Przerzutnik scalony typu JK Master - Slave

Opracował: Jacek Bura

Przerzutnik złożony wyzwalany impulsem (two-edge triggered flip-flops) typu JK-MS

Przerzutniki JK-MS stosuje się między innymi do układów jako: liczniki oraz rejestry przesuwające. Przerzutnik JK-MS jest to taki przerzutnik, który zapamiętuje stany wejściowe, a następnie przekazuje je na wyjście dopiero wtedy, gdy wejście będzie zablokowane. Przerzutniki złożone, (bo takim jest JK-MS) składają się z dwu przerzutników prostych; przerzutnika głównego (master) na wejściu i przerzutnika pomocniczego (slave) na wyjściu. Po angielsku Master-Slave, oznacza w języku polskim Mistrz (pan) - Sługa. Przerzutnik JK-MS jest przerzutnikiem dwutaktowym, ponieważ potrzebne są dwa zbocza (dodatnie-narastające i ujemne-opadające), aby na wyjściu mógł pojawić się sygnał. Inaczej mówiąc, potrzebny jest jeden pełen impuls, aby na wyjściu pojawił się sygnał. Przerzutnik działa w ten sposób, że podczas pierwszego zbocza (narastającego) są próbkowane stany z wejść J i K, drugie zbocze (opadające) powoduje zmianę na wyjściu przerzutnika zgodne z tablicą przejść (rys. 9).

Na rysunku 1 przedstawiony został symbol graficzny przerzutnika JK-MS. Widzimy tutaj dwa wejścia J i K, wejście C zegarowe, dwa wyjścia Q i
oraz dwa wejścia „SET” i „RESET” (często oznaczane jako S (set) i R (reset). Wejścia te działają niezależnie od wejścia zegarowego. Wejście S umożliwia ustawienie, a wejście R zerowanie przerzutnika pomocniczego. Wejścia R, S dominują nad wejściami J i K. Dla umożliwienia pracy synchronicznej (tj. sterowanej przebiegiem zegarowym) musi być spełniony warunek R = S = 0 lub
. Jak widać na rysunku 1 wejścia R i S reagują na ujemne zbocze sygnału (kółeczko na wejściu).

Na rysunku 2 przedstawiono schemat zasadniczy przerzutnika JK-MS. Jak można zauważyć składa się on z dwóch przerzutników JK reagujących na dodatnie zbocze impulsu taktującego. Sygnał taktujący do pierwszego przerzutnika (Master) został dołączony bezpośrednio, natomiast do drugiego przerzutnika (Slave) poprzez inwerter (negator).

Na rysunku 3 pokazano przerzutnik typu master-slave zbudowany z dwu kluczowanych przerzutników JK (pierwszy przerzutnik-Master składa się z bramek 1, 2, 3, 4 natomiast drugi przerzutnik-Slave z bramek 5, 6, 7, 8). Oba przerzutniki są blokowane na przemian sygnałem zegarowym C. Do inwersji sygnału zegarowego służy bramka 9 (negator). Gdy sygnał zegara C = 1, informacja wejściowa jest wczytywana do przerzutnika głównego. Stan wyjść nie ulega zmianie, gdyż przerzutnik pomocniczy jest zablokowany. Gdy impuls zegara zmieni swój stan na C = 0, przerzutnik główny zostaje zablokowany i w ten sposób zostaje „zamrożona" informacja, która była na wejściu bezpośrednio przed ujemnym zboczem impulsu zegara. Równocześnie zostaje odblokowany przerzutnik pomocniczy i tym samym stan przerzutnika głównego zostaje przekazany na wyjście. Przesyłanie danych następuje wiec przy ujemnym zboczu sygnału zegara, nie ma jednak takiego stanu zegara, przy którym dane wejściowe oddziaływałyby bezpośrednio na wyjście, jak to ma miejsce w przerzutnikach prostych (transparent flip-flops).

Na rysunku 3 zaznaczono dwa połączenia pogrubioną linią. Połączenia te mają charakter sprzężenia zwrotnego. Służą one do tego, aby dla przerzutnika nie była zabroniona kombinacja J = K = 1. Dla takiej kombinacji następuje zmiana stanu wyjść na przeciwny. Gdyby jednak nie było tych dwóch połączeń to nasz przerzutnik byłby przerzutnikiem RS ( kombinacja R = S = 1 jest zabroniona).

Kombinacja J = K = 1 jest równoznaczna z podziałem częstotliwości przez dwa, jak to pokazano na rysunku 4. Dzięki temu przerzutniki JK master-slave umożliwiają szczególnie prostą budowę liczników.

Sprzężenie zwrotne wprowadza jednak ważne ograniczenie pracy przerzutnika JK: tablica przejść z rys. 9 obowiązuje tylko wówczas, gdy przy stanie zegara C = 1 stan wejść J, K nie ulega zmianie. Ponieważ przerzutnik główny może tu przerzucić tylko jeden raz i nie może już powrócić do poprzedniego stanu, ponieważ jedna z dwu bramek AND na wejściu jest zablokowana przez sprzężenie zwrotne. Nie dostrzeganie tego ograniczenia jest częstą przyczyną błędów w układach cyfrowych.

Istnieją specjalne typy przerzutników JK master-slave, niemające tego ograniczenia. W tych przerzutnikach, tzw. strobowanych (data lockout), jest wczytywany dokładnie ten stan wejść, który istnieje w chwili pojawienia się dodatniego zbocza impulsu zegarowego. Bezpośrednio za tym zboczem obie bramki wejściowe zostają zablokowane i nie reagują na zmiany stanów na wejściu, przedstawiono to na rys. 5.

O ile w przypadku zwykłego przerzutnika JK stany wejść J i K nie mogą się zmieniać w czasie stanu 1 na wejściu zegarowym, o tyle w przypadku przerzutnika strobowanego stany wejść J, K nie mogą się zmieniać tylko w czasie trwania dodatniego zbocza impulsu zegarowego. Cechą wspólną obu przerzutników jest to, że informacja wczytana na dodatnim zboczu impulsu zegara pojawia się na wyjściu dopiero przy ujemnym zboczu impulsu zegarowego.

Przerzutniki JK mają często więcej niż jedno wejście J albo K, doprowadzone do wewnętrznej bramki AND. Wewnętrzne zmienne J lub K są równe jeden tylko wtedy, kiedy wszystkie wejścia J lub K są równe jeden.

Tak, więc podsumowując, w działaniu przerzutnika typu JK-MS można wyróżnić 4 stany pracy (patrz rys. 3):

1. odizolowanie przerzutnika „slave" od przerzutnika „master" (zablokowanie bramek 5 i 6)

2. wpisanie informacji do przerzutnika „master" (otwarcie bramek 1 i 2)

3. odcięcie wejść stopnia „master" (zablokowanie bramek 1 i 2)

4. przepisanie informacji z przerzutnika „master" do przerzutnika „slave" (otwarcie bramek 3 i 4)

Na rysunku 6 zostały przedstawione przebiegi czasowe przerzutnika, JK-MS gdy J=K=1. Q' - stan na wyjściu przerzutnik Master, Q - stan na wyjściu przerzutnika Slave

Na kolejnych rysunkach (7-11) zostały przedstawione metody, które przedstawiają zasadę działania przerzutnika JK-MS. Znając któryś z niżej podanych sposobów opisu działania przerzutnika jesteśmy w stanie określić każdy inny.

Na rysunku obok (rys. 7) przedstawiono tablicę wzbudzeń. W opisie tym Q oznacza stan aktualny przerzutnika, a Q⁺ stan kolejny. Oznaczenia te obowiązują także dla następnych opisów działania przerzutnika JK-MS. Zgodnie z tymi oznaczeniami pierwszy wiersz tablicy czytamy następująco: przerzutnik zostaje w stanie 0, gdy na wejściu J jest stan 0, niezależnie od stanu K.

Na rysunku 8 przedstawiono tablicę charakterystyczną; czytamy ją następująco; gdy stan wejść informacyjnych JK=00, wówczas przerzutnik nie zmienia swojego stanu (Q⁺=Q, czyli stan następny jest taki sam jak aktualny).

Na rysunku 9 przedstawiono tablicę przejść. Czytamy ją następująco:, jeżeli na wejściach JK jest stan 00 i przerzutnik jest w stanie 0 (Q=0), to nie zmienia on swojego stanu.

Na rysunku obok przedstawiono tablicę przejść w układzie tablicy Karnaugha. Umożliwia ona ponadto uzyskanie równania logicznego opisującego dany przerzutnik.

Q⁺=J
+
Q

Na rysunku 11 pokazano ostatni sposób opisu przerzutnika JK-MS. Na niebieski kolor został zaznaczony sygnał taktujący, który podawany jest bezpośrednio do przerzutnika JK Master. Ten sam sygnał podawany jest na przerzutnik JK Slave poprzez negator (rys. 2). Na rysunku 11 widać, że oba te przebiegi są do siebie przeciwne (odwrócone), ale również to, że przebieg C_S jest przesunięty o 1/6 okresu w prawo. Wynika to z tego, iż bramka NOT (rys. 2 i rys.3 bramka 9) wprowadza opóźnienie (czas propagacji - t_p równy ok 10ns). Co zostało uwzględnione na rysunku 11. Przebiegi J_M i K_M zostały przeze mnie wymyślone. Rysowałem je tak, aby dodatnie lub ujemne zbocze nie występowało równo z dodatnim zboczem sygnału taktującego C_M (niebieska przerywana linia). Rysowanie takie pomogło mi w dalszej części rozpatrywania przebiegów wyjściowych. W ten sposób uniknąłem sytuacji trudnych (niejednoznacznych). Dla ułatwienia omawiania rysunku 11 pozwoliłem sobie ponumerować dodatnie zbocza sygnałów taktujących (na niebiesko C_M, na czerwono C_S).

Jako pierwsze rozpatrujemy wyjścia Q_M i
_M, które odpowiednio są wejściami dla przerzutnika JK Slave.

Przy pierwszym zboczu aktywnym przebiegu czasowego C_M J_M=0 i K_M=0 zgodnie z tablicą przejść (rys. 9) stan na wyjściu Q_M=0, a zatem
_M=1. Przy następnym zboczu aktywnym (2) J_M=1, K_M=1, czyli Q_M=1, Kolejne zbocze (3); J_M=1, K_M=1, czyli Q_M=0. Między 3 a 4 aktywnym zboczem na wejściu J_M pojawiło się logiczne zero, jest jednak tak umiejscowione, że nie oddziałowywuje w żaden sposób na nasz układ. Dalej przy zboczu 4 J_M=1, K_M=0 a zatem Q_M=1. Stan ten utrzymuje się na poziomie logicznej jedynki, dopóki na wejściu K_M nie pojawi się 1. Przy 7 zboczu na wejściu K_M pojawiła się 1, wobec tego na wyjściu ustala się logiczne zero. Stan ten ustalił się aż do 9 zbocza, gdy na oba wejścia (J_M i K_M) zostały podane jedynki. Zgodnie z rysunkiem 9 nasz przerzutnik działa jak podzielnik częstotliwości przez 2 (licznik do dwóch). Stan taki zachodzi w naszym przypadku do zbocza 16.

Dalsze rozpatrywanie tych przebiegów (J_M i K_M) po 16 zboczu jest zgodne z rysunkiem 9, ograniczę się tutaj do pokazania ich w formie tabeli.

zbocze	JM	KM	QM=JS	M=KS
17	0	0	1	0
18	0	0	1	0
19	1	1	0	1
20	1	1	1	0
21	0	1	0	1
22	0	1	0	1
23	0	0	0	1
24	0	1	0	1
25	1	1	1	0

Jak na razie zostały opisane wyjścia z przerzutnika JK Master. Jego wyjścia (Q_M i
_M) są zarazem wejściami następnego przerzutnika Slave (rys. 2) czyli Q_M=J_S i
_M=K_S. Na pierwszy rzut oka (rys. 11) zauważyć można, że wyjścia Q_S i
_S są przesunięte (opóźnione) względem Q_M i
_M o
. A więc przerzutnik JK-MS odpowiada dopiero po pełnym impulsie (plus odpowiednie czasy propagacji).

Analizując wyjścia przerzutnika JK Slave musimy brać pod uwagę sygnał taktujący zaznaczony na czerwono (C_S). Dla pierwszego i drugiego zbocza J_S=0 i K_S=1, toteż Q_S=0, a
_S=1. Przy 3 zboczu J_S=1 i K_S=0, w takim razie Q_S=1, a
_S=0.

Dalszą analizę przebiegów wyjściowych przedstawiono poniżej w tabeli. Chciałbym w tym momencie zauważyć, że wejście J_S nigdy nie będzie równe wejściu K_S (J_S≠K_S), ponieważ Q_S≠
_S.

zbocze	JS	KS	QS	S
4	0	1	0	1
5	1	0	1	0
6	1	0	1	0
7	1	0	1	0
8	0	1	0	1
9	0	1	0	1
10	1	0	1	0
11	0	1	0	1
12	1	0	1	0
13	0	1	0	1
14	1	0	1	0
15	0	1	0	1

zbocze	JS	KS	QS	S
16	1	0	1	0
17	1	0	1	0
18	1	0	1	0
19	1	0	1	0
20	0	1	0	1
21	1	0	1	0
22	0	1	0	1
23	0	1	0	1
24	0	1	0	1
25	0	1	0	1
26	1	0	1	0

Wybrane scalone przerzutniki JK

Rodzaj przerzutnika	Typ układu scalonego			Obudowa
		TTL	ECL		CMOS
	Standardowy	7473	10135	4027	do 7473 - 1
		7476
		74107			2
Strobowany	74LS111

Bibliografia:

• John Watson „Elektronika”

• M.Rusek, J.Pasierbiński „Elementy i układy elektroniczne w pytaniach i odpowiedziach” Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 1991r.

• Wojciech Głocki „Układy Cyfrowe” Wydawnictwo Szkolne i Pedagogiczne, Warszawa 1996

• Andrzej Marusak „Urządzenia elektroniki” wydanie 5, Wydawnictwo Szkolne i Pedagogiczne, Warszawa 1987r.

• U.Tietze, Ch.Schenk „Układy półprzewodnikowe” wydanie 3, Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa 1996r.

• P.Horwitz, W.Hill „Sztuka Elektroniki” wydanie 1, Wydawnictwo Komunikacji i Łączności, Warszawa 2001r.

• Katalog ELFA wydanie 50

1

Rys. 1

Rys. 3

Rys. 2

Rys. 4

Rys. 5

Rys. 6

Q	Q^+	J	K
0	0	0	-
0	1	1	-
1	0	-	1
1	1	-	0

Rys. 7

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

Rys. 8

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

Rys. 9

JK^Q	0	1
00	0	1
01	0	0
11	1	0
10	1	1

Rys. 10

C_S

J_M

K_M

Q_M=J_S

Q_M=K_S

Q_S

Q_S

Rys. 11

Obudowa nr 2

Obudowa nr 1

t_p

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25

---