В последней статье курса по схемотехнике вас ждет еще один класс последовательных схем — сдвиговые регистры. Умение собрать их на базе двух микросхем CD4013BE пригодится, чтобы сконструировать еще один вариант секундомера на макетной плате. В нем мы не будем использовать индикаторы, их роль сыграют сразу полтора десятка светодиодов.
- что такое сдвиговые регистры
- как сконструировать на них счетчик секунд
- как отобразить секунды и их десятки без семисегментных индикаторов
Сдвиговые регистры
Нам осталось разобраться с еще одним несложным применением триггеров. Кроме уже изученных вами регистров с параллельной загрузкой данных — одновременной во все триггеры регистра — существуют и сдвиговые, с последовательной загрузкой. Самый простой бытовой пример работы сдвигового регистра можно встретить на школьных занятиях, когда преподаватель передает классу какой-то интересный артефакт со словами: «Посмотри и передай следующему!». И артефакт начинает свое путешествие от одного ученика к другому поочередно.
Именно так работает сдвиговый регистр — данные приходят в него с одной стороны и с каждым тактом синхросигнала смещаются дальше. Схема такого регистра проста. Она состоит из цепочки D-триггеров, где выход предыдущего триггера подключен ко входу данных следующего. Вспомним, что D-триггер задерживает поступивший на него бит до очередного тактового импульса. Именно за счет этого происходит последовательное продвижение информации по всей цепочке. Если же триггеры имеют асинхронные входы сброса и установки, то через них в сдвиговый регистр можно загружать данные параллельно во все биты сразу.
Четырехразрядный сдвиговый регистр на рисунке ниже сконструирован на базе двух уже известных нам по счетчикам микросхем CD4013BE. Каждая содержит по два D-триггера с асинхронными входами сброса и установки. Как всегда, выходы на рисунке пронумерованы для удобства сборки.
В микросхеме CD4013BE входы сброса и установки имеют активный высокий уровень — логическую единицу. Так как они не используются в нашем простом примере, то на макетной плате их нужно подключить к минусу питания. Это неизбежно приведет к тому, что при включении схемы выходы триггеров оказываются в случайном состоянии. Мы с вами уже видели это в ролике о триггерах. Для иллюстрации работы сдвигового регистра случайность состояния не принципиальна. А на практике каждый выход Q понадобится снабдить привычной светодиодной индикацией, чтобы увидеть, что же происходит.
На вход синхронизации C сигнал поступает с генератора импульсов на RC-цепочке. Вы можете передавать на вход данных сдвигового регистра (вывод 5 DD1.1) ноль или единицу. Для этого нужно подключить к выводу кнопку с подтягивающим резистором, и наблюдать, как заданный бит проходит по цепочке светодиодов с каждым тактовым импульсом. А потом можно задавать другое значение.
Не поленитесь собрать сдвиговый регистр на макетной плате, прежде чем двигаться дальше. Для разнообразия можно поставить на вход сдвигового регистра не кнопку, а еще один генератор импульсов с заметно другой частотой переключений, чем генератор тактового сигнала, и наблюдать эффект бегущих огней. Так вы на практике получите понимание того, как это все работает. Такие знания всегда гораздо прочнее, чем одна теория.
На схеме выше все сигналы установки объединены в одну шину, как и сигналы сброса. То есть в данном случае можно в произвольный момент времени обнулить все биты регистра или записать единицу в каждый из них. А при необходимости можно произвольным образом комбинировать асинхронные входы, загружая в триггеры любое исходное значение битов.
Секундомер на сдвиговых регистрах
На базе схемы бегущих огней можно сделать другой вариант секундомера. На этот раз в нем не будет индикаторов и цифр: счет секунд от 0 до 9 будут показывать светодиоды одного цвета, а десятков от 0 до 5 — другого.
К счастью, нам не потребуется ставить на макетную плату целый отряд триггеров CD4013BE. На помощь придет микросхема CD4015BE, которая содержит сразу 2 сдвиговых регистра по 4 бита, а значит, потребуется всего три корпуса этого типа. Зато мы используем сразу полтора десятка светодиодов, чтоб было не скучно!
На схеме вы видите, как просто организован счетчик секунд на трех 4-битных регистрах. Они соединены в одну длинную 12-битную гусеницу, на вход которой (вывод 7 регистра DD2.1) всегда подается логическая единица. Далее с 4 бита сигнал идет на вход следующего регистра, и еще раз повторяется такая же передача со второго на третий.
Каждый тактовый импульс приводит к тому, что единица продвигается все дальше, зажигая все новые светодиоды, подключенные к выходам регистров через резисторы. Раз на выходах активным уровнем является высокий, то выходы Q1… Q9 идут на аноды светодиодов, а катоды «сидят» на минусе питания. К этому моменту вы уже приобрели такой опыт, что не забудете про резисторы, и то, что подключать их можно с любой удобной вам стороны от светодиода. Обратите внимание, что мы не показываем резисторы на схеме, чтобы не загромождать ее.
Как только единица доползет до десятого бита в нашем 12-битном сдвиговом регистре, так сразу окажется на входе асинхронного сброса и обнулит все выходы разом. Это будет соответствовать нулевой, десятой, двадцатой и остальным круглым секундам. Далее процесс поочередного зажигания светодиодов повторится.
Собственно, этот же сигнал сброса секунд отлично подходит для того, чтобы исполнять роль тактового импульса для регистра десятков секунд. Ведь в отличие от секундомера на счетчиках нам не нужно смешивать его ни с каким другим сигналом. А значит, мы без затей подаем сигнал сброса секунд на вход регистра десятков. Его организация практически полностью повторяет регистр секунд, разница только в длине.
Ну и не забываем добавить светодиоды и резисторы для десятков секунд, их должно быть пять. Циферблат такого секундомера приобретет несколько нетипичный вид: на нем будут два ряда светодиодов, показывающих десятки и единицы секунд для любителей оригинальных дизайнерских решений.