Klopné obvody

Klopné obvody reagují na přiváděnou informaci. Na rozdíl od kombinačních obvodů si informaci mohou podržet i po zániku vstupních hodnot. Monostabilní klopné obvody reagují na přivedený signál tak, že mění jeho délku – krátké impulzy mohou prodloužit, dlouhé zkrátit. Astabilní klopné obvody jsou zdrojem periodicky se opakujících pulzů. V číslicové technice se tyto obvody používají poměrně často, upravují se jimi průběhy signálů, vytváří potřebná časová zpoždění, nebo řídící (hodinové) kmitočty. Podle použité logické stavebnice jsou zapojení mírně odlišná, protože se jednotlivé prvky liší vstupními odpory hradel.

Základním klopným obvodem je obvod R-S (bistabilní klopný obvod – BKO). Běžně se používají obvody se dvěmi vstupy a dvěmi výstupy. Nic ale nebrání tomu rozšířit počet vstupů a výstupů na libovolný počet. Základní zapojení je na následujícím obrázku. Při rozboru zapojení vycházíme z toho, že oba obvody NAND nejsou naprosto rovnocenné, a proto po připojení napájení jeden zareaguje rychleji a vnutí svůj výstupní stav druhému. Čili po připojení napájení předpokládejme že Q1 překlopí a na výstupu bude mít stav L. Ten se přenese na vstup Q2 a proto bude Q2 mít na výstupu stav H. Toto bude trvat dokud vnějším signálem nevnutíme změnu stavu (překlopení Q1). Průběhy jsou v tabulce. Klopný obvod má dva vstupy R – reset (nulování) a S – set (nastavení), a dva vzájemně inverzní výstupy Q a !Q. Tyto výstupy jsou navzájem negované, s výjimkou stavu kdy je na obou vstupech úroveň L. V tom případě jsou výstupy v náhodném stavu, a proto se nedoporučuje tato kombinace vstupních úrovní používat. Při konstrukci obvodů lze využít kromě hradel NOR i hradla NAND. Bez invertujících hradel nelze BKO ani MKO sestavit.

Monostabilní klopný obvod (MKO), slouží k úpravě průběhu impulzu. Vzhledem k jeho časté potřebě, byl celý obvod vytvořen v integrované podobě (SN74121 a SN74123). Obvod používá integrační článek RC pro určení časové konstanty překlopení. Po přivedení vstupního signálu (vzestupná nebo sestupná hrana průběhu) se výstup integrovaného obvodu změní (L přejde do H). Tato změna trvá po dobu časové konstanty RC, pak klopný obvod překlopí zpět do L. Podle reakce na vstupní signál rozeznáváme dva druhy MKO. Jeden typ čeká na zánik vstupní vybavovací úrovně a teprve poté zanikne výstupní signál, druhý reaguje pouze dynamicky – na přechodový jev – délka výstupního impulzu je nezávislá na vstupním. Velmi často se MKO používají pro vytváření vzájemně časově posunutých jehlových pulzů které řídí zápis do registrů a pamětí. Dalším příkladem může být separace rozdílně dlouhých pulzů ze signálu (například v TV přijímačích při separaci synchronizačních pulzů).

Astabilní klopné obvody jsou buď symetrické (vytváření výstupní průběh se stejnou dobou periody L a H) nebo nesymetrické – s navzájem odlišnými periodami L a H. Kmitočet obvodu je buď řízen RC obvodem (kdy je kmitočet velmi závislý na teplotě a napájecím napětí) nebo krystalem (velmi stabilní kmitočet). Pro potřeby číslicové techniky byly vyvinuty integrované krystalové oscilátory s výstupními úrovněmi TTL. Pro realizaci generátorů nastavitelných kmitočtů se s oblibou používají RC články a SKO (Schmithův KO).

Takové zapojení je velmi jednoduché a je na následujícím obrázku. Pokud je na výstupu Q1 stav H nabíjí se C1 přes odpor R1. Po dosažení úrovně překlopení se výstup změní na L a C1 se začne vybíjet přes R1 až se SKO opět překlopí do H.

Druhé řešení využívá obyčejná hradla, invertory. V tomto případě je zavedena kladná zpětná vazba přes itegrační článek RC. Obvody Q1 a Q2 pracují jako sledovač. Hodnota odporu R1 pro obvody TTL musí ležet v rozmezí 100ohm až 2kohm, hodnota C1 pak v rozsahu 100pF až 10uF. Vzorec uvedený u schématu platí jen velmi přibližně, v praxi se doporučuje kmitočet nastavit pokusně. Pro výpočet můžeme použít nomogramy uvedené v časopise Amatérské rádio pro konstruktéry, č.4/1980 str. 144. Pokud se časová konstanta obvodu RC přiblíží hodnotě časového zpoždění hradel, není kmitočet stabilní a mění se ve velkém rozsahu s teplotou a napětím.