Set. Это переводит состояние выхода подачи тревожного сигнала на высокий уровень. Даже если температура снизится и переключатель разомкнется, сигнал тревоги будет продолжаться, поскольку последнее состояние было Set, а текущее состояние означает «нет изменений». Тревогу можно отключить только при нажатии оператором кнопки Reset.
Очень популярным вариантом использования схем с памятью является хранение двоичных чисел. Эти приборы часто называют регистрами, или запоминающими устройствами. Защелка D — один из типов элементов, являющихся основой построения регистров.
Как вы можете видеть на рис. 8.9, регистр выполнен на основе RS-защелки, чьи входы все время имеют противоположный уровень. Единственный случай, при котором может измениться статус выходного сигнала, это когда вход разрешения имеет высокий уровень. При этом выход всегда такой же, как и D-вход. Это часто называют прозрачным режимом. Когда на входе разрешения вновь установится низкий уровень, установившийся на Q уровень будет сохраняться даже при изменении входа D. Схема запомнила, или «защелкнула» заданную величину.
Рис. 8.9.D-защелка
Синхронные триггеры
Триггеры представляют собой защелки, которые могут изменять выход только при изменении сигнала на тактовом входе с одного уровня на другой. Чтобы отличить синхронные триггеры от асинхронных защелок, этот вход называют входом синхронизации. Системные часы представляют собой генератор прямоугольных импульсов, который определяет точное время, когда должно измениться состояние триггера.
Синхронный D-триггер работает, как и D-защелка, но он передает сигнал с входа на выход только во время прохождения тактового синхроимпульса. Триггеры обычно имеют также и набор асинхронных входов, которые называются Preset (Установка) и Clear (Сброс). Они называются асинхронными входами, поскольку выход отвечает на сигналы на этих входах в любое время, когда они активируются, независимо от входа синхронизации (рис. 8.10).
Рис. 8.10. D-триггер и его таблица истинности
JK-триггер похож на асинхронный RS-триггер-защелку. Вход J можно рассматривать как вход Set с активным высоким уровнем, а вход К как вход Reset с активным высоким уровнем. Кружок на входе синхронизации JK-триггера 7476, показанного на рис. 8.11 означает, что этот прибор срабатывает по отрицательному фронту. Выходы изменяются, когда уровень синхроимпульса переходит с высокого на низкий.
Рис. 8.11. JK-триггер и его временные диаграммы
Основное дополнение в JK-триггере заключается в том, что входы J и К могут активироваться одновременно. В этом режиме, называемым счетным, происходит переключение выхода при поступлении каждого синхроимпульса. Этот триггер также имеет асинхронные входы установки и сброса.
Счетчики
Режим переключения JK-триггера используется для построения счетных схем. Рассмотрим триггерную схему, показанную на рис. 8.12. Каждый выход Q используется для запуска входа синхронизации следующего триггера. На временной диаграмме обратите внимание на то, что каждый триггер переключается, когда предыдущий триггер изменяет состояние выхода с высокого на низкий.
Поскольку каждый триггер реагирует на изменение выхода предыдущего элемента, это соединение называется счетчиком со сквозным переносом.
Рис. 8.12.Использование JK-триггера для деления частоты синхроимпульсов
Заметьте, что максимальное количество состояний зависит от числа триггеров. Имеет место следующее соотношение:
Максимальное количество состояний = 2n, где n — количество триггеров.
Часто желательно изменить последовательность переключений, чтобы считать число состояний меньшее, чем максимальное. Наиболее распространенные счетчики работают в десятичной системе с 10 состояниями в каждом разряде. Построить подобный счетчик можно, как показано на рис. 8.13.
Рис. 8.13.Четырехразрядный десятичный счетчик
Триггер работает, как и обычный двоичный счетчик, до тех пор, пока число синхроимпульсов не превысит 9. Когда на выходе появляется число 1010, дешифратор опознает его и запускает линию сброса сигналом низкого уровня, что сразу сбрасывает выходное число с 1010 в 0000.
Счетчики можно также покаскадно соединять друг с другом. Например, для того чтобы сосчитать число минут от 0 до 59, цифровые часы должны иметь 2 счетчика. Первый считает от 0 до 9 (имеет десять состояний), после чего он снова сбрасывается в 0, самый старший разряд дает отрицательный фронт для инкрементирования второго счетчика. Второй счетчик считает от 0 до 5 (шесть состояний). В результате получается счетчик, который считает от 0 до 59 (шестьдесят состояний), как показано на рис. 8.14.
Рис. 8.14. Счетчик BCD, который считает от 0 до 59
В некоторые счетчики можно предварительно загрузить заданную величину, чтобы они считали от нее, возрастая до максимума, или убывая до минимума. Максимальную или минимальную величину часто называют конечным отсчетом, при достижении которого может происходить дешифрация этого события и повторная загрузка для начала следующего цикла. Например, счетчик может регистрировать количество объектов, которые находятся в коробке, емкостью 12 объектов. В счетчик записывается числом 1100 (двоичное) 12 при загрузке каждого объекта счетчик уменьшается на единицу. Когда счетчик достигает 0, дешифратор выдает импульс — сигнал для замены полной коробки на пустую.
Регистры сдвига
Регистры сдвига состоят из триггеров, которые соединяются для передачи информации от одного триггера другому, как показано на рис. 8.15. Регистры сдвига синхронизируются общим источником синхросигналов. Когда поступает активный фронт синхросигнала, установленное на последовательном входе число записывается в первый триггер. Предыдущее содержимое этого триггера записывается в следующий регистр и т. д. Диаграмма времени и график состояний на рис. 8.15 демонстрируют пример того, как исходное содержимое регистра 1101 сдвигается через QD, бит за битом. При этом новые последовательные данные (1100) поступают на QA через последовательный вход.
Рис. 8.15.Регистр сдвига на D-триггерах
Регистры сдвига можно соединить параллельно, аналогично счетчикам. Это полезно для преобразования параллельной формы представления двоичного числа (когда каждый вывод микросхемы соответствует определенному разряду) в последовательную форму, например, в последовательность импульсов, которую можно передать по одному проводу. На другом конце кабеля последовательные данные снова поступают в регистр, и из него считывается параллельная величина (рис. 8.16).
Рис. 8.16.Преобразования параллельных данных в последовательные и наоборот
Форма сигналов с временными характеристиками, приведенная на рис. 8.16, показывает распространенный формат асинхронной передачи данных. Асинхронная передача означает, что передатчик может послать символ в любое время. Передача такого рода может быть осуществлена по одной паре витых проводов: один провод для сигнала, другой — для земли. Стартовый бит необходим для оповещения приемника о предстоящей передаче данных.
Между передачами линия считается незанятой и всегда находится в состоянии логической 1. Стоповый бит обеспечивает, по крайней мере, время передачи 1 бита в незанятом режиме между символами.
Между стартовым и стоповым битом данные сдвигаются по одному биту, начиная с наименьшего.
Микросхемы, которые используются для последовательной передачи данных, представляют собой универсальные приемопередатчики. Эти приборы содержат отдельные регистры сдвига и все остальные схемы, которые необходимы для добавления стартовых и стоповых битов и координации работы.
Уровень сигналов ТТЛ (5 В) плохо подходит для передачи по длинным кабелям. Поэтому входные и выходные сигналы типичного приемо-передатчика проходят через схемы преобразования уровня ТТЛ (+5 В и земля) в +12 В и -12 В для логического 0 и 1, и, соответственно, наоборот.
Для передачи сигналов на большие расстояния и для повышения помехоустойчивости, например, на телефонной линии, логические сигналы необходимо промодулировать высокой частотой. Эту работу выполняет модем (сокращение от модулятор/демодулятор). Скорость передачи данных измеряется в бодах и представляет собой количество передаваемых в секунду бит. Сервисное обслуживание систем последовательной передачи данных часто включает тестирование целостности линии и правильного соединения приемника и передатчика.
Если сигнал не поступает, необходимо провести диагностику неисправности с помощью осциллографа для прослеживания сигнала между различными каскадами передатчика. Другой способ убедиться в том, что кабель и приемник работают нормально, заключается в замене передатчика на заведомо исправное или тестовое устройство, которое обычно выдает закодированные символы ASCII, например буквы от А до Z.
Сигналы в компьютерной системе связи университета Пурдю (Purdue) часто передаются по кабелю на несколько километров, через множество соединительных устройств и коммутационных панелей. Часто возникают проблемы в линиях. Был разработан специальный инструмент поиска неисправностей при последовательной передаче для идентификации проблемы и тестирования системы. Этот диагностический блок может передавать и принимать последовательные данные, выводя их на жидкокристаллический экран. Он может также провести полное тестирование кабелей. Для использования функции тестирования проводки специалист подключает набор диодов к одному концу кабеля, а тестовый прибор — к другому концу. Прибор посылает импульсы по каждому проводу и регистрирует сигналы, возвращающиеся по другим проводам. Оценивая ответный сигнал, тестовый прибор определяет наличие в каждом проводе обрывов, короткого замыкания и неправильного подключения к терминалам.