أساسيات النظم الرقمية

أساسياتالنظم الرقمية 257 من الشكل12-7) نلاحظ أن الخرج كان في في حالة التصفير Q= 0 (RESET) ▪ عند نبضة التزامن clock pulse 1 الدخل D = LOW فإن الخرج يبقى في حالة التصفير Q= LOW (RESET) ▪ عند نبضة التزامن clock pulse 2 الدخل D = LOW فإن الخرج يبقى في حالة التصفير Q= LOW (RESET) ▪ عند نبضة التزامن clock pulse 3 الدخلD = HIGH فإن الخرج ينتقل إلى حالة التوضيع Q= HIGH (SET) ▪ عند نبضة التزامن clock pulse 4 الدخل D = LOW فإن الخرج ينتقل إلى حالة التصفير Q= LOW (RESET) ▪ عند نبضة التزامن clock pulse 5 الدخلD = HIGH فإن الخرج ينتقل إلى حالة التوضيع Q= HIGH (SET) ▪ عند نبضة التزامن clock pulse 6 الدخل D = HIGHالخرج يبقى في حالة التوضيع Q= HIGH (SET) 3-2 القلاب جي كا (J-K) The J-K Flip-Flop القلاب جي كا The J -K Flip -Flop هو قلاب متزامن مداخله هي جي وكا J, K، ويعتبر من أكثر القلابات استخداماً. البيانات على الدخل تمر إلى الخرج فقط مع حافة القدح لنبضة التزامن clock pulse، طريقة عمله تماثل تماماُ القلاب اس ار S-R، في الأوضاع الثلاثة الأولى للتشغيل وهي عدم التغير والإمساك، حالة التوضيع ، حالة إعادة التوضيع أو التصفير، والفرق فقط في الحالة الأخير أنها حالة مسموحة، أي عندما يكون كلا المدخلين في الحالة المرتفعة HIGH فإن القلاب يغير حالته، وهذا يسمى نمط التبديل Toggle Mode، أي تتغير الحالة بين المخارج، فإن كان الخرج الطبيعي بالحالة المرتفعة HIGH يصبح بالحالة المنخفضةLOW ، والعكس بالعكس بالنسبة للخرج المتمم عملية تشغيل القلاب جي كا J-K معحافة قدح صاعدة موجبة positive edge-triggered flip-flop موضحة الشكل (13-7.) يعرض الجدول5-7 )جدول الحقيقة للقلاب جي كا J-K،حيث يشير السهم للأعلى على أن نبضة التزامن CLK تنتقل من الحالة المنخفضةLOW إلى الحالة المرتفعةHIGH. الشكل14-7) يظهر شكل موجة الخرج للقلاب جي كا J-K عند تطبيق موجات الدخل الموضحة، حيث الحالة الابتدائية هي الحالة المنخفضة LOW، وهو يعمل على الحافة الهابطةa Negative Edge-Triggered Flip-Flop الجدول5-7) جدول الحقيقة للقلابجي كا J-K

أساسياتالنظم الرقمية 258 الشكل13-7) قلاب من نوع جي كا J-K يعمل على حافة القدح الصاعدةa positive edge-triggered J-K flip-flop الشكل14-7) شكل موجة الخرج للقلاب من نوع جي كا J-K يعمل علىحافة القدح الهابطة a negative edge-triggered J-K flip-flop حيث تظهرa) شكل موجة الدخل مع نبضة التزامن و b) أشكال موجة الخرج الطبيعي والخرج المتمم من الشكل (14-7) نلاحظ أن الخرج سوف يتغير عند الحافة الهابطة، والحالة الابتدائية له هي حالة التصفير Q= 0 (RESET) ▪ عند نبضة التزامن clock pulse 1 كلا الدخل J= K = 1 نمط التبديلtoggle وبالتالي ينتقل الخرج إ الحالة المرتفعة Q= HIGH (SET). ▪ عند نبضة التزامن clock pulse 2 لا يوجد تغيير على حالة الدخلين، لذلك الخرج لا يتغير ويحافظ على حالته في حالة التوضيع Q= HIGH (SET).

أساسياتالنظم الرقمية 259 ▪ عند نبضة التزامن clock pulse 3 الدخلين يصبحان J= LOW- K = HIGH فإن الخرج ينتقل إ حالة التصفيرQ= LOW (RESET) . ▪ عند نبضة التزامن clock pulse 4 الدخليتغيران J= HIGH - K = LOW فإن الخرج ينتقل إ حالة التوضيع Q= HIGH (SET). ▪ عند نبضةالتزامن clock pulse 5 شروط حالة التوضيع ماتزال موجودة على الدخلين، لذلك الخرج لا يتغير ويحافظ على حالة التوضيع Q= HIGH (SET). 3-3 عملية القدح عند الحافةEdge-Triggered Operation لجعل القلاب يغير من حالته عند أي حافة لنبضة الساعة سواء الحافة الصاعدة أو الهابطة، فإنه يتم وضع حساس للحافة عند مدخل نبضات التزامن فى القلاب، كاشف (حساس) حافة النبضة Pulse Transition Detector عبارة عن دائرة تدخل لها نبضة التزامن CLK بأي زمن للدورة ، فتعطي فى الخرج نبضة ذات فترة زمنية قصيرة جداً يقدر عرضها الزمني بعدد قليل من الميكروثانية عند الحافة المطلوبة سواء كانت الحافة الصاعدة أو الهابطة. الشكل (15-7) يظهر الشكل المبسط لعملية قدح القلاب من نوع دي D flip-flop D،مع التذكرة أن الاختلاف الأساسي للقلاب دي D عن الماسك من نوع دي D المتزامن the gated D latch فقط في أنه يمتلككاشف (حساس حافة) a pulse transition detector لكشف التحول والانتقال في حالة النبضة عند مدخل نبضات التزامن في القلاب. الشكل (15-7) الشكل المبسط لعملية قدح القلاب من نوع دي (D ) flip-flop D أحد أنواع كاشف انتقال حالة النبضة a pulse transition detector يعرضه الشكل 16-7)، نلاحظ أنه أنها دائرة تتألف من بوابة ناند NAND تم احداث تأخير زمDelay على أحد دخليها عن الآخر بمقدار زمن مرور الاشارة على بوابة

أساسياتالنظم الرقمية 260 نفيNOT واحدة، بحيث أن نبضة التزامن المعكوسة تصل على مدخل البوابة بعض مدة زمنية تقدر بالمكرو ثانية بعد نبضة التزامن الأساسية CLK. وهو مقدار عرض النبضة القصيرة الناتجة عند حالة التحول الموجبة، التي ستسبب إطلاق الدخل وتغيير الخرج . عندما يقدح القلاب على الحافة الهابطة نبضة التزامن تنعكس أولاً علي بوابة النفي، ثم تنتج نبضة قصيرة عند التحول السالب. بالطبع فإن الإطلاق عند الحافة النازلة أو الصاعدة ليس مقصورا على القلاب دي D فقط، بل يمكن تطبيقه مع كل أنواع الماسكات أو القلابات، بل إن معظم القلابات تعمل عند حافة نبضة الساعة سواء الصاعدة أو النازلة. الشكل (16-7) كاشف انتقال حالة النبضةa pulse transition detector 3-4 المداخل غير المتزامنةAsynchronous Preset and Clear Inputs كانتالمداخل بالنسة للقلابات المدروسة المداخل J وK وD مداخل متزامنة، لأنه لا يحدث لها تأثير على الخرج إلا إذا كانت هناك نبضة تزامن، أي أن هذه المداخل متزامنة مع نبضات التزامن، أ حيانا تضطرنا الحاجة إلى إضافة مدخلات غير متزامنة مع نبضات التزامن لتؤدي عمل ما، حيث تستخدم فى الكثير من التطبيقات لوضع حالات ابتدائية على خرج القلاب، كأن نضع خرج القلاب في حالة تصفير أي Q= 0 ، أو حالة توضيعQ= 1، قبل البدء بالتشغيل، أيودونال اعتماد على نبضات التزامن لإدخال هذه الحالات. الشكل (17-7) يبين التركيب الداخلي لقلاب من نوع دي D بعد اضافة مدخلين غير متزامنين له، المدخل الأول هو مدخل التصفير clear (CLR)، وهو مدخل يعمل على الحالة المنخفضةLOW (CLR)، أي عند وضع صفر0 على هذا المدخل يتم تصفير الخرج أي Q= 0، والمدخل الثاني هو مدخل التوضيع Preset (PRE) وهو مدخل يعمل على الحالة المنخفضة LOW (PRE)، الذي عندما يكون صفر 0 بريج الخرج على أن يكون واحد 1 أي Q= 1، دون النظر أيضاً لنبضات التزامن CLK. نبضة قصيرة تنتج عن التأخير الزم Delay (عندما كلا المداخل في الحالة المرتفعة HIGH)

أساسياتالنظم الرقمية 261 (a) (b) الشكل17-7) المخططالمنطقي في (a) لقلاب من نوع دي D بعد اضافة مدخلين غير متزامن مدخل التصفير clear ومدخل التوضيع Preset وكل منهما فعال على الحالة المنخفضة، b) الرمز المنطقي الرمز المنطقي لشريحة الدائرة الم تكاملة للقلاب من نوع دي D flip-flop المل الرقم 74HC74، تظهر في الشكل (7-18)، تحتوي شريحة هذه الدائرة على قلابين مستقلين يعملان على الحافة الصاعدة لنبضات التزامن a positive edge - triggered D flip-flop،وللشريحة طرف توضيع وطرف تصفير فعالان عند الحالة المنخفضة، يرمز داخلياً لهما بـالرمز R للتصف وS للتوضيع الشكل (18-7) الشريحة المتكاملةللقلاب من نوع دي D flip-flop المل الرقم 74HC74 تحتوي شريحة هذه الدائرة على قلابين مستقلين يعملان على الحافة الصاعدة لنبضات التزامن a positive edge-triggered D flip-flop

أساسياتالنظم الرقمية 262 الرمز المنطقي لشريحة الدائرة الم تكاملة للقلاب من نوع جي كا J-K flip-flop المل الرقم 74HC112، تظهر في الشكل (7-19)، تحتوي شريحة هذه الدائرة على قلابين مستقلين يعملان على الحافة الهابطة لنبضات التزامن dual negative edge-triggered J-K flip-flop وللشريحة طرف توضيع وطرف تصفير فعالان عند الحالة المنخفضة، يرمز داخلياً لهما بـالرمزR للتصفير وS للتوضيع الشكل (19-7) الشريحة المتكاملة للقلاب من ن نوع جي كا J-K flip-flop المل الرقم 74HC112 تحتوي شريحة هذه الدائرة على قلابين مستقلين يعملان على الحافة الهابطة لنبضات التزامن dual negative edge-triggered J-K flip-flop 3-5 خصائص التشغيل للقلابات Flip-Flop Operating Characteristics يعتمد الأداء ومتطلبات أو محددات التشغيل بالنسبة للقلابات على عدد من الخصائص أو البارامترات الموجودة على ورقة البيانات للجهاز، وبصفة عامة، تنطبق الخصائص على القلابات من نوع CMOS ومن نوع TTL. أهم هذه الخصائص 1- زمن الانتشار أو زمن العبور Propagation Delay Time زمن الانتشارPropagation Delay Time هو الفترة الزمنية بين حالة الدخل للقلاب وتغير خرجه إلى قيمة ثابتة بناء على هذا الدخل، هناك أكثر من صورة لهذا الزمن على حسب شكل نبضة التزامن وكيفية تغير الخرج بناء عليها، وهي التالي:

أساسياتالنظم الرقمية 263 1- الزمن (PLHt) وهو الفترة الزمنية من منتصف الحافة المؤثرة لنبضة التزامن (الصاعدة أو النازلة( إلى أن يصعد الخرج من صفر 0 أو القيمة الصغرى (LOW) إ50% من قيمة الجهد المنطقي واحد 1 أو القيمة العظمى (HIGH)، الشكل (20- 7( )a) يبين ذلك مع مثل نبضة التزامن CLK، ونبضة التوضيعPRE. 2- الزمن (PHLt) وهو الفترة الزمنية من منتصف الحافة المؤثرة لنبضة التزامن (الصاعدة أو النازلة( إلى أن ينزل الخرج من واحد 1 أوالقيمة العظمى (HIGH)، إلى 50% من قيمة الجهد المنطقي صفر 0 أو القيمة الصغرى (LOW)،الشكل (20-7( )b) يبين ذلك مع مثال نبضة التزامن CLK، ونبضة التصفPRE. (a ) (b) الشكل7-20) زمن الانتشار للقلاب PLHt،PHLt 2- زمن الاستقرار Set up Time زمن الاستقرار (St) up time-set هو أقل فترة زمنية مطلوبة كي تبقى المستويات المنطقية على مداخل القلابات (D, J , K, S , R )قبل تطبيق الحافة المؤثرة لنبضة التزامن ، حتى يثبت الخرج على قيمته الجديد، أي أن مستويات الدخل المنطقية إذا تغيرت أو لم تستقر حتى يمر هذا الزمن، فإن قيمة الخرج لن تكون ثابتة أو محددة، الشكل (21-7 )يب هذا الزمن على قلاب من نوع دي D، ويجب التفريق بين زمن الانتشار وزمن الاستقرار .

أساسياتالنظم الرقمية 264 الشكل(7-21) زمن الانتشار للقلاب St 3- زمن المسك Hold Time زمن المسك (ht) imeTold H هوأقل فترة زمنية مطلوبة كي تثبت المستويات المنطقية على مداخل القلابات (D, J , K, S , R )بعد تطبيق الحافة المؤثرة لنبضة التزامن، وإلا فإن الخرج لن يستقر، الشكل (22-7 )يب هذا الزمن على قلاب من نوع دي D. الشكل7-22) زمن المسك للقلاب ht 4- القيمة العظمى لتردد الساعة Maximum clock frequency القيمة العظمى لتردد الساعة أو تردد نبضات التزامن (maxf) requencyFlock Caximum MThe ، هي أعلى تردد يمكن تطبيقه لتشغيل القلاب ويعمل بشكل موثوق، قبل أن يفشل القلاب فى العمل أو متابعة الدخل، عند الترددات فوق القيمة العظمى، القلاب سوف لن يكون قادر على الاستجابة بشكل سريع، وربما يتضرر. 5- عرض النبضات Pulse Widths عادة ما يتم تحديدالقيمة الدنيا لعرض النبضات )Wt )Minimum pulse widths للتشغيل الموثوق به من قبل الشركة المصنعة من أجل مداخل نبضة الساعة clock، إعادة التوضيع (التصفير) preset،والتصفير clear. عادة، يتم تحديدنبضة الساعة بواسطة تحديد الزمن الأدنى للحالة المنخفضة LOW والزمن الأدنى للحالة المترفعة HIGH.

أساسياتالنظم الرقمية 265 6- الطاقة المبددة Power Dissipation الطاقة المبددة لأي دائرة رقمية تكون إجمالي استهلاك الطاقة للجهاز وتعطى بالعلاقة: P = VCC * ICC الجدول (6-7) يظهر مقارنةللخصائص السابقة من أجل أربع قلابات CMOS وTTL من نفس النوع لكنها من أصناف دوائر متكاملة مخلتفة وهي HC(High-speed CMOS), AHC(Advanced high-speed CMOS), LS(Low-power Schottky), F(Fast)) وذلك عند درجة الحرارة 25°C درجة مئوية الجدول (6-7 )مقارنةلخصائص أربع قلابات CMOS وTTL من نفس النوع ومن أصناف دوائر متكاملة 3-6 تطبيقات القلابات Flip-Flop Applications بعد أن تعرفنا بشكل مفصّ ل على العناصر الأساسية في الدوائر التعاقبية، القلابات، سنبين فيما يلي بعض أهم الدوائر التعاقبية الشهيرة والمستخدمة في كثير من التطبيقات بدون الدخول في تفاصيل كيفية تصميم هذه الدوائر، إذ سنتناول بعضها في الفصل القادم. من أهم التطبيقات التى تستخدم فيها القلابات: مسجلات الإزاحة Shift Registers . العدّادات الثنائية Binary Counters . تقسيم الترددFrequency Division.

أساسياتالنظم الرقمية 266 الذواكرMemories. تخزين البيانات بشكل على التوازي Parallel Data Storage. الجدول(7-7) يلخص الدوائر المتكاملة التي تم عرضها سابقاً، مع أرقامها ومحتوياتها نوع الدائرة المتكاملة رقمها ماسك من نوع اس ار S-R ذو المدخلات الفعالة المنخفضة The 74HC279A quad S-R latch 74HC279A ماسك من نوع دي D Latch The 74HC75 quad D latch 74HC75 قلاب من نوع دي D flip-flop a positive edge- triggered D flip-flop 74HC74 قلاب من ن نوع جي كا J-K flip-flop dual negative edge- triggered J-K flip-flop 74HC112 الجدول (7-7) الدوائر المتكاملة التي تم عرضها في هذا الفصل

أساسياتالنظم الرقمية 267 تدريبات 1- إذا طبقت الموجات التالية في الشكل23-7) على ماسك من نوع اس ار S-R ذو المدخلاتالفعالة المرتفعة، ارسم شكل موجة الخرج، وافترض أن الحالة البدائية في الحالة المنخفضة LOW. الشكل23-7) 2- إذا طبقت الموجات التالية في الشكل24-7) على ماسك من نوع اس ار S-R ذو المدخلات الفعالةالمنخفضة، ارسم شكل موجة الخرج، وافترض أن الحالة البدائية في الحالة المنخفضة LOW. الشكل24-7) 3- إذا طبقت الموجات التالية في الشكل25-7) على ماسك من نوع اس ار S-R متزامن، ارسم شكل موجة الخرج الطبيعي والخرج المتمم، وافترض أن الحالة البدائية للخرج الطبيع ي في الحالة المنخفضةLOW. الشكل25-7)

أساسياتالنظم الرقمية 268 4- إذا طبقت الموجات التالية في الشكل26-7) علىقلابين من نوع جي كا J-K J-K flip-flops، ارسم شكل موجة الخرج الطبيعي، وافترض أن الحالة البدائية هي توضيع RESET، واشرح الفرق بين القلاب الشكل (26-7) 5- إذا طبقت الموجات التالية في الشكل26-7) علىقلاب من نوع D ديD flip-flop، ارسم شكل موجة الخرج الطبيعي، وافترض أن الحالة البدائية هي توضيع RESET. الشكل27-7) 6- إذا طبقت الموجات التالية في الشكل28-7) علىقلاب من نوع D ديD flip-flop يعمل على الحافة الصاعدة a positive edge -triggered D flip -flop، ارسم شكل موجة الخرج الطبيعي، وافترض أن الحالة البدائية في الحالة المنخفضة LOW. الشكل28-7) 7- إذا طبقت الموجات التالية في الشكل29-7) علىقلاب من نوع جي كا J-K J-K flip-flop، ارسم شكل موجة الخرج الطبيعي، وافترض أن الحالة البدائية في الحالة المنخفضة LOW.

أساسياتالنظم الرقمية 269 الشكل29-7) 8- تظهر ورقة العمل لأحد القلابات أن أقل زمن للحالة المرتفعةminimum HIGH time من أجل نبضات التزامن (نبضة الساعة clock pulse )30 ns،وأقل زمن للحالة المنخفضة minimum LOW time هو60 ns، ما هو التردد الأعظمي لبنضات الساعة يمكن أن يعمل عنده هذا القلاب.

أساسياتالنظم الرقمية 270 المصطلحات والعبارات الرئيسة واختصاراتها Key Terms and Abbreviations المصطلح أو العبارة الترجمة الصفحة المصطلح أو العبارة الترجمة الصفحة الدوائر المنطقية التوافقية Combinational Logic Circuit 245 التزامن Synchronous 251 القلابات Flip Flops 245 الماسك اس ارS-R المتزامن The Gated S-R Latch 251 الدوائر المنطقية التعاقبية Sequential Logic Circuits 245 الماسك ديD المتزامن The Gated D Latch 252 دائرة الماسك Latch Circuit 246 أجهزة ثنائية الاستقرار متزامنة Synchronous Bistable Devices 254 المهتز ثنائي الاستقرار Bistable Multivibrator 246 قلابات تقدح عند الحافة أو حساسة للحافة Flip-Flops are Edge- Triggered or Edge- Sensitive 254 التغذية المرتدة Feedback 246 مؤشر الدخل الديناميكي The Dynamic Input Indicator 254 المداخل الفعالة عند المستوى المرتفع Active High Inputs 247 قلاب يقدح على الحافة الصاعدة A Positive Edge- Triggered Flip-Flop 255 نمط التشغيل Mode of Operation 247 القلاب جي كا J-K The J-K Flip-Flop 257 الماسك في وضع التصف Latch RESET 247 نمط التبديل Toggle Mode 257 الماسك في وضع التوضيع Latch SET 247 قلاب يقدح على الحافة الهابطة A Negative Edge- Triggered Flip-Flop 257 الماسك من نوع توضيع – تصفير S-R (SET-RESET) Latch 247 قلاب مننوع جي كا J-K يعمل على حافة القدح الصاعدة A Positive Edge- Triggered J-K Flip- Flop 258 المداخل الفعالة عند المستوى المنخفض Active Low Inputs 248 قلاب من نوع جي كا J-K يعمل على حافة القدح الهابطة A Negative Edge- Triggered J-K Flip- Flop 258 حساس حافة النبضة Pulse Transition Detector 259 المداخل غير المتزامنة Asynchronous Inputs 260

أساسياتالنظم الرقمية 271 قلاب من نوع دي D يقدح على الحافة الصاعدة A Positive Edge- Triggered D Flip- Flop 260 عالي السرعة متقدم Advanced High- Speed 265 قلابين من نوع جي كا J-K يقدحان على الحافة الهابطة Dual Negative Edge-Triggered J-K Flip-Flop 261 شوتكي منخفض الطاقة Low-Power Schottky 265 زمن الانتشار Propagation Delay Time 262 سموس عالي السرعة High-Speed CMOS 265 زمن الاستقرار Set up Time 263 مسجلات الإزاحة Shift Registers 265 زمن المسك Hold Time 264 العدرادات الثنائية Binary Counters 265 القيمة العظمى لتردد الساعة أو تردد نبضات التزامن The Maximum Clock Frequency 264 تقسيم التردد Frequency Division 265 القيمة الدنيا لعرض النبضات Minimum Pulse Widths 264 تخزينالبيانات بشكل على التوازي Parallel Data Storage 266 الطاقة المبددة Power Dissipation 265 الذواكر Memories 266

أساسياتالنظم الرقمية 272