Асинхронный и синхронный RS-триггеры
Триггеры
Определение
Триггер (англ. Trigger - защёлка, спусковой крючок) - логическое устройство, элемент цифровой техники, который может находиться в одном из двух устойчивых состояний бесконечно долго даже при снятии внешних сигналов и переходить из одного состояния в другое под воздействием входного сигнала за очень короткое время.
При этом напряжение на его выходе скачкообразно изменяется. Каждое состояние триггера легко распознаётся по значению выходного напряжения. Триггер является базовым элементом последовательных цифровых устройств.
В нем может храниться либо 0 либо 1. Использование триггеров позволяет реализовывать устройства оперативной памяти (то есть памяти, информация в которой хранится только на время вычислений). Однако триггеры могут использоваться и для построения некоторых цифровых устройств с памятью, таких как счётчики, преобразователи последовательного кода в параллельный или цифровые линии задержки.
Актуальность
Область применения триггеров очень широка. Они применяются в электронных схемах самого различного назначения для выполнения следующих задач:
- формирования прямоугольных импульсов из остроконечных;
- формирования прямоугольных импульсов из гармонических входных сигналов и импульсов специальной формы;
- в качестве делителей частоты;
- в качестве переключающих устройств.
|
|
|
Они применяются в трактах обработки сигналов РЛС, ГАС и аппаратуры засекреченной и обычной связи. Так в радиоприемнике Р-161 “Вспышка” применено около 200 триггеров.
Два устойчивых состояния триггера могут соответствовать кодам двоичной системы счисления. Поэтому особенно широкое применение они нашли в вычислительной технике. Здесь они выполняют функции:
- запоминающих ячеек;
- суммирующих ячеек;
- счетчиков импульсов.
RS триггер
RS триггер получил название по названию своих входов. Вход S (Set — установить англ.) позволяет устанавливать выход триггера Q в единичное состояние (записывать единицу). Вход R (Reset — сбросить англ.) позволяет сбрасывать выход триггера Q (Quit — выход англ.) в нулевое состояние (записывать ноль).
В простейшем случае RS триггер это два логических элемента "2И-НЕ", соединенные последовательно друг с другом. Его принципиальная схема приведена на рисунке 1. Обратите внимание, что у триггера только один выход. Обозначим его Q. Тогда оставшийся вывод схемы будет инверсным выходом Q
Рассмотрим принцип работы RS триггера, выполненный по изображенной на рисунке 1 схеме подробнее. Пусть на входы R и S подаются единичные потенциалы. Если на выходе верхнего логического элемента "2И-НЕ" Q присутствует логический ноль, то на выходе нижнего логического элемента "2И-НЕ" появится логическая единица. Эта единица подтвердит логический ноль на выходе Q. Если на выходе верхнего логического элемента "2И-НЕ" Q первоначально присутствует логическая единица, то на выходе нижнего логического элемента "2И-НЕ" появится логический ноль. Этот ноль подтвердит логическую единицу на выходе Q. То есть при единичных входных уровнях схема RS триггера работает точно так же как и схема на инверторах.
|
|
|
Подадим на вход S нулевой потенциал. Согласно таблице истинности логического элемента "И-НЕ" на выходе Q появится единичный потенциал. Это приведёт к появлению на инверсном выходе триггера нулевого потенциала. Теперь, даже если снять нулевой потенциал с входа S, на выходе триггера останется единичный потенциал. То есть мы записали в триггер логическую единицу.
Точно так же можно записать в RS-триггер и логический ноль. Для этого следует воспользоваться входом R. Так как активный уровень на входах оказался нулевым, то эти входы — инверсные. Составим таблицу истинности RS триггера. Входы R и S в этой таблице будем использовать прямые, то есть и запись нуля, и запись единицы будут осуществляться единичными потенциалами (таблица 1).
|
|
|
RS триггер можно построить и на логических элементах "ИЛИ". Его схема приведена на рисунке 2. Принцип работы RS триггера, собранный на логических элементах "ИЛИ" будет точно таким же, как и рассмотренный ранее. Единственное отличие в работе этой схемы по сравнению с предыдущей схемой RS триггера будет заключаться в том, что сброс и установка триггера будет производиться единичными логическими уровнями. Эти особенности связаны с принципами работы инверсной логики, которые рассматривались ранее.
Так как RS триггер при реализации его на логических элементах "И" и "ИЛИ" работает одинаково (его принцип работы от схемы не зависит), то и условно-графическое изображение на принципиальных схемах тоже одинаково. Условно-графическое изображение RS триггера приведено на рисунке 3.
Рисунок 3. Условно-графическое обозначение RS триггера
Асинхронный и синхронный RS-триггеры
Асинхронный RS-триггер
Имеет два входа “R» и «S” и два выхода, как правило это “Q” и “не Q” (т.е. инверсный) . Лично я запомнил, какой элемент для чего, после того, когда узнал, что R – это “RESET” (что означает “сброс”) и “S” – это “SET” (что означает установка). Принимая во внимание изложенную информацию можно указать, что при подаче сигнала (единица) на “S” на выходе “Q” устанавливается единица, а при подаче единицы на “R” приводит к сбросу единицы на выходе “Q” и установки на нем нуля. Рассмотрим работу на базе элементов “2ИЛИ-НЕ” и “2И-НЕ”. Для этого используем графическое изображение этих элементов. 
|
|
|
Итак, разберем принцип работы RS-триггера на базе элементов “2ИЛИ-НЕ”.
В начальном положении, когда на R и S отсутствуют сигналы (логический “0”), на выходе “Q” присутствует также “0” или “1” – это исходное состояние. Выглядит это так:
Далее подадим на “S” логическую единицу и получим на выходе “Q” также единицу. Будет выглядеть это так.
Следующим шагом подадим логическую единицу на “R” и уже на “Q” получим “0”. Изобразим это на рисунке.
Более наглядную работу RS-триггера на элементах 2ИЛИ-НЕ можно продемонстрировать, изобразив таблицу истинности. Вот так она выглядит.
Сейчас рассмотрим работу на элементах 2И-НЕ. Выглядит она аналогично, как и на элементах 2ИЛИ-НЕ с той лишь разницей, что активным уровнем является не “1” как в предыдущем случае, а “0”. Убедимся в этом, используя рисунок и таблицу истинности.
Асинхронным триггерам свойственно такое явление как присутствие “гонок”, что это? Это не одновременное или даже не согласованное по времени поступление информации на входы. Это приводит к наложению одного сигнала на другой. Чем это вызвано? А вызвано это разным временем быстродействия элементов, через которые проходит сигнал, прежде чем попасть на входы триггера, в данном случае на “R” или “S”. Покажем это явление на диаграмме.
Чтобы избавиться от этого явления, был придуман вариант подачи синхросигнала и асинхронный триггер превратился в синхронный.
Синхронные RS–триггеры
Этот вид логического устройства отличается от рассмотренного выше тем, что у него помимо входов “R” и “S” присутствует и третий “C”, на который подаются синхроимпульсы. Без этих импульсов информация на “R” и ”S” восприниматься не будет. Схему синхронного RS–триггера и диаграмму работы изобразим графически.
Практическое использование
Чаще всего триггер используется для генерации сигнала, длительность которого соответствует продолжительности процесса в системе, которую он контролирует. Он может как непосредственно разрешать его начало и конец, так и передавать другим элементам информацию о том, что процесс запустился. Таким образом достигается контроль системы, далее нужно только позаботиться о разрешении ситуации неопределённости.
Вторая важная функция триггера — синхронизация процессов. Это помогает избавиться от лишних и случайных импульсов, возникающих, например, когда несколько входных сигналов изменились в течение очень короткого промежутка времени. Кроме того, с помощью триггеров можно «пропустить» в систему только полные по длительности импульсы или задержать поступающую информацию.
Реализация триггеров и их применение на практике происходит в различных устройствах для запоминания и хранения памяти. Именно этот элемент представляет собой базовую ячейку ОЗУ, способную хранить 1 бит информации в статическом состоянии. Кроме того, его используют для следующих целей:
в качестве компонентов для создания микросхем различного назначения;
как организатор вычислительных систем;
в регистрах сдвига и хранения;
для изготовления полупроводниковых систем, например, транзисторов и реле.
Триггер является не только базовым элементом электроники, но и простейшим кибернетическим устройством, способным выполнять свою логическую функцию, одновременно поддерживая обратную связь. Таким образом, он используется для создания множества механизмов, целью или условием работы которых является возможность запоминания, хранения, передачи и преобразования информации. Найти триггер можно в любом приборе, начиная от систем переключения питания и заканчивая элементами цифровой микроэлектроники.
Создание запчастей для компьютеров, мобильных телефонов, роботов, управляющих панелей, транспорта и многих других приборов невозможно без использования триггеров. Применяют их и для изготовления простых схем на основе электромагнитного реле — такие конструкции всё ещё используются благодаря своей простоте и высокой защите от помех, несмотря на высокое потребление энергии.
Прочие виды триггеров:
JK триггер
Данная микросхема является представителем семейства JK триггеров, который имеет следующий принцип работы.
Триггеры данного типа сложнее по устройству и по управлению по сравнению с RS триггером. В дополнение к стандартным входам R и S, которые работают аналогично с RS триггером, в JK триггере имеются информационные входа J и K, а также вход синхронизации С.
Таблица истинности JK триггера.
| Входы | Выходы | |||||
| -S | -R | C | J | K | Q | -Q |
| 0 | 1 | Х | Х | Х | 1 | 0 |
| 1 | 0 | Х | Х | Х | 0 | 1 |
| 0 | 0 | Х | Х | Х | Не определено | |
| 1 | 1 | 1→0 | 1 | 0 | 1 | 0 |
| 1 | 1 | 1→0 | 0 | 1 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | 1→0 | 0 | 0 | Не изменяется | |
| 1 | 1 | 1→0 | 1 | 1 | Меняется на | |
| 1 | 1 | 1 | Х | Х | Не изменяется | |
| 1 | 1 | 0 | Х | Х | Не изменяется | |
| 1 | 1 | 0→1 | Х | Х | Не изменяется | |
Принцип работы JK триггера следующий. Вход R триггера служит для перевода прямого выхода в лог.1, а вход S триггера – в состояние лог.0. Вход С (англ. Clock – часы) служит для тактирования JK триггера, то есть все изменения выходов происходят только когда на входе С сигнал изменяется с высокого уровня на низкий. Информационные входа J (англ. Jump – прыжок) и К (англ. Kill – убить) работают следующим образом: если на J лог.1 и на К лог.0, то по импульсу со входа С на Q будет лог.1 и на –Q будет лог.0. Для изменения уровня сигнала на выходах на противоположные необходимо на J подать лог.0, а на К лог.1, тогда по импульсу на входе С состояние выходов измениться.
D триггер
D-триггер имеет один информационный вход; сигнал на выходе D-триггера повторяет сигнал на входе D, существовавший в предыдущем такте, т.е. D-триггер «запоминает» этот сигнал до следующего такта. Функция переходов имеет вид:
Q(t+1) = D(t).
Можно сказать, что D-триггер задерживает на один такт информацию, существовавшую на входе D. D-триггеры выполняются тактируемыми.
Рассмотрим логическую структуру D-триггера со статическим управлением, построенного на базе RS-триггера (рис. 20.14) с тактированием потенциалом (уровнем) синхронизирующего сигнала.
Принцип действия рассматриваемого D-триггера поясняется диа-граммами сигналов, приведенными на рис. 20.15.
Из диаграмм видно, что D-триггер осуществляет «задержку»по-явления, (исчезновения) импульса на выходе на промежутки времени между фронтом импульса и фронтом (спадом)сигнала на D-входе.D-триггер, как и любой другой, может быть построен не только на элементах И-НЕ, но и на других: ИЛИ-НЕ, И-ИЛИ-НЕ. При этом уда-ется совместить функции триггерной ячейки и комбинационной ло-гической схемы.
T триггер
Т-триггер–это логическая схема с двумя устойчивыми состояниями и одним информационным входом, изменяющая свое состояние на противоположное всякий раз, когда на вход Т поступает управляющий сигнал.
Т-триггер –единственный вид триггера, состояние которого в текущий период определяется собственным состоянием в предыдущем периоде. Самостоятельных Т-триггеров не выпускают. Основной способ построения Т-триггеров –введение соответствующих обратных связей в тактируемых RS, JK, D-триггерах.
Т-триггер называют также счетным триггером (триггером со счетным входом). Его применяют в основном для счета входных импульсов и деления частоты этих импульсов. Применение Т-триггеров в счетчиках обусловлено тем, что каждому входному импульсу соответствует одно срабатывание, т.е. число срабатываний триггера соответствует числу импульсов.
Деление частоты Т-триггером следует из принципа его действия. Каждому периоду изменения входного сигнала соответствует половина периода на выходе (двум периодам соответствует один), т.е. частота выходного сигнала оказывается в два раза ниже частоты входного. Импульсы на выходе Т-триггера имеют равные длительность паузы и ширину импульса независимо от скважности входного периодического сигнала. Последовательность таких импульсов называют меандром. Диаграммы сигналов и таблица состояний Т-триггера показаны на рис.20.18.
Уравнение состояний (функция переходов) Т-триггера имеет вид: Q(t+1) = T(t) * Q(t) + T(t) * Q(t) = T(t) Q(t), где знак обозначает функцию ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ-ИЛИ. Имея функцию переходов, можно определить способы получения Т-триггеров из других. Например, если в уравнении состояний JК-триггера положить J=К, то получим уравнение, идентичное уравнению Т-триггера. На практике это означает, что если соединить между собой входы J и К подавать на них импульсы, JK-триггер будет выполнять функцию Т-триггера.
Общие различия
По принципу управления они бывают статические (или потенциальные) и динамические. Первые реагируют на непосредственную подачу сигналов на вход, соответствующих единице или нулю. Вторые воспринимают изменение сигнала с одного на другой.
Статические, в свою очередь, делятся на две группы: симметричные и несимметричные. Они отличаются по внутреннему строению электрических связей в схеме — у симметричных они идентичны во всех отдельных ячейках устройства. Именно они составляют основную массу триггеров.
По функциональным особенностям. Самый частый тип такой классификации — синхронные и асинхронные. Первые приходят в действие только при смене такса с нуля на единицу или наоборот, в то время как вторые воспринимают непосредственный момент появления сигнала.
Согласно количеству ступеней и уровней.
По реагированию на возникновение помех триггеры можно поделить на прозрачные и непрозрачные, которые, в свою очередь, бывают проницаемыми и непроницаемыми.
В соответствии с числом возможных устойчивых состояний. Чаще всего их два, но бывают и троичные, четверичные и прочие элементы.
По логическому составу, количеству и соотношению элементов И-НЕ и ИЛИ-НЕ.
Со сложной и простой логикой.
Дата добавления: 2021-07-19; просмотров: 134; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!