Układy cyfrowe (logiczne)
1
1.1. Przerzutniki monostabilne
*
Przerzutniki monostabilne wytwarzają impulsy prostokątne o określonym czasie trwania.
Używane są do wprowadzania uzależnień czasowych w układach cyfrowych.
1.1.1. Przerzutnik monostabilny 74121
Przerzutnik monostabilny 74121 (Rys. 1.1.1) wytwarza na wyjściu Q pojedynczy impuls pro-
stokątny po doprowadzeniu odpowiedniego sy-
gnału wyzwalającego do wejścia A
1
, A
2
lub B.
Generację impulsu inicjuje ujemny skok napięcia
(z 1 na 0) na wejściu A
1
lub A
2
przy wejściu B
utrzymywanym w stanie 1 lub zmiana napięcia
ze stanu 0 do stanu 1 na wejściu B przy utrzy-
mywaniu wejścia A
1
lub A
2
w stanie 0 (Rys.
1.1.2). Skok napięcia na wejściu A
1
lub A
2
musi
być szybki (minimum 1 V/ s). Zmiana napięcia
na wejściu B może być wolna (do 1 V/s), genera-
cja impulsu jest inicjowana po przekroczeniu
określonego poziomu napięcia (U
p
). Zmiany sy-
gnałów na wejściach A
1
i A
2
przy wejściu B,
znajdującym się w stanie 0 lub zmiany sygnałów
na wejściu B przy wejściach A
1
i A
2
znajdują-
cych się w stanie 1 nie powodują wyzwalania
impulsu wyjściowego. Umożliwia to blokowanie
(bramkowanie) sygnałów wyzwalających, do-
prowadzanych do wybranego wejścia przez
zmianę stanu innego wejścia. Jeden sygnał wy-
zwalający powoduje wytworzenie pojedynczego
impulsu wyjściowego o określonym czasie trwa-
nia, po którym układ wraca do stanu spoczynkowego Q = 0. Następny impuls wyjściowy generowa-
ny jest po doprowadzeniu kolejnego sygnału wyzwalającego. W czasie trwania impulsu wyjściowe-
go i przez pewien czas po zakończeniu tego impulsu układ nie reaguje na sygnały wyzwalające.
Czas trwania impulsu wyjściowego ma wartość t = RC ln2. Na C składa się suma pojemności
wewnętrznej układu między końcówkami R
x
i C
x
(ok. 20 pF) i pojemności zewnętrznej C
T
a
R = R
T
, jeżeli zewnętrzny rezystor R
T
włączony jest między końcówkę R
x
a napięcie zasilające
+5V. Jako R można także wykorzystać wewnętrzny (scalony) rezystor R
int
2 k , umieszczony
między końcówkami R
i
i R
x
, łącząc końcówkę R
i
z napięciem +5V i pomijając R
T
lub sumę R
T
-
+ R
int
, jeśli R
T
jest włączony między końcówkę R
i
a napięcie +5V. Wartość R może wynosić od 1,4
do 40 k a C
T
od 0 do 1000 F. Pozwala to na wytwarzanie impulsów wyjściowych o czasie trwa-
nia od ok. 20 ns do ok. 20 s. Impuls o czasie trwania 1 ms uzyskuje się np. przy R = 14 k i C = 0,1
F. Przy wykorzystaniu tylko zewnętrznej rezystancji R
T
czas trwania impulsu mało zależy od
zmian temperatury układu scalonego i zmian wartości napięcia zasilającego. Współczynnik tempe-
raturowy czasu t ma wartość rzędu +0,0056 %/
o
C. Przy zmianach napięcia zasilającego +5V w gra-
A
2
A
1
a)
B
R
X
R
T
C
X
C
T
Q
Q
+5V
R
i
C
X
R
i
b)
B
A
1
R
X
R
T
C
T
Q
Q
+5V
R
int
A
2
Rys. 1.1.1. Przerzutnik monostabilny 74121 z ze-
wnętrznymi elementami R
T
C
T
: a) prosty symbol
przerzutnika; b) symbol z zaznaczonymi elemen-
tami struktury wewnętrznej.
1
0
1
0
1
0
U
p
t
A
1
lub A
2
(przy B = 1)
B
(przy A
1
lub A
2
= 0)
Q
Rys. 1.1.2. Wyzwalanie impulsu wyjściowego.
Przerzutniki monostabilne
2
nicach 0,25V czas t zmienia się o ok. 0,2% ( 0,04%/%). Pozwala to na formowanie impulsów o
dużej dokładności czasu trwania przy użyciu zewnętrznych elementów R
T
i C
T
o dobrej jakości (do-
kładności i stałości).
Na wyjściu Q wytwarzany jest komplementarny impuls wyjściowy o odwróconej polaryzacji.
Maksymalne możliwe do uzyskania wypełnienie okresu powtarzania impulsów wynosi 2/3 przy
R = 2 k i wzrasta do 0,9 przy R = 40k .
1.1.2. Przerzutniki monostabilne z podtrzymywanym wyzwalaniem
(74123)
Układ scalony 74123 (74LS123) za-
wiera dwa przerzutniki monostabilne (Rys.
1.1.4) o właściwościach nieco odmiennych
od przerzutnika 74121. Przerzutniki te wy-
posażone są w dwa wejścia wyzwalające A i
B oraz wejście zerujące R . Stan 0 na wej-
ściu R wymusza stan 0 na wyjściu Q i stan 1
na wyjściu Q . Przy R = 1 zainicjować moż-
na wytworzenie komplementarnych impul-
sów prostokątnych na wyjściach Q i Q . Im-
pulsy takie generowane są po skoku napięcia
z 1 na 0 na wejściu A przy B = 1 lub po sko-
ku napięcia z 0 na 1 na wejściu B przy A = 0
(Rys. 1.1.3). Czas trwania impulsu t określo-
ny jest przez zewnętrzne elementy R
T
i C
T
nieco bardziej złożonymi zależnościami niż
dla układu 74121.
Jeżeli przed zakończeniem generowa-
nego impulsu na wejściu A lub B wystąpi
nowy impuls wyzwalający, czas trwania im-
pulsu wyjściowego zostaje wydłużony tak,
aby od ostatniego impulsu wyzwalającego do
zakończenia impulsu wyjściowego upłynął
czas, równy nominalnemu czasowi trwania t
impulsu wyjściowego. Umożliwia to utrzy-
manie przez dowolnie długi czas stanu Q = 1
i Q = 0 po doprowadzeniu do wejścia wy-
zwalającego ciągu impulsów o okresie T < t.
Impuls wyjściowy można w każdej
chwili zakończyć (skrócić) przez podanie
zera na wejście R . Zmiana stanu na wejściu
R z 0 na 1 przy A = 0 i B = 1 inicjuje gene-
t
t
t
1
0
1
0
0
0
1
1
A
B
Q
Q
Rys. 1.1.3. Wyzwalanie impulsu wyjściowego
przerzutnika 74123 przy
R
=1
a)
B
A
R
X
R
T
C
X
C
T
Q
Q
R
+5V
b
)
B
A
R
X
R
T
C
X
C
T
Q
Q
R
+5V
Rys. 1.1.4. Przerzutnik monostabilny 74123 z
zewnętrznymi elementami R
T
C
T
: a) prosty symbol
przerzutnika; b) symbol z zaznaczonymi elementami
struktury wewnętrznej.
1
0
1
0
0
0
1
1
A
B
R
Q
t
t
Rys. 1.1.5. Działanie wejścia zerującego
R
.
Przerzutniki monostabilne
3
rację nowego impulsu wyjściowego (Rys. 1.1.5).
Pojedynczy przerzutnik monostabilny o podobnych właściwościach, z dwiema parami wejść
wyzwalających (A
1
, A
2
, B
1
, B
2
) i wewnętrznym rezystorem R
int
2 k zawiera układ scalony
74122 (74LS122).
1.2. Generatory impulsów prostokątnych
Generatory impulsów prostokątnych wytwarzają ciąg impulsów prostokątnych o określonej
częstotliwości (okresie) powtarzania i określonym współczynniku wypełnienia. Przy współczynniku
wypełnienia zbliżonym do 0,5 (50%) układy takie nazywa się generatorami fali prostokątnej.
Generatory impulsów prostokątnych sto-
sowane są do wytwarzania przebiegów taktu-
jących pracę układów cyfrowych.
Generator impulsów prostokątnych zbu-
dować można z dwóch przerzutników mono-
stabilnych 74121, 74122 (74LS122) lub 74123
(74LS123). Schemat takiego układu przedsta-
wiono na Rys. 1.2.1. Po włączeniu napięcia
zasilającego +5V kondensator C utrzymuje na
wejściu B pierwszego przerzutnika (U
1
) niskie
napięcie, wzrastające powoli do +5V ze stałą
czasową RC. Po osiągnięciu wartości odpo-
wiadającej stanowi logicznemu '1' inicjowana
jest generacja dodatniego impulsu na wyjściu
Q tego przerzutnika. Ujemny skok napięcia
wynikający z zakończenia tego impulsu, do-
prowadzony do wejścia A drugiego przerzut-
nika (U
2
), inicjuje wytworzenie dodatniego
impulsu na wyjściu Q przerzutnika U
2
. Ujem-
ny skok napięcia wynikający z zakończenia
tego impulsu, doprowadzony do wejścia A
przerzutnika U
1
wyzwala generację kolejnego
impulsu przez przerzutnik U
1
. Po zakończeniu tego impulsu generowany jest impuls przez prze-
rzutnik U
2
, następnie znów przez U
1
itd. Układ wytwarza ciąg impulsów prostokątnych o okresie
powtarzania T, równej sumie czasów trwania impulsów generowanych przez obydwa przerzutniki
(t
1
+ t
2
). Dla umożliwienia generacji wejścia R i B przerzut-
ników utrzymywane są w stanie 1 przez połączenie do napię-
cia zasilającego +5V. Przy dobrej jakości elementów R
T
i C
T
uzyskuje się dużą stałość częstotliwości generowanych impul-
sów, zwłaszcza przy użyciu przerzutników 121 lub 122.
Generatory impulsów prostokątnych buduje się także
przy użyciu prostych bramek. Przykład jednego z wielu wa-
riantów takiego układu przedstawiono na Rys. 1.2.2. Dwa
szeregowo połączone inwertery U
1
i U
2
tworzą układ dwu-
a)
Wy
B
B
A
A
R
X
R
T
C
X
C
T
R
X
R
T
C
X
C
T
U
2
U
1
Q
Q
Q
Q
R
R
+5V
R
C
b)
t
2
t
1
T
1
1
0
0
U
1
Q
U
2
Q
Rys. 1.2.1. Generator impulsów prostokątnych z
dwóch przerzutników 74LS123 a) schemat;
b) przebiegi na wyjściach Q obu przerzutników.
R=220
U
1
U
2
U
3
C
T
Wy
Rys. 1.2.2. Generator impulsów
prostokątnych z prostych bramek
(negacji).
Przerzutniki monostabilne
4
krotnie odwracający fazę sygnału o 180
o
, o właściwościach podobnych do dwustopniowego
wzmacniacza analogowego. Rezystor R linearyzuje charakterystyki układu U
1
. Kondensator C, łą-
czący wyjście U
2
z wejściem U
1
wprowadza silne dodatnie sprzężenie zwrotne, powodujące genera-
cję fali prostokątnej podobnie jak w układzie analogowego multiwibratora astabilnego. Bramka U
3
poprawia i standaryzuje kształt napięcia wyjściowego. Na wyjściu Wy otrzymuje się impulsy pro-
stokątne o współczynniku wypełnienia ok. 50% i okresie T w przybliżeniu równym 3RC. Stałość
okresu nie jest zbyt duża (ok. 2% zmian przy zmianie napięcia zasilającego w granicach 4,5 5,5
V), gorsza niż w układzie z Rys. 1.2.1.
Gdy wymagana jest duża dokładność i stałość okresu
powtarzania (i częstotliwości) generowanych impulsów, uży-
wa się generatora z rezonatorem kwarcowym. Przykładowy
schemat takiego układu przedstawiono naRys. 1.2.3. Genera-
tor działa na zasadach podobnych do układu z Rys. 1.2.2.
Dodatnie sprzężenie zwrotne realizowane jest przez rezonator
kwarcowy Q. Układ U
3
stanowi bufor wyjściowy. Częstotli-
wość i stałość częstotliwości określone są przez właściwości
rezonatora.
W rodzinie układów scalonych TTL znajduje się także
układ 74S124, zawierający dwa układy generatorów fali prostokątnej o bardzo dobrych właściwo-
ściach. Częstotliwość generowanego przebiegu określa zewnętrzny kondensator lub rezonator kwar-
cowy w zakresie 50 kHz 85 MHz oraz napięcie, doprowadzane do specjalnego wejścia regulacyj-
nego.
*
Opracował dr inż. Grzegorz Stępień
R=330
R=330
10nF
Q
U
1
U
2
U
3
Wy
T
Rys. 1.2.3. Generator impulsów
prostokątnych z rezonatorem kwar-
cowym.