I Wstęp teoretyczny

Bramki elementarne.

• Bramka AND

Symbol bramki AND dwuwejściowej przedstawiono na Rys. 1a. Z narysowanej obok tablicy prawdy (Rys. 1b) wynika, że na wyjściu występuje poziom H tylko wtedy, gry na obydwu wejściach A i B występują sygnały H. Podobnie przedstawia się sytuacja w przypadku bramki AND trójwejściowej (Rys. 1c) opisanej przytoczoną tablicą prawdy (Rys. 1d). Obwody typu AND mogą mieć 2, 3 lub więcej wejść, zależnie od tego, ile zmiennych wejściowych ma być wzajemnie skojarzonych przez tzw. iloczyn logiczny. Zapis funkcji bramki AND przedstawia się w algebrze logiki następująco:
.

		A	B	Q
			H	H	H
			H	L	L
			L	L	L
			L	H	L
Rys.1a	Rys.1b

		A	B	C	Q
			H	H	H	H
			H	H	L	L
			H	L	H	L
			H	L	L	L
			L	H	H	L
			L	H	L	L
			L	L	H	L
			L	L	L	L
Rys. 1c		Rys. 1d

• Bramka NAND

W określonych przypadkach celowe jest zastosowanie bramki o funkcji odwrotnej niż w bramce AND. Oznacza to, że na wejściu musi się pojawiać poziom H wtedy, gdy którykolwiek z sygnałów wejściowych ma poziom L. Taką właściwość wykazuje bramka zwana NAND, którą można uważać za szeregowe połączenie bramki AND i inwertera tak, jak pokazano na rysunku 2a. Symbol i tablicę prawdy elementu pokazano odpowiednio na rysunku 2b i 2c. Zapis funkcji logicznej NAND ma postać:
(co wymawiamy: A i B jest równe Q zanegowanemu).

		Rys. 2a

		A	B	Q
			H	H	L
			H	L	H
			L	H	H
			L	L	H
Rys. 2b	Rys. 2c

• Bramka OR

Symbol bramki OR i odpowiednią tablicę prawdy pokazano na rysunku 3a i 3b. Bramka OR może mieć podobnie jak bramka AND dwa lub więcej wejść. Oznacza to oczywiście, że tablica prawdy bramki o n wejściach zawiera 2ⁿ pozycji (wierszy). Jeżeli chcielibyśmy zdefiniować słownie funkcję bramki OR, stwierdzilibyśmy, że na jej wyjściu pojawia się sygnał H wtedy, gdy przynajmniej na jednym z wejść występuje poziom H.

		A	B	Q
			H	H	H
			H	L	H
			L	H	H
			L	L	L
Rys. 3a	Rys. 3b

• Bramka NOR

Podobnie jak w przypadku bramki NAND (Rys. 4b), bramkę NOR uzyskuje się przez połączenie bramki OR i inwertera (Rys. 4a). Oznacza to, że na wyjściu bramki NOR pojawi się sygnał H tylko wtedy, gdy do obydwu wejść będą doprowadzone sygnały L. Wykazano to w tablicy prawdy (Rys. 4c). Możliwe jest oczywiście stosowanie bramki NOR z większą niż 2 liczbą wejść.

		Rys. 4a

		A	B	Q
			H	H	L
			H	L	L
			L	H	L
			L	L	H
Rys. 4b	Rys. 4c

Przerzutnik RS.

Przerzutnik RS można zbudować z bramek NAND i NOR. W zależności od rodzaju wykonania, nieco różne jest jego działanie, jednak w obydwu przypadkach obowiązują ogólne zależności. Mianowicie, sygnałem wejściowym S (ang. Set) jest ustawiany na wyjściu Q poziom H, a sygnałem wejściowym R (ang. Reset) ustawiany jest na wyjściu Q poziom L (na wejściu
poziom H). Przerzutnik RS jest podstawowym - najprostszym układem pamiętającym (zwanym też zatrzaskiem, ang. Latch).

• Przerzutnik RS z bramek NAND.

Układ pokazano na rysunku 5a oraz 5b. Przy opisie działania zostanie przyjęte jako założenie, że w stanie początkowym na wyjściu Q występuje poziom L, a na
poziom H. Obydwa wyłączniki S1 i S2 są otwarte, czyli na obu wejściach R i S występuje poziom H. Jeżeli wyłącznik S1 zostanie zamknięty (nawet na krótko), to wejściu R pojawi się sygnał L. Wtedy na wyjściu Q pojawi się poziom H, a na
- poziom L, gdyż obydwa wejścia bramki 2 będą miały potencjał H. Jeżeli przy otwartym S1 zamknięty zostanie łącznik S2, to na wyjściu Q pojawi się poziom L, a na wyjściu
- poziom H, ponieważ obydwa wejścia bramki 1 mają potencjał H.

Niedopuszczalny jest natomiast przypadek, gdy na obydwu wejściach R i S wystąpi poziom L, gdyż stan wyjść przerzutnika nie będzie możliwy do określenia.

Rys. 5a	Rys. 5b

Tablica prawdy przerzutnika RS zrealizowanego za pomocą bramek NAND jest pokazana na rysunku 5c. W tablicy tej, stan początkowy przerzutnika jest podany w rubryce Q_a (stan przed pojawienie się określonych sygnałów na wejściach). Sygnał na wyjściu
jest zawsze przeciwny niż Q. Każdą kombinację sygnałów wejściowych powtórzono dwukrotnie, gdyż musi być podana dla dwu różnych stanów początkowych przerzutnika.

Możliwość	S	R	Qa	Qb
1	L	L	L	nieokreślony
		L	L	H	nieokreślony
	2	L	H	L	H
		L	H	H	H
	3	H	L	L	L
		H	L	H	L
	4	H	H	L	L
		H	H	H	H
Rys. 5c.

• Przerzutnik RS z bramek NOR.

Układ przedstawiono na rys. 6a. Również i w tym przypadku wejście S służy do ustawienia poziomu H na wyjściu Q i poziomu L na
. Wejście R umożliwia ustawienie poziomu L na Q i poziomu H na
.

Rys. 6a	Rys. 6b

Podobnie jak w poprzednim układzie, jako stan początkowy przyjęto, że wyłączniki S1 i S2 są rozwarte, a na wyjściu Q występuje poziom L. Na obydwu wejściach bramki 2 występuje poziom L, a zatem
ma potencjał H. Jedno z wejść bramki 1 ma potencjał H, zatem na wyjściu Q występuje poziom L. Jeżeli S2 zostanie na krótko zamknięty, to do jednego z wejść bramki 2 zostanie doprowadzony sygnał H i na wyjściu
pojawi się poziom L. Do obydwu wejść bramki 1 będzie doprowadzony sygnał L, a zatem na wyjściu Q będzie potencjał H. W odróżnieniu od przerzutnika RS zbudowanego z bramek NAND przerzutnik na bramkach NOR jest ustawiany przez doprowadzenie sygnału H do wejścia S i kasowany również przez sygnał H na wejściu R. Kombinacja, w której do obydwu wejść R i S doprowadzono poziom H, jest niedopuszczalna.

Podanemu opisowi działania przerzutnika RS z bramek NOR odpowiada tablica prawdy z rysunku 6c. Jak widać, przy doprowadzeniu do obydwu wejść sygnału L, stan przerzutnika nie ulega zmianie.

Możliwość	S	R	Qa	Qb
1	L	L	L	L
		L	L	H	H
	2	H	L	L	H
		H	L	H	H
	3	L	H	L	L
		L	H	H	L
	4	H	H	L	nieokreślony
		H	H	H	nieokreślony
Rys. 6c.

• Przerzutnik RS z wejściem taktującym.

Ten typ przerzutnika charakteryzuje się tym, że odpowiadające sygnałom wejściowym stany wyjść zostają ustawione dopiero po pojawieniu się zbocza impulsu taktującego. Wejścia R S są w przerzutniku wraz z wejściem taktującym tzw. wejściami przygotowującymi. Przykład przerzutnika z wejściem taktującym, oznaczonym przez T lub częściej C pokazano na rysunku 7a (symbol przerzutnika - rys. 7b).

Rys. 7a	Rys. 7b

C	S	R			Zmiana Q po:
L	L	L	L	L	x
L	L	H	L	L	x
L	H	L	L	L	x
L	H	H	L	L	x
H	L	L	H	H	x
H	L	H	H	L	L
H	H	L	L	H	H
H	H	H	L	L	-

x - stary stan Q niezmieniony (pamiętanie)

- - stan nieokreślony (wykluczyć).

Przerzutnik D.

W przerzutniku RS z wejściem taktującym może wystąpić kombinacja sygnałów wejściowych (C = R = S = H), przy której stan wyjść jest nieokreślony. Taka sytuacja została wyeliminowana w przerzutniku D. dzięki zastosowaniu inwertera przez jedną z bramek wejściowych, jak to pokazano na rys. 8a. W przerzutniku D występuje tylko jedno wejście ustawiające (D) oraz wejście taktujące (C).

Rys. 8a	Rys. 8b

D	C	Qa	Qn	funkcja zapamiętywania
L	L	L	L	X
L	H	L	L
H	L	L	L	X
H	H	L	H
L	L	H	H	X
L	H	H	L
H	L	H	H	X
H	H	H	H
Rys. 8c Diagram impulsowy w przerzutniku D.

Przerzutnik JK.

W przerzutniku JK, w odróżnieniu od przerzutników RS, są dozwolone wszystkie kombinacje sygnałów wejściowych. Oznaczenie wejść przygotowujących literami J i K jest przypadkowe i nie wiąże się z żadną funkcją tych wejść. Wejście J odpowiada funkcji wejścia S (Set) , a wejście K służy do kasowania, co jest równoznaczne z funkcją wejścia R (Reset). Ustawianie i kasowanie przerzutnika odbywa się w chwili, gdy na wejściu zegarowym pojawi się opadające zbocze sygnału. Przerzutnik JK często bywa stosowany jako dzielnik częstotliwości. Wejścia J i K są wtedy łączone równolegle i dołączane do punktu o potencjale H. Przełączenie przerzutnika następuje zawsze przy opadającym zboczu (zmiana z H na L) sygnału taktującego. Jeżeli obydwa wejścia J i K mają potencjał L, to mimo zmian sygnału taktującego wyjście przerzutnika pozostaje nie zmienione. Uproszczony schemat przerzutnika JK pokazano na rys. 9a (symbol - rys.9b). Jak widać chodzi tu o przerzutnik RS z wejściem taktującym o dwóch dodatkowych bramkach. Z podanej na rys. 9c tabeli wynika, że ustawianie przerzutnika (na wyjściu Q przerzutnika poziom H) następuje, gdy na wejściach J i C pojawi się potencjał H. Kasowanie (Q=L) ma miejsce, gdy na K i C wystąpi sygnał H.

Rys. 9a	Rys. 9b

możliwość	J	K	Qa	Qn
1	L	L	L	L
		L	L	H	H
	2	L	H	L	L
		L	H	H	L
	3	H	L	L	H
		H	L	H	H
	4	H	H	L	H
		H	H	H	L
Rys. 9c Tablica przełączeń przerzutnika JK.

Rejestry, rejestr przesuwający.

Rejestrem nazywamy układ służący do przechowywania informacji. Ze względu na sposób wprowadzania i wyprowadzania informacji rejestry dzielą się na:

• szeregowe, umożliwiające szeregowe wprowadzenie i wyprowadzenie informacji, tzn. kolejno bit po bicie,

• równoległe, umożliwiające równoległe wprowadzenie i wyprowadzenie informacji jednocześnie do wszystkich i ze wszystkich pozycji rejestru,

• szeregowo-równoległe, umożliwiające szeregowe wprowadzanie i równoległe wyprowadzanie informacji,

• równoległo-szeregowe, umożliwiające równoległe wprowadzanie i szeregowe wyprowadzanie informacji.

Rejestr przesuwny jest układem zawierającym kilka przerzutników. Istotą działania jest „przesunięcie” doprowadzonej do wejścia informacji (H lub L), przez wszystkie połączone szeregowo przerzutniki, w nie zmienionej postaci do wyjścia, za pomocą sygnału sterującego (taktującego) podanego do wyjścia C. Wówczas osiąga się to, że jeden impuls pozostaje przez wiele okresów taktowania o po ściśle określonej liczbie impulsów zegarowych pojawia się do wykorzystania na wyjściu.

Rejestry przesuwane są wykorzystywane, przykładowo, w obrabiarkach sterowanych numerycznie lub w reklamach typu „gazeta świetlna”. Tak zwane rejestry pierścieniowe powtarzają informację, co oznacza, że informacja nie ginie po liczbie taktów większej niż liczba przerzutników.

---