Тізбектелген буындар туралы жалпы мағлұмат

Кіріспе

 

 

Есептеу техникасындағы және байланыс жүйелеріндегі түрлі  прогресстердің көбісі цифрлық құрылғылардың  және микропроцессорлардың дамуымен байланысты. ИС қолдану нәтижесінде күрделілік деңгейі бойынша түрлі ИС – қарапайым логикалық элементтер мен функционалды түйіндерден бастап құрамында жүздеген, мыңдаған тіпті миллиондаған элементтер бар күрделі цифрлық құрылғылар мен аса үлкен интегралды сұлбалардан тұратын ЭЕМ және микропроцессорлық жүйелердің техникалық сипаттамалары жақсарады және функционалдық мүмкіндіктері кеңейеді.

Барлық цифрлық  құрылғылар атқаратын қызметіне  қарай екі топқа бөлінеді:

-комбинациялық  логика;

-тізбектелген  логика.

Комбинациялық логикада шығыстағы дабыл кірістегі  дабыл комбинациясына тәуелді, оны  жады жоқ автомат деп есептейміз. Ал тізбектелген логикаға санауыштар, триггерлер жатады, оны жады бар автомат деп есептейміз.

Бұл курстық  жұмыста тізбектелген буындар, олардың жұмыс істеу принципі, белгілену шарттары, схемалары қарастырылады. Бұл курстық жұмыс тізбектелген буындар туралы жалпы мағлұматтар алу барысында жетістіктер алу және дәрістік материалды терең білуге мүмкіндік береді. Сонымен қатар, тізбектелген буындардың құрлымының негізі болып табылатын триггерлер жан жақты қарастырылып, олардың классификациясы, жұмыс істеу принципі, ерекшелігі мен артықшылығы түсіндіріледі.

Сонымен, триггер деп электрондық есептеуіш машиналарында, автоматика мен телемеханикада әртүрлі операциялар орындауға арналған, яғни алынған информацияны сақтауға (сақтағыш құрылғы) уақыт датчигі схемасында және цифрлы санауыштарда импульстарды санауға, цифрлы жиілікті бөлгіштерде қолданылатын электрондық ауыстырып қосқыш құрылғыны немесе аударылып түскіш құрылғыны айтады.

Бұл жұмыста  тізбектелген буындардың негізгі жұмыс принципі және импульстік құрылғылардың құрылуына байланысты мысал ретінде көп кездесетін типтік схемаларды (биполярлық транзисторлардан жасалған) қарастыруға болады.

 Тізбектелген  буындар көбінесе тартқыштарда (распредилитель) және ауыспалы-санауыштар негігі  телемеханикалық және автоматикалық жүйелерде кеңінен қолданылады.

 

 

 

 

 

1 Тізбектелген буындар туралы жалпы мағлұмат

 

 

Цифрлық құрылғы  тізбектелген деп аталады, егер шығыс  дабылы кіріс дабылына ғана емес, сонымен  қатар өткен уақыт моментінде келіп тұскен кіріс дабылдың мәніне де тәуелді болса. Басқа сөзбен айтсақ, ТСҚ (тізбектелген сандық құрылғы) шығысындағы дабылды түрлендіру үшін кіріс дабылдардың түсіп отыруының реттілігін қадағалап отыруы керек. Осыдан «тізбектелген» деген термин шығады. ТСҚ – да кіріс дабылдардың келіп түсуі арнайы есте сақтауыш құрылғылардың көмегімен тіркеліп отырады. Осы себепті ТСҚ есте сақтауыш құрылғыға ие болады дейді. Есте сақтау элементі кіріс және шығыс дабылдан басқа дискертті уақыт моментінде өзгеріп отыратын күймен де сипатталады. Қарапайым есте сақтау элементі екі күйдің біреуін қабылдай алады – логикалық бір немесе логикалық нөл. Бұл күй жаңа күйге ауыспағанша ұзақ уақыт сақталады. ТСҚ сандық автоматтар немесе есте сақтаушы автоматтар деп аталады. ТСҚ құрылымы   1.1 – суретте көрсетілген.

         ТСҚ U={u₁, u₂, ..., u_k}дабылдары әсер ететін Т₁, Т₂,..., Т_k қарапайым есте сақтағыш құрылғылардың жиынтағынан құралған комбинациялық сандық құрылғыдан (КСҚ) және есте сақтаушы құрылғыдан (ЕСҚ) тұрады. u_i  дабылының әсерінен T_i элементі екі күйдің біреуіне ауысуы мүмкін – логикалық нөл немесе логикалық бір. T_i  элементінің күйі z_i  дабылы арқылы көрсетіледі. Z={z₁, z₂, ..., z_k} дабылдарының жиынтығы ТСҚ – ның күйін көрсетеді. Егер ТСҚ – да k қарапайым есте сақтау элменттері болса, онда ТСҚ күйінің жалпы саны 2^k – ға тең. [1,2]

 

 

 

1.1– сурет. ТСҚ құрылымдық сұлбасы

 

        ТСҚ құрамына кіретін комбинациялық сандық құрылғы жұмысы Y=F(X,Z) және U=H(X,Z) логикалық функциялары арқылы анықталатын құрылғаны көрсетеді. ТСҚ әртүрлі уақыт моменттерінде келіп түсетін кіріс Х дабылының әсерінен жұмыс жасайды. t=0 уақыт моментінде ТСҚ бастапқы күйде болады. Сонымен қатар, Z (t)={z₁(t),z₂(t), ..., z_k(t)} қандай да бір бастапқы мәнге ие болады. x_i(t) дабылының келіп түсу уақыты моментінде ТСҚ – да y_i(t) шығыс дабылы және есте сақтауыш элементке әсер ететін u_i(t) дабылы түрленеді. Нәтижесінде ТСҚ Z(t) күйіне біршама көшеді, сонымен қатар t уақыт моментінде X(t) кіріс дабылдарының әсері тіркеледі. Z(t) күйіне ауысудің реттілігі ережелерінің жиынтығын ТСҚ функциялау заңы деп атау келісіліген. Цифрлық автоматтарды олардың кіріс және шығыс дабылдардың реттілігін есте сақтауына байланысты тізбектелген құрылғылар деп атайды.

 

 

1.2– сурет. Мура автоматы

 

         Цифрлық техникада қолданылатын цифрлық автоматтар 1.2 - суретте көрсетілген жалпы сұлба бойынша құрастырылады. Мұндай автоматтарды Мура автоматтары деп атайды. Мұнда D₀,...,D_k-1 кірісі және Q₀,...,Q_k-1  шығысы бар есте сақтау элементі (регистр). КС1 есте сақтау элементі үшін оның шығыс ( Q₀,...,Q_k-1 коды) күйін пайдалана отырып кіріс сигналын өндіреді және x₀,...,x_n-1  сыртқы сигналдарды өндіреді. КС2 құрылғы күйінің ішкі жұмыс күйін Q₀,...,Q_k-1 y₀,...,y_k-1 шығыс кодына ауыстырады.

         Есте сақтау элементінің барлық шығыс және кіріс күйлері уақыттың дискретті моменттерінде қарастырылады. Осы уақыт моменттерінің анықталуына байланысты, тізбектелген құрылғылар синхронды және асинхронды деп бөлінеді.

         Синхронды құрылғыларда уақыттың дискреттеу моментін қандай да бір тәуелсіз синхрондау көзінен түсетін арнайы синхронизация дабылы береді. Синхронды тізбектес құрылғыларда жұмыс тактісінің ұзақтығы сәйкесінше синхронизация дабылы арқылы беріледі.

         Синхрондыға қарағанда асинхронды тізбектес құрылғыларда уақыттың дискретті моменттері шығыс күйі немесе есте сақтау күйінің өзгеру моментімен анықталады, ал жұмыс тактісінің ұзақтығы уақыт интервалымен анықталады.

         Осыдан цифрлық Мура автоматының жұмысын келесі логикалық теңдеумен анықтауға болады.

 

         Q^t+1=f₁(Q^t,X ^t), Y ^t=f₂(Q^t)        (1.1)

 

мұндағы

         Q^t - k – разрядты сан, ол t дискреттік уақыттағы автоматтың күйін анықтайды;

         X ^t – n – разрядтық сан, ол t дискреттік уақыттағы кіріс күйін анықтайды;                                        

         Q^t+1 – k – разрядтық сан, t+1 дискреттік уақыттағы есте сақтау  күйін анықтайды;

         Y ^t – l – разрядтық сан, ол t дискреттік уақыттағы шығыс күйін анықтайды;

        ТСҚ есте сақтауыш құрылғының ролін логикалық нөл мен бірдің мәнін сақтап және тіркеп отыруға қабілетті триггер атқарады. Қарапайым триггерге операциондық күшейткіш базасындағы компаратор мысал бола алады. Цифрлық техникада логикалық элемент базасында жасалған триггерлер көп қолданысқа ие. Сондықтан ТСҚ – ны осындай триггерлерден бастайық.[3]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 Триггерлер

 

 

Триггер (ағылшын тілінен trigger-жіберу схемасы) немесе битұрақты жартылай өткізгіш ұяшық-екі тұрақты күйде болатын құрылғы, кіріс сигналдың әсерінен бір күйден екінші күйге ауысып отыратын. Триггердің күйінің өзгеру процессі: аударылу, ауысу-сияқты синонимдермен анықталады. Триггер деп-шығыс сигналдың екі тұрақты мәндерін қалыптастыра және сыртқы басқару сигналының әсәрімен секірмелі түрде осы мәндерді өзгерте алатын құрылғы. Дәл осы қабілеті, яғни қажетті уақыт аралығында өзгеріссіз бола алатын шығыстағы екі тұрақты сигналдардың мәндерін қалыптастыру, триггерді  жады элементі ретінде қолдануға мүмкіндік береді.

Триггер деп - шығыс сигналдардың екі тұрақты мәндерін қалыптастыра алатын және сыртқы басқару сигналының әсерінен секірмелі түрде осы мәндерді  өзгерте алатын құрылғыны айтамыз.

Кіріс сигналдардың әсерін келесі мезеттерде есте сақтай алатын логикалық құрылғыларды тізбекті деп атайды. Бұл қасиеті активті  кіріс сигналдарына сезімтал , пассивті кіріс сигналдарына сезімтал емес келуімен сипатталады. Кіріске активті мән беріп тізбекті схеманы сол немесе басқа күйге әкелуге болады, кірістегі активті мән пассивті сигналмен ауыстырылғанда да сол күйде қалады. Тізбекті логикалық құрылғылардың ерекшелігі шығыс сигналдың тек осы моменттерде әсер етіп жатқан кірістегі логикалық айнымалылардан ғана емес, сонымен қатар оның алдындағы уақыт моменттерінде кірістегі әсер еткен айнымалының мәніне  тәуелділігі. Бұл шарттың орындалуы үшін айнымалылардың мәндері лоикалық құрылғылар есте сақталуы керек. Мұндай қызметті триггерлер атқарады. Сөйтіп триггерлік элемент, жадының функциясын орындай отырып, кез-келген  тізбекті құрылғының міндетті бөлігі болып табылады.

Триггерлер  радиоэлектронды құрылғылардың  көп түрлерінде қолданылады. Әсіресе  интегралды микросхемаларды игерумен триггедің маңызы өсті. Микросхемалық орындалуда, қазір триггерлік құрылғылардың 10мыңнан астам типтері өндіріледі. Олар бір-бірінен оларға сақтауға арналған ақпаратты енгізу, сақталатын ақпаратты қолдану тәсілімен, орындайтын функциялары, элементтік базасы және схемалық іске асырылуы, параметрлерімен ерекшеленеді.

Триггерлер  регистрлер, санағыштар (счетчиктер), есте сақтау құрылғыларының функционалдық түйіндерінің құрамында жұмыс істейді.

Триггерларды  құру үшін әр түрлі құрылғылар қолданылады. Қазіргі кезде триггерлерді құрудың элементтік негізі болып интегралды микросхемотехника табылады. Олар барлық параметрлерімен ұқсас арнаулы құрылғылардың параметрлерінен жақсы, артық. Микросхемотехника құрылғылары функционалды бітірілген түйіндер болып келеді.

Технологиялық белгілері бойынша сұлбалар сериямен шығарылады. Серия деп - әр түрлі функционалдық арнаулы, келістірілген электрлік және уақытылы параметрлерлі бірге қолданылатын микросхемалардың жиынтығы. Бір серияның микросхемалары бір технология бойынша дайындалады, ұқсас конструктивті орындалуы болады.дамыған серияларға, сандық микросхемалардың ондаған типі кіреді: логикалық элементтерден, функционалды бітірілген түйіндерге дейін- санағыштар, регистрлер, қосқыштар(сумматорлар), есте сақтау құрылғылары(жады ұяшығы). Құрылғыны жасау кезінде микросхемалардың әр түрлі сериялары қолданылады. Әр дербес жағдайда оптималды таңдама жасау үшін микросхемалардың серияларын көрсеткіштердің қатарымен бағалайды: активті элементтердің типі бойынша(транзисторлар), логикалық операцияны орындау үшін олардың өзара бірігу әдісі бойынша, тез әрекеттенуіне, электрлік және басқа көрсеткіштеріне қатысты. Триггер немесе триггерлік кешен деп электрондық құрылғының үлкен классын айтады. Олар ұзақ уақыт екі тұрақты күйдің біреуінде болып, сыртқы сигналдың әсерімен оларды ауыстырып отырады. Триггердің әр күйі шығыс кернеудің мәнімен анықталады. Жұмыс істеу әрекеттерінің сипаттамасына байланысты импульсті құрылғыларға жатады- олардың  активті элементтері (транзисторлар, лампалар) кілттік режимде ж.і., күйді ауыстыру өте қысқа уақытта жүреді. Триггер сөзі ағылшынша «жіберу құрылғысы», курок деген сөз. Функцияналдық қасиеттеріне байланысты триггерлерді- flip- flop(щелчок- хлопок), latch(защелка, задержка) д.а.. Триггерлердің функционалдық құрылғы ретіндегі ерекше қасиеті екілік ақпаратты есте сақтауы. Триггердің жадысы деп- ауыстыру сигналының әсері өтіп кеткен кезде екі күйдің біреуінде қалуын атайды. Күйдің біреуі 1, екіншісі 0 болады, яғни триггер бір разрядты сандарды сақтайды(екілік кодта жазылған).

Триггерді алу үшін кез- келген күшейткішті оң кері байланыспен  қамту қажет және жеткілікті, >1/ - беру коэффициентімен, мұнда - күшейткіштің беру коэффициенті(кері байланыссыз). Осы принцип барлық триггерлік құрылғылардың негізіне салынған. Қазіргі кезде көптеген әр түрлі триггерлік сұлбалардың саны құрастырылған. Триггер екі үлкен топқа бөлінеді- динамикалық және статикалық. Олар өйтіп шығыс ақпараттың көрсетілу тәсіоіне байланысты аталған. Динамикалық триггерлі кешен (2.1 - сурет), оның шығысында бір күйі тізбекті үздіксіз, белгілі бір жиілікті сигналдың болуымен, ал басқасы- шығыс импульстің жоқтығымен(0) сипатталады. Күйдің ауысуы сыртқы импульстармен іске асады. Диинамикалық триггерлер көп қолданбайды.[4,5,6]

Статикалық  триггерлерге әр күйі шығыс кернеудің  өзгермейтін дәрежесімен сипатталатын құрылғылар жатады(шығыс потенциалымен: жоғарымен- қорек көзінің кернеуіне  жақын, төменмен- 0-ға жақын). Олар шығыс  ақпараттарды шығару әдісі бойынша потенциалды д.а.. Статикалық триггерлер өздері практикалық мазмұны бойынша екі тең емес топқа бөлінеді: симметриялы, симметриялы емес. Екеуі де екікаскадты оң кері байланысты күшейткіште орындалады. Ал аттары сұлбаның элементтерінің арасындағы ішкі электрлік қатынастардың ұйымдастырылу әдісі үшін қойылған. Олардың айырмашылықтары қолданылатын күшейткіштің типі мен осы күшейткішке ОКБ(ПОС)-тың тізбегін енгізу әдісінде. Осы белгілеріне қарай екі негізгі триггердің классын көрсетуге болады: коллекторлы-базалық байланыстармен және эмиттерлік байланыспен. Оның алдыңғысы симметриялы д.а.. Симметриялы түсінігі бұнда тек схемаға қатысты емес, элементтің параметрлеріне де: , , .

Триггердің негізгі қызметі: сандық ақпаратты есте сақтау. Оның бір күйін “1” , екінші күйін ”0” деп алсақ, онда триггер екілік кодта жазылатын санның бір разрядын  есте сақтайды. Сандық ақпараттың бұлай сақталуы теория негізінде шексіз көп уақыт сақталады, триггерге басқару сигналдары түспегеше немесе қорек көзінің кернеуінен өшімегенше.

Қазіргі кезде, жоғарыда қысқа тоқталып кеткендей  өнеркәсіпте микросхема ретінде  интегралдық микросхема серия құрамына кіретін триггерлер шығарылады. Одан басқа кейде триггерлер логикалық элементтердегі ақырғылардың сәйкестік бірігулер жолымен орындайды. Сондай-ақ, триггерлер белгілі магниттік материалдардың сызықты емес қасиеттерін қолдануына негізделіп, оптоэлектроника элементтерінде, тунелдік диодтарда және сызықты емес N-типті сипаттамаларымен екіполюстілікте тұрғызылған.[7,8,9]

 

 

2.1 Триггерлер классификациясы

 

 

ИМС сериялары  триггерлік – элементтерінен тұрады. Қазіргі кезде аппаратуралар  жобалаушыларының міндеті – триггерлерді логикалық элементтерден құру емес, дайын триггер қолдану болып табылады. Сондықтан ең маңыздысы триггерлер классификациясы (2.1 - сурет) және олардың жұмыс істеу ерекшелігін түсіндіру, кіріспен және басқару сигналдары бойынша шектеулі болып табылады.