Урок 1. D-триггер CD4013

После этого урока в библиотеке микросхема CD4013 — два D-триггера, а на холсте — первая деталь парктроника: делитель, от которого шагает весь прибор. Триггер пробуем тумблерами и кнопкой.

1.1. Идея: запомнить в момент

Парктроник опрашивает датчики по очереди, шаг за шагом. Шагам нужен такт, а такту — элемент, который запоминает значение в момент, когда такт меняется с 0 на 1 (фронт), и держит его до следующего фронта, что бы ни делал вход. Это D-триггер: вход D (data), такт CL, выход Q.

• фронт CL — Q становится равным D;
• в остальное время Q держит, D можно менять как угодно;
• S = 1 — сразу 1, R = 1 — сразу 0, без такта.

1.2. Идея: мастер и слейв

Внутри — две защёлки подряд. Первая (мастер) пропускает D, пока CL = 0, и закрывается, когда CL = 1. Вторая (слейв) — наоборот: открывается, когда CL = 1, и берёт то, что мастер запер. Вместе они ни в какой момент не открыты насквозь, поэтому Q меняется только на фронте.

Каждая защёлка — два И-НЕ и два ключа TG: ключ данных и ключ обратной связи. Ключ — пара транзисторов nmos + pmos, он замыкает провод, когда N = 1 и P = 0. Ключами управляют cln = НЕ CL и clp = НЕ cln — всегда противоположные: когда один ключ защёлки замкнут, другой разомкнут.

1.3. Идея: слабая обратная связь

На миг переключения такта cln и clp оба «на полпути», и замкнуты оба ключа защёлки: вход встречается с выходом обратной связи. В настоящей микросхеме транзисторы обратной связи маленькие — побеждает вход. У нас это Resistor (weak) перед ключом обратной связи: «слабый провод», который уступает настоящему выходу.

Capacitor (hold) на узлах a и b — их ёмкость: держит значение, когда на миг разомкнуты оба ключа.

1.4. Идея: делитель на 2

Если завести QN обратно на D, на каждом фронте триггер записывает своё перевёрнутое значение: Q меняется через такт. Генератор 60 Гц превращается в 30 Гц — это шаг опроса датчиков парктроника.

1.5. Сборка

Новый проект. Нужны вентили NOT и NAND — из урока 0 или любого набора серии.

Шаг 1. Чип TG — ключ на паре транзисторов

Если TG уже есть в библиотеке (из набора «Счётчик посетителей» — внутри CD4511) — шаг пропусти.

Ключ, как на схемах TI: nmos и pmos рядом, оба соединяют A с B. nmos открыт при N = 1, pmos — при P = 0. Управляют ими всегда парой противоположных сигналов: N = 1 и P = 0 — ключ замкнут, N = 0 и P = 1 — разомкнут. Транзистор: затвор, сток, исток.

Ctrl+G → имя TG. Ноги: входы A, N, P; выходы B.

Шаг 2. Чип FF4013 — D-триггер CD4013 (мастер и слейв)

Вся схема одним рисунком — выше, в «Идее» (и в файле ff4013-schema.html). Порядок сборки: инверторы R, S, CL; мастер — ключ данных, два И-НЕ, ключ обратной связи с резистором, cap на узле a; слейв — то же; четыре инвертора на выходы. Resistor (weak) и Capacitor (hold) — из палитры. У ключей смотри, куда идут N и P: у ключа данных мастера N = cln, у ключа мастер → слейв — наоборот, N = clp.

Ctrl+G → имя FF4013. Ноги: входы D, CL, S, R; выходы Q, QN.

Шаг 3. Чип CD4013 — 2 × D-триггер

Ноги корпуса по даташиту TI: 1 Q1, 2 QN1, 3 CLOCK1, 4 RESET1, 5 D1, 6 SET1, 8 SET2, 9 D2, 10 RESET2, 11 CLOCK2, 12 QN2, 13 Q2; 7 — VSS (земля), 14 — VDD (питание) — у нас питание общее, этих ног нет. Внутри — два FF4013: первый на ногах с цифрой 1, второй — с цифрой 2.

Ctrl+G → имя CD4013. Ноги: входы D1, CLOCK1, SET1, RESET1, D2, CLOCK2, SET2, RESET2; выходы Q1, QN1, Q2, QN2.

Шаг 4. Проба: тумблеры, кнопка «Такт», лампы

Button (momentary) — подпись «Такт» (двойной клик по кнопке). Второй триггер корпуса в пробе не нужен — его входы на GND.

Шаг 5. Лампы пробы

Шаг 6. Парктроник: генератор, «Сброс», делитель на 2

Это первая деталь парктроника — она остаётся до конца набора. Clock — клик по корпусу до 60Hz. Кнопка — подпись «Сброс». Выход QN1 (C30N) заведён обратно на D1: на каждом фронте CK60 триггер записывает своё перевёрнутое значение, и C30 меняется через такт — 30 раз в секунду.

Шаг 7. Лампы делителя

1.6. Проверка

Проба D-триггера (тумблеры D, S, R — в 0):

1. Сначала R = 1 и обратно 0 — Q гаснет, QN горит. При включении триггер помнит что попало; R ставит его в 0.
2. Поставь D = 1 — Q не меняется: D-триггер слушает вход только на фронте такта.
3. Нажми «Такт» — Q загорается, QN гаснет: на фронте записалось D.
4. Держи «Такт» нажатой и переключай D — Q стоит. Пишет только момент нажатия (фронт CL 0 → 1), а не нажатое состояние.
5. D = 0, отпусти и снова нажми «Такт» — Q гаснет.
6. S = 1 — Q загорается сразу, без такта; верни S = 0 — Q держит. R = 1 — Q сразу гаснет; верни R = 0.

Делитель:

1. На 60Hz лампы CK60 и C30 мигают быстрее, чем видит глаз, — кажутся горящими вполсилы.
2. Клик по корпусу генератора до 1Hz (через 4kHz … MAX): CK60 мигает раз в секунду, а C30 меняется на каждом загорании CK60 — горит секунду, не горит секунду. Частота вдвое ниже.
3. Держи «Сброс» — C30 гаснет и стоит, такты не действуют.
4. Верни генератор на 60Hz (1Hz → 2Hz → 10Hz → 60Hz) — для парктроника нужен он.

Пробу оставь до урока 2 — там её можно будет удалить. Делитель не трогай: на нём шагает весь парктроник.

Вставка урока 1 (Cmd+I)

Нужны вентили NOT, NAND (урок 0). Если TG уже есть в библиотеке — удали его блок из вставки.

# Урок 1 — CD4013B: D-триггер на ключах TG (мастер и слейв), микросхема 2 × D-триггер; делитель 60 → 30 Гц парктроника.# Вставка: Cmd+I в новый проект, где есть вентили NOT, NAND (урок 0). # TG — ключ на паре транзисторов (как на схемах TI): N = 1 и P = 0 — A соединён с B; N = 0 и P = 1 — разомкнутchip TG {  portIn(A)  portIn(N)  portIn(P)  portOut(B)  nmos(N, A, B)  pmos(P, A, B)} # FF4013 — D-триггер CD4013B (Logic Diagram TI, SCHS023E): мастер и слейв на ключах TG и И-НЕ.#   D пишется по фронту CL (0 → 1); S = 1 — сразу 1, R = 1 — сразу 0. TG(A, N, P, B): N = 1 и P = 0 — ключ замкнут.#   До Q — два инвертора (у TI нарисовано три, но по таблице функций TI Q = D).#   resistor — обратная связь слабая, как в чипе: на миг переключения такта открыты оба TG, и вход должен победить.#   cap — ёмкость узла: держит a и b, пока один TG уже закрылся, а другой ещё не открылся.chip FF4013 {  portIn(D)  portIn(CL)  portIn(S)  portIn(R)  portOut(Q)  portOut(QN)  NOT(R, nr)  NOT(S, ns)  NOT(CL, cln)  NOT(cln, clp)  # мастер: TG данных (открыт при CL = 0), И-НЕ, обратная связь через TG (открыт при CL = 1)  TG(A=D, N=cln, P=clp, B=a)  NAND(nr, a, m1)  NAND(m1, ns, m2)  TG(A=a, N=clp, P=cln, B=m2w)  resistor(m2w, m2)  cap(a)  # слейв: TG (открыт при CL = 1), И-НЕ, обратная связь через TG (открыт при CL = 0)  TG(A=m1, N=clp, P=cln, B=b)  NAND(b, ns, s1)  NAND(nr, s1, s2)  TG(A=b, N=cln, P=clp, B=s2w)  resistor(s2w, s2)  cap(b)  # буферы выходов  NOT(s1, q1)  NOT(q1, Q)  NOT(b, qn1)  NOT(qn1, QN)} # CD4013 — два D-триггера с установкой и сбросом (Logic Diagram TI). Ноги: 1 Q1, 2 QN1, 3 CLOCK1, 4 RESET1, 5 D1, 6 SET1, 8 SET2, 9 D2, 10 RESET2, 11 CLOCK2, 12 QN2, 13 Q2chip CD4013 {  portIn(D1)  portIn(CLOCK1)  portIn(SET1)  portIn(RESET1)  portIn(D2)  portIn(CLOCK2)  portIn(SET2)  portIn(RESET2)  portOut(Q1)  portOut(QN1)  portOut(Q2)  portOut(QN2)  FF4013(D=D1, CL=CLOCK1, S=SET1, R=RESET1, Q=Q1, QN=QN1)  FF4013(D=D2, CL=CLOCK2, S=SET2, R=RESET2, Q=Q2, QN=QN2)} # ---------- проба D-триггера ----------power(VCC)ground(GND)# D — что запомнить; «Такт» — фронт CLOCK (нажал кнопку); S = 1 — сразу 1, R = 1 — сразу 0input(D)input(S)input(R)button{label="Такт"}(CL)CD4013(D1=D, CLOCK1=CL, SET1=S, RESET1=R, D2=GND, CLOCK2=GND, SET2=GND, RESET2=GND, Q1=Q, QN1=QN)# ---------- лампы пробы ----------led(CL)led(Q)led(QN)# ---------- парктроник: генератор 60 Гц, «Сброс», делитель 60 → 30 Гц (остаётся в устройстве) ----------# D1 = QN1 — на каждом фронте CK60 триггер берёт своё перевёрнутое значение: C30 меняется через такт, вдвое медленнееclock{rt=60}(CK60)button{label="Сброс"}(RESET)CD4013(D1=C30N, CLOCK1=CK60, RESET1=RESET, SET1=GND, D2=GND, CLOCK2=GND, SET2=GND, RESET2=GND, Q1=C30, QN1=C30N)# ---------- лампы делителя ----------led(CK60)led(C30)