Узлы цифровых устройств; триггеры, шифраторы, дешифраторы, преобразователи кодов, мультиплексоры и демультиплексоры, регистры, счетчики, запоминающие устройства.

Триггеры – устройствопоследовательного типа с положительной обратной связью и двумя устойчивыми состояниями 0 и 1. Триггеры могут иметь различные типы входов: асинхронные, тактовые или синхронизирующие и информационные. Все триггеры делятся на 4 категории:

По принципу работы триггеры разделяются на следующие типы:

· асинхронные и синхронные (RS-триггеры),

· триггеры со счётным входом (Т-триггеры),

· триггеры с входом данных (D-триггеры),

· триггеры с универсальными входами (JK- триггеры).

В цифровой технике приняты следующие обозначения входов триггеров:

Наибольшее распространение в цифровых устройствах получили RS-триггер с двумя установочными входами, тактируемый D-триггер и счетный Т-триггер. Рассмотрим функциональные возможности каждого из них.

Асинхронный RS-трнггер. В зависимости от логической структуры различают RS-триггеры с прямыми и инверсными входами. Их схемы и условные обозначения приведены на рисунке. Триггеры такого типа построены на двух логических элементах 2ИЛИ-НЕ - триггер с прямыми входами (а), 2И-НЕ - триггер с инверсными входами (б).

Рисунок 1

Выход каждого из элементов подключен к одному из выходов другого элемента. Здесь приведены таблицы истинности для каждого из этих триггеров

-Qt	Qt+1	-Qt+1		-Qt	Qt+1	-Qt+1
					*	*
	*	*
					*	*
	*	*

В таблицах Q^t и -Q^t обозначают уровни, которые были на выходах триггера до подачи на его входы так называемых активных уровней. Активным. называют логический уровень, действующий на входе логического элемента и однозначно определяющий логический уровень выходного сигнала (независима от логических уровней, действующих на остальных входах). Для элементов ИЛИ-НЕ за активный уровень принимают высокий уровень, а для элементов И-НЕ - низкий уровень. Уровни, подача которых на один из входов не приводит к изменению логического уровня на выходе элемента, называют пассивными. Уровни Q^t+1 и -Q^t+1 обозначают логические уровни на выходах Триггера после подачи информации на его входы.

Для триггера с прямыми входами Q^t+1=1 при S=1 и R=0; Q^t+1=0 при S=0 и R=1; Qt+1= Qt при S=0 и R=0. При R=S=1 состояние триггера будет неопределенным, так как во время действия информационных сигналов Логические уровни на выходах триггера одинаковы (Q^t+1=-Q^t+1=0), а после окончания их действия триггер может равновероятно принять любое из устойчивых состояний. Поэтому такая комбинация является запрещенной (и может вывести триггер из строя).

Режим S=1, R=0 называют режимом записи 1 (так как Q^t+1=1); режим S=0 и R=1 - режимом записи 0. Режим S=0, R=О называется режимом хранения информации, так как информация на выходе остается неизменной. Для триггера с инверсными входами режим записи логической 1 реализуется при -S=0, -R=1, режим записи логического 0 - при -S=1, -R=0. При -S=-R=1 обеспечивается хранение информации. Комбинация S=R=0 является запрещенной.

Тактируемый D-триггер. Он имеет информационный выход и вход синхронизации. Одна из возможных структурных схем однотактного D-триггера и его условное обозначение показаны на рисунке 2.

Рисунок 2

Если уровень сигнала на входе C= 0, состояние триггера устойчиво и не зависит от уровня сигнала на информационном входе. При этом на входы RS-триггера с инверсными входами (элементы 3 и 4) поступают пассивные уровни (-S=-R=1). При подаче на вход синхронизации уровня С=1 информация на прямом выходе будет повторять информацию, подаваемую на вход D. Таким образом, при C=0 Qt+1=Qt, C=1 Qt+1=D). Таблица истинности тактируемого D-трнггера имеет вид:

D	C	Qt+1

Здесь Qt означает логический уровень на прямом выходе до подачи импульса синхронизации, а Qt+1 - логический уровень на этом выходе после подачи импульса синхронизации.

На рисунке 3 изображены временные диаграммы тактируемого D-триггера. В таком триггере происходит задержка сигнала на выходе по отношению к сигналу, поданному на вход. на время паузы между синхросигналами. Для устойчивой работы триггера необходимо, чтобы в течение синхроимпульса информация на входе была неизменной.

Тактируемые D-триггеры могут быть с потенциальным и динамическим управлением. У первых из них информация записывается в течение времени, при котором уровень сигнала С=1. В триггерах с динамическим управлением информация записывается только в течение перепада напряжения на входе синхронизации. Динамические входы изображают на схемах треугольником. Если вершина треугольника обращена в сторону микросхемы, то триггер срабатывает по фронту входного импульса, если от нее - по срезу. Еще в схемах вы встретите / и \ обозначения первое соответственно фронт второе спад. В таком триггере информация на входе может быть задержана на один такт по отношению к входной информации.

Рисунок 3

Счетный Т-триггер рисунок 4,а. Его называют также триггером со счетным входом. Он имеет один управляющий вход Т и два выхода Q и -Q. Информация на выходе такого триггера меняет свой знак на противоположный при каждом положительном (или при каждом отрицательном) перепаде напряжения на входе. Триггер такого типа может быть создан на базе тактируемого D-триггера, если его инверсный выход соединить с информационным входом (рис 4,б). Как видно из диаграммы на Рисунке 4,в, частота сигнала на выходе Т-триггера в два раза ниже частоты сигнала на входе, поэтому такой триггер можно использовать как делитель частоты и двоичный счетчик. В сериях выпускаемых микросхем есть также универсальные JK-триггеры. При соответствующем подключении входной логики JK-триггер может выполнить функции триггера любого другого типа.

JK-триггер значительно сложнее по своей структуре, чем RS-триггер. Он относится к так называемым тактируемым триггерам, то есть он срабатывает по фронту тактового сигнала.

На базе JK-триггера возможно построить D-триггер или Т-триггер.

Рис. 4.Условное графическое обозначение JK-триггера со статическим входом С

Шифраторы.

Шифратор (кодер) — логическое устройство, выполняющее логическую функцию (операцию) — преобразование позиционного n-разрядного кода в m-разрядный двоичный, троичный или k-ичный код.

Различают приоритетные и неприоритетные шифраторы. Различие их заключается в том, что для неприоритетных шифраторах разрешается подача только 1 активного сигнала на вход. У приоритетных шифраторов разрешается одновременная подача несколько сигналов на вход. Неприоритетные шифраторы осуществляют преобразование десятичного номера активного входа в двоичный эквивалент этого номера.

Шифраторы применяются в контроллерах прерывания, а также в качестве преобразователей напряжения в код для кодирования, например, номера клавиш.

Дешифратор преобразует двоичный код на входах в активный сигнал на том выходе, номер которого равен десятичному эквиваленту двоичного кода на входах.

В полном дешифраторе количество выходов , где n – число входов. В неполном дешифраторе .

Преобразователь кодов называется цифровое устройство, осуществляющее преобразование слов входного алфавита (x1, х2,..., хn) в слова выходного алфавита (y1, y2,..., yk). Различают весовые и невесовые. Весовые п. к. преобразуют информацию из одной системы исчисления в другую. Невесовые преобразуют информацию для ее дальнейшего отображения. Преобразователь двоично-десятичного кода:

На рис. показан фрагмент подключения 1 сегмента индикатора к выходу схемы. Такой преобразователь кодов снабжен 4-мя входами, так как для кодирования десятичных цифр от 0 до 9 достаточно 4-х двоичных цифр и 7-ю выходами.

Мультиплексор - это устройство, которое осуществляет выборку одного из нескольких входов и подключает его к своему выходу, в зависимости от состояния двоичного кода. Другими словами, мультиплексор - переключатель сигналов, управляемый двоичным кодом и имеющий несколько входов и один выход. К выходу подключается тот вход, чей номер соответствует двоичному коду. Мультиплексор - это устройство, преобразующее параллельный код в последовательный.

Структуру мультиплексора можно представить следующей схемой:

Демультиплексор — схема, выполняющая функцию, обратную функции мультиплексора, т. е. это комбинационная схема, имеющая один информационный вход (х1), n информационных выходов (F1 - Fn) и k управляющих входов . Обычно, так же как и у мультиплексоров, 2k — n.

Демультиплексор реализует следующую функцию:

Демультиплексоры эффективно используются для преобразования последовательного кода в параллельный.

Регистры -последовательное или параллельное логическое устройство, используемое для хранения n-разрядных двоичных чисел и выполнения преобразований над ними.

Регистр представляет собой упорядоченную последовательность триггеров, обычно D, число которых соответствует числу разрядов в слове. С каждым регистром обычно связано комбинационное цифровое устройство, с помощью которого обеспечивается выполнение некоторых операций над словами.

Регистры с параллельной записью называются также регистрами памяти. В них могут использоваться как регистры «защелки», так и регистры с динамическим управлением.

Последовательные регистры также наз. регистрами сдвига. Выполняются на основе триггеров с синхронизированным входом.

Цифровой счетчик импульсов - это цифровой узел, который осуществляет счет поступающих на его вход импульсов. Результат счета формируется счетчиком в заданном коде и может храниться требуемое время. Счетчики строятся на триггерах, при этом количество импульсов, которое может подсчитать счетчик определяется из выражения N = 2ⁿ - 1, где n - число триггеров. Счетчики бывают суммирующие, когда счет идет на увеличение, и вычитающие - счет на уменьшение. Наиболее часто на практике применяются двоичные и десятичные счетчики и делители. Десятичные счетчики по структурной организации подразделяются на последовательные и параллель­ные. Первые, как это видно по самому названию, работают в режиме по­следовательной подачи счетных импульсов на входы разрядов, вторые — в режиме параллельной подачи. Поскольку обработка сигналов всегда требует определенного времени, то параллельные счетчики оказываются более быстродействующими, чем последовательные, и работают при более высо­кой частоте синхронизации. Счетчики и делители (по модулю n) под­разделяются на синхронные (у которых разряды деления синхронизуются поступающими извне тактовыми импульсами) и на асинхронные (у которых каждый данный разряд синхронизует следующий разряд деления).

ЗУ. В ЭВМ используется запоминание цифровой информации. На­пример, на перфолентах и перфокартах информация записывается пробиванием отверстий — перфорацией. Широко применяются уст­ройства с магнитной памятью на магнитной ленте, магнитных дис­ках и барабанах.

По времени хранения информации ЗУ делятся на постоянные (ПЗУ) и оперативные (ОЗУ). В ПЗУ ин­формация хранится длительное время и сохраняется при выключе­нии источников питания. В ОЗУ информация записывается и со­храняется лишь во время работы ЭВМ. Выключение питания раз­рушает записанную в ОЗУ информацию. ОЗУ по виду хранения информации разделяются на статические и динамические. В статическом ОЗУ в качестве элемента памяти используется триггер, в динамических - конденсатор.