_05Л_Триггеры. 1. rsтриггеры ' Асинхронные
 Скачать 0.51 Mb.
|
 ТРИГГЕРЫТриггером называют устройство, имеющее два устойчивых состояния, способное под воздействием внешних сигналов переходить из одного состояния в другое. Свое состояние триггер может сохранять сколь угодно долго. Поэтому он может использоваться в качестве элемента памяти ёмкостью 1 бит. Схему с двумя состояниями можно легко построить на основе усилителя с глубокой положительной обратной связью аналогично автогенератору. Автогенераторы гармонических колебаний имеют узкополосную функцию передачи в петле обратной связи. В результате условие баланса фаз и амплитуд выполняется только на одной частоте, на которой и возникают колебания. В триггерах используют петлю с широкой полосой, начинающуюся с нулевой частоты. Это легко получить, если использовать усилитель постоянного тока или логический элемент. Триггеры строятся на основе двух инвертирующих усилителей. Обобщенная схема представлена на рис.1.  Рис.1 Усилители образуют регенеративное кольцо из двух инверторов, охваченных глубокой положительной обратной связью. Поэтому переход из одного состояния в другое происходит лавинообразно за очень короткое время. Триггер имеет два выхода: прямой Qи инверсный  . Состояние триггера определяют по значению сигнала на прямом выходе Q. Значения сигналов на прямом и инверсном выходах всегда противоположны.Реальные логические элементы практически всегда обладают значительным усилением триггеры очень удобно строить на основе схем И-НЕ или ИЛИ-НЕ. 1.RS-триггеры ' Асинхронные RS-триггеры. В асинхронных триггерах срабатывание происходит непосредственно в момент изменения сигнала на информационных входах. Асинхронные RS-триггеры являются наиболее простыми. В качестве самостоятельного устройства используются редко, но являются основой для построения более сложных систем. RS-триггер — это триггер с раздельной установкой состояний логического нуля и логической единицы. Он имеет два информационных входа Sи R.. По входу Sтриггер устанавливается в состояние Q=1 ( =0), по входу R — в состояние Q=0 (=1). В зависимости от логической структуры асинхронные RS-триггеры бывают с прямыми либо инверсными входами и могут строиться на двух логических элементах: 2ИЛИ-НЕ — триггер с прямыми входами; или на элементах 2И-НЕ — триггер с инверсными входами.Асинхронный RS-триггер с прямыми входами на логических элементах 2ИЛИ-НЕ представлен на рис. 2.  Рис.2. Логические элементы ИЛИ-НЕ с инвертированием сигнала образуют петлю положительной обратной связи. При таком соединении логическая единица на выходе одного логического элемента (ЛЭ) поступает на вход другого ЛЭ и обеспечивает логический ноль (инвертирование) на его выходе. Логический ноль на выходе ЛЭ, поступая на вход другого, при инвертировании дает логическую 1. Таким образом, выходы Qи всегда находятся в противоположных состояниях. Соединение элементов по данной схеме позволяет получить цепь с двумя устойчивыми состояниями.Временные диаграммы, характеризующие работу асинхронного RS-триггера с прямыми входами, показаны на рис. 3.  Рис.3 Для элементов ИЛИ-НЕ активным является высокий уровень — логическая 1, поэтому в режиме хранения данных на входы этого триггера подаются нулевые значения R=S=0. Установка триггера в нужное состояние производится подачей на соответствующий вход активного уровня единицы. Одновременная подача единицы на оба входа (R и S) приводит к неопределенности. На обоих выходах Q и появляются единицы, а после отключения входов (S=R=0) может установиться любое состояние. Такая ситуация неопределенности не допустима, поэтому комбинация S=R=1 считается запрещенной.Функционирования триггера с прямыми входами на элементах 2ИЛИ-НЕ может быть отражено таблицей истинности  Асинхронный RS-триггер с инверсными входами на логических элементах 2И-НЕ представлен на рисунке 4.  Рис.4 Для этих ЛЭ логическая 1 является пассивным уровнем, поэтому сигнал R= S= 1не влияет на состояние триггера и обеспечивает хранение предыдущего значения на выходах Qn+1= Qп. Для элементов И-НЕ активным является низкий уровень, т.е. логический 0. Временные диаграммы работы асинхронного RS-триггера на элементах И-НЕ показаны на рис.5  Рис.5 В таблице показано функционирование асинхронного RS-триггера в инверсными входами на элементах 2И-НЕ. Таблица переходов RS-триггера на элементах 2И-НЕ  Знак «X» при  = =0означает, что такая комбинация является запрещенной.Синхронный RS-триггер имеет дополнительный вход синхронизации, который также называют тактирующим входом. Синхронизирующий вход разрешает прием сигналов с информационных входов. При наличии синхросигнала происходит переключение триггера. При отсутствии сигнала на синхровходе информационные сигналы не влияют на состояние триггера. Достоинство синхронных триггеров: они позволяют устранить влияние задержки распространения сигнала в различных частях схемы. Таким образом, достигается одновременный прием сигналов в заданные интервалы времени в разных точках схемы. В синхронных триггерах с динамическим управлением прием сигналов с информационных входов происходит в течение короткого фронта сигнала синхронизации. В остальное время информационные входы логически отключены и изменения сигналов на информационных входах не вызывают срабатываний синхронного триггера. Логическая структура синхронного RS-триггера содержит асинхронный RS-триггер и дополнительную входную логическую схему, которая управляет его работой. На рис. 6 изображены схемы и обозначение синхронного RS-триггера с прямыми информационными и синхронизирующим входами. Такой триггер также называют RSТ-триггером, полагая вход С тактовым входом Т.  Рис.6 На входах кроме информационных сигналов R, Sдействует сигнал синхронизации С. Буквами Ra, Saобозначены сигналы на входах асинхронного триггера. С помощью логических элементов DD1, DD2 обеспечивается передача входных сигналов на асинхронные триггеры. На рис. 7 изображены временные диаграммы работы синхронного RS-триггера с прямыми входами.  Рис.7 Таблица истинности синхронного RS-триггера с прямыми входами (рис. 6, в)  При отсутствии синхронизирующего сигнала С=0 триггер не переключается независимо от входной информации R, S(прочерки в таблице). В этом режиме RST-триггер сохраняет ранее записанную в него информацию. При С=1 триггер изменяет свое состояние в соответствии с поступившей на входы Rи Sинформацией. Триггеры могут дополнительно иметь установочные входы Ry, Sy,, сигналы которых непосредственно устанавливают триггер в заданное состояние независимо от синхросигналов (рис. 8).  Рис.8 При использовании для построения синхронного RS-триггера однотипных логических элементов (И-НЕ либо ИЛИ-НЕ) его синхронные либо асинхронные входы управляются различными активными логическими уровнями. В случае элементов И-НЕ для синхронных входов активным является сигнал логической единицы, а для асинхронных входов активным является сигнал логического 0. Условное графическое обозначение RS-триггера с прямыми информационными и инверсными установочными входами показано на рис. 8, б. D-триггеры D-триггером называют синхронный триггер, который имеет только один управляющий вход D вместо двух R и S. D-триггер можно получить из синхронного RS-триггера добавив в схему инвертор DD5 (рис.9,а). При С = 0на выходах схем И-НЕ (DD1 и DD2) устанавливаются логические 1 независимо от состояния входа D и RS -триггер находится в режиме хранения информации.  Рис.9 При подаче синхроимпульса С = 1 происходит запись информации со входа D в триггер. Если D = 1, то на выходе устанавливается единица, а при D = 0 имеем Qn+1= 0. Запрещенных комбинаций на входах асинхронного RS-триггера не возникает Функционирование D-триггера определяется таблицей и описывается логическим выражением  Таблица истинности D-триггера  После окончания синхроимпульса D-триггер сохраняет записанную информацию. Временные диаграммы тактируемого D-триггера показаны на рис. 10.  Рис.10 Следует заметить, что для устойчивой работы D-триггера необходимо, чтобы в течение длительности синхроимпульса информация на входе была неизменной. Счетный Т-триггер Т-триггер — это триггер со счетным входом. Он имеет один информационный вход. При приходе активного сигнала Т-триггер меняет свое состояние на противоположное и сохраняет предыдущее значение при отсутствии сигнала на входе. Работа Т-триггера может также быть описана следующей диаграммой.  Рис.11 Для обеспечения такого режима функционирования необходимо обеспечить дополнительную обратную связь с выхода на вход. Т-триггер может быть построен по схемам, представленным на рис. 12.  Рис.12 Временные диаграммы работы Т-триггера показаны на рис. 13.  Рис.13 Структуры на рис.12 правильно отражают работу Т-триггера, но на практике неработоспособны. Причина заключается в обратных связях. Переключение триггера в новое состояние происходит во время существования синхроимпульса. Новое состояние триггера за счет обратных связей вырабатывает сигналы управления, приводящие к возврату триггера в предыдущее состояние. Если синхроимпульс еще не закончился, происходит обратное переключение триггера. Это переключение будет повторяться до момента окончания синхроимпульса. После окончания синхроимпульса триггер установится в неизвестное состояние. Чтобы этого избежать, необходимо отключить синхроимпульс сразу после первого переключения. Можно просто укоротить синхроимпульс. Укорочение производят обычно с помощью специальной схемы из трех триггеров, которая реагирует на фронт импульса, т. е. переключение происходит в течение короткого интервала времени. Практически такой триггер реагирует только на передний или задний фронт. Такое управление называют динамическим. Возможные изображения триггеров с динамическим управлением в схемах показаны на рис. 14.  Рис.14 Переключение триггера может происходить при положительном фронте сигнала, тогда этот вход называется прямым динамическим входом (рис.14,а), либо при отрицательном — инверсный динамический вход (рис.14,б). Положительный фронт означает изменение с нулевого значения на единичное, отрицательный фронт — с логической 1 в логический 0. Другим подходом к реализации счетного триггера является применение двухступенчатых триггеров, разделяющих процесс записи новой информации и передачи ее на выход. Тактируемые триггеры Тактируемые логические схемы кроме информационных входов имеют один или несколько входов синхронизации. Тактовые синхроимпульсы позволяют разнести во времени переходные процессы в различных каскадах логических устройств, чтобы избежать ложных срабатываний в моменты переключения. Простейшими примерами могут служить синхронный RS- и D-триггеры. Достаточно часто используют две тактовые последовательности синхроимпульсов с одинаковой частотой, но смещенных на половину периода. В сложных системах может использоваться большее число тактовых последовательностей. Тактированные логические устройства работают медленнее асинхронных, сложнее и потребляют больше энергии питания, но функционируют более устойчиво. Двухступенчатые триггеры Триггеры с двухступенчатым запоминанием информации состоят из двух триггеров. Первый называется ведущим, второй — ведомым т (рис. 15).  Рис.15 Оба триггера — синхронные RS-триггеры, но имеют противоположные синхровходы. Ведущий триггер срабатывает при С = 1, имеет прямой синхронизирующий вход, а ведомый при С = 0. Для этого синхроимпульс подвергается инверсии. На первом этапе, когда происходит запись информации в ведущий триггер, ведомый отключен и продолжает сохранять предыдущее состояние. Когда синхроимпульс заканчивается, ведущий триггер переходит в режим хранения и происходит перезапись его состояния в ведомый триггер. Таким образом, происходит поэтапная запись информации. В двухступенчатом триггере устраняется противоречие между процессами хранения старой и приема новой информации. Это дает возможность построения синхронных автоматов без опасных временных состояний, исключить предпосылки к режиму генераций. Позволяет обеспечить высокую надежность функционирования триггеров с внутренними цепями обратной связи. В то же время схемы этих триггеров более сложные, чем схемы триггеров с динамическим входом, а быстродействие ниже. Часто двухступенчатый триггер называют MS-триггером от английских слов «master» и «slave» — хозяин и раб. На принципиальных схемах двухступенчатые триггеры обозначаются сдвоенной буквой (ТТ) рис. 16.  Рис.16 По структуре двухступенчатого триггера могут быть построены любые типы триггеров. JK-триггер JK-триггеры — это двухступенчатые универсальные синхронные триггеры. Универсальность заключается в том, что на их основе можно сделать любой другой тип логических триггеров RS, D, Т. JK триггер является двухступенчатым триггером с дополнительными обратными связями, исключающими появление запрещенных комбинаций. Для этого его управление входами первого триггера построено на элементах 3И (DD1-DD2) иимеет два дополнительных входа, на которые и подаются обратные связи. На рис.17 приведена подробная схема и условное изображение JK-триггера.  Рис.17 При уровне логического 0 на входе С первый RS-триггер не реагирует на сигналы входов Jи К. При подаче на вход С = 1 первый RS-триггер устанавливается в состояние, определяемое сигналами на J и Kвходах. При этом связь между RS-триггерами обрывается, т. к. элементы И DD3-DD4 устанавливаются в нулевое состояние. Подача вновь сигнала С = 0 на синхровход JK-триггера приводит к отключению первого RS-триггера от входных сигналов из-за элементов DD1, DD2. Однако, при С = 0 через инвертор DD5 на входы элементов DD3, DD4 поступает логическая единица и состояние первого RS-триггера перезаписывается во второй. На основе JK-триггера может быть построен любой другой триггер (рис.18). На рис.18,а — синхронный RS-триггер, на рис.18,б — D-триггер, на рис.18,в — синхронный Т-триггер, на рис.18,г — асинхронный T-триггер.  Рис.18 JK-триггер, как и другие типы триггеров, может дополнительно иметь входы начальной установки (рис.18,д), которые являются инверсными по отношению ко входам J.K. JK-триггеры — это более сложные триггеры, содержат большее число элементов, поэтому потребляемая мощность Рпотоказывается большой. Меры, принимаемые к уменьшению потребляемой мощности, нередко приводят к ухудшению частотных свойств. JK-триггер вследствие своей универсальности и отсутствия запрещенных комбинаций находит широкое применение в цифровой технике. |