И-НЕ, НЕ, 2И-НЕ с порогом Шмитта. Уровень срабатывания для их входов составляет U_ср= (1,3+0,4)В, уровень отпускания U_отп = (1,3-0,4)В. Между этими уровнями имеется гистерезис U_ср - U_отп =0,8В. Гистерезис вводится с помощью внутренней ОС для увеличения помехоустойчивости и устранения дребезга. Цоколевка этих микросхем такая же, как у подобных логических элементов.

На принципиальных схемах логические элементы изображают совмещенным (когда элементы изображают в составе одной микросхемы) или разнесенным (когда элементы изображают в тех частях схемы, где они используются) способами. Система, когда в одном корпусе располагалось несколько элементов, до определенного времени была прогрессивной вследствие миниатюризации. В настоящее время такое положение нельзя считать удовлетворительным в связи с тем, что во-первых, не все элементы одного корпуса могут использоваться; во-вторых, сильно увеличивается длина межсоединений, так как к одному корпусу могут идти линии связи из разных частей платы. Используется возможность изготовления каждого элемента в индивидуальном корпусе. Тогда элемент располагается в том месте платы, где он подключен. Однако в таком случае необходимо изменить и способ установки элемента на плате, так как выводы занимают больше места, чем сам элемент. Компромисс найден в виде СМД-элементов, с плоскими выводами, припаиваемыми к проводникам платы, что требует новой технологии сборки платы.

2.4.1.1 Примеры использования логических элементов

Простейший генератор прямоугольных импульсов. Практическое занятие №2(Л.Р.№1).

Генератор построен на двух инверторах DD1.1 и DD1.2, охваченных ПОС через конденсатор С1. Два инвертора создают сдвиг по фазе ц =360⁰, и если по размаху сигнал ОС обеспечивает реакцию элемента DD1.1, выполняются условия генерации. ЛЭ обладают очень большим коэффициентом усиления. Для первого каскада генератора предпочтителен линейный режим. Поэтому элемент DD1.1 с помощью ООС (резистор R1) выведен в линейный усилительный режим. Элемент DD1.3 используется в качестве буферного каскада, чтобы нагрузка не влияла на генератор.

Частота генератора приблизительно определяется выражением: f = . При R₁ = 220 Ом и емкости С₁ = 1800 рF частота генератора приблизительно равна 1МГц.

Мультивибратор

Мультивибратор также можно выполнить на инверторах или на логических элементах 2И-НЕ с объединенными входами. На рис. показана схема и упрощенная диаграмма работы мультивибратора. Пусть на вых1 возникла единица, которая вызывает ток по цепи С₁ R₂. В начальный момент ток максимальный, по мере заряда конденсатора ток убывает. Форма тока соответствует диаграммам в точках b и a. На резисторе R₂ напряжение соответствует току. Оно подается на вход инвертора DD1.2. Когда напряжение достигнет нулевого порога срабатывания U_пор, на выходе вых2 появится единица, которая через конденсатор С₂ будет воздействовать на вход DD1.1, и на входе вых1 появится нулевой уровень. По мере заряда конденсатора С₂ ток уменьшится до нулевого уровня срабатывания DD1.1 и на выходе вых1снова появится 1. Процесс будет повторяться.

При включении питания элементы DD1.1 и DD1.2.находятся в одинаковых условиях, На входы элементов подаются нулевые напряжения. На выходах их должны появиться единицы. В силу различных причин переключение элементов происходит с разной скоростью и очень быстро мультивибратор перейдет в режим генерации.Частота генерации зависит от RC. Изменяя RC в разных плечах по-разному, можно получить несимметричную последовательность импульсов.

Формирование импульсов по фронту и срезу длительного сигнала

Часто бывает необходимость сформировать короткие импульсы в начале и в конце выходного сигнала датчика или другого устройства. Такие импульсы можно получить, продифференцировав исходный сигнал, а затем из острых сигналов сформировать прямоугольные импульсы, как показано на рис. Можно эту задачу выполнить используя микросхему «Исключающее ИЛИ», воспользовавшись тем, что на выходе этой микросхемы сигнал равен нулю при одинаковых входных сигналах. Преобразование происходить более точно, длительность выходных импульсов кратно времени задержки одного элемента (в показанном примере оно равно 3t_зад ).

Из рис.видно, что формирователь импульсов выполнен на элементах одного корпуса (например, 155ЛП5). Каждый элемент создает задержку распространения t_зад. Три элемента. Установленные последовательно, создают задержку 3t_зад. В показанной схеме вторые выводы подключены к корпусу, т.е. в промежуточных элементах сигнал сравнивается с нулем. Есть возможность подключать вторые выводы к источнику питания (через резистор). Тогда возможности комбинировать длительность выходных импульсов возрастают.

2.4.2 Триггеры

Триггер это простейший цифровой автомат, способный хранить один бит информации. Триггеры делятся на асинхронные (в которых запись информации происходит под действием информационных сигналов) и синхронные (запись информации происходит под действием специальных сигналов--сигналов синхронизации).

На информационные входы триггера поступают потенциальные (статические) сигналы; входы синхронизации могут быть как статическими, так и динамическими. Сигнал называется статическим, если промежуток времени t между двумя его изменениями значительно больше времени ф реакции схемы, в которой они используются: t ф.

Вход называется динамическим, если длительность сигнала, воздействующего на него, имеет тот же порядок, что и время реакции схемы, возникшей под действием этого сигнала (динамический сигнал должен заканчиваться раньше или сразу же после окончания переходного процесса) . Обычно в качестве динамических сигналов используются фронты и срезы импульсов.

Синхронные триггеры имеют много разновидностей:

со статическим управлением (за время действия импульса синхронизации состояния информационных входов может меняться и переключение триггера может быть многократным, вход синхронизации С статический);

с динамическим управлением (вход синхронизации С динамический, запись информации осуществляется по динамическому входу--однократно, записываются те сигналы, которые были на информационных входах к моменту появления динамического сигнала).

Синхронные триггеры могут быть двухступенчатыми. В них запись в первую ступень осуществляется по синхронизирующему сигналу, а во вторую--после окончания синхронизирующего сигнала. Такие триггеры называют триггерами с внутренней задержкой. Чтобы подчеркнуть, что триггер двухступенчатый, на основном поле условно-графического обозначения триггера пишут ТТ. Двухступенчатые триггеры часто называют триггерами типа MS (Master-Slave--хозяин-раб), что отражает специфику работы триггера: первая ступень вырабатывает новое значение выходной величины, а вторая ее копирует.

Для описания триггеров используются таблицы истинности и диаграммы состояний. Важным способом описания работы триггеров являются временные диаграммы, показывающие не только логические состояния, но и поведение элементов схемы во времени.

SR-триггер лежит в основе большинства триггеров. Как известно, его можно получить из двух элементов: И-НЕ , или ИЛИ-НЕ. На рис.показан триггер, составленный из элементов 2И-НЕ, и его временная диаграмма (без учета задержек времени). Триггер является асинхронным. Переключается триггер нулевыми уровнями напряжений на входах S и R. Нулевой уровень напряжения на входе, необходимый для срабатывания, обычно изображается кружочком



Таким образом, кружочек на входе обозначает нулевой уровень сигнала для срабатывания. Кружочек на выходе означает инверсию. Примером служит обозначение ИМС 555ТР2, приведенное ниже.

В состав как ТТЛ, так и КМДП серий входят SR-триггеры, D-триггеры и JK-триггеры. На рис. для примера показаны микросхемы ТР2. В один корпус микросхемы ТР2 входит четыре SR-триггера. В микросхеме могут быть триггеры со входами S и R, могут быть с двумя входами S (S1 и S2), в которых ноль на любом из входов S устанавливает триггер в единичное состояние (см. 555ТР2). В некоторых ИМС может быть общий вход, (см. вход Е в микросхеме 561ТР2), разрешающий передачу на выход состояние каждого из четырех триггеров, размещенных в корпусе.

Длительность импульсов S и R, поступающих на входы триггера должна быть не меньше, чем время, за которое на второй вход элемента поступит поддерживающий сигнал, т.е. длительность этих импульсов должна быть не меньше двух задержек элементов, на которых построена схема.

Состояние S=R=0 является запрещенным для триггеров, построенных на логических элементах 2И-НЕ. Для триггеров, построенных на элементах 2ИЛИ-НЕ. запрещенным является состояние S=R=1.Это объясняется тем, что, во-первых, при таких входах оба выхода Q= =1, а во-вторых, при наступлении режима хранения наступит непредсказуемая ситуация: неизвестно, какое плечо установится в состояние 1.

Т-триггер имеет один управляющий вход и служит для деления частоты входных импульсов на два. Так как такой триггер используют для создания счетчиков, его называют счетным триггером. Счетный триггер можно создать на основе различных триггеров, в том числе и на основе синхронного SR-триггера.

D-триггер имеет информационный вход и вход синхронизации. Вход синхронизации может быть динамическим (ТМ2, ТМ8, ТМ9) и статическим (ТМ3, ТМ5, ТМ7). В случае статического входа синхронизации его часто обозначают и буквой L (Load--загрузка), а триггер называют D-L- триггером. D-L- триггеры в литературе иногда называют защелками, так как при переходе сигнала L c единицы на ноль, в нем фиксируется (защелкивается) состояние входа D. В одном корпусе может размещаться разное количество D- триггеров (от двух до шести). При большом количестве триггеров на выход выдаются лишь их прямые выходы. Кроме того синхроимпульс может быть общим для всех (или части) триггеров. На рис. показаны примеры D-триггеров. В состав микросхемы 155ТМ5 входит четыре триггера со статической загрузкой. Два из них имеет один вход (3) синхронизации, два других -второй (12). Статический вход синхронизации имеет особенность, заключающуюся в том, что если импульс синхронизации имеет длительность, большую длительности информационного импульса (или действует постоянно), триггер становится «прозрачным», т.е. на его выходе всегда входная информация. Каждый триггер микросхемы ТМ5 имеет только прямые выходы, в микросхеме ТМ7--прямые и инверсные. Это обусловлено тем, что ТМ7 выпускается в 16-выводном корпусе. На микросхемы питании подается нестандартно. Например, в микросхеме 155ТМ5 корпус подается на 11 вывод, +5В--на 4 вывод.

Так как в одном корпусе содержится много триггеров, для упрощения изображения принято в левом дополнительном поле обозначать номер триггера под символом D (см. 561 ТМ3), а в правом -под символом Q. Например, в 561ТМ3 содержится четыре триггера с прямыми и инверсными выводами. Эта микросхема обладает особенностью, заключающейся в том. что она имеет два вывода загрузки L1 и L2, включенные по схеме «исключающее ИЛИ». Так как исключающее ИЛИ сравнивает два входа, можно задать полярность синхроимпульса: если на один из входов подать 1, то активным уровнем второго входа должен быть единичный уровень, если подать 0, --нулевой.

На рис. изображен триггер с динамическим входом (ТМ2). Динамический вход имеет специальное обозначение, объяснение которого показано справа. Каждый импульс имеет фронт и срез (спад). Поэтому если занесение производится по фронту, на выводе микросхемы изображается фронт, по срезу--срез. Там же показаны устаревшие обозначения динамических входов.

Многие ИМС D--триггеров обладают одним (R--сброс) или двумя (S и R) асинхронными установочными входами, активный уровень которых указывается по обычным правилам (см. на рис. ТМ2). Если на входе S или R установлен активный уровень, независимо от состояния других входов триггер устанавливается в то состояние, которое определяется установочным входом. Это состояние сохраняется до тех пор, пока на установочном входе сохраняется активный уровень. В некоторых микросхемах входы S и R воздействуют только на один триггер (см. рис., на котором показан только один из двух триггеров, имеющихся в корпусе), или на все триггеры микросхемы. Подача активных уровней на оба входа S и R одновременно запрещена. Триггер, показанный на рис., устанавливается нулевыми уровнями. После установки триггера в заданное состояние, на установочных входах должны быть единицы.

JK-триггеры отличаются от SR-триггеров прежде всего тем, что в них отсутствует неопределенность, присущая SR-триггерам при некоторой комбинации входных сигналов (запрещенные входные сигналы). Простейший JK-триггер можно получить из SR- триггера, введя на вход дополнительные логические элементы с обратными связями с выходов триггера. Таблица состояний показана ниже.

Таблица 1

С	J	K	Qn+1	n+1
1	0	0	Qn	n
1	1	0	1	0
1	0	1	0	1
1	1	1	n	Qn
0	Предыдущее состояние (хранение)

Из таблицы истинности следует, что при J=K=C=1 происходит постоянная переустановка триггера в состояние, противоположное предыдущему. Для избежания этого необходимо, чтобы вход С был динамическим, т.е. имел длительность, равную времени переключения триггера из одного состояния в другое. На практике, сохраняя динамический вход С, JK-триггеры выполняют двухступенчатыми.

В корпусе микросхемы может размещаться один JK-триггер (155ТВ1) или два ( ТВ6, ТВ9, ТВ10 и др.). JK-триггеры могут быть универсальными, т.е. иметь входы установки S и сброса R (в некоторых триггерах только один--S или R) , которые в разных триггерах могут иметь единичные или нулевые активные уровни.

Для примера приведена схема 155ТВ1. Из схемы видно, что триггер имеет по три входа J и K, которые можно включать в функции И. В некоторых триггерах имеются инверсные входы J и K. Такие возможности позволяют упрощать схемы управления триггером.

В заключение показана таблица характеристик некоторых J K-триггеров.

Таблица 2

Тип ИС	Технология	Число триггеров	Средняя задержка (нс)	Макс. частота (МГц)	Потребляемая мощность(мВт)
555ТВ9	ТТЛ	2	15	30	40
К531ТВ9	ТТЛ	2	6,2	80	250
1533ТВ15	ТТЛ	2	12	40	24
561ТВ1	КМОП	2	170	3	0,02
1554ТВ9	КМОП	2	10	140	0,035

При действии импульса синхронизации в синхронных триггерах состояние информационных входов должно быть неизменным, что не всегда возможно. Состояния, которые возникают при одновременном переключении сигнала на информационных и синхронизирующих входах, называются аномальными. Устранить аномальные ситуации невозможно, но можно и необходимо принимать меры для сокращения частоты их возникновения.

Примеры использования триггеров.

1) Создание счетного триггера на основе D-триггера



Т- триггер устанавливается в состояние 1 по каждому второму импульсу, поступающему на его вход. Он является делителем количества импульсов на 2. Подключив выход триггера к входу D, получают Т-триггер. Внизу показана диаграмма импульсов полученного Т-триггера. На вход поступает последовательность импульсов Т. По фронту каждого импульса на выходе Q устанавливается 1, а на выходе - 0, который подается на вход D. По фронту следующего импульса на выходе Q устанавливается 0 и т.д. Если триггер переключается по срезу синхроимпульса, выходной сигнал тоже будет устанавливаться по срезу.

2) Создание счетного триггера на основе JK-триггера

В разделе 4.2.4 было показано, что при C=K=J=1 в JK-триггере происходит переброс состояний выхода Q в и наоборот,-- как раз то, что должен осуществлять Т-триггер. В двухступенчатых триггерах такой переброс будет осуществляться по фронту (срезу) входного импульса. Следовательно, Т-триггер создается из JK-триггера соединением K=J=1. На входы K и J подается напряжение питания через защитное сопротивление порядка 1кОм.

3) Создание D-триггера на основе JK-триггера



JK-триггер устанавливается в состояние , определяемое двумя входами J = . D-триггер устанавливается по одному входу D. Для того, чтобы JK-триггер управлялся, как D-триггер, сигнал D подают на один из входов JK-триггера через инвертор.

В триггере могут быть незадействованные входы, например, S и R. Если они остаются неподключенными, под воздействием внутренних связей на них могут создаваться положительнее напряжения. Однако для уверенной работы на эти входы следует подать необходимые потенциалы. Например, в показанной схеме установка триггера осуществляется подачей на вход S или R нулевого уровня. В остальное время на этих входах должна быть уверенная единица, что осуществляется подключением их к источнику питания через большие сопротивления (для ТТЛ--порядка 1кОм, для МОП--10 и более кОм).

4) Борьба с «дребезгом контактов»

В механических контактах при их переключении возникает явление, называемое дребезгом. Объясняется оно следующими причинами. Во-первых, когда контакт замыкается, происходит удар подвижного контакта о неподвижный, подвижный отскакивает и происходит разрыв электрической цепи. Так продолжается до уверенного смыкания контактов. Во-вторых, контакты имеют шероховатую поверхность и при их смыкании (размыкании) контактное сопротивление меняется за счет изменения контактирующей поверхности. В-третьих, при малых расстояниях между контактами даже при небольших напряжениях происходит электрический пробой воздушного промежутка между ними. Дребезг воспринимается микросхемой как многократное воздействие и может привести к многократным срабатываниям. С дребезгом можно бороться, создав такую паузу между срабатыванием ключа и воздействием его на схему, которой достаточно, чтобы дребезг завершился. Однако проще для этого использовать свойства триггера.

На рис. изображена схема управления устройством с помощью кнопок Пуск и Стоп. В начале и в конце нажатия на кнопку создается дребезг. При первом же колебании, достигшем уровня срабатывания, SR-триггер устанавливается в состояние 1. Дальнейший дребезг на триггер не воздействует, так как триггер переключается только по нулевому уровню. Но триггер уже установлен в состояние 1. По той же причине триггер не реагирует на дребезг при отпускании кнопки. Таким образом, при нажатии кнопки Пуск на все элементы, которые должны получить эту команду, подается постоянное напряжение с отсутствием дребезга. Точно так же работает кнопка Стоп.

Дребезг возникает не только от механических причин. Многие устройства даже при бесконтактных переключениях склонны к автоколебаниям, которые также называются дребезгом, с которым приходится подобным образом бороться.

Показанный способ борьбы с дребезгом с помощью SR-триггера не единственный. Можно использовать D и JK-триггеры в зависимости от обстоятельств. Более того, таким путем можно синхронизировать асинхронные внешние команды.

2.4.3 Регистры

Регистры это устройства, предназначенные для кратковременного хранения информации. В качестве элементов памяти в регистрах используются триггеры. Деление микросхем, содержащих несколько триггеров, на триггеры и регистры достаточно условно (например, 555ТМ9--содержит 6 триггеров, 555ИР23--содержит 8 триггеров. Обе 4.3 микросхемы имеют похожие структуры, но разное обозначение).

Как правило, микросхемы-регистры обладают дополнительными функциями: сдвига информации вправо (влево), или в обе стороны; преобразование параллельного кода в последовательный и (или) наоборот--последовательного в параллельный и др.По способу ввода и вывода информации регистры подразделяются на параллельные, последовательные, параллельно-последовательные. Для операции сдвига в регистрах обычно используются динамические двухтактные триггеры (SR, D, JK). На рис. показана структура и диаграмма работы сдвигового регистра, построенного на D-триггере с динамическим вводом, параллельным и последовательным выводом информации. Сдвиг осуществляется по фронту тактового импульса С. По каждому фронту импульса С содержимое предыдущего триггера переносится в последующий. Важно, чтобы на входе последующего триггера информация появлялась через время ф смены информации во входных элементах предыдущего триггера. Это осуществляется задержкой передачи информации от входа триггера к его выходу или двухтактной схемой.

Существуют регистры, у которых выходные и входные линии объединены и образуют порт данных. Они имеют специальный вход, с помощью которого производится запись информации в регистр или чтение ее. Многие регистры имеют выход с тремя состояниями.

Регистры обозначаются символом RG на основном поле микросхемы, и стрелкой, показывающей направление сдвига, если он есть. Обозначение микросхем ТТЛ и КМДП могут не совпадать. Например,155ИР1 -четырехразрядный сдвиговый регистр, 564ИР1--два четырехразрядных и два пятиразрядных сдвиговых регистра. Для примера на рис. показаны эти регистры. Различия определить по УГО достаточно сложно. Поэтому следует пользоваться справочниками.

155ИР1--четырехразрядный универсальный сдвиговый регистр. Разряды регистра образованы четырьмя триггерами, на входы которых подается информация D0…D3 с входов микросхемы. Загрузка регистра по параллельным входам D0…D3 осуществляется по срезу импульса на динамическом входе С2. Разрешение на параллельную загрузку данных осуществляется полярностью напряжения на входе L (Load-загрузка). Загрузка осуществляется при L=1. Состояниe триггеров Q0…Q3 передается на выход.

При L=0 регистр работает как сдвиговый. По каждому срезу тактовых импульсов на входе С1 информация переносится на один разряд вправо: Q2> Q3, Q1>Q2, Q0 > Q1.В Q0 информация заносится со входа данных DS.

Регистр можно использовать как элемент буферной памяти, элемент задержки, преобразователь последовательного кода в параллельный и наоборот, делитель частоты и т.д.

Микросхема 564ИР1 содержит два четырехразрядных сдвиговых регистра (D1…D4 и D10…D13) и два пятиразрядных сдвиговых регистра (D5…D9 и D14…D18), имеющих общий вход синхронизации (тактирования). Сдвиг происходит по срезу импульса на входе С. Если соединить выход одного регистра с входом другого, можно получить суммарный сдвиг. Максимальный сдвиг получится равным восемнадцати разрядам. Пятиразрядные сдвиговые регистры микросхемы имеют по дополнительному выходу (Q17, Q8) с предпоследнего разряда.

Пример многофункционального регистра К561ИР6 (564 ИР6 и др.) показан на рис. Микросхема содержит 8-разрядный регистр сдвига с параллельным и последовательным и вводом информации. По восьмиразрядным входам DA и DB производится параллельная передача информации. Последовательная передача и сдвиг осуществляется с входа DS. Параллельная передача осуществляется при переключателе P/S=1, последовательная при P/S=0 (P/S--параллельно/последовательно) . Направление передачи управляется переключателем А/В: при А/В=1 шины DA подключаются к входам триггеров, а шины DB подключены к выходам триггеров. Информация передается от А к В. При А/В=0 передача происходит от В к А.

Запись информации в триггеры может осуществляться синхронно по фронту импульса С. Управляет этим процессом переключатель A/S (асинхронно--синхронно). При A/S=0 происходит синхронная запись, при A/S=1 происходит асинхронная запись (независимо от импульсов на входе С).

В микросхеме имеется вход АЕ, управляющий выходными шинами. При АЕ = 0 шина DA отключена, на выходе третье состояние. При АЕ=1 разрешено прохождение информации. Детальное описание работы ИР6 приведена в справочниках.

2.4.4 Счетчики

2.4.4.1 Асинхронные счетчики

Основное функциональное назначение счетчиков - счет импульсов и деление частот. По способу кодирования внутреннего состояния счетчики бывают двоичными, двоично-десятичными и другими. Могут быть суммирующие, вычитающие счетчики или счетчики, меняющие направление счета - реверсивные. Счетчики всегда представляют собой делители частоты. Последовательное соединение n триггеров Т-типа создает на выходе деление входной частоты в 2ⁿ раз. Между триггерами могут быть введены ОС, позволяющие получить любой коэффициент деления (не только 2ⁿ). Счетчик, считающий до 7 (n=3), имеет коэффициент деления 8, счетчик, считающий до 15 (n = 4), имеет коэффициент деления 16. Иначе: если счетчик считает до числа m, на выход выдается каждый m+1 импульс. С точки зрения внутреннего построения счетчика они могут быть асинхронными и синхронными.

В асинхронных счетчиках каждый последующий триггер получает тактовый импульс от предыдущего триггера. В синхронных счетчиках все триггеры тактируются одновременно специальными тактовыми импульсами.

Счетчик характеризуется модулем счета М. М определяет число возможных состояний счетчика. После поступления на вход счетчика числа импульсов М, счет начинается сначала. Двоичные счетчики имеют модуль М=2ⁿ, где n -число разрядов счетчика. Счетчик может содержать максимальное число, равное М-1=2ⁿ-1.

В позиционной системе счисления числа изображаются старшими разрядами слева, младшими--справа. По УГО входы элементов изображаются слева, выходы справа. Так как суммирование начинается с младших разрядов, то приходится изображать младшие разряды слева. Такое противоречие устраняется тем, что числа в счетчиках читаются справа -налево.

Если изобразить в двоичном коде числа, возрастающие на 1, легко заметить, что каждый последующий разряд меняет свое состояние на противоположное при смене состояния предыдущего разряда из единицы в ноль и не меняет-- при переходе из нуля в единицу. Счетный триггер, обладает подобным качеством по отношению к входному импульсу. Поэтому двоичный счетчик может быть построен из последовательно соединенных счетных триггеров.

На рис. показана структура и диаграмма работы асинхронного двоичного счетчика на Т-триггерах, построенных с помощью D - триггеров с динамическими входами.



После сброса все триггеры установлены в состояние 0 (Q=0, =1). По фронту первого импульса первый триггер устанавливается в состояние Q=1. На второй триггер изменение состояния первого триггера не действует, так как он изменяет свое состояние при переходе напряжения на входе С из нуля в единицу. Состояние счетчика 001=1₁₀.

Второй импульс своим фронтом переключает первый триггер в состояние Q₁= 0, переключается из нуля в единицу. В результате второй триггер переключается в состояние Q₂=1. Состояние счетчика 010=2₁₀ .

Третий импульс своим фронтом переключает первый триггер в состояние Q₁= 1, переключается из единицы в ноль. Второй триггер остается в состоянии Q₂=1. Состояние счетчика 011=3₁₀.

Четвертый импульс вызывает состояние : Q₁= 0, Q₂=0, Q₃=1. Состояние счетчика 100=4₁₀ . Так счет продолжается до семи (111₂). Восьмой импульс устанавливает все триггеры в состояние ноль (модуль счета 8). Легко заметить, что каждый разряд переключается с частотой в два раза меньшей, чем частота предыдущего разряда.

Выпускается большое количество асинхронных счетчиков (155ИЕ1, 155ИЕ5, 555ИЕ19, 531ИЕ14, 531ИЕ15 и др.). Для примера показан счетчик 531ИЕ15. В центральном поле показывается тип микросхемы СТ--счетчик (Counter), если нужно, модуль счета. В данном случае показано два модуля--2 и 8. Это значит, что в микросхеме имеется один триггер (модуль 2) и еще три триггера (модуль8). У первого триггера вход D0, а выход Q0; у остальных входы D1…D3, а выходы Q1… Q3. Понятно, что в счетчик по входам D0… D3 можно предварительно записать некоторое число. Для этого на вход L должен быть кратковременно подан ноль. Чтобы организовать счет до 15 (модуль 16), нужно внешним соединением соединить выход Q0 (вывод 5) с входом С2 (вывод 6), как показано пунктиром, а импульсы счета подавать на вход С1.