Регистры – Цифровая техника

April 23, 2015 by admin Комментировать »

Регистры — сложные микросхемы триггерного типа, предназначенные для хранения небольшого объема информации, а также для преобразования последовательного кода в параллельный или наоборот.

С регистрами читатели этой книги уже знакомы по предыдущим двум параграфам, поэтому, чтобы не тянуть кота за хвост, я возьму с места в карьер.

Чаще всего используемые радиолюбителями КМОП-регистры изображены на рис. 1.72. Начнем знакомство с регистрами с микросхемы К561ИР2.

Эта микросхема представляет собой два независимых друг от друга 4-разрядных сдвигающих регистра. Управляются они по входам С и D, также у микросхемы имеется возможность принудительного обнуления всех выводов подачей на вход сброса R уровня, лог. «1».

Принцип действия этого типа регистров вам уже знаком. По фронту импульса С информация со входа D записывается на выход 0. При этом та информация, которая была до этого на выходе 0, «переходит» на выход 1, т. е. происходит сдвиг информации вниз. Информация (уровень) С выхода 3 при этом «теряется», так как ей некуда «записаться».

Эту микросхему легко превратить в один 8-разрядный сдвигающий регистр. Для этого нужно входы R и С обеих «половинок» соединить вместе, а вход D одного регистра подключить ко входу 3 второго. Работа микросхемы в таком режиме возможна потому, что по ходу D информация записывается в то время, когда

Рис. 1.72. КМОП-регистры на входе С происходит «рабочий» перепад уровней, тогда как на выходах информация изменяется только после окончания перепада уровней. Если бы уровни на выходах регистра изменялись мгновенно, а по входу D информация записывалась с некоторой задержкой, то этот регистр был бы не 8-, а 7-разрядный (на выходе О ведомого регистра был бы тот же уровень, что и на выходе 3 ведущего).

Следующая микросхема, которую мы рассмотрим, — К176ИР10. Эта микросхема содержит «внутри себя» 2 4-разрядных и 2 5-разрядных регистра с объединенными входами С и индивидуальными — D. Входа сброса R у нее нет.

D-входы каждого регистра обозначены буквами а, Ь, с и d. Для экономии количества выводов у микросхемы сделаны только с выходов четвертого (3) и пятого (4) триггера каждого из 4 регистров (у регистров в канале А и С пятого канала нет). Отводов от первых трех триггеров каждого регистра (выходы 0…2) нет. Впрочем, они и не нужны.

Эту микросхему чаще всего используют для организации небольшой памяти FIFO (first in — first out — первым вошел — первым вышел), т. е. тот уровень, который записался самым первым, самым первым и выйдет «наружу» Упрощенная схема «внутренностей» микросхемы нарисована на рис. 1.73. Как видно, комбинируя различные входы и выходы, можно получить память практически на любое число битов (1 бит — это лог. «1»или лог. «0») — от 4 до 18. Так, например. если соединить вход b с выходом аЗ, подавать сигнал на вход а, а снимать — с выхода Ь4. то у нас получится 9 битовый элемент памяти. Входы с И d при этом можно подключить куда угодно, а входы этих регистров оставить свободными. Комбинируя подобным образом входы И выходы разных регистров,

Рис. 1.73. Схема «внутренностей»> микросхемы К176ИЕ10 можно получить сдвигающий регистр с другим количеством разрядов. Но при этом нужно помнить, что все выходы С всех 18 триггеров соединены между собой и «разъединить» их невозможно.

Перейдем к стандартным 4и 8-разрядным регистрам, у которых отвод сделан от каждого триггера. Простейшим представителем таких микросхем является 4-разрядный универсальный сдвигающий регистр К176ИРЗ. «Универсальным» называется каждый регистр, который имеет и последовательный, и параллельный входы данных D. По соотношению «цена — качество» эта микросхема самая выгодная. Непонятно только, почему ее так редко используют. Впрочем, в цифровой электронике регистры вообще стараются «обходить стороной», загромождая схемы лишними микросхемами, хотя всех их можно заменить одним-единственным регистром.

У этого регистра почти все входы — узкоспециализированные, поэтому на моем изображении этой микросхемы так много «непонятных» символов. Самый главный вход — Р/С (параллельный/последовательный). При уровне лог. «1»на этом входе информация записывается с параллельных портов 0…3 по фронту импульса на входе CD. Сдвиг информации в этом режиме невозможен, а на входах D и СС может присутствовать любой уровень. То есть сейчас микросхема работает как 4-разрядный регистр-«защелка» с записью информации по фронту импульса на входе CD.

При подаче на вход Р/С уровня лог. «0» микросхема переходит в последовательный режим работы со входом данных D и входом синхронизации СС. Запись параллельной информации в этом режиме невозможна, и на входах CD и 0…3 могут присутствовать любые уровни. Сейчас микросхема работает как обычный 4-разрядный сдвигающий регистр. Информация «сдвигается» от выхода 0 к выходу 3.

У этого регистра входы СС и CD можно соединить вместе и подавать на них импульсы от одного общего источника (генератора или одновибратора). При этом работа микросхемы не изменится, в любом из двух режимов один из входов С блокируется и не «мешает» работе второго входа. Кстати, их расположили «снаружи» микросхемы рядом (выводы 4 и 5) именно с этой целью.

Следующий универсальный 4-разрядный регистр, который чуть сложнее выше описанного, — К561ИР9. Это единственный из известных мне регистров, который может проинвертировать выходную информацию (на его выходах стоят 4 элемента ИСКЛЮЧАЮЩИЕ ИЛИ-HE, включенных так же. как и у микросхем К176ИЕЗ, ИЕ4). При подаче на вход «=1» уровня лог «0» выходы инвертируют записанную н$ них информацию, при уровне лог. «1»на нем информация не инвертируется. На работу микросхемы уровень на этом входе не оказывает никакого влияния — он влияет только на выходы.

В отличие от всех остальных регистров, у этого на последовательном входе установлен JK-триггер. Этот триггер наиболее универсальный из всех известных несложных триггеров. Для преобразования его в более привычный D-триггер (см. рис. 1.60, б) нужно попросту соединить вместе его входы J и К (вход К инвертируется внутри микросхемы). Записывается последовательная информация с этих входов (режим сдвига информации) по спаду импульса на входе С. Если на вход J подать уровень лог. «1», а на вход К — уровень лог. «0», то регистр перейдет в счетный режим и на его выходах по спадам импульсов на входе С будет чередоваться «0101» и «1010».

С Параллельных входов 0…3 информация записывается по фронту импульса на входе CD; при уровне лог. «1» на этом входе, который наступает сразу после фронта, работа последовательного порта блокируется. Запись с параллельного порта 0…3 при таком уровне на CD также невозможна, т. е, сейчас регистр заблокирован и работают только входы сброса и инверсии «=1». Работа микросхемы по последовательному порту возможна только при уровне лог. «0» на входе CD.

При подаче на вход сброса R уровня лог. «1»микросхема обнуляется. Если на ее вход «=1» поступает уровень лог. «0», то по всем выходам записываются «единицы», а если уровень лог. «1», то по всем выходам записываются «нули».

Самый сложный и наиболее универсальный КМОП-регистр — микросхема К561ИР6. Это 8-разрядный двунаправленный регистр, который может сделать Практически все, кроме разве что изменения направлений сдвига (реверса) и инверсии выходной (входной) информации. Последнее замечание — довольно серьезный недостаток. Правда, регистр, по определению, должен «уметь» только записывать И сдвигать информаций). Но Инверсия была бы весьма кстати.

У этой микросхемы имеется две группы двунаправленных параллельных портов — соответственно А И В. Слово «двунаправленных» означает то, что каждый порт может быть как входом, так и Выходом, т. е. сигнал можно подавать на порт А, а снимать – с порта В, а Можно И наоборот — подавать на порт В, а снимать с порта А. Направление передачи информаций в регистрах (и только у них) обозначают стрелкой под гербом микросхемы. У этого регистра стрелка двунаправленная.

Какой из портов является входным, а какой — выходным, определяется уровнем на входе AI/DI (A in — вход А/вход В). При уровне лог. «1» на этом входе — входом является порт А, При уровне лог. «0» — порт В. Быть одновременно или входами, или выходами оба Порта не могут. Правда, тут есть небольшая «лазейка», но о ней чуть позже.

Как вы уже, наверное, заметили (сравните с микросхемой К176ИРЗ), что если какой-то вход Выполняет две функции, названия которых написаны через дробь (Р/С, AI/BJ, WR/RD), то при уровне лог. «1» на этом входе активизируется верхняя функция, а при уровне лог. «0» — нижняя. Это правило соблюдается всегда, и его нужно попросту знать — оно поможет вам как прочитать чужую схему, так и составить правильно свою. Но тут есть одно исключение. Если вход инверсный (указан вектор над названием и (или) кружок на границе микросхемы и вывода), то при уровне лог. «I» активизируется нижняя функция. К счастью, таких входов очень мало.

Информация с параллельного порта записывается в триггеры регистра при уровне лог. «1»на входе CD. Последовательный порт при этом блокируется, и сдвиг информации невозможен.

При подаче на этот вход уровня лог. «0» регистр переключается в последовательный режим работы, а параллельный порт «выключается». Информация на выходных регистра при этом зависит от уровня на входе SD: если на нем присутствует уровень лог. «0», то после спада (перепада лог. «1» —> лог. «1») импульса на входе CD информация на выходах регистра остается такой, какая была на параллельных входах во время спада. Если же на входе SD присутствует уровень лог. «1». то после спада импульса на входе CD во всех выходах регистра записан тот уровень, который в это время присутствовал на входе последовательных данных DI (вывод 10). Этот «маневр» очень часто используют для обнуления (так как входа сброса у него нет) или для записи «единиц» по всем выходам регистра: на вход SD подают уровень лог, «1», на вход D — тот уровень, который должен записаться по всем выходам, а на вход CD — короткий импульс уровня лог. «1». Информация на параллельных входах в это время может быть любой.

«Единица» на входе SD проявляет себя только при переходе от параллельного режима работы к последовательному. При работе микросхемы во всех остальных режимах. А также при переходе от последовательного к параллельному режиму, уровень на этом входе может быть любым — он ни на что не влияет.

В последовательном режиме работы уровень со входа DI записывается на вход 0 по фронту импульса на входе С. Уровень, который до этого был записан на выходе 0, «сдвигается» вниз — на выход 1. Информация (уровень) с выхода 7 при этом пропадает — ей «некуда» записаться. Но в этом и во всех остальных сдвигающих регистрах информацию можно «гонять по кольцу», если соединить вход DI с выходом последнего триггера (в данном случае с выходом 7 регистра). В таком случае уровень с выхода 7 через вход DI будет снова записываться на выход 0. Почему это возможно см. описание микросхемы К561ИЕ19.

Порт А регистра можно перевести в Ζ-состояние (высокоимпеданское состояние, третье состояние — все это одно и то же; я предпочитаю первый термин — он занимает меньше места).

У любого выхода есть два состояния; когда на нем уровень лог. «0» и когда уровень лог. «1». Но у некоторых выходов есть третье состояние — когда на выходе вообще ничего нет," т. е. он как бы «оторван» от кристалла микросхемы. В таком состоянии выходы можно использовать как входы (ток, протекающий от источника сигнала через выход, находящийся в Ζ-состоянии, практически равен нулю, чего можно не учитывать) и подавать на них входные уровни.

Над выходами (входами), которые можно перевести в Ζ-состояние, рисуется символ этого состояния — остроугольный ромб с вертикальной палочкой внутри. Кстати, существуют микросхемы, выходы которых собраны по схеме с открытым коллектором (оторванным стоком). На таких выходах может быть только два уровня: лог. «0» и «ничего» (т. е. Ζ-состояние). Такие микросхемы помечают ромбом, у которого вертикальная палочка находится не в середине, а снизу (ромб как бы стоит на подставке). Подобные выходы более примитивны, чем выходы с тремя состояниями, поэтому в современных цифровых микросхемах они используются очень редко.

Порт А микросхемы К561ИР6 в Ζ-состояние переводится подачей уровня лог. «1 « на вход ΕΖΑ (enable ZA — разрешение перевода порта А в Ζ-состояние). Если при этом порт А является выходом, то нагрузка отключается, но по всем остальным входам и порту В регистр работает как обычно. Если же порт А является входом, то по перепаду уровня на входе CD информация на выходах регистра (порт В) остается неизменной, независимо от уровней на параллельных входах. Работоспособность последовательных входов и входа SD при этом сохраняется.

Эта особенность очень часто используется для принудительного обнуления всех выходов регистра. У описанного выше способа обнуления есть один недостаток! информация на выходах регистра, даже при очень малой длительности уровня лог. «1» на входе CD, вначале заменится (по фронту импульса на входе CD) на информацию, присутствующую на параллельных входах регистра, и лишь потом (по спаду импульса) по всем выходам регистра запишутся уровни со входа D1. Если же соединить вместе входы CD и EZA, а выходами регистра сделать порт В, то на фронт импульса на объединенных входах регистр не среагирует, а по спаду по всем разрядам запишется уровень со входа DI.

В серии КМОП-микросхем есть еще два очень «интересных» регистра: К561ИР11 и К561ПР1. Первый регистр работает как микросхема памяти, поэтому рассматриваться он будет в соответствующем параграфе, а вот второй я опишу здесь.

Микросхема К561ПР1 — универсальный преобразователь последовательного 8-разрядного кода в параллельный, с триггером-«защелкой» на выводах. Работает он как сдвигающий регистр.

Эта микросхема состоит из двух 8-разрядных сдвигающих регистров с соединенными вместе входами С и D последовательных данных. Верхний на рис. 1.72 регистр работает по фронту импульса на входе С, а нижний — по спаду. Нижний регистр имеет отвод только от последнего, восьмого, триггера (выход 7). Входа сброса оба регистра не имеют.

У верхнего регистра есть как последовательный, так и параллельный выход. Работой параллельного порта А управляют уровни на выходах СА и EZA. При уровне лог. «0» на входе EZA порт А переходит в Ζ-состояние. В рабочем режиме на этом входе должен присутствовать уровень лог. «1».

Между выходами сдвигающих триггеров резистора и портом А внутри микросхемы включен 8-разрядный триггер-»защелка». При уровне лог. «1»на входе СА разряды этого триггера включены как повторители уровня, и информация с выходов сдвигающих триггеров переходит на выходы А практически без задержки. То есть в таком режиме микросхема по входам С, D и выходам А работает точно так же, как и большинство описанных выше регистров.

При подаче на вход СА уровня лог. «0» триггер «защелка» «защелкивается», и на выходах А остается та информация, какая была на них во время спада импульса на входе СА. Работа регистра по параллельному входу при этом не нарушается, выход Ζ (вывод 9) регистра также не отключается. Новая (сдвинутая) информация на выходах А сменит старую только после подачи на вход СА уровня лог. «1». Выходы 7 обоих регистров (выводы 9 и 10) ни при каких уровнях на выходах СА и ΕΖΑ не отключатся и не блокируются. Вывод 9 микросхемы соединен с выходом 8-го сдвигающего триггера непосредственно, минуя «защелку», через которую к этому выходу подключен выход А7. При уровне лог. «1»на входе СА уровни на выходах 7 и А7 (выводы 9 и П) совпадают.

Выводы 9 и 10 микросхемы используются очень редко, чаще всего радиолюбители ограничиваются лишь портом А. Отличительные особенности этого регистра — возможность перевода выходов в Ζ-состояние (есть только у «монстра» К561ИР6) и наличие «защелки» на выходах, которой нет ни у одного регистра. А надобность в ней возникает очень часто.

Кстати о «защелках». Среди КМОП-микросхем нет ни одного 8 разрядного триггера, за исключением микросхемы К561ИР6. Но ее недостаток — слишком большой корпус (его ширина составляет 15 мм) и слишком большая универсальность, следствие чего — высокая цена. В то же время очень часто необходимы простенькие 8-разрядные «защелки» с примитивными входами и минимальным количеством выводов, особенно если учитывать, что в одной единице информации (байте) содержится 8 битов (разрядов).

Еще одно требование, которое часто предъявляется к подобным микросхемам, — большой выходной ток (не менее 50 мА). У микросхем серии К176 ток короткого замыкания не превышает 2…10 мА, серии К561 — 15…30 мА. Больший ток у этих серий получить практически невозможно.

Микросхемы, отвечающие всем этим требованиям, есть в серии ТТЛ-ИМС. Но, к сожалению, всем этим микросхемам присущ один недостаток, которого нет у КМОП-ИМС: большой потребляемый ток (для рассматриваемых ниже регистров — 15…25 мА), причем он практически не зависит от режима работы микросхемы. Правда, сейчас выпускают КМОП-аналоги ТТЛ-микросхем, у которых все параметры и разводка выводов соответствуют ТТЛ-ИМС, а потребляемый ток — КМОП-ИМС. Но такие микросхемы (серии 74НС и 7НСТ) довольно редки и дороги.

Некоторые часто используемые ТТЛ-регистры изображены на рис. 1.74. Микросхемы ИР22 и ИРЗЗ; ИР23 и ИР37 друг от друга отличаются только разводкой входов и выходов данных: у микросхем ИРЗЗ и ИР37 они расположены более «удобно» для изготовления печатной платы. Регистры ИР23 и ИР37 записывает информацию с параллельных входов на такие же выходы по фронту импульса на входе С (вывод 11). ИР22 и ИРЗЗ работают по уровню: при уровне лог. «1»на входе С триггеры этих регистров превращаются в повторители, и уровни с параллельных входов беспрепятственно проходят на выходы: по спаду импульса на этом входе «мышеловка» захлопывается, и на выходах остается та информация, которая была на них во время спада импульса на входе С.

Рис. 1.74. Некоторые параллельные регистры-»защелки» структуры ТТЛ

Выходы этих регистров выполнены по схеме с тремя состояниями (об этом свидетельствует ромб с палочкой внутри), и при уровне лог. «1» на входе ΕΖ выходы переключаются в Ζ-состояние (т. е. отключаются). В рабочем режиме На этом входе должен быть уровень лог. «0». У некоторых ТТЛ-регистров, находящихся в Ζ-состоянии, несколько уменьшается потребляемый ток.

Регистр ИР35 не имеет возможности перехода в Ζ-состояние, но зато у него есть вход сброса R. Этот вход, как и у большинства ТТЛ-микросхем, инверсный, и для обнуления выходов на него нужно подать уровень лог. «0».

Регистр ИР27 по цоколевке практически ничем не отличается от микросхем ИР22, ИР23, ИР35. Отличается от них он только тем, что у него вывод 1 — вход разрешения записи (EWR). Запись информации с параллельных входов возможна по фронту сигнала на входе С только при условии, что на входе EWR присутствует уровень лог. «0». При уровне лог. «1»на нем запись невозможна.

Одна из особенностей ТТЛ-микросхем — ко всем их входам подключены резисторы сопротивлением около 200 кОм, вторые выводы которых соединены вместе и подключены к выводу питания «+U». Поэтому те входы, на которых должен поддерживаться уровень лог. «1», можно оставить свободными (никуда не подключать) — резисторы сами создадут на таком входе уровень лог. «1». С КМОП-микросхемами такой фокус не пройдет, так как «внутри» них резисторов нет вообще. Правда, у них есть паразитная емкость выводов, склонная «накапливать» заряды. Вы уже, наверное, заметили, что если подать на вход инвертора или любой другой КМОП-мйкросхемы такое напряжение, которое изменит уровень на его выходе, а потом оставить вход «болтаться в воздухе», то уровень на его выходе изменится на первоначальный не мгновенно, а через некоторое время (до 10 секунд). Это плавно разряжается ничтожная входная емкость элемента через очень большое сопротивление изоляции затворов транзисторов.

Входная емкость большинства КМОП ИМС не превышает 1 пФ, а сопротивление изоляции затвора равно астрономической цифре

R„> 100 000 000 000 000 Ом. Именно поэтому КМОП-элементы потребляют от источника питания ничтожный ток — 0,1 …10 нА. Он в миллионы раз меньше, чем у ТТЛ-схем, и в тысячи раз меньше тока саморазряда батареек и аккумуляторов.

Источник: А. С. Колдунов, Радиолюбительская азбука. Том 1. Цифровая техника. / А. С. Колдунов — М.: СОЛОН-Пресс, 2003. 272 с. — (Серия «СОЛОН — радиолюбителям» Выпуск 18)

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты