Cyfrowe Elementy Automatyki
Bramki logiczne, przerzutniki, liczniki,
sterowanie wyświetlaczem
W układach cyfrowych sygnały napięciowe (lub prądowe) przyjmują tylko określoną liczbę poziomów, którym przyporządkowywane są wartości liczbowe.
Najczęściej układy cyfrowe służą do przetwarzania sygnałów o dwóch poziomach napięć:
• wysokiego (H – high) oznaczanego umownie jako 1
• niskiego (L – low) oznaczanego umownie jako 0
Sygnał cyfrowy nie przyjmuje natomiast wartości pośrednich, w przeciwieństwie do sygnałów analogowych (ciągłych)
Układy cyfrowe
Podstawowym elementem stosowanym w układach cyfrowych jest bramka logiczna. Nazwą tą określa się układ elektroniczny o jednym lub kilku wejściach (A, B) i jednym wyjściu (Q), obliczający funkcję logiczną na podstawie sygnałów wejściowych.
Sygnały wejściowe i wyjściowe są sygnałami cyfrowymi – najczęściej napięciowymi.
Podstawowe funkcje logiczne
Do analizy zdań logicznych, które mogą zostać określone wyłącznie jako
prawdziwe albo fałszywe stosuje się tzw. algebrę Boole’a
Podstawowe prawa i tożsamości algebry Boole’a
Ilustracja graficzna podstawowych funkcji logicznych za pomocą obwodów elektrycznych
Zwarty łącznik i świecąca lampka reprezentują stan 1, przeciwny przypadek odpowiada stanowi 0
Rozszerzony zestaw funkcji logicznych 2 zmiennych
Podstawowe bramki logiczne – cz. 1
Podstawowe bramki logiczne – cz. 2
Uniwersalność bramek NAND
Uniwersalność bramek NOR
Przykład realizacji prostej funkcji logicznej
Włącznik schodowy – włączanie i wyłączanie źródła światła może znajdować się w dwóch różnych miejscach.
Neutralny
Faza G
D
G
X1 D X2
Y
Przełączenie jednego z pary włączników powoduje zmianę stanu całego obwodu (otwarty/zamknięty) na stan przeciwny. Oznacza to, że włączając np. światło na parterze pierwszym włącznikiem, po wejściu na górę
będziemy mogli je wyłączyć drugim.
(
1 2)(
1 2)
2 1 2
1
lub
ExNOR Funkcja
X X X X Y
X X X
X Y
+ +
=
+
=
Przykład realizacji funkcji logicznych
Sterownik elektronicznej kostki do gry.
Na wejściu będziemy podawać w kodzie binarnym liczbę od 1 do 6, a na wyjściu otrzymamy sygnały sterujące 6 diodami LED, tworzącymi oczka kostki.
Na podstawie powyższych danych tworzymy mapy Karnaugh’a dla poszczególnych wyjść, sterujących diodami LED w kostce. … Otrzymujemy równania:
Podstawowa bramka logiczna NAND z rodziny TTL
Rodziny popularnych cyfrowych układów scalonych
Standard napięć w układach TTL
Postępowanie z nadmiarowymi wejściami układów TTL
Czas propagacji sygnału przez bramkę
1 U
2 C
3 Y
4 7
5 400
6 N
1. U – układ bipolarny 2. C – układ cyfrowy M – układ unipolarny L – układ analogowy 3. Y – do sprzętu profesjonalnego 4. 7 – temp. 0÷70°C
X – wykonanie specjalne 5 – temp. -55°C÷125°C
5. numer katalogowy 6. N – obudowa plastyczna dwurzędowa I – obudowa ceramiczna
Oznaczenia cech specjalnych, litery po cyfrach 74:
S – wersja superszybka
LS – wersja szybka, małej mocy H – wersja szybka
Zasady oznaczania układów scalonych
Przykładowe układy scalone serii TTL
UCY 7400 UCY 7473 UCY 7493
UCY 7402 UCY 7474 UCY 7447
Symbol graficzny przerzutnika
Przerzutniki – podstawowe elementy pamięci
Układy Kombinacyjne
Asynchroniczne Synchroniczne Układy Sekwencyjne
Układy Cyfrowe
Przerzutnik jako układ sekwencyjny
RS, D, JK, T
RS
Przerzutniki – sterowane poziomem sygnału Przerzutniki asynchroniczne RS
Asynchroniczny przerzutnik RS zbudowany z bramek NAND i NOR:
a) schemat logiczny; b) symbol graficzny; c) d) tabele stanów
Zastosowanie przerzutników do tłumienia drgań zestyków
Przerzutniki RS często są stosowane do odczytu stanu przełączników mechanicznych.
W momencie przełączenia ich styki często wykonują drgania sprężyste co powoduje
powstawanie serii krótkich impulsów napięciowych. Układy reagują nawet na bardzo krótkie (5 ns) impulsy, drgania styków
grożą więc zakłóceniami. Eliminacja drgań styków jest koniecznością.
Rozwiązaniem jest zastosowanie przerzutnika SR z bramek NAND, który ustawia się w określonym stanie już przy pierwszym impulsie doprowadzonym z przełącznika, uniemożliwiając
powstanie zakłóceń. Zastosowanie przerzutnika SR daje również sygnał na wyjściu Y o dużej
stromości zbocza.
Przerzutniki – sterowane poziomem sygnału
Przerzutniki synchroniczne RS
Synchroniczny przerzutnik RS zbudowany z bramek NAND i NOR:
a) schemat logiczny; b) symbol graficzny; c) tabele stanów CK
CK
Przerzutniki – sterowane poziomem sygnału
Przerzutniki synchroniczne D
Synchroniczny przerzutnik D zbudowany z bramek
NAND i NOR:
a) schemat logiczny;
b) symbol graficzny;
c) tablica stanów
CK
CK
Przerzutniki – sterowane poziomem sygnału
Przerzutniki synchroniczne JK
Synchroniczny przerzutnik JK zbudowany z bramek NAND:
a) schemat logiczny; b) symbol graficzny; c) tabela stanów;
J CK K
Przerzutniki – sterowane poziomem sygnału
Przerzutniki – sterowane zboczem sygnału
Synchroniczny przerzutniki D i JK sterowane zboczem sygnału:
a) symbol graficzny; b) tabela stanów; c) przykładowe przebiegi 1
Przerzutniki – podstawowe elementy pamięci Konwersja przerzutników na dwójkę liczącą
C J Q
C D Q
Konstrukcja przerzutnika „dwójka licząca” na podstawie innych przerzutników:
a) schematy logiczne; b) przykładowe przebiegi
Liczniki – elementy zliczające impulsy wejściowe
Podział liczników
Licznik modulo N po podaniu na jego wejście zliczające K impulsów wskaże zliczenie L impulsów, gdzie:
L = K mod N
gdzie: L jest resztą z dzielenia całkowitego liczby K przez N
Reszta z dzielenia jest zawsze mniejsza od N i daje wyniki z przedziału od 0 do N-1.
Licznik modulo N jest zatem układem cyfrowym, który zlicza N-1 impulsów, a przy N-tym impulsie zeruje się.
Liczniki – elementy zliczające impulsy wejściowe
Liczniki modulo N
Zmiana stanu kolejnego przerzutnika odbywa się pod wpływem zmiany stanu przerzutnika poprzedniego. Najprostszym przykładem licznika szeregowego jest
kaskada N szeregowo połączonych przerzutników – dwójek liczących
Liczniki – elementy zliczające impulsy wejściowe Liczniki szeregowe – asynchroniczne liczące w przód
X
J
R Q C
K Q
QA
"1"
J
R Q C
K Q
QB
"1"
J
R Q C
K Q
QC
"1"
Z
QA
X
QB
QC
. Licznik szeregowy zliczający w przód o pojemności 8
(licznik modulo 8) a) schemat ideowy, b) przebiegi czasowe
X
Q
AQ
BQ
CQC
D
R Q C
Q D
R Q C
Q D
R Q C
Q
QA QB
Z X
Liczniki – elementy zliczające impulsy wejściowe Liczniki szeregowe – asynchroniczne liczące w tył
. Licznik szeregowy zliczający w tył o pojemności 8
(licznik modulo 8) a) schemat ideowy, b) przebiegi czasowe
X
Q
AQ
BQ
CLiczniki – elementy zliczające impulsy wejściowe
Liczniki szeregowe o skróconym cyklu pracy - modulo 6
X
J
R Q C
K Q
QA
"1"
J
R Q C
K Q
QB
"1"
J
R Q C
K Q
QC
"1"
Licznik szeregowy modulo 6 a) schemat ideowy, b) tabela stanów, c) przebiegi czasowe
X
Q
AQ
BQ
CLiczniki – elementy zliczające impulsy wejściowe Liczniki równoległe synchroniczne - modulo 6
. Licznik równoległy zliczający w przód o pojemności 6 (licznik modulo 6) a) schemat ideowy, b) przerzutnik JK , c) tabela stanów licznika
W licznikach synchronicznych przerzutniki zmieniają swój stan jednocześnie z taktem zegarowym.
Licznik synchroniczny posiada sieć logiczną, która steruje odpowiednio wejściami przerzutników na podstawie stanów ich wyjść. Sygnał zegarowy doprowadzany jest do każdego przerzutnika, zatem zmiana stanów będzie odbywała się wg napływających taktów zegarowych
Liczniki – elementy zliczające impulsy wejściowe Zastosowania liczników
Dzielnik częstotliwości przez 3
Pomiar czasu trwania impulsu
Sterowanie wyświetlaczem 7-segmentowym
Sterowanie wyświetlaczem 7-segmentowym
Układ SN 7448 pozwala bezpośrednio sterować 7-segmentowym wyświetlaczem LED o wspólnej katodzie. Sygnały sterujące LT, BI/RBO i RBI umożliwiają testowanie wyświetlacza oraz wygaszanie początkowych zer w układach sterujących większą liczbą wyświetlaczy cyfr.
