Ukady sekwencyjne

1.Wprowadzenie do projektowania układów sekwencyjnych synchronicznych

Istota działania przerzutników synchronicznych polega na tym, że zmiana stanu wewnętrznego powinna nastąpić w ściśle określonych chwilach, wyznaczonych impulsami zegarowymi c( clock). Do projektowania automatów sekwencyjnych synchronicznych używa się najczęściej przerzutników typu D, JK.

- Przerzutnik typu D

Q

Q D

CLK

Rys. 1 Symbol graficzny przerzutnika D

Przerzutnik D ma jedno wejście wpisujące D (data). Działanie przerzutnika można prześledzić z tablicy przejść (tab. 1) i funkcji wzbudzeń (tab. 2).

Tablica 1 Tablica zależności przerzutnika D (tablica przejść)

D

Q 0 1 0 0 1 1 0 1

Tablica 2 Funkcja wzbudzeń przerzutnika D

Qt− >Qt+1 D 0− >0 0− >1 1− >0 1− >1 0 1 0 1

Przerzutnik D nie zmienia swego stanu dla gdy D=0. Natomiast gdy D=1 następuje wpisywanie i przerzutnik wchodzi w stan 1.

1.2. Projektowanie układów synchronicznych

Proces projektowania automatu rozpoczyna się od analizy jego zapisu słownego. Z opisu tego wynika liczba wejść i wyjść oraz liczba stanów którymi można określić ten układ. Narzędziem pomocniczym może być graf automatu. Algorytm postępowania jest następujący: - minimalizacja liczby stanów automatu,

- zakodowanie tablicy przejść i wyjść, - wybór typu przerzutników,

- znalezienie funkcji wzbudzeń przerzutników, - znalezienie funkcji wyjść.

WE WY

Di _Qi

bramki

Rejestry

C

Regul ator logiczny

Rys. 2 Schemat układu sekwencyjnego synchronicznego

Na rys. 2 przedstawiono typową strukturę automatu sekwencyjnego synchronicznego. Podstawowe elementy układu to rejestr oraz tzw. regulator logiczny. Rejestrem jest nazywany układ logiczny służący do przechowywania i odtwarzania informacji zakodowanej w postaci dwójkowej. (Rejestrem nazywamy zespół przerzutników typu D o wspólnym wyjściu zegarowym i dostępnych z zewnątrz wszystkich wejściach D i wyjściach Q). Regulator logiczny jest układem kombinacyjnym zawierającym strukturę zależności opisujących wejścia przerzutników od ich wyjść i wejść układu.

Przykład 1

Zaprojektować synchroniczny dzielnik częstotliwości przez 3, zawierający dwa przerzutniki typu D. Tablica 3 Numer impulsu 0 S1 1 S2 2 S0 3 -

Tablica 4 Tablica wzbudzeń

Q2Q1

00 01

01 11

11 00

10 -

Tablica 5 Tablice wzbudzeń dla przerzutnika D1. Q1 Q2 0 1 0 0 1 1 - 0 1 2 2 Q Q D = + − (1)

Tablica 6 Tablice wzbudzeń dla przerzutnika D2.

Q1 Q2 0 1 0 1 1 1 - 0 − = 2 1 Q D (2) Q1 Q1 D1 CLK Q2 Q2 D2 CLK

Rys. 3 Schemat układu dzielnika częstotliwości przez 3

1.3. Automaty standardowe

Automaty standardowe są często stosowane jako elementy składowe większych projektów. Do podstawowych automatów standardowych zaliczamy liczniki i rejestry.

- Liczniki

Licznikami nazywa się układy logiczne służące do zliczania liczby impulsów podanych na ich wejścia zliczające. Licznik zawiera pewną liczbę n przerzutników odpowiednio ze sobą połączonych. Liczba n określa maksymalną pojemność licznika 2n. Po zapełnieniu swojej pojemności licznik wraca do stanu początkowego. Długością cyklu S (≤ 2n) nazywa się liczbą stanów licznika. Jeśli licznik ma m wyróżnionych stanów, to określa się go jako licznik modulo S.

Liczniki określa się także jako układy zliczające sygnały wejściowe, a w niektórych przypadkach impulsy zegarowe.

Liczniki znajdują szerokie zastosowanie do bezpośredniego zliczania impulsów. Mogą służyć do pomiaru częstotliwości, dzielenia przez N.

Przykład 2

Zaprojektować układ zliczający pięć kolejnych stanów 0-5 pod wpływem sygnału sterującego x=1. Do realizacja układu zastosować przerzutniki typu D.

licznik modulo 6 x Q₂ Q1 Q₀

Rys. 4 Symbol graficzny licznika modulo 6

0 1 S0 S1 S2 S3 S4 S5 S0 S1 S2 S3 S4 S5 x S0 S2 S5 S4 S3 S1 x=1 x=0

Rys. 5 Graf licznika modulo 6 z przykładu 2 Tablica 7 Siatki Karnaugha Qit+1 (Di)

1 0 1 1 0 1 - - -1 0 1 Q2Q1 Q0x 00 01 11 -10 00 01 11 10 0 0 0 D0 0 1 0 1 0 1 - - -0 0 0 Q2Q1 Q0x 00 01 11 10 00 01 11 10 -D₁ 0 0 1 0 0 0 0 1 0 - - -1 0 1 Q2Q1 Q0x 00 01 11 10 00 01 11 10 -D2 0 0 1 x Q Q x Q Q Q D Q Q Q x Q Q Q D x Q D 0 1 2 0 2 2 0 1 2 1 0 1 1 0 0 + + = + + = ⊕ = (3)

- Szczególne typy liczników

Do szczególnych typów licznika zaliczamy: - licznik pierścieniowy,

- licznik w kodzie Johnsona, - licznik łańcuchowy. Licznik pierścieniowy

Licznik pierścieniowy jest rodzajem rejestru przesuwającego, w którym „krąży” tylko jedna jedynka (lub zero) w takt impulsów zegarowych. Liczba przerzutników jest równa okresowi licznika. Każdy stan rejestru jest powtarzany po określonej liczbie impulsów wejściowych.

Przykład 2

Zaprojektować licznik pierścieniowy zliczający do 4 według programu przedstawionego w tablicy 8.

Tablica 8 Cykl pracy automatu sekwencyjnego

1 0 0 0 0 1 0 0

0 1 0 0 0 0 1 0

0 0 1 0 0 0 0 1

0 0 0 1 1 0 0 0

Q0 Q1 Q2 Q3 D0 D1 D2 D3

Tablica 9 Siatki Karnaugha Qit+1 (Di)

- 1 - 0 0 - - -- - - -0 - - -01 11 10 00 01 10 11 D₀ Q1 00 Q0 Q₂Q₃ Q₀Q₁Q2Q300 - 0 - 0 0 - - -- - - -1 - - -Q₀Q₁Q2Q300 01 11 10 00 01 10 11 D1 - 0 - 0 1 - - -- - - -0 - - -01 11 10 00 01 10 11 D₂ Q1 00 Q0 Q₂Q₃ - 0 - 1 0 - - -- - - -0 - - -01 11 10 00 01 10 11 D₃ Q1 00 Q0 Q₂Q₃ 2 3 1 2 0 1 3 0 Q D Q D Q D Q D = = = = (4) D0 Q0 D1 Q1 D2 Q2 D3 Q3 c c c c Q0 Q1 Q2 Q3 zegar

D0 Q3

c

Rys. 7 Schemat zastępczy licznika pierścieniowego Licznik w kodzie Johnsona

Jest to układ w którym dla 4 przerzutników otrzymujemy sekwencję 8 stanów. W każdym kolejnym takcie występuje stan różniący się tylko o jeden od poprzedniego (np. zmiana 0011 na 0111). W zależności od stanu początkowego otrzymujemy różną sekwencję 8 stanów. Układ ten nazywamy także licznikiem liczącym do ośmiu.

Licznik łańcuchowy

Jest to układ w którym długość sekwencji znaków wynosi 2n-1 dla n przerzutników. Nie występuje w tym układzie jedynie stan samych zer na wyjściu. Dla układu 4 przerzutników otrzymujemy 15 stanów bez stanu 0000.

II. Ćwiczenia laboratoryjne

1. Zrealizować, korzystając z przerzutników typu D i bramek, układy przedstawione na rys. 3 i rys. 6

2. Zaprojektować licznik w kodzie Johnsona i licznik łańcuchowy. Zrealizować te układy fizycznie, korzystając z przerzutników typu D i bramek.