8.9. Практикум: разбираем схемы

Триггер №1 по каждому фронту такта переписывает вход: $Q_1$ — это вход, «увиденный» на последнем фронте. Триггер №2 переписывает $Q_1$: $Q_2$ — то, что было на входе тактом раньше. Вентиль вычисляет $Q_1\overline{Q_2}$: «сейчас 1, а раньше было 0». После подъёма входа на ближайшем фронте $Q_1=1$, а $Q_2$ ещё 0 — выход 1. На следующем фронте $Q_2$ тоже становится 1 — выход 0. Импульс длится ровно один период и начинается и кончается сразу после фронтов, т. е. полностью синхронен.

Для спада берут $\overline{Q_1}{Q}_2$, для обоих перепадов — $Q_1\oplus Q_2$. Если входной импульс короче периода, он может проскочить между фронтами и не попасть в триггер №1 — такой импульс сначала растягивают (например, ловят асинхронным входом установки отдельного триггера). И ещё одна тонкость: триггер №1 работает синхронизатором и в редких случаях может оказаться в метастабильномНеустойчивое промежуточное состояние триггера, когда данные изменились внутри окна установления — удержания: триггер какое-то время «не может решить», в какое состояние перейти. состоянии (раздел 8.8); в быстрых схемах перед ним ставят ещё один триггер, и выделитель становится трёхтриггерным.

Вход регистра — ИЛИ-НЕВентиль ИЛИ-НЕ: на выходе низкий уровень, если высокий хотя бы один вход. В КМОП — n-канальные ключи параллельно, p-канальные последовательно. от Q0…Q6. Если среди Q0…Q6 есть хоть одна единица, в регистр вдвигается 0; единица вдвигается, только когда Q0…Q6 все нулевые. Возьмём любое начальное состояние: пока в Q0…Q6 есть единицы, вдвигаются нули, и все единицы постепенно уходят в Q7 и дальше — за борт. Не позже чем через 7 тактов Q0…Q6 обнулятся (самая «ранняя» единица в Q0 уходит из этой зоны за 7 сдвигов), и тогда вдвинется одна единица. Дальше она бежит одна: пока она в Q0…Q6, вдвигаются нули; когда она уходит в Q7, Q0…Q6 пусты — вдвигается новая единица. Цикл — 8 тактов (Q0, Q1, …, Q7). В худшем случае выход в рабочий режим — около 7–8 тактов, после чего схема живёт правильно хоть вечно. Это и есть самокоррекция: запрещённые состояния сами ведут в рабочий цикл.

Триггеры №1 и №2 образуют синхронный счётчик на 3: $D_1=\overline{Q_1+Q_2}$, $D_2=Q_1$; состояния $Q_1{Q}_2$: 00 → 10 → 01 → 00. $Q_2$ равен 1 ровно один период из трёх. Триггер №3 переписывает $Q_2$ по спаду такта, т. е. повторяет его с запаздыванием на полпериода. ИЛИ от $Q_2$ и $Q_3$ равно 1 полтора периода (от фронта, на котором поднялся $Q_2$, до спада, на котором опустился $Q_3$) из трёх — ровно 50 %.

Спад нужен именно для сдвига на полпериода: сдвинуть на целый период было бы бесполезно (получилось бы 2/3). Отсюда требование: симметрия выхода прямо зависит от скважности входного такта — при такте 40/60 выход будет 46,7/53,3 %. Если нужна точность, входной такт берут с удвоенной частотой и делят на 2 триггером, либо делят на 6 и потом на 2. И ещё: на выходе стоит вентиль ИЛИ от двух триггеров, переключающихся в разные моменты, — выбросов здесь нет, потому что в каждый момент меняется только один из его входов.

Сигнал «считай» меняется в такт своего микроконтроллера, т. е. асинхронно по отношению к 8 МГц. Если он поднимется или опустится посреди высокой фазы такта, через вентиль пройдёт обрезок импульса произвольной ширины: счётчик может сосчитать его, может не сосчитать, а может и сбиться (часть разрядов переключится, часть нет). Кроме того, вентиль добавляет такту задержку — если от того же генератора тактируются и другие узлы, появляется перекос тактов. Правильно: такт подавать на счётчик напрямую, а «считай» — на вход разрешения счёта (у '590 это вход CCKEN), предварительно синхронизировав его D-триггером на такте 8 МГц. Тогда счётчик либо пропускает целый такт, либо считает его целиком, и неопределённость сводится к ±1 отсчёту в момент пуска и останова.

Счётчик тактируется импульсами датчика, а порт читается в такт микроконтроллера — в произвольный момент. Если чтение попало на переход счётчика, часть битов уже новая, часть ещё старая. Хуже всего переходы вроде 0111 1111 → 1000 0000, где меняются все разряды: в момент чтения можно получить 1111 1111 или 0000 0000, т. е. ошибиться на 128. (Если счётчик ещё и асинхронный, на переходах есть и ложные промежуточные числа.)

Исправления: 1) снимок — регистр между счётчиком и портом, который записывается по команде микроконтроллера синхронно с тактом датчика (или счётчик с выходным регистром, как '590), а читается уже неподвижным; 2) код ГреяКод, в котором соседние числа отличаются ровно одним разрядом: 000, 001, 011, 010, 110… Исключает ложные промежуточные коды в датчиках угла и счётчиках. — счётчик, у которого на каждом шаге меняется один бит: ошибка чтения не больше единицы; 3) программно — читать дважды подряд и повторять, пока два отсчёта не совпадут (годится, если счёт медленнее чтения). И общий принцип: любое многоразрядное значение из другого тактового домена передают либо через снимок с подтверждением, либо через FIFOFIFO («первым вошёл — первым вышел») — очередь слов с раздельными тактами записи и чтения; сглаживает пачки данных. с раздельными тактами, но никогда «как есть».

1) Нет диода разряда. Постоянная времениПостоянная времени $\tau =RC$ (или $L/R$) — за неё экспонента проходит 63% пути к новому значению; за $5\tau$ — 99%. 1 с; при коротком провале питания конденсатор не успевает разрядиться, и повторное включение не даёт сброса — классический «зависший после мигания света» прибор (раздел 8.8). Нужен диод от конденсатора к шине питания.

2) Обычный вентиль на медленном фронте. Напряжение на конденсаторе проходит порог 'HC00 за сотни миллисекунд; в это время вентиль работает как усилитель с огромным усилением, его выход может многократно переключаться от шумов, а ток потребления растёт. Узлы получат пачку сбросов, и каждый закончит сброс в свой момент. Нужен триггер Шмитта ('HC14, '132). У многих микроконтроллеров вход RESET уже имеет гистерезис — для них это не ошибка, но проверьте документацию.

3) Нет резистора перед входами КМОП. При выключении питания заряженный конденсатор 10 мкФ разряжается через защитные диоды входов в шину питания — ток ограничен лишь их сопротивлением. Нужен резистор порядка 1 кОм последовательно со входами. Есть и четвёртый, мелкий недостаток: от питания со «вялым» нарастанием (большой конденсатор блока питания) RC-цепь может закончить сброс раньше, чем питание установится, — для ответственных приборов ставят специальный монитор питания (супервизорСупервизор питания — ИМС, следящая за напряжением питания: формирует сброс процессора, переключает на батарею, сигнализирует о провалах.).

Всё наоборот. В регистре сдвига каждый следующий разряд должен записать старое значение предыдущего — то, что было перед фронтом. Задержка такта второго регистра на $\tau =100$ нс (и ещё больше из-за пологого фронта на пороге) означает, что к моменту его срабатывания первый регистр уже выдал новый бит (задержка 'HC595 — 15–20 нс): второй запишет его, и один бит будет потерян — ровно та ошибка, которую мы обсуждали как перекос тактов. Нарушено время удержания. Кроме того, RC-цепь делает фронт пологим, а порог входа КМОП не определён точно — момент срабатывания плавает. Правильно: общий такт на оба регистра без всяких цепей; если линии длинные — буферБуфер — повторитель с $K=1$: огромное входное и малое выходное сопротивление, развязывает источник и нагрузку. с гистерезисом у каждого регистра. Если когда-то задержка всё-таки нужна, задерживают такт первого (источника) регистра относительно второго, а не наоборот, — или передают данные по противоположному перепаду.

Кроме тока каждого выхода, у корпуса есть предельный ток через выводы питания и земли — у 'HC595 это ±70 мА. Восемь светодиодов по 20 мА — 160 мА, более чем вдвое больше. Микросхема перегревается и деградирует; выходное напряжение проседает (выходное сопротивление порядка 25–50 Ом при таком токе), и светодиоды горят тускло и неравномерно — в зависимости от того, сколько их включено. Плюс бросок тока при одновременном переключении восьми выходов — «подскок» земли«Подскок» земли (ground bounce) — бросок $LdI/dt$ на индуктивности вывода земли при одновременном переключении многих выходов., который может сбить сам регистр сдвига (раздел 8.8). Правильно: уменьшить ток (современным светодиодам хватает 2–5 мА), поставить транзисторные ключи или сборку вроде ULN2803, либо специализированный регистр-драйвер светодиодов со стабилизаторами тока (например, TPIC6B595).