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 poprzednim odcinku zapoznałeś
część 13
c
z
ę
ś
ć
1
3
się z przerzutnikami typu RS oraz D.
Dziś pora na kolejne.
Przerzutnik typu Latch
ostatnio. Mówimy, że przerzutnik nie jest także używany jest bardzo rzadko, może
(zatrzask)
już przezroczysty, tylko dane zostały za- nawet wcale.
Na pewno spotkałeś się już z określe- trzaśnięte i pozostaną tam bez zmian aż Obecnie częściej stosowane, zwłasz-
niem  zatrzask albo  latch (czytaj: do pojawienia się stanu aktywnego na cza w technice mikroprocesorowej, są
lacz). wejściu sterującym. układy 74373 i 74573, zawierające zespół
W literaturze można się jednak na- Działanie zatrzasku sterowanego po- ośmiu latchów (czyt. laczów) ze wspól-
r
y
s
u
n
tknąć na pewne niekonsekwencje w na- ziomem możesz prześledzić na rysun- nym wejściem sterującym. Pomimo po-
k
u
9
2
zewnictwie i oznaczeniach, co początku- ku 92. dobieństw, a niekiedy możliwości wy-
jącym robi w głowie sporo zamieszania. Przerzutnik typu zatrzask (latch) stero- miennego stosowania, układy 74373
Spotyka się bowiem określenia  prze- wany poziomem nie ma specjalnego i 74573 sterowane poziomem, należy od-
rzutnik typu latch wyzwalany zboczem oznaczenia graficznego. Czasem spotyka różniać od wcześniej wspomnianych kos-
oraz  przerzutnik typu latch wyzwalany się oznaczenie identyczne jak klasyczne- tek 74374 i 74574, zawierających osiem
poziomem , albo też określenia  prze- go przerzutnika D sterowanego zboczem. sprzężonych przerzutników D sterowa-
rzutnik typu D wyzwalany zboczem oraz Przecież nadal sygnał z wejścia informa- nych zboczem.
 przerzutnik typu D wyzwalany pozio- cyjnego jest przepisywany na wyjście W praktyce dość często spotykamy
mem . Przetnijmy wątpliwości. pod wpływem sygnału zegarowego, stąd się też z przerzutnikami latch, ale wbudo-
Pod określeniem  przerzutnik typu uzasadniona obecność oznaczeń D  data wanymi w bardziej złożone układy scalo-
latch wyzwalany zboczem oraz prze- i CL  clock. ne. Na przykład dekodery do sterowania
rzutnik typu D wyzwalany zboczem kry- Wśród kostek rodziny CMOS 4000 nie wyświetlaczy siedmiosegmentowych, ta-
je się po prostu poznany w poprzednim ma pojedynczych przerzutników latch kie jak 4511, czy znacznie bardziej popu-
odcinku przerzutnik D (albo zespół kilku (sterowanych poziomem). Jest natomiast larny 4543, a także niektóre rejestry, wy-
takich przerzutników). kostka 4042 zawierająca cztery takie posażone są w przerzutniki latch, które
Natomiast najczęściej mówiąc  latch przerzutniki ze wspólnym wejściem ste- pełnią rolę swego rodzaju pamięci. Przy-
czy  zatrzask mamy na myśli przerzut- rującym (dla wygody wyposażonym kładowo dzięki zastosowaniu przerzutni-
nik sterowany poziomem. w bramkę EX-OR, co umożliwia użytkow- ków, inaczej mówiąc pamięci, można
Działanie takiego przerzutnika jest tro- nikowi samodzielny dobór poziomu ak- uzyskać różne tryby wyświetlania infor-
chę podobne do działania przerzutnika D, tywnego). Układ 4042 nie znajduje jednak macji z licznika. Jeden tryb to praca z lat-
ale występuje istotna różnica. zbyt wielu zastosowań i nie zawracaj so- chem, który jest przezroczysty. Stany licz-
Różnica polega na tym, że przerzutnik bie nim głowy. Wśród układów TTL daw- nika są na bieżąco pokazywane na wy-
w
j
e
d
n
y
m
j
e
D wpisuje na wyjście dane w jednym je- niej popularny był układ 7475, ale dziś świetlaczu. Taki tryb może być przydatny
dynym momencie (w chwili
d
y
n
y
m
m
o
m
e
n
c
i
e
wystąpienia zbocza aktywne-
go), natomiast przerzutnik latch
przepuszcza na wyjście dane
p
r
z
e
z
nie w jednej chwili, ale przez
cały czas podawania na we-
c
a
ł
y
c
z
a
s
p
o
z
i
o
m
u
a
k
t
y
w
jście sterujące poziomu aktyw-
nego. Mówimy, że podczas po-
n
e
g
o
dawania na wejście sterujące
poziomu aktywnego, latch jest
przezroczysty. Przezroczysty,
p
r
z
e
z
r
o
c
z
y
s
t
y
to znaczy stan wyjścia zmienia
się zgodnie ze zmianami stanu
na wejściu informacyjnym.
Natomiast gdy na wejściu
sterującym pojawi się stan
spoczynkowy, nieaktywny, to
na wyjściu przerzutnika pozo-
Rys. 83
R
y
s
.
8
3
staje stan, taki jaki tam był
ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 3/98 23
Układy cyfrowe
U
k
ł
a
d
y
c
y
f
r
o
w
e
przy zliczaniu pojedynczych impulsów. Układ synchroniczny to taki układ lo- z  prawdziwym przerzutnikiem JK
W drugim trybie, podczas pracy licznika giczny, w którym stany wyjść poszcze- z kostki 4027, ewentualnie w rzadkich
latch jest zatrzaśnięty, a wpisuje się do gólnych przerzutników wchodzących przypadkach z co bardziej nowoczesnymi
niego stany licznika dopiero po skończe- w jego skład zmieniają się jednocześnie  układami rodziny zgodnej z TTL (np.  109,
niu cyklu pracy licznika. Potem gdy licznik praktycznie w momencie wystąpienia ak-  112).
rozpocznie nowy cykl pracy, dzięki za- tywnego zbocza sygnału zegarowego. Zauważ, że podobnie jak kostka 4013,
trzaśnięciu poprzedniego wyniku zlicza- Oczywiście sygnał zegarowy jest wspól- układ 4027 zawiera dwa przerzutniki wy-
nia, na wyświetlaczu pozostaje stabilne ny dla wszystkich przerzutników tego posażone dodatkowo w wejścia RS (któ-
wskazanie. Nie ma migania wskaz
nika układu. Jeśli jeszcze nie bardzo rozu- re też mają priorytet przed wejściami
podczas zliczania impulsów. Jeśli ostat- miesz, o co chodzi w tych układach syn- J,K,CL). Pamiętaj, że jeśli nie wykorzys-
nie zdania nie są dla ciebie zrozumiałe, chronicznych nie załamuj się  zrozu- tasz wejść RS, to powinieneś je zewrzeć
nie martw się. Zrozumiesz wszystko, gdy miesz za jakiś czas. Na początku swojej do masy.
zapoznasz się z licznikami i rejestrami. przygody z cyfrówką nie musisz przecież
wiedzieć wszystkiego. Przerzutnik T
Przerzutnik JK Nie będę cię też wprowadzał w szcze- Najprostszy przerzutnik typu T (toggle
Symbol graficzny przerzutnika JK (inni góły budowy wewnętrznej przerzutników  przeskakujący) ma tylko jedno wejście
r
y
s
u
n
k
u
9
3
piszą J-K) pokazany jest na rysunku 93. JK, jak nie wprowadzałem cię w szczegó- zegarowe, sterowane (jednym aktyw-
Nie wiadomo do- ły budowy przerzutników D. Ale o jednej nym) zboczem i działa bardzo prosto. Każ-
kładnie, skąd wzięły sprawie muszę króciutko wspomnieć. de kolejne aktywne zbocze zmienia stan
się literki JK. Niektó- Być może obiło ci się o uszy określenie wyjścia na przeciwny.
rzy sądzą, że są to ini- przerzutnik JK typu master-slave (albo Podobnie, jak dla przerzutników D oraz
cjały wynalazcy. pan-sługa), ewentualnie JK flip-flop. Owo JK, aktywnym zboczem może być albo
Także działanie master-slave wskazuje, że przerzutnik zbocze rosnące, albo malejące. Do tej
Rys. 93
R
y
s
.
9
3
przerzutnika JK nie- zbudowany jest z dwóch części (a nawet sprawy powrócimy przy omawianiu licz-
którym początkują- z dwóch przerzutników), z których jedna ników.
R
y
s
u
n
e
k
9
4
cym wydaje się trudne do zrozumienia. pełni funkcje nadrzędną  master, a druga Rysunek 94 ilustruje działanie przerzut-
Ale nie ma tu nic trudnego! podrzędną  slave. Może też zasłyszałeś nika T sterowanego zboczem dodatnim
w
y
z
w
a
Przerzutnik JK na pewno jest wyzwa- coś o przerzutnikach dwuzboczowych. (czyli rosnącym). Na pewno zauważyłeś,
lany zboczem. Na pewno posiada więc W takich przerzutnikach jedno zbocze (o że po podaniu na wejście zegarowe prze-
l
a
n
y
z
b
o
c
z
e
m
wejście zegarowe (oznaczane CL lub dziwo to nieaktywne) wpisywało stan rzutnika T przebiegu o jakiejś częstotli-
CLK)  tu przypomina przerzutnik D. wejść do pierwszego przerzutnika, a do- wości, na wyjściu uzyska się przebieg
W przeciwieństwie do przerzutnika D ma piero to drugie, aktywne przepisywało o częstotliwości dwa razy mniejszej.
d
w
a
w
e
j
ś
c
i
a
i
n
f
o
r
m
a
c
y
j
n
e
nie jedno, ale dwa wejścia informacyjne stan pierwszego przerzutnika do drugie- W literaturze przerzutnik T często jest
oznaczane J i K. Stan wyjścia (wyjść) za- go i na wyjścia. Przed wielu laty, na po- nazywany dwójką liczącą, bo proste liczniki
o
z
n
a
c
z
a
n
e
J
i
K
leży więc od stanów na wejściach infor- czątku historii układów scalonych, w nie- (tak zwane asynchroniczne) buduje się
macyjnych J, K jakie występują tam których wypadkach konstruktor wręcz właśnie z przerzutników typu T. Jeśli nie
w momencie wystąpienia zbocza aktyw- musiał zdawać sobie sprawę z pewnych jesteś zupełnie  zielony i trochę już miałeś
nego. To też jest beznadziejnie proste. niedostatków i nieoczekiwanych szcze- do czynienia z cyfrówką, możesz uważać,
A teraz uważaj! gólnych właściwości poszczególnych że popularne liczniki 4020, 4040, 4060,
Gdy w momencie wystąpienia na we- układów scalonych. Trzeba było na przy- 4518, 4520 zbudowane są właśnie z prze-
jściu zegarowym zbocza aktywnego, na kład uwzględnić zjawisko tak zwanego ła- rzutników T, a nie z przerzutników JK.
obu wejściach J i K jest stan niski, wtedy pania jedynek, które mogło w zadziwiają- Przerzutniki T nie występują  w przy-
na wyjściu (wyjściach)... nic się nie zmie- cy sposób zmienić działanie systemu za- rodzie pojedynczo. Nie znajdziesz kost-
nia  pozostają tam stany, jakie były tam wierającego przerzutniki JK z niektórych ki, która zawierałaby pojedyncze przerzut-
wcześniej. układów scalonych. Na szczęście dziś nie niki T. Nie musisz też szukać w literaturze
Gdy na wejściu J jest stan wysoki, trzeba się zastanawiać, co się dzieje symbolu graficznego przerzutnika T,
a na K- niski, po przyjściu sygnału zegaro- w środku. Nie zaśmiecaj więc sobie gło- zwykle przerzutnik T zaznacza się na
wego wyjście główne Q ustawiane jest wy przerzutnikami dwuzboczowymi, czy schematach blokowych jednym ze spo-
r
y
s
u
n
k
u
9
5
w stan wysoki. łapaniem jedynek  wystarczy żebyś sobów pokazanych na rysunku 95.
Gdy na wejściu K jest stan wysoki, o przerzutniku JK wiedział to, co ci poda- W praktyce dość często będziesz po-
a na J  niski, po przyjściu sygnału zega- łem wcześniej. trzebował takich pojedynczych przerzutni-
rowego wyjście główne Q ustawiane jest Obecnie pojedyncze przerzutniki JK nie ków, czy inaczej mówiąc, dwójek liczących.
w stan niski. znajdują już tak szerokiego zastosowania Nic straconego! Jak to zrobić?
Gdy na obu wejściach J i K jest stan jak dawniej. Natomiast bardziej złożone Gratulacje! Tak jest! Jak słusznie za-
wysoki, wtedy po przyjściu aktywnego układy zawierające te przerzutniki: liczniki uważyłeś, przerzutnik T możesz zrobić
zbocza sygnału zegarowego stany wyjść (synchroniczne) oraz
n
a
p
r
z
e
c
i
w
n
e
Q i Q\... zmieniają się na przeciwne. rejestry, dostępne są
Może zastanawiasz się, po co komu w postaci gotowych
taki dziwoląg? Wierz mi, że po pojawie- układów scalonych,
niu się pierwszych przerzutników, właś- w związku z czym też
nie z przerzutników JK budowano najróż- nie musisz martwić się
niejsze liczniki i rejestry. Obecność we- o szczegóły budowy
jścia zegarowego i wejść informacyjnych wewnętrznej.
JK pozwala budować najróżniejsze ukła- W praktyce bę-
s
y
n
c
h
r
o
n
i
c
z
n
e
dy i systemy synchroniczne. Co to znaczy dziesz miał do czynie-
Rys. 94
R
y
s
.
9
4
synchroniczne? nia przede wszystkim
24 ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 3/98
Układy cyfrowe
U
k
ł
a
d
y
c
y
f
r
o
w
e
(składająca się z kilku tranzysto- wi się na wyjściach Q i Q\ po tym czasie
rów) daje na wyjściu sygnał, który opóz
nienia "T. W momencie, gdy na we-
jest opóz
niony względem stanów jściu D pojawi się opóz
niony  nowy
podawanych na wejście. Tak stan, na wejściu zegarowym nie będzie
samo każdy przerzutnik, również już zmian, tylko będzie tam panował stan
złożony w sumie z tranzystorów, wysoki. Tym samym sygnał, że tak po-
charakteryzuje się pewnym cza- wiem, nie zapętli się, nie powstanie ża-
Rys. 95
R
y
s
.
9
5
sem opóz
nienia. Jak wiesz, są to den generator, tylko na wyjściach pozo-
czasy rzędu nanosekund. Takich stanie  nowy stan aż do przyjścia na-
z przerzutnika JK (np. 4027), podając na różnic i opóz
nień nie będziesz w stanie stępnego sygnału zegarowego.
wejścia J i K stan wysoki. Ale nie tylko. wykryć i zbadać typowym amatorskim os- Przy okazji jak na dłoni masz sprawę
Omówmy teraz sposób przeróbki prze- cyloskopem. W warunkach amatorskich maksymalnej częstotliwości pracy prze-
rzutnika D (4013) na przerzutnik T, a przy nie masz więc możliwości zająć się tym rzutnika T. Oczywiście maksymalna częs-
okazji wytłumaczę ci pewną bardzo waż- tematem ze strony praktycznej. A jak się totliwość pracy będzie zależeć od czasu
ną sprawę. okazuje, często już tak niewielkie opóz
nie- opóz
nienia między wejściami a wy-
r
y
s
u
n
e
k
9
6
a
Najpierw popatrz na rysunek 96a (nie nia są albo dobrodziejstwem, albo częściej jściem. Czym dłuższe opóz
nienie, tym
analizuj przebiegów z rysunku b) i po- przekleństwem, uniemożliwiającym pracę mniejsza maksymalna częstotliwość pra-
wiedz mi, czy przy takim połączeniu urządzenia. W praktyce nierzadko się zda- cy. Nieprzypadkowo narysowałem też
rzeczywiście z przerzutnika D powstanie rza, że amator bezskutecznie szuka błędu mniej strome zbocza na wyjściach Q i Q\
przerzutnik T? w układzie i nigdy go nie znajdzie, właśnie  czas jaki upływa między przejściem na-
dlatego, że zapomina pięcia na wyjściu od jednego czystego
o tych nanosekundo- stanu logicznego do drugiego, wynosi kil-
wych opóz
nieniach. ka do kilkudziesięciu nanosekund.
Postaraj się więc dob- Czasy opóz
nienia (propagacji) w ukła-
rze zrozumieć tę spra- dach CMOS zależą od wartości napięcia
wę, bo tym razem je- zasilającego  czym większe napięcie,
dynie analiza na papie- tym te czasy są krótsze. Przykładowo
rze, a nie pomiar rzeczy- według katalogu, krajowe układy
wistego układu może MCY74013 mają następujące typowe
odsłonić przyczynę czasy opóz
nienia ("T) między wejściem
kłopotów. CL a wyjściami przy różnych napięciach
Jeśli zrozumiesz za- zasilających:
gadnienie, to tym sa- 5V: 150ns
mym zainstalujesz so- 10V: 100ns
bie w wyobraz
ni bar- 15V: 45ns
dzo, bardzo szybki os- Tym samym maksymalna częstotli-
cyloskop, i będziesz wość pracy przerzutnika (np. w roli prze-
umiał zanalizować mniej rzutnika T), czyli maksymalna częstotli-
Rys. 96
R
y
s
.
9
6
i bardziej skompliko- wość na wejściu zegarowym jest różna
wane układy cyfrowe dla różnych napięć zasilania. Ten sam ka-
Przeanalizuj działanie układu! nie tylko pod względem statycznym, ale talog podaje, że częstotliwość ta wynosi:
Coś ci się nie zgadza? Nie dziwię się, bo i dynamicznym. Do tej pory analizowaliś- 5V: 7MHz
wielu początkujących ma z tym kłopoty. my działanie bramek ze strony statycznej, 10V: 16MHz
Najprostsze rozumowanie jest takie: ale w przypadku przeróbki przerzutnika 15V: 24MHz
w momencie aktywnego zbocza na we- D na przerzutnik T musimy dokonać anali- Nie myśl jednak, że wszystkie układy
jściu CL, do wyjścia Q przerzutnika wpi- zy parametrów dynamicznych. CMOS rodziny 4000 mogą pracować przy
sywany jest stan wejścia D, czyli wyjścia Przeanalizujmy więc przebiegi czaso- dużych częstotliwościach, ponad dziesię-
r
y
s
u
n
k
u
9
6
b
Q\. Przypuśćmy, że wcześniej na wyjściu we z rysunku 96b. Zakładamy, że zbocze ciu megaherców. Tak duże częstotliwości
Q był stan niski, a na Q\  wysoki. W mo- na wejściu zegarowym jest bardzo stro- pracy są możliwe jedynie w przypadku
mencie zmiany na wyjściu Q pojawi się me, to znaczy zmiana stanu z niskiego na stosunkowo prostych układów, takich jak
więc stan wysoki, a na Q\  stan niski. wysoki trwa bardzo krótko, powiedzmy bramki czy pojedyncze przerzutniki. Nie-
Ale czy ten stan niski nie spowoduje na- poniżej 1nanosekundy. Z definicji, prze- trudno się domyślić, że jeśli w układzie
tychmiastowej dalszej zmiany i czy rzutnik D zmienia stan pod wpływem występuje więcej przerzutników i bra-
w efekcie przerzutnik nie przekształci się zbocza, a więc w czasie zmiany stanu na mek, to ich czasy opóz
nienia się sumują
w generator? wejściu zegarowym. i znacznie ograniczają maksymalną częs-
Nie! Wszystko będzie w porządku  Tymczasem opóz
nienie wewnętrznych totliwość pracy. W praktyce z wielu
rzeczywiście uzyskamy przerzutnik T, obwodów przerzutnika, oznaczone na ry- względów (nie tylko z powodu dużego
a wszystko to dzięki pewnym niewielkim sunku 96b przez "T, wynosi przynajmniej czasu opóz
nienia, ale też z uwagi na
opóz
nieniom, tak charakterystycznym dla kilkadziesiąt nanosekund (dla kostki znaczny wzrost poboru prądu wraz
wszelkich realnych, a nie teoretycznych CMOS4013, bo np. układu 74ACT74  z częstotliwością) układy CMOS4000 wy-
układów. Rzeczywiście, gdyby między we- tylko kilka ns). korzystuje się jedynie przy częstotliwoś-
jściami a wyjściami przerzutnika nie było A więc jeszcze przez kilkadziesiąt na- ciach co najwyżej 500kHz...1MHz. Przy
żadnych opóz
nień, to nie potrafilibyśmy nosekund po wystąpieniu aktywnego większych częstotliwościach korzystniej
przewidzieć, co się będzie działo w ukła- zbocza, na wyjściach Q i Q\ będzie się jest zastosować kostki z rodzin 74HC,
dzie z rysunku 96a. Zajmijmy się więc ty- utrzymywał  stary stan . Tym samym 74HCT, 74AC, 74ACT, czy 74F.
P
i
o
t
r
G
ó
r
e
c
k
i
mi opóz
nieniami. Każda realna bramka  nowy stan, wpisany z wejścia D poja- Piotr Górecki
ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 3/98 25