Lekcja 2- przerzutniki
1.
Przerzutnik (z ang. flip-flop) jest to podstawowy element pamiętający każdego układu cyfrowego, przeznaczonego do przechowywania i ewentualnego przetwarzania informacji. Przerzutnik współtworzy najniższe piętro struktury układu i zdolny jest do zapamiętania jednego bitu informacji. Grupa czterech lub ośmiu połączonych ze sobą przerzutników tworzy następne, wyższe piętro - tzw. rejestr, zdolny już do pamiętania jednego bajta informacji.
2.
Wśród monolitycznych (scalonych) przerzutników wyróżnia się:
- Przerzutnik typu RS,
- Przerzutnik typu D,
- Przerzutnik typu T,
- Przerzutnik typu JK,
- Przerzutnik typu JK-MS (MS od Master i Slave),
- Synchroniczny przerzutnik typu RS.
Przerzutniki typu RS mogą być zarówno asynchroniczne (zapisywane są wówczas zwykle małymi literami – rs) jak i synchroniczne, natomiast pozostałe typy przerzutników są wyłącznie synchroniczne.
Przerzutniki asynchroniczne przełączają stan wyjść w momencie zmiany na wejściu, a przerzutniki synchroniczne muszą oczekiwać na zmianę sygnału doprowadzonego do ich wejścia zegarowego. W tym momencie należy wyróżnić kolejny podział na przerzutniki wyzwalane zboczem (narastającym lub opadającym) lub wyzwalane poziomem wejścia zegarowego.
Za pomocą każdego przerzutnika i odpowiedniej liczby bramek logicznych można zrealizować dowolny inny rodzaj przerzutnika.
3.
Przerzutnik synchroniczny RS kluczowany z funktorów NAND
|
Tabela stanów - pełna
|
Tabela stanów - skrócona
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 1 0 |
|
|||
| 1 0 |
||||
| 1 0 |
Przerzutnik synchroniczny RS kluczowany z funktorów NOR
|
Tabela stanów - pełna
|
Tabela stanów - skrócona
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| 1 0 |
|
|||
| 1 0 |
||||
| 1 0 |
||||
4.
Przerzutnik typu D (data) (ang. Flip-flop) – jeden z podstawowych rodzajów przerzutników synchronicznych, nazywany układem opóźniającym. Przerzutnik ten przepisuje stan wejścia informacyjnego D na wyjście Q. Przepisanie informacji następuje tylko przy odpowiednim stanie wejścia zegarowego.
Najczęściej stosowana jest synchronizacja zboczem zegara, czyli przejściem z jednego stanu logicznego do drugiego. Zbocze może być narastające (przejście z 0 na 1) lub opadające. Innym rodzajem synchronizacji jest Latch (zatrzask, synchronizacja poziomem), który działa w ten sposób, że w czasie trwania na wejściu zegarowym jedynki logicznej (lub zera, przy synchronizacji poziomem niskim), wyjście Q powtarza stany podawane na wejście D. W momencie zmiany stanu zegara następuje "zatrzaśnięcie" przerzutnika i od tej chwili informacja na wyjściu Q, aż do następnego taktu zegarowego, pozostaje niezmienna. Typowym zastosowaniem przerzutnika typu Latch jest zapamiętanie chwilowego stanu szyny danych w celu zobrazowania go na wyświetlaczu. Przerzutniki wyzwalane zboczem są bardziej odporne na zakłócenia ze względu na to, że zakłócenia od strony wejść informacyjnych mają wpływ na pracę przerzutnika jedynie w krótkim przedziale czasu (dla układów TTL serii 7400 rzędu kilkadziesięciu nanosekund).
Oprócz synchronicznego wejścia typu D przerzutnik posiada często również asynchroniczne wejścia typu S (Set) i R (Reset). Służą one do ustawiania (S) i zerowania przerzutnika (R). Wejścia asynchroniczne mają większy priorytet od wejścia synchronicznego i działają nawet wtedy, gdy na wejście zegarowe nie jest podawany odpowiedni stan.
Przerzutnik D można stworzyć z przerzutnika typu JK. Na wejście J podaje się sygnał w postaci prostej, a na K w postaci zanegowanej. 
Na bazie przerzutnika D można zbudować asynchroniczny przerzutnik typu T. W tym celu wystarczy połączyć wyjście Q z wejściem D. Wejście CLK traktujemy wtedy jako wejście informacyjne T
5.
Przerzutnik typu T (ang. Toggle flip-flop) to taki przerzutnik, który po podaniu wartości logicznej 1 na wejście T i wyzwoleniu zboczem sygnału zegarowego (przeważnie opadającym), zmienia stan wyjść na przeciwny. Podanie 0 na wejście T powoduje zachowanie bieżącego stanu przerzutnika.
Zachowanie przerzutnika może być opisane równaniem:
i tabelą przejść przerzutnika:
| T | Q(t) | Q(t+1) |
|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 |
| 0 | 1 | 1 |
| 1 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 0 |
Przerzutnik typu T może służyć jako prosty układ dzielenia częstotliwości przez 2. W niektórych przypadkach umożliwia zbudowanie znacznie prostszych układów (np. liczników synchronicznych) niż przy zastosowaniu przerzutników typu D lub JK. Jednak przerzutniki te są stosowane bardzo rzadko ze względu na ich właściwości.
6.
Przerzutnik typu JK - jeden z podstawowych rodzajów przerzutników synchronicznych bistabilnych, na jego podstawie można zbudować wiele innych rodzajów przerzutników np. typu D czy JK-MS.
Przerzutnik ma wejścia informacyjne J i K, zegarowe C, wyjście proste Q i jego negację ~Q. Często posiada również asynchroniczne wejścia kasujące R (Reset) i ustawiające S (Set).
Podanie jedynki logicznej na wejście J powoduje ustawienie przerzutnika (co skutkuje pojawieniem się stanu wysokiego na wyjściu Q). Ustawienie wejścia K w stan wysoki przestawia przerzutnik w stan niski. Jeżeli jedynka logiczna zostanie ustawiona na obydwu wejściach (J i K) to nastąpi zmiana stanu przerzutnika na przeciwny (czyli jeżeli układ był w stanie wysokim to przejdzie w stan niski i odwrotnie). W języku polskim wejście oznaczone K jest czasem nazywane wejściem kasującym, a wejście J - wejściem jedynkującym, co ułatwia zapamiętanie funkcji poszczególnych wejść.
JK jest przerzutnikiem synchronicznym, co oznacza, że reaguje na stan wejść tylko przy podaniu odpowiedniego sygnału na wejście zegarowe. Wyjątkiem są wejścia asynchroniczne R i S. Podanie stanu wysokiego na wejście Set powoduje ustawienie w stan wysoki przerzutnika niezależnie od tego, czy został dostarczony sygnał zegarowy. Wejście Reset w analogiczny sposób zeruje przerzutnik.
Nazwa przerzutnika JK pochodzi od imienia i nazwiska Jacka Kilby'ego, inżyniera amerykańskiego, wynalazcy układów scalonych.
