ΑΣΚΗΣΗ 7 FLIP - FLOP

Transcript

1 ΑΣΚΗΣΗ 7 FLIP - FLOP Αντικείμενο της άσκησης: Η κατανόηση της δομής και λειτουργίας των Flip Flop. Flip - Flop Τα Flip Flop είναι δισταθή λογικά κυκλώματα με χαρακτηριστικά μνήμης και είναι τα πλέον βασικά δομικά στοιχεία των ακολουθιακών κυκλωμάτων. Αρχική αλλά και βασική μονάδα των Flip Flop είναι το μάνδαλο ή μανδαλωτής (latch). Ονομάζεται έτσι γιατί έχει τη δυνατότητα να κρατά στην έξοδό του μία λογική κατάσταση, δηλαδή να θυμάται μία λογική κατάσταση, έως να εμφανισθεί στην είσοδο ένας νέος λογικός συνδυασμός που θα οδηγήσει το μάνδαλο σε νέα απομνημόνευση. Τα βασικά κυκλώματα των απλών Flip - Flop (μάνδαλα) είναι: S R R S Οι πίνακες λειτουργίας ή χαρακτηριστικοί πίνακες των Flip - Flop είναι: NAΝD NOR S R Ν+ S R Ν+ Απροσδ. Ν Ν Απροσδ. όπου N η παρούσα κατάσταση και N+ η επόμενη. Από τους ανωτέρω πίνακες εύκολα φαίνεται ότι η δυνατότητα μνήμης μιας κατάστασης υπάρχει όταν S=R= για τα F/F με NAND πύλες και όταν S=R= για F/F με NOR πύλες. Στις περιπτώσεις αυτές η επόμενη Ν+ κατάσταση παραμένει η προηγούμενη Ν. Το χαρακτηριστικό αυτό αποτελεί το πλέον βασικό πλεονέκτημα των μάνδαλων, τα οποία αποτελούν τη βάση για τη σχεδίαση συνθέτων και περισσότερων δυνατοτήτων Flip - Flops. ΑΣΚΗΣΗ 7

2 - FLIP FLOP Το μειονέκτημα του R-S F/F να παρουσιάζει απροσδιοριστία σε κάποια περίπτωση, οδήγησε στη σχεδίαση και κατασκευή του - F/F που συμπεριφέρεται όπως το R-S F/F δίχως όμως την απροσδιοριστία. N+ N N Εξέλιξη του - F/F είναι το χρονιζόμενο (clocked) -. Είναι - F/F με μια επιπλέον είσοδο ρολογιού (clock), στην οποία δέχεται την κατάλληλη λογική κατάσταση προκειμένου να ενεργοποιηθεί το F/F. Η εξέλιξη αυτή ήρθε, για να αποκτήσουν τα F/F χρονικό προσδιορισμό στις μεταβολές των εξόδων τους. Για να είναι σαφής η χρονική στιγμή ενέργειας του ρολογιού καθιερώθηκαν τα ακμοπυροδοτούμενα F/F (edge triggered flip-flop), τα οποία ενεργούν στα μέτωπα του παλμού χρονισμού. Σχηματικά προσδιορίζονται με ένα βέλος στην είσοδο clock. Η ύπαρξη κύκλου δηλώνει ενέργεια στο κατερχόμενο μέτωπο ενώ η απουσία κύκλου, ενέργεια στο ανερχόμενο μέτωπο παλμού. Ανερχόμενο μέτωπο Κατερχόμενο μέτωπο Στο παρακάτω σχήμα φαίνονται τέσσερα - F/F με είσοδο μηδενισμού της εξόδου (ακροδέκτες clr ή reset) και είσοδο τοποθέτησης της εξόδου (ακροδέκτες set ή preset). Το πρώτο και το τρίτο F/F είναι αρνητικά ακμοπυροδοτούμενα, ενώ το δεύτερο και τέταρτο θετικά. Οι κύκλοι που υπάρχουν στα clr και set δηλώνουν ότι οι ακροδέκτες αυτοί ενεργούν (μηδενίζουν ή θέτουν την τιμή της εξόδου ) με λογική κατάσταση "". Η απουσία των κύκλων δηλώνει ότι οι ακροδέκτες αυτοί ΑΣΚΗΣΗ 7 2

3 ενεργούν (μηδενίζουν ή θέτουν την τιμή της εξόδου ) με λογική κατάσταση "". Οι ασύγχρονες αυτές είσοδοι μηδενισμού και τοποθέτησης (reset ή clear και preset ή set) ενεργούν δίχως συγχρονισμό με τον παλμό χρονισμού (clock) του F/F, δηλαδή δυναμικά και με προτεραιότητα, ανεξάρτητα από τις τιμές των άλλων εισόδων του Flip-Flop και τον παλμό χρονισμού. Ο πίνακας διέγερσης των F/F παρουσιάζει τις απαραίτητες τιμές των εισόδων για συγκεκριμένες μεταβολές των εξόδων. Για το - F/F ο πίνακας διέγερσης του είναι: N N+ Χ Χ Χ Χ όπου Χ αδιάφορη κατάσταση. Το ακόλουθο διάγραμμα χρονισμού δίνει μια εικόνα της λειτουργίας ενός αρνητικά ακμοπυροδοτούμενου - F/F. clk T F/F (Toggle Flip-Flop). Άλλη μορφή Flip-Flop είναι το T (Toggle) F/F με τον αντίστοιχο χαρακτηριστικό πίνακα: ΑΣΚΗΣΗ 7 3

4 T T N+ N N Το F/F σε αυτή τη σχηματική μορφή - σχεδίαση διεγείρεται κατά την ανερχόμενη παρυφή του παλμού clock και διαθέτει ασύγχρονο είσοδο μηδενισμού της εξόδου. Φανερό είναι ότι όταν ο ακροδέκτης Τ βρίσκεται σε λογικό, με κάθε clock παλμό η έξοδος αλλάζει κατάσταση (μεταπίπτει). Η λειτουργία αυτή ονομάζεται toggle. Πίνακας διέγερσης T F/F : N N+ T D FLIP-FLOP (Delay F/F). Το D F/F είναι αρκετά διαδεδομένος τύπος F/F. Έχει μια μόνο είσοδο δεδομένων D και μεταφέρει την κατάσταση του D στην έξοδο ύστερα από τον clock παλμό. Το σχηματικό του διάγραμμα και ο χαρακτηριστικός πίνακας του D F/F είναι τα ακόλουθα: D D N+ Στο διάγραμμα χρονισμού που ακολουθεί φαίνεται η λειτουργία του D F/F με ενέργεια του παλμού χρονισμού στο ανερχόμενο μέτωπο (θετική ακμοπυροδότηση) και αρχική κατάσταση =. Σημείωση: συνήθως τα D F/F που βρίσκουμε στα κυκλώματα, έχουν θετική ακμοπυροδότηση (όπως και τα ολοκληρωμένα που τα περιέχουν). ΑΣΚΗΣΗ 7 4

5 C L O C D Πίνακας διέγερσης D FLIP-FLOP: N N+ D Μετατροπές F-F Ενδιαφέρουσες και χρήσιμες είναι οι μετατροπές των S-R και - σε D και T F/F: D T S S R SR>>D R SR>>T D T >>D >>T Πειραματική διαδικασία: ΑΣΚΗΣΗ 7 5

6 .α) Συμπληρώστε το παρακάτω διάγραμμα λειτουργίας ενός D flip flop με ενεργοποίηση στο ανερχόμενο μέτωπο του παλμού του ρολογιού..β) Κατασκευάστε το παρακάτω κύκλωμα. Επαληθεύεται η κυματομορφή που σχεδιάσατε στο προηγούμενο βήμα; ΠΡΟΣΟΧΗ: οι ρυθμίσεις Clock του αναλυτή πρέπει να είναι ως εξής: ΑΣΚΗΣΗ 7 6

7 2.α) Συμπληρώστε το παρακάτω διάγραμμα λειτουργίας ενός flip flop με ενεργοποίηση στο κατερχόμενο μέτωπο του παλμού του ρολογιού. 2.β) Κατασκευάστε το παρακάτω κύκλωμα. Επαληθεύεται η κυματομορφή που σχεδιάσατε στο προηγούμενο βήμα; 3.α) Συμπληρώστε το παρακάτω διάγραμμα λειτουργίας ενός Τ flip flop με ενεργοποίηση στο κατερχόμενο μέτωπο του παλμού του ρολογιού και active low είσοδο CLEAR. ΑΣΚΗΣΗ 7 7

8 3.β) Κατασκευάστε το παρακάτω κύκλωμα. Επαληθεύεται η κυματομορφή που σχεδιάσατε στο προηγούμενο βήμα; 4.α)Συμπληρώστε το παρακάτω διάγραμμα λειτουργίας ενός D flip flop με ενεργοποίηση στο κατερχόμενο μέτωπο του παλμού του ρολογιού και active low είσοδο PRE. 4.β) Κατασκευάστε το παρακάτω κύκλωμα. Επαληθεύεται η κυματομορφή που σχεδιάσατε στο προηγούμενο βήμα; ΑΣΚΗΣΗ 7 8

9 Εφαρμογές των F/F: Μια αρκετά διαδεδομένη εφαρμογή των F/F σε μορφή μανδάλου είναι η συνδεσμολόγηση τους ως κυκλώματα απορρόφησης (καθαρισμού) των ταλαντώσεων σε ηλεκτρομηχανικούς διακόπτες (debounce-circuit). Το κύκλωμα αυτό προσφέρει στα ψηφιακά κυκλώματα αλλαγές καταστάσεων απαλλαγμένες από ανεπιθύμητες μικροταλαντώσεις ανάμεσα στις λογικές καταστάσεις και όταν μετακινείται ο μοχλός ενός κοινού μηχανικού διακόπτη. Ιδιαίτερα διαδεδομένη είναι η κατασκευή και χρήση του - F/F υπό την μορφή - Master-Slave (Κύριο-Εξαρτημένο). clock S 3 S 2 2 ΚΥΡΙΟ ΕΞΑΡΤΗΜ. 2 R 4 R 2 2 Κατανοήστε και αναλύστε την λειτουργία των πιο πάνω κυκλωμάτων. ΑΣΚΗΣΗ 7 9

10 ΑΣΚΗΣΗ 7

11 ΑΣΚΗΣΗ 7

12 ΑΣΚΗΣΗ 7 2