Триггеры

ТРИГГЕРЫ Триггер – одно из наиболее распространенных импульсных устройств, относящихся к базовым элементам цифровой техники. (Его название происходит от английского слова trigger – спусковой крючок). В импульсной технике триггером называется устройство, обладающее двумя состояниями устойчивого равновесия и способное скачком переходить из одного состояния в другое под воздействием внешнего управляющего сигнала. Для перехода триггера из одного состояния в другое необходимо, чтобы входной сигнал превысил пороговое значение. Триггеры выполняются, как правило, в виде микросхем, построенных на основе логических элементов. На базе триггеров строятся самые различные устройства, они являются основой для построения регистров и электронных счетчиков импульсов. RS-триггеры На рисунках приведены схемы триггеров на логических элементах ИЛИ-НЕ (1) и И-НЕ (2) и их условное обозначение: Нетрудно видеть, что для схемы, приведенной на рис.1 возможно два устойчивых состояния при комбинации R = 0, S = 0. 1-e устойчивое состояние: если к моменту S = 0, R = 0 прямой выход Q был в состоянии 1, тогда на инверсном выходе Q сигнал равен 0, т.к. на одном из входов элемента D2, соединенного с выходом Q элемента D1 присутствует сигнал 1. На обоих входах элемента D1 сигналы 0, поэтому состояние Q = 1 – подтверждается. 2-е устойчивое состояние: если к моменту S = 0, R = 0 на выходе Q присутствовал сигнал 0, то на выходе Q = 1 и этот сигнал подтверждает наличие 0 на выходе Q. При S = 1, R = 0 триггер оказывается в первом устойчивом состоянии – устанавливается в 1 (его прямой выход Q = 1). При S = 0, R = 1 триггер оказывается во втором устойчивом состоянии – устанавливается в 0 (на его прямом выходе Q – 0). Комбинация S = 1, R = 1 недопустима – запрещенное состояние. А в состоянии S =0, R = 0 происходит сохранение одного из устойчивых состояний, установленного ранее – режим хранения информации. Такой триггер называется RS-триггером. Вход S (set-устанавливать) называется установочным входом (по этому входу триггер устанавливается в 1), а вход R (reset-сбрасывать) – входом сброса (по этому входу триггер устанавливается в 0). Таблица истинности для такого триггера имеет вид: Аналогично работает RS-триггер на элементах И-НЕ, с той разницей, что он должен иметь инверсные входы, т.е. устанавливаться в состояние 1 при S = 0, R = 1 и сбрасываться в состояние 0 при R = 0, S = 1. Запрещенной комбинацией входных сигналов будет состояние S = 0, R = 01. А режим хранения наступает при R = 1, S = 1. Тогда таблица истинности будет иметь вид: По способу управления триггеры делятся на асинхронные и синхронные (тактируемые). Рассмотренные RS-триггеры относятся к асинхронным, т.к. переход его из одного состояния в другое происходит в темпе поступления сигналов на информационные входы R и S и не связан с тактовыми сигналами. В синхронных триггерах помимо информационных имеется вход тактовых (синхронизирующих) сигналов и переключения триггеров происходит только при наличие тактового сигнала. Синхронный режим работы является основным в информационно-вычислительной технике, на нем основан принцип действия ряда узлов цифровой техники: D и JK – триггеров, регистров и т.д. На рисунке приведены схема и условное обозначение синхронного RS-триггера на элементах И-НЕ. Схема отличается от схемы асинхронного триггера на элементах И-НЕ наличием двух дополнительных элементов И-НЕ (D1 и D2), благодаря которым управляющие сигналы проходят на входы R и S только при воздействии на синхронизирующий вход сигнала 1 (С = 1). Таблица истинности для такого триггера будет выглядеть следующим образом: S R C Q Q 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Запрещ. состояние Х Хранение D-триггеры D-триггеры служат для приема информации по одному входу. Название произошло от английского слова delay – задержка. Схема и условное изображение D-триггера на элементах И-НЕ приведены на рисунке: D-триггер переходит в состояние 1 (Q = 1), если в момент прихода синхронизирующего сигнала С = 1 на его информационном входе D присутствует 1 (D=1). В этом состоянии триггер остается и после окончания сигнала 1 на входе D (D = 0), до прихода очередного синхронизирующего сигнала, возвращающего триггер в состояние 0 (Q = 0). Таким образом D-триггер «задерживает» поступившую на его вход информацию на время, равное периоду синхронизирующих сигналов. Действительно, при D = 1, С = 1 на выходе элемента D1 сигнал 0, а на выходе элемента D2 – 1. Так как RS-триггер (D3) имеет инверсные входы, то при S = 0 и R = 1, он переходит в состояние 1 (Q =1, Q = 0) и остается в этом состоянии до тех пор, пока при D=0 не получится С = 1. В этом случае сигнал на выходе элемента D1 будет равен 1, а на выходе D2 – 0 и триггер D3 возвращается в состояние 0 (Q = 0, Q = 1). Рассмотренные триггеры относятся к статическим триггерам, реагирующим на уровни входных сигналов. Существуют, также, динамические триггеры, которые реагируют на перепады уровней сигналов. В первом случае вход С называется прямым динамическим, во втором – обратным динамическим. Динамическими, также, могут быть и информационные входы. В качестве примера рассмотрим реальную отечественную микросхему с D-триггерами, а именно ИМС типа ТМ2 (133ТМ2, 155ТМ2, 530ТМ2, 533ТМ2…, здесь символом ТМ2 обозначает D-триггер с асинхронными установочными входами S и R, а цифры перед обозначением – серии микросхем, означающие различия по конструктивному исполнению, например, по типу корпуса, или техническим параметрам, например, по быстродействию или потребляемой мощности, но функционально все микросхемы ТМ2 – одинаковые, т. е. выполняют одну и ту же функцию): Сигналы от информационных входов D передаются на выходы Q и Q по положительному перепаду импульса (переднему фронту – переключению из 0 в 1) на тактовых входах С. Чтобы триггеры переключались правильно, следует зафиксировать необходимый уровень на входах D перед приходом тактовых перепадов. Защитный интервал должен превышать время задержки распространения сигнала в триггере. Если на входы S и R триггеров ИМС ТМ2 одновременно подаются 0, состояние выходов Q и Q неопределенно – запрещенное состояние. Загрузить в триггеры входные уровни 0 или 1 по информационным входам D можно, если на входы S и R подать напряжение высокого уровня (логическую 1). Асинхронная установка нужного состояния уровней на выходах получится, когда на входы S и R поданы взаимно-противоположные логические сигналы: S=0, R=1 тогда на Q устанавливается 1, на Q – 0; при S=1, R=0 на Q устанавливается 0, на Q – 1. В это время входы D и С отключены. С помощью D-триггеров можно реализовать счетный режим, для этого нужно соединить обратный выход Q с входом D триггера: Допустим, что в начальный момент (до прихода тактовых импульсов на вход С) D-триггер находился в одном из двух устойчивых состояний, а именно Q=1, Q=0. Тогда к моменту прихода первого тактового (счетного) импульса на вход С, на входе D триггера был подготовлен низкий уровень D=Q=0, т.к. выход Q соединен с информационным входом D. Поэтому положительный перепад первого счетного импульса установит триггер в состояние Q=0, Q=1 и, таким образом, подготовит на входе D высокий уровень (1). Положительный перепад второго счетного импульса вновь установит триггер в состояние Q=1, Q=0 и т.д. При этом на каждые два входных импульса на выходе формируется один. Таким образом триггер в счетном режиме считает до двух или делит входную импульсную последовательность по частоте на 2. Т-триггеры Т-триггер (или счетный триггер) имеет один информационный вход Т и переходит в противоположное состояние в результате воздействия на его вход каждого очередного сигнала. Их выполняют на основе двух последовательно соединенных RS-триггеров. Первый триггер называется ведущим, второй – ведомым. На рисунке приведены условное обозначение Т-триггера и диаграмма его работы: По своей сути Т-триггеры широко применяются в счетчиках импульсов. Универсальные JK-триггеры Универсальные (или JK-триггеры) имеют информационные входы J и K и синхронизирующий вход С. JK-триггеры получают из двухступенчатого Т-триггера путем использования трехвходовых элементов И-НЕ во входных цепях ведущего триггера, подобно тому, как используют двухвходовые элементы И-НЕ в схеме RS-триггера с синхровходом. Использование третьих входов элементов И-НЕ позволяет реализовать два дополнительных информационных входа J и К. При J=K=1триггер изменяет свое состояние на противоположное в момент окончания каждого синхронизирующего сигнала. Таким образом, соединяя входы JК-триггера по схеме: которого состоит в том, что при комбинации S=R=1, запрещенной для обычного RS-триггера, он переключается на каждый синхронизирующий сигнал, т.е. работает как Т-триггер. Добавлением инвертора на входе JK-триггера получаем D-триггер: МУЛЬТИПЛЕКСОРЫ Мультиплексоры это устройства, позволяющие последовательно опросить логические состояния многих устройств и передать их на один выход. Существуют различные мультиплексоры, отличающиеся количеством входов. В качестве примера рассмотрим работу мультиплексора, имеющего четыре логических входа. А1 А0 Выход Q Информация от входа D0 1 Информация от входа D1 1 Информация от входа D2 1 1 Информация от входа D3 В качестве примера рассмотрим ИМС типа КП15 (533КП15, 555КП15, …): Z-состояние служит, например, для организации мультиплексоров более высокого порядка на 16 и более входов, которые можно создать на базе ИМС КП15. В качестве примера, приводится схема организации 16-и позиционного электронного переключателя цифровых сигналов на одно направление с использованием ИМС типа КП15: Вход Е управляет разрешением выходных данных. При низком уровне напряжения (лог.0) на этом входе данные поступают на выход схемы с выхода Q мультиплексора D1. При этом на вход Е мультиплексора D2 через инвертор D3 поступает высокий уровень напряжения (лог.1), который переводит выход Q мультиплексора D2 в Z-состояние (т.е. отключает от выходной шины схемы). При высоком уровне напряжения на входе Е отключается от общей шины мультиплексор D1, а на выход начинает работать мультиплексор D2.