Регистры

Регистром называют цифровой узел, предназначенный для записи и хранения информации.

Помимо хранения некоторые виды регистров могут преобразовывать информацию, например из последовательной во времени формы в параллельную, сдвигать записанную информацию на один или несколько разрядов в сторону младшего или старшего разрядов, инвертировать код.

В соответствии с назначением различают регистры хранения и регистры сдвига. По принципу хранения информации – на статические и динамические. Статические – на потенциальных триггерах, динамические – на элементах памяти типа конденсатор (практически используется входная емкость МДП-транзистора).

Характеристики регистров:

- разрядность: определяется количеством триггеров для хранения информации;

- быстродействие: характеризуется максимальной тактовой частотой, с которой может производиться запись, чтение и сдвиг информации.

Основу регистров хранения составляют одноступенчатые асинхронные RS-триггеры. Каждый триггер служит для хранения одного разряда числа. На рис. 5.21 приведена схема одного разряда регистра и его условное изображение.

а	б
Рис. 5.21. Регистр хранения: а – схема одного разряда; б – условное изображение

Регистр имеет информационные входы b₀÷ b_n, вход разрешения записи (P), установки 0 (R), управления считыванием в прямом коде (сч1), в инверсном коде (сч2) и выходы Q₀÷Q_n. Управление режимом работы осуществляется подачей уровня 1 на соответствующий вход.

Регистры сдвига предназначены для преобразования информации путем ее сдвига под воздействием тактовых импульсов. Такие регистры представляют собой совокупность последовательно соединенных триггеров, как правило двухступенчатой структуры. Число триггеров определяется разрядностью записываемого слова. По направлению сдвига различают регистры прямого сдвига (в сторону младшего разряда), обратного сдвига (в сторону старшего разряда) и реверсивные (направление сдвига переключается). Пo способу ввода и вывода информации – на параллельные, последовательные и комбинированные.

Сущность сдвига состоит в том, что с приходом каждого тактового импульса происходит перезапись (сдвиг) содержимого триггера каждого разряда в соседний разряд без изменения порядка следования единиц и нулей.

На рис. 5.22 приведена схема комбинированного регистра сдвига и его условное изображение.

В основу положены синхронные D-триггеры с установочными входами. Информация может загружаться последовательно, для этого используется вход D. С приходом каждого тактового импульса вводится один бит информации.

а	б
Рис. 5.22. Регистр сдвига: а – схема; б – условное изображение

При параллельной нагрузке информация подается одновременно на все входы b₀÷b₂, при подаче единицы на вход разрешения записи (PE) осуществляется загрузка во все триггеры одновременно. Направление сдвига указывается стрелкой на условном изображении регистра (на рис. 5.22, б – сдвиг в сторону младшего разряда).

Контрольные вопросы и задания

1. Возьмите три JK-триггера, синхронизируемые уровнем, фронтом, срезом. На входы J и K подайте «1», на вход C – прямоугольный импульс, длительностью много большей времени переключения триггера. Нарисуйте графики выходных импульсов.

2. Возьмите триггер (см. рис. 5.19, а), подайте на вход (C) последовательность прямоугольных импульсов. Нарисуйте график выходного сигнала.

3. Возьмите RSC-триггер, синхронизируемый срезом. Соедините выход с R, а выход с S. На C подайте последовательность прямоугольный импульсов. Нарисуйте графики сигналов на выходах и .

4. Используя счетчик (см. рис. 5.17, а), постройте счетчик по модулю 5. Нарисуйте временные диаграммы на выходах Q₀, Q₁, Q₂, Q₃.

5. Используя T-триггеры, переключаемые срезом импульса, постройте суммирующий трехразрядный счетчик. Нарисуйте временные диаграммы на выходах Q₀, Q₁, Q₂.

6. Укажите различие асинхронного и синхронного счетчиков.

7. Какие типы регистров вы знаете?

8. Какие преобразования цифрового сигнала можно осуществлять с помощью регистров?

6. ГЕНЕРАТОРЫ ИМПУЛЬСных СИГНАЛОВ

Программное управление цифровыми устройствами предполагает определенную временную последовательность выполнения операций над цифровыми сигналами. Эти временные интервалы задаются генераторами прямоугольных импульсов. Эти же генераторы могут использоваться при использовании цифровых элементов и устройств в качестве источника тестовых импульсных последовательностей.

В цифровой измерительной технике широко применяются генераторы линейно-изменяющихся сигналов , с помощью которых можно преобразовать уровень аналогового сигнала во временной интервал , заполнив который импульсами стабильной частоты , можно далее проводить обработку информации с помощью высокоточных цифровых устройств (рис. 6.1).

Автогенератором называется независимый преобразователь напряжения источника питания в периодическую последовательность импульсов прямоугольной или какой-то другой формы. Автогенератор может работать в ждущем (заторможенном) режиме, когда
в ответ на специальный запускающий импульс он вырабатывает один или несколько импульсов, после чего снова переходит в режим ожидания.

6.1. Автогенераторы прямоугольных импульсов
(мультивибраторы)

Принцип построения мультивибраторов во многом схож с автогенераторами гармонических колебаний – наличие положительной обратной связи с усилением по петле больше единицы. Существенное отличие
в том, что основную часть периода генерируемых импульсов усилительные элементы генератора находятся в ключевом режиме, а положительная обратная связь действует в короткие моменты перехода усилительного элемента из одного состояния (заперт) в другое (открыт), когда формируются фронты импульсов. Эта особенность определяет тот факт, что частота генерации определяется не балансом фаз, а длительностью перезаряда хронирующих (времязадающих) конденсаторов. Импульсный режим работы позволяет использовать элементы с гистерезисом, когда автоколебательный режим возможен при одном реактивном элементе. Так как амплитуда импульсов ограничивается в ключевом режиме напряжением источника питания в мультивибраторах, нет необходимости использовать системы автоматической регулировки усиления (АРУ).

Рассмотрим процессы, происходящие в схеме мультивибратора с одной хронирующей емкостью (рис. 6.2).

Положительная обратная связь замыкается через конденсатор С и два последовательно соединенных инвертора. Действует эта связь только тогда, когда оба инвертора находятся в активном (усилительном) режиме. Развивающийся в это время регенеративный процесс приводит к тому, что на выходе одного инвертора устанавливается высокий уровень, а на выходе другого – низкий. Инверторы теряют усилительные свойства, регенеративный процесс прекращается, и состояние выходов инверторов остается неизменным на время, которое и определяет длительность импульсов. Для упрощения анализа будем полагать значение нижнего логического уровня равным нулю, а верхнего – значению напряжения питания инверторов Е; длительность регенеративного процесса, когда состояние выводов инверторов меняется на противоположные; напряжение на открытом диоде VD, защищающем вход инвертора от отрицательного напряжения, равно нулю. Начнем с рассмотрения некоторого условного начального состояния, когда напряжение на конденсаторе равно нулю, а состояние инверторов соответствует рис. 6.3.

С этого момента происходит заряд конденсатора по цепи:
+Е®R®®С, С ® общий провод. В точке 1 напряжение, являющееся входным для первого инвертора, равно напряжению на конденсаторе и нарастает одновременно с последним. В момент времени t₁, когда напряжение U₁ достигает уровня, достаточного для переключения первого инвертора в низкое состояние, происходит быстрое переключение инверторов (см. рис. 6.4), после которого напряжение U₁, равное теперь сумме напряжений на конденсаторе и высокого уровня на выходе второго инвертора, скачком возрастает на величину Е.

В новом состоянии инверторов происходит процесс перезаряда конденсатора по цепи: +Е ® С ® R ® общий провод. В результате U_c сначала снижается до нуля, а затем меняет свой знак на противоположный. Как только выполнится условие

,

где – напряжение, при котором входной инвертор переходит в состояние логической единицы (момент t₂ на диаграмме – рис. 6.5), –произойдет очередное переключение инверторов. Схема снова приходит в состояние, соответствующее рис. 6.3.

В момент этого переключения диод открывается отрицательным напряжением на конденсаторе, конденсатор разряжается до нуля, и схема возвращается в состояние, с которого мы начали ее рассматривать. Это говорит о периодическом характере процесса, переключающего инверторы, в результате которого и генерируются импульсы (рис. 6.5), которые можно снимать с выходов как первого, так и второго инверторов.

Длительность интервалов , определяется по соотношению, известному из электротехники, для экспоненциальных процессов заряда и перезаряда конденсатора с постоянной времени (выходные сопротивления инверторов пренебрежимо малы):

,

где – напряжение, которое установилось бы на конденсаторе в процессе заряда (разряда) при ; , – соответственно начальное и конечное напряжения на конденсаторе. Для диаграмм по рис. 6.5 для этапа имеем , , ,

.

Для перезарядки имеем

, , , .

Период и частота следования импульсов соответственно равны

, .

Из приведенных соотношений следует, что нестабильность частоты определяется нестабильностью параметров R и C пороговых уровней микросхем U’, U” и источника питания Е. Достижение высокой стабильности частоты мультивибратора обеспечивается введением в генератор гармонических колебаний кварца вместо хронирующего конденсатора.