Ο σκανδαλιστής είναι ένα ψηφιακό στοιχείο, μια αμφιμονοσήμαντη συσκευή που μεταβαίνει σε μια κατάσταση και μπορεί να παραμείνει σε αυτή την κατάσταση επ' αόριστον ακόμη και όταν αφαιρούνται τα εξωτερικά σήματα. Κατασκευάζεται από λογικά στοιχεία πρώτου επιπέδου (AND-NE, OR-NE κ.λπ.) και αναφέρεται σε λογικές διατάξεις δεύτερου επιπέδου.
Στην πράξη, οι ενεργοποιητές διατίθενται ως μικροκυκλώματα σε ξεχωριστή συσκευασία ή ως στοιχεία σε μεγάλα ολοκληρωμένα κυκλώματα (LSI) ή προγραμματιζόμενες λογικές μήτρες (PLM).
Περιεχόμενα
Ταξινόμηση και τύποι χρονισμού ενεργοποίησης
Τα εναύσματα χωρίζονται σε δύο μεγάλες κατηγορίες
- Ασύγχρονη,
- Σύγχρονη (χρονισμένη).
Η θεμελιώδης διαφορά μεταξύ τους είναι ότι στην πρώτη κατηγορία συσκευών η στάθμη του σήματος εξόδου μεταβάλλεται ταυτόχρονα με τη μεταβολή του σήματος στην είσοδο (ή στις εισόδους). Οι σύγχρονοι ενεργοποιητές αλλάζουν κατάσταση μόνο όταν υπάρχει σήμα χρονισμού στην είσοδο που προβλέπεται για το σκοπό αυτό. Για το σκοπό αυτό παρέχεται μια ειδική έξοδος, η οποία συμβολίζεται με το γράμμα C (clock). Τα σύγχρονα στοιχεία χωρίζονται σε δύο κατηγορίες ανάλογα με τον τύπο της πύρωσης:
- δυναμική,
- στατικό.
Στον πρώτο τύπο, η στάθμη εξόδου αλλάζει ανάλογα με τη διαμόρφωση των σημάτων εισόδου τη στιγμή που εμφανίζεται η ανερχόμενη ακμή (leading edge) ή η πτωτική ακμή του παλμού ρολογιού (ανάλογα με τον συγκεκριμένο τύπο σκανδαλισμού). Οποιαδήποτε σήματα μπορούν να τροφοδοτηθούν στις εισόδους μεταξύ των εμφανιζόμενων ακμών (decays), η κατάσταση σκανδαλισμού δεν θα αλλάξει. Το δεύτερο δεν αλλάζει τη στάθμη, αλλά το ένα ή το μηδέν στην είσοδο Clock αποτελεί ένδειξη χρονισμού. Υπάρχουν επίσης σύνθετες συσκευές ενεργοποίησης, οι οποίες ταξινομούνται σύμφωνα με:
- Ο αριθμός των σταθερών καταστάσεων (3 και άνω, σε αντίθεση με 2 για τα βασικά στοιχεία),
- Αριθμός επιπέδων (επίσης περισσότερα από 3),
- Άλλα χαρακτηριστικά.
Τα σύνθετα στοιχεία έχουν περιορισμένη χρήση σε συγκεκριμένες συσκευές.
Τύποι σκανδάλων και πώς λειτουργούν
Υπάρχουν διάφοροι βασικοί τύποι σκανδάλων. Προτού εξηγηθούν οι διαφορές, αξίζει να σημειωθεί μια κοινή συνισταμένη: η έξοδος κάθε συσκευής τίθεται σε μια αυθαίρετη κατάσταση όταν εφαρμόζεται ρεύμα. Εάν αυτό είναι κρίσιμο για τη συνολική λειτουργία του κυκλώματος, πρέπει να προβλεφθούν κυκλώματα προρύθμισης. Στην απλούστερη περίπτωση, πρόκειται για ένα κύκλωμα RC που παράγει ένα σήμα ρύθμισης αρχικής κατάστασης.
Σκανδαλισμοί RS
Ο πιο συνηθισμένος τύπος ασύγχρονης δισταθούς διάταξης είναι ο σκανδαλιστής RS. Αναφέρεται ως σκανδάλη με ξεχωριστή ρύθμιση των καταστάσεων 0 και 1. Υπάρχουν δύο είσοδοι γι' αυτό:
- S - σύνολο,
- R - επαναφορά.
Έχει άμεση έξοδο Q και μπορεί επίσης να αντιστραφεί Q1. Η λογική στάθμη σε αυτή την έξοδο είναι πάντα αντίθετη από εκείνη του Q, γεγονός που είναι χρήσιμο κατά το σχεδιασμό κυκλωμάτων.
Η εφαρμογή θετικής στάθμης στην είσοδο S θα θέσει την έξοδο Q σε λογικό 1 (εάν υπάρχει αντίστροφη έξοδος, θα πάει στη στάθμη 0). Το σήμα μπορεί στη συνέχεια να αλλάξει όπως επιθυμείτε στην είσοδο ρύθμισης - η στάθμη εξόδου δεν θα επηρεαστεί. Εφόσον εμφανίζεται ένα στην είσοδο R. Αυτό θα θέσει τη σκανδάλη στην κατάσταση 0 (1 στον αντίστροφο ακροδέκτη). Η αλλαγή του σήματος στην είσοδο επαναφοράς δεν θα έχει καμία επίδραση στην περαιτέρω κατάσταση του στοιχείου.
Σημαντικό! Η επιλογή με λογικό 1 και στις δύο εισόδους απαγορεύεται. Η σκανδάλη θα τεθεί σε μια αυθαίρετη κατάσταση. Αυτή η κατάσταση πρέπει να αποφεύγεται κατά το σχεδιασμό κυκλωμάτων.
Το RS-Trigger μπορεί να κατασκευαστεί με κοινώς χρησιμοποιούμενα στοιχεία διπλής εισόδου I-NE. Η μέθοδος αυτή είναι εφικτή σε συμβατικά ολοκληρωμένα κυκλώματα καθώς και σε προγραμματιζόμενες μήτρες.
Η μία ή και οι δύο είσοδοι μπορούν να αντιστραφούν. Αυτό σημαίνει ότι σε αυτούς τους ακροδέκτες η σκανδάλη ελέγχεται από την εμφάνιση χαμηλής και όχι υψηλής στάθμης.
Εάν η σκανδάλη RS είναι κατασκευασμένη με στοιχεία διπλής εισόδου I-NE, και οι δύο είσοδοι θα είναι ανεστραμμένες - ελεγχόμενες από την παροχή ενός λογικού μηδενός.
Υπάρχει μια έκδοση της σκανδάλης RS με πύλη. Διαθέτει πρόσθετη είσοδο C. Η εναλλαγή πραγματοποιείται εάν πληρούνται δύο προϋποθέσεις:
- παρουσία υψηλής στάθμης στην είσοδο Set ή Reset,
- Παρουσία σήματος ρολογιού.
Ένα τέτοιο στοιχείο χρησιμοποιείται όταν ο χρόνος μεταγωγής πρέπει να καθυστερήσει, για παράδειγμα, κατά τη διάρκεια του τέλους των μεταβατικών φαινομένων.
D-triggers
Το D-trigger (διαφανής σκανδαλισμός, μανδαλωτής) ανήκει στην κατηγορία των συγχρονισμένων συσκευών, με χρονισμό στην είσοδο C. Διαθέτει επίσης μια είσοδο δεδομένων D (Data). Όσον αφορά τη λειτουργικότητα, η συσκευή είναι ένας σκανδαλιστής μίας εισόδου.
Όσο υπάρχει λογικό ένα στην είσοδο ρολογιού, το σήμα στην έξοδο Q επαναλαμβάνει το σήμα στην είσοδο δεδομένων (λειτουργία διαφάνειας). Μόλις η στάθμη του στροβοσκοπίου πέσει στο 0, η στάθμη στην έξοδο Q παραμένει η ίδια όπως ήταν τη στιγμή της πτώσης (latched). Με αυτόν τον τρόπο είναι δυνατό να κλειδώσετε τη στάθμη εισόδου στην είσοδο ανά πάσα στιγμή. Υπάρχουν επίσης ενεργοποιητές D που ενεργοποιούνται με ακμή. Μανδαλώνουν το σήμα στη θετική ακμή του strobe.
Στην πράξη, δύο τύποι διμεταβλητών διατάξεων μπορούν να συνδυαστούν σε ένα τσιπ. Για παράδειγμα, μια σκανδάλη D και μια σκανδάλη RS. Σε αυτή την περίπτωση οι είσοδοι Set/Reset έχουν προτεραιότητα. Εάν υπάρχει ένα λογικό μηδέν σε αυτά, το στοιχείο συμπεριφέρεται όπως ένας κανονικός ενεργοποιητής D. Εάν τουλάχιστον μία είσοδος έχει υψηλή στάθμη, η έξοδος τίθεται σε 0 ή 1 ανεξάρτητα από τα σήματα στις εισόδους C και D.
Η διαφάνεια του D-trigger δεν είναι πάντα ένα χρήσιμο χαρακτηριστικό. Για να αποφευχθεί αυτό, χρησιμοποιούνται διπλά στοιχεία (ενεργοποιητές flip-flop) που συμβολίζονται με τα γράμματα TT. Η πρώτη ενεργοποίηση είναι ένας απλός μανδαλωτής που επιτρέπει τη ροή του σήματος εισόδου στην έξοδο. Η δεύτερη σκανδάλη χρησιμεύει ως στοιχείο μνήμης. Και οι δύο χρονίζονται από την ίδια πύλη.
Οι ενεργοποιητές Τ .
Ο πυροκροτητής Τ είναι ένα μετρήσιμο αμφίδρομο στοιχείο. Η λογική είναι απλή, αλλάζει την κατάστασή της κάθε φορά που φτάνει στην είσοδό της η επόμενη λογική. Εάν στην είσοδό του εφαρμοστεί ένα παλμικό σήμα, η συχνότητα εξόδου θα είναι διπλάσια από τη συχνότητα εισόδου. Το σήμα στην αντίστροφη έξοδο θα είναι εκτός φάσης με την άμεση έξοδο.
Έτσι λειτουργεί ένας ασύγχρονος πυροκροτητής Τ. Υπάρχει επίσης μια σύγχρονη παραλλαγή. Όταν ένα παλμικό σήμα εφαρμόζεται στην είσοδο ρολογιού και υπάρχει ένα λογικό ένα στον ακροδέκτη Τ, το στοιχείο συμπεριφέρεται με τον ίδιο τρόπο όπως ένα ασύγχρονο στοιχείο - διαιρώντας τη συχνότητα εισόδου στο μισό. Εάν ο ακροδέκτης T είναι μηδέν, η έξοδος Q τίθεται σε χαμηλό επίπεδο ανεξάρτητα από την παρουσία πυλών.
JK σκανδαλίζει .
Αυτό το αμφίδρομο στοιχείο ανήκει στην καθολική κατηγορία. Μπορεί να ελέγχεται ξεχωριστά από τις εισόδους. Η λογική της ενεργοποίησης JK είναι παρόμοια με εκείνη του στοιχείου RS. Η είσοδος J (Job) χρησιμοποιείται για να θέσει την έξοδο σε ένα. Μια υψηλή στάθμη στον ακροδέκτη K (Keep) επαναφέρει την έξοδο στο μηδέν. Η θεμελιώδης διαφορά με τη σκανδάλη RS είναι ότι δεν απαγορεύεται η ταυτόχρονη εμφάνιση μονάδων στις δύο εισόδους ελέγχου. Σε αυτή την περίπτωση η έξοδος του στοιχείου αλλάζει την κατάστασή του σε αντίθετη.
Εάν οι έξοδοι Job και Keep είναι συνδεδεμένες, η σκανδάλη JK μετατρέπεται σε ασύγχρονη σκανδάλη T-μετρήσεων. Όταν ένας μαιάνδρος εφαρμόζεται στη συνδυασμένη είσοδο, η έξοδος θα είναι η μισή συχνότητα. Όπως και με το στοιχείο RS, υπάρχει μια χρονισμένη έκδοση της σκανδάλης JK. Στην πράξη, χρησιμοποιούνται κυρίως στοιχεία πύλης αυτού του τύπου.
Πρακτική εφαρμογή
Λόγω της ιδιότητάς τους να διατηρούν πληροφορίες ακόμη και όταν αφαιρούνται τα εξωτερικά σήματα, οι ενεργοποιητές μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως κύτταρα μνήμης με χωρητικότητα 1 bit. Ένας πίνακας μπορεί να κατασκευαστεί από μεμονωμένα στοιχεία για την αποθήκευση δυαδικών καταστάσεων - αυτή είναι η αρχή που χρησιμοποιείται για την κατασκευή στατικών μνημών τυχαίας προσπέλασης (SRAM). Ένα ιδιαίτερο χαρακτηριστικό αυτής της μνήμης είναι το απλό κύκλωμά της, το οποίο δεν απαιτεί πρόσθετους ελεγκτές. Ως εκ τούτου, αυτές οι SRAM χρησιμοποιούνται σε PLC και PM. Όμως η χαμηλή πυκνότητα εγγραφής εμποδίζει τη χρήση τέτοιων πινάκων σε Η/Υ και άλλα ισχυρά υπολογιστικά συστήματα.
Η χρήση των σκανδαλιστών ως διαιρέτες συχνότητας αναφέρθηκε παραπάνω. Τα διμεταβλητά στοιχεία μπορούν να συνδεθούν σε αλυσίδες για να αποκτήσουν διαφορετικούς συντελεστές διαίρεσης. Η ίδια αλυσίδα μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί ως μετρητής παλμών. Αυτό γίνεται με την ανάγνωση της κατάστασης των εξόδων από τα ενδιάμεσα στοιχεία σε κάθε χρονική στιγμή για την παραγωγή ενός δυαδικού κώδικα που αντιστοιχεί στον αριθμό των παλμών που φθάνουν στην είσοδο του πρώτου στοιχείου.
Ανάλογα με τον τύπο των εναυσμάτων που χρησιμοποιούνται, οι μετρητές μπορεί να είναι σύγχρονοι ή ασύγχρονοι. Η ίδια αρχή χρησιμοποιείται για τους μετατροπείς ακολουθιακού κώδικα σε παράλληλο κώδικα, αλλά εδώ χρησιμοποιούνται μόνο στοιχεία που μπορούν να γίνουν gated. Επίσης, οι ψηφιακές γραμμές καθυστέρησης και άλλα δυαδικά στοιχεία βασίζονται σε σκανδαλιστές.
Οι σκανδαλιστές RS χρησιμοποιούνται ως μανδαλωτές στάθμης (καταστολείς αναπήδησης επαφής). Εάν μηχανικοί διακόπτες (μπουτόν, διακόπτες) χρησιμοποιούνται ως πηγές λογικής στάθμης, το φαινόμενο αναπήδησης θα σχηματίσει πολλαπλά σήματα αντί για ένα όταν πατηθεί. Αυτό μπορεί να εξουδετερωθεί επιτυχώς με την ενεργοποίηση RS.
Το εύρος εφαρμογών των διμεταβλητών διατάξεων είναι ευρύ. Το εύρος των εργασιών που μπορούν να επιλυθούν με αυτά εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη φαντασία του σχεδιαστή, ιδίως στον τομέα των μη τυποποιημένων λύσεων.
Σχετικά άρθρα:
