12. Основные цифровые элементы, триггеры, регистры, счетчики, мультиплексоры, шифраторы.

Рези́стор - пассивный элемент электрической цепи, характеризуемый только сопротивлением электрическому току, т.е. для идеального резистора в любой момент времени должен выполняться закон Ома для участка цепи: мгновенное значение напряжения на резисторе пропорционально току проходящему через него  .

Триггер - класс электронных устройств, обладающих способностью длительно находиться в одном из двух устойчивых состояний и чередовать их под воздействием внешних сигналов. Каждое состояние триггера распознаётся по значению выходного напряжения. По характеру действия триггеры относятся к импульсным устройствам - их активные элементы (транзисторы, лампы) работают в ключевом режиме, а смена состояний длится очень короткое время. Отличительной особенностью триггера является свойство запоминания двоичной информации. Под памятью триггера подразумевают способность оставаться в одном из двух состояний и после прекращения действия переключающего сигнала. Приняв одно из состояний за «1», а другое за «0», можно считать, что триггер хранит (помнит) один разряд числа, записанного в двоичном коде.

П ри изготовлении триггеров применяются преимущественно полупроводниковые приборы (обычно биполярные и полевые транзисторы), в прошлом - электромагнитные реле,электронные лампы. В настоящее время логические схемы, в том числе с использованием триггеров, создают в интегрированных средах разработки под различные программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС). Используются, в основном, в вычислительной технике для организации компонентов вычислительных систем: регистров, счётчиков,процессоров, ОЗУ. Есть RS, D, T, JK-триггеры.

Регистры - устройства, выполняющие функции приема, хранения, передачи и преобразования информации. Регистры – самые распространенные узлы цифровых устройств. Информация в регистре хранится в виде двоичного кода. Регистр представляет собой упорядоченную последовательность триггеров, число которых соответствует числу разрядов в слове. Каждому разряду числа, записанного в регистр, соответствует свой разряд регистра, выполненного на основе D-триггера.

Над словами выполняется ряд операций: прием, выдача, хранение, сдвиг в разрядной сетке, поразрядные логические операции, преобразование информации из одного вида в другой (последовательного кода в параллельный и наоборот)

Основным классификационным признаком, по которому различают регистры, является способ записи информации или кода в регистр. По этому признаку можно выделить регистры 3 типов: параллельные, последовательные и паралл.-послед.

В параллельные регистры запись числа осуществляется параллельным кодом, т.е. во все разряды одновременно. Последовательные регистры характеризуются последовательной записью кода числа, начиная с младшего или старшего разряда, путем сдвига кода тактирующими импульсами. Регистры параллельно-последовательного типа имеют входы как для параллельной, так и для последовательной записи числа.

По назначению регистры подразделяются на накопительные (регистры памяти, хранения) и сдвигающие.

Основой построения регистров являются D-триггеры. Принцип построения простейшего параллельного n-разрядного регистра показан на Рис.1 Последовательные регистры, помимо хранения информации, способны преобразовывать последовательный код в параллельный и наоборот. При построении последовательных регистров триггеры соединяются последовательно путем подключения выхода Q i-го триггера к входу D i-го триггера. Рис.2

Счетчик – устройство, на выходах которого получается двоичный (двоично-десятичный) код, определяемый числом поступивших импульсов. Счетчики строятся на Т-триггерах. Основной параметр счетчика – модуль счета – максимальное число единичных сигналов, которое может быть сосчитано счетчиком. Счетчики обозначают через СТ (counter). Счетчики классифицируют:

1. По модулю счета: - двоично-десятичные; - двоичные; - с произвольным постоянным модулем счета; - с переменным модулем счета; 2. По направлению счета: - суммирующие; - вычитающие; - реверсивные; 3. По способу формирования внутренних связей: - с последовательным переносом; - с параллельным переносом; - с комбинированным переносом; - кольцевые.

В суммирующем счетчике состояние счетчика (двоичный код на его выходах) с каждым импульсом увеличивается на единицу. Принцип построения и таблица истинности суммирующего счетчика приведены на Рис.1 (сдвоен).

Рис.2. Через К_СЧ обозначен модуль счета (коэффициент счета импульсов). Состояние левого триггера соответствует младшему разряду двоичного числа, а правого – старшему разряду. В исходном состоянии на всех триггерах установлены логические нули. Каждый триггер меняет свое состояние лишь в тот момент, когда на него действует отрицательный перепад напряжения. Данный счетчик реализует суммирование входных импульсов. Частота каждого последующего импульса в два раза меньше, чем предыдущая, т. е. каждый триггер делит частоту входного сигнала на 2, что и используется в делителях частоты.

В вычитающем счетчике состояние счетчика (двоичный код на его выходах) с каждым импульсом уменьшается на 1. В чистом виде Т-триггеров в интегральном исполнении нет. Т-триггеры получаются путем преобразования D и JK-триггеров. Если количество триггеров в счетчике ограничено и равно n, а число поступающих импульсов не ограничено, то двоичный код, формируемый на выходах суммирующего счетчика, будет меняться от минимального значения (0) до максимального (2ⁿ – 1), повторяясь периодически через 2ⁿ импульсов.

При использовании вычитающего счетчика его состояние в пределах цикла будет уменьшаться от (2ⁿ–1) до нуля. Для однозначного фиксирования числа поступивших импульсов количество триггеров в счетчике должно быть равно:

, где  – количество триггеров в счетчике, – максимальное число импульсов, поступающих на вход счетчика.  

Примеры счетчиков: Счетчики К155ИЕ2 и К155ИЕ5.

Мультиплексор – функциональный узел, осуществляющий подключение (коммутацию) одного из нескольких входов данных к выходу. Номер выбранного входа соответствует коду, поданному на адресные входы мультиплексора. Аналогично шифраторам и дешифраторам, мультиплексоры бывают полными и неполными. В мультиплексоре имеются информационные, адресные входы и разрешающие (стробирующие). Разрешающие входы используют для расширения функциональных возможностей мультиплексора. Они используются для наращивания разрядности мультиплексора, синхронизации его работы с работой других узлов. Сигналы на разрешающих входах могут разрешать, а могут запрещать подключение определенного входа к выходу, т.е. могут блокировать действие всего устройства. Мультиплексоры обозначают как MUX (от англ. multiplexor) или MS (multiplexor selector). Схематически мультиплексор можно изобразить в виде коммутатора, обеспечивающего подключение одного из нескольких входов (информационных) к одному выходу устройства.

Четырехвходовый мультиплексор (4→1) изображен в виде коммутатора. Рис.1 (сдвоен)

Исходя из таблицы, можно записать следующее уравнение:

Y = D0( ) + D1(A0 ) + D2( A1) + D3(A0A1).

Мультиплексор предназначен для коммутации N каналов входных сигналов на одно устройство обработки в задаваемой очередности. Мультиплексор исп-ют в кач-ве универсального логического эл-та для реализации любой фун-ии с числом переменных = числу адресных входов мультиплексора. Рис.3

Каскадное включение мультиплексоров. Мультиплексоры являются универсальными логическими устройствами, на основе которых создают различные комбинационные и последовательностные схемы. Мультиплексоры могут использоваться в делителях частоты, триггерных устройствах, сдвигающих устройствах и др. Используют для преобразования параллельного двоичного кода в последовательный (надо подать на информационные входы мультиплексора параллельный двоичный код, а сигналы на адресные входы подавать в такой последовательности, чтобы к выходу поочередно подключались входы, начиная с первого и кончая последним).

Шифратор - логическое устройство, выполняющее преобразование позиционного кода в n-разрядный двоичный код. Шифратор - это комбинационное устройство, реализующее обратную дешифратору функцию. Дешифратор (декодер) – это узел, преобразующий код, поступающий на его входы, а сигнал только на одном из его выходов. На выходе шифратора (кодера) устанавливается двоичный код, соответствующий десятичному номеру информационного входа. Условное обозначение - СD (Сoder). Шифратор может быть использован как для представления (кодирования) десятичного числа двоичным кодом, так и для выдачи определенного кода при нажатии клавиши с соответствующим символом. При появлении этого кода система оповещается о том, что нажата определенная клавиша клавиатуры. Примеры шифраторов: клавиатура, мышь, пульт управления.

Двоичный шифратор выполняет логическую функцию преобразования n-ичного однозначного кода в двоичный. При подаче сигнала на один из n входов на выходе появляется двоичный код номера активного входа.

Если количество входов настолько велико, что в шифраторе используются все возможные комбинации сигналов на выходе, то такой шифратор называется полным, если не все, то неполным.

Для полного шифратора выполняется условие: n = 2^N, где n – число входов, N – число выходов. Сигнал, соответствующий "1", в каждый момент времени подается только на один вход. Схема шифратора, использующая элементы ИЛИ. Рис.1(сдвоен). Шифратор с приоритетом. В этих шифраторах код двоичного числа соответствует наивысшему номеру входа, на который подан сигнал «1». На приоритетный шифратор допускается подавать сигналы на несколько входов, а он выставляет на выходе код числа, соответствующего старшему входу. Рис.2

Шифратор имеет 9 инверсных входов, обозначенных через . Аббревиатура PR - «приоритет». Шифратор имеет четыре инверсных выхода . Аббревиатура B - «шина».

Приоритетный шифратор отличается от шифратора наличием дополнительной логической схемы выделения активного уровня старшего входа для обеспечения условия работоспособности шифратора (только один уровень на входе активный). Уровни сигналов на остальных входах схемой игнорируются.