RS триггер

Место триггеров в цифровой схемотехнике

Сам рс триггер, как один из структурных элементов в схемотехнике, не содержит в своём составе какого-то отдельного блока или устройства памяти. Он является простейшей логической ячейкой, которая запоминает своё предыдущее и настоящее состояния на входах и выходах. Память является результатом алгоритма работы переключателя. Выходы устройства находятся в состоянии либо логического нуля, либо единицы. При их изменении схема «защёлкивает» это положение и запоминает до тех пор, пока устройство управления вводом, выполненное из логических элементов, не даст команду об изменении состояния.

Устройство триггера

Триггер по своей схемотехнике очень похож на простейшее электронное устройство — мультивибратор. Но в отличие от него, он имеет два устойчивых положения. Эти состояния обеспечиваются изменениями входного сигнала при достижении им определённого значения. Переход из одного положения в другое называют перебросом. В результате на выходе логического элемента возникает скачок напряжения, форма которого зависит от скорости процессов, проходящих в радиоприборах.

Наибольшее применение получил триггер, работающий на транзисторах. Связанно это со способностью последних работать в ключевом режиме. Биполярный транзистор — это полупроводниковый прибор, имеющий три вывода. Эти электроды называются:

  • эмиттер;
  • база;
  • коллектор.

Устройство триггера

В грубом приближении транзистор представляет собой два диода, объединённых электрической связью. Состоит он из двух p-n переходов. Название биполярный элемент получил из-за того, что одновременно в нём используются два типа носителей заряда. В триггерных схемах транзистор работает в режиме ключа, суть которого заключается в управлении силой тока коллектора путём изменения значения на базе. При этом коллекторный ток по своей величине превышает базовый.

При таком включении важны лишь токи, а напряжения особой роли не играют. Поэтому при возникновении определённого тока на базе транзистор открывается и пропускает через себя сигнал. Сигнал на коллекторе полупроводникового прибора будет обратным по входному знаку, то есть инвертированным. А значит, когда на базовом выходе будет присутствовать разность потенциалов, на коллекторном она будет равна нулю, и наоборот.

Эта способность транзисторов и используется в триггерах, схема которых построена на двух ключах с перекрёстными обратными связями. Когда используются транзисторные ключи с одинаковой обвязкой, то триггер считается симметричным, в другом же случае — несимметричным.

Принцип работы

Устойчивые состояния выхода триггера обеспечиваются двумя транзисторными ключами, охваченными положительной обратной связью (ПОС). Такие положения соответствуют состоянию, когда один из транзисторов открыт и находится в режиме насыщения, а второй ключ закрыт. При этом на коллекторе закрытого элемента присутствует разность потенциалов, равная его значению на входе — логическая единица, а на выводе открытого ключа напряжение отсутствует — логический ноль.

Принцип работы триггера

Биполярные компоненты при таком включении относительно друг друга всегда будут находиться в противоположном состоянии из-за обратной связи. Через неё один из транзисторов (закрытый) с высоким уровнем напряжения на своём коллекторном выводе обязательно будет поддерживать другой в открытом состоянии.

Если предположить, что после подачи питания на устройство оба транзистора VT1 и VT2 окажутся открытыми, то через время из-за отличия характеристик радиоэлементов, стоящих в их плечах, возникнет перекос в коллекторных токах. А это благодаря ПОС приведёт к закрытию одного из ключей. То есть обратная связь спровоцирует лавинообразный процесс перехода одного транзистора в режим насыщения, а другого в режим отсечки.

Делители, собранные на резисторах R1, R4 и R2, R3, подбираются так, чтобы их коэффициент передачи был меньше единицы. Причём для поддержания уровня сигнала они шунтируются ёмкостью, ускоряющей скорость прохождения лавинообразных процессов и повышающей надёжность состояния.

Схема работы триггераТаким образом, принцип работы триггера заключается в прохождении следующих процессов. Если на схему подаётся напряжение Ek и Eb, то биполярный ключ VT1 начинает работать в режиме насыщения, а VT2 — отсечки. Импульс, пришедший на базу VT1, приводит к уменьшению величины тока, протекающего через коллектор и увеличению напряжения на переходе коллектор-эмиттер U1ke. Напряжение через С1 и R4 прикладывается к базе VT2. Это приводит к увеличению коллекторного тока на втором ключе и уменьшению напряжения на переходе U2ke, передаваемого через C2 и R3 на базу VT1.

Итогом этих процессов станет запирание VT1 и отпирание VT2. Такое состояние останется неизменным, пока на базу VT2 не придёт отрицательный уровень сигнала. Результатом этого будут обратные электрические процессы, и VT1 закроется, а VT2 откроется.

Характеристики приборов

Триггер условно можно назвать «автоматом», способным хранить один бит информации. Простейшего вида прибор имеет два выхода, находящихся по отношению друг к другу в инверсном состоянии. Важные параметры устройства связаны с синхронизацией (тактированием) выходов, зависящей от времени предустановки и выдержки. Первый параметр характеризуется интервалом времени, в течение которого поступает разрешающий фронт синхросигнала, а второй определяется временем нахождения устойчивого состояния в неизменном положении. Ряд других характеристик триггера связывают с сигналом, проходящим через него. К ним относится:

  • нагрузочная способность — характеризуется коэффициентом разветвления (Кр) и обозначает способность прибора управлять определённым количеством параллельно подключённых элементов к выходу устройства;
  • Ко — коэффициент объединения, обозначает наибольшее число входных напряжений, которые возможно завести на вход прибора;
  • tи — минимальная продолжительность входного сигнала, то есть длительность импульса, при котором триггер ещё может перейти в инверсное состояние;
  • tзд — коэффициент задержки, указывает на временной промежуток между подачей входного сигнала и появлением напряжения на выходе;
  • tр — длительность разрешения, определяется минимальным временем прошедшим между двумя импульсами сигнала на входе и спровоцировавшего переход триггера в другое состояние.

Триггер со счетным выходом

Но наряду с этим выделяют и следующие технические параметры триггеров:

  • напряжение на входе — наибольшая величина разности потенциалов, которую может выдержать устройство без повреждения своей внутренней электрической схемы;
  • ток потребления — зависит от используемых элементов, обычно не превышает 2 мА;
  • разность потенциалов переключения — это минимальное значение, при котором происходит инвертирование выхода;
  • ток входа — обозначает минимальное значение необходимое для работы триггера;
  • ток выхода — значение тока, появляющееся на выходе и определяемое отдельно для логического нуля и единицы;
  • температурный диапазон — интервал, в котором технические параметры устройства не изменяются;
  • напряжение гистерезиса — разность амплитуд входного сигнала, приводящая к изменению состояния выхода устройства.

Классификация последовательных схем

Последовательные схемы могут быть использованы для простых триггеров или для создания более сложных систем: устройств памяти, счетчиков, регистров сдвига. Они подразделяются на три основные категории:

  1. Асинхронные, меняющие статус при включении;
  2. Синхронные, согласованные с тактовым сигналом;
  3. Комбинированные, реагирующие на запуск импульсов.

Важно! Если схема зависит от внешнего входа, то она является асинхронной. Если состояния меняются в зависимости от тактового сигнала, то она синхронная. Для сохранения состояния присутствует обратная связь, когда частично сигнал с выхода идет опять на вход.

Классификация

Прежде, чем рассматривать работу триггеров, необходимо разобраться в обозначениях входов и выходов подобных устройств.

Входа (порты) у триггера бывают:

  • R (reset) – устанавливает положение 0, раздельный порт;
  • S (set) – устанавливает положение 1, раздельный порт;
  • J – порт универсальных защёлок, устанавливает статус 1;
  • K – порт универсальных защёлок, устанавливает статус 0;
  • T – счётный порт, меняет положение защёлки.

Информация. Высокий уровень потенциала на входе или выходе равняется логической единице, низкий – логическому нулю. У микросхем марки ТТЛ логической единицей считается потенциал от 2,4…5В, логическим нулём – 0…0,4 В при напряжении питания 5 В. Для логических сборок других серий диапазоны потенциалов могут отличаться.

У защёлки в наличии два выходных порта:

  • Q – прямой;
  • Q¯ – инверсный.

При единице на прямом (Q = 0) «защёлка» находится в состоянии «1». В случае низкого потенциала на выходе (Q = 1) статус защёлки – «0».

У инверсного выхода все наоборот. При нуле у выхода Q¯ переключатель находится в состоянии единицы. Инверсия положения нужна для внедрения различных схематических решений.

Внимание! Типы портов определяют названия электронных переключателей, так, имея порта R и S, он носит имя RS-триггер.

Последовательностное логическое устройство (ПЛУ), которым является «защёлка», – это своеобразный блок для постройки различных комбинаций в схемах логических цепей. Бистабильное состояние RS-защёлки помогает компоновать такие логические схемы, как счётчики, регистры хранения, устройства памяти или регистры сдвига. Независимо от метода устройства логических связей, основные виды электронных переключателей можно разделить по способу ввода данных:

  • синхронный тип;
  • асинхронный тип;
  • комбинированный.

Всё зависит от того, как посылается команда управления на изменение состояния «защёлки».

Синхронные устройства

Для того чтобы rs триггер не менял своего положения от сочетания задержанных командных импульсов на его портах, применяют синхронизирующую команду. Это тактовый импульс, который подаётся на синхронизирующий порт. Сменившиеся сигналы на входах такой «защёлки» не смогут изменить состояния на выходе, пока не придёт тактовый (синхронизирующий) импульс. Эти импульсы вырабатывают тактовые генераторы. Длина тактовых сигналов намного меньше их периода. Импульсы определяют частоту замены информации, привязав её к дискретным временным периодам – tl, t2,…,tn-1,tn, tn+l. Это позволяет синхронизировать процессы работы отдельных узлов оборудования в едином ритме.

Действие схемы следующее:

  • если на порту С присутствует ноль, статус триггера не меняется, поскольку информация с портов S и R не передаётся на защёлку;
  • если на порту С появляется логическая единица, то переключатель принимает команды с S и R входов и меняет своё положение.

У таких схем повышенная помехоустойчивость, что выгодно отличает их от асинхронных устройств, последние могут перевернуться не только от сигнала, но и от помехи. Синхронная структура применяется в технике, связанной с преобразованием или обработкой цифровых данных.

Синхронный RS – триггер, схема и графическое обозначение

Синхронный RS – триггер, схема и графическое обозначение

Важно! При применении RS-защёлки с инверсными входами необходимо заменить элементы схемы «И» на элементы «И – НЕ».

Асинхронные модели

Устройство, меняющее своё состояние немедленно при изменении команды на логических портах, называют асинхронным триггером. Он имеет в своём составе только порты: R (сброс) и S (установка). Ограничения для пользования подобными схемами связано с соперничеством между сигналами, которые при попадании на разные входы RS-триггера движутся разными путями, как бы состязаясь между собой. При этом возникают временные задержки и сдвиги, вызванные разными причинами: изменения температуры, долгий срок службы и прочее. Такая «гонка» вызывает частые ошибочные переворачивания ячейки.

Тактовая синхронизация в данном случае не эффективна, потому асинхронные ячейки применяются в качестве асинхронных счётчиков, различных ключей, делителей частоты и им подобных схемных решений.

Асинхронный RS-триггер, структурная схема

Асинхронный RS-триггер, структурная схема

Комбинированные схемы

Модуль, состоящий из комбинации нескольких ячеек, называется комбинированным триггером. Возможны комбинации от двух и более функциональных ячеек.

Таблица комбинаций двух типов ячеек памяти

Тип устройства RS R S E JK T D DV
RS Х Х Х Х Х Х Х
R Х Х Х Х Х Х
S Х Х Х Х Х
E Х Х Х Х
JK Х Х Х
T Х Х
D Х
DV

Типы триггеровЗдесь Х – объединение двух типов возможно.

Подразделение этих устройств по типам можно рассмотреть по таблицам переходов состояния.

Выделяются следующие типы ячеек памяти состояния:

  • rs-защёлка – асинхронная и синхронная;
  • jk-защёлка;
  • d-защёлка;
  • t-защёлка.

Последний элемент списка – устройство составное, выполняется из синхронной rs-ячейки памяти.

RS-триггеры

Рассматривают два вида подобных ячеек: асинхронная и синхронная защёлка. При подробном изучении видна значительная разница в работе и сфере применения.

RS-триггер асинхронный

Самый простой вид защёлки, редко применяется как самостоятельное устройство, является ячейкой для построения более сложных блоков. Построены асинхронные соты на элементах:

  • 2 ИЛИ – НЕ, триггерная сота с прямыми портами;
  • 2 И-НЕ, триггерная сота с инверсными портами.

Фиксированные положения триггеру обеспечивают обратные связи. Это подключение выхода одного к любому входному порту другого логического элемента.

RS-триггер синхронный

Основа регистров, делителей частоты и различных счётчиков – триггерная сота памяти. В подобных устройствах зафиксированную раньше информацию нужно передать на выход и записать в следующую ячейку по сигналу тактового импульса. Импульс подаётся на С-порт (статический или динамический).

К сведению. Статический С-вход выполняет синхронизацию по изменению уровня потенциала сигнала, динамический С-вход синхронизирует изменение состояния не по уровню, а моменту его изменения. Переключение на динамическом С-входе может осуществляться по фронту импульса (прямой) или по его срезу (инверсный).

Состоящие из пары синхронных rs-триггеров и инвертора двухступенчатые RS-триггеры управляются полным (задействованы и фронт, и срез) динамическим тактовым импульсом. Такие ячейки памяти называются master-slave (мастер-помощник).

JK-триггер

Отличительной чертой этого типа «защёлки» является отсутствие запрещённого сочетания сигналов на портах. При J = K = 1 положение защёлки переворачивается на обратное, по сравнению к текущим Q0.

JK-переключатель отличается от RS-ячейки памяти только одним: если на J и K подаётся «1», то он меняет своё пребывание на противоположное положение. Происходит инверсия, причём у этой ячейки памяти отсутствуют запрещённые состояния главных портов.

Внимание! Если провести аналогию обозначения входов, то J и K, соответственно, аналогичны входам S и R у RS-триггера. Практическое применение нашли только синхронные jk-триггеры с динамической синхронизацией.

Таблица истинности и обозначение jk-триггера

Таблица истинности и обозначение jk-триггера

Что такое RS триггер

Это сота памяти, способная находиться в одном из стабильных положений: «0» или «1». Переворачиваться, т.е. менять их, она может под воздействием тактовых сигнальных импульсов. Ни записать, ни стереть хранимый бит элементарный элемент, собранный на двух инверторах, не может. Принцип работы rs триггеров, выполненных на двух компонентах 2И-НЕ, позволяет это сделать.

Различие триггеров по функциональным возможностям

● с раздельной установкой состояния 0 и 1 (RS-триггеры);

● универсальные (JK-триггеры);

● с приемом информации по одному входу D (D-триггеры, или триггеры задержки);

● со счетным входом Т (Т-триггеры).

Входы триггеров обычно обозначают следующим образом:

S — вход для установки в состояние «1»;

R — вход для установки в состояние «0»;

J — вход для установки в состояние «1» в универсальном триггере;

К — вход для установки в состояние «0» в универсальном триггере;

Т — счетный (общий) вход;

D — вход для установки в состояние «1» или в состояние «0»;

V — дополнительный управляющий вход для разрешения приема информации (иногда используют букву Е вместо V).

Рассмотрим некоторые типы триггеров и их реализацию на логических элементах.

Временные диаграммы

Кроме таблиц истинности, помогает разобраться в работе ячейки битовой памяти временная диаграмма. При этом на графике при изучении импульсов рассматривают следующие параметры:

  • длительность импульса – временной интервал от фронта до спада;
  • период – интервал от фронта предыдущего импульса до фронта последующего;
  • скважность – отношение периода импульса к его длительности.

Диаграмма графически отображает сигнальные импульсы на входах и выходах в одних и тех же временных точках.

Временная диаграмма RS-триггера

Временная диаграмма RS-триггера

4 Содержание отчёта

  1. Цель работы.
  2. Схемы исследования триггеров.
  3. Привести условные графические обозначения исследуемых триггеров.
  4. Таблица переходов исследуемых триггеров.
  5. Выводы по каждому заданию.

Классификация последовательных схем

Последовательные схемы допускается классифицировать по следующим показателям:

  • одноступенчатые защёлки, в которых содержатся элемент памяти и устройство управления, их маркируют буквой Т;
  • двухступенчатые ячейки: статического и динамического управления, используются для защиты от гонок сигналов, обозначаются буквами ТТ;
  • переключатели, имеющие сложную логику: одно,- и двухступенчатые соты.

Одноступенчатые ячейки применяются в качестве первых ступеней в переключателях ТТ с динамической схемой управления, имеют такое же управление. При самостоятельном использовании управление в большинстве своём статическое.

Двухступенчатые устройства имеют как статическое, так и динамическое управление.

Состояние «Установлен»

RS-переключатель в этом состоянии имеет установленную цепь с Q, равным нулю, и Q¯, равным единице, и независим от управляемого сигнала. При этом на R присутствует ноль, на S – логическая единица.

Состояние «Сброшен»

Это тоже неизменная ситуация. Для её организации необходимо выставить исходные условия. На R подаётся «1», на S – «0». При этом выход Q должен иметь «1», Q¯ – значение «0». Обратные связи обеспечивают и фиксируют независимое от последующих значений на входах значение.

5 Контрольные вопросы

  1. Чем определяется быстродействие триггера?
  2. Начертить схему RS-триггера на логических элементах «ИЛИ-НЕ» и пояснить принцип его работы.
  3. Почему JK-триггер называется универсальным?
  4. Пояснить по таблице переходов работу D-триггера.
  5. Какой характерной особенностью обладает периодическая последовательность импульсов на входе T-триггера?
  6. Способы описания последовательных цифровых устройств.
  7. Каким преимуществом обладает двухступенчатый триггер?

Заключение по теме

Триггерные устройства являются ключевой составляющей современных электронно-вычислительных систем. Их принцип действия рассмотрен выше, а также разобраны примеры их реализации на реле и транзисторах.

Модификация схемы триггера

Чтобы смена состояний происходила на подъёме уровня сигнала у rs-триггера, необходимо на его выходах иметь:

  • при установке – Q = 1, а Q¯ = 0;
  • при сбросе – Q = 0, а Q¯ = 1.

Чтобы это организовать, поступающие сигналы защёлки инвертируют. В результате этого изменение состояния выполняется при поступлении положительных сигналов. При модификации добавляются в качестве инверторов 2 элемента И-НЕ.

Модификация схемы триггера

Модификация схемы триггера

Т-триггер

Рассмотрим Т-триггер, который изменяет свое логическое состояние на противоположное по каждому активному сигналу на информационном входе Т. Условное графическое обозначение двухступенчатого Т-триггера приведено на рис. 3.66. рис. 3.66

Рейтинг
( 1 оценка, среднее 5 из 5 )
Загрузка ...
Электрик в Дом