Рассмотрены логические элементы, обладающие памятью состояния. Показана возможность их использования с элементами классической логики, а также приведены примеры практического использования.
Как известно, в цифровой технике для запоминания двоичной информации преимущественно используют триггеры, содержащие как минимум два логических элемента, охваченных положительной обратной связью. Недостаток таких триггеров общеизвестен: их поведение без обеспечения дополнительных мер мало предсказуемо.
Более надежными в плане обеспечения предсказуемой работы запоминающих устройств (триггеров) являются предложенные в настоящей статье их аналоги – логические элементы с памятью состояния (ЛЭПС или Logic elements with state memory – LESM).
ЛЭПС, Рисунок 1, представляет собой логический элемент, имеющий вход(ы) активации выходного логического уровня Xn и вход R сброса этого состояния. Работа ЛЭПС основана на переключении и запоминании состояния порогового элемента при подаче на его вход X управляющего сигнала. Деактивировать (снять) состояние памяти можно подачей управляющего сигнала на вход R.
 |
|
| Рисунок 1. | Логический элемент с памятью состояния на основе коммутационного элемента микросхемы CD4066, его условное обозначение и таблица истинности. |
ЛЭПС, Рисунок 1, в качестве далеко не единственного примера содержит элемент КМОП-коммутатора DA1.1. При подаче через цепочку VD1 и R1 на его вход X (ON) управляющего сигнала высокого логического уровня коммутатор переводится в токопроводящее состояние, на его сопротивлении нагрузки R4 появляется напряжение высокого уровня. Это напряжение через резистор R2 поступает на управляющий вход коммутатора, происходит его «защелкивание». Диод VD1 предназначен для исключения подачи на управляющий вход коммутатора напряжения низкого уровня.
Для того чтобы вернуть ЛЭПС в изначальное состояние, на вход R «OFF» следует подать напряжение высокого уровня. Транзистор VT1 откроется, напряжение на управляющем входе коммутатора упадет до нуля, ЛЭПС разблокируется и вернется в исходное состояние. Очевидно, что выходной сигнал ЛЭПС несложно инвертировать, получив таким образом ЛЭПС с двумя выходами.
 |
|
| Рисунок 2. | Логический элемент с памятью состояния на основе повторителя напряжения микросхемы CD4050. |
На Рисунках 2 и 3 показаны варианты выполнения ЛЭПС с использованием повторителя напряжения. Устройство, Рисунок 3, отличается иной таблицей истинности.
 |
|
| Рисунок 3. | Вариант логического элемента с памятью состояния. |
Покажем далее возможные варианты использования ЛЭПС с элементами традиционной логики. Как следует из Рисунка 4, элементы «НЕ», «И», «ИЛИ», «Исключающее ИЛИ» и т.п. могут быть использованы при их подключении как к входам X или R ЛЭПС, так и к его выходу (выходам) Y. Это позволит адаптировать свойства ЛЭПС и его таблицу истинности под требования потребителя.
 |
|
| Рисунок 4. | Варианты использования ЛЭПС в сочетании с элементами классической логики. |
Так, например, на Рисунке 5 показано сочетание ЛЭПС и диодного многовходового элемента nИЛИ, подключенного к его X-входу. Такое устройство может быть использовано для контроля состояния узлов радиоэлектронного оборудования: при появлении на любом из входов X1–Xn сигнала высокого уровня ЛЭПС переключит и запомнит свое состояние, обеспечив срабатывание сигнализации. Сброс этого состояния будет возможен лишь при подаче управляющего сигнала на вход R.
 |
|
| Рисунок 5. | Диодный элемент nИЛИ на X-входе ЛЭПС. |
На Рисунке 6 показана возможность создания на основе двух одновходовых ЛЭПС двухвходового ЛЭПС. Запоминание информации (переключение уровня выходного сигнала с запоминанием уровня) произойдет лишь в случае, если одновременно либо с разнесением по времени на входы X1 и X2 будут хотя бы кратковременно поданы управляющие сигналы высокого уровня.
 |
|
| Рисунок 6. | Двухвходовый ЛЭПС и его таблица истинности. |
Двухвходовый ЛЭПС, Рисунок 7, может быть выполнен с использованием в качестве базового элемента, например, трехвходового элемента «И» (микросхема CD4073). Однако такой ЛЭПС отличается от предыдущего, Рисунок 6, тем, что его переключение и запоминание состояния произойдет лишь при одновременном появлении управляющих сигналов высокого уровня на обоих его входах X1 и X2.
 |
|
| Рисунок 7. | Вариант выполнения двухвходового ЛЭПС и его таблица истинности. |
На Рисунке 8 приведена схема трехвходового ЛЭПС без возможности сброса запомненного состояния. Переключение состояния этого ЛЭПС произойдет лишь в случае, если на все его входы одновременно поступят управляющие сигналы высокого уровня.
 |
|
| Рисунок 8. | Трехвходовый ЛЭПС без возможности сброса состояния. |
Трехвходовый ЛЭПС, Рисунок 9, сможет запомнить состояние высокого уровня на своем выходе Y при выполнении следующих условий: на входы X1 и X2 одновременно поступят управляющие сигналы высокого уровня, а на вход X3 либо одновременно, либо с разнесением во времени поступит управляющий сигнал.
 |
|
| Рисунок 9. | Трехвходовый ЛЭПС с возможностью сброса состояния. |
 |
|
| Рисунок 10. | Генератор иглообразных импульсов на основе ЛЭПС. |
 |
|
| Рисунок 11. | Генератор прямоугольных импульсов. |
 |
|
| Рисунок 12. | Делитель частоты входного сигнала на четное число. |
 |
|
| Рисунок 13. | Ждущий мультивибратор. |
 |
|
| Рисунок 14. | Элемент задержки включения нагрузки (срабатывания устройства). |
 |
|
| Рисунок 15. | Таймер на основе ЛЭПС. |
Область практического использования ЛЭПС не ограничивается их способностью запоминать состояние. На основе ЛЭПС могут быть созданы генераторы иглообразных (Рисунок 10) и прямоугольных (Рисунок 11) импульсов, регулируемые делители частоты входного сигнала на четное число (Рисунок 12), ждущие мультивибраторы (Рисунок 13), элементы задержки включения нагрузки (Рисунок 14), таймеры (Рисунок 15) и многие другие устройства.
