Zespół Szkół Samochodowych im. inż. Tadeusza Tańskiego w Poznaniu
Opracował:	mgr inż. Mirosław Pietrasz
Temat:	Bistabilny przerzutnik elektroniczny

1. Wiadomości wstępne

Przerzutnik - jest układem elektronicznym wytwarzającym w sposób zamierzony i kontrolowany, okresowe lub nieokresowe przebiegi elektryczne prostokątne w wyniku szybkich procesów przełączania (tzw. przerzutów) pomiędzy różnymi stanami. Proces przełączania zależy od struktury i parametrów układu przerzutnikowego.

Przerzutniki dwustanowe dzieli się na trzy podstawowe grupy:

• przerzutniki bistabilne - które charakteryzuje istnienie dwóch stanów równowagi trwałej (dwa stany stabilne), przy czym dla przejścia z jednego stanu do drugiego konieczne jest doprowadzenie zewnętrznego sygnału wyzwalającego;

• przerzutniki monostabilne - istnieje tylko jeden trwały stan równowagi, w którym układ może utrzymać się przez czas nieograniczony. Zewnętrzny sygnał wyzwalający powoduje przejście ze stanu stabilnego do quasi-stabilnego, a następnie po pewnym czasie układ samoistnie powraca do stanu stabilnego;

• przerzutniki astabilne - nie istnieje stan równowagi trwałej, w którym układ mógłby utrzymać się w czasie nieograniczonym. Przerzutniki takie wytwarzają przebiegi samoczynnie, bez udziału sygnału zewnętrznego, podobnie do generatorów sinusoidalnych.

Przerzutniki mogą występować oddzielnie lub w zespołach, połączone w rejestry, liczniki lub bloki pamięci.

W przerzutnikach scalonych TTL wyróżnia się dwa podstawowe rodzaje wejść informacyjnych:

Przerzutnik (rys. 1) może posiadać :

• dwa wejścia informacyjne asynchroniczne s i r;

• zmienne s i r oddziałują na wartości zmiennych wyjściowych
  i
  . Zmienna s zwana jest zmienną wpisującą (ang. set) lub ustawiającą (ang. preset). Służy ona do ustawiania przerzutnika w stan wysoki (
  = 1;
  = 0). Zmienna r zwana jest zmienną zerującą (ang. reset lub clear). Służy ona do zerowania przerzutnika w stan niski (
  = 0;
  = 1) ;

• dwa wejścia informacyjne synchroniczne A i B (programujące);

• zmienne A i B w różny sposób oddziałują na zmienne wyjściowe
  i
  . Decyduje to o nazwie typu przerzutnika;

• wejście zegarowe C;

• na wejście zegarowe, oznaczone literą C, wprowadza się impuls taktujący. Wejście to zwane jest inaczej synchronizującym albo wyzwalającym;

• dwa wyjścia komplementarne
  i
  (proste i zanegowane).

Rys.1. Schemat graficzny przerzutnika.

Jeśli o wartości zmiennej wyjściowej przerzutnika decydują tylko wejścia asynchroniczne to mamy do czynienia z przerzutnikiem asynchronicznym W przerzutniku tym informacja na wyjściu pojawia się w chwilach uzależnionych tylko od zmiany stanu na jego wejściach. Do tej grupy zaliczamy głównie przerzutnik s r.

Gdy stan przerzutnika ulega zmianie pod wpływem impulsu zegarowego, mówimy wtedy o przerzutniku synchronicznym. Podstawowymi typami przerzutników synchronicznych są: RS, D, T i JK.

2. Podział przerzutników bistabilnych

Jeśli o wartości zmiennej wyjściowej przerzutnika decydują tylko wejścia asynchroniczne to mamy do czynienia z przerzutnikiem asynchronicznym W przerzutniku tym informacja na wyjściu pojawia się w chwilach uzależnionych tylko od zmiany stanu na jego wejściach. Do tej grupy zaliczamy głównie przerzutnik s r.

Wejścia asynchroniczne - to takie, w których zmiana wartości informacji wywołuje bezpośrednio zmianę wartości zmiennych wyjściowych. Wejścia asynchroniczne - oznaczone są małymi literami.

Gdy stan przerzutnika ulega zmianie pod wpływem impulsu zegarowego, mówimy wtedy o przerzutniku synchronicznym. Podstawowymi typami przerzutników synchronicznych są: RS, D, T i JK.

Wejścia synchroniczne - używane są do wywołania zmiany wartości zmiennych wyjściowych, ale zmiana następuje w takt impulsu synchronizującego, zwanego też impulsem zegarowym (ang. clock) lub taktującym. Brak impulsu taktującego oznacza, że przerzutnik nie będzie reagował na zmiany wartości zmiennych informacyjnych synchronicznych przerzutnika. Wejścia synchroniczne - oznaczone dużymi literami.

Przerzutniki bistabilne dzielimy na:

• asynchroniczne - stan wyjścia zmienia sie natychmiast po zmianie stanu wejść

• synchroniczne - reaguje na stan wejść tylko w obecności sygnału zegarowego (taktującego)

• wyzwalane poziomem (zatrzaskowe)

• wyzwalane zboczem
  - narastającym
  - opadającym

• dwuzboczowe (master-slave)

W symbolach graficznych i wielu bardziej złożonych układów logicznych niektóre wejścia są oznaczone literą z zaznaczoną nad nią poziomą kreską (negacją). Oznacza to, że funkcja przypisana temu wejściu jest uaktywniana pojawieniem się na nim stanu logicznego 0 (poziomem aktywnym jest stan niski). Do zaznaczenia sposobu oddziaływania wejść na układ stosuje się również oznaczenia graficzne (rys.2).

Rys.2. Oznaczenia graficzne wejść przerzutnika.

3. Parametry przerzutników

Podstawowe parametry przerzutników to:

• czasy propagacji sygnałów od wejścia synchronizującego do wyjść
  i
  ,

• czasy propagacji sygnałów od wejść asynchronicznych do wyjść
  i
  ,

• czas ustalenia t_s (t setup),

• czas przetrzymywania t_h (t thold),

• minimalny czas trwania określonych sygnałów,

• maksymalna częstotliwość przebiegu synchronizującego.

Czas propagacji jest to czas, po którym następuje zmiana poziomu logicznego zmiennej wyjściowej przerzutnika.

Czas ustalania (t_s) jest to minimalny czas, w którym sygnał wejściowy musi być obecny na wejściach informacyjnych (synchronizowanych) przerzutnika przed nadejściem wyzwalającego zbocza impulsu synchronizacji.

Czas przetrzymywania (t_h) jest to minimalny czas, w którym sygnał wejściowy musi pozostać na wejściu informacyjnym (synchronizowanym) po wystąpieniu wyzwalającego zbocza sygnału synchronizacji.

4. Przerzutniki asynchroniczne

Najprostszym przerzutnikiem asynchronicznym jest przerzutnik s r. Posiada on dwa wejścia informacyjne s i r oraz dwa wyjścia Q i
. Wejścia s i r są wejściami asynchronicznymi, tzn. ich stany natychmiast oddziałują na wartości zmiennych Q i
.

W przerzutniku s r wyróżnia się cztery podstawowe cechy:

• dominujące wejście wpisujące,

• dominujące wejście zerujące,

• aktywny poziom (sygnał) wysoki H, (ustawienie wartości Q = 1 odbywa się sygnałem s = 1, jeśli s = 0 wtedy nie zmienia się stan układu),

• aktywny poziom (sygnał) niski L, (ustawienie wartości Q = 1 odbywa się sygnałem s = 0, jeśli s = 1 wtedy nie zmienia się stan układu),

Na podstawie wyżej wymieniony cech możemy zaprojektować cztery układy:

• aktywny sygnał wysoki i dominujący sygnał wpisujący,

• aktywny sygnał niski i dominujący sygnał wpisujący,

• aktywny sygnał wysoki i dominujący sygnał zerujący,

• aktywny sygnał niski i dominujący sygnał zerujący.

Opis pracy przerzutnika można przedstawić za pomocą tablicy charakterystycznej.

s^n	r^n	Q^n+1
0	0	Q^n
0	1	0
1	0	1
1	1	X

X - stan nieokreślony,

Qⁿ - stan poprzedni,

Tablica ta opisuje zależność wyjścia Q przerzutnika w chwili n + 1 od wartości zmiennych s i r w chwili n. Przykład tablicy dotyczy przerzutnika zmieniającego wartości na wyjściach Q pod wpływem wysokiego poziomu logicznego sygnału wejściowego. Stan „nieokreślony” w tablicy oznacza, że wartości zmiennych Qⁿ⁺¹ będą zależne od dominacji wybranego wejścia przerzutnika (dominuje s lub r).

5. Przerzutniki synchroniczne

Przerzutniki synchroniczne posiadają oprócz wejść informacyjnych synchronicznych i asynchronicznych także wejście synchronizujące, czyli wejście zegarowe.

Oddziaływanie stanu wejść informacyjnych na stan przerzutnika możliwe jest tylko w obecności impulsu zegarowego na wejściu C.

Działanie przerzutnika synchronicznego można ogólnie scharakteryzować w sposób następujący:

• na wejścia informacyjne synchroniczne podaje się odpowiednie stany, stosownie do tablicy stanów przerzutnika,

• impuls zegarowy umożliwia oddziaływanie tych stanów na stan przerzutnika,

• stany na wyjściach przerzutnika można ustalić przez chwilową lub dowolnie długo trwającą zmianę stanu wejść informacyjnych asynchronicznych niezależnie od impulsu zegarowego i stanu na wejściach informacyjnych synchronicznych; wejścia asynchroniczne zawsze mają priorytet w stosunku do innych wejść przerzutnika.

Działanie logiczne przerzutnika synchronicznego najczęściej ilustruje się za pomocą tablicy stanów oraz tablicy charakterystycznej, inaczej zwaną tablicą przejść (częściej używane).

W tablicy stanów są przedstawione stany na wejściach informacyjnych synchronicznych układu przed nadejściem impulsu zegarowego w chwili t_n (Qⁿ) oraz stany na wyjściach po wystąpieniu impulsu zegarowego w chwili t_n+1 (Qⁿ⁺¹).

W tablicy charakterystycznej w kolumnie odpowiadającej stanowi Qⁿ⁺¹ wpisuje się stan, jaki następuje po obecnym stanie Qⁿ, czyli przy danej kombinacji sygnałów wejściowych. W kolumnie Qⁿ⁺¹ mogą wystąpić różne symbole, które mają następujące znaczenie:

• 0 - zerowanie przerzutnika,

• 1 - ustawianie przerzutnika,

• Q_n - niezmieniony stan wyjścia,

• 
  - zmieniony stan wyjścia, (na przeciwny),

• X - niedozwolony stan na wejściu, tzn. że nie jest określony stan jaki pojawi się na wyjściach Q i
  . Na obu wyjściach mogą się pojawić zera lub jedynki.

Przerzutnik D (przepisujący) stanowi układ pamiętający, opóźniający i synchronizujący. Na rys. poniżej przedstawiono symbol graficzny przerzutnika D i tablice ilustrujące działanie.

a) symbol graficzny

b) tablica charakterystyczna, c) tablica stanów, d) tablica wzbudzeń

D^n	Q^n+1		Q^n	D^n	Q^n+1		Q^n	Q^n+1	D^n
0	0		0	0	0		0	0	0
1	1		0	1	1		0	1	1
			1	0	0		1	0	0
			1	1	1		1	1	1

Na jego wyjściu Q pojawi się w następnym takcie zegarowym (Qⁿ⁺¹) taki stan, jaki panował na wejściu informacyjnym D w bieżącym takcie zegarowym (Qⁿ).

Równanie logiczne przerzutnika D ma postać:

Qⁿ⁺¹ = Dⁿ

Przerzutnik typu D jest typowym przedstawicielem przerzutników, których wartość zmiennej ustalana jest w chwili osiągnięcia wysokiego poziomu (minimum 2,4 V) impulsu zegarowego, czyli w trakcie narastania sygnału taktującego.

Wartość zmiennej wejściowej D zostaje przesunięta na wyjście Q przednim (dodatnim) zboczem impulsu zegarowego i zapamiętana tak długo, dopóki nie pojawi się następny impuls taktujący. Poniżej przedstawiono przebiegi czasowe dla przerzutnika typu D.

Rys. Przebiegi czasowe dla przerzutnika typu D

Przerzutnik synchroniczny RS

Poniżej przedstawiono symbol graficzny przerzutnika RS i jego działanie.

a) symbol graficzny, b) tablica charakterystyczna c) tablica stanów

S^n	R^n	Q^n+1		Q^n	S^n	R^n	Q^n+1
0	0			0	0	0	0
0	1	0		0	0	1	0
1	0	1		0	1	0	1
1	1	X		0	1	1	X
				1	0	0	1
				1	0	1	0
				1	1	0	1
				1	1	1	X

Przerzutnik RS posiada dwa synchroniczne wejścia informacyjne (R i S), wejście zegarowe C oraz dwa wyjścia (Q i
).

Zależnie od trzech dozwolonych kombinacji stanów na dwóch wejściach informacyjnych RS, przerzutnik może spełniać 3 funkcje podczas wyzwalania go impulsem zegarowym:

1. nie zmienić stanu na wyjściach Q i
   , jeśli R = S = 0, czyli Qⁿ = Qⁿ⁺¹

2. przyjąć na wyjściu Q stan 0 i na wyjściu
   stan 1 (stan na wyjściu Qⁿ = 0), jeśli R = 1 i S = 0,

3. przyjąć na wyjściu Q stan 1 i na wyjściu
   stan 0 (stan na wyjściu Qⁿ = 1), jeśli R = 0 i S = 1.

Przy stanie R = S = 1 stan wyjściowy przerzutnika jest nieokreślony, tzn. że może zaistnieć albo stan Q = 0 i
= 1, albo Q = 1 i
= 0.

Przerzutnik synchroniczny JK - poniżej przedstawiono symbol graficzny oraz tablice ilustrujące jego działanie.

a) symbol graficzny, b) tablica charakterystyczna, c) tablica stanów,

J^n	K^n	Q^n+1		Q^n	J^n	K^n	Q^n+1
0	0			0	0	0	0
0	1	0		0	0	1	0
1	0	1		0	1	0	1
1	1			0	1	1	1
				1	0	0	1
				1	0	1	0
				1	1	0	1
				1	1	1	0

Dla przerzutnika JK dozwolona jest kombinacja sygnałów wejściowych J = K = 1, zmieniająca stany na wyjściach przerzutnika na przeciwne.

Bibliografia:

1. http://home.agh.edu.pl/~maziarz/LabPE/przerzutnik.html

D:\Fronter\EiEWPS\MATERIAŁY DYDAKTYCZNE\Klasa 3 TS\Dział 01 - PODSTAWOWE UKŁADY ELEKTRONICZNE\Materiały\11_Bistabilny przerzutnik elektroniczny.doc

7

Q

s

r

oddziałuje zbocze opadające

oddziałuje zbocze narastające

aktywny stan 0

r

s

Q

q

aktywny stan 1

Q

D

C

t

Przerzutnik asynchroniczny o aktywnym poziomie niskim i dominującym wejściu wpisującym

Przerzutnik asynchroniczny o aktywnym
poziomie wysokim i dominującym wejściem
zerującym

q

Asynchroniczne

wejście ustawiające

Asynchroniczne

wejście zerujące

Wyjścia

Q

r

s

C

t

t

D Q

C

K

Q

S Q

C

R

J

C

t

t

t

J Q

C

K

Synchroniczne

wejście informacyjne

Synchroniczne

wejście informacyjne

Wejście zegarowe

---