Digitálne zariadenia: klopné obvody, komparátory a registre

Digitálne zariadenia sú postavené na logických prvkoch, preto sa riadia zákonmi logickej algebry. Základnými zariadeniami digitálnej techniky sú spolu s logickými zariadeniami klopné obvody.

Spúšťač (anglicky trigger - spúšť) - elektronické zariadenie, ktoré má dva stabilné stavy a dokáže preskočiť z jedného stavu do druhého vplyvom vonkajšieho impulzu.

Spúšťače alebo presnejšie spúšťacie systémy sa nazývajú veľká trieda elektronických zariadení, ktoré majú schopnosť dlhodobo zotrvať v jednom z dvoch stabilných stavov a striedať ich pod vplyvom vonkajších signálov. Každý spúšťací stav je ľahko rozpoznateľný podľa hodnoty výstupného napätia.

Každý stav spúšťania zodpovedá určitej (vysokej alebo nízkej) úrovni výstupného napätia:

1) spúšť je nastavená na jeden stav — úroveň «1».

2) klopný obvod sa resetuje — úroveň «0» na výstupe.

Ustálený stav zostáva ľubovoľne dlho a možno ho zmeniť externým impulzom alebo vypnutím napájacieho napätia. Che.klopný obvod je elementárny pamäťový prvok schopný uložiť najmenšiu jednotku informácie (jeden bit) „0“ alebo „1“.

Klopné obvody môžu byť postavené na diskrétnych prvkoch, logických prvkoch, na integrovanom obvode alebo sú súčasťou integrovaného obvodu.

Medzi hlavné typy klopných obvodov patria: RS-, D-, T-, a JK-flippery... Okrem toho sa klopné obvody delia na asynchrónne a synchrónne. Pri asynchrónnom ovládaní sa prepínanie z jedného stavu do druhého uskutočňuje priamo s príchodom signálu na informačný vstup. Synchronizované klopné obvody majú okrem dátových vstupov aj hodinový vstup. Ich spínanie prebieha len za prítomnosti povoľujúceho hodinového impulzu.

Spúšť RS má minimálne dva vstupy: S (set — set) — spúšť je nastavená na stav úrovne «1» a R (reset) — spúšť je resetovaná do stavu úrovne «0». (obr. 1).

V prítomnosti vstupu C je klopný obvod synchrónny — prepnutie klopného obvodu (zmena stavu výstupu) môže nastať až v momente príchodu synchronizačného (synchronizačného) impulzu na vstup C.

Obrázok 1 – Konvenčné grafické znázornenie klopného obvodu RS a účel záverov a) asynchrónne, b) synchrónne

Okrem priameho výstupu môže mať klopný obvod aj inverzný výstup, ktorého signál bude opačný.

Tabuľka 1 ukazuje stavy, ktoré môže klopný obvod nadobudnúť počas prevádzky. V tabuľke sú uvedené hodnoty vstupných signálov S a R v určitom časovom okamihu tn a stav klopného obvodu (priameho výstupu) v nasledujúcom čase tn + 1 po príchode ďalšieho strukoviny. Nový stav spúšťania je tiež ovplyvnený predchádzajúcim stavom Q n.

Che.ak je potrebné zapísať na spúšť «1» — dáme impulz na vstup S, ak «0» — pošleme impulz na vstup R.

Kombinácia S = 1, R = 1 je zakázaná kombinácia, pretože nie je možné predpovedať, aký stav nastane na výstupe.

Tabuľka 1 - Tabuľka stavov synchrónneho RS klopného obvodu

Činnosť klopného obvodu je možné vidieť aj pomocou časových diagramov (obr. 2).

Obrázok 2 – Časové diagramy asynchrónneho RS klopného obvodu

D-trigger (z angl. delay — delay) má jeden informačný vstup a hodinový (synchronizačný) vstup (obr. 3).

D-klopný obvod ukladá a ukladá na výstup Q signál, ktorý bol na dátovom vstupe D v čase príchodu hodinového impulzu C. klopný obvod ukladá informácie zapísané, keď C = 1.

Tabuľka 2-Tabuľka stavov D-flip-flopu

Obrázok 3 – D-spúšť: a) konvenčné grafické znázornenie, b) časové diagramy činnosti

T-spúšťače (z angl. tumble — prevrátenie, kotrmelce), nazývané aj počítacie žabky, majú jeden informačný vstup T. Každý impulz (dopad impulzu) T-vstupu (počítací vstup) prepne spúšť do opačného stavu.

Obrázok 4 ukazuje symboliku T-spúšťača (a) a časové diagramy činnosti (b).

Obrázok 4-T-klopný obvod a) konvenčný grafický zápis, b) časové diagramy činnosti c) tabuľka stavov

Spúšť JK (z anglického jump — jump — jump, keer — hold) má dva dátové vstupy J a K a hodinový vstup C. Priradenie pinov J a K je podobné ako priradenie pinov R a S, ale spúšť má žiadne zakázané kombinácie. Ak J = K = 1, zmení svoj stav na opačný (obr. 5).

Pri vhodnom zapojení vstupov môže spúšť vykonávať funkcie RS-, D-, T-triggerov, t.j. je univerzálny spúšťač.

Obrázok 5 -JK -flip-flop a) konvenčný -grafický zápis, b) skrátená tabuľka stavov

Komparátor (porovnať — porovnať) — zariadenie, ktoré porovnáva dve napätia — vstup Uin s referenčným Uref. Referenčné napätie je konštantné napätie s kladnou alebo zápornou polaritou, vstupné napätie sa v priebehu času mení. Najjednoduchší komparačný obvod založený na operačnom zosilňovači je znázornený na obrázku 6, a. Ak Uin Uop na výstupe U — us (obr. 6, b).

Obrázok 6 – Komparátor operačného zosilňovača: a) najjednoduchšia schéma b) výkonové charakteristiky

Porovnávač pozitívnej spätnej väzby sa nazýva Schmittova spúšť. Ak sa komparátor prepne z «1» na «0» a naopak pri rovnakom napätí, potom Schmittova spúšť - pri rôznych napätiach. Referenčné napätie vytvára obvod PIC R1R2, vstupný signál sa privádza na invertujúci vstup operačného zosilňovača. Obrázok 7, b, znázorňuje prenosovú charakteristiku Schmittovej spúšte.

Pri zápornom napätí na vstupe inventára OS Uout = U + sat. To znamená, že na neinvertujúci vstup pôsobí kladné napätie. Keď sa vstupné napätie zvyšuje, prúd Uin > Neinv. (Uav — spúšť) komparátor prejde do stavu Uout = U -sat. Na neinvertujúci vstup sa privádza záporné napätie. V súlade s tým, s poklesom vstupného napätia v okamihu Uin <Uneinv. (Uav — spúšť) komparátor prejde do stavu Uout = U + sat.

Obrázok 7 – Schmittova činnosť operačného zosilňovača: a) najjednoduchšia schéma b) výkonové charakteristiky

Príklad. Obrázok 8 zobrazuje schému relé-stykača na ovládanie elektrického motora, ktorý umožňuje jeho spustenie, zastavenie a spätný chod.

Obrázok 8 – Schéma riadenia motora relé-stykača

Komutácia elektromotora sa vykonáva pomocou magnetických štartérov KM1, KM2. Voľne uzavreté kontakty KM1, KM2 zabraňujú súčasnému chodu magnetických štartérov. Voľne otvorené kontakty KM1, KM2 zabezpečujú samosvornosť tlačidiel SB2 a SB3.

Na zlepšenie spoľahlivosti prevádzky je potrebné nahradiť riadiace obvody relé-stykača a silové obvody bezkontaktným systémom s použitím polovodičových zariadení a zariadení.

Obrázok 9 zobrazuje bezkontaktný riadiaci obvod motora.

Výkonové kontakty magnetických štartérov boli nahradené optosimistormi: KM1-VS1-VS3, KM2-VS4-VS6. Použitie optosimistorov umožňuje izolovať nízkoprúdový riadiaci obvod od výkonného napájacieho obvodu.

Spúšte zabezpečujú samosvorné tlačidlá SB2, SB3. Logické prvky A zabezpečujú súčasnú aktiváciu iba jedného z magnetických štartérov.

Keď sa tranzistor VT1 otvorí, prúd tečie cez LED diódy prvej skupiny opto-simistorov VS1-VS3, čím je zabezpečený tok prúdu cez vinutia motora.Otvorenie tranzistora VT2 napája druhú skupinu optosimistorov VS4 -VS6, zabezpečujúci otáčanie elektromotora v opačnom smere.

Obrázok 9 – Bezkontaktný riadiaci obvod motora

Register - elektronické zariadenie určené na krátkodobé ukladanie a konverziu viacmiestnych binárnych čísel. Register pozostáva z klopných obvodov, ktorých počet určuje, koľko bitov z binárneho čísla môže register uložiť — veľkosť registra (obr. 10, a). Na organizáciu činnosti spúšťačov možno použiť logické prvky.

Obrázok 10 — Register: a) všeobecné znázornenie, b) konvenčný grafický zápis

Podľa spôsobu vstupu a výstupu informácií sa registre delia na paralelné a sériové.

V sekvenčnom registri sú klopné obvody zapojené do série, to znamená, že výstupy predchádzajúceho klopného obvodu prechádzajú informáciami na vstupy nasledujúceho klopného obvodu. Vstupy klopných hodín C sú zapojené paralelne. Takýto register má jeden dátový vstup a riadiaci vstup – hodinový vstup C.

Paralelný register súčasne zapisuje do klopných obvodov, pre ktoré existujú štyri dátové vstupy.

Obrázok 10 zobrazuje UGO a pridelenie pinov štvorbitového paralelného sériového registra.