Dispositivos digitais: flip-flops, comparadores e registradores

Os dispositivos digitais são construídos sobre elementos lógicos, portanto obedecem às leis da álgebra lógica. Os dispositivos básicos da tecnologia digital, juntamente com os dispositivos lógicos, são os flip-flops.

Gatilho (gatilho em inglês - gatilho) - um dispositivo eletrônico que possui dois estados estáveis ​​\u200b\u200be pode pular de um estado para outro sob a influência de um impulso externo.

Gatilhos ou, mais precisamente, sistemas de gatilhos são chamados de uma grande classe de dispositivos eletrônicos que têm a capacidade de permanecer em um dos dois estados estáveis ​​​​por um longo tempo e alterná-los sob a influência de sinais externos. Cada condição de disparo é facilmente reconhecida pelo valor da tensão de saída.

Cada estado de disparo corresponde a um determinado nível de tensão de saída (alto ou baixo):

1) o gatilho é definido para um estado — nível «1».

2) o flip-flop é resetado — nível «0» na saída.

O estado estacionário permanece pelo tempo desejado e pode ser alterado por um pulso externo ou desligando a tensão de alimentação. Che.um flip-flop é um elemento de memória elementar capaz de armazenar a menor unidade de informação (um bit) «0» ou «1».

Os flip-flops podem ser construídos em elementos discretos, elementos lógicos, em um circuito integrado ou fazer parte de um circuito integrado.

Os principais tipos de flip-flops incluem: flip-flops RS-, D-, T- e JK... Além disso, os flip-flops são divididos em assíncronos e síncronos. Na atuação assíncrona, a passagem de um estado para outro é feita diretamente com a chegada de um sinal à entrada de informação. Além das entradas de dados, os flip-flops sincronizados possuem uma entrada de clock. Sua comutação ocorre apenas na presença de um pulso de clock de habilitação.

Um gatilho RS tem pelo menos duas entradas: S (set — set) — o gatilho é definido para o estado de nível «1» e R (reset) — o gatilho é redefinido para o estado de nível «0». (Figura 1).

Na presença da entrada C, o flip-flop é síncrono - a comutação do flip-flop (mudança de estado da saída) pode ocorrer apenas no momento da chegada do pulso de sincronização (sincronização) na entrada C.

Figura 1 — Representação gráfica convencional do flip-flop RS e objetivo das conclusões a) assíncrono, b) síncrono

Além da saída direta, o flip-flop também pode ter uma saída inversa, cujo sinal será oposto.

A Tabela 1 mostra os estados que o flip-flop pode assumir durante a operação. A tabela mostra os valores dos sinais de entrada S e R em um determinado instante de tempo tn e o estado do flip-flop (da saída direta) no próximo instante de tempo tn + 1 após a chegada do próximo pulsos. O novo estado de disparo também é afetado pelo estado anterior de Q n.

Che.se for necessário escrever no gatilho «1» — damos um pulso na entrada S, se «0» — enviamos um pulso na entrada R.

A combinação S = 1, R = 1 é uma combinação proibida porque é impossível prever qual estado será estabelecido na saída.

Tabela 1 - Tabela de estado do flip-flop RS síncrono

A operação do flip-flop também pode ser vista usando diagramas de temporização (Fig. 2).

Figura 2 — Diagramas de temporização de um flip-flop RS assíncrono

D-trigger (do inglês delay — delay) tem uma entrada de informação e uma entrada de clock (sincronização) (Fig. 3).

O flip-flop D armazena e armazena na saída Q o sinal que estava na entrada de dados D no momento da chegada do pulso de clock C. o flip-flop armazena informações escritas quando C = 1.

Tabela 2-Tabela de estados do D-flip-flop

Figura 3 — D -trigger: a) representação gráfica convencional, b) diagramas de temporização da operação

Os gatilhos T (do inglês tumble — overturning, somersault), também chamados de flip-flops de contagem, têm uma entrada de informação T. Cada pulso (decaimento de pulso) da entrada T (entrada de contagem) muda o gatilho para o estado oposto.

A Figura 4 mostra a simbologia do gatilho T (a) e os diagramas de temporização da operação (b).

Figura 4-T-flip-flop a) notação gráfica convencional, b) diagramas de temporização da operação c) tabela de estado

Um gatilho JK (do inglês jump — jump, keer — hold) tem duas entradas de dados J e K e uma entrada de clock C. A atribuição dos pinos J e K é semelhante à atribuição dos pinos R e S, mas o gatilho tem sem combinações proibidas. Se J = K = 1, ele muda de estado para o oposto (Fig. 5).

Com a conexão apropriada das entradas, o gatilho pode executar as funções de gatilhos RS-, D-, T, ou seja, é um gatilho universal.

Figura 5 -JK -flip-flop a) notação gráfica convencional, b) tabela de estado abreviada

Comparator (compare — compare) — um dispositivo que compara duas tensões — entrada Uin com uma referência Uref. A tensão de referência é uma tensão constante com polaridade positiva ou negativa, a tensão de entrada muda com o tempo. O circuito comparador mais simples baseado em um amplificador operacional é mostrado na Figura 6, a. Se Uin Uop na saída U — nós (Figo. 6, b).

Figura 6 — Comparador Op-amp: a) o esquema mais simples b) características de desempenho

Um comparador de feedback positivo é chamado de gatilho Schmitt. Se o comparador mudar de «1» para «0» e vice-versa na mesma tensão, o gatilho Schmitt - em diferentes tensões. A tensão de referência cria um circuito PIC R1R2, o sinal de entrada é alimentado na entrada inversora do amplificador operacional. A Figura 7, b, mostra a característica de transferência do disparador Schmitt.

Em uma tensão negativa na entrada de inventário do SO Uout = U + sat. Isso significa que uma tensão positiva atua na entrada não inversora. À medida que a tensão de entrada aumenta, a corrente Uin > Uneinv. (Uav — gatilho) o comparador vai para o estado Uout = U -sat. Uma tensão negativa é aplicada à entrada não inversora. Consequentemente, com uma diminuição na tensão de entrada no momento Uin <Uneinv. (Uav — gatilho) o comparador entra no estado Uout = U + sat.

Figura 7 — Operação Schmitt de um amplificador operacional: a) o esquema mais simples b) características de desempenho

Um exemplo. A Figura 8 mostra um esquema de um relé-contator para controlar um motor elétrico, permitindo a partida, parada e reversão.

Figura 8 - Esquema de controle do motor do relé-contator

A comutação do motor elétrico é realizada pelos arrancadores magnéticos KM1, KM2. Os contatos livremente fechados KM1, KM2 impedem a operação simultânea de partidas magnéticas. Os contatos abertos livremente KM1, KM2 fornecem travamento automático dos botões SB2 e SB3.

Para melhorar a confiabilidade da operação, é necessário substituir os circuitos de controle do contator de relé e os circuitos de energia por um sistema sem contato usando dispositivos e dispositivos semicondutores.

A Figura 9 mostra um circuito de controle de motor sem contato.

Os contatos de energia dos acionadores magnéticos foram substituídos por opto-simistores: KM1-VS1-VS3, KM2-VS4-VS6. O uso de opto-simistores torna possível isolar um circuito de controle de baixa corrente de um poderoso circuito de alimentação.

Os gatilhos fornecem botões de travamento automático SB2, SB3. Os elementos lógicos AND asseguram o acionamento simultâneo de apenas uma das partidas magnéticas.

Quando o transistor VT1 abre, a corrente flui pelos LEDs do primeiro grupo de opto-simistores VS1-VS3, garantindo assim o fluxo de corrente pelos enrolamentos do motor. A abertura do transistor VT2 alimenta o segundo grupo de opto-simistores VS4 -VS6, garantindo a rotação do motor elétrico no sentido inverso.

Figura 9 - Circuito de controle do motor sem contato

Register - um dispositivo eletrônico projetado para armazenamento e conversão de curto prazo de números binários de vários dígitos. O registrador consiste em flip-flops, cujo número determina quantos bits de um número binário o registrador pode armazenar — o tamanho do registrador (Fig. 10, a). Elementos lógicos podem ser usados ​​para organizar a operação dos gatilhos.

Figura 10 — Registro: a) representação geral, b) notação gráfica convencional

De acordo com o método de entrada e saída de informações, os registradores são divididos em paralelos e seriais.

Em um registrador sequencial, os flip-flops são conectados em série, ou seja, as saídas do flip-flop anterior passam informações para as entradas do flip-flop seguinte. As entradas de clock do flip-flop C são conectadas em paralelo. Tal registrador tem uma entrada de dados e uma entrada de controle – entrada de clock C.

Um registrador paralelo escreve simultaneamente em flip-flops para os quais existem quatro entradas de dados.

A Figura 10 mostra o UGO e a alocação de pinos de um registrador serial paralelo de quatro bits.