ΒΑΣΙΚΑ ΑΚΟΛΟΥΘΙΑΚΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ

Transcript

1 ΒΑΣΙΚΑ ΑΚΟΛΟΥΘΙΑΚΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ FLIP-FLOP ΤΟ ΒΑΣΙΚΟ FLIP-FLOP ΧΡΟΝΙΖΟΜΕΝΑ FF ΤΥΠΟΥ FF ΤΥΠΟΥ D FLIP-FLOP Τ FLIP-FLOP ΠΥΡΟΔΟΤΗΣΗ ΤΩΝ FLIP-FLOP ΚΥΡΙΟ - ΕΞΑΡΤΗΜΕΝΟ FLIP-FLOP ΑΚΜΟΠΥΡΟΔΟΤΟΥΜΕΝΑ FLIP-FLOP ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ΑΝΙΧΝΕΥΣΗΣ ΑΚΜΩΝ ΑΣΥΓΧΡΟΝΟΙ ΕΙΣΟΔΟΙ ΤΩΝ FLIP-FLOP Στα συνδυαστικά κυκλώματα οι έξοδοι σε κάθε χρονική στιγμή εξαρτώνται αποκλειστικά και μόνο από τις εισόδους οι οποίες εφαρμόζονται την συγκεκριμένη εκείνη στιγμή. Δεν εξαρτώνται ούτε από την σειρά με την οποία αυτές οι είσοδοι εφαρμόσθηκαν, ούτε από την κατάσταση του κυκλώματος πριν αυτές εφαρμοσθούν. ΠΡΟΒΛΗΜΑ: Να σχεδιασθεί ψηφιακό σύστημα το οποίο να επιτρέπει την εκκίνηση της μηχανής του αυτοκινήτου μόνον εφόσον ο οδηγός καθίσει και δέσει την ζώνη ασφαλείας του καθίσματός του.

2 Τα κυκλώματα του παρόντος κεφαλαίου ονομάζονται ακολουθιακά (sequential). Στα ακολουθιακά κυκλώματα οι έξοδοι σεκάθεχρονικήστιγμήεξαρτώνταιόχι μόνον από τις τιμές των εισόδων τη χρονική εκείνη στιγμή, αλλά και από τις τιμές των εξόδων των στοιχείων μνήμης του κυκλώματος την προηγούμενη χρονική στιγμή. Τα ακολουθιακά κυκλώματα χωρίζονται σε δύο μεγάλες κατηγορίες, στα σύγχρονα (synchronous) και στα ασύγχρονα (asynchronous), ανάλογα με το εάν αυτά επηρεάζονται σε συγκεκριμένες χρονικές στιγμές ή όχι. Αυτό σημαίνει ότι τα σύγχρονα ακολουθιακά κυκλώματα λειτουργούν σύμφωνα με κάποιο παλμό χρονισμού (ρολόι, clock). μανταλωτής με πύλες NO (EET) (ET) ' 1 2 ' ' απροσδιόριστη FF ' μανταλωτής με πύλες NO: λογικό διάγραμμα, πίνακας αλήθειας, σύμβολο

3 Παράδειγμα: Να σχεδιαστεί η κυματομορφή της εξόδου ενός μανταλωτήμεπύλεςno t0 t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7 t8 t9 t10 Flip-flop με πύλες NAND ' ' απροσδιόριστη FF ' μανταλωτής με πύλες NAND: λογικό διάγραμμα, πίνακας αλήθειας, σύμβολο

4 ΧΡΟΝΙΖΟΜΕΝΑ FF ΤΥΠΟΥ EET ET ET ' EET ' t t απροσδιόριστη απροσδιόριστη t t απροσδιόριστη ' (δ) (ε) Παράδειγμα: Να σχεδιασθεί η κυματομορφή της εξόδου ενός χρονιζόμενου FF (μανταλωτή) για τις παρακάτω κυματομορφές εισόδου. t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7t8 t9t10

5 FF ΤΥΠΟΥ D D G ' D t D G ' FF τύπου D (μανταλωτής D): λογικό κύκλωμα, πίνακας λειτουργίας, σύμβολο Παράδειγμα: Σχεδιάστε την κυματομορφή της εξόδου για τις εισόδους D και G του Σχήματος G D t1 t2 t3 t4 t5 Η έξοδος κρατά την τιμή που είχε η είσοδος D πριν "πέσει" ο ωρολογιακός παλμός H έξοδος παρακολουθεί την είσοδο D μέχρι να "πέσει" ο ωρολογιακός παλμός, οπότε και "μανταλώνει" στην τελευταία τιμή Κατά τη διάρκεια που ο ωρολογιακός παλμός είναι στο λογικό 1, η έξοδος παρακολουθεί την είσοδο D

6 FLIP-FLOP 1 2 EET ET ' t t t ' Τ FLIP-FLOP T EET T t+1 0 t 1 t T ' ET ' Παράδειγμα: Να μετατρέψετε ένα FF σε D FF D '

7 ΠΥΡΟΔΟΤΗΣΗ ΤΩΝ FLIP-FLOP Πρόβλημα: Το FF, όπως και το Τ FF, που αναλύσαμε στην προηγούμενη ενότητα παρουσιάζει την εξής αδυναμία: Όταν =1 και ==1 (ή Τ=1), τότε αυτό αλλάζει κατάσταση. Παρατηρείστε ότι λόγω της ανατροφοδότησης που υπάρχει, αυτό θα συνεχίζει να αλλάζει καταστάσεις για όσο χρονικό διάστημα ο παλμός του ρολογιού βρίσκεται στο 1. Πόσο συχνά αλλάζει καταστάσεις; Όση είναι η καθυστέρηση διάδοσης του σήματος μέσα από το FF. Λύσεις: Το πρόβλημα αυτό μπορεί να αντιμετωπισθεί με δύο διαφορετικούς τρόπους: με FFs τύπου κύριο - εξαρτημένο (master - slave) και με FFs τα οποία ενεργοποιούνται κατά την άνοδο ή κάθοδο του παλμού του ρολογιού (ακμοπυροδοτούμενα, edge-triggered) και όχι κατά την διάρκεια του παλμού. ΚΥΡΙΟ - ΕΞΑΡΤΗΜΕΝΟ FLIP-FLOP 1 Κύριο '1 3 Εξαρτημένο '2 ' ' 2 4 Κυματομορφές της εισόδου και των εξόδων του κύριου και του εξαρτημένου FF για ==1 1 κύριο 2= εξαρτημένο

8 Πρόβλημα! Εσφαλμένη κατάσταση ΑΚΜΟΠΥΡΟΔΟΤΟΥΜΕΝΑ FLIP-FLOP ' ' (δ)

9 Λογικό κύκλωμα και συμβολισμός ενός ακμοπυροδοτούμενου FF Ανιχνευτής Ακμών EET ET ' Ανιχνευτής Ακμών ' ' ' Παράδειγμα: Σχεδιάστε την κυματομορφή της εξόδου ενός αρνητικά ακμοπυροδοτούμενου FF για τις κυματομορφές εισόδου του Σχήματος. Θεωρείστε ότι αρχικά είχαμε =0. t1 t2 t3 t4 t5 t6

10 Πίνακες λειτουργίας ή χαρακτηριστικοί πίνακες (function tables) των flip-flops flip-flop flip-flop t t απροσδιόριστη t t t D flip-flop T flip-flop D t T t+1 0 t 1 t Παράδειγμα: Σχεδιάστε την κυματομορφή εξόδου ενός αρνητικά ακμοπυροδοτούμενου D FF, όταν στις εισόδους του και D εφαρμόζονται οι κυματομορφές του Σχήματος του Παραδείγματος 3. Συγκρίνετε την κυματομορφή που σχεδιάσατε με την αντίστοιχη του μανταλωτή D (D-latch) του Παραδείγματος 3. Θεωρείστε ότι αρχικά είχαμε =0. D D flip-flop D latch

11 ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ ΑΝΙΧΝΕΥΣΗΣ ΑΚΜΩΝ Ανίχνευση ακμών μέσω ενός απλού C κυκλώματος διαφόρισης C ' Κυκλώματα ανίχνευσης των θετικών και των αρνητικών ακμών για την πυροδότηση των FFs Cp C'p Cp C'p Cp Cp C'p C'p Οι είσοδοι ενός ακμοπυροδοτούμενου FF πρέπει να είναι σταθερές για χρόνο t πριν την εφαρμογή της ενεργού ακμής, καθώς και για χρόνο t H μετά την εφαρμογή αυτής. Είσοδος t Χρόνος Προετοιμασίας (etup time) th Χρόνος Παραμονής (Hold time)

12 ΑΣΥΓΧΡΟΝΟΙ ΕΙΣΟΔΟΙ ΤΩΝ FLIP-FLOP Αρνητικά ακμοπυροδοτούμενα FF με ασύγχρονες εισόδους PEET ' CLEA PEET CLEA Λειτουργία FF 0 0 Δεν χρησιμοποιείται 0 1 =1 1 0 =0 1 1 Κανονική σύγχρονη Λειτουργία Παράδειγμα: Για ένα αρνητικά ακμοπυροδοτούμενο FF να σχεδιάσετε την κυματομορφή εξόδου, όταν στις ασύγχρονες εισόδους του εφαρμόζονται οι παλμοί του Σχήματος και οι είσοδοι, είναι μόνιμα συνδεδεμένες στην τάση τροφοδοσίας V cc. Θεωρείστε ότι αρχικά η έξοδος του FF ήταν =1. PEET CLEA t1 t2 t3 t4 t5 t6 t7

13 Η απάντηση στο πρόβλημα της ζώνης ασφαλείας: A B D CLEA ' Καταλαβαίνουμε ότι η είσοδος Α αντιστοιχεί στο γεγονός ότι "ο οδηγός είναι καθισμένος" και η είσοδος Β στο ότι "η ζώνη ασφαλείας είναι προσδεδεμένη".