Реферат: Триггеры
ТРИГГЕРЫ
Общие сведения отриггерах
Триггер — логическое устройство, способноехранить 1 бит данных. К триггерным принято относить все устройства,имеющих два устойчивых состояния. В основе любого триггера находится кольцо издвух инверторов, показанное на рис.12.1. Общепринято это кольцо изображать ввиде так называемой защелки, которая показана на рис.12.2.
/>
Рис.12.1.Кольцо из двух инверторов
/>
Рис.12.2.Изображение бистабильного элемента защелки
В настоящее времясуществует много разновидностей триггерных схем. Все они появились какрезультат разработки новых цепей запуска. Состояние триггера определяется значениемвыходного сигнала Q. Если изменение Q, т.е. переключениетриггера, происходит только при поступлении синхронизирующего сигнала(синхроимпульса), то триггер называется синхронным. Триггеры могутсинхронизироваться уровнем или фронтом синхроимпульсов.Триггеры, синхронизируемые уровнем, могут изменять свое состояние в течениидлительности синхроимпульса (уровня синхросигнала) при поступлениисоответствующих управляющих сигналов, т.е. могут могут переключаться несколькораз за время действия одного синхроимпульса. В течение паузы междусинхроимпульсами состояние такого триггера сохраняется при любых измененияхуправляющих сигналов.
Триггеры,синхронизируемые фронтом, изменяют свое состояние при поступлении насинхронизирующий вход соответствующего фронта (положительного илиотрицательного) синхроимпульса, а затем это состояние сохраняется при любыхизменениях управляющих сигналовю За время действия одного синхроимпульса,триггер, синхронизируемый фронтом, может переключаться только один раз. Васинхронных триггерах отсутствует вход синхронизации. Поэтому переключениетаких триггеров происходит когда на управляющие входы поступает соответствующаякомбинация управляющих сигналов.
RS — триггер
RS‑триггер имеет два входараздельной установки в нулевое и единичное состояния. Воздействия по входу S(от слова SET — установка) приводит триггер в единичное состояние, авоздействие по входу R (от слова RESET — сброс) – в нулевое.Одновременная подача сигналов S и R не допускается.
На рис.12.3 показаноусловное графическое обозначение RS‑триггера.
/>
Рис.12.3.Условное графическое обозначение RS‑триггера
Тип триггера определяетсяпо его характеристическому уравнению, которое указывает значениевыходного сигнала Qn+1 послепереключения триггера (в момент времени tn+1) в зависимости от значений управляющих сигналов ивыходного сигнала Qn допереключения триггера ( в момент времени tn).
В соответствие с таблицейхарактеристическое уравнение RS‑триггера имеет вид:
/>
При S=R=0 (режимхранения) – состояние выхода триггера не меняется: Qn+1=Qn
RS‑триггер может быть получен издвух логических элементов И‑НЕ (рис.12.4).
/>
Рис.12.4. RS– триггер на двух логических элементах И‑НЕ
Временные диаграммы показывают уровни напряжения ивременные интервалы между входными и выходными сигналами и соответствуют тойкартине, которую можно наблюдать на экране осциллографа. По горизонталиоткладывается время, по вертикали – уровень напряжения.
Временные диаграммы дляразличных режимов установки RS‑триггера показаны на рис.12.5.
/>
Рис.12.5.Временные диаграммы сигналов для RS‑триггера
Тактируемый (синхронный) RS‑триггер
В тактируемых(синхронных) устройствах процесс переработки информации упорядочивается вовремени с помощью специальных тактовых сигналов, вырабатываемых общим для всегоустройства генератором.
Отличия тактируемого RS‑триггераот обычного RS‑триггера состоит в появление одного дополнительногосинхронизирующего входа. Условное графическое изображение тактируемого RS‑триггерапоказано на рис.12.6.
/>
Рис.12.6.Условное графическое изображение тактируемого RS‑триггера
Из таблицы истинности(табл.12.2) видно, что только три верхние строки таблицы описывают реальныережимы работы тактируемого RS‑триггера. Нижняя строкасоответствует запрещенному состоянию, которое никогда не используется.
Для получениятактируемого RS‑триггера нужно ввести два дополнительных элементаИ‑НЕ (рис.12.7).
Таблица 12.2.Таблица истинности для тактируемого RS‑триггера
/>
/>
Рис.12.7.Тактируемый RS‑триггер на четырех элементах И‑НЕ
Рассмотрим временные диаграммы,которые иллюстрируют принцип работы тактируемого RS‑триггера(рис.12.8).
/>
Рис.12.8.Временные диаграммы сигналов для тактируемого RS‑триггера
Синхронизирующему входусоответствует самая верхняя диаграмма. Тактовый импульс 1 не оказываетникакого влияния на состояние выхода Q, когда на обоих входах R иS установлен уровень логического. Во время прохождения импульса1 триггер находится в режиме хранения. В момент предварительной установки(предустановки) входа 5, когда на этот вход подается логическая 1,выход Q все ещё остается в прежнем состояние Q=0, и только нафронте (нарастающем крае) тактового импульса 2 происходит егопереключение к 1. Тактовые импульсы 3 и 4 не влияют на состояниевыхода Q. Во время прохождения импульса 3, триггер находится врежиме установки 1, во время прохождения импульса 4 — в режимехранения. Затем логическая 1 подается на вход R (предустановкавхода R). На фронте импульса 5 происходит сброс (очистка) выхода Qпутем установки его в состояние. Во время прохождения импульсов 5и 6 триггер находится в режиме установки, во время прохожденияимпульса 7 – в режиме хранения.
Из временных диаграмм(рис.12.8) видно, что состояние выходов тактируемого RS‑триггераможет изменяться только в моменты прихода тактовых импульсов. В этом случаетриггер работает синхронно, т.е. процесс переключения его выходов находится всинхронизме с тактовыми импульсами.
Важную роль во многихцифровых схемах играет такая характеристика RS‑триггера, какналичие памяти. Если триггер установлен в состояние 1 или, тоон остается в этом состояние даже при некоторых изменениях входных сигналов.Такое свойство триггера проявляется в режиме хранения. Из временных диаграмм(рис.12.8) видно, что этот режим реализуется во время прохождения тактовыхимпульсов 1, 4 и 7.
Изменение состоянийтриггера при поступлении различных последовательностей входных (управляющих исинхронизирующих) сигналов представляются с помощью графа переходов.
Рассмотрим граф переходов(рис.12.9) для RS‑триггера, синхронизируемого положительнымфронтом (С=0 1) синхросигнала.
/>
Рис.12.9.Графы переходов RS‑триггера, синхронизируемого фронтом
На рис.12.9 кружками, вкоторых указаны значения выходного сигнала Q, обозначены устойчивыесостояния триггера. Стрелками показаны переходы из одного состояния в другое,при поступление соответствующих комбинаций входных сигналов. Если даннаякомбинация не вызывает изменения Q, то стрелка замыкается на исходномсостоянии. Триггер, синхронизируемый фронтом имеет по два различных состояния,соответствующих Q=0 и Q=1, которые помечены индексами А и В.Изменение значения Q происходит при поступление перепада С=0 1, если предварительно при С=0 на управляющих входах установленысоответствующие комбинации: RS=10 или 01. Поэтому граф переходовимеет промежуточные состояния 0В,1В, в которые триггерпереводится перед переключением.D‑триггер
D‑триггер (от слова delay-задержка)принимает информацию по одному входу. Его состояние повторяет входной сигнал,но с задержкой, определяемой тактовым сигналом.
Условное графическоеобозначение D‑триггера показано на рис.12.10.
/>
Рис.12.10.Условноеграфическое обозначение D‑триггера
Табл.12.3 показывает, чтосигнал на выходе Q в такте n+1 (Qn+1) повторяет сигнал, который был на входе D впредыдущем такте n (Dn).
Таблица12.3.Таблица истинности для D‑триггера
/>
D‑триггеры бывают толькосинхронными. В соответствии с табл.12.3, характеристическое уравнение D‑триггераимеет вид:
Qn+1 =Dn
Граф перехода для D‑триггера,синхронизируемого положительным фронтом /> синхросигнала, показан нарис.12.1.
/>
Рис.12.11.Граф переходов D‑триггера, синхронизируемого положительным фронтомсинхросигнала
На рис.12.11 в кружкахуказаны значения выходного сигнала Q. В знаменателях дробей показаныпромежуточные состояния, в которые триггер переводится перед переключением.Стрелками показаны переходы триггера из одного состояния в другое припоступлении соответствующих комбинаций входных сигналов С и D.D‑триггер можно получить из тактируемого RS‑триггера,путем добавления инвертора (рис.12.11).
/>
Рис.12.12.СхемаD‑триггера
Серийно выпускаемые D‑триггерыимеют два дополнительных входа: предварительной установки (S) и очистки(R). Название этих входов происходит от английских слов PRESET(предустановка) и CLEAR (очистка).
Условное графическоеобозначение D‑триггера с двумя дополнительными входами показано нарис.12.13.
/>
Рис.12.13.Условное графическое обозначение D‑триггера с двумядополнительными входами
Логический навходе S инициирует установку логической 1 на выходе Q.Логический на входе R инициирует очистку выхода Q(установку логического на выходе Q). В активных состоянияхвходы S и R блокируют действия входов D и C. Приразблокировании входы D и С действуют так, как и в обычном D-триггере.В таблице истинности (табл.12.4) входы разделяются на асинхронный и синхронный.Асинхронные входы S и R в активных состояниях блокируют действиясинхронных входов (D и C). Первые три строки табл.12.4 описываютрежимы, в которых работа триггера контролируется асинхронными входами. При этомсинхронные входы (D и C) могут находиться в любых состояниях, чтоотмечено знаком Х в табл.12.4.
Таблица 12.4.Таблица истинности для D‑триггера с дополнительными входами
/>
Если оба асинхронныхвхода приведены в неактивное состояние (S=1 и R=1), D‑триггерможно установить в состояние 1 или, используя D и Свходы. Две последние строки табл.12.4 описывают передачу информационногосигнала с D входа триггера на его Q‑выход с использованиемтактового импульса. Поскольку эта операция осуществляется одновременно сприходом тактового импульса, она называется синхронной операцией.В данном триггере для передачи сигнала с D‑входа на выход Qиспользуется положительный перепад напряжений (от низкого уровня к высокому) нафронте тактового импульса. Этот факт показан в табл.12.4 знаком.
Т‑триггер
Триггер типа Тназывается триггером со счётным входом. Он изменяет своё состояние напротивоположное каждый раз, когда на его вход приходит очередной сигнал.Обозначение триггера произошло от первой буквы английского слова toggle– защёлка.
Условное графическоеобозначение Т-триггера показано на рис. 12.14. Т‑триггеримеет один вход Т и два выхода Q и />. T — счётный входтриггера.
/>
Рис.12.14.Условное графическое обозначение T‑триггера
Принципработы триггера иллюстрирует его таблица истинности (табл.12.5).
/>
Состояние его выходаменяется на противоположное при поступлении на вход счётного сигнала Т=1и сохраняется неизменным при Т=0. В соответствии с табл.12.5характеристическое уравнение Т‑триггера имеет вид:
/>
Согласно этому уравнению Т‑триггерсохраняет неизменное состояние при Т=0, когда Q n+1=Q n ипри Т=1, когда Q n+1=/>.
Т‑триггер может быть реализованвведением в RS‑ и D‑триггеры обратных связей(рис.12.15).
/>/>
Рис.12.15.Схемы T‑триггера
Временная диаграммасигналов Т‑триггера показана на рис.12.16.
/>
Рис.12.16.Временные диаграммы Т‑триггера
Из рис.12.16 видно, что Т‑триггеросуществляет деление частоты тактовой последовательности в 2 раза ипереключение триггера происходит отрицательным фронтом счётного сигнала.
Рассмотрим граф переходовТ-триггера (рис.12.17)
/>
Рис.12.17.Граф переходов Т‑триггера
В кружках указаны значениявыходного сигнала Q. Триггер, синхронизируемый фронтом, имеет по дваразличных состояния, значения которых приведены в знаменателях дроби. Стрелкамипоказаны переходы триггера из одного состояния в другое при поступлениисоответствующих комбинаций входных сигналов. Изменение значения Q происходитпри поступлении перепада Т=01. Граф переходов имеетпромежуточные состояния 10 и 01, в которые Т‑триггерпереводится перед переключением.
JK‑триггер
JK‑триггер наиболее широкоиспользуемый универсальный триггер, обладающий характеристиками всех другихтипов триггеров. JK‑триггер в отличии от RS‑триггеране имеет запрещенных комбинаций входных сигналов, которые следует исключать приработе цифровых систем.
На рис.12.18 показаноусловное графическое обозначение JK‑триггера.
/>
Рис.12.18.Условное графическое обозначение JK‑триггера
Рассмотрим табл.12.6,иллюстрирующую принципы работы JK‑триггера.
Таблица 12.6.Таблица истинности для JK‑триггера
/>
Из табл.12.6 видно, чтокогда на оба входа J и K подается уровень логического,триггер блокируется, и состояния его выходов не изменяются. В этом случаетриггер находится в режиме хранения.
Строки 2 и 3 табл.12.6описывают режимы, соответствующие установке триггера в состояние и 1.Строка 4 соответствует переключательному режиму работы JK‑триггера.Если на обоих входах J и K установлен уровень логической 1,то следующие друг за другом тактовые импульсы будут вызывать перебросы уровнейсигналов на выходах триггера от 1 к, от к 1 ит.д. Такая работа триггера напоминает последовательно производимые переключениятумблера, откуда и происходит название режима.
Характеристическоеуравнение JK‑триггера имеет вид:
/>
JK‑триггер может быть реализованс использованием двух элементов И и RS‑триггера (рис.12.19).
/>
Рис.12.19.Реализация JK‑триггера
Граф переходов JK‑триггера,синхронизируемого отрицательным фронтом синхросигнала показан на рис.12.20. Вкружках указаны значения выходного сигнала Q, в знаменателях дробейпоказаны промежуточные состояния триггера перед переключением.
/>
Рис.12.20.Граф переходов JK‑триггера,
Синхронизируемогоотрицательным фронтом /> синхросигнала
JK‑триггер может иметь двадополнительных входа (асинхронных): предварительной установки S иочистки R (рис.12.21).
/>
Рис.12.21.Условное графическое обозначение JK-триггера с дополнительными входами
Асинхронные входы (Sи R) в активных состояниях блокируют действия синхронных входов.Активным состояниям асинхронных входов соответствуют три первых строкитабл.12.7. В этих режимах синхронные входы блокированны и их состояния невлияют на состояние выходов триггера, поэтому для входов J, K и Cв этих строках поставлен знак Х (любое состояние). Одновременная подачана оба асинхронных входа активного уровня сигнала (логического )соответствует запрещенному состоянию. При блокировании обоих асинхронных входов(S и R) уровнем логической 1, работу триггераконтролируют синхронные входы. Это показано в четырех нижних строках табл.12.7.
Таблица 12.7.Таблица истинности для JK‑триггера с дополнительными входами
/>
JK‑триггеры широко применяются вомногих цифровых схемах, в частности они используются для построения счетчиков. СхемафиксатораФиксатором можно назвать любое цифровое запоминающее устройство.Примером такого устройства является D‑триггер. В микросхемномисполнении разработано большое число фиксаторов. Рассмотрим одну из таких схем:4‑разрядный прозрачный фиксатор типа К155ТМ7 (зарубежный аналог —схема 7475), относящийся к классу ТТЛ — схем. Устройство состоит из четырех D‑триггеров,объединенных в одной ИС. Условное графическое обозначение фиксатора показано нарис.12.22.
/>
Рис.12.22.Условное графическое обозначение фиксатора
Информационный вход D0, а также выходы Q0 и /> относятся к первому D‑триггеру.Разрешающий вход Е0-1 аналогиченсинхронизирующему входу D‑триггера и используется для управлениясразу двумя триггерами D0 и D1 внутри ИС. Анализ табл.12.8 показывает, что если наразрешающем входе действует уровень логической 1, данные сразу непередаются (без ожидания тактового импульса) с соответствующих D-входовна соответствующие выходы Q и />. В режиме пересылки данныхсигналы на Q‑выходах фиксатора просто повторяют сигналы насоответствующих D‑входах.
При установке наразрешающем входе уровня логического, соответствующие D‑триггерыпереводятся в режим фиксации данных. Информационные сигналы, которыедействовали на выходах Q в момент перехода фиксатора в этот режим,сохраняются даже при изменении сигналов на входах D, т.е. данныеоказываются «запертыми».
Таблица 12.8.Таблица истинности для фиксатора
/>
Данную схему называют прозрачнымфиксатором, поскольку при наличии высокого уровня сигнала на входе Евыходные сигналы точно отслеживают информационные сигналы на D‑входах(«насквозь просматривают»). Вход Е2-3 контролируетработу триггеров D2 и D3.
Двухступенчатые триггеры
Для надёжной и чёткойработы триггерных ячеек в многоразрядных устройствах (регистрах, счётчиках)используются двухступенчатые триггеры, называемые MS‑триггерами (master/slave— ведущий/ведомый или «мастер»/ «помощник»). Схема такого триггера, состоящегоиз двух синхронных RS‑триггеров, показана на рис.12.23.
Входы с обоих триггеров ТМ(мастера) и ТП (помощника) соединены между собой через инвертор. Нарис.12.24 показана диаграмма, из которой видно, что составным триггером ТМ‑ТПуправляет полный (с фронтом и срезом) тактовый импульс C. Входнаякомбинация будет записана в ТМ в момент прихода положительного перепадатактового импульса С. В этот момент в ТП информация попасть неможет. Когда придёт отрицательный перепад входного импульса С, на выходеинвертора он появится как положительный. Положительный перепад импульса /> перепишетданные от выходов />’ и />’ в ТП.
/>
Рис.12.23.Схема двухступенчатого RS‑триггера
Принцип работыдвухступенчатого RS‑триггера иллюстрирует табл.12.9.
Таблица 12.9.Таблица истинности для двухступенчатого RS‑триггера
/>
Условное графическоеобозначение двухступенчатого RS‑триггера показано на рис.12.25.
/>
Рис.12.25.Условное графическое обозначение двухступенчатого RS‑триггера
Двухфазный способуправления полным тактовым импульсом С применяется и для двухступенчатыхJK‑триггеров (рис.12.26). Этот триггер, как и простой JK‑триггер,имеет обратные связи с выходов на входы, исключающие неопределённое логическоесостояние. На рис.12.27 показана временная диаграмма переключающего импульса,на которой отмечены этапы работы составного триггера. В момент t1 ТП изолирован от ТМ;в момент t2 разрешаетсяприём данных входами ТМ. С приходом отрицательного перепада импульса вмомент t3 запрещаетсяприём данных входами ТМ, а в момент t4 заканчивается перенос данных из ТМ в ТП.
/>
Рис.12.26.Схема двухступенчатого JK‑триггера
/>
Рис.12.27.Временная диаграмма управления двухступенчатым JK‑триггером
Привлекательное свойстводвухступенчатого триггера состоит в том, что входы приёма данных за периодтактового импульса, т.е. во время загрузки 1 бита информации, не имеютсквозной связи с выходными цепями. Изоляция входов от выходов обеспечиваетустойчивое переключение триггера, если частота тактовых импульсов нестабильна.