Preklápací obvod
Preklápací obvod (alebo bežnejšie, hoci nespisovne klopný obvod, skr. KO) je elektronický obvod s niekoľkými stabilnými alebo nestabilnými stavmi, medzi ktorými sa dokáže (na základe zmeny elektrickej veličiny na niektorom vstupe alebo vnútornej spätnej väzby) prepínať – preklápať. Skladá sa z niekoľkých tranzistorov, logických hradiel, alebo iných aktívnych súčiastok.
Preklápacie obvody majú v elektronike široké využitie ako generátory impulzov, oscilátory, statické pamäte, oneskorovače, časovače, čítače, deliče kmitočtu a pod. Na preklápacích obvodoch sú založené sekvenčné digitálne obvody, tvoriace základ digitálnych počítačov.
Delenie preklápacích obvodov
Podľa stavov:
- astabilné: dva nestabilné stavy, žiaden stabilný
- monostabilné: jeden stabilný, jeden nestabilný stav
- bistabilné: dva stabilné stavy, žiaden nestabilný
Podľa existencie synchronizácie:
- asynchrónne (alebo tiež transparentné): preklopia sa ihneď po zmene úrovne na niektorom riadiacom vstupe
(angl. Latch alebo Transparent latch) - synchrónne: preklopia sa len v súčinnosti so synchronizačným (hodinovým, taktovacím) vstupom, ktorý (úrovňou alebo zmenou úrovne) povoľuje reakciu obvodu na riadiace vstupy
(angl. Gated latch, Clocked latch, alebo Flip-flop podľa typu synchronizácie, pozri nižšie)
Podľa typu synchronizácie (týka sa len synchrónnych preklápacích obvodov):
- synchronizácia úrovňou hodinového signálu (úrovňová alebo hladinová synchronizácia) (angl. Gated latch alebo Clocked latch)
- synchronizácia nábežnou hranou hodinového signálu (derivačná synchronizácia) (angl. Positive edge triggered flip-flop)
- synchronizácia úbežnou hranou hodinového signálu (derivačná synchronizácia) (angl. Negative edge triggered flip-flop)
Podľa funkcie (týka sa len bistabilných preklápacích obvodov):
- RS, RST, D, JK, T, Schmittov preklápací obvod
Astabilný preklápací obvod
Astabilný preklápací obvod (skr. AKO) alebo multivibrátor nemá žiaden stabilný stav a neustále sa preklápa medzi dvoma nestabilnými stavmi.
Doby, po ktoré obvod zotrváva v jednotlivých stavoch (a tým aj frekvencia a strieda generovaného signálu) sú v najjednoduchšom prípade definované časovými konštantami RC obvodov, zložených z rezistoru a kondenzátora (na obr. vpravo sú to R2-C1, R3-C2). Preklápací obvod môže byť symetrický (rovnaké časové konštanty pre oba stavy, AKO generuje pravouhlé impulzy so striedou 1:1) alebo asymetrický (strieda iná než 1:1). V prípade vyšších nárokov na stabilitu frekvencie je možné v obvode spätnej väzby preklápacieho obvodu použiť kryštálový výbrus.
Tento typ preklápacieho obvodu sa používa napr. ako generátor impulzov.
Monostabilný preklápací obvod
Monostabilný preklápací obvod (skr. MKO) má jeden stabilný stav, z ktorého je možné ho vstupom preklopiť do nestabilného stavu. Obvod sa sám po určitom čase preklopí naspäť do stabilného stavu.
Oneskorenie je zvyčajne definované časovou konštantou RC obvodu, zloženého z rezistoru a kondenzátora (na obr. vpravo je to R2-C1). Po preklopení obvodu do nestabilného stavu sa kondenzátor začne cez rezistor nabíjať a po dosiahnutí určitého prahového napätia sa obvod preklopí späť do stabilného stavu, kondenzátor sa vybije a celý proces sa môže zopakovať.
Tento typ obvodu sa využíva napr. ako oneskorovací obvod (typický príklad: ošetrenie zákmitov pri stlačení mechanického spínača) alebo časovač.
Bistabilný preklápací obvod
Bistabilný preklápací obvod (skr. BKO) sa môže nachádzať v jednom z dvoch stabilných stavov. Vstupmi obvodu je možné ho medzi týmito stavmi ľubovoľne preklápať.
Tento typ preklápacieho obvodu slúži ako základ registrov, statických pamätí, čítačov a deličiek kmitočtu.
Preklápací obvod RS
Preklápací obvod RS (angl. SR latch) je najjednoduchší asynchrónny bistabilný preklápací obvod. Má dva vstupy: R (z angl. Reset – nulovanie) a S (z angl. Set – nastavenie). Uložená hodnota je k dispozícii na výstupe Q. Obvykle je k dispozícii tiež negovaný výstup Q.
Základný stav oboch vstupov je log.0. V tomto režime si obvod pamätá naposledy nastavenú hodnotu. Privedením log.1 na vstup S sa obvod nastaví (Q = log.1) a vďaka vnútornej spätnej väzbe zostane nastavený aj po návrate vstupu S na log.0. Privedením log.1 na vstup R sa vynuluje (Q = log.0) a rovnako zostane vynulovaný aj po návrate R na log.0. Kombinácia R = S = log.1 sa nazýva zakázaný (alebo tiež nestabilný, hazardný) stav, pretože pri ňom nie je definované v akom stave zostane obvod po návrate R a S na log.0.
| Pravdivostná tabuľka obvodu RS | ||||
|---|---|---|---|---|
| S | R | Qn+1 | pozn. | |
| 0 | 0 | Qn | zachovanie stavu | |
| 0 | 1 | 0 | vynulovanie | |
| 1 | 0 | 1 | nastavenie | |
| 1 | 1 | ? | zakázaný stav | |
Preklápací obvod RST
Preklápací obvod RST (angl. Gated SR latch) je synchrónny variant obvodu RS. Princíp zostáva zachovaný, ale k preklopeniu obvodu dochádza len v konkrétnych prípadoch, v závislosti od hodnoty signálu na hodinovom vstupe T (alebo častejšie C z angl. Clock – hodiny). Obvod RST je synchronizovaný úrovňou (hladinová synchronizácia) hodinového signálu – stav je možné meniť po celú dobu trvania hodinového impulzu.
| Pravdivostná tabuľka obvodu RST | ||||
|---|---|---|---|---|
| S | R | C | Qn+1 | pozn. |
| X | X | 0 | Qn | zachovanie stavu |
| 0 | 0 | 1 | Qn | zachovanie stavu |
| 0 | 1 | 1 | 0 | vynulovanie |
| 1 | 0 | 1 | 1 | nastavenie |
| 1 | 1 | 1 | ? | zakázaný stav |
Preklápací obvod D
Preklápací obvod D (z angl. Delay – zdržanie) je synchrónny bistabilný preklápací obvod so vstupom D (Data) a hodinovým vstupom C (Clock). Obvod realizuje 1-bitovú pamäť. Pri nábežnej hrane hodinového signálu sa momentálna hodnota vstupu D skopíruje do vnútorného stavu a na výstup, kde zostane zachovaná až do nasledovnej nábežnej hrany hodinového signálu.
Jednoduchý preklápací obvod D je možné zostaviť z obvodu RST tak, že na vstup S privedieme priamo hodnotu vstupu D a na vstup R jeho negovanú hodnotu (pozri obr.). Obvod sa potom pri log.1 na vstupe D nastaví a naopak pri log.0 vynuluje.
Preklápacie obvody D sa v praxi väčšinou vyrábajú so synchronizáciou nábežnou hranou hodinového signálu. Mávajú tiež často okrem vstupu D vyvedené aj vstupy R a S, umožňujúce nastavenie a nulovanie obvodu (synchrónne alebo asynchrónne).
Preklápacie obvody D tvoria základ posuvných registrov.
| Pravdivostná tabuľka obvodu D | ||||
|---|---|---|---|---|
| D | C | Qn+1 | pozn. | |
| X | 0 | Qn | zachovanie stavu | |
| 0 | 1/↑ | 0 | nastavenie log.0 | |
| 1 | 1/↑ | 1 | nastavenie log.1 | |
Preklápací obvod JK
Preklápací obvod JK je synchrónny bistabilný preklápací obvod. Je rozšírením obvodu RST. Vstup J (= S) nastavuje log.1, K (= R) nastavuje log.0. Rozšírením je interpretácia vstupnej kombinácie R = S = 1, ktorá je pri obvode RS(T) zakázaná. Obvod JK pri tejto kombinácii vstupov zneguje (preklopí, invertuje) uloženú hodnotu.
Názov obvodu je odvodený od mena Jacka Kilbyho – elektroinžiniera, neskôr oceneného Nobelovou cenou za fyziku, ktorý v roku 1958, počas práce pre spoločnosť Texas Instruments vynašiel integrovaný obvod.
Preklápacie obvody JK sa v praxi väčšinou vyrábajú ako synchronizované nábežnou hranou. JK sú univerzálne preklápacie obvody, ktorými je možné v prípade potreby jednoducho nahradiť preklápacie obvody typov RST, D a T.
| Pravdivostná tabuľka obvodu JK | ||||
|---|---|---|---|---|
| J | K | C | Qn+1 | pozn. |
| X | X | 0 | Qn | zachovanie stavu (C = 0) |
| 0 | 0 | 1/^ | Qn | zachovanie stavu (J = K = 0) |
| 0 | 1 | 1/^ | 0 | vynulovanie (J = 0, K = 1) |
| 1 | 0 | 1/^ | 1 | nastavenie (J = 1, K = 0) |
| 1 | 1 | 1/^ | !Qn | znegovanie stavu (J = K = 1) |
Preklápací obvod T
Preklápací obvod T (z angl. Toggle – preklopiť) je bistabilný preklápací obvod s jediným vstupom T (synchrónny variant má navyše hodinový vstup). Ak je na vstupe T log.0, obvod zachováva predošlý stav. Po privedení log.1 na vstup T sa predošlý stav zneguje.
Synchrónny obvod T je možné vytvoriť z obvodu JK prostým prepojením jeho vstupov do jediného (J = K = T). Asynchrónny obvod T je možné vytvoriť zo synchrónneho prepojením hodinového signálu so vstupom T (C = T).
Obvod T tvorí základ čítačov a deličiek kmitočtu. Po privedení pravouhlého signálu s frekvenciou f na vstup T asynchrónneho obvodu T (prípadne na vstup C synchrónneho obvodu pri súčasnom nastavení vstupu T na log.1), dostaneme na jeho výstupe signál s frekvenciou f/2.
| Pravdivostná tabuľka obvodu T | ||||
|---|---|---|---|---|
| T | Qn | Qn+1 | pozn. | |
| 0 | 0 | 0 | zachovanie stavu | |
| 0 | 1 | 1 | zachovanie stavu | |
| 1 | 0 | 1 | znegovanie stavu | |
| 1 | 1 | 0 | znegovanie stavu | |
Schmittov preklápací obvod
(pozri samostatný článok: Schmittov preklápací obvod)
Schmittov preklápací obvod je preklápací obvod, ktorého napätie na výstupe sa mení skokovo so zmenou napätia na vstupe, pričom zmena výstupu pri náraste napätia vstupu nastane až pri vyššom napätí než zmena výstupu pri poklese napätia vstupu. Táto vlastnosť vstupu sa nazýva Pato.
Vďaka hysterézii sú tieto obvody imúnne voči superponovanému šumu na vstupe. Používajú sa ako vstupné obvody v prípadoch, keď sa do digitálneho obvodu privádza signál zvonka zariadenia, kde je možnosť, že signál bude zašumený.
