Sequentiële logica

Tot nu hebben we kringen gezien waarbij de toestand van de uitgang uitsluitend van de toestand aan de ingang afhing. Dit noemt men “combinatorische logica”: de uitgang hangt af van de logische combinatie van de huidige toestand van de ingangen.

In dit deel bekijken we de principes van de zgn. “sequentiële logica”. Bij dit soort logica hangt het uitgangssignaal af van de voorbije toestand van de ingangen.

Basisschakelingen

De bistabiele flipflop :

Bistabiel, omdat de kring twee stabiele toestanden kent. Dit betekent dat de uitgang stabiel in de ene of de andere toestand blijft nadat er een impuls werd toegevoerd.
Daar tegenover staat de monostabiele kring waarbij na enige tijd de kring naar zijn initiële toestand (de stabiele) terug keert.

De RS-flipflop :

De RS-flipflop bestaat uit twee NAND poorten.
De uitgang Q wordt met de R negatief (met streepje bovenaan) verbonden, de uitgang Q negatief is met de ingang S negatief verbonden.

(de tweede ingangen wel te verstaan)

Hierboven zie je het symbool voor deze RS-kring.

S (set) door Q op 1 te zetten
R (reset) door Q op 0 te zetten

We zien bij de RS twee ingangen (R en S) en een uitgang Q. (De complementaire van Q (of Q negatief met streepje bovenaan) is eveneens beschikbaar). Een puls op S veroorzaakt Q naar 1 toestand, een impuls op R doet Q naar 0 gaan.

De voorgaande toestand Qn wordt hiernaast voorgesteld, S en R zijn de ingangen en Qn+1 de uitgang (of toestand) NA de actie op de ingangen.
De waarde “?” is een onzekerheid van de toestand.

Vaststelling :
Als S et R beiden 1 zijn, dan bestaat er een onzekerheid over de toestand van de uitgang Q.

Deze flipflop kan als een geheugen gezien worden tot er een nieuwe actie op de ingangen 1 of 0 gebeurt.

Probeer de tabel hiernaast te lezen en begrijpen.

Een praktisch voorbeeld: je wenst een toestel met twee drukknoppen te bedienen. Eén voor het aanzetten en één voor het uitzetten. Als we “S = 1” zetten, gaat het toestel aan, want de vorige toestand was uit (in ons voorbeeld). Deze toestand blijft behouden tot we op “R” drukken waardoor de toestand hersteld wordt.

Het probleem van de schakelaars :

Wie wat experimenteert zal snel ondervinden dat het gebruik van schakelaars om een gewenste ingangen aan te sturen, niet zo evident is. Zonder enige voorzorg wordt de uitgang niet steeds dat wat je zou verwachten. In praktijk gedraagt zo’n schakeling zich soms wisselvallig en dat is uiteraard niet gewenst. Het indrukken van de schakelaar ligt aan de basis van dit probleem.

Trillingen bij het openen of sluiten van schakelaars (het “dendereffect”) laten de digitale schakeling denken dat de geproduceerde pulsen individuele schakelmomenten zijn. Indien zo een schakeling wordt gevolgd door bijvoorbeeld een teller, wordt het resultaat duidelijk: hij zal een groot aantal pulsen aantonen en dat is wel niet de bedoeling. Een hulpschakeling tussen de drukknop en de teller kan het probleem oplossen. Hieronder volgt het schema.

De schakeling rechts verduidelijkt dit. De ingangen R et S worden via weerstanden met Vcc verbonden. De schakelaar kan NOOIT gelijktijdig een 1 of een 0 aan de S of R ingang brengen. Wat wél kan, is meer dan één puls op bijv. S, maar dit heeft geen gevolg voor de RS flipflop; de R blijft ondertussen ongemoeid. Anders uitgedrukt: de eerste puls stuurt de flipflop naar 1. Deze toestand blijft opgeslagen door de R S werking. Andere pulsen op S hebben geen effect.

Synchroon

Asynchroon

Indien we de uitgang van een schakeling bij middel van een ander signaal (bias genaamd) op een gewenst moment kunnen laten reageren, noemen we deze schakeling synchroon. Een meer voorkomende benaming is “clock“

Als je niet over zo een aansturing beschikt, kan de omschakeling niet op een bevel gebeuren maar op een willekeurig moment van zodra de ingangssignalen aanwezig zijn.

De RSC-flipflop :

Dit is een uitbreiding van de RS-flipflop. Volgens de combinatie van de ingangen EN de voorgaande toestand, kan de uitgang onbepaald zijn. Zie de tabel hierboven. Door een bijkomende ingang kunnen we hier iets aan doen. We evolueren dan tot de RSC-flipflop.

Deze RSC is een flipflop met een bijkomende aansluiting C of “clock”. Deze ingang laat al dan niet de overgang van de RS toe, en dit ongeacht de toestand aan de echte ingangen S en R.

Indien C=1, werkt de RS flipflop als een standaard R S .

Indien C=0, hebben de ingangen geen effect op de RS. Die blijft in de laatste toestand bestaan (opgeslagen).  Men zegt dat de RSC synchroon is met de clock. Immers elke verandering aan de uitgangen hangt van de toestand van “clock” C af.

Je kan dit nagaan door op de ingangen een niveau aan te brengen terwijl C op 0 staat. Daar het hier om NAND poorten gaat, zijn beide uitgangen 1 en dit ONAFHANKELIJK van R en of S. Plaats nu een 1 op C en vervolledig de gedachtengang. De uitgangen zullen nu wel omschakelen volgens de ingang.

We onthouden dat de flipflop enkel kan werken of omschakelen als C=1

De D-flipflop :

Een variante op het vorige. De D-flipflop heeft nog een R ingang maar die is nu enkel inwendig in de schakeling doorverbonden. De S klem heet nu “D” (afgeleid van DATA of gegeven). Door dit bijzonder opzet is het nooit mogelijk dat de combinatie S=R=0 of 1 zou bestaan.
De enige mogelijke combinaties zijn: S=0, R=1 .
De uitgang Q zal het niveau aan de ingang aannemen (die we nu D noemen) als de clock dit toelaat.
Als C=1, zal Q de toestand Data volgen, als C=0, zal de flipflop de laatste toestand behouden.

Met andere woorden, men klokt de ingang D naar uitgang Q.

Er bestaan meerdere types van D-flipflop’s, bijv. het Latch-D-type waarbij de uitgang reageert op het niveau ingang en het niveau op C, en Edge-triggered-type op de ingang en stijgende of dalende flank van C.

Hiernaast ziet je een overzicht in de tijd van beide voorbeelden. Met enige moeite zie je het verschil tussen de twee soorten.
C= clock
D= data of gegeven.

De JK-flipflop :

De RSC is klassiek maar enkel de combinatie S=1 en R=1 zijn toegelaten (niet meer de onbepaalde toestand). Door inwendig de nodige verbindingen te leggen krijgen we de waarheidstabel zoals hieronder. De S en R worden nu J en K.

Op dit ogenblik zal men eerder schakelen op de flanken ( meestal op de stijgende flank) van de klok en niet op basis van niveaus. Men kan zeggen voor de JK-flipflop dat als J=1, de uitgang Q de uitgang naar 1, als K naar 1 gaat, zal Q naar 0 gaan.

Als J en K = 0, verandert de opgeslagen toestand niet, als J en K = 1 zal de flipflop bij elk front van de clock omslaan.

JK-flipflops worden gebruikt om telschakelingen te ontwikkelen, ze zijn daarbij een basiselement.

Nog iets over symbolen :

Als de werkingscondities van flipflops omschakelen onder inwerking van de flanken van het ingangssignaal en niet van niveau’s, zet men een >-teken bij de clockingang.

Monostabiele flipflop :


Tot nu zagen we de bistabiele flipflop en merkten dat steeds een nieuwe impuls nodig is om naar een andere toestand over te gaan.

Met de monostabiele is dit anders: er bestaat maar één stabiele toestand. Bij verandering zal de schakeling na enige tijd “t” naar de oorspronkelijke toestand terugkeren.

Men gaat van een stabiele toestand over naar een andere toestand de “quasi stable” , onder invloed van de ingang.

Hiernaast een monostabiele schakeling samengesteld uit NOR poorten. Het is duidelijk dat de tijdconstante wordt bepaald door RC. Het vergroten van C en /of van R komt neer op een vergroting van de tijdconstante en de “quasi stable” toestand wordt verlengd.

Hoe werkt dit schema ?

In rust leggen e1 op 0,  en veronderstellen we e2 ook op 0, de uitgang van deze NOR poort is 1. De ingang f1 is 1 daar aan +Vcc via R verbonden, f2 is 0 door direct aan massa verbonden te zijn. De uitgang is dan 0. Als er niets aan ingang e1 gebeurt zal er niets veranderen. De toestand is stabiel in rust.

Brengen we nu een logische 1 aan op ingang e1.
De ingang e2 is nog steeds 0, de uitgang S1 gaat naar 0 en dit niveau wordt aan f1 gelegd. De condensator zal opladen via weerstand R volgens de tijdconstante RC
De uitgang S2 gaat naar 1.
Eenmaal de condensator geladen na een tijd functie van RC “t”, wordt ingang f1 terug 1 en veroorzaakt het overslaan van S2 naar 0, of de stabiele toestand.

De Schmitt- trigger :


Als laatste van de basisschakelingen bekijken we de “Smitt-trigger”, aangezien deze kring vrij frequent gebruikt wordt.

De kring omvat twee drempels waarbij de flipflop kan omslaan van één stabiele toestand naar een andere. Het gaat om één niveau “hoog” en één niveau “laag”. Deze eigenschap komt goed van pas om een signaal met een of andere willekeurige ( analoge ) vorm om te zetten in een ( digitaal verwerkbare ) vierkantsgolf.

Bemerk de terugkoppeling van de uitgang via een spanningsdeler R1-R2 naar de ingang.
Stellen we ons een zeer laag ingangsniveau voor dat we als een 0 kunnen beschouwen. De uitgang van de eerste gate is 1. De spanning op S2 is 1.
Stel nu dat de spanning aan de ingang stijgt dan zal op een bepaald moment de eerste NAND omslaan en S2 meetrekken naar 1. De toestand van de ingang wordt versterkt en het geheel blijft stabiel.
Omgekeerd, als aan de ingang het signaal gaat dalen zal plots de toestand terugkeren naar de vertrektoestand.
Bij dit soort schakeling zijn de waarden van de weerstanden belangrijk. Immers, stel dat er teveel van uitgang S2 teruggekoppeld wordt dan blijft de toestand onveranderd en werkt de kring niet. Er bestaan voor deze toepassing specifieke IC’s met alles erop en eraan. Geen zorgen dus: je kiest beter zo een IC dan te proberen de functie zelf samen te stellen met twee IC’s.

Deze stof is natuurlijk slechts een inleiding voor diegenen die digitale technieken dieper willen bestuderen. Er bestaat nog een veelvoud van soortgelijke basiskringen die ook nog meer complexe functies aankunnen.
Voor het radioexamen is dit minder belangrijk.