Совместное применение последовательных и комбинационных цифровых устройств

Часто при проектировании цифровых узлов возникает задача индикации состояния цепи. Комбинационные устройства, хотя и позволяют произвольным образом преобразовывать цифровые сигналы не могут справиться с этой задачей. Здесь уместно использовать некоторую комбинацию триггеров, позволяющую фиксировать состояние цепи в произвольные моменты времени и затем выводить данное фиксированное состояние на устройство вывода, в качестве которого может выступать группа светоизлучающих диодов, семисегментный индикатор и т.п. Далее мы рассмотрим задачи построения двухразрядного счётчика и системы отображения его состояния, и построения двухразрядного шифратора, снабженного средством визуализации его работы. Несмотря на то, что данные схемы вряд ли имеют практическую применимость в силу малого числа разрядов, понимание принципа их работы значительно облегчит построение более сложных систем.

В функции дешифратора входит преобразование кода, поступающего на его входы. В нашем случае счетчик двухразрядный, поэтому и дешифрировать надо двухразрядное число, в связи с этим у дешифратора должно быть N=2²=4 выходов. На рис. 25 пунктирной линией отмечена схема счетчика, мы выбрали для иллюстрации асинхронный нереверсивный счетчик, хотя он может быть заменён на любой другой по выбору разработчика.

Схему дешифратора будем собирать аналогично схеме, приведенной на рис. 13. Для этого дешифратора активные уровни логические нули, т.е. он примет число, дешифрировав его, выдаст логический ноль на один из своих выходов, соответствующее поступившему числу. В нашем случае, если на дешифратор подать 0001, то светодиод Х1 должен потухнуть, а три остальных гореть, что как раз и соответствует тому, что на Х1 логический ноль. Если в схеме на рис. 13 использовались элементы И, вместо И-НЕ, то активные уровни дешифратора были бы логические единицы, что соответствовало горящему светодиоду.

Для того чтобы проверить правильность дешифрации, выходы счетчика подключим к цифровому индикатору.

Таким образом, будем собирать дешифратор с активными уровнями логических нулей, для этого воспользуемся элементами И-НЕ, которые выдают логический ноль, когда на входах будут логические единицы. Обозначим через q₀и q₁выходы счетчика. Тогда схема должна удовлетворять следующей таблице:

Десятичный эквивалент числа	Обозначение на схеме	Логическое выражение для дешифрации
	Х0   Х1   Х2   Х3

Итоговая схема приведена на рис. 25.

На схеме видно, что для создания инверсных выходных сигналов использовались дополнительные инверторы, хотя их использование можно было бы избежать, если воспользоваться инверсными выходами триггеров. Но этого не было сделано, чтобы показать, как на самом деле выглядела бы схема, если бы использовали отдельные микросхемы счетчика и дешифратора, т.к. у счетчика было бы два выхода, идущих с неинверсных выходов триггеров и два входа дешифратора. Ситуация, когда используются инверсные выходы триггеров счетчика, соответствует микросхемам счетчиков со встроенными дешифраторами.

Таким образом, схема должна работать следующим образом: при каждом нажатии кнопки clk (на рабочей плате лабораторной установки соответствует встроенному генератору одиночных импульсов) счетчик будет последовательно проходить состояния 0→1→2→3, соответственно в схеме светодиоды должны будут также последовательно тухнуть (Х0→Х1→Х2→Х3).

Рис. 25 Схема 2-х разрядного счетчика с дешифратором

Рис. 26 Схема 2-х разрядного шифратора с параллельным регистром

Шифратор – это устройство, которое преобразует одиночный сигнал в n-разрядный двоичный код. Будем преобразовывать десятичные числа, которые задаются с помощью ключей «1», «2» и «3», в двоичные. Десятичный ноль задается, когда все ключи замкнуты на землю.

Двухразрядный регистр используется для хранения двоичного числа, записанного с шифратора, и передачи его на цифровой индикатор.

Шифратор должен удовлетворять следующей таблице:

где а₁и а₂– выходы шифратора.

Согласно этой таблице, когда мы замыкаем ключ «1» на питание, на выходах а₂ = 1 и а₁ = 0 и при нажатии на кнопку в регистр должно записаться число 01, а на индикаторе высветится единица.

Из этой таблицы следует, что на выходе а₀= 1, когда на питание замкнуты ключи «1» или «3», а₁ = 1 – когда ключи «2» или «3». Таким образом, в схеме мы должны использовать элементы ИЛИ и соответственно выход а₀подать на вход младшего разряда регистра, а а₁– на старший.

Схема приведена на рис. 26.