2.2
Bistabilní klopný obvod JK
Abychom odstranili nežádoucí zakázaný stav klopného obvodu RS v jeho synchronní variantě na obrázku 12, můžeme do jeho zapojení přidat další dvojici zpětných vazeb. Ty zavedeme mezi vstupy obvodu křížem k jeho výstupům, jak ukazuje obrázek 14.
+
Obr. 14. Základní zapojení bistabilního klopného obvodu JK.
Dostaneme tak zapojení obvodu JK.
Zajímavost
Název obvodu JK je odvozen od jména jeho objevitele, Jacka Kilbyho.
+
Zdroj: Author James R. Biard, Jack Kilby, license Creative Commons BY-SA 4.0
Obr. 15. Jack Kilby
Vstup J odpovídá vstupu S klopného obvodu RS, vstup K pak vstupu R.
Funkci bistabilního klopného obvodu JK pak můžeme popsat tabulkou 2.
Tabulka 2. Pravdivostní tabulka klopného obvodu JK.
K | J | Qt+1 | transformace |
0 | 0 | M | |
0 | 1 | 1 | 1 |
1 | 0 | 0 | 0 |
1 | 1 | K |
Lze podle ní také upravit původní graf přechodů klopného obvodu RS a získat tak graf pro klopný obvod JK na obrázku 16.
+
Obr. 16. Graf přechodů klopného obvodu JK.
Z tabulky 2 i grafu na obrázku 16 vyplývá, že při nastavení vstupů obvodu J = K = 1 (původní zakázaný stav klopného obvodu RS) vykoná klopný obvod JK klopnou transformaci, tzn. navzájem se změní jeho výstupy
a
.
Pro klopný obvod JK byla opět vytvořena samostatná obvodová značka, kterou uvádí obrázek 17.
+
Obr. 17. Obvodová značka klopného obvodu JK.
Základní zapojení klopného obvodu JK dle obrázku 14 však přináší nechtěný problém.
Definice
Problémem základního zapojení klopného obvodu JK dle obrázku 14 je možnost vzniku tzv. vícenásobného kmitání (v angl. literatuře race-hazard).
Při rovnosti obou vstupních hodnot J = K = 1, kdy obvod JK vykonává klopnou transformaci, dojde k překlopení výstupních hodnot
a
na opačné. Tato změna se však kvůli přítomnosti zpětných vazeb přenese z výstupu obvodu zpět na jeho vstup. Pokud stále trvá aktivní doba obvodu (u hladinového obvodu je nadále hodinový signál Clk v aktivní hladině, u hranového je stále přítomna jeho aktivní hrana, např. vlivem její omezené strmosti), spustí tato změna opět další překlopení obvodu, neboť vstupy J = K = 1 a výstupy obvodu se opět překlopí a tak dále, dokud bude obvod stále aktivní. Ve výsledku se tak obvod může nekontrolovaně rozkmitat a v aktivní době několikrát překlopit své výstupy, což je obvykle nežádoucí.
Pro odstranění tohoto problému se nabízí:
- zvýšit frekvenci hodinového signálu Clk, a zkrátit tak aktivní dobu obvodu – to však není vždy možné (s ohledem na použití obvodu a konkrétní aplikaci),
- použít tzv. zapojení obvodu master-slave.
Zapojení master-slave klopného obvodu JK je uvedeno na obrázku 18 (vlevo), vpravo je pak načrtnut průběh na vstupu hodinového signálu Clk a výstupech Qm a Q v zapojení JK master-slave.
+
Obr. 18. Master-slave zapojení klopného obvodu JK.
V zapojení master-slave vidíme dvojici klopných obvodů JK. Základním principem zapojení je skutečnost, že každá z částí reaguje na odlišnou hranu (hladinu) hodinového signálu Clk, neboť část slave je připojena k hodinovému signálu přes invertor. Pokud uvažujeme například spouštění na vzestupnou hranu hodinového signálu, část master je při vzestupné hraně Clk aktivní a překlopí své výstupy, část slave je v tento okamžik však neaktivní, a proto nepřeklopí. Naopak při sestupné hraně Clk se aktivuje část slave a překlopí své výstupy, tato změna se přenese pomocí zpětných vazeb zpět na vstup master, jenže ten je v tomto okamžiku neaktivní, a další překlopení se tak neprovede. Během jedné hrany (hladiny) hodinového signálu Clk se tak provede pouze jedno překlopení výstupů
a
a problém vícenásobného kmitání nemůže vzniknout.
Poznámka
Protože je klopný obvod JK nejuniverzálnějším bistabilním klopným obvodem a umožňuje provést všechny čtyři typy transformací, je jeho využití všestranné. Společně s klopným obvodem D jej nejčastěji použijeme pro konstrukci čítačů, registrů a konečných stavových automatů.