Serwis Edukacyjny
Nauczycieli
w I-LO w Tarnowie

Do strony głównej I LO w Tarnowie

Materiały dla uczniów liceum

  Wyjście       Spis treści       Poprzedni       Następny  

©2018 mgr Jerzy Wałaszek
I LO w Tarnowie

Autor artykułu: mgr Jerzy Wałaszek
Konsultacje: Wojciech Grodowski, mgr inż. Janusz Wałaszek

 

 

Elementy

Przerzutniki

Rozdziały artykułu:
Wstęp
Teoria
Warsztat
Elementy
    Przewody
    Złącza
    Baterie i akumulatory
    Obwody elektroniczne
    Przyciski
    Oporniki
    Kondensatory
    Diody
    Tranzystory
    Bramki cyfrowe
    Sieci logiczne
    Przerzutniki
Projekty

 

Co to jest przerzutnik

Bramka jest układem kombinatorycznym. Jej stan wyjściowy jest funkcją stanów wejściowych. W technice cyfrowej oprócz układów kombinatorycznych stosowane są również układy pamięciowe. Stan wyjściowy takiego układu zależy od jego stanu wewnętrznego, a sygnały wejściowe mogą na ten stan wewnętrzny wpływać. Przerzutnik (ang. flip flop) jest układem pamięciowym.

Nazwa przerzutnik wzięła się stąd, iż sygnały wejściowe mogą "przerzucić" pamiętany w przerzutniku stan wewnętrzny na przeciwny.

Pierwszy elektroniczny przerzutnik typu flip–flop wynaleziony został w roku 1919 przez dwóch naukowców – Williama Ecclesa i F.W. Jordana. Początkowo nazywano go układem przełączającym EcclesaJordana (ang. Eccles-Jordan trigger). Układ ten zbudowany był z dwóch aktywnych elementów elektronicznych – lamp elektronowych (pierwsze tranzystory wynaleziono dopiero w roku 1949). Angielska nazwa flip flop powstała później jako efekt naśladowania dźwięku wydawanego przez głośniki podłączone do wzmacniacza akustycznego sterowanego przez wymieniony przerzutnik.

Na kursie Eagle projektowaliśmy prosty przerzutnik z tranzystorów:

Przerzutnik ten działa w sposób następujący:

Z dwóch tranzystorów zawsze jeden będzie przewodził, a drugi będzie zablokowany. Załóżmy, że przewodzi tranzystor T1 i świeci dioda czerwona LED1.  Napięcie bazy T2 pobierane jest z kolektora T1. Ponieważ T1 przewodzi, to na jego kolektorze panuje niskie napięcie. Zatem baza T2 jest sterowana niskim napięciem, poniżej 0,65V. Powoduje to, że stan zablokowania T2 się utrzymuje. Baza T1 pobiera napięcie z kolektora T2. Skoro T2 jest zablokowany, to na jego kolektorze występuje wyższe napięcie, które powoduje wysterowanie bazy T1 i podtrzymanie przewodzenia T1. Widać z tego wyraźnie, że stan ten jest stabilny i sam się podtrzymuje.

Jeśli teraz naciśniesz przycisk W2, to zewrzesz bazę tranzystora T1 do masy. Tranzystor T1 zablokuje się i wzrośnie napięcie na jego kolektorze. To wyższe napięcie przeniesie się na bazę tranzystora T2 i odblokuje go. Dioda czerwona LED1 zgaśnie, a zaświeci się dioda zielona LED2. Gdy zwolnisz przycisk W2, to na baza tranzystora T1 będzie sterowana napięciem z kolektora tranzystora T2. Skoro tranzystor T2 przewodzi, to na jego kolektorze jest niskie napięcie. W efekcie tranzystor T1 pozostanie zablokowany, a tranzystor T2 będzie odblokowany. Przerzutnik przełączył się w drugi stabilny stan. Naciśnięcie przycisku W1 z powrotem przywróci stan pierwotny.

Wygląda to niepozornie, ale tak właśnie działa przerzutnik: przełącza się pod wpływem sygnałów wejściowych i pamięta ten stan, dopóki inne sygnały wejściowe mu tego stanu nie zmienią.

 

Przerzutnik S-R

Najprostszy przerzutnik można zbudować z dwóch bramek typu NAND lub NOR. Nazywa się go przerzutnikiem S-R (ang. S-R Flip Flop, S-R = Set-Reset).
Przerzutnik S-R z bramek NAND   Przerzutnik S-R z bramek NOR
S R Q Q
0 1 1 0
1 0 0 1
1 1 Qn-1 Qn-1
0 0 1 1
     
S R Q Q
1 0 1 0
0 1 0 1
0 0 Qn-1 Qn-1
1 1 0 0

Przerzutnik S-R posiada dwa wejścia oznaczone:

S (ang. Set) – wejście ustawiające
R (ang. Reset) – wejście zerujące

oraz dwa wyjścia Q i Q. Na wyjściach tych pojawia się stan logiczny pamiętany w przerzutniku. Wyjście Q jest negacją wyjścia Q.

Dla przerzutnika z bramek NAND podanie stanu niskiego 0 na wejście S spowoduje ustawienie stanu 1 na wyjściu Q (na Q będzie negacja, czyli stan 0). Podanie stanu 0 na wejście R powoduje wyzerowanie przerzutnika, czyli ustawienie na wyjściu Q stanu 0. Gdy oba wejścia znajdą się w stanie wysokim 1, to przerzutnik utrzymuje swój poprzedni stan, co w tabelce funkcji oznaczamy jako Qn-1. Są to tzw. stany nieaktywne wejść. Jeśli oba wejścia przyjmą jednocześnie stan 0, to oba wyjścia przejdą w stan wysoki, lecz powrót wejść do stanu nieaktywnego spowoduje niezdefiniowane  zachowanie się przerzutnika (zależne od czasu propagacji bramek). Dlatego taki stan nazywa się stanem zabronionym i oznaczyliśmy go kolorem czerwonym. Należy go unikać

Przerzutnik z bramek NOR działa podobnie, tylko stanami aktywnymi są stany wysokie 1. Pobaw się apletami, które umieściliśmy powyżej.  Kolor czerwony oznacza stan wysoki , niebieski stan niski 0.

Działanie przerzutnika NAND oparte jest na sprzężeniu wyjść z wejściami. W ten sposób przerzutnik przełączony w określony stan utrzymuje go, gdy sygnały wejściowe są nieaktywne. Przeanalizujmy przerzutnik S-R z bramek NAND. Załóżmy, że na obu wejściach są stany wysokie 1, a na wyjściu Q jest stan 1. Sytuacja jest taka, jak na poniższym rysunku:

Ponieważ jedno z wejść bramki B2 jest połączone z wyjściem bramki B1 (sprzężenie zwrotne, czyli połączenie wejścia z wyjściem układu), to na obu wejściach bramki B1panują wysokie stany logiczne 1. Zgodnie z funkcją NAND realizowana przez bramkę B2 na jej wyjściu panuje wtedy stan 0. Z kolei jedno z wejść bramki B1 jest połączone z wyjściem bramki B2, zatem trafia tam stan 0 i stany obu wejść są różne.  To da stan 1 na wyjściu bramki B1 i stan w przerzutniku jest podtrzymywany samoczynnie. Przerzutnik pamięta ten stan:

Z uwagi na symetrię układu w sytuacji odwrotnej jest analogicznie. Jeśli na wyjściu Q panuje stan 0, to będzie on podtrzymywany przy stanach niskich na obu wejściach sterujących przerzutnika:

Teraz załóżmy, że wejście S przyjmuje stan niski 0, a wejście R pozostaje w stanie wysokim 1.

Bez względu na poprzedni stan przerzutnika na wyjściu bramki B1 zostanie wymuszony stan 1:

Gdy wejście S powróci do stanu nieaktywnego 1, to nowy stan przerzutnika zostanie podtrzymany,, jak pokazaliśmy wyżej. Zatem stan niski na wejściu S ustawia przerzutnik w stan 1, stąd nazwa angielska Set, czyli ustaw. Zwróć uwagę, że po ustawieniu stanu 1 na wyjściu Q, drugie wyjście Q przyjmuje stan przeciwny 0.

Ponieważ układ jest symetryczny, to podanie stanu 0 na wejście R spowoduje ustawienie wyjścia Q na 1, a Q na 0:

Tutaj również po powrocie wejścia R do stanu nieaktywnego 1 przerzutnik utrzyma nowy stan. Stan niski na wejściu R zeruje przerzutnik, dlatego przyjęto dla niego nazwę angielską Reset, czyli zeruj.

Przeanalizuj dokładnie powyższe rysunki i wyjaśnienia aż zrozumiesz zasadę działania przerzutnika S-R. Spróbuj w podobny sposób przeanalizować pracę przerzutnika z bramek NOR.

Przerzutniki S-R często są stosowane do odczytu stanu przełączników mechanicznych. Przełączniki te mają taką własność, iż w momencie przełączenia styki często wykonują drgania sprężyste, co powoduje powstawanie serii krótkich impulsów napięciowych, które mogą być szkodliwe dla układów cyfrowych (taka seria będzie interpretowana jako kilka wciśnięć przycisku):

Rozwiązaniem jest zastosowanie przerzutnika S-R z bramek NAND.

Drgania styków nie przeniosą się na wyjście, ponieważ sygnał wejściowy S lub R ustawi odpowiednio stan Y i ewentualne zmiany tego sygnału nie spowodują już zmiany poziomu logicznego wyjścia Y. Oporniki wymuszają stan wysoki na wejściach przerzutnika.

Ćwiczenie

Zbudujemy poniższy układ cyfrowy z przerzutnikiem S-R na dwóch bramkach NAND z układu SN7400.

SN7400: 4 x 2NAND


Spis elementów:

Element Ilość Opis
zasilacz 5V 1 zasilanie elementów
płytka stykowa + kable 1 montaż elementów
SN7400 1 4 bramki NAND
opornik 1kΩ/0,125W 2 –(                )–
opornik 270Ω/0,125W 2 –(                )–
Dioda LED czerwona 2 stany wyjść Q i Q
mikroprzełącznik 2 stan 0/1 na wejściu

Gdy nie jest naciśnięty żaden z dwóch przycisków, to na wejściach obu bramek pojawia się stan logiczny 1, ponieważ są one podłączone do +5V poprzez oporniki 1kΩ. Przy takich sygnałach sterujących przerzutnik utrzymuje (pamięta) ostatni swój stan. Jeśli teraz naciśniemy przycisk S, to wejście górnej bramki zostanie zwarte do masy, a zatem otrzyma stan logiczny 0. Spowoduje to wymuszenie stanu 1 na wyjściu tej bramki i zapali się dioda Q. Wyjście górnej bramki jest połączone z wejściem bramki dolnej. Zatem na obu wejściach dolnej bramki pojawi się stan logiczny 1. Bramka dolna ustawi na swoim wyjściu stan 0 i dioda Q zgaśnie (jeśli wcześniej była zapalona). Ponieważ układ jest symetryczny, to przy naciśnięciu przycisku R na wyjściu dolnej bramki pojawi się stan 1 i wymusi on stan 0 na wyjściu bramki górnej. A zatem przerzutnik przejdzie w stan "odwrotny". Jeśli naciśniesz oba przyciski naraz, to na obu wyjściach przerzutnika pojawi się stan logiczny 1 i obie diody zapalą się. Jest to stan zabroniony (nie w sensie jakiegoś zakazu, lecz w tym stanie wyjścia Q i Q nie są w stanach przeciwnych).

    

Synchroniczny przerzutnik S-R

Przy opisie sieci logicznych wspomnieliśmy o zjawisku hazardu, czyli nieokreślonych stanach w sieciach logicznych spowodowanymi różnymi czasami propagacji bramek. Sieć logiczna ustala się, gdy sygnał o najdłuższym czasie propagacji przejdzie z wejścia na wyjście. Sposobem radzenia sobie z hazardami jest wprowadzenie synchronizacji w postaci impulsów zegarowych, które są generowane z odpowiednio dobranymi przerwami. Czas pomiędzy impulsami zegarowymi sieć wykorzystuje na ustalenie swojego stanu logicznego, czyli na wygaśnięcie hazardów.

Przerzutnik S-R można łatwo tak zaprojektować, aby mógł zmieniać swój stan tylko w okresie, gdy sygnał zegarowy ma stan wysoki 1. Dzięki temu eliminujemy przypadkowe zmiany stanu przerzutnika spowodowane hazardami w sterującej nim sieci.

Wystarczy dodać na wejściu dwie bramki NAND dla przerzutnika S-R zbudowanego z bramek NAND lub dwie bramki AND dla przerzutnika zbudowanego z bramek NOR:

C S R Q Q
0 X X Qn-1 Qn-1
1 0 0 Qn-1 Qn-1
1 1 0 1 0
1 0 1 0 1
1 1 1 1 1
       

Przerzutnik synchroniczny S-R posiada dodatkowe wejście C (ang. Clock, zegar). Jeśli na tym wejściu panuje stan logiczny 0, to bramki wejściowe wymuszają stany nieaktywne sygnałów sterujących przerzutnikiem i przerzutnik pamięta swój poprzedni stan bez względu na zmiany wejść S i R (X w tabelce oznacza dowolny stan logiczny). Gdy na wejście C zostanie podany wysoki poziom logiczny 1, to bramki wejściowe odblokowują sygnały sterujące i przerzutnik może zmieniać swój stan.

Symbole graficzne przerzutników S-R

Na schematach ideowych przerzutniki zwykle przedstawia się w postaci prostokątów. Kółeczko na wejściu lub wyjściu oznacza negację sygnału lub aktywność przy niskim poziomie 0.

  Przerzutnik S-R.
Wejścia aktywne w stanie niskim
  Przerzutnik R-S typu Latch.
Wejścia aktywne w stanie wysokim.
  Synchroniczny przerzutnik S-R.
Wejścia aktywne w stanie wysokim
przy wysokim stanie wejścia C.

 

 

Przerzutnik D

xxx

 

Przerzutnik J-K

xxx

 

Przerzutnik T

xxx

 

Zespół Przedmiotowy
Chemii-Fizyki-Informatyki

w I Liceum Ogólnokształcącym
im. Kazimierza Brodzińskiego
w Tarnowie
ul. Piłsudskiego 4
©2018 mgr Jerzy Wałaszek

Materiały tylko do użytku dydaktycznego. Ich kopiowanie i powielanie jest dozwolone
pod warunkiem podania źródła oraz niepobierania za to pieniędzy.

Pytania proszę przesyłać na adres email: i-lo@eduinf.waw.pl