В предыдущих уроках мы изучали аналоговую технику. В данном уроке будут даны начальные сведения о цифровой технике.
Цифровая техника реализуется на ключевых схемах, которые под действием внешнего управляющего сигнала осуществляют коммутацию (замыкают или размыкают электрическую цепь). Работа ключевой схемы на транзисторах описана в Уроке 11. В дальнейшем в Уроке 12 мы описали схему мультивибратора на 2 транзисторах, где транзисторы переключаются из режима насыщения в режим отсечки и наоборот в автоколебательном режиме. Частота колебаний мультивибратора определяется постоянной времени RC-цепей.
Там же приведена схема простого кварцевого генератора с т.н. "часовым" кварцем на частоту 32.768 Гц. Часовым кварц называется оттого, что кварцевый генератор встроен в наручные или иного рода электронные часы, для нормальной работы и индикации времени требующих тактовых импульсов с периодом следования 1 секунда, или частотой 1 Гц.
Но создать кварц на частоту 1 Гц немыслимо, кристалл кварца должен был бы иметь огромные размеры. На практике существуют кварцы с частотами от нескольких кГц и выше, до сотен МГц. Для деления частоты часового кварца (кварцевого резонатора с частотой 32.768 Гц) до 1 Гц используют особые микросхемы, например К176ИЕ5 - 15-разрядная микросхема-счетчик. Счет заключается в том, что после того, как микросхема сосчитает 32.768 поступающих от кварцевого генератора импульсов, на одной из своих ножек она выдает импульс, ровно один раз в секунду.
Осталось разобрать, как устроена эта микросхема, как она считает импульсы, и отчего частота кварцевого генератора выбрана именно 32.768 Гц, а не иной.
Устройство и принцип работы RS-триггера
Существует несколько типов триггеров, RS-триггер самый простой из них, с него и начнем.
Триггер - это устройство, которое может находиться в одном из двух устойчивых состояний. Состояния триггера переключаются управляющим сигналом на входе, и это состояние сохраняется при снятии управляющего сигнала, что означает наличие у триггера памяти, и использование его в качестве ячейки памяти.
Триггеры на электромеханических реле использовались в первых электронно-вычислительных машинах (ЭВМ). Реле, имеющие 2 состояния - включено и выключено, применялись для кодирования информации в двоичном виде. В дальнейшем, после изобретения электронных ламп, появились ламповые ЭВМ, первой из которых была созданная в 1945 году в США ЭВМ "ЭНИАК". Триггеры ЭНИАКа собирались на двойных триодах, и с появлением транзисторов простейший триггер мог быть собран тоже на 2 транзисторах. Первый триггер на транзисторах был изобретен в 1956 году в лаборатории корпорации IBM, через 2 года транзисторные триггеры появились в СССР.
Ниже схема простейшего RS-триггера.
В схеме выше 2 транзисторных каскада включены по схеме с общим эмиттером. Транзисторы триггера могут быть открыты или закрыты, при этом резисторы R3 и R4 не допускают одновременной открытости или закрытости обоих транзисторов, транзисторы всегда находятся в противоположных состояниях.
У триггера 2 выхода - Q1 и Q2. Напряжение на выходе запертого транзистора близко к напряжению источника питания Uп, на выходе открытого к 0. Эти 2 напряжения называются логическими уровнями. Эти уровни стандартизованы для возможности совместной работы множества триггеров.
У триггера 2 входа - X1 и X2. представим, что транзистор VT1 открыт, транзистор VT2 заперт. Управляющие сигналы в данной схеме на n-p-n транзисторах отрицательной полярности, которые запирают соответствующий транзистор. Подача управляющего импульса на транзистор VT2 через вход X2 не меняет его состояния, поскольку транзистор и так заперт. Но подача отрицательного управляющего импульса на открытый транзистор VT1 через вход X1 запирает его, на коллекторе транзистора появляется напряжение, в базу транзистора VT2 через резистор R4 втекает ток, открывающий транзистор. На коллекторе транзистора падает напряжение, через резистор R3 перестает протекать ток, и транзистор VT1 запирается. Триггер меняет свое состояние, он "опрокидывается". Это состояние сохраняется даже при пропаже управляющего импульса, т.е. триггер обладает памятью.
При подаче управляющего импульса на вход X2 процессы приводят к запиранию VT2 и открытию VT1, т.е вновь к опрокидыванию транзистора. Таким образом, подавая кратковременный управляющий импульс на соответствующий вход триггера, удается заставить триггер помнить, на какой вход импульс был подан.
Процесс перехода триггера из одного состояния в другое очень быстрый и оттого называется лавинообразным. По факту, схема RS-триггера на 2 транзисторах несколько усложнена для повышения надежности и ускорения его работы (опрокидывания). В схему может быть включен источник начального смещения баз транзисторов, и конденсаторы форсирования процесса опрокидывания.
На основе биполярных транзисторов и резисторов была создана серия цифровых логических схем транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ, TTL). Напряжение питания этих схем составляет +5 В, уровень единицы "1" не ниже 2 В, а уровень нуля "0" не выше о,8 В. Таким образом, напряжение на выходе ТТЛ логики 1 В или 1,5 В является запрещенным и может появиться лишь при неисправности. В СССР выпускались серии ТТЛ-логики К155, К555, КР1533, КР531.
Счетный T-триггер
Поняв принцип работы RS-триггера, будет легко понять работу счетного T-триггера. Счётный Т-триггер или триггер со счетным входом -это триггер, который работает в режиме учета импульсов на входе. У счетного триггера всего один логический вход, обозначаемый Т.
Схема счетного триггера на 2 транзисторах ниже.
Это узнаваемая вами схема RS-триггера, быстродействие которого улучшено т.н. ускоряющими конденсаторами C1 и C2. Конденсаторы на основе второго закона коммутации (Урок 2) ускоряют передачу изменения напряжения на коллекторах транзисторов на базу противоположного транзистора, что ускоряет опрокидывание триггера. Если у RS-триггера 2 входа, в T-триггере базы обоих транзисторов через диоды Д1 и Д2 подключены к счетному входу T.
В исходном состоянии T-триггер, как и RS-триггер, находится в одном из 2 устойчивых состояний, т.е. один транзистор открыт а другой заперт. Предположим опять, что транзистор VT1 открыт а VT2 заперт. При подаче отрицательного управляющего импульса на вход T состояние запертого транзистора VT2 не изменяется, но открытый транзистор VT1 запирается. Появление напряжение на коллекторе VT1 приводит к открытию запертого транзистора VT2, пропажа напряжения на коллекторе VT2 приводит к пропаже тока базы VT1, и даже после исчезновения управляющего импульса транзистор VT1 остается запертым. Таким образом, кратковременный управляющий импульс привел к опрокидыванию триггера.
Повторная подача управляющего импульса уже приводит к запиранию VT2 и открытию VT1, т.е. вновь к опрокидыванию триггера и возвращению его в первоначальное состояния. Таким образом, каждый нечетный импульс (1-й, 3-й и т.п.) переводит триггер в противоположное состояние, а каждый четный (2-й, 4-й и т.п.) возвращает в исходное.
Если управляющие импульсы следуют регулярно с некоторой частотой, импульсы с выходов триггера следуют с частотой вдвое меньшей, т.е. счетный триггер производит деление частоты входных импульсов на 2.
Делители частоты
Выше мы установили, что посредством T-триггера можно делить частоту следования импульсов на 2. Чтобы поделить частоту на 4, необходимо включить последовательно 2 счетных триггера. Но выход первого триггера нельзя включить непосредственно на счетный вход второго, поскольку на счетный вход 2-го триггера необходимо подавать кратковременные отрицательные импульсы, а не непрерывное положительное напряжение с выхода 1-го триггера. Да и необходимости создавать отдельные T-триггеры нет, вполне возможно создание объединенного триггера с функциями RS- и T-триггера. Схема ниже.
Данный триггер можно устанавливать как в нужное состояние сигналами по входам R и S, так и переводить в противоположное состояние (опрокидывать) сигналами по входу T. Но теперь ко входу T можно подключить выход аналогичного триггера, и появлении на выходе предшествующего триггера логического 0 приводит к подаче на вход открытого транзистора последующего триггера отрицательного импульса, приводящего к его опрокидыванию.
Чтобы понять, каким образом перепад фронта приводит к появлению короткого импульса, надо познакомиться с понятием дифференцирования сигнала. В Уроке 4 мы рассмотрели RC-фильтры высокой частоты. По факту, этот фильтр является дифференцирующей цепью, выделяющей фронты поступающего на вход прямоугольного сигнала, и игнорирующего плоскую вершину импульса (если постоянная времени RC-цепи τ, равная произведению сопротивления R на емкость C, гораздо меньше длительности прямоугольного импульса tи).
Из рисунка выше следует, что изменение фронта импульса на выходе триггера с логического 0 до логической 1 порождает на выходе дифференцирующей цепи (с конденсаторами C3 или C4) короткий цепи положительный импульс, который диоды в цепи триггера по схеме выше не пропускают в цепь баз, и лишь переход с логической 1 на 0 порождает на выходе дифференцирующей цепи отрицательный импульс, проходящий в цепи баз, запирающий открытый к этому времени транзистор и опрокидывающий триггер.
Если один триггер производит деление частоты управляющих импульсов на 2, два последовательно включенных триггера производят деление частоты следования управляющих импульсов на 4. Ниже схема делителя частоты на 4 на 2 триггерах из схемы электронных часов (Журнал Радио № 2 за 1974 год).
Обратите внимание - до сих пор схемы триггеров приводились на транзисторах n-p-n типа с положительным напряжением питания схемы. Схема делителя на 4 собрана на транзисторах p-n-p типа с отрицательным напряжением питания. Соответственно изменено включение диодов Д1-Д4 для пропуска на базы транзисторов уже не отрицательных, а положительных запирающих импульсов. Конденсаторы С1-С4 дифференцирующие.
Применение микросхемы К176ИЕ5 в электронных часах
Нетрудно догадаться, что коэффициент деления делителя частоты на триггерах при последовательном их включении может быть только кратным 2, а именно равным 2^N, где N - число триггеров.
Отсюда разгадка частоты часового кварца 32.768 Гц - это 2 в 15-й степени, 2^15=32.768. Следовательно, в упомянутой выше микросхеме К176ИЕ5 деление частоты часового кварца осуществляется 15 последовательно включенными 15 триггерами с получением на выходе частоты 1 Гц.
Ниже типовая схема включения микросхемы К176ИЕ5. Микросхема выпускается в 14-выводном прямоугольном пластмассовом корпусе DIP-14 с выводами для монтажа в отверстия печатной платы. Также, для удобства монтажа и демонтажа микросхем к плате могут припаиваться выводы цанговой панельки DIP-14, а к контактам панельки подключать контакты микросхемы.
Микросхема требует для работы напряжения питания 5-10 В. К выводам микросхемы подключается часовой кварц, вывод R служит для установки триггеров микросхемы в исходное состояние (сброс, установка "0"). Помимо частоты 1 Гц, с выводов микросхемы можно снимать сигналы частотой 2 Гц и 64 Гц, а также частоты кварца 32.768 Гц. Легко догадаться, что частота 64 Гц снимается с выхода 9-го по счету от начала делителя триггера, а 2 Гц с предпоследнего триггера, 14-го по счету.
Всего в микросхеме внешним размером около 20 мм и массой не свыше 1 грамма содержится 307 интегральных элементов, что некогда считалось средней степенью интеграции. В качестве примера, в процессоре Apple M1 (2020 год) содержится 16 миллиардов транзисторов.
Вернемся к конструкции часов. Сигналы частотой 1 Гц пригодны для мигания точки на экране индикатора часов, для индикации числа минут, десятков минут, числа часов, десятков часов требуется деление на числа, отличные от степени двойки - на 10 и 6, а также сбрасывать показания часов с возвратом к 00:00 при счете до 24:00 (или 12:00).
Для счета до 10 используются 4 триггера (которые в состоянии досчитать до 16), а для счета до 6 - 3 триггера (с возможностью досчитать до 8) с обратными связями, ограничивающие счет на нужном числе.
При анализе схем вышеприведенных триггеров бросается в глаза, что для установки триггеров в нужное состояние (начальное, сброс) требуется напряжение полярности, противоположной полярности источника питания. При необходимости обеспечить установку триггеров напряжением одной с источником питания полярности.
Данная схема редко применялась в транзисторных схемах, поскольку вместо 2 транзисторов схема триггера содержит их 4. Но в микросхемах подобное ограничение отсутствует.
В данном уроке, открывающем подборку статей по цифровой технике, приведены лишь транзисторные схемы, за малым исключением. В дальнейшем перейдем к схемам на микросхемах различной степени интеграции, но понять логику их работы без понимания их внутреннего устройства невозможно, аналогично как в Уроке 14, прежде чем рассмотреть работу операционного усилителя, мы рассмотрели схему дифференциального усилителя на 2 транзисторах.
Схемотехника для начинающих