Материал: МРБ 1105.(1987).[doc]

Он состоит из четырех последовательно соединенных RS-триггеров (рис. 28, а), образованных логическими элементами 2И-НЕ двух микросхем К155ЛАЗ, светодиодных индикаторов HL1 и HL2, кнопочного выключателя SB1 и четырех групп замыкающихся контактов, обозначенных на схеме в виде выключателей SA1 - SA4. Задача играющего- возможно быстрее зажечь све-тодиод HL2 "Финиш" последовательным замыканием контактов SA1, SA2 и т. д. Но сделать это, как вы увидите позже, не так просто.

Автомат работает так. Пока контакты кнопки SB1 "Пуск" замкнуты, все триггеры находятся в нулевом состоянии и индикаторы не светятся. При размыкании контактов пусковой кнопки зажигается светодиод HL1, сигнализируя о начале игры. Но триггеры продолжают сохранять нулевое состояние. Последовательное кратковременное замыкание контактов выключателей приводит к переключению в единичное состояние первого триггера (при этом светодиод HL1 гаснет), а затем остальных. Одновременно с переключением последнего триггера вспыхивает светодиод HL2, извещая о правильном выполнении задания.

Состояния триггеров автомата, которые они принимают при нажатии на кнопку пуска и правильном выполнении задания, можно проследить по таблице, приведенной на рис. 28, б. Когда пусковую кнопку отпускают и ее контакты вновь замыкаются, триггеры переключаются в нулевое состояние, светодиод HL2 гаснет.

Большую часть деталей игрового автомата можно смонтировать на плате так, как показано на рис. 29, а, в. Пусковая кнопка SB1 - с возвратом повторным нажатием. Подойдет, например, кнопочный выключатель, используемый в настольных лампах, или двухпозиционный тумблер. Конструкция контактов SA1 - SA4 зависит от игры, в которой будете использовать автомат. Если это игра с условным названием "Закати шарик", то контакты могут представлять собой металлические пластинки, прикрепленные к крышке коробки под четырьмя отверстиями в ней (рис. 29, б). Сама коробка круглая, диаметром 200;..300 мм с бортиком, чтобы шарик не выскакивал из нее.

Держа коробку в руках и покачивая ее из стороны в сторону, играющий должен закатить металлический шарик диаметром 15...20 мм в отверстия в той последовательности, которая обозначена на крышке (это игровое поле) стрелками. Попадая в отверстие, шарик замыкает собой контакты и тем самым подает импульс на вход соответствующего триггера.

Электронную "начинку" вместе с источником питания (батарея 3336Л) надо разместить, внутри коробки так, чтобь был доступ к пусковой кнопке SB1 и были видны светодиоды. Не забудьте еще поставить в цепь питающей батарее выключатель.

Рис. 28. Схема игрового автомата на RS-триггерах

Два таких устройства, запускаемы; общей кнопкой на выносном пульте управления, позволят двум играющим со стязаться в ловкости закатывания шарика в заданной последовательности.

Другой пример возможного применения игрового автомата - тир для скоростной "стрельбы" по четырем мишеням теннисными мячами. Каждой мишенью служит подвешенная жестяная пластинка диаметром 60...80 мм, изолированная от находящейся за ней, вторая такая же пластинка. При точном попадании мячом пластинки кратковременно замыкаются и соответствующий им триггер переключается в единичное состояние. Побеждает команда, которая меньшим числом брошенных мячей поразит в определенной последовательности все мишени.

Рис. 29. Монтаж игрового автомата

Можно, конечно, придумать и другие возможные применения автомата на RS-триггерах.

RS-триггер, в работе которого вы, надеемся, разобрались, переключается из одного устойчивого состояния в другое, т. е. противоположное предыдущему, сразу же после изменения уровней сигнала на его входе. Подобные триггеры называют асинхронными с установочными входами, простыми или обычными. Однако в приборах и устройствах цифровой техники чаще используют синхронные триггеры с расширенной логикой действия, например D-триггеры.

D-ТРИГГЕР

Из нескольких разновидностей D-триггеров микросхем серии К155 наибольшей популярностью у радиолюбителей пользуются триггеры микросхемы К155ТМ2 (рис. 30, а). В ней два D-триггера, связанных между собой общей цепью питания, но работающих независимо один от другого. У каждого из них четыре логических входа и два выхода- прямой и инверсный. Вход D-вход приема цифровой информации, а С вход тактовых импульсов синхронизации, источником которых обычно служит генератор прямоугольных импульсов. По входам R и S D-триггер работает так же, как RS-триггер: при подаче на вход R напряжения низкого уровня D-триггер устанавливается в нулевое состояние, на вход S-в единичное. По входам D и С он может функционировать как ячейка памяти принятой информации или как триггер со счетным входом.

Рис. 30. Условные графические обозначения D-триггеров

Рис. 31. Опыты с D-трнггерамн микросхемы K15STM2

D-тригтеры микросхемы К155ТМ2 на принципиальных схемах устройств цифровой техники изображают обычно не слитно, как на рис. 30, а, а раздельно в различных участках схем (рис. 30, 6). При этом допускается не показывать выводы, которые в устройстве не используются. Этих правил будем придерживаться и мы.

Предлагаем несколько опытов и экспериментов, которые помогут осмыслить логику действия D-триггера в разных режимах работы.

Микросхему К155ТМ2 разместите на макетной панели, соедините вывод 14 с плюсовой, а вывод 7 с минусовой шинами источника питания. К выводам прямого и инверсного выходов любого из ее D-триг-геров, например к выводам 5 и 6 (рис. 31, а), подключите светодиодные (или транзисторные с лампами накаливания в коллекторных цепях) индикаторы, по свечению которых будете судить о логическом состоянии триггера. Такой же индикатор подключите "и к выводу 3. По свечению этого индикатора будете наблюдать за появлением и длительностью тактовых импульсов синхронизации. На панели смонтируйте также кнопочный выключатель SB1 и резистор R4, но к входу D вывод 2 триггера эту цепь пока не подключайте.

Включите источник питания. Сразу же должен загореться один из выходных индикаторов. Если это светодиод HL3, значит триггер принял единичное состо-

яние, а если HL2-нулевое. Теперь поочередно кратковременно замкните несколько раз выводы 1 и 4 входов R и S на общую шину цепи питания. Такой опыт вас убедит, что по этим входам D-триггер работает так же, как RS-триггер.

Далее подключите к выводу 2 информационного входа D резистор R4 с кнопочным выключателем SB1. Запишите начальное состояние триггера, а затем несколько раз подряд нажмите кнопку. Как на это реагирует триггер? Никак- продолжает гореть тот же индикатор.

Кратковременным соединением входа R или S с общей шиной питания переключите триггер в другое устойчивое состояние и вновь несколько раз нажмите кнопку SB1. И теперь, как видите, триггер не реагирует на входные сигналы. Это происходит потому,, что на вход С не поступают синхронизирующие импульсы положительной полярности.

Для опытной проверки D-триггера источником тактовых сигналов синхронизации может служить генератор испытательных импульсов переменной частоты, о котором рассказывалось выше (см. рис. 20). Соедините его выход С выводом 3 входа С триггера, установите наибольшую длительность генерируемых импульсов и, включив питание, следите за поведением входного и выходных индикаторов. Если до этого триггер находится в нулевом состоянии, а контакты кнопки SB1 были разомкнуты, то по фронту первого же импульса на входе С триггер должен переключиться в единичное состояние и не реагировать на последующие тактовые импульсы. Но стоит нажать на кнопку, чтобы подать на информационный вход сигнал низкого уровня, и триггер по фронту очередного тактового импульса тут же переключится в противоположное состояние.

Работу D-триггера в таком режиме иллюстрируют графики, приведенные на рис. 31, б. Считаем, что в начале опыта, когда контакты кнопки SB1 были еще не замкнуты и, следовательно, сигнал на D-входе соответствовал напряжению высокого уровня, триггер был в нулевом состоянии (на выходе Q-низкий, на выходе Q-высокий уровни напряжения). Первый же импульс на входе С своим фронтом переключил триггер в единичное устойчивое состояние. На спад этого импульса и на второй импульс триггер не реагировал и сохранял принятое состоние.

Рис. 32. D-триггер со счетным входом

Затем нажали на кнопку 5В1, чтобы изменить уровень входного сигнала. В результате третий тактовый импульс своим фронтом сразу же переключил триггер в нулевое состояние, которое сохранялось до прихода шестого импульса, когда кнопку отпустили и на входе D уже был сигнал высокого уровня. Далее при изменении уровней входного сигнала триггер переключился в нулевое состояние по фронту седьмого тактового импульса, а по фронту восьмого-в единичное."

Эти опыты и графики, характеризующие логику действия D-триггера в" режиме приема информации, позволяют сделать выводы: если на входе D сигнал высокого уровня, триггер по фронту тактового импульса на входе С устанавливается в единичное состояние, а если низкого, то в нулевое. На спады синхронизирующих импульсов D-триггер не реагирует. Каждое изменившееся состояние триггера означает запись в его память принятой информации, которая может быть считана или передана для расшифровки другому логическому устройству цифровой техники.

Следующий опыт -испытание D-триггера в режиме счета, т. е. как триггера со счетным входом. Для этого от входа D отключите резистор R4 с кнопочным выключателем SBJ. и соедините его с инверсным выходом Q, как показано на рис. 32, а. Теперь информацион-

ным входом триггера будет вход С. Подайте на него от генератора серию импульсов большой длительности. Как ведет себя D-триггер? По фронту первого же входного импульса он принимает единичное состояние, по фронту второго- нулевое, по фронту третьего-снова единичное и т. д. Следовательно, в таком режиме работы триггер по фронту каждого входного импульса меняет свое логическое состояние на противоположное. В результате частота импульсов на каждом выходе триггера оказывается вдвое меньшей частоты входных импульсов.

По проведенному опыту постройте графики, иллюстрирующие работу D-триггера в этом режиме. Они должны подучиться такими же, что и изображенные на рис. 32, б. Вывод напрашивается сам-в таком режиме D-триггер делит частоту входного сигнала на 2, т. е. выполняет функцию двоичного счетчика.

JK-ТРИГГЕР

В серии К155 Ж-триггером, обладающим, как и D-триггер, расширенной логикой действия, является микросхема К155ТВ1 (рис. 33, а). У триггера такой разновидности девять входов, прямой и инверсный выходы. По входам R и S он работает, как RS-триггер. Входы J и К - управляющие, причем каждый из них имеет по три входных вывода (3-5 и 9-11), объединенных по схеме логического элемента ЗИ, о чем свидетельствуют знаки "&" возле них. Вход С по функциональному назначению подобен одноименному входу D-триггера. В режиме приема и хранения информации он служит входом тактовых импульсов, а в счетном режиме - информационным входом. Выводы JK-триггера, которые в устройстве не используются, на схемах обычно не показывают (рис. 33, б).

Рис. 33. Условное графическое обозначение JK-трютера K1S5TBJ

Опытную проверку Ж-григгера ведите на макетной панели в таком порядке. Микросхему К155ТВ1 соедините с соответствующими шинами источника питания, а к выводу 12 входа С и выводам 8 и 6 прямого и инверсного выходов подключите светодиодные (или транзисторные) индикаторы (рис. 34, а). Индицировать логические состояния триггера можно, конечно, вольтметром постоянного тока, но это менее наглядно. Включите питание. Сразу же должен загореться один из выходных индикаторов. Замкните кратковременно на общую шину вывод 2, затем вывод 13, далее снова вывод 2 и т. д. При этом выходные индикаторы должны поочередно зажигаться и гаснуть. Так вы проверите работоспособность Ж-триггера.

Далее испытывайте триггер в режиме счета входных импульсов. Для этого объедините выводы всех входов J и К и через резистор R4, показанный на рис. 34, а штриховыми линиями, соедините их с плюсовой шиной источника питания, чтобы подать на них напряжение высокого уровня. Впрочем, как вы уже знаете, резистор R4 необязателен - на объединенных входах J и К, если их оставить свободными, будет напряжение высокого уровня. На вход С подайте от генератора серию импульсов большой длительности и по моментам зажигания и длительности свечения индикаторов постройте графики работы триггера в таком режиме. Они должны получиться такими же, что на рис. 34, б. Нетрудно заметить, что эти графики схожи с графиками счетного D-триггера (см. рис. 32, б), только сдвинуты вправо на длительность одного импульса. Сдвиг этот объясняется тем, что D-триггер изменяет свое состояние на противоположное по фронту, а Ж-триггер-по спаду входного импульса. Конечный же результат одинаков: триггер делит частоту входных импульсов на 2. Запомните основные свойства JK-триггера. При напряжении высокого уровня на всех входах J и К он работает как триггер со счетным входом, т. е. по спаду каждого положительного импульса на тактовом входе С меняет свое логическое состояние на противоположное. Если хотя бы на одном входе J и на одном входе К одновременно действует напряжение низкого уровня, то при подаче на вход С импульсов состояние триггера не меняется. В том же случае, если на всех входах J высокий уровень напряжения, а хотя бы на одном входе К-низкий, то по спаду положительного импульса на входе С триггер устанавливается в единичное состояние независимо от своего предыдущего состояния. Если хотя бы на одном входе J низкий уровень напряжения, а на всех входах К-высокий, то по спаду импульса на входе С триггер устанавливается в нулевое состояние.

Рис. 34. Опыты с JK-триггером

ТРИГГЕРЫ В КЛЮЧЕВЫХ И СЧЕТНЫХ УСТРОЙСТВАХ

При конструировании приборов и устройств цифровой техники, например различных по назначению автоматов, коммутаторов электрических цепей, в аппаратуре дистанционного управления моделями радиолюбители очень широко используют 0- и Ж-триггеры, работающие в режиме счета импульсов. Для этого на счетный вход триггера подают импульсы положительной полярности, переключающие триггер из одного логического состояния в другое, а он, в свою очередь, своими выходными сигналами коммутирует другие электрические цепи.

В принципе управлять таким коммутатором можно с помощью любого меха-нического переключателя, например кнопочного или тумблера, но обязательно через дополнительное устройство, устраняющее так называемый "дребезг" контактов, а также предусматривая другие меры, предотвращающие ложные срабатывания триггеров от различных электрических помех.

Прежде всего-что такое "дребезг" контактов? Так называют паразитный электрический эффект, проявляющий себя в момент соприкосновения поверхностей контактов механического переключателя. Суть этого явления заключается в том, что в этот момент в цепи, в которую контакты включены, возникает серия импульсов длительностью около миллисекунды. Они-то и приводят к ложным срабатываниям триггера и, следовательно, нарушению его работы.

Для устранения дребезга контактов обычно вводят дополнительный RS-триггер, составленный из двух элементов 2И-НЕ. На рис. 35 такой RS-триггер образуют элементы DD1.1 и DD1.2 микросхемы К155ЛАЗ. В исходном состоянии триггера на его прямом выходе (вывод 3)-напряжение высокого уровня, на ин-версном-низкого. Счетный D-триггер DD2.1 в это время сохраняет состояние, в котором он оказался в момент включения источника питания. При нажатии на кнопку SB1 ее подвижный контакт многократно касается другого, неподвижного контакта, вызывая серию импульсов. Первый же импульс серии переключает RS-триггер в нулевое состояние и никакой последующий дребезг контактов уже не изменит его. В этот момент на его инверсном выходе возникает скачок напряжения положительной полярности, под действием которого счетный D-триггер DD2.1 изменяет свое логическое состояние на противоположное. При отпускании кнопки на вход 1 элемента DD1.1 вновь подается низкий уровень напряжения и RS-триггер переключается в исходное состояние. Счетный же D-триггер может вернуться в исходное состояние лишь при повторном нажатии на кнопку SB1.

Рис. 35. Ключевое устройство с RS-триггером на входе

Светодиоды HL1 и HL2 позволяют визуально наблюдать за состояниями и работой триггеров и делать соответствующие выводы. Кнопка SB2 позволяет устанавливать D-триггер в нулевое состояние, а управляющие сигналы можно снимать с любого из выходов триггера (выводы 5 и 6).

В таком устройстве может, конечно, работать и счетный Ж-триггер.

Зачем нужен конденсатор С1, блокирующий цепь питания триггеров? Дело в том, что триггеры, как, впрочем, многие другие микросхемы серии К155, весьма чувствительны к различным электрическим помехам. Если, к примеру, коснуться металлическим предметом монтажного проводника, в цепях устройства появятся импульсные помехи, способные изменить состояние триггеров. Конденсатор же, блокирующий цепь питания, защищает триггеры от подобных помех.