Układy cyfrowe U k ł a d y c y f r o w e P i e r w s z e k r o k i w cyfrówce W poprzednich odcinkach cyklu zapozanałeś się z prerzutnikami. W tym odcinku zapoznasz się bliżej z rejestrem i poznasz niebez- część 14 c z ę ś ć 1 4 pieczeństwa związane z sygnałem zegarowym Rejestr przesuwny rejestru, pojawiając się na kolejnych wy- mamy generator. Ten generator będzie Teraz już nie będziesz miał wątpliwoś- jściach rejestru oznaczonych Q1, Q2, Q3, uruchamiany tylko na czas trwania zbyt ci, jak działa rejestr przesuwny. Nie bój itd. (albo O1, O2, O3...). Zauważ jeszcze, łagodnych zboczy sygnału zegarowego. się tej nazwy. W sumie każdy rejestr iż informacja z ostatniego rejestru jest W każdym razie nie będziemy w stanie przesuwny działa na tej samej prostej za- podczas każdego taktu po prostu tracona. przewidzieć, jaki stan pojawiłby się na sadzie, a poszczególne układy scalone za- Czasami tworzymy pętlę między wy- wyjściu po takim zbyt łagodnym zboczu wierające rejestry różnią się liczbą wejść, jściem a wejściem rejestru, i informacja zegarowym. wyjść oraz pewnymi dodatkami. O tym w postaci pewnej sekwencji stanów lo- Ale przerzutnik podczas obecności ak- porozmawiamy pózniej. Teraz podstawy. gicznych krąży sobie w takim pierścieniu. tywnego zbocza wcale nie musi zacho- Rejestr przesuwny otrzymamy łącząc Choć w amatorskiej praktyce rejestry wywać się jak latch, czyli być przez chwi- r y s u n kilka przerzutników D w układzie z rysun- nie są używane tak często, jak na przy- lę przezroczysty. Może zachowywać się ku 97. To wszystko! kład liczniki, to jednak powinieneś dokład- inaczej, na przykład wpisywać dane z we- k u 9 7 Czy masz jakiekolwiek wątpliwości, nie poznać ich działanie. Zajmiemy się jścia na wyjście jednorazowo, w momen- jak pracuje rejestr? Mam nadzieję, że nie. tym w jednym z następnych odcinków. cie gdy sygnał na wejściu zegarowym Znów można powiedzieć, że prawidło- A teraz mam pytanie: czy z przerzutni- osiągnie określone napięcie. Przy takim wa praca rejestru związana jest z opóznie- ków JK też można zbudować rejestr? jednorazowym wpisywaniu nie trzeba się niami, które omawialiśmy przed chwilą. Pomyśl uważnie. Sam spróbuj naryso- obawiać, że przerzutnik zamieni się na Gdy na wszystkich wejściach zegarowych wać stosowny układ. chwilę w generator. w jednej chwili pojawia się aktywne (ost- Nie zmienia to jednak wymagania, że Wymagania dotyczące re) zbocze, wtedy do każdego przerzutni- zbocza na wejściu zegarowym zawsze sygnału zegarowego ka rejestru wpisywany jest stan wyjścia powinny być ostre! poprzedniego przerzutnika (a do pierwsze- Rysunek 96b wyjaśnia też inną spra- I tu przechodzimy do najczystszej go stan panujący aktualnie na jego we- wę. Do tej pory podawałem ci bez uza- praktyki. Wielu uczestników Szkoły Kon- jściu D). Jeśli w przerzutnikach nie byłoby sadnienia, że sygnał zegarowy przerzutni- struktorów oraz kandydatów na autorów, żadnego opóznienia sygnału, to nie wiado- ków, liczników i rejestrów powinien mieć którzy przysyłają do Redakcji swoje po- mo, jak zachowałby się taki rejestr być bardzo strome zbocza. Kiedyś przy okazji mysły, zapomina często o tym jakże waż- może informacja z wejścia A podczas jed- omawiania bramek dowiedziałeś się, że nym wymaganiu na stromość zboczy nego jedynego zbocza zegara zdążyłaby przy zbyt wolnych zmianach bramka, któ- sygnału zegarowego. Niektórzy chcą ste- przelecieć przez cały rejestr. Dzięki ra w istocie jest wzmacniaczem, może rować pracą dwójki liczącej, pracującej opóznieniu sygnału (o te nasze nanose- się wzbudzić i na wyjściu powstaną paso- w charakterze wyłącznika załącz/wyłącz kundy pokazane na rysunku 96b) podczas żytnicze drgania. Tym razem nie o to cho- za pomocą obwodu z przyciskiem, poka- r y s u n k u 9 9 jednego taktu zegara informacja jest prze- dzi. W takim razie o co? Co się stanie, jeś- zanego na rysunku 99. To jest oczywiście noszona tylko o jeden stopień , czyli do li aktywne zbocze sygnału zegarowego bez sensu, przede wszystkim ze względu następnego przerzutnika. Generalna zasa- będzie trwało długo, dłużej niż czas opóz- na drgania styków wskutek drgań zmia- da jest więc podobna jak w układzie prze- nienia przerzutnika? r y rzutnika T z rysunku 96a. Taka sytuacja przedstawiona jest na ry- s u n k u 9 8 Nie masz chyba wątpliwości, że infor- sunku 98. macja z wejścia rejestru jest pod wpły- No właśnie! Zazwyczaj nie znamy wem impulsów zegarowych przesuwana szczegółów wewnętrznej budowy prze- przez kolejne komórki, czy stopnie tego rzutnika (i nie potrzebujemy znać), a tym samym nie potrafimy precyzyj- nie określić, co będzie się dziać w jego wnętrzu przy zbyt łagod- nych zboczach. Ale już jeden rzut oka nasuwa wniosek, że jeśli w czasie trwania zbocza przerzutnik D zachowywałby się jak latch, czyli byłby przezro- Rys. 97 czysty, to z przerzutnika otrzy- Rys. 98 22 ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 5/98 Układy cyfrowe U k ł a d y c y f r o w e Czy tu mogą wystąpić jakieś poszczególne przerzutniki będą wpisy- nieprzewidziane problemy? wać informacje ze swego wejścia na wy- Mogą! Jeśli nawet wejścia jście w różnych momentach. Jeśli różni- zegarowe wyposażone są ce w czasach wpisywania są większe niż w układ Schmitta, to musimy pa- wspomniane wcześniej nanosekundowe miętać, że każdy układ logiczny opóznienia, to rejestr nie ma szans na po- ma pewne progi przełączania, prawną pracę. czyli graniczne poziomy napięć, Na rysunku 102b zaznaczono łagodne które traktuje jako przejście ze zbocze sygnału zegarowego, na nim na- Rys. 99 Rys. 100 stanu wysokiego do niskiego pięcia progowe poszczególnych przerzut- na stanu wystąpi od kilku do kilkudziesię- i takie, które traktuje jako przejście ze sta- ników i dodatkowo czerwonymi liniami ciu razy po jednorazowym uruchomieniu nu niskiego do wysokiego. Może się zda- momenty wpisywania informacji do po- przycisku. Inni wiedząc o tych drganiach, rzyć i naprawdę się zdarza (z powodu nie- szczególnych przerzutników. Dodatkowo przezornie dodają obwód RC likwidują- doskonałości procesu technologicznego zaznaczono czasy opóznienia T (przyjęto, cy te drgania. Oczywiście popełniają błąd, i nieuniknionych rozrzutów), że różne że są jednakowe dla wszystkich przerzut- podając na wejście zegarowe sygnał przerzutniki mają nieco inne progi przełą- ników, co może nie być prawdą). o bardzo wolnym czasie narastania. czania. Nie są to różnice duże, ale na Przeanalizuj to dokładnie. Zamiast Tu muszę ci powiedzieć w zaufaniu, że przykład jeden przerzutnik wpisuje na wy- oczekiwanych stanów H, L, H, L, otrzy- choć z punktu widzenia rasowego kon- jście stan swego wejścia gdy napięcie na mamy na wyjściach Q1....Q4 stany H, L, r y s u n struktora połączenia takie jak na rysun- wejściu zegarowym wynosi 3,5V, inny, H, H. A co otrzymamy po następnym ak- ku 100 są nie do przyjęcia, to w niektó- gdy to napięcie wynosi 4,0V, jeszcze inny tywnym zboczu zegarowym? Spróbuj to k u 1 0 0 rych przypadkach taki niepoprawny układ przy 3,6V, kolejny przy 4,3V. określić sam. r y s u n k u 1 0 2 mimo wszystko pracuje poprawnie! Tyl- Na rysunku 102 pokazałem ci, co się Tak się złożyło, że pierwsze trzy stop- ko nikomu o tym nie mów! będzie działo w rejestrze przy sygnale ze- nie naszego rejestru pracują poprawnie, Czy to znaczy, że powinieneś wypró- garowym o małej stromości zboczy, czyli ale błędnie pracuje czwarty stopień. Zbyt bować taki układ? Nie radzę! Może się o długim czasie narastania, gdy progi łagodne zbocze zegarowe wpisuje na wy- bowiem zdarzyć, że po wymianie kostki przełączania wejść zegarowych kolejnych jście Q4 nowy stan wyjścia Q3, czyli na egzemplarz innego producenta, przy przerzutników nie będą jednakowe, tylko stan wyjść Q3 i Q4 jest zawsze taki sam. zmianie temperatury lub przy zmianie na- takie, jak podałem wyżej. Przypuśćmy, że Może się wydawać, że w tym przykła- pięcia zasilającego, układ przestanie po- wcześniej na wyjściach Q1...Q4 wystę- dzie przejaskrawiłem trochę problem ry- prawnie działać. Nie ucz się więc takiej powały stany L, H, L, H, a na wejściu sując tak łagodne zbocze sygnału zegaro- partyzantki i od początku trzymaj się w czasie trwania zbocza utrzymuje się wego, ale pamiętaj, że w grę wchodzą tu zdrowych zasad. Jeśli chcesz sterować stan wysoki. nanosekundy, czyli miliardowe części se- przerzutnikiem T za pomocą przycisku, to Po nadejściu aktywnego zbocza za- kundy. Niebezpieczeństwo zasygnalizo- r y s u n k u powinieneś zastosować układ z rysunku wartość rejestru powinna przesunąć się wane na rysunku 102 grozi nie tylko 101 z bramką Schmitta, wyostrzającą o jeden stopień w prawo, a do pierwsze- w układach z wejściem Schmitta, ale też 1 0 1 zbocza. Może to być na przykład bramka go przerzutnika powinien zostać wpisany we wszystkich układach synchronicz- 40106, 4093, układ z dwóch bramek stan wejścia. Na wyjściach Q1...Q4 po- nych (przerzutnikach, rejestrach i niektó- NAND lub NOR, albo możesz przekształ- winniśmy otrzymać kolejno: H, L, H, L. rych licznikach). Wbij to sobie do móz- cić w bramkę Schmitta jeden z przerzut- Pamiętamy, że na wejściach zegaro- gownicy raz na zawsze i zawsze dbaj ników kostki 4013 (taki sposób pojawił wych przerzutników jest układ Schmitta, o strome zbocza sygnałów logicznych się już w EdW przynajmniej w trzech więc nie grożą nam żadne pasożytnicze zwłaszcza zegarowych. W literaturze mó- moich układach, ostatnio w uniwersal- drgania z powodu zbyt łagodnych zboczy wi się często o hazardach czasowych. nym przełączniku w EdW 2/98). sygnału zegarowego. Ale rejestr mimo Właśnie tu masz przykład takiego hazar- Na marginesie podam ci informację, wszystko nie może pracować poprawnie, du: jeśli masz szczęście i akurat trafisz na że niektóre liczniki mają wejście fabrycz- bo z uwagi na te niby drobne różnice układy o jednakowych progach przełącza- nie wyposażone w układ Schmitta. Nie w progowych napięciach przełączania, nia (lub przypadkowo trafisz właściwą ko- boją się one łagodnych zboczy. W takim lejność przerzutników), to układ będzie przypadku często na tym wejściu może- pracował poprawnie także przy niezbyt my i często stosujemy układ opózniający ostrych zboczach sygnału zegarowego. RC. O tym porozmawiamy bliżej przy Jeśli twojemu koledze, budującemu iden- okazji omawiania liczników. tyczny układ, szczęście nie dopisze i trafi na przerzutniki o różnych progach przełą- Inne zagrożenia czania (i ustawi je w nieszczęśliwej kolej- Zanim rozstaniemy się z przerzutnika- ności), to będzie bujał się z układem mi podam ci jeszcze inny przykład zagro- i dziwił, dlaczego jego układ zbudowany żeń. Mamy złożony układ zawierający ze sprawnych elementów nie chce dzia- wiele przerzutników sterowanych wspól- łać, a twój działa. Dojdzie do wniosku, że nym sygnałem zegarowym. Załóżmy, że elektronika to jakaś magia tylko dla wta- użyte przerzutniki mają na wejściu zega- jemniczonych, i że zdarzają się tu zjawis- rowym układ Schmitta. Wydawałoby się, ka niewytłumaczalne. Tak właśnie rodzą że wtedy nie ma żadnego zagrożenia się mity, pokutujące od dawna wśród i sygnał zegarowy nie musi mieć ostrych elektroników. zboczy. Przeanalizujmy więc działanie Tymczasem w elektronice naprawdę prostego rejestru przesuwnego, jaki po- nie ma nic z magii. Wszystkie zjawiska kazałem ci na rysunku 97. Rys. 101 wynikają z niepodważalnych praw ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 5/98 23 Układy cyfrowe U k ł a d y c y f r o w e bie znać, jeśli Jedynym ratunkiem jest tu blokowa- częstotliwości nie zasilania, czyli dołączenie kilku nie- pracy nie są wielkich (10...100nF) bezindukcyjnych większe niż kondensatorów (zwykle ceramicznych) 1MHz. A ty na między szyny zasilające, w pobliżu ukła- razie będziesz dów scalonych. miał do czy- Zjawisko to nie jest szczególnie groz- nienia z taki- ne w stosunkowo powolnych układach mi, niezbyt CMOS rodziny 4000. W amatorskich kon- szybkimi ukła- strukcjach kostki CMOS4000 często pra- dami. W każ- cują bez jakichkolwiek kondensatorów dym razie w przypadku odsprzęgających szyny zasilania i nic złe- bardziej skomplikowa- go się nie dzieje. Ale w przypadku naj- nych układów cyfro- szybszych układów (F, ACT, AC) jest to is- wych nastaw się, że totny problem. nie obejdzie się tu bez Oczywiście inne szpilki też nie poja- doświadczeń i (nie)licz- wiają się bez przyczyny. Przyczyny mogą nych nieudanych prób. być różne. Prawie zawsze wynika to z ja- Nie wspomniałem kiegoś błędu konstruktora (ale zakłóce- ci do tej pory o tak zwa- nia indukują się także pod wpływem ob- nych szpilkach. Są to cych, zewnętrznych pól elektromagne- bardzo krótkie impulsy, tycznych). trwające kilkanaście do Trudno wymienić wszystkie możliwe kilkuset nanosekund, przyczyny, ale skorzystanie ze wskazó- czyli tak krótko, że nie wek podanych w tym odcinku pozwoli masz szans wykryć ich uniknąć większości przykrych niespo- za pomocą prostego dzianek. oscyloskopu czy nawet prostego analizatora Wnioski układów logicznych. Aby uniknąć problemów, dmuchaj na Szpilki te mogą poja- zimne i zawsze stosuj kondensatory od- wiać się na szynach za- sprzęgające zasilanie (ceramiczne lizaczki silających (tak!) oraz po 100nF); umieść przynajmniej jeden taki prostu w układzie. kondensator w urządzeniu z kostkami Szpilki w obwodach CMOS4000. zasilania wynikają Generalnie powinieneś zwracać bacz- z dwóch przyczyn. Jak ną uwagę na stromość zboczy sygnałów, już wiesz, w momen- w szczególności zegarowych. Nie musisz cie przełączania, zaró- się niczego obawiać, jeśli sygnał (zegaro- wno bramki jak i inne wy) wytwarzany jest przez bramki, prze- układy przez krótki uła- rzutniki czy liczniki, czyli przez inne typo- mek sekundy pobierają we układy logiczne. Ale wszędzie tam, znaczny prąd. Trzeba gdzie mogą zdarzyć się niespodzianki, Rys. 102 pamiętać, że po pierw- gdzie sygnały przychodzą z innych zródeł i zasad, a tym samym mają swoje logicz- sze ścieżki płytki drukowanej mają pewną i mogłyby nie mieć krótkich czasów na- ne wyjaśnienie. Potrzebna jest tylko rze- rezystancję. Wspomniane impulsy prądo- rastania (poniżej jednej mikrosekundy), telna wiedza. we wywołują spadek napięcia na tej re- lepiej przezornie zastosuj wspomnianego Właśnie w tym odcinku łykasz taką zystancji, czyli właśnie szpilki (zmiany na- szmita na wejściu. Wtedy będziesz wiedzę. Jeśli więc przytrafi ci się coś ta- pięcia), mogące zakłócić pracę układu. spał spokojnie, nie obawiając się, że w ja- kiego z przerzutnikami, wiedz iż nie masz Po drugie ścieżki mają pewną induk- kiś skrajnych warunkach pracy układ od- szans znalezć przyczyny za pomocą pros- cyjność. Choć indukcyjność ta jest mała, mówi posłuszeństwa właśnie ze względu tego oscyloskopu. Tylko pamiętanie o po- poniżej 1 mikrohenra, to jednak przy bar- na zbyt łagodne zbocza sygnałów, zwią- wyższych rozważaniach pomoże ci zna- dzo szybkich impulsach prądowych, na zane z tym hazardy czasowe oraz możli- lezć przyczynę i drogę ratunku, a będzie indukcyjnościach ścieżek pojawiają się wość powstania pasożytniczych drgań. nią po prostu wyostrzenie zboczy sygna- znaczne napięcia samoindukcji. No i co? Czy aby nie przestraszyłem łu zegarowego. cię i nie zniechęciłem tymi informa- Oczywiście nie jestem ci w stanie cjami? Znakomitym ćwiczeniem w wykorzystaniu przedstawić wszystkich tego typu Pociesz się: projektowanie ukła- omówionych właśnie układów jest próba niespodzianek, jakie na ciebie czeka- dów cyfrowych i tak jest dużo, dużo skonstruowania prostego i funkcjonalnego ją w cyfrówce. Nie omówiliśmy tu łatwiejsze od projektowania ukła- układu alarmowego: do samochodu, domku do końca sprawy opóznień. W rejes- dów analogowych, zwłaszcza sprzę- czy garażu. Układ powinien pobierać w spo- trach są one błogosławieństwem, tu pomiarowego i wyższej klasy czynku jak najmniej prądu. Ewentualne elek- ale w wielu układach pracujących układów audio. trolity powinny w spoczynku pozostawać pod przy dużych częstotliwościach są W następnym odcinku zajmiemy napięciem. Zachęcam do takich prób! przekleństwem. Nie będę męczył cię się licznikami. P i o t r G ó r e c k i tą sprawą, bo rzadko daje ona o so- Piotr Górecki 24 ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 5/98