Czesc3, układy sekwencyjne


UKAADY SEKWENCYJNE,
PRZERZUTNIKI
Marek Pawełczyk
Instytut Automatyki Politechniki ÅšlÄ…skiej
MAREK PAWEACZYK, WYKAAD Z TECHNIKI CYFROWEJ, KIERUNEK AIR, WYDZ. AEI, POL. ÅšL.
UKAADY CYFROWE  klasyfikacja (przypomnienie)
x1 y1
x2 y2
A
xn ys
Oznaczenia:
Xt  stan wejściowy w chwili  t
Yt  stan wyjściowy w chwili  t
At  stan wewnętrzny w chwili  t
Układ kombinacyjny (bez pamięci):
Yt = f (Xt)
Układ sekwencyjny (z pamięcią):
Yt = f (Xt, Xt-t1, Xt-t2, ...)
Pamiętanie stanów poprzednich odbywa się poprzez stany wewnętrzne:
t t t
At = (a1, a2,...,am)
Dla identycznych słów wejściowych mogą pojawić się różne słowa wyjściowe,
zależnie od stanu układu, a więc w pewnym sensie również czasu!
...
...
MAREK PAWEACZYK, WYKAAD Z TECHNIKI CYFROWEJ, KIERUNEK AIR, WYDZ. AEI, POL. ÅšL.
UKAADY CYFROWE  klasyfikacja c.d.
Związki pomiędzy stanami X, Y, A określają funkcje:
Funkcja przejść ´:
t
At+Ä = ´ (At , X )
Funkcja wyjść :
Automat Moore a  wyjście zależy wyłącznie od stanu
Yt = (At )
A Y
´ 
X
t
Automat Mealy ego  wyjście zależy od stanu i od wejścia
Yt = (At, X )
A
Y
´ 
X
MAREK PAWEACZYK, WYKAAD Z TECHNIKI CYFROWEJ, KIERUNEK AIR, WYDZ. AEI, POL. ÅšL.
UKAADY SEKWENCYJNE  opis dla układu Moore a
Tablica wyjść
Tablica przejść:
automatu Moore a:
s \ x1x0 00 01 11 10 s y
s1 s2 s3 s1 s4 s1 0
s2 s1 s4 s1 s3 s2 1
s3 s4 s1 s2 s1 s3 0
s4 s1 s3 s2 s2 s4 0
1
s2
Graf automatu:
graf składający się z węzłów (reprezentujących stany)
i strzałek (reprezentujących przejścia między stanami)
0
01
0
11
s1
s3
01,
10
s4/0
s4
0
01
10
11,
Inna
form
a
z
a
pi
s
u
MAREK PAWEACZYK, WYKAAD Z TECHNIKI CYFROWEJ, KIERUNEK AIR, WYDZ. AEI, POL. ÅšL.
UKAADY SEKWENCYJNE  opis dla układu Mealy ego
Tablica wyjść
Tablica przejść:
automatu Mealy ego:
s \ x1x0 00 01 11 10 s \ x1x0 00 01 11 10
s1 s2 s3 s1 s4 s1 0 1 1 0
s2 s1 s4 s1 s3 s2 1 1 1 1
s3 s4 s1 s2 s1 s3 0 0 0 0
s4 s1 s3 s2 s2 s4 0 1 1 0
s2
01/1
11/1
s1
s3
01/0,
10/0
s4
01/1
11/0,
10/0
MAREK PAWEACZYK, WYKAAD Z TECHNIKI CYFROWEJ, KIERUNEK AIR, WYDZ. AEI, POL. ÅšL.
UKAADY SEKWENCYJNE  klasyfikacja
Układy sekwencyjne, w zależności od sposobu oddziaływania na stan wewnętrzny
dzielÄ… siÄ™ na:
Układy asynchroniczne
Zmiana stanu wewnętrznego A następuje bezpośrednio pod wpływem
zmiany sygnałów wejściowych
Ai = ´i(a1,a2,...,am, x1, x2,..., xn) i =1,2,...,m
ai  aktualny stan wewnętrzny
brak zmiennej czasu
Ai  następny stan wewnętrzny
Układy synchroniczne
Zmiana stanu wewnętrznego A może nastąpić tylko w ściśle
określonych chwilach czasu n (taktach)
n n n n n
Ain+1 = ´i(A1 , A2 ,..., Am, x1 , x2 ,..., xn) i =1,2,...,m
p
Ain  aktualny stan wewnętrzny
obecna zmienna czasu
Ain+1
 następny stan wewnętrzny
MAREK PAWEACZYK, WYKAAD Z TECHNIKI CYFROWEJ, KIERUNEK AIR, WYDZ. AEI, POL. ÅšL.
ELEMENTY PAMICI, PRZERZUTNIK  rs
Elementy pamięci realizuje się poprzez sprzężenie zwrotne
Najprostszy układ pamiętający:
Schemat ten można przerysować do nstp.:
set
s
(wej. ustawiajÄ…ce)
s
q
q
reset q
r
r q
(wej. zerujÄ…ce)
MAREK PAWEACZYK, WYKAAD Z TECHNIKI CYFROWEJ, KIERUNEK AIR, WYDZ. AEI, POL. ÅšL.
PRZERZUTNIK  rs c.d.
sr
s r qn+1
qn 00 01 11 10
0 0 qn
s q
0 0 0 - 1
0 1 0
r q
1 1 0 - 1
1 0 1
qn+1
1 1 -
 - : stan zabroniony
qn+1 = r(s + qn)
RozwiÄ…zujÄ…c siatkÄ™ Karnaugha:
Przerzutnik aktywny w stanie niskim s r:
s r qn+1
Często dla uproszczenia
stosuje siÄ™ oznaczenia:
0 0 -
s q
qn  q
0 1 1
qn+1  Q
r q
1 0 0
1 1 qn
MAREK PAWEACZYK, WYKAAD Z TECHNIKI CYFROWEJ, KIERUNEK AIR, WYDZ. AEI, POL. ÅšL.
PRZERZUTNIK  RS
Przerzutnik:
 rs  asynchroniczny
 RS  synchroniczny (niezbędne jest dodatkowe wejście zegarowe):
S
Q
S
Q
CLK, CP, C, CK, t
C
R Q
Q
R
clk
Jest to przerzutnik wyzwalany poziomem wysokim
 stan wyjść może zmieniać się cały czas, gdy wejście zegarowe jest w stanie wysokim
Wady wyzwalania poziomem:
 możliwe stany przejściowe na wyjściu,
 przypadkowy stan na wyjściu po włączeniu zasilania
MAREK PAWEACZYK, WYKAAD Z TECHNIKI CYFROWEJ, KIERUNEK AIR, WYDZ. AEI, POL. ÅšL.
PRZERZUTNIK  D
D
Dn Qn+1
Qn
0 1
Q
D
0 0
0 0 1
CLK, CP, C, CK, t
Q
C
1 1
1 0 1
Qn+1
CLK = 1 to Q = D
D
Q
Q
clk
Jest to przerzutnik typu zatrzask (ang. latch) wyzwalany poziomem wysokim
MAREK PAWEACZYK, WYKAAD Z TECHNIKI CYFROWEJ, KIERUNEK AIR, WYDZ. AEI, POL. ÅšL.
PRZERZUTNIK  T
T
Qn 0 1
Tn Qn+1
Q
T
0 0 1
0 Qn
CLK, CP, CK, t
Q
C
1 Qn 1 1 0
Qn+1
Jest to przerzutnik typu przełącznik (ang. toggle) wyzwalany poziomem wysokim
16.04.2014
15
MAREK PAWEACZYK, WYKAAD Z TECHNIKI CYFROWEJ, KIERUNEK AIR, WYDZ. AEI, POL. ÅšL.
PRZERZUTNIK  JK
JK
J K qn+1
Qn 00 01 11 10
0 0 qn
J
0 0 0 1 1
Q
0 1 0
C
1 1 0 0 1
1 0 1
Q
K
Qn+1
1 1 qn
 - : stan zabroniony
Działanie podobne do działania przerzutnika  RS z wyjątkiem przypadku JK = 11.
Typowo przerzutnik taki wyzwalany jest zboczem opadajÄ…cym:
J
Q
C
Q
K
Często wprowadza się priorytetowe wejścia ustawiające i zerujące, aktywne w stanie niskim:
J
s
Q
Wejścia ustawiające i zerujące występują również
C
w przerzutnikach  D i  T
Q
K
r
MAREK PAWEACZYK, WYKAAD Z TECHNIKI CYFROWEJ, KIERUNEK AIR, WYDZ. AEI, POL. ÅšL.
PRZERZUTNIKI  tabele przejść
Qn Qn+1 Dn Sn Rn Jn Kn Tn
0 0 0 0- 0- 0
0 1 1 10 1- 1
1 0 0 01 -1 1
1 1 1 -0 -0 0
MAREK PAWEACZYK, WYKAAD Z TECHNIKI CYFROWEJ, KIERUNEK AIR, WYDZ. AEI, POL. ÅšL.
PRZYKAADOWE ROZWIZANIA UKAADOWE
Przerzutnik  D wyzwalany poziomem, z dodatkowymi wejściami asynchronicznymi : 7475
Przerzutnik  D wyzwalany zboczem narastającym, z dodatkowymi wejściami
asynchronicznymi: 7474
Przerzutnik  JK MS (3 wejścia J, 3 wejścia K ) z dodatkowymi wejściami
asynchronicznymi: 7472
Przerzutnik  JK MS z blokadą wejść informacyjnych: 74110
MAREK PAWEACZYK, WYKAAD Z TECHNIKI CYFROWEJ, KIERUNEK AIR, WYDZ. AEI, POL. ÅšL.
KONWERSJE PRZERZUTNIKÓW
Dwójka licząca:
 1  1
J J D T
s s s s
Q Q Q Q
C C C C
Q Q Q Q
K K
r r r r
Uwaga:  D musi być
wyzwalany zboczem
D
s
Q
t
C
JK T: JK D: D t, T: T D:
Q
r
 1
D
T
 1
J J
s s
T
s
Q Q
Q
D
C C
C
D
s
Q Q
Q
Q
K K
r r
r
T
C
Q
r
 1
 1
MAREK PAWEACZYK, WYKAAD Z TECHNIKI CYFROWEJ, KIERUNEK AIR, WYDZ. AEI, POL. ÅšL.
ELIMINACJA WPAYWU DRGAC ZESTYKÓW
+5 V
+5 V
R2 R2
X X
R3
Y Y
s
 1
 0
 0
 1
R1 R1
+5 V
Wada:
Układy te zamykają lub otwierają bramkę wyjściową w momencie zmiany położenia
przełącznika, niezależnie od fazy sygnału wejściowego, w wyniku czego pierwszy lub
ostatni impuls może zostać skrócony
Korzystniejsze rozwiązanie oparte jest o zastosowanie rejestrów
MAREK PAWEACZYK, WYKAAD Z TECHNIKI CYFROWEJ, KIERUNEK AIR, WYDZ. AEI, POL. ÅšL.
ELIMINACJA WPAYWU DRGAC ZESTYKÓW
+5 V
+5 V
R2
R2
a
a
Q
Q
D
D
c
c
I
I
Q
Q C
C
II
II
b
b
R1
R1
+5 V
+5 V
Przerzutnik wyzwalany zboczem opadajÄ…cym:
Przerzutnik wyzwalany zboczem narastajÄ…cym:
Klucz na I: a = 1
Klucz na I: tak jak przy wyzwalaniu zb. opadajÄ…cym
Q = 0 do nadejścia zbocza opadającego na C
Klucz na II, gdy na wej. C jest stan 0:
Q ustala siÄ™ po czasie propagacji przerzutnika D
generowanie szpilki!
Na  c pojawiają się jedynie całe impulsy wejściowe
MAREK PAWEACZYK, WYKAAD Z TECHNIKI CYFROWEJ, KIERUNEK AIR, WYDZ. AEI, POL. ÅšL.
STANY NIESTABILNE
Stan niestabilny  stan, w którym układ zatrzymuje się jedynie na czas wynikający
z opóznień elementów
Mogą wystąpić w nstp. sytuacjach:
1. dane wejściowe zmieniają się w czasie ustalenia ts, poprzedzającym pojawienie
siÄ™ impulsu zegara.
2. połączenia urządzeń pracujących z różnymi częstotliwościami zegarów
Skutki stanów niestabilnych:
a). poziom napięcia wyjściowego nie odpowiada poziomowi stanu wysokiego lub
niskiego, lecz jest okolicach progu przeÅ‚Ä…czenia; trwa nawet przez kilka µs,
b). samoistna zmiana poziomu na przeciwny, po chwilowym ustaleniu.
Åšrodki zaradcze:
Ad 1. zaprojektowanie układu synchronicznego z tak dobranymi
szybkościami, aby uniknąć powyższego problemu
Ad 2. stosowanie powiązanych ze sobą układów synchronizujących
Ad 1,2. zaprojektowanie detektora stanów niestabilnych, który zeruje
przerzutnik
MAREK PAWEACZYK, WYKAAD Z TECHNIKI CYFROWEJ, KIERUNEK AIR, WYDZ. AEI, POL. ÅšL.
PARAMETRY DYNAMICZNE PRZERZUTNIKÓW
Podstawowe parametry dynamiczne:
1. Minimalny czas trwania aktywnego poziomu sygnału tw,min.
Najczęściej parametr ten podaje się dla wejść asynchronicznych oraz zegarowych
reagujących na poziom sygnału.
2. Minimalny czas trwania poziomu poprzedzającego i następującego po aktywnym zboczu
sygnału (twL,min  dla poziom niskiego, twH,min  dla poziomu wysokiego) - podawany dla
wejścia zegarowego.
3. Maksymalny czas trwania zbocza wyzwalajÄ…cego (tTLH,max - dla zbocza narastajÄ…cego oraz
tTHL,max dla opadającego) - podawane dla wejścia zegarowego.
4. Czas ustalenia (wyprzedzenia) ts (setup time) - minimalny czas, w którym sygnał musi być
obecny na wejściach informacyjnych przerzutnika przed nadejściem wyzwalającego zbocza
(lub poziomu) impulsu zegarowego.
5. Czas utrzymania (podtrzymania) th (hold time) - minimalny czas, w którym sygnał
wejściowy musi pozostać na wejściach informacyjnych po wystąpieniu wyzwalającego
zbocza (lub po wycofaniu aktywnego poziomu) sygnału zegarowego. Czasy ts oraz th mogą
mieć inne wartości dla sygnału niskiego.
6. Maksymalna częstotliwość przebiegu zegarowego fmax.
7. Czas martwy tm - minimalny czas jaki musi upłynąć od zakończenia sygnału programującego
do chwili, kiedy może pojawić się sygnał zegarowy lub inny sygnał programujący.
8. Czasy propagacji sygnałów od wejścia zegarowego do wyjść Q i Q .
9. Czasy propagacji sygnałów od wejść programujących do wyjść Q i Q .
Czasy propagacji (punkty 8 i 9) wyróżnia się dla przypadku od stanu niskiego do
wysokiego (tpLH) oraz od stanu wysokiego do niskiego (tpHL) na wyjściu.
Średni czas propagacji tp jest ich średnią arytmetyczną.
MAREK PAWEACZYK, WYKAAD Z TECHNIKI CYFROWEJ, KIERUNEK AIR, WYDZ. AEI, POL. ÅšL.
ZALEŻNOŚCI CZASOWE - przykład
Przykład:  dwójka licząca
D
s
Q
C
Q
r
Przeniesienie informacji do Q następuje po czasie tp
Informacja na D nie może być wpisana przez następne zbocze C wcześniej, niż ts
Informacja na D nie może ulec zmianie wcześniej, niż th
Z reguły zachodzi: tp > ts
Z reguły zachodzi: tp > th
Kolejne zbocze zegara nie może się więc pojawić wcześniej, niż: T1 = tp + ts
Minimalny czas trwania okresu zegara niezbędny dla poprawnej pracy
przerzutnika: T2 = twL + twH
Minimalny czas trwania okresu zegara niezbędny dla poprawnej pracy
przykładowego układu  dwójki liczącej przerzutnika: Tmin = max(T1, T2)
Maksymalna częstotliwość impulsów zegara: fmax = 1/Tmin
MAREK PAWEACZYK, WYKAAD Z TECHNIKI CYFROWEJ, KIERUNEK AIR, WYDZ. AEI, POL. ÅšL.
PRZERZUTNIK  D  rozwiązania układowe
Przykład: Przerzutnik  D wyzwalany zboczem narastającym, z dodatkowymi wejściami
asynchronicznymi (UCY 7474)
Przykład:
Zalecane warunki pracy
układu UCY 7474
Przykład:
Parametry dynamiczne
przerzutnika w układzie
UCY 7474
(UCC = 5 V, tamb = 25 °C)


Wyszukiwarka