Układy cyfrowe (logiczne)

1

1.1. Przerzutniki monostabilne

*

Przerzutniki monostabilne wytwarzają impulsy prostokątne o określonym czasie trwania.

Używane są do wprowadzania uzależnień czasowych w układach cyfrowych.

1.1.1. Przerzutnik monostabilny 74121

Przerzutnik monostabilny 74121 (Rys. 1.1.1) wytwarza na wyjściu Q pojedynczy impuls pro-

stokątny po doprowadzeniu odpowiedniego sy-
gnału wyzwalającego do wejścia A

1

, A

2

lub B.

Generację impulsu inicjuje ujemny skok napięcia
(z 1 na 0) na wejściu A

1

lub A

2

przy wejściu B

utrzymywanym w stanie 1 lub zmiana napięcia
ze stanu 0 do stanu 1 na wejściu B przy utrzy-
mywaniu wejścia A

1

lub A

2

w stanie 0 (Rys.

1.1.2). Skok napięcia na wejściu A

1

lub A

2

musi

być szybki (minimum 1 V/ s). Zmiana napięcia
na wejściu B może być wolna (do 1 V/s), genera-
cja impulsu jest inicjowana po przekroczeniu
określonego poziomu napięcia (U

p

). Zmiany sy-

gnałów na wejściach A

1

i A

2

przy wejściu B,

znajdującym się w stanie 0 lub zmiany sygnałów
na wejściu B przy wejściach A

1

i A

2

znajdują-

cych się w stanie 1 nie powodują wyzwalania
impulsu wyjściowego. Umożliwia to blokowanie
(bramkowanie) sygnałów wyzwalających, do-
prowadzanych do wybranego wejścia przez
zmianę stanu innego wejścia. Jeden sygnał wy-
zwalający powoduje wytworzenie pojedynczego
impulsu wyjściowego o określonym czasie trwa-

nia, po którym układ wraca do stanu spoczynkowego Q = 0. Następny impuls wyjściowy generowa-
ny jest po doprowadzeniu kolejnego sygnału wyzwalającego. W czasie trwania impulsu wyjściowe-
go i przez pewien czas po zakończeniu tego impulsu układ nie reaguje na sygnały wyzwalające.

Czas trwania impulsu wyjściowego ma wartość t = RC ln2. Na C składa się suma pojemności

wewnętrznej układu między końcówkami R

x

i C

x

(ok. 20 pF) i pojemności zewnętrznej C

T

a

R = R

T

, jeżeli zewnętrzny rezystor R

T

włączony jest między końcówkę R

x

a napięcie zasilające

+5V. Jako R można także wykorzystać wewnętrzny (scalony) rezystor R

int

2 k , umieszczony

między końcówkami R

i

i R

x

, łącząc końcówkę R

i

z napięciem +5V i pomijając R

T

lub sumę R

T

-

+ R

int

, jeśli R

T

jest włączony między końcówkę R

i

a napięcie +5V. Wartość R może wynosić od 1,4

do 40 k a C

T

od 0 do 1000 F. Pozwala to na wytwarzanie impulsów wyjściowych o czasie trwa-

nia od ok. 20 ns do ok. 20 s. Impuls o czasie trwania 1 ms uzyskuje się np. przy R = 14 k i C = 0,1

F. Przy wykorzystaniu tylko zewnętrznej rezystancji R

T

czas trwania impulsu mało zależy od

zmian temperatury układu scalonego i zmian wartości napięcia zasilającego. Współczynnik tempe-
raturowy czasu t ma wartość rzędu +0,0056 %/

o

C. Przy zmianach napięcia zasilającego +5V w gra-

A

2

A

1

a)

B

R

X

R

T

C

X

C

T

Q

Q

+5V

R

i

C

X

R

i

b)

B

A

1

R

X

R

T

C

T

Q

Q

+5V

R

int

A

2

Rys. 1.1.1. Przerzutnik monostabilny 74121 z ze-

wnętrznymi elementami R

T

C

T

: a) prosty symbol

przerzutnika; b) symbol z zaznaczonymi elemen-

tami struktury wewnętrznej.

1
0
1
0
1

0

U

p

t

A

1

lub A

2

(przy B = 1)

B

(przy A

1

lub A

2

= 0)

Q

Rys. 1.1.2. Wyzwalanie impulsu wyjściowego.

Przerzutniki monostabilne

2

nicach 0,25V czas t zmienia się o ok. 0,2% ( 0,04%/%). Pozwala to na formowanie impulsów o
dużej dokładności czasu trwania przy użyciu zewnętrznych elementów R

T

i C

T

o dobrej jakości (do-

kładności i stałości).

Na wyjściu Q wytwarzany jest komplementarny impuls wyjściowy o odwróconej polaryzacji.

Maksymalne możliwe do uzyskania wypełnienie okresu powtarzania impulsów wynosi 2/3 przy
R = 2 k i wzrasta do 0,9 przy R = 40k .

1.1.2. Przerzutniki monostabilne z podtrzymywanym wyzwalaniem

(74123)

Układ scalony 74123 (74LS123) za-

wiera dwa przerzutniki monostabilne (Rys.
1.1.4) o właściwościach nieco odmiennych
od przerzutnika 74121. Przerzutniki te wy-
posażone są w dwa wejścia wyzwalające A i
B oraz wejście zerujące R . Stan 0 na wej-
ściu R wymusza stan 0 na wyjściu Q i stan 1
na wyjściu Q . Przy R = 1 zainicjować moż-
na wytworzenie komplementarnych impul-
sów prostokątnych na wyjściach Q i Q . Im-
pulsy takie generowane są po skoku napięcia
z 1 na 0 na wejściu A przy B = 1 lub po sko-
ku napięcia z 0 na 1 na wejściu B przy A = 0
(Rys. 1.1.3). Czas trwania impulsu t określo-
ny jest przez zewnętrzne elementy R

T

i C

T

nieco bardziej złożonymi zależnościami niż
dla układu 74121.

Jeżeli przed zakończeniem generowa-

nego impulsu na wejściu A lub B wystąpi
nowy impuls wyzwalający, czas trwania im-
pulsu wyjściowego zostaje wydłużony tak,
aby od ostatniego impulsu wyzwalającego do
zakończenia impulsu wyjściowego upłynął
czas, równy nominalnemu czasowi trwania t
impulsu wyjściowego. Umożliwia to utrzy-
manie przez dowolnie długi czas stanu Q = 1
i Q = 0 po doprowadzeniu do wejścia wy-
zwalającego ciągu impulsów o okresie T < t.

Impuls wyjściowy można w każdej

chwili zakończyć (skrócić) przez podanie
zera na wejście R . Zmiana stanu na wejściu

R z 0 na 1 przy A = 0 i B = 1 inicjuje gene-

t

t

t

1

0

1

0

0

0

1

1

A

B

Q

Q

Rys. 1.1.3. Wyzwalanie impulsu wyjściowego

przerzutnika 74123 przy

R

=1

a)

B

A

R

X

R

T

C

X

C

T

Q

Q

R

+5V

b

)

B

A

R

X

R

T

C

X

C

T

Q

Q

R

+5V

Rys. 1.1.4. Przerzutnik monostabilny 74123 z

zewnętrznymi elementami R

T

C

T

: a) prosty symbol

przerzutnika; b) symbol z zaznaczonymi elementami

struktury wewnętrznej.

1

0

1

0

0

0

1

1

A

B

R

Q

t

t

Rys. 1.1.5. Działanie wejścia zerującego

R

.

Przerzutniki monostabilne

3

rację nowego impulsu wyjściowego (Rys. 1.1.5).

Pojedynczy przerzutnik monostabilny o podobnych właściwościach, z dwiema parami wejść

wyzwalających (A

1

, A

2

, B

1

, B

2

) i wewnętrznym rezystorem R

int

2 k zawiera układ scalony

74122 (74LS122).

1.2. Generatory impulsów prostokątnych

Generatory impulsów prostokątnych wytwarzają ciąg impulsów prostokątnych o określonej

częstotliwości (okresie) powtarzania i określonym współczynniku wypełnienia. Przy współczynniku
wypełnienia zbliżonym do 0,5 (50%) układy takie nazywa się generatorami fali prostokątnej.

Generatory impulsów prostokątnych sto-

sowane są do wytwarzania przebiegów taktu-
jących pracę układów cyfrowych.

Generator impulsów prostokątnych zbu-

dować można z dwóch przerzutników mono-
stabilnych 74121, 74122 (74LS122) lub 74123
(74LS123). Schemat takiego układu przedsta-
wiono na Rys. 1.2.1. Po włączeniu napięcia
zasilającego +5V kondensator C utrzymuje na
wejściu B pierwszego przerzutnika (U

1

) niskie

napięcie, wzrastające powoli do +5V ze stałą
czasową RC. Po osiągnięciu wartości odpo-
wiadającej stanowi logicznemu '1' inicjowana
jest generacja dodatniego impulsu na wyjściu
Q tego przerzutnika. Ujemny skok napięcia
wynikający z zakończenia tego impulsu, do-
prowadzony do wejścia A drugiego przerzut-
nika (U

2

), inicjuje wytworzenie dodatniego

impulsu na wyjściu Q przerzutnika U

2

. Ujem-

ny skok napięcia wynikający z zakończenia
tego impulsu, doprowadzony do wejścia A
przerzutnika U

1

wyzwala generację kolejnego

impulsu przez przerzutnik U

1

. Po zakończeniu tego impulsu generowany jest impuls przez prze-

rzutnik U

2

, następnie znów przez U

1

itd. Układ wytwarza ciąg impulsów prostokątnych o okresie

powtarzania T, równej sumie czasów trwania impulsów generowanych przez obydwa przerzutniki
(t

1

+ t

2

). Dla umożliwienia generacji wejścia R i B przerzut-

ników utrzymywane są w stanie 1 przez połączenie do napię-
cia zasilającego +5V. Przy dobrej jakości elementów R

T

i C

T

uzyskuje się dużą stałość częstotliwości generowanych impul-
sów, zwłaszcza przy użyciu przerzutników 121 lub 122.

Generatory impulsów prostokątnych buduje się także

przy użyciu prostych bramek. Przykład jednego z wielu wa-
riantów takiego układu przedstawiono na Rys. 1.2.2. Dwa
szeregowo połączone inwertery U

1

i U

2

tworzą układ dwu-

a)

Wy

B

B

A

A

R

X

R

T

C

X

C

T

R

X

R

T

C

X

C

T

U

2

U

1

Q

Q

Q

Q

R

R

+5V

R

C

b)

t

2

t

1

T

1

1

0

0

U

1

Q

U

2

Q

Rys. 1.2.1. Generator impulsów prostokątnych z

dwóch przerzutników 74LS123 a) schemat;

b) przebiegi na wyjściach Q obu przerzutników.

R=220

U

1

U

2

U

3

C

T

Wy

Rys. 1.2.2. Generator impulsów

prostokątnych z prostych bramek

(negacji).

Przerzutniki monostabilne

4

krotnie odwracający fazę sygnału o 180

o

, o właściwościach podobnych do dwustopniowego

wzmacniacza analogowego. Rezystor R linearyzuje charakterystyki układu U

1

. Kondensator C, łą-

czący wyjście U

2

z wejściem U

1

wprowadza silne dodatnie sprzężenie zwrotne, powodujące genera-

cję fali prostokątnej podobnie jak w układzie analogowego multiwibratora astabilnego. Bramka U

3

poprawia i standaryzuje kształt napięcia wyjściowego. Na wyjściu Wy otrzymuje się impulsy pro-
stokątne o współczynniku wypełnienia ok. 50% i okresie T w przybliżeniu równym 3RC. Stałość
okresu nie jest zbyt duża (ok. 2% zmian przy zmianie napięcia zasilającego w granicach 4,5 5,5
V), gorsza niż w układzie z Rys. 1.2.1.

Gdy wymagana jest duża dokładność i stałość okresu

powtarzania (i częstotliwości) generowanych impulsów, uży-
wa się generatora z rezonatorem kwarcowym. Przykładowy
schemat takiego układu przedstawiono naRys. 1.2.3. Genera-
tor działa na zasadach podobnych do układu z Rys. 1.2.2.
Dodatnie sprzężenie zwrotne realizowane jest przez rezonator
kwarcowy Q. Układ U

3

stanowi bufor wyjściowy. Częstotli-

wość i stałość częstotliwości określone są przez właściwości
rezonatora.

W rodzinie układów scalonych TTL znajduje się także

układ 74S124, zawierający dwa układy generatorów fali prostokątnej o bardzo dobrych właściwo-
ściach. Częstotliwość generowanego przebiegu określa zewnętrzny kondensator lub rezonator kwar-
cowy w zakresie 50 kHz 85 MHz oraz napięcie, doprowadzane do specjalnego wejścia regulacyj-
nego.

*

Opracował dr inż. Grzegorz Stępień

R=330

R=330

10nF

Q

U

1

U

2

U

3

Wy

T

Rys. 1.2.3. Generator impulsów

prostokątnych z rezonatorem kwar-

cowym.