Thiết bị kỹ thuật số: flip-flop, bộ so sánh và thanh ghi

Các thiết bị kỹ thuật số được xây dựng trên các phần tử logic, do đó chúng tuân theo các định luật của đại số logic. Các thiết bị cơ bản của công nghệ kỹ thuật số, cùng với các thiết bị logic, là các flip-flop.

Bộ kích hoạt (bộ kích hoạt tiếng Anh - trigger) - một thiết bị điện tử có hai trạng thái ổn định và có thể nhảy từ trạng thái này sang trạng thái khác dưới tác động của xung lực bên ngoài.

Bộ kích hoạt hay chính xác hơn là hệ thống kích hoạt được gọi là một loại thiết bị điện tử lớn có khả năng duy trì một trong hai trạng thái ổn định trong một thời gian dài và luân phiên chúng dưới tác động của các tín hiệu bên ngoài. Mỗi điều kiện kích hoạt được dễ dàng nhận ra bởi giá trị điện áp đầu ra.

Mỗi trạng thái kích hoạt tương ứng với một mức điện áp đầu ra (cao hoặc thấp) nhất định:

1) trình kích hoạt được đặt ở một trạng thái — cấp «1».

2) flip-flop được đặt lại - mức «0» ở đầu ra.

Trạng thái ổn định duy trì miễn là mong muốn và có thể được thay đổi bằng một xung bên ngoài hoặc bằng cách tắt điện áp cung cấp. Chế.flip-flop là một phần tử bộ nhớ cơ bản có khả năng lưu trữ đơn vị thông tin nhỏ nhất (một bit) «0» hoặc «1».

Flip-flop có thể được xây dựng trên các phần tử rời rạc, phần tử logic, trên mạch tích hợp hoặc là một phần của mạch tích hợp.

Các loại dép xỏ ngón chính bao gồm: RS-, D-, T- và JK-chân chèo... Ngoài ra, dép xỏ ngón còn được chia thành không đồng bộ và đồng bộ. Trong hoạt động không đồng bộ, việc chuyển đổi từ trạng thái này sang trạng thái khác được thực hiện trực tiếp với sự xuất hiện của tín hiệu đến đầu vào thông tin. Ngoài đầu vào dữ liệu, flip-flop được đồng bộ hóa có đầu vào đồng hồ. Việc chuyển đổi của chúng chỉ diễn ra khi có xung đồng hồ cho phép.

Bộ kích hoạt RS có ít nhất hai đầu vào: S (đặt — đặt) — bộ kích hoạt được đặt ở trạng thái cấp «1» và R (đặt lại) — bộ kích hoạt được đặt lại ở trạng thái cấp «0». (Hình 1).

Với sự hiện diện của đầu vào C, flip-flop là đồng bộ — việc chuyển đổi flip-flop (thay đổi trạng thái của đầu ra) chỉ có thể xảy ra tại thời điểm xuất hiện xung đồng bộ hóa (đồng bộ hóa) ở đầu vào C.

Hình 1 - Biểu diễn đồ họa thông thường của flip-flop RS và mục đích của kết luận a) không đồng bộ, b) đồng bộ

Ngoài đầu ra trực tiếp, flip-flop cũng có thể có đầu ra nghịch đảo, tín hiệu của nó sẽ ngược lại.

Bảng 1 cho thấy các trạng thái mà flip-flop có thể đảm nhận trong quá trình hoạt động. Bảng hiển thị các giá trị của tín hiệu đầu vào S và R tại một thời điểm nhất định của thời gian tn và trạng thái của flip-flop (của đầu ra trực tiếp) tại thời điểm tiếp theo của thời gian tn + 1 sau khi đến lần tiếp theo xung. Trạng thái kích hoạt mới cũng bị ảnh hưởng bởi trạng thái Q n trước đó.

Chế.nếu cần ghi vào bộ kích hoạt «1» — chúng tôi cấp xung cho đầu vào S, nếu «0» — chúng tôi gửi xung đến đầu vào R.

Tổ hợp S = 1, R = 1 là tổ hợp bị cấm vì không thể dự đoán trạng thái nào sẽ được thiết lập ở đầu ra.

Bảng 1 - Bảng trạng thái flip-flop RS đồng bộ

Hoạt động của flip-flop cũng có thể được nhìn thấy bằng sơ đồ thời gian (Hình 2).

Hình 2 - Biểu đồ thời gian của flip-flop RS không đồng bộ

D-trigger (từ tiếng Anh delay — delay) có một đầu vào thông tin và một đầu vào đồng hồ (đồng bộ hóa) (Hình 3).

D-flip-flop lưu trữ và lưu trữ ở đầu ra Q tín hiệu ở đầu vào dữ liệu D tại thời điểm xuất hiện xung đồng hồ C. flip-flop lưu trữ thông tin được ghi khi C = 1.

Bảng 2-Bảng trạng thái của D-flip-flop

Hình 3 — D -trigger: a) biểu diễn đồ họa thông thường, b) sơ đồ thời gian hoạt động

Bộ kích hoạt T (từ tiếng Anh tumble - lật ngược, lộn nhào), còn được gọi là flip-flop đếm, có một đầu vào thông tin T. Mỗi xung (phân rã xung) của đầu vào T (đầu vào đếm) chuyển bộ kích hoạt sang trạng thái ngược lại.

Hình 4 cho thấy ký hiệu T-trigger (a) và sơ đồ thời gian hoạt động (b).

Hình 4-T-flip-flop a) ký hiệu đồ họa thông thường, b) sơ đồ thời gian hoạt động c) bảng trạng thái

Bộ kích hoạt JK (từ tiếng Anh jump — jump, keer — hold) có hai đầu vào dữ liệu J và K và một đầu vào đồng hồ C. Việc gán các chân J và K tương tự như việc gán các chân R và S, nhưng bộ kích hoạt có không có sự kết hợp bị cấm. Nếu J = K = 1, nó sẽ thay đổi trạng thái ngược lại (Hình 5).

Với kết nối thích hợp của các đầu vào, bộ kích hoạt có thể thực hiện các chức năng của bộ kích hoạt RS-, D-, T, tức là. là một kích hoạt phổ quát.

Hình 5 -JK -flip-flop a) ký hiệu -graphic thông thường, b) bảng trạng thái viết tắt

Bộ so sánh (so sánh — so sánh) — một thiết bị so sánh hai điện áp — đầu vào Uin với Uref tham chiếu. Điện áp tham chiếu là điện áp không đổi có cực âm hoặc dương, điện áp đầu vào thay đổi theo thời gian. Mạch so sánh đơn giản nhất dựa trên bộ khuếch đại hoạt động được thể hiện trong Hình 6, a. Nếu Uin Uop ở đầu ra U—us (Hình 6, b).

Hình 6 - Bộ so sánh op-amp: a) sơ đồ đơn giản nhất b) đặc tính hiệu suất

Bộ so sánh phản hồi tích cực được gọi là bộ kích hoạt Schmitt. Nếu bộ so sánh chuyển từ «1» sang «0» và ngược lại ở cùng một điện áp, thì bộ kích hoạt Schmitt - ở các điện áp khác nhau. Điện áp tham chiếu tạo ra mạch PIC R1R2, tín hiệu đầu vào được đưa đến đầu vào đảo ngược của op-amp. Hình 7, b, cho thấy đặc tính truyền của bộ kích hoạt Schmitt.

Ở điện áp âm tại đầu vào kho của OS Uout = U + sat. Điều này có nghĩa là một điện áp dương tác động lên đầu vào không đảo. Khi điện áp đầu vào tăng, dòng điện Uin > Uneinv. (Uav — trigger) bộ so sánh chuyển sang trạng thái Uout = U -sat. Một điện áp âm được áp dụng cho đầu vào không đảo ngược. Theo đó, với sự giảm điện áp đầu vào tại thời điểm Uin < Uneinv. (Uav — trigger) bộ so sánh chuyển sang trạng thái Uout = U + sat.

Hình 7 - Hoạt động Schmitt của op-amp: a) sơ đồ đơn giản nhất b) các đặc tính hiệu suất

Một ví dụ. Hình 8 cho thấy sơ đồ của một công tắc tơ rơle để điều khiển động cơ điện, cho phép nó khởi động, dừng và đảo chiều.

Hình 8 - Sơ đồ điều khiển động cơ rơle-công tắc tơ

Việc chuyển mạch của động cơ điện được thực hiện nhờ khởi động từ KM1, KM2. Các tiếp điểm đóng tự do KM1, KM2 ngăn chặn hoạt động đồng thời của bộ khởi động từ. Các tiếp điểm mở tự do KM1, KM2 cung cấp khả năng tự khóa các nút SB2 và SB3.

Để cải thiện độ tin cậy của hoạt động, cần phải thay thế các mạch điều khiển rơle-công tắc tơ và mạch nguồn bằng hệ thống không tiếp xúc sử dụng các thiết bị và thiết bị bán dẫn.

Hình 9 cho thấy một mạch điều khiển động cơ không tiếp xúc.

Các tiếp điểm nguồn của bộ khởi động từ đã được thay thế bằng opto-simistors: KM1-VS1-VS3, KM2-VS4-VS6. Việc sử dụng quang điện trở giúp cách ly mạch điều khiển dòng điện thấp khỏi mạch cung cấp mạnh.

Kích hoạt cung cấp các nút tự khóa SB2, SB3. Các phần tử logic VÀ đảm bảo kích hoạt đồng thời chỉ một trong các bộ khởi động từ.

Khi bóng bán dẫn VT1 mở, dòng điện chạy qua các đèn LED của nhóm đầu tiên của bộ mô phỏng quang VS1-VS3, do đó đảm bảo dòng điện chạy qua các cuộn dây của động cơ. Việc mở bóng bán dẫn VT2 cung cấp cho nhóm thứ hai của bộ mô phỏng quang VS4 -VS6, đảm bảo chiều quay của động cơ điện theo chiều ngược lại.

Hình 9 - Mạch điều khiển động cơ không tiếp xúc

Đăng ký - một thiết bị điện tử được thiết kế để lưu trữ ngắn hạn và chuyển đổi các số nhị phân nhiều chữ số. Thanh ghi bao gồm các flip-flop, số lượng xác định số lượng bit của số nhị phân mà thanh ghi có thể lưu trữ — kích thước của thanh ghi (Hình 10, a). Các phần tử logic có thể được sử dụng để tổ chức hoạt động của các trigger.

Hình 10 - Thanh ghi: a) biểu diễn chung, b) ký hiệu đồ họa thông thường

Theo phương pháp nhập và xuất thông tin, các thanh ghi được chia thành song song và nối tiếp.

Trong một thanh ghi tuần tự, các flip-flop được kết nối nối tiếp, nghĩa là đầu ra của flip-flop trước chuyển thông tin đến đầu vào của flip-flop tiếp theo. Đầu vào đồng hồ flip-flop C được kết nối song song. Một thanh ghi như vậy có một đầu vào dữ liệu và một đầu vào điều khiển—đầu vào đồng hồ C.

Một thanh ghi song song đồng thời ghi vào các flip-flop có bốn đầu vào dữ liệu.

Hình 10 cho thấy UGO và phân bổ chân của thanh ghi nối tiếp song song bốn bit.