Układy sekwencyjne- symulacje układów cyfrowych z wykorzystaniem przerzutników i liczników¶

Cel ćwiczenia¶

Celem ćwiczenia jest zapoznanie z zasadami budowy oraz właściwościami podstawowych liczników i rejestrów budowanych z układów sekwencyjnych takich jak przerzutniki asynchroniczne i synchroniczne.

Wymagane wiadomości¶

Algebra Boole’a. Dwójkowy i szesnastkowy zapis liczb naturalnych. Opis zaciskowy i działanie przerzutnika asynchronicznego i synchronicznego typu RS, JK i D. Realizacja liczników i rejestrów przy pomocy tych typów przerzutników.

Zasada działania układów sekwencyjnych¶

Przerzutnik - Jest układem cyfrowym wyposażonym w pamięć. Zapamiętuje on swój stan wewnętrzny. Stan ten może być zmieniony przez odpowiednie wysterowanie wejść. Typowy przerzutnik jest układem cyfrowym posiadającym kilka wejść sterujących oraz dwa wyjścia Q i \(\sim\) Q, na których panują zawsze przeciwne stany logiczne. Dzielimy je na synchroniczne i asynchroniczne.

Wejścia asynchroniczne - zwykle małe s (ang. set) i r (ang. reset) - to takie, na których zmiana wartości informacji wywołuje bezpośrednio zmianę wartości zmiennych wyjściowych.

Rysunek 1: Opis wejść i wyjść przerzutnika

Wejścia synchroniczne - oznaczone dużymi literami - używane są do wywołania zmiany wartości zmiennych wyjściowych, ale zmiana ta następuje w takt impulsu synchronizującego, zwanego również impulsem zegarowym (ang. clock) lub taktującym. Brak impulsu taktującego oznacza, że przerzutnik nie będzie reagował na zmiany wartości zmiennych informacyjnych synchronicznych przerzutnika rys. 1. Opis przerzutnika i oznaczeń wejść.

Typy przerzutników¶

Asynchroniczny przerzutnik RS rys. 2 jest najprostszym rodzajem przerzutnika, który można zbudować z dwóch dwu wejściowych bramek NOR lub NAND. Przerzutnik powstaje dzięki sprzężeniu wrotnemu wyjść z wejściami

Rysunek 2: Symbol przerzutnika RS, tablica przejść, schemat przerzutnika zbudowany z bramek NOR

Synchroniczny Przerzutnik D rys. 3 to jeden z podstawowych rodzajów przerzutników synchronicznych, nazywany układem opóźniającym. Przerzutnik ten przepisuje stan wejścia informacyjnego D na wyjście Q.

Rysunek 3: Symbol przerzutnika D, tablica przejść, tablica wzbudzeń, siatka Karnaugh’a przerzutnika typu D.

Synchroniczny przerzutnik JK rys. 4 jest najbardziej uniwersalnym i najpowszechniej stosowanym rodzajem przerzutnika cyfrowego z uwagi na swoją uniwersalność, która pozwala na łatwe zastosowanie w różnych układach cyfrowych. Przerzutnik J-K jest rozbudowanym przerzutnikiem S-R [bit], do którego dodajemy dodatkowy człon z dwóch bramek sterujący sygnałami na wejściach S i R. Zadaniem tego członu jest uniemożliwienie wysterowania końcowego przerzutnika S-R sygnałami zabronionym

Rysunek 4: Symbol przerzutnika JK, tablica przejść, tablica wzbudzeń, siatka Karnaugh’a przerzutnika typu JK.

Przebieg ćwiczenia¶

1. Badanie właściwości przerzutnika RS

   Przebadać wpływ wejść sygnałowych R i S na stan przerzutnika, wypełniając tabelę:

   R	S	Q
   0	0
   0	1
   1	0
   1	1

2. Badanie właściwości przerzutnika JK

   1. Badanie wejść sygnałowych.

      Przebadać wpływ wejść sygnałowych J i K na stan przerzutnika, wypełniając tabelę:

   t			t+1
   J	K	Q	\(Q_{teor}\)	\(Q_{zm}\)
   0	0	0
   0	0	1
   0	1	0
   0	1	1
   1	0	0
   1	0	1
   1	1	0
   1	1	1

   2. Badanie wejść statycznych.

      Przebadać zachowanie się przerzutnika przy sterowaniu wejściami statycznymi „R” i „S”, odpowiadając na pytania:

      1. Czy reagowanie na wejścia statyczne wymaga podawania impulsu zegarowego, czy nie?
      2. Czy wejścia statyczne reagują na sygnały jedynkowe czy zegarowe?
      3. Do czego służy wejście statyczne „R”?
      4. Do czego służy wejście statyczne „S”

2. Badanie przerzutnika typu D

   Podobnie jak poprzednio badania powtórzyć dla przerzutnika D wyniki zanotować w tabeli:

   t		t+1
   D	Q	\(Q_{teor}\)	\(Q_{zm}\)
   0	0
   0	1
   1	0
   1	1

3. Zmontować licznik binarny podziału przez 5 przy użyciu przerzutników JK. Wypełnić tabelę:

   Stan	\(Q_A\)	\(Q_B\)	\(Q_C\)
   0
   1
   3
   4
   5

4. Zrealizować licznik szeregowy z przerzutników JK w kodzie 8421 oraz sporządzić dla niego tablicę zależności.

5. Z powyższego licznika zrobić licznik liczący w kodzie BCD i sporządzić tablicę zależności.

6. Zrealizować licznik równoległy w kodzie 842l, a następnie przerobić go na kod BCD i sporządzić tablice zależności dla badanych liczników.

7. Zrealizować rejestr przesuwający przy użyciu dowolnego rodzaju przerzutników oraz sporządzić tablicę jego zależności.

Opracowanie wyników¶

W sprawozdaniu:

1. Sporządzić tablice przejść dla przerzutników RS, JK i D oraz narysować ich zależności czasowe.
2. Narysować schematy logiczne badanych liczników i zamieścić ich tablice wejść i wyjść.
3. Narysować przebiegi czasowe dla badanych liczników i rejestrów.
4. Przeanalizować możliwe zastosowania i połączenia liczników i rejestrów w układach automatyki cyfrowej.

Literatura¶

Testy do rozdziału¶

Pytania kontrolne¶

1. Co to jest przerzutnik
2. Jaką funkcje pełni przerzutnik w układach logicznych
3. Jaką funkcja można opisać przerzutniki
4. Jaka jest różnica miedzy przerzutnikiem synchronicznym a asynchronicznym
5. Jaką role pełnią wejścia asynchroniczne w przerzutniku synchronicznym
6. Jakie stany logiczne są aktywne dla wejść przerzutnika
7. Jak zbudować dzielnik przez 2
8. Co oznacza licznik MODULO
9. Co to jest licznik rewersyjny
10. Co nazywamy rejestrem