Ta strona używa ciasteczek (plików cookies), dzięki którym może działać lepiej. Dowiedz się więcejRozumiem i akceptuję

Technika cyfrowa – #6 – układy pamiętające

Elektronika 15.11.2016 Futrzaczek

kurstc_miniaturka_6Układy, które budowaliśmy do tej pory nie miały pamięci. Przykładowo po puszczeniu przycisku dioda natychmiast przestawała świecić.

Podczas tej części kursu wykorzystamy funktory logiczne do budowy prostej pamięci. Dzięki temu układy będą mogły przechowywać informacje na temat swojego stanu.

Nawigacja serii artykułów:
« poprzednia częśćnastępna część »

Kup zestaw elementów i zacznij naukę w praktyce! Przejdź do strony dystrybutora »

W przeciwieństwie do generatorów, elementy pamiętające utrzymują na swoim wyjściu nadany im stan logiczny. Zmienić może go tylko odpowiedni sygnał na wejściu (lub wyłączenie zasilania).

Niektóre elementy pamiętające, potrafią odtworzyć swój stan również
po zaniku zasilania. Na razie nie będziemy się nimi zajmować.

Czas propagacji sygnału

Po raz kolejny na warsztat weźmiemy bramkę NOT. Załóżmy, że jest zasilana napięciem 6V, czyli takim, jakie daje pakiet baterii z zestawu. Na jej wejście podamy napięcie, które spada od 6V do 0V w bardzo krótkim czasie, wręcz natychmiastowo. Jaka jest wtedy reakcja wyjścia?

Jak można się domyślić, napięcie na wyjściu bramki, które wynosiło wcześniej 0V, wzrośnie do wartości 6V. Bramka NOT odwróci stan logiczny. Ale nie stanie się to natychmiast! Pomiędzy zmianą napięcia na wejściu i wyjściu mija pewien czas, zwany czasem propagacji tp.

Czas propagacji w praktyce.

Czas propagacji w praktyce.

Każdy element elektroniczny działa z pewnym opóźnieniem. W tym wypadku, owe opóźnienie powoduje zwłokę w reakcji wyjścia. Na rysunku powyżej można zobaczyć, że przez krótki moment bramka NOT nie neguje stanu wyjścia!

Stany logiczne na wejściu i wyjściu są wtedy jednakowe.

Ile wynosi ten czas propagacji? Firma Fairchild Semiconductor podaje dla układu CD4069 wartość przeciętną na poziomie 50 ns, maksymalną 90 ns (dla zasilania 5 V). Dla porównania, najszybsze układy cyfrowe osiągają czas propagacji rzędu pikosekund, czyli ponad 1000 razy mniej.

Ludzki zmysł wzroku ma opóźnienie w reakcji rzędu milisekund, dlatego zwłoka
w działaniu układów cyfrowych nie była widoczna podczas testów.

Dla ludzi takie czasy opóźnienia są widoczne jedynie dzięki odpowiednim przyrządom pomiarowym. Jednak dla podzespołów elektronicznych takie opóźnienia są istotne i mogą wpływać na działanie całego urządzenia.

Zasada działania komórki pamiętającej

Spróbujmy teraz użyć dwóch bramek NOT i połączyć je następująco: wejście pierwszej z wyjściem drugiej, a wejście drugiej z wyjściem pierwszej. Załóżmy, że są poprawnie zasilane. Na wyjściu jednej z nich stan logiczny niech będzie równy 0, a na wyjściu drugiej 1.

kurstc_6_2_bramki_not_w_petli

Bramka nr 1 ma na swoim wejściu stan przeciwny do stanu wyjścia, bramka nr 2 również. Więc co jest dziwnego w tym rysunku, że się nim zajmujemy? Właśnie o to chodzi, że ta sytuacja jest całkowicie poprawna! Co więcej, taki stan może się utrzymywać dowolnie długo. Żadna z bramek nie ma powodu do tego, by zmienić stan logiczny swojego wyjścia. Dlaczego? Powodem trwania tego układu w stanie stabilnym jest omówiony już czas propagacji.

Gdyby bramki były idealne (czyli reagowały nieskończenie szybko),
taka sztuczka nie byłaby łatwa.

Czas „wędrówki” stanu logicznego z wyjścia bramki nr 1 do wejścia bramki nr 2 jest znacznie krótszy od czasu propagacji tych bramek. Upraszczając można powiedzieć, że sygnał wewnątrz układu „płynie wolniej”.

tc6_animacja_tp

Przykładowa animacja „wolnej” propagacji sygnału wewnątrz bramki NOT.

Jeżeli napięcie na wejściu bramki 2 chciałoby opaść, oznaczałoby to konieczność odwrócenia stanu logicznego na wyjściu. Zanim jednak to się stanie (czas propagacji!), wyjście bramki 1 przypomni bramce 2, że ta ma na swoim wejściu stan 1.

Jak zawsze, w lepszym zrozumieniu tego zagadnienia pomoże praktyczny przykład!

Zestaw elementów do przeprowadzenia wszystkich ćwiczeń

Gwarancja pomocy na forum dla osób, które kupią poniższy zestaw!

Części pozwalające wykonać ćwiczenia z kursu techniki cyfrowej dostępne są w formie gotowych zestawów! W komplecie m.in. niezbędne układy scalone CMOS, przewody połączeniowe, diody, buzzer, kontaktron, wyświetlacz 7-segmentowy oraz znacznie więcej!


Kup w Botlandzie »

Test komórki pamięci w praktyce

Do przetestowania takiego układu w warunkach domowych będą potrzebne:

  • płytka stykowa,
  • przewody połączeniowe,
  • koszyk baterii 4xAA z bateriami,
  • układ CD4069,
  • dwa przyciski,
  • dioda LED zielona,
  • dioda LED czerwona,
  • cztery rezystory 3,3kΩ,
  • kondensator 100nF.

Schemat ideowy układu:

Schemat testowy układu pamiętającego

Schemat testowy układu pamiętającego.

Po złożeniu na płytce, układ może wyglądać następująco:

Przykładowa realizacja opisywanego układu.

Przykładowa realizacja opisywanego układu.

Bramki US1A i US1B tworzą omówiony już układ pamiętający. Jest on w stanie zapamiętać, który z przycisków został ostatnio wciśnięty (S1, czy S2). Informacja ta jest przedstawiana na diodach świecących (każda odpowiada jednemu przyciskowi).

Włącz zasilanie, która dioda świeci? Wciśnij na chwilę jeden przycisk i zwolnij go. Potem zrób to samo z drugim. Jaka jest reakcja diod? Opisz to w komentarzu!

Nie wciskaj S1 i S2 jednocześnie – można w ten sposób uszkodzić układ!

Wciskanie przycisków wymusza stan logiczny na wejściu US1A. Pierwszy przycisk (S1) wymusza stan wysoki (przez połączenie wejścia US1A z dodatnią szyną zasilania). Proces ten jest widoczny na poniższej animacji. Żółta, przemieszczająca się kropka symbolizuje przepływający sygnał:

kurstc_6_anim2

Wymuszenie stanu wysokiego.

Natomiast S2 wymusza stan niski (przez połączenie wejścia US1A z masą układu):

kurstc_6_anim3

Wymuszenie stanu niskiego.

Ponowne wymuszenie tego samego stanu,
który został zapamiętany, niczego nie zmienia.

Inaczej dzieje się, gdy wyjście bramki US1B ma odmienny stan logiczny od tego, który użytkownik chce wymusić. Przykładowo, zapamiętano 1, a teraz wciskany jest S2 (0).

Ważny jest wtedy rezystor R3, ponieważ ogranicza prąd
płynący przez styki przycisku i wyjście bramki US1B.

Bez rezystora R3, przez krótką chwilę mógłby płynąć niebezpiecznie wysoki prąd. Układ scalony prawdopodobnie wyszedłby z tego bez szwanku, ale mógłby zacząć działać nieprawidłowo. Rezystor R4 nie jest konieczny. Dodano go, aby zapewnić układowi pamiętającemu identyczne warunki pracy każdej bramki.

Stan nieustalony

Oto jeszcze jeden eksperyment z użyciem tego układu. Zapamiętaj, która dioda świeci i wyłącz zasilanie. Po kilku sekundach włącz je ponownie. Czy świeci ta sama dioda? Kilka razy z rzędu wyłącz i włącz układ. Która dioda świeci się zaraz po włączeniu?

Możesz też, przy wyłączonym zasilaniu, wcisnąć na chwilę jednocześnie
oba przyciski. Rozładuje to wszystkie pojemności w układzie.

Włączaniu układów elektronicznych towarzyszą stany nieustalone. Jest to czas, w którym napięcia i prądy dążą do swoich nominalnych wartości. Wynika to z konieczności naładowania się wszystkich pojemności, również tych zawartych wewnątrz układu scalonego. Można to przyrównać do porannej pobudki: trzeba wykonać kilka czynności, zanim będzie można wyjść z mieszkania.

Stany nieustalone w układach pamiętających prowadzą do ciekawego i niebezpiecznego zjawiska. Nie wiadomo, jaki stan logiczny pojawi się na wyjściu każdej z komórek pamięci. Po podłączeniu urządzenia do zasilania takie proste „komórki pamięci” mogą przyjąć zarówno wartość 1, jak i 0.

binary

Współczesne złożone układy scalone, takie jak mikrokontrolery, posiadają wbudowane obwody, które resetują wszystkie zawarte w środku bloki pamiętające. W ten sposób użytkownik ma pewność, że system rozpocznie pracę od zera, a nie od przypadkowo wybranego miejsca.

Podsumowanie

W tym artykule sprawdziliśmy jeszcze jedno nowe zastosowanie bramki NOT. Warto pamiętać, że z dwóch takich bramek można złożyć komórkę zdolną zapamiętać dokładnie jeden bit informacji. To niewiele, lecz czasami nawet taka ilość informacji okaże się przydatna.

Kup zestaw elementów i zacznij naukę w praktyce! Przejdź do strony dystrybutora »

W następnym artykule z serii pójdziemy krok dalej. Wykorzystamy trochę bardziej rozbudowany układ cyfrowy, który ma w sobie wbudowany sterownik wyświetlacza 7-segmentowego. Mimo dużej uniwersalności bramek logicznych czasami warto sięgnąć po gotowe układy, które mają w środku całe struktury elementów cyfrowych ułatwiające tworzenie bardziej rozbudowanych urządzeń.

Autor kursu: Michał Kurzela
Ilustracje: Piotr Adamczyk
Redakcja: Damian Szymański

Powiadomienia o nowych, darmowych artykułach!

Komentarze

NeghMC

11:57, 23.12.2016

#1

Witam, nie rozumiem jak czas propagacji wypływa na poprawne działanie komórki pamiętającej. Przecież nawet w warunkach idealnych jak damy na wejście bramki 1 logiczne 0, to na jej wyjściu od razu pojawi się stan przeciwny, czyli 1, będzie on też na wejściu bramki 2, zatem na wyjściu tej bramki od razu powstanie 0, i wszystko się zgada. Co tu ma do tego czas propagacji?

Treker
Administrator

13:25, 09.01.2017

#2

NeghMC, wybacz późną odpowiedź, ale nie zauważyłem wcześniej Twojej wiadomości. Poniżej wklejam odpowiedź od autora kursu, która powinna rozjaśnić temat:

Odpowiedź na to pytanie znajduje się poniżej żółtej ramki. Gdyby bramki były szybsze niż transmisja między nimi, układ zachowywałby się jak generator: dokładnie tak samo, jak w dwutranzystorowym multiwibratorze astabilnym. Tranzystory odwracają sygnał bardzo szybko, a opóźnienie jest realizowane przez układy RC, które pośredniczą między nimi. Zanim sygnał z bramki 1 dotarłby do bramki 2, wtedy na wejściu bramki 1 sygnał z bramki 2 już zacząłby zanikać.

leepa79

16:48, 14.01.2017

#3

A na tym schemacie nóżki 9, 11, 13 nie mają być do GND? ;) Składam wg schematu, podłączam 9, 11, 13 do VDD i zastanawiam się gdzie podłączyć kondensator jak tu wszystko z tej strony bramki mam pod zasilanie :) no i podłączyłem tak jak w poprzednich lekcjach 9, 11, 13 pod GND, a kondensator między 13 i 14. Dobrze? :)

Treker
Administrator

20:30, 14.01.2017

#4

leepa79, tak jak było mówione na początku kursu - nóżki należy podciągnąć do zasilania (obojętnie jakiego) - byle nie zostawiać ich "wiszących w powietrzu". Tutaj akurat autorowi układu wygodniej było podpiąć je do Vdd :) Jak wolisz możesz podciągnąć je do masy - nie będzie problemu.

leepa79

21:35, 14.01.2017

#5

I to jest bardzo ważna (dla mnie) odpowiedź :) Mimo tych kilku miesięcy z Wami jestem na początku drogi w zabawie z elektroniką. Zasilanie to przecież nie zawsze +6V. To takie niedokładne spojrzenie na problem z punktu widzenia początkującego (czyli mnie). Oczywiście dzięki za odpowiedź, robicie super robotę.

PS. Teraz patrzę na złożony układ w kursie i widzę, że autor też podłączył nóżki do GND

Treker
Administrator

22:41, 14.01.2017

#6

leepa79, czyli jest dowód jak coś, że działa niezależnie od podłączenia :) Zdarzają się takie różnice, ponieważ na etapie robienia kursów autorzy tworzą układy w innych wersjach, kto innych później je odtwarza w ładniejszej formie do zdjęć. Czasami z automatu ktoś coś podepnie pod swojemu i takie są właśnie efekty - na szczęście tutaj nie zmienia to nic w działaniu układu :)

Zobacz powyższe komentarze na forum

FORBOT Damian Szymański © 2006 - 2017 Zakaz kopiowania treści oraz grafik bez zgody autora. vPRsLH.

Kurs lutowania – #5 – las rezystorów, plecionka, topnik

W poprzednim odcinku zakończyliśmy omawianie najważniejszych podstaw. Od teraz nie...

Zamknij