7. Przerzutnik

Przerzutnikiem nazywa się układ elektroniczny charakteryzujący się istnieniem dwóch stanów równowagi trwałej, przy czym w każdym z tych stanów przerzutnik może pozostawać dowolnie długo, natomiast przejście z jednego z stanów równowagi do drugiego następuje tylko pod wpływem zewnętrznego sygnału wyzwalającego. Zmiana stanu przerzutnika następuje skokowo, gdy sygnał wyzwalający osiągnie określoną wartość.

Rys. 7.1. Przerzutnik

Przerzutnik ma pewną ilość wejść i z reguły dwa wyjścia. Na wejście informacyjne podaje się odpowiednie stanu stosownie do przesyłanej informacji. Wejście taktujące (nazywane też zegarowym) służy do podawania sygnałów taktujących, wyzwalających działanie przerzutnika w układzie synchronizowanym. Wejścia przygotowujące (wpisujące i zerujące) służą do ustalenia stanu przerzutnika niezależnie od stanów wejść informacyjnych, a także stanu wejścia taktującego. Wyjścia przerzutnika Q tworzą przeciwstawną parę komplementarną Q i Q

jeżeli Q = 1, to Q = 0,

jeżeli Q = 0, to Q = 1.

Rys. 7.2. Przykład ogólny przerzutnika

7.1. Przerzutnik synchroniczny

Synchronicznym - nazywamy przerzutnik mający wejście synchronizujące, reagujące na informacje podawane na wejście informacyjne tylko w obecności sygnału taktującego.

Rys. 7.3. Symbol graficzny przerzutnika synchronicznego

7.2. Asynchroniczny przerzutnik RS

Przerzutnik RS powstaje przy połączeniu bramek logicznych NAND lub NOR. Przerzutnik ma dwa wejścia R i S oraz dwa wyjścia, przy czym sygnały obu wyjść muszą być wzajemną negacją.

Wejście S (od set - wstawić) powoduje ustawienie na wyjściu przerzutnika Q poziomu H.

Wejście R (od reset - kasować) służy do ustawiania na wyjściu sygnału L.

Rys. 7.4. a - Schemat logiczny bramki NOR lub NAND, b - symbol przerzutnika utworzonego z bramek NOR lub NAND

Bramka NAND zmienia stan po doprowadzeniu sygnału „0” na wejścia
R-S. Bramka NOR - zmienia stan przy doprowadzeniu do wejścia sygnału „1”.

Własności przerzutnika opisuje się podając tzw. tablicę prawdy, gdzie zapisuje się:

• stan wejść w chwili poprzedniej, oznaczonej t_n,

• stan wyjścia w chwili następnej, oznaczonej t_n+1.

Stanem aktywnym na wejściach przerzutnika zbudowanego z bramek NAND jest stan 0, czyli przerzutnik zmienia swój stan po podaniu na wejście R lub S sygnału logicznego 0, odwrotnie jest w przypadku przerzutnika utworzonego z bramek NOR, który jest wyzwalany stanem 1.

Dla przerzutnika zbudowanego z bramek NAND jest zabroniona kombinacja stanu wejść S = R = 0, a dla przerzutnika wykonanego z bramek NOR wyklucza się kombinację S = R = 1.

a) b)

	tn	tn+1					tn	tn+1
Rn	Sn	Qn+1				Rn	Sn	Qn+1
0	0	Qn				0	0	-
0	1	0				0	1	0
1	0	1				1	0	1
1	1	-				1	1	Qn

Rys. 7.5. Tablice przejść (prawdy) przerzutnika RS zbudowanego z bramek

a - NOR, b - NAND

Sygnały S = R = 1 dla przerzutnika zbudowanego z bramek NAND i sygnały S = R = 0 dla przerzutnika zbudowanego z bramek NOR pozostawiają przerzutnik w stanie poprzednim.

7.3. Przerzutnik JK

Przerzutnik JK może być uważany za rozwiniętą wersję przerzutnika RS. Wejścia J i K spełniają analogiczną funkcję jak R i S (J = set, K = reset i umożliwiają wcześniejsze przygotowanie stanu wyjść. Wejście C to wejście zegarowe (taktujące).

b)

Rn	Sn	Qn+1
0	0	Qn
0	1	0
1	0	1
1	1	Qn

Rys. 7.6. Przerzutnik JK

a - symbol, b - tablica prawdy

W przerzutniku tym jest możliwe jednoczesne doprowadzenie do obu wejść zarówno sygnału 1, jak i 0. Przy J = K = 0 przerzutnik JK zachowuje stan poprzedni, przy J = K = 1 zmienia stan na przeciwny.

Rys. 7.7. Schemat przerzutnika JK z bramką NAND

Przerzutnik JK znajduje zastosowanie przede wszystkim w budowie liczników i dzielników dziesiętnych.

Przerzutnik D

Przerzutnik D ma wejście C i wejście D (od angielskiego delay - opóźniać). Sygnał na wejściu D decyduje o tym, czy przy pojawieniu się impulsu zegarowego na wejściu C na wyjściu Q ustali się i zostanie zapamiętany poziom H czy L.

a) b)

D	Qn+1
0	0
1	1

Rys. 7.8. Przerzutnik typu D

a - symbol, b - tabela prawdy

Zasadniczą funkcją tego typu przerzutnika jest przekazywanie informacji z wejścia D na wejście Q, gdy na wejściu C pojawia się wartość logiczna 1. Informacja przekazywana jest tak długo, jak długo na wejściu C występuje stan 0. Przerzutnik wyzwalany jest przez poziom napięcia.

Rys. 7.9. Schemat przerzutnika D

Przerzutnik T

Przerzutnik T powstaje przez połączenie razem wejścia J i K przerzutnika JK w jedno wejście.

a) b)

T	Qn+1
0	Qn
1	Qn

Rys. 7.10. Przerzutnik T

a - symbol, b - tabela prawdy

Taki przerzutnik zmienia stan na wyjściu przy każdej zmianie sygnału na wejściu C z H na L, jeżeli na wejściu T jest stan wysoki. Znajduje on zastosowanie w dzielnikach binarnych.

7.6. Multiwibrator astabilny

Multiwibratory astabilne pracują w zakresie samowzbudzenia i nie mają stanów stabilnych. Mają one dwa stany niestabilne. Zadaniem multiwibratora astabilnego jest wytwarzanie nieprzerwanego ciągu impulsów prostokątnych lub o kształcie zbliżonym do prostokątnego o współczynniku wypełnienia 0,5 do 0,95.

Rys. 7.11. Symbol multiwibratora astabilnego

Multiwibrator astabilny jest to najczęściej dwustopniowy wzmacniacz oporowy o silnym dodatnim sprzężeniu zwrotnym.

Rys. 7.12. Generator astabilny multiwibrator

Multiwibratory są to bramki sprzężone kondensatorami.

Rys. 7.13. Wykres sygnału na wyjściu multiwibratora

Jeżeli R₁ = R₂ = R C₁ = C₂ = C

Częstotliwość drgań multiwibratora astabilnego można zmieniać sposobami:

• zmianą napięcia, do którego ładuje się kondensator,

• zmianą parametrów obwodu, przez które następuje rozładowanie,

• zmianą napięcia i parametrów obwodu jednocześnie.

7.7. Multiwibrator asymetryczny - przerzutnik Schmitta

Przerzutnik Schmitta należy do układów niesymetrycznych, których głównym przeznaczeniem jest kształtowanie impulsów prostokątnych z sygnałów o różnych kształtach.

Rys. 7.14. Symbol przerzutnika Schmitta

Przerzutniki Schmitta wykonuje się bądź jako inwentery, umieszczając je w jednym układzie scalonym, bądź jako bramki wielowejściowe NAND.

Rys. 7.15. Schemat układu przerzutnika Schmitta

Rys. 7.16. Działanie przerzutnika Schmitta

Jeżeli stosuje się przerzutnik Schmitta, to łatwo zbudować generator fali prostokątnej. O częstotliwości generacji decydują wartości R i C.

Rys. 7.17. Generator fali prostokątnej

7.8. Przerzutnik monostabilny

Przerzutnik monostabilny (mono - flop, single shot) posiada jeden stan stabilny i po przełączeniu przechodzi do drugiego stanu, który jest niestabilny.

Przerzutnik ten może być zewnętrznym źródłem sterującym, wprowadzonym ze stanu stabilnego tak, że na jego wejściu Q pojawi się w określonym czasie sygnał o poziomie przeciwnym do poziomu stabilnego.

Czas utrzymania się stanu niestabilnego zależy od wartości rezystancji i pojemności dołączonych na zewnątrz układu.

a) b)

Rys. 7.18. Symbol przerzutnika monostabilnego

a - jedno wyjście, b - dwa wyjścia

Przerzutnik monostabilny może być zbudowany z tranzystorów lub też z bramek NAND lub NOR.

Rys. 7.19. Przerzutnik monostabilny z dwóch bramek NAND

7.9. Kwarcowe generatory taktujące

Częstotliwość sygnału wytwarzanego przez generator taktujący musi być stabilizowana z określoną dokładnością. Możliwe jest to z zastosowaniem generatora kwarcowego z tzw. stabilizacją termiczną (termostatem kwarcu).

Układy generatorów kwarcowych mogą być wykonane jako dyskretne (z zastosowaniem tranzystorów) lub też z użyciem cyfrowych układów scalonych.

Na wyjściu generatora umieszcza się stopień formujący, który ma za zadanie ukształtowanie sygnału wyjściowego w falę prostokątną wymaganą do sterowania układów cyfrowych.

Rys.7.20. Zegar kwarcowy

Zegar kwarcowy stanowi jedno z rozwiązań generatora kwarcowego. Zastosowano w tym układzie trzy bramki NAND, przy czym dwie pierwsze służą jako właściwy generator, natomiast trzecia jako układ odsprzęgający. Za pomocą trymera C_T1, koryguje się częstotliwość drgań, a kondensator C uniemożliwia powstawanie oscylacji o częstotliwości większej od podstawowej. Rezystory tworzą obwody sprzężenia zwrotnego w każdej z bramek NAND i dzięki nim charakterystyki są liniowe, a wzmocnienie zmniejszone.

Generatory kwarcowe umieszczone w termostatach charakteryzują się dużą stabilnością, małą wrażliwością na zmiany temperatury, lepszymi własnościami szumowymi.

---