Pierwsze kroki w cyfrówce cz14.pdf

Układy cyfrowe

w cyfrówce

część 14

W poprzednich odcinkach cyklu

zapozanałeś się z prerzutnikami.

W tym odcinku zapoznasz się bliżej

z rejestrem i poznasz niebez−

pieczeństwa związane z sygnałem

zegarowym

Rejestr przesuwny

Teraz już nie będziesz miał wątpliwoś−

ci, jak działa rejestr przesuwny. Nie bój

się tej nazwy. W sumie każdy rejestr

przesuwny działa na tej samej prostej za−

sadzie, a poszczególne układy scalone za−

wierające rejestry różnią się liczbą wejść,

wyjść oraz pewnymi dodatkami. O tym

porozmawiamy później. Teraz podstawy.

Rejestr przesuwny otrzymamy łącząc

kilka przerzutników D w układzie z rysun−

ku 97. To wszystko!

Czy masz jakiekolwiek wątpliwości,

jak pracuje rejestr? Mam nadzieję, że nie.

Znów można powiedzieć, że prawidło−

wa praca rejestru związana jest z opóźnie−

niami, które omawialiśmy przed chwilą.

Gdy na wszystkich wejściach zegarowych

w jednej chwili pojawia się aktywne (ost−

re) zbocze, wtedy do każdego przerzutni−

ka rejestru wpisywany jest stan wyjścia

poprzedniego przerzutnika (a do pierwsze−

go – stan panujący aktualnie na jego we−

jściu D). Jeśli w przerzutnikach nie byłoby

żadnego opóźnienia sygnału, to nie wiado−

mo, jak zachowałby się taki rejestr – być

może informacja z wejścia A podczas jed−

nego jedynego zbocza zegara zdążyłaby

„przelecieć” przez cały rejestr. Dzięki

opóźnieniu sygnału (o te nasze nanose−

kundy pokazane na rysunku 96b) podczas

jednego taktu zegara informacja jest prze−

noszona tylko „o jeden stopień”, czyli do

następnego przerzutnika. Generalna zasa−

da jest więc podobna jak w układzie prze−

rzutnika T z rysunku 96a.

Nie masz chyba wątpliwości, że infor−

macja z wejścia rejestru jest pod wpły−

wem impulsów zegarowych przesuwana

przez kolejne komórki, czy stopnie tego

rejestru, pojawiając się na kolejnych wy−

jściach rejestru oznaczonych Q1, Q2, Q3,

itd. (albo O1, O2, O3...). Zauważ jeszcze,

iż informacja z ostatniego rejestru jest

podczas każdego taktu po prostu tracona.

Czasami tworzymy pętlę między wy−

jściem a wejściem rejestru, i informacja

w postaci pewnej sekwencji stanów lo−

gicznych krąży sobie w takim pierścieniu.

Choć w amatorskiej praktyce rejestry

nie są używane tak często, jak na przy−

kład liczniki, to jednak powinieneś dokład−

nie poznać ich działanie. Zajmiemy się

tym w jednym z następnych odcinków.

A teraz mam pytanie: czy z przerzutni−

ków JK też można zbudować rejestr?

Pomyśl uważnie. Sam spróbuj naryso−

wać stosowny układ.

mamy generator. Ten „generator” będzie

uruchamiany tylko na czas trwania zbyt

łagodnych zboczy sygnału zegarowego.

W każdym razie nie będziemy w stanie

przewidzieć, jaki stan pojawiłby się na

wyjściu po takim zbyt łagodnym zboczu

zegarowym.

Ale przerzutnik podczas obecności ak−

tywnego zbocza wcale nie musi zacho−

wywać się jak latch, czyli być przez chwi−

lę przezroczysty. Może zachowywać się

inaczej, na przykład wpisywać dane z we−

jścia na wyjście jednorazowo, w momen−

cie gdy sygnał na wejściu zegarowym

osiągnie określone napięcie. Przy takim

jednorazowym wpisywaniu nie trzeba się

obawiać, że przerzutnik zamieni się na

chwilę w generator.

Nie zmienia to jednak wymagania, że

zbocza na wejściu zegarowym zawsze

powinny być ostre!

I tu przechodzimy do najczystszej

praktyki. Wielu uczestników Szkoły Kon−

struktorów oraz kandydatów na autorów,

którzy przysyłają do Redakcji swoje po−

mysły, zapomina często o tym jakże waż−

nym wymaganiu na stromość zboczy

sygnału zegarowego. Niektórzy chcą ste−

rować pracą dwójki liczącej, pracującej

w charakterze wyłącznika załącz/wyłącz

za pomocą obwodu z przyciskiem, poka−

zanego na rysunku 99. To jest oczywiście

bez sensu, przede wszystkim ze względu

na drgania styków – wskutek drgań zmia−

Wymagania dotyczące

sygnału zegarowego

Rysunek 96b wyjaśnia też inną spra−

wę. Do tej pory podawałem ci bez uza−

sadnienia, że sygnał zegarowy przerzutni−

ków, liczników i rejestrów powinien mieć

bardzo strome zbocza. Kiedyś przy okazji

omawiania bramek dowiedziałeś się, że

przy zbyt wolnych zmianach bramka, któ−

ra w istocie jest wzmacniaczem, może

się wzbudzić i na wyjściu powstaną paso−

żytnicze drgania. Tym razem nie o to cho−

dzi. W takim razie o co? Co się stanie, jeś−

li aktywne zbocze sygnału zegarowego

będzie trwało długo, dłużej niż czas opóź−

nienia przerzutnika?

Taka sytuacja przedstawiona jest na ry−

sunku 98.

No właśnie! Zazwyczaj nie znamy

szczegółów wewnętrznej budowy prze−

rzutnika (i nie potrzebujemy znać), a tym

samym nie potrafimy precyzyj−

nie określić, co będzie się dziać

w jego wnętrzu przy zbyt łagod−

nych zboczach. Ale już jeden

rzut oka nasuwa wniosek, że

jeśli w czasie trwania zbocza

przerzutnik D zachowywałby się

jak latch, czyli byłby przezro−

czysty, to z przerzutnika otrzy−

Rys. 97

Rys. 98

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 5/98

Pierwsze kroki

Układy cyfrowe

Rys. 99

Rys. 100

Czy tu mogą wystąpić jakieś

nieprzewidziane problemy?

Mogą! Jeśli nawet wejścia

zegarowe wyposażone są

w układ Schmitta, to musimy pa−

miętać, że każdy układ logiczny

ma pewne progi przełączania,

czyli graniczne poziomy napięć,

które traktuje jako przejście ze

stanu wysokiego do niskiego

i takie, które traktuje jako przejście ze sta−

nu niskiego do wysokiego. Może się zda−

rzyć i naprawdę się zdarza (z powodu nie−

doskonałości procesu technologicznego

i nieuniknionych rozrzutów), że różne

przerzutniki mają nieco inne progi przełą−

czania. Nie są to różnice duże, ale na

przykład jeden przerzutnik wpisuje na wy−

jście stan swego wejścia gdy napięcie na

wejściu zegarowym wynosi 3,5V, inny,

gdy to napięcie wynosi 4,0V, jeszcze inny

przy 3,6V, kolejny przy 4,3V.

Na rysunku 102 pokazałem ci, co się

będzie działo w rejestrze przy sygnale ze−

garowym o małej stromości zboczy, czyli

o długim czasie narastania, gdy progi

przełączania wejść zegarowych kolejnych

przerzutników nie będą jednakowe, tylko

takie, jak podałem wyżej. Przypuśćmy, że

wcześniej na wyjściach Q1...Q4 wystę−

powały stany L, H, L, H, a na wejściu

w czasie trwania zbocza utrzymuje się

stan wysoki.

Po nadejściu aktywnego zbocza za−

wartość rejestru powinna przesunąć się

o jeden stopień w prawo, a do pierwsze−

go przerzutnika powinien zostać wpisany

stan wejścia. Na wyjściach Q1...Q4 po−

winniśmy otrzymać kolejno: H, L, H, L.

Pamiętamy, że na wejściach zegaro−

wych przerzutników jest układ Schmitta,

więc nie grożą nam żadne pasożytnicze

drgania z powodu zbyt łagodnych zboczy

sygnału zegarowego. Ale rejestr mimo

wszystko nie może pracować poprawnie,

bo z uwagi na te niby drobne różnice

w progowych napięciach przełączania,

poszczególne przerzutniki będą wpisy−

wać informacje ze swego wejścia na wy−

jście w różnych momentach. Jeśli różni−

ce w czasach wpisywania są większe niż

wspomniane wcześniej nanosekundowe

opóźnienia, to rejestr nie ma szans na po−

prawną pracę.

Na rysunku 102b zaznaczono łagodne

zbocze sygnału zegarowego, na nim na−

pięcia progowe poszczególnych przerzut−

ników i dodatkowo czerwonymi liniami

momenty wpisywania informacji do po−

szczególnych przerzutników. Dodatkowo

zaznaczono czasy opóźnienia T (przyjęto,

że są jednakowe dla wszystkich przerzut−

ników, co może nie być prawdą).

Przeanalizuj to dokładnie. Zamiast

oczekiwanych stanów H, L, H, L, otrzy−

mamy na wyjściach Q1....Q4 stany H, L,

H, H. A co otrzymamy po następnym ak−

tywnym zboczu zegarowym? Spróbuj to

określić sam.

Tak się złożyło, że pierwsze trzy stop−

nie naszego rejestru pracują poprawnie,

ale błędnie pracuje czwarty stopień. Zbyt

łagodne zbocze zegarowe wpisuje na wy−

jście Q4 „nowy” stan wyjścia Q3, czyli

stan wyjść Q3 i Q4 jest zawsze taki sam.

Może się wydawać, że w tym przykła−

dzie przejaskrawiłem trochę problem ry−

sując tak łagodne zbocze sygnału zegaro−

wego, ale pamiętaj, że w grę wchodzą tu

nanosekundy, czyli miliardowe części se−

kundy. Niebezpieczeństwo zasygnalizo−

wane na rysunku 102 grozi nie tylko

w układach z wejściem Schmitta, ale też

we wszystkich układach synchronicz−

nych (przerzutnikach, rejestrach i niektó−

rych licznikach). Wbij to sobie do móz−

gownicy raz na zawsze i zawsze dbaj

o strome zbocza sygnałów logicznych

zwłaszcza zegarowych. W literaturze mó−

wi się często o hazardach czasowych.

Właśnie tu masz przykład takiego hazar−

du: jeśli masz szczęście i akurat trafisz na

układy o jednakowych progach przełącza−

nia (lub przypadkowo trafisz właściwą ko−

lejność przerzutników), to układ będzie

pracował poprawnie także przy niezbyt

ostrych zboczach sygnału zegarowego.

Jeśli twojemu koledze, budującemu iden−

tyczny układ, szczęście nie dopisze i trafi

na przerzutniki o różnych progach przełą−

czania (i ustawi je w nieszczęśliwej kolej−

ności), to będzie „bujał się” z układem

i dziwił, dlaczego jego układ zbudowany

ze sprawnych elementów nie chce dzia−

łać, a twój działa. Dojdzie do wniosku, że

elektronika to jakaś magia tylko dla wta−

jemniczonych, i że zdarzają się tu zjawis−

ka niewytłumaczalne. Tak właśnie rodzą

się mity, pokutujące od dawna wśród

elektroników.

Tymczasem w elektronice naprawdę

nie ma nic z magii. Wszystkie zjawiska

wynikają z niepodważalnych praw

na stanu wystąpi od kilku do kilkudziesię−

ciu razy po jednorazowym uruchomieniu

przycisku. Inni wiedząc o tych drganiach,

„przezornie” dodają obwód RC likwidują−

cy te drgania. Oczywiście popełniają błąd,

podając na wejście zegarowe sygnał

o bardzo wolnym czasie narastania.

Tu muszę ci powiedzieć w zaufaniu, że

choć z punktu widzenia „rasowego” kon−

struktora połączenia takie jak na rysun−

ku 100 są nie do przyjęcia, to w niektó−

rych przypadkach taki niepoprawny układ

mimo wszystko pracuje poprawnie! Tyl−

ko nikomu o tym nie mów!

Czy to znaczy, że powinieneś wypró−

bować taki układ? Nie radzę! Może się

bowiem zdarzyć, że po wymianie kostki

na egzemplarz innego producenta, przy

zmianie temperatury lub przy zmianie na−

pięcia zasilającego, układ przestanie po−

prawnie działać. Nie ucz się więc takiej

„partyzantki” i od początku trzymaj się

zdrowych zasad. Jeśli chcesz sterować

przerzutnikiem T za pomocą przycisku, to

powinieneś zastosować układ z rysunku

101 z bramką Schmitta, wyostrzającą

zbocza. Może to być na przykład bramka

40106, 4093, układ z dwóch bramek

NAND lub NOR, albo możesz przekształ−

cić w bramkę Schmitta jeden z przerzut−

ników kostki 4013 (taki sposób pojawił

się już w EdW przynajmniej w trzech

moich układach, ostatnio w uniwersal−

nym przełączniku w EdW 2/98).

Na marginesie podam ci informację,

że niektóre liczniki mają wejście fabrycz−

nie wyposażone w układ Schmitta. Nie

boją się one łagodnych zboczy. W takim

przypadku często na tym wejściu może−

my i często stosujemy układ opóźniający

RC. O tym porozmawiamy bliżej przy

okazji omawiania liczników.

Inne zagrożenia

Zanim rozstaniemy się z przerzutnika−

mi podam ci jeszcze inny przykład zagro−

żeń. Mamy złożony układ zawierający

wiele przerzutników sterowanych wspól−

nym sygnałem zegarowym. Załóżmy, że

użyte przerzutniki mają na wejściu zega−

rowym układ Schmitta. Wydawałoby się,

że wtedy nie ma żadnego zagrożenia

i sygnał zegarowy nie musi mieć ostrych

zboczy. Przeanalizujmy więc działanie

prostego rejestru przesuwnego, jaki po−

kazałem ci na rysunku 97.

Rys. 101

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 5/98

Układy cyfrowe

bie znać, jeśli

częstotliwości

pracy nie są

większe niż

1MHz. A ty na

razie będziesz

miał do czy−

nienia z taki−

mi, niezbyt

szybkimi ukła−

dami. W każ−

dym razie w przypadku

bardziej skomplikowa−

nych układów cyfro−

wych nastaw się, że

nie obejdzie się tu bez

doświadczeń i (nie)licz−

nych nieudanych prób.

Nie wspomniałem

ci do tej pory o tak zwa−

nych szpilkach. Są to

bardzo krótkie impulsy,

trwające kilkanaście do

kilkuset nanosekund,

czyli tak krótko, że nie

masz szans wykryć ich

za pomocą prostego

oscyloskopu czy nawet

prostego analizatora

układów logicznych.

Szpilki te mogą poja−

wiać się na szynach za−

silających (tak!) oraz po

prostu w układzie.

Szpilki w obwodach

zasilania wynikają

z dwóch przyczyn. Jak

już wiesz, w momen−

cie przełączania, zaró−

wno bramki jak i inne

układy przez krótki uła−

mek sekundy pobierają

znaczny prąd. Trzeba

pamiętać, że po pierw−

sze ścieżki płytki drukowanej mają pewną

rezystancję. Wspomniane impulsy prądo−

we wywołują spadek napięcia na tej re−

zystancji, czyli właśnie szpilki (zmiany na−

pięcia), mogące zakłócić pracę układu.

Po drugie ścieżki mają pewną induk−

cyjność. Choć indukcyjność ta jest mała,

poniżej 1 mikrohenra, to jednak przy bar−

dzo szybkich impulsach prądowych, na

indukcyjnościach ścieżek pojawiają się

znaczne napięcia samoindukcji.

Jedynym ratunkiem jest tu blokowa−

nie zasilania, czyli dołączenie kilku nie−

wielkich (10...100nF) bezindukcyjnych

kondensatorów (zwykle ceramicznych)

między szyny zasilające, w pobliżu ukła−

dów scalonych.

Zjawisko to nie jest szczególnie groź−

ne w stosunkowo powolnych układach

CMOS rodziny 4000. W amatorskich kon−

strukcjach kostki CMOS4000 często pra−

cują bez jakichkolwiek kondensatorów

odsprzęgających szyny zasilania i nic złe−

go się nie dzieje. Ale w przypadku naj−

szybszych układów (F, ACT, AC) jest to is−

totny problem.

Oczywiście inne szpilki też nie poja−

wiają się bez przyczyny. Przyczyny mogą

być różne. Prawie zawsze wynika to z ja−

kiegoś błędu konstruktora (ale zakłóce−

nia indukują się także pod wpływem ob−

cych, zewnętrznych pól elektromagne−

tycznych).

Trudno wymienić wszystkie możliwe

przyczyny, ale skorzystanie ze wskazó−

wek podanych w tym odcinku pozwoli

uniknąć większości przykrych niespo−

dzianek.

Rys. 102

Wnioski

Aby uniknąć problemów, dmuchaj na

zimne i zawsze stosuj kondensatory od−

sprzęgające zasilanie (ceramiczne lizaczki

100nF); umieść przynajmniej jeden taki

kondensator w urządzeniu z kostkami

CMOS4000.

Generalnie powinieneś zwracać bacz−

ną uwagę na stromość zboczy sygnałów,

w szczególności zegarowych. Nie musisz

się niczego obawiać, jeśli sygnał (zegaro−

wy) wytwarzany jest przez bramki, prze−

rzutniki czy liczniki, czyli przez inne typo−

we układy logiczne. Ale wszędzie tam,

gdzie mogą zdarzyć się niespodzianki,

gdzie sygnały przychodzą z innych źródeł

i mogłyby nie mieć krótkich czasów na−

rastania (poniżej jednej mikrosekundy),

lepiej przezornie zastosuj wspomnianego

„szmita” na wejściu. Wtedy będziesz

spał spokojnie, nie obawiając się, że w ja−

kiś skrajnych warunkach pracy układ od−

mówi posłuszeństwa właśnie ze względu

na zbyt łagodne zbocza sygnałów, zwią−

zane z tym hazardy czasowe oraz możli−

wość powstania pasożytniczych drgań.

No i co? Czy aby nie przestraszyłem

cię i nie zniechęciłem tymi informa−

cjami?

Pociesz się: projektowanie ukła−

dów cyfrowych i tak jest dużo, dużo

łatwiejsze od projektowania ukła−

dów analogowych, zwłaszcza sprzę−

tu pomiarowego i wyższej klasy

układów audio.

W następnym odcinku zajmiemy

się licznikami.

i zasad, a tym samym mają swoje logicz−

ne wyjaśnienie. Potrzebna jest tylko rze−

telna wiedza.

Właśnie w tym odcinku łykasz taką

wiedzę. Jeśli więc przytrafi ci się coś ta−

kiego z przerzutnikami, wiedz iż nie masz

szans znaleźć przyczyny za pomocą pros−

tego oscyloskopu. Tylko pamiętanie o po−

wyższych rozważaniach pomoże ci zna−

leźć przyczynę i drogę ratunku, a będzie

nią po prostu wyostrzenie zboczy sygna−

łu zegarowego.

Oczywiście nie jestem ci w stanie

przedstawić wszystkich tego typu

niespodzianek, jakie na ciebie czeka−

ją w cyfrówce. Nie omówiliśmy tu

do końca sprawy opóźnień. W rejes−

trach są one błogosławieństwem,

ale w wielu układach pracujących

przy dużych częstotliwościach są

przekleństwem. Nie będę męczył cię

tą sprawą, bo rzadko daje ona o so−

Znakomitym ćwiczeniem w wykorzystaniu

omówionych właśnie układów jest próba

skonstruowania prostego i funkcjonalnego

układu alarmowego: do samochodu, domku

czy garażu. Układ powinien pobierać w spo−

czynku jak najmniej prądu. Ewentualne elek−

trolity powinny w spoczynku pozostawać pod

napięciem. Zachęcam do takich prób!

Piiotr Góreckii

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 5/98

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: