Синхронные SR-защелки

Часто бывает удобно сделать так, чтобы защелка меняла состояние только в опре­деленные моменты. Чтобы достичь этой цели, мы немного изменили основную схему и получили синхронную SR-защелку(рис. 3.22).

Тактовый п генератор

Рис. 3.22. Синхронная SR-защелка

Эта схема имеет дополнительный синхронизирующий вход, который обычно равен 0. Если этот вход равен 0, то оба выхода вентилей И равны 0 независимо от S и R, и защелка не меняет состояние. Когда значение синхронизирующего входа равно 1, действие вентилей И исчезает и состояние защелки становится зависи­мым от S и R. Для обозначения того факта, что синхронизирующий вход равен 1

Память

(то есть состояние схемы зависит от значений S и R), часто используется термин стробировать.

' До сих пор мы скрывали, что происходит, если S=R=1. И по понятным причи­нам: когда и R, и S в конце концов возвращаются к 0, схема становится недетерми­нированной. Единственное состоятельное положение при S=R=1 — это Q=Q=0, но как только оба входа возвращаются к 0, защелка должна перейти в одно из двух стабильных состояний. Если один из входов принимает значение 0 раньше, чем другой, оставшийся в состоянии 1 «побеждает», потому что когда один из вхо­дов равен 1, он управляет состоянием защелки. Если оба входа переходят к 0 од­новременно (что маловероятно), защелка переходит в одно из своих состояний наугад.

Синхронные D-защелки

Чтобы разрешить неопределенность SR-защелки (неопределенность возникает в случае, если S=R=1), нужно предотвратить появление подобной неопределенно­сти. На рис. 3.23 изображена схема защелки только с одним входом D. Так как входной сигнал в нижний вентиль И всегда является обратным кодом входного сигнала в верхний вентиль И, ситуация, когда оба входа равны 1, никогда не воз­никает. Когда D=l и синхронизирующий вход равен 1, защелка переходит в со­стояние Q=l. Когда D=0 и синхронизирующий вход равен 1, защелка переходит в состояние Q=0. Другими словами, когда синхронизирующий вход равен 1, теку­щее значение D отбирается и сохраняется в защелке. Такая схема, которая называ­ется синхронной D-защелкой,представляет собой память объемом 1 бит. Значение, которое было сохранено, всегда доступно на выходе Q. Чтобы загрузить в память текущее значение D, нужно пустить положительный импульс по линии синхрони­зирующего сигнала.

Рис. 3.23. Синхронная D-защелка

Такая схема требует наличия 11 транзисторов. Более сложные схемы могут хранить 1 бит, имея всего 6 транзисторов. На практике обычно используются по­следние.

Триггеры (flip-flops)

Многие схемы выбирают значение на определенной линии в определенный мо­мент времени и запоминают его. В такой схеме, которая называется триггером,

Глава 3. Цифровой логический уровень

переход состояния происходит не тогда, когда синхронизирующий сигнал равен 1, а во время перехода синхронизирующего сигнала с 0 на 1 (нарастающий фронт) или с 1 на 0 (задний фронт). Следовательно, длина синхронизирующего импульса не имеет значения, поскольку переходы происходят быстро.

Подчеркнем еще раз различие между триггером и защелкой. Триггер запускает­ся фронтом сигнала,а защелка запускается уровнем сигнала.Обратите внима­ние, что в литературе эти термины часто путаются. Многие авторы используют термин «триггер», когда речь идет о защелке, и наоборот¹.

Существует несколько подходов к разработке триггеров. Например, если бы существовал способ генерирования очень короткого импульса на нарастающем фрон­те синхронизирующего сигнала, этот импульс можно было бы подавать в D-за-щелку. В действительности такой способ существует. Соответствующая схема по­казана на рис. 3.24, а.

Время

Рис. 3.24. Генератор импульса (а); временная диаграмма для четырех точек на схеме (б)

На первый взгляд может показаться, что выход вентиля И всегда будет нуле­вым, поскольку функция И от любого сигнала с его инверсией дает 0, но на самом деле ситуация несколько более тонкая. При прохождении сигнала через инвертор происходит небольшая, но все-таки не нулевая задержка. Данная схема работает именно благодаря этой задержке. Предположим, что мы измеряем напряжение в четырех точках а, Ь, с и d. Входовый сигнал в точке а представляет собой длинный синхронизирующий импульс (см. нижний график на рис. 3.24, б). Сигнал в точке b показан над ним. Отметим, что этот сигнал инвертирован и подается с некоторой

В отечественной литературе термин «защелка» (latch) не используется, говорят о триггерах. Однако при этом вводится понятие Т-триггера, который здесь называется настоящим триггером. — Примеч. научн. ред.

Память

задержкой. Время задержки зависит от типа инвертора и обычно составляет не­сколько наносекунд.

Сигнал в точке с тоже подается с задержкой, но эта задержка обусловлена толь­ко временем прохождения сигнала (со скоростью света). Если физическое рассто­яние между а и с, например, 20 микрон, тогда задержка на распространение сигна­ла составляет 0,0001 не, что, конечно, незначительно по сравнению со временем, которое требуется на прохождение сигнала через инвертор. Таким образом, сиг­нал в точке с практически идентичен сигналу в точке а.

Когда входные сигналы b и с подвергаются операции И, в результате получает­ся короткий импульс, длина которого (Д) равна вентильной задержке инвертора (обычно 5 не и меньше). Выходной сигнал вентиля И — данный импульс, сдвину­тый из-за задержки вентиля И (см. верхний график на рис. 3.24, б). Этот времен­ной сдвиг означает только то, что D-защелка активизируется с определенной за­держкой после нарастающего фронта синхронизирующего импульса. Он никак не влияет на длину импульса. В памяти со временем цикла в 50 не импульс в 5 не (который сообщает, когда нужно выбирать линию D) достаточно короткий, и в этом случае полная схема может быть такой, какая изображена на рис. 3.25. Следует упомянуть, что такая схема триггера проста для понимания, но на практике обыч­но используются более сложные триггеры.

Рис. 3.25. D-триггер

Стандартные изображения защелок и триггеров показаны на рис. 3.26. На рис. 3.26, а изображена защелка, состояние которой загружается тогда, когда синхронизирующий сигнал СК (от слова clock) равен 1, в противоположность защелке, изображенной на рис. 3.26, б, у которой синхронизирующий сигнал обычно равен 1, но переходит на 0, чтобы загрузить состояние из D. На рис. 3.26, виг изображены триггеры. То, что это триггеры, а не защелки, показано с помощью уголка при синхронизиру­ющем входе. Триггер на рис. 3.26, в изменяет состояние на возрастающем фронте синхронизирующего импульса (переход от 0 к 1), тогда как триггер на рис. 3.26, г изменяет состояние на заднем фронте (переход от 0 к 1). Многие (хотя не все) защелки и триггеры также имеют выход Q, а у некоторых есть два дополнитель­ных входа: Set (установка) или Preset (предварительная установка) и Reset (сброс) или Clear (очистка). Первый вход (Set или Preset) устанавливает Q=l, а второй (Reset ила Clear) - Q=0.

Глава 3. Цифровой логический уровень

б в

Рис. 3.26. D-защелки и D-триггеры