Digitální zařízení: klopné obvody, komparátory a registry

Digitální zařízení jsou postavena na logických prvcích, proto se řídí zákony logické algebry. Základními zařízeními digitální techniky jsou spolu s logickými zařízeními klopné obvody.

Spouštěč (anglicky trigger - spoušť) - elektronické zařízení, které má dva stabilní stavy a může z jednoho stavu do druhého skočit vlivem vnějšího impulsu.

Spouštěče nebo přesněji spouštěcí systémy se nazývají velkou třídou elektronických zařízení, které mají schopnost setrvat v jednom ze dvou stabilních stavů po dlouhou dobu a střídat je pod vlivem vnějších signálů. Každý stav spouštění je snadno rozpoznatelný podle hodnoty výstupního napětí.

Každý stav spouštění odpovídá určité (vysoké nebo nízké) úrovni výstupního napětí:

1) spoušť je nastavena na jeden stav — úroveň «1».

2) klopný obvod je resetován — úroveň «0» na výstupu.

Ustálený stav zůstává libovolně dlouhý a lze jej změnit externím impulsem nebo vypnutím napájecího napětí. Che.klopný obvod je elementární paměťový prvek schopný uložit nejmenší jednotku informace (jeden bit) «0» nebo «1».

Klopné obvody mohou být postaveny na diskrétních prvcích, logických prvcích, na integrovaném obvodu nebo jsou součástí integrovaného obvodu.

Mezi hlavní typy klopných obvodů patří: RS-, D-, T-, a JK- klopné obvody... Kromě toho se klopné obvody dělí na asynchronní a synchronní. Při asynchronním ovládání se přepínání z jednoho stavu do druhého provádí přímo s příchodem signálu na informační vstup. Kromě datových vstupů mají synchronizované klopné obvody hodinový vstup. Jejich přepínání probíhá pouze za přítomnosti povolovacího hodinového impulsu.

RS spoušť má alespoň dva vstupy: S (set — set) — spoušť je nastavena do stavu úrovně «1» a R (reset) — spoušť je resetována do stavu úrovně «0». (Obr. 1).

V přítomnosti vstupu C je klopný obvod synchronní — sepnutí klopného obvodu (změna stavu výstupu) může nastat až v okamžiku příchodu synchronizačního (synchronizačního) impulsu na vstup C.

Obrázek 1 — Konvenční grafické znázornění klopného obvodu RS a účel závěrů a) ​​asynchronní, b) synchronní

Kromě přímého výstupu může mít klopný obvod i výstup inverzní, jehož signál bude opačný.

Tabulka 1 ukazuje stavy, které může klopný obvod během provozu nabývat. Tabulka ukazuje hodnoty vstupních signálů S a R v určitém časovém okamžiku tn a stav klopného obvodu (přímého výstupu) v následujícím časovém okamžiku tn + 1 po příchodu dalšího. luštěniny. Nový stav spouštění je také ovlivněn předchozím stavem Qn.

Che.pokud je potřeba zapsat na spoušť «1» — dáme impuls na vstup S, pokud «0» — pošleme impuls na vstup R.

Kombinace S = 1, R = 1 je zakázaná kombinace, protože nelze předvídat, jaký stav na výstupu nastane.

Tabulka 1 - Tabulka stavů synchronního RS klopného obvodu

Činnost klopného obvodu je také vidět pomocí časových diagramů (obr. 2).

Obrázek 2 – Časové diagramy asynchronního RS klopného obvodu

D-trigger (z angl. delay — delay) má jeden informační vstup a hodinový (synchronizační) vstup (obr. 3).

D-klopný obvod ukládá a ukládá na výstup Q signál, který byl na datovém vstupu D v době příchodu hodinového impulsu C. klopný obvod ukládá informace zapsané, když C = 1.

Tabulka 2-Tabulka stavů D-klopného obvodu

Obrázek 3 — D-spoušť: a) konvenční grafické znázornění, b) časové diagramy provozu

T-spouště (z anglického tumble — převrácení, kotrmelce), nazývané také počítací klopné obvody, mají jeden informační vstup T. Každý impuls (útlum pulsu) T-vstupu (počítací vstup) přepne spoušť do opačného stavu.

Obrázek 4 ukazuje symboliku T-spouště (a) a časové diagramy činnosti (b).

Obrázek 4-T-klopný obvod a) konvenční-grafický zápis, b) časové diagramy provozu c) stavová tabulka

Spoušť JK (z anglického jump — jump, keer — hold) má dva datové vstupy J a K a hodinový vstup C. Obsazení pinů J a K je podobné jako přiřazení pinů R a S, ale spoušť má žádné zakázané kombinace. Je-li J = K = 1, změní svůj stav na opačný (obr. 5).

Při vhodném zapojení vstupů může spoušť plnit funkce RS-, D-, T-spouštěčů, tzn. je univerzální spoušť.

Obrázek 5 -JK -klopný obvod a) konvenční -grafický zápis, b) zkrácená tabulka stavů

Komparátor (porovnat — porovnat) — zařízení, které porovnává dvě napětí — vstup Uin s referenční Uref. Referenční napětí je konstantní napětí s kladnou nebo zápornou polaritou, vstupní napětí se v čase mění. Nejjednodušší obvod komparátoru založený na operačním zesilovači je znázorněn na obrázku 6,a. Je-li Uin Uop na výstupu U — us (obr. 6, b).

Obrázek 6 — Komparátor operačního zesilovače: a) nejjednodušší schéma b) výkonnostní charakteristiky

Komparátor pozitivní zpětné vazby se nazývá Schmittův spouštěč. Pokud se komparátor přepne z «1» na «0» a naopak při stejném napětí, pak Schmittova spoušť - při různých napětích. Referenční napětí vytváří obvod PIC R1R2, vstupní signál je přiváděn na invertující vstup operačního zesilovače. Obrázek 7, b, ukazuje přenosovou charakteristiku Schmittovy spouště.

Při záporném napětí na inventárním vstupu OS Uout = U + sat. To znamená, že na neinvertující vstup působí kladné napětí. Jak se vstupní napětí zvyšuje, proud Uin > Neinv. (Uav — spoušť) přejde komparátor do stavu Uout = U -sat. Na neinvertující vstup je přivedeno záporné napětí. V souladu s tím při poklesu vstupního napětí v okamžiku Uin <Uneinv. (Uav — spoušť) komparátor přejde do stavu Uout = U + sat.

Obrázek 7 – Schmittův provoz operačního zesilovače: a) nejjednodušší schéma b) výkonnostní charakteristiky

Příklad. Obrázek 8 ukazuje schéma relé-stykače pro ovládání elektromotoru, který umožňuje jeho spuštění, zastavení a reverzaci.

Obrázek 8 – Schéma ovládání motoru relé-stykače

Komutace elektromotoru je prováděna magnetickými spouštěči KM1, KM2. Volně uzavřené kontakty KM1, KM2 zabraňují současnému chodu magnetických spouštěčů. Volně otevřené kontakty KM1, KM2 zajišťují samosvornost tlačítek SB2 a SB3.

Pro zlepšení spolehlivosti provozu je nutné nahradit relé-stykačové řídicí obvody a silové obvody bezkontaktním systémem využívajícím polovodičové prvky a zařízení.

Obrázek 9 ukazuje bezkontaktní řídicí obvod motoru.

Výkonové kontakty magnetických spouštěčů byly nahrazeny optosimistory: KM1-VS1-VS3, KM2-VS4-VS6. Použití optosimistorů umožňuje izolovat nízkoproudý řídicí obvod od výkonného napájecího obvodu.

Spouště zajišťují samosvorná tlačítka SB2, SB3. Logické prvky AND zajišťují současnou aktivaci pouze jednoho z magnetických startérů.

Když se tranzistor VT1 otevře, proud protéká LED první skupiny optosimistorů VS1-VS3, čímž je zajištěn tok proudu vinutím motoru.Otvor tranzistoru VT2 napájí druhou skupinu optosimistorů VS4 -VS6, zajišťující otáčení elektromotoru v opačném směru.

Obrázek 9 — Bezkontaktní řídicí obvod motoru

Registr - elektronické zařízení určené pro krátkodobé uchování a převod vícemístných binárních čísel. Registr se skládá z klopných obvodů, jejichž počet určuje, kolik bitů binárního čísla může registr uložit — velikost registru (obr. 10, a). Logické prvky lze použít k organizaci činnosti spouštěčů.

Obrázek 10 — Registr: a) obecné znázornění, b) konvenční grafický zápis

Podle způsobu vstupu a výstupu informace se registry dělí na paralelní a sériové.

V sekvenčním registru jsou klopné obvody zapojeny do série, to znamená, že výstupy předchozího klopného obvodu propouštějí informace na vstupy dalšího klopného obvodu. Vstupy C klopných hodin jsou zapojeny paralelně. Takový registr má jeden datový vstup a řídicí vstup – hodinový vstup C.

Paralelní registr současně zapisuje do klopných obvodů, pro které existují čtyři datové vstupy.

Obrázek 10 ukazuje UGO a alokaci pinů čtyřbitového paralelně-sériového registru.