Цифровая электроника

Определение последовательностного цифрового устройства

Цифровое устройство называется последовательностным (ПЦУ), если его выходные сигналы Y зависят не только от значений входных сигналов X в данный момент времени, но и от значений входных сигналов, поступивших в предшествующие моменты времени. Иными словами, ПЦУ должно отслеживать последовательность поступления входных сигналов для формирования результата на своем выходе. Отсюда очевиден термин «последовательностое». В ПЦУ предыстория поступления входных сигналов обязательно фиксируется с помощью специальных запоминающих элементов. Поэтому говорят, что ПЦУ обладают памятью. Элемент памяти помимо входных и выходных сигналов характеризуется состоянием, которое может изменяться в дискретные моменты времени под воздействием сигналов на его входе. Простейший элемент памяти может принимать одно из двух состояний – логическую единицу или логический нуль. Это состояние может сохраняться сколь угодно долго до тех пор, пока не будет заменено на новое. ПЦУ называются еще цифровыми автоматами, конечными автоматами или автоматами с памятью. Структура ПЦУ представлена на рис. 5.1.

ПЦУ состоит из комбинационного цифрового устройства (КЦУ) и запоминающего устройства (ЗУ), представляющее собой совокупность простейших элементов памяти Т₁, Т₂,…, Т_k, на которые воздействуют сигналы U={u₁, u₂, …, u_k}. Под воздействием сигнала u_i элемент T_i может перейти в одно из двух состояний – логического нуля или логической единицы. Состояние элемента T_i отображается сигналом z_i. Совокупность сигналов Z={z₁, z₂, …, z_k} отображает состояние ПЦУ. Если в ПЦУ содержится k простейших элементов памяти, то общее число состояний ПЦУ равно 2^k.

Рис. 5.1.Структурная схема последовательностного цифрового устройства.

Комбинационное цифровое устройство, входящее в состав ПЦУ, представляет собой устройство, работа которого описывается логическими функциями Y=F(X,Z) и U=H(X,Z). ПЦУ работает под воздействием входных сигналов X, которые поступают в различные моменты времени t. В момент времени t=0 ПЦУ находится в начальном состоянии. При этом Z(t)={z₁(t), z₂(t), …, z_k(t)}, принимает некоторое начальное значение. При поступлении в моменты времени сигналов x_i(t) в ПЦУ формируются выходные сигналы y_i(t) и сигналы u_i(t), воздействующие на запоминающие элементы. В результате ПЦУ переходит в некоторое состояние Z(t), и тем самым фиксируется воздействие входных сигналов X(t) в момент времени t. Совокупность правил, определяющих последовательность переключения состояний Z(t) и последовательность выходных сигналов Y(t) в зависимости от последовательности входных сигналов X(t), принято называть законом функционирования ПЦУ.

Роль элемента памяти в ПЦУ выполняет триггер, способный фиксировать и хранить значение логического нуля или единицы. Примером простейшего триггера может служить, например, компаратор на базе операционного усилителя. Он формирует на выходе два устойчивых состояния в виде отрицательных и положительных напряжений насыщения в зависимости от того, больше или меньше входное напряжение некоторого заданного порогового уровня. В цифровой технике большее применение нашли триггеры, реализованные на базе логических элементов. Поэтому рассмотрение ПЦУ начнем с таких триггеров.