Klopný obvod

Z Wikipedie, otevřené encyklopedie
Skočit na: Navigace, Hledání
Příklad astabilního klopného obvodu (multivibrátoru) složeného z diskrétních součástek
Multifunkční časovač 555 lze jednoduše využít pro realizaci klopných obvodů

Klopný obvod (nebo také KO) je elektronický obvod, který může nabývat právě dva odlišné napěťové stavy, přičemž ke změně z jednoho stavu do druhého dochází skokově. Tyto obvody se skládají z několika hradel nebo jiných aktivních prvků a lze je použít např. jako paměťové prvky, impulzní generátory nebo časovače.

Základní skupiny klopných obvodů[editovat | editovat zdroj]

Klopné obvody se dělí do čtyř základních skupin:

  • Astabilní − Nemají žádný stabilní stav. Neustále oscilují (kmitají) z jednoho stavu do druhého.
  • Monostabilní − Jeden stabilní stav, ze kterého se obvod překlopí pouze s příchodem spouštěcího impulzu.
  • Bistabilní − Oba stavy jsou stabilní. Tyto obvody slouží jako paměťové prvky. V anglicky psané literatuře jsou označovány jako flip-flops.
  • Schmittův − Zvláštní typ KO, který se používá především k úpravě tvaru impulzů.

První tři druhy klopných obvodů (astabilní, monostabilní a bistabilní) se také označují jako multivibrátory. Často jsou pojmy klopný obvod a multivibrátor nesprávně zaměňovány. Můžeme říct, že multivibrátory jsou klopné obvody, naopak to ale neplatí.

Dalším problémem je překlad pojmu klopný obvod do angličtiny, neboť nabízející se překlad „flip-flop“ je v anglické terminologii používán pouze pro bistabilní klopné obvody. Termínem bližším českému klopnému obvodu je v angličtině „multivibrator“.

Astabilní klopný obvod (AKO)[editovat | editovat zdroj]

Astabilní multivibrátor, složený z diskrétních součástek
Vnitřní schéma a zapojení integrovaného obvodu 555 jako AKO

Astabilní klopné obvody, označované také jako AKO, nemají žádný stabilní stav, což znamená, že tyto obvody neustále oscilují (překlápějí se) mezi jedním a druhým stavem podle nastavené časové konstanty. AKO jsou proto používány jako impulzní generátory, tónové generátory, blikače.[1]

AKO se dá realizovat pomocí diskrétních součástek, s použitím dvou tranzistorů (viz obrázek), nebo s pomocí logických členů (např. dvou NANDů),[2] nebo s využitím časovače 555 (viz AKO pomocí obvodu 555).

Funkce AKO[editovat | editovat zdroj]

Na obrázku je znázorněn AKO realizovaný pomocí diskrétních součástek. V obvodu je zavedena silná kladná zpětná vazba, realizovaná pomocí kondenzátorů.

Po zapojení obvodu se začnou oba kondenzátory C1 a C2 nabíjet a tranzistory Q1 a Q2 se začnou otevírat. Jelikož jsou použity reálné tranzistory, které mají (vlivem nedokonalé výroby) mírně odlišné parametry, jeden z tranzistorů se otevře dříve. Za předpokladu, že se dříve otevře tranzistor Q1, kondenzátor C1 se začne vybíjet, čímž uzavře tranzistor Q2. Kondenzátor C2 se nabíjí a ještě více otevírá Q1 (kladná zpětná vazba). V okamžiku, kdy se C1 přebije na opačnou polaritu, vzroste na bázi Q2 napětí a ten se začne otevírat. Toto způsobí nabíjení kondenzátoru C1 a vybíjení C2. V tomto okamžiku se obvod skokově překlopí a na výstupu (kolektor jednoho z tranzistorů) se objeví opačná úroveň napětí.

Doba, po jakou bude na výstupu jeden nebo druhý stav je závislá na velikostech použitých součástek:

t_1 = \ln(2) R_2 C_1
t_2 = \ln(2) R_3 C_2

Perioda kmitání obvodu je:

T = t_1 + t_2 = \ln(2) ( R_2 C_1 + R_3 C_2 )

Takto realizovaný obvod má však dvě nevýhody:

  • Čelo (vzestupná hrana) výstupního signálu je zaoblená (doba vzestupné hrany je ovlivněna velikostí rezistoru R1, resp. R4).
  • Kmitočet je silně závislý na teplotě.

První nevýhoda, velká doba vzestupné hrany, se dá částečně odstranit vložením diod mezi kolektor Q1 a bázi Q2, resp. kolektor Q2 a bázi Q1.

Kmitočtová nestabilita lze vyřešit přivedením synchronizačních impulzů na bázi jednoho z tranzistorů.

Monostabilní klopný obvod (MKO)[editovat | editovat zdroj]

Schematicka značka monostabilního klopného obvodu řízeného náběžnou hranou spouštěcího signálu
Realizace monostabilního klopného obvodu z diskrétních součástek

Monostabilní klopný obvod, označovaný jako MKO, má jeden stabilní stav, ze kterého je možné jej přepnout do stavu nestabilního. Obvod se sám po určité době přepne zpět do stabilního stavu. Tento typ obvodu je možné použít například jako zpožďovací prvek.

Obvod je možno použít jako generátor impulsu definované délky, lze také realizovat pomocí časovače 555, viz MKO pomocí obvodu 555.

Bistabilní klopný obvod (BKO)[editovat | editovat zdroj]

Bistabilní klopný obvod, složený z diskrétních součástek (R1, R2 = 1 kΩ R3, R4 = 10 kΩ)

Bistabilní klopné obvody, označované jako BKO, mají oba dva stabilní stavy. Mezi těmito stavy lze libovolně přepínat, pomocí signálů přivedených na vstupy. Tyto obvody se proto používají jako paměťové prvky.

BKO mají mnoho variant a provedení. Nejznámější jsou: RS, JK, D a T.

klopný obvod RS[editovat | editovat zdroj]

Schematická značka asynchronního RS klopného obvodu
Realizace asynchronního RS klopného obvodu s členy NAND
Schematická značka synchronního RS klopného obvodu s hladinovým řídícím signálem C
Realizace synchronního RS klopného obvodu s členy AND a členy NOR
Schematická značka synchronního RS klopného obvodu s náběžnou hranou řízeným řídícím signálem C
Realizace RS klopného obvodu s prioritou S (set)
Realizace RS klopného obvodu s prioritou R (reset)

RS je jedním z nejzákladnějších a nejjednodušších BKO. Lze realizovat pomocí dvou dvouvstupých hradel typu NAND.[3] Výstup prvního NANDu vede do jednoho ze vstupů druhého NANDu, výstup druhého NANDu vede do jednoho ze vstupů prvního NANDu.

Vstup R se označuje jako Reset. Přivedení hodnoty logická 1 na tento vstup vynuluje hodnotu Q (neboli nastaví výstup na hodnotu logická nula).

Vstup S se označuje jako Set, přivedení hodnoty logická 1 na tento vstup nastaví hodnotu Q na logickou 1.

Pokud je na R a S zároveň logická 1, mluvíme o zakázaném nebo také hazardním stavu. Znamená to, že tento stav není definován a pokud nastane tato vstupní kombinace, není předem možné určit, v jakém stavu se bude nacházet výstup obvodu.

Aby se tomuto stavu zabránilo, konstruují se tzv. RS obvody s prioritou. A to buď set nebo reset. V případě, že by u normálního obvodu mělo dojít k hazardnímu stavu, obvod s prioritou se přepne buď do 1 (priorita set) nebo do 0 (priorita reset).

Pojem zakázaný stav pochází z doby, kdy byl tento obvod realizován dvěma invertory, u kterých nebyl eliminován zpětný přenos přes jednotlivé tranzistory. Současné buzení obou vstupů vedlo k tomu, že se výstupní veličiny dostávaly do zakázaného pásma a tranzistory přecházely ze saturace do aktivní zóny svých charakteristik.

Doplněním dalších dvou členů AND zapojených jako blokování vstupů lze realizovat synchronní variantu tohoto klopného obvodu. Obvod tak bude reagovat na vstupy pouze po dobu a nebo pouze v době, kdy je hodinový signál C ve stavu log.1. Pokud je vstup signálu C vybaven detekcí náběžné hrany, bude se stav výstupů měnit pouze v okamžiku náběžné hrany signálu.

Tento typ obvodu se často využívá pro ošetření signálu z mechanických přepínačů, u nichž obvykle dochází k zákmitům kontaktů a tím i k nežádoucímu vyslání několika impulsů. Připojením přepínače na vstupy RS obvodu lze vzniku nežádoucích impulsů zabránit.

Pravdivostní tabulka
asynchronního RS
tvořeného obvody
NOR
R S Qn+1
0 0 Qn
0 1 1
1 0 0
1 1 X
Pravdivostní tabulka
asynchronního RS
tvořeného obvody
NAND
R S Qn+1
0 0 X
0 1 0
1 0 1
1 1 Qn
Vysvětlivky:
• Qn aktuální stav (čas t+0)
• Qn+1 stav následující (čas t+1)
• X nedefinovaný stav (log.0 nebo log.1)

klopný obvod JK[editovat | editovat zdroj]

Schematická značka klopného obvodu JK
Realizace klopného obvodu JK pomocí klopného obvodu RS a ANDů

JK má vstupy funkčně shodné s obvodem RS: J nastavuje hodnotu logická 1, vstup K nastavuje hodnotu logická 0. Pokud jsou oba vstupy J a K aktivní (u KO RS mluvíme o zakázaném stavu ), vnitřní hodnota se při hodinovém pulzu neguje. Oproti RS se tento klopný obvod vyrábí pouze v synchronní variantě.

Tento obvod nese označení po vědci jménem Jack Kilby (proto zkratka JK), který jej v roce 1958 představil ve firmě Texas Instruments (patent na jeho jméno vyšel o rok později). Protože název obvodu nemá žádný odvozený význam, existuje v angličtině mnemotechnická pomůcka pro označení vstupů „jump-kill“, tedy „nahoď-zruš“.

Pravdivostní tabulka
klopného obvodu JK
J K Qn+1
0 0 Qn
0 1 0
1 0 1
1 1 Qn
Vysvětlivky:
• Qn aktuální stav (čas t+0)
• Qn+1 stav následující (čas t+1)
• X nedefinovaný stav (log.0 nebo log.1)
je u tohoto klopného obvodu ošetřen

klopný obvod JK Master-Slave[editovat | editovat zdroj]

Realizace klopného obvodu JK Master-Slave pomocí dvou klopných obvodů JK a invertoru

JK Master-Slave je klopný obvod tvořený dvěma klopnými obvody JK. První master (nadřízený člen), druhý slave (podřízený člen). Princip činnosti je v tom, že klopný obvod má kaskádně zapojeny vstupy J, K. Vstup Clk (není značen) řídí stav jednotlivých obvodů následovně: master reaguje na vzestupnou hranu, Slave na sestupnou hranu společného signálu Clk. Master má vstupy J, K a Clk, výstupy jsou přivedeny na vstupy Slave, jehož výstupy teprve vedou na výstup celého klopného obvodu. Při vzestupné hraně signálu Clk master načte data (stav J, K), ale na výstupu slave se objeví až při sestupné hraně signálu Clk.

klopný obvod D[editovat | editovat zdroj]

Schematická značka klopného obvodu D s hladinovým signálem Clk
Realizace klopného obvodu D s použitím hradla RS a invertoru
Schematická značka klopného obvodu D se signálem Clk řízeného náběžnou hranou

Obvod D realizuje jednobitovou paměť. Z obvodu RS se snadno vyrobí tím, že na vstup R přivedeme negovanou hodnotu vstupu S. Výstupy klopného obvodu kopírují stav vstupního signálu Data po dobu, po kterou je vstupní signál Clk ve stavu log.1. Při hodnotě log.0 na vstupu Clk zůstává na výstupech zachován poslední stav, který byl zapamatován při hodnotě Clk = log.1. Český název zdrž, anglicky delay.

Pokud je vstup Clk vybaven detekcí náběžné hrany, zapamatuje se stav vstupu Data v okamžiku náběžné hrany.

Pravdivostní tabulka
klopného obvodu D
D Qn+1
0 0
1 1
Vysvětlivky:
• Qn+1 stav následující (čas t+1)
• X nedefinovaný stav (log.0 nebo log.1)
u tohoto klopného obvodu nenastává

klopný obvod T[editovat | editovat zdroj]

Schematická značka klopného obvodu T
Realizace klopného obvodu T pomocí klopného obvodu RS a invertorovaného vstupu R

Obvod T je přepínač paměti. S každou náběžnou hranou dojde ke změně výstupního stavu na inverzní k předchozí. V principu se jedná o děličku frekvence hodnotou 2 (fout = fin / 2).

Schematická značka klopného obvodu T s řídícím vstupem

U druhé varianty dochází ke změně na výstupech pouze tehdy, je-li řídící vstup ve stavu log.1.

Synchronní variantu je možné realizovat pomocí klopného obvodu JK spojením jeho vstupů J a K. Asynchronní variantu je možno realizovat ze synchronní připojením signálu hodin ke vstupnímu signálu.

Schmittův klopný obvod[editovat | editovat zdroj]

Schematická značka Schmittova klopného obvodu
Schmittův klopný obvod realizovaný z diskrétních součástek.

Schmittův KO slouží k úpravě tvaru impulzů. Jeho základní vlastností je hystereze. To znamená, že jeho výstup je závislý nejen na hodnotě vstupu, ale i na jeho původním stavu. Hystereze, která je jindy nežádoucí, má zde své opodstatnění v tom, že zabraňuje vzniku zákmitů výstupního signálu v okolí střední úrovně spínání. Citlivost obvodu se nastavuje šíří-velikostí hystereze. Obvod je možno využít i jako jednobitový analogově digitální převodník - komparátor.

Smitt hysteresis graph.svg   Hysteresis sharp curve.svg
Hystereze Schmittova KO.
U - vstupní signál
A bez hystereze
B s hysterezí.
  Hystereze Schmittova KO.
Závislost výstupního signálu (in)
na vstupním signálu (out)

Odkazy[editovat | editovat zdroj]

Logo Wikimedia Commons
Wikimedia Commons nabízí obrázky, zvuky či videa k tématu

Reference[editovat | editovat zdroj]

  1. HÁJEK, Jan. 2x časovač 555. Praha : BEN - technická literatura, 1998. ISBN 80-86056-27-9. Kapitola 2.4, s. 13-15. (česky) 
  2. MALINA, Václav. Digitální technika. České Budějovice : KOPP, 2001. ISBN 80-85828-70-7. Kapitola 2.3, s. 59-69. (česky) 
  3. MALINA, Václav. Digitální technika. České Budějovice : KOPP, 2001. ISBN 80-85828-70-7. Kapitola 2.2, s. 49-59. (česky) 

Související články[editovat | editovat zdroj]

Literatura[editovat | editovat zdroj]

Externí odkazy[editovat | editovat zdroj]