Flip-Flop: D Control Systems Laboratory

Transcript

1 Flip-Flop: Control Systems Laboratory Είναι ένας τύπος συγχρονιζόμενου flip- flop, δηλαδή ενός flip- flop όπου οι έξοδοί του δεν αλλάζουν μόνο με αλλαγή των εισόδων R, S αλλά χρειάζεται ένας ωρολογιακός παλμός (clocking pulse). To flip- flop φαίνεται στο σχήμα μαζί με τον πίνακα αληθείας του. Προφανώς η πύλη ΝΟΤ χρησιμοποιήθηκε για να εξασφαλίσει ότι οι είσοδοι του RS flip- flop θα είναι πάντοτε συμπληρωματικές. T (t+) 0 0 (t) 0 (t) 0 0 clock T T '

2 Flip-Flop: JK Control Systems Laboratory Είναι ο πιο ευρέως χρησιμοποιούμενος τύπος flip- flop στα βιομηχανικά ηλεκτρονικά. Ανήκει στην κατηγορία των συγχρονιζομένων flip- flop και το βασικό χαρακτηριστικό του είναι ότι έχει ελεγχόμενη συμπεριφορά σε όλους τους συνδυασμούς των εισόδων JK. Η συμπεριφορά του είναι παρόμοια με αυτή του RS με το πρόσθετο επιθυμητό χαρακτηριστικό ότι η είσοδος J=, K= έχει σαν αποτέλεσμα απλή αντιστροφή των εξόδων. Υπάρχουν και εξελιγμένοι τύποι αυτού του flip- flop στους οποίους οι έξοδοι επηρεάζονται όχι όταν η τιμή του ρολογιού είναι, αλλά όταν έχουμε τις μεταβολές του ρολογιού: θετικά διεγειρόμενο JK flip- flop (posijve edge- triggered JK flip- flop) J clock T T J K K ' J K (t+) 0 0 (t) (t) αρνητικά διεγειρόμενο JK flip- flop (negajve edge- triggered JK flip- flop) 2 T J K

3 Control Systems Laboratory Καταχωρητές (Registers) Ο καταχωρητής είναι μία ψηφιακή διάταξη αποθήκευσης bit. Το σχήμα δείχνει ένα τυπικό καταχωρητή αποθήκευσης με (posijve edge- triggered) flip- flop, που αποθηκεύει μία 4- μπιτη λέξη. Οταν η είσοδος περιέχει μία λέξη, πχ. 0, τότε όταν το ρολόι δώσει παλμό (0 0, ) αυτή η λέξη εμφανίζεται και στις εξόδους, και παραμένει εκεί άθικτη μέχρι την επόμενη θετική διέργεση από το ρολόι. Στο καταχωρητή ολίσθησης (shi4 register) το πρότυπο των bit που είναι αποθηκευμένα ολισθαίνουν δεξιά. Χρησιμοποιείται σε μια σειρά εφαρμογών όπως αλλαγή δεδομένων από ένα format σε άλλο, έλεγχο αλληλουχίας, κυκλώματα χρονισμού κ.λ.π. Αν υποθέσουμε ότι θέλουμε να εισάγουμε σε αυτό τον καταχωρητή την λέξη 0, δηλαδή στο τέλος να έχουμε =, 2 =0, 3 =, 4 =, τότε σε κάθε αρνητική διέγερση του παλμού ρολογιού εισάγονται ένα- ένα τα bits που βρίσκονται εκείνη τη στιγμή στην είσοδο, δηλαδή εισάγουμε την σειρά,,0, και σταδιακά οι έξοδοι των flip- flop γίνονται... Η εισαγωγή των δεδομένων γίνεται σειριακά ενώ αυτές διατίθενται παράλληλα. I n p u t P a t t e r n 0 Clock 0 O u t p u t P a t t e r n J K (t+) 0 0 (t) (t) Παλµός Ρολογιού

4 Control Systems Laboratory Καταχωρητές (Registers) Μια μικρή παραλλαγή του καταχωρητή ολίσθησης είναι ο δακτυλιοειδής απαριθμητής (ring counter). Οπως φαίνεται στο σχήμα, η έξοδος του τελευταίου flip- flop συνδέεται άμεσα με το πρώτο και έτσι η λέξη των bit επανέρχεται κυκλικά, όπως φαίνεται και στον πίνακα. Παλµοί Ρολογιού

5 J K (t+) 0 0 (t) (t) Απαριθµητές (Counters) Control Systems Laboratory Παλµοί Ρολογιού 2 3 Οι απαριθμητές είναι ακολουθιακά κυκλώματα που χρησιμοποιούνται για να μετρήσουν τον αριθμό δυαδικών παλμών που εφαρμόζονται σε αυτόν. 4 Clock Pulses Χρησιμοποιούνται σε βιομηχανικές εφαρμογές καταγραφής αριθμού αντικειμένων σε μεταφορική ταινία, μέτρησης μήκους παραγομένου υλικού, μέτρησης στροφών στρεφόμενης μηχανής κλπ Οι ψηφιακοί απαριθμητές κατασκευάζονται με flip- flop (συνήθως JK), και είναι είτε σειριακοί είτε παράλληλοι. Ο απλούστερος τύπος απαριθμητή είναι ο σειριακός (series) ή ασύγχρονος (asynchronous) απαριθμητής που χρησιμοποιεί την έξοδο του ενός flip- flop σαν είσοδο ρολογιού στο επόμενο. 7 0 Διακρίνουμε τους απαριθμητές σε αυξανόμενους (up- counters) ή ελαττούμενους (down- counters). Οι πρώτοι αυξάνουν την αποθηκευμένη αριθμητική τους τιμή σε κάθε παλμό, εν αντιθέσει με τους δεύτερους. Είναι προφανές ότι για τον 4bit ασύγχρονο αυξανόμενο απαριθμητή του σχήματος αντιστοιχούν 6 καταστάσεις. 0 Δεδομένου ότι όλοι οι είσοδοι των flip- flop είναι, η έξοδός τους θα εναλλάσσεται κάθε φορά που έχουμε αρνητική μετάβαση σε ένα παλμό ρολογιού (λόγω των 3 0 αρνητικά διεγειρόμενων JK flip- flop)

6 Control Systems Laboratory Δεκαδικοί Απαριθµητές (BC Counters) Χρήσιμοι στις βιομηχανικές εφαρμογές μιας και είναι κατάλληλοι για οπτική απεικόνιση. Στο σχήμα φαίνεται ο ασύγχρονος BC απαριθμητής τύπου 842. Η διάταξη αυτή παρέχεται εμπορικά με την μορφή του IC Στο σχήμα φαίνεται ένα κύκλωμα απαρίθμησης που χρησιμοποιείται σε καταμέτρηση αντικειμένων σε μεταφορική ταινία. Ο διακόπτης LS παρέχει δρα σαν διεγέρτης σε μία σειρά τεσσάρων IC 7490 στα οποία αντιστοιχεί ένας αποκωδικοποιητής που οδηγεί ένα ψηφιοδείκτη 7 τμημάτων (SS). Προφανώς ο κύκλος μέτρησης αυτού του συστήματος είναι 0 έως Στο σχήμα φαίνεται η υλοποίηση ενός αυξανόμενου/ελαττούμενου απαριθμητή (δυνατότητα τόσο αυξήσεως όσο και ελαττώσεως ανάλογα με το σήμα διέγερσης). Οταν το σήμα ελέγχου μετρήσεως (count control) είναι τότε έχουμε αύξηση, ενώ όταν είναι 0, έχουμε ελάττωση. Οι είσοδοι JK είναι πάντοτε και γι αυτό δεν φαίνονται στο σχήμα. 6

7 Πολυδονητές Control Systems Laboratory Tα flip- flop μπορούν να οδηγηθούν σε δύο ευσταθείς καταστάσεις (- RE) και γι αυτό αποκαλούνται και δισταθείς πολυδονητές (bistable mullvibrators). Με βάση αυτή τη λογική, υπάρχουν κυκλώματα: με μία μόνο ευσταθή κατάσταση που αποκαλούνται μονοσταθείς πολυδονητές (monostable mullvibrators) που δεν έχουν ευσταθείς καταστάσεις, όπου δηλαδή ταλαντώνονται μεταξύ δύο ασταθών καταστάσεων και αποκαλούνται ασταθείς πολυδονητές (astable mullvibrators). Οι δύο τελευταίες κλάσεις κυκλωμάτων χρησιμοποιούνται σε κυκλώματα χρονισμού. Τα κυκλώματα χρονισμού έχουν όλο και μεγαλύτερη απήχηση σε βιομηχανικές εφαρμογές λόγω της μεγάλης αξιοπιστίας τους και χαμηλού κόστους των. 7

8 Χρονιστές Control Systems Laboratory Πολλά κυκλώματα χρονισμού στηρίζονται στο κλασσικό, γενικής χρήσεως και ευρέως χρησιμοποιούμενο ολοκληρωμένο κύκλωμα (IC), το 555 Η τάση τροφοδοσίας V CC = 5 Vδιαιρείται μέσω του διαιρέτη τάσης των 3 αντιστάσεων 5kΩ (στο οποίο οφείλει και το όνομά του, ) στις τάσεις αναφοράς των δύο συγκριτών, για τον και V CC 3 για τον 2. Οταν ο ακροδέκτης trigger πέσει κάτω από τότε η έξοδος του TE 2 αλλάζει κατάσταση (άνω κορεσμός) που οδηγεί την έξοδο, μέσω του flip- flop και του αναστροφέα, στην κατάσταση high. Οταν ο ακροδέκτης threshold ανέβει πάνω από 2!V CC 3 τότε η έξοδος τουte αλλάζει κατάσταση (άνω κορεσμός) που οδηγεί την έξοδο, μέσω του flip- flop και του αναστροφέα, στην κατάσταση low. 2!V CC 3 V CC 3 S R (t+) 0 0 (t)

9 Control Systems Laboratory Αυτό το φαινόµενο σε ορισµένους πολυδονητές (τύπου retriggerable) δεν συµβαίνει, δηλαδή µια διέγερση που λαµβάνει την χρονική στιγµή t i σηµαίνει ότι η έξοδος θα είναι ΟΝ µέχρι την στιγµή t i +t p ακόµα και όταν η έξοδος είναι ΟΝ την στιγµή t i. Μονοσταθείς Πολυδονητές Είναι κυκλώματα που ανταποκρίνονται σε κάποια διέγερση (trigger) εισόδου Τ, θέτοντας «άμεσα» την έξοδό τους σε κατάσταση διέγερσης (ΟΝ) επί ένα χρονικό διάστημα ενώ μετά επιστρέφουν στην ευσταθή κατάστασή τους (OFF). Σαν παράδειγμα: Τ (ms) Η έξοδος: ανταποκρίνεται επί χρόνο t p στην διέγερση που λαμβάνει χώρα τις στιγμές & 5, ενώ δεν ανταποκρίνεται στην διέγερση που λαμβάνει χώρα τη στιγμή 6 δεδομένου ότι εκείνη την στιγμή είναι ήδη σε διέγερση. Ο μονοσταθής πολυδονητής του σχήματος βασίζεται στον 555 και χρησιμοποιείται σε ηλεκτρονικές διατάξεις που απαιτούν μικρό Υπάρχουν άλλα IC πολυδονητών που χρησιμοποιούνται ανάλογα με τις απαιτήσεις μας (π.χ. το SN742) και στα οποία t p t p t p η τιμή δίδεται από συναρτήσεις τιμών εξωτερικά συνδεδεμένων αντιστάσεων και πυκνωτών. t p 9

10 Control Systems Laboratory Ασταθείς Πολυδονητές Είναι κυκλώματα που παρέχουν μια επαναλαμβανόμενη κυματομορφή του τύπου Το σχήμα δείχνει έναν 555 με δίκτυο RC που παράγει μία τέτοια κυματομορφή που έχει συχνότητα και χαρακτηριστικά f = T t = 0.693! R B!C t 2 = 0.693! ( R A + R B )!C όπου t t 2 T = t + t 2 & R A! k" ( ' R A + R B # 6.6 $" ( C! 500 pf ( pf = 0 %2 F ) )( R B >> R A t! t 2 Προφανώς αν τότε οπότε μπορεί το κύκλωμα να χρησιμοποιηθεί σαν ρολόι (clock) σε κυκλώματα που απαιτούν χρονισμό. 0

11 Control Systems Laboratory Άλλοι Τύποι Ρολογιών Οι πύλες τύπου ΝΟΤ είναι δυνατόν, όταν η διεγείρουσα είσοδός τους είναι σχετικά αργή, να παρουσιάσουν ανεπιθύμητη αστάθεια (ταλαντώσεις) στην έξοδό τους πριν την μετάβαση στην τελική τους κατάσταση πράγμα που δεν συνάδει με την αναμενόμενη ψηφιακή «συμπεριφορά» τους που τις θέλει να μεταβαίνουν σχεδόν ακαριαία και χωρίς ταλαντώσεις από την μία κατάσταση στην άλλη. Ενας αναστροφέας SchmiC- Trigger (SchmiU- Trigger Inverter) είναι ένα IC τύπου ΝΟΤ το οποίο έχει το χαρακτηριστικό ότι έχει ευσταθή απόκριση ανεξάρτητα από το πόσο αργή είναι η διεγείρουσα είσοδός του. Αυτή η ευσταθής συμπεριφορά τον κάνει κατάλληλο για χρήση σε κυκλώματα ρολογιού τύπου SchmiE- Trigger Ταλαντωτή (Schmi - Trigger Oscillator) όπως στο παρακάτω σχήμα όπου ανάλογα με το τύπο IC που χρησιμοποιούμε για τον αναστροφέα Schmi - Trigger έχουμε και τις ανάλογες συναρτήσεις που δίνουν την συχνότητα της κυματομορφής εξόδου. Σε εφαρμογές όπου απαιτείται πολύ ακριβής χρονισμός (π.χ. μυ κλπ) τα παραπάνω κυκλώματα δεν είναι δυνατόν να χρησιμοποιηθούν δεδομένων των μη ακριβώς γνωστών τιμών των στοιχείων R,C ένεκα θερμοκρασίας και γήρανσης των. Σε αυτές τις περιπτώσεις χρησιμοποιούνται ειδικά IC κρυσταλλικών ταλαντωτών (crystal oscillators) που στηρίζονται σε κρυστάλλους χαλαζία των οποίων το μέγεθος και σχήμα καθορίζει με ακρίβεια την συχνότητα ταλάντωσής τους (0 khz 80 MHz) ανεξάρτητα από θερμοκρασία και γήρανση. Τύπος IC του Συχνότητα Περιορισµοί +5 V αναστροφέα Schmitt-Trigger /RC R 500 Ω 74LS4 0.8/RC R 2 kω 74HC4.2/RC R 0 MΩ R C 00 pf V out Αναστροφέας Schmitt-Trigger 4 V 0 V