Краткие теоретические сведения
Триггер . это логическая схема с положительной обратной связью, имеющая два устойчивых состояния, которые называются единичным и нулевым и обозначаются 1 и 0. Перевод триггера в единичное состояние производится путем воздействия на его вход и называется установкой (set) триггера. Устанавливающий сигнал и вход на который он воздействует обозначают S. Перевод триггера в нулевое состояние называют сбросом (reset), а соответствующий вход и сигнал обозначают R.
Схема простейшего триггера получается, если включить кольцом два элемента ИЛИ . НЕ. Такой триггер имеет два входа R и S, два выхода 
и Q и называется RS триггером. Его обозначение на функциональных схемах показано на рис.1.
Пока на обоих управляющих входах R и S уровни сигналов не активны, в данном случае равны 0, триггер находится в одном из двух устойчивых состояний. Если значение сигналов на выходе Q равно 1, то, как видно из схемы, этот единичный сигнал, поступая по цепи обратной связи на вход элемента 2, вызывает появление на выходе 
сигнала с нулевым уровнем. В свою очередь нулевой уровень выхода 
, поступая на вход элемента 1, поддерживает Q в состоянии 1. Иначе говоря, при входных сигналах R и S, равных 0, появившаяся по любой причине на выходе Q единица по цепи обратной связи будет сама себя поддерживать сколь угодно долго. Когда на прямом выходе Q сигнал равен 1, говорят, что триггер находится в состоянии 1 или что он установлен.
|
|
|
В силу симметрии схемы она будет столь же устойчива в своем противоположном . нулевом состоянии, когда уровень на выходе Q равен 0, а уровень на инверсном выходе 
равен 1. В этом случае говорят, что триггер сброшен или погашен. Когда оба управляющих сигнала R и S неактивны, режим называют режимом хранения.
После окончания входного сигнала триггер способен сохранять свое новое состояние также сколь угодно долго. Говорят, что триггер запоминает входной сигнал. Это специфическое и очень важное свойство триггера, отличающее его от всех ранее рассмотренных схем, не имевших обратных связей: после исчезновения входного сигнала выходной сигнал в тех схемах также исчезал.
Характерно, что оба элемента триггера переключаются не одновременно, а последовательно, друг за другом. Если построить временную диаграмму работы триггера, то из нее видно, что существуют моменты времени, когда на прямом Q и на инверсном Q выходах триггера уровни одинаковы. В то же время алгоритмы работы управляемых триггерами схем и соответственно сами эти схемы строят исходя из установившихся значений сигналов на выходах триггера, когда оба они взаимно инверсны. Поэтому управляемая триггером схема, получив на вход непредусмотренную комбинацию сигналов, сформирует на своем выходе нечто совершенно не предусмотренное алгоритмом ее работы. В дальнейшем будут рассмотрены меры, которые разработчик должен принять, чтобы возникающая при переключении триггера инверсная комбинация его выходов не приводила к сбою.
|
|
|
По временной диаграмме можно оценить время задержки распространения t зд.р. триггера как отрезок времени, по прошествии которого на обоих выходах триггера устанавливаются правильные уровни: t зд.р. =2t. Можно оценить и минимально допустимую длительность R . и S . сигналов, ниже которой обратная связь триггера еще не успеет замкнуться и в результате выходы триггера вернутся в исходное состояние. Это значение лежит в пределах (2..3) t. Для более точной оценки необходимо знать допуски на пороги срабатывания и длительности фронтов элементов. Для триггеров, выпускаемых в виде схем средней степени интеграции, значения t зд.р. и минимальной длительности входных сигналов указывают в паспорте.
Если на RS . триггер подать одновременно оба единичных сигнала, то на обоих выходах Q и Q появятся нули. Если теперь одновременно снять единицы со входов R и S, то оба элемента начнут переключаться в единичное состояние, каждый стремясь при этом оставить своего партнера в нуле. Какой элемент одержит в этом поединке победу, будет зависеть от их коэффициентов усиления, скоростей переходных процессов и ряда других неизвестных заранее факторов. Для разработчика схемы результирующее состояние триггера оказывается неопределяемым. Поэтому комбинация R = S = 1 считается запрещенной, и в обычных условиях ее не используют. В некоторых справочниках эту комбинацию даже называют неустойчивой, хотя пока она держится на входах, схема вполне устойчива. Комбинацию входов R = S = 1 допустимо применять лишь когда обеспечено не одновременное, а строго поочередное снятие R . и S. сигналов.
|
|
|
От схем без обратных связей RS . триггер отличается еще и тем, что его выходы одновременно являются и его входами. Действительно, если на линию связи, подключенную к выходу Q триггера, находящегося в нулевом состоянии, подействует короткая единичная помеха, она одновременно подействует и на вход второго элемента триггера, что может вызвать его переключение, а это приведет к переключению всего триггера, как от обычного входного сигнала. Свойство триггера запоминать помехи, превращая их из мимолетных в постоянно действующие, в большинстве применений крайне нежелательно. Поэтому если триггер работает на линию, в которой возможны помехи, то ее подключают через буферные элементы. Для повышения быстродействия эти элементы часто тоже соединяют по схеме триггера.
|
|
|
Поскольку на выходах буферного триггера Т2 постоянно присутствует или R. или S . сигнал, этот триггер уже не сможет запомнить помехи и после ее окончания сразу вернется в правильное состояние.
Основное назначение триггеров в цифровых схемах . хранить выработанные логическими схемами результаты. Для отсечения еще не установившихся, искаженных переходными процессами результатов, можно включить конъюнктор типа элемента С на рис. 3.
Это решение оказалось очень эффективным, быстро стало типовым и побудило изготовителей триггеров ввести конъюнктор, управляемый синхросигналом, в состав триггера. Так как эта схема требует инверсного управления, чаще стала использоваться схема на основе элементов И . НЕ (рис.4).
Так появились синхронные триггеры, которые переключаются в состояние, предписываемое управляющими входами, лишь по сигналу синхронизации, подаваемому на синхровход с триггера. Синхросигнал называется также синхроимпульсом, С . сигналом, С . импульсом, а синхровход . С . входом. При неактивном уровне С . сигнала синхронный триггер находится в режиме хранения и не реагирует ни на какие управляющие сигналы. Развитие идеи синхронного триггера привело к появлению разнообразных и довольно сложных триггерных устройств в которых кроме собственно RS . триггера присутствует логическая схема обработки входных сигналов, а часто еще и один . два вспомогательных триггера. Такие устройства по традиции продолжают
Рис. 3. Исключение помех, порожденных гонками, за счет тактирования.
именовать триггерами, добавляя перед словом триггер различные буквы, обозначающие принцип функционирования всего устройства.
D.триггером называют синхронный триггер, имеющий два входа: вход данных D и вход синхронизации С. D . триггер переключается только по сигналу на С . входе и при том в состояние, предписываемое D . входом. В некотором смысле он задерживает прохождение поступающего по D . входу уровня до появления С . сигнала, откуда и произошло название D . триггера (delay - задержка). Другое назначение D . триггера . сохранять данные (data), поступившие однажды по D . входу. С . сигналы в этом случае играют роль команды ЗАПИСЬ В ТРИГГЕР. RS . триггеры в своем чистом виде для хранения
данных непригодны и в этой роли не используются, поскольку для записи они требуют двух последовательных сигналов: гашения по R .входу и затем собственно записи по S . входу. Условное обозначение D . триггера показано на рисунке 5.
На рис. 6 показан универсальный способ построения D . триггера из синхронного RS . триггера: с помощью инвертора 1 однофазный вход данных D превращается в парафазный и подается на S . и R . входы.
Особенности поведения прозрачной защелки иллюстрирует диаграмма на рис. 7.
Изменения D . входа при С = 0 (моменты t1, t2, t7) никак не влияют на состояние выхода Q: триггер заперт по С . входу и находится в режиме хранения. Фронт С . сигнала (момент t3 ) которое было к этому моменту на входе триггера D. При С = 1 защелка прозрачна: любое изменение на D . входе (t4 и t5) вызывает переключение выхода Q . По срезу синхросигнала (момент t6) D . триггер . защелка фиксирует на выходе то состояние, которое было на D.
входе непосредственно перед этим моментом. Следующее изменение Q будет возможно только по фронту следующего синхроимпульса (момент t8). Если на С. вход подать постоянный единичный уровень, то свойство запоминания защелки проявляться никак не будет и она будет выполнять функции обычного буферного усилителя мощности в такте передачи данных.
Существуют D . триггеры, в которых параллельно С . сигналу на входные вентили заведен еще один разрешающий сигнал . V . сигнал (от V . клапан), как показано штриховой линией на рис. 8.
Такие триггеры называют DV . триггерами. Разрешением на прием D . уровня является конъюнкция сигналов на C . и V . входах.
Чтобы процесс фиксации состояния D . входа прошел без сбоев, т. е. был бы однозначно предсказуем, переходной процесс в схеме защелки, вызванный срезом С . сигнала, не должен накладываться на переходной процесс, вызванный переключением D . входа. Это значит, что всякие изменения состояния D . входа должны прекратиться за некоторое время до среза С - сигнала, называемое временем подготовки (setup time) tпд, и могут снова начинаться после среза С . сигнала не ранее чем через время выдержки (удержания)(hold time) tвд. Эти временные отрезки показаны на рис. 9.
В зависимости от конкретных значений порогов переключения и длительностей фронтов их можно оценить как tпл = (1.2)t, tвд = (0.1)t.
Таким образом, временными параметрами D - триггеров . защелок являются: времена задержки распространения по трактам вход С - выходы и вход D - выходы; время подготовки по D . входу; минимальная длительность С . импульса; время выдержки по D - входу; минимальная длительность С - импульса; время задержки по D - входу; для схем, в которых возможны гонки по входу . еще максимальная длительность фиксирующего среза С . сигнала.
На рис. 10 показана схема, состоящая из двух последовательно включенных синхронных RS - триггеров, первый из которых называется ведущим или М - триггером (от master . хозяин), а второй . ведомым или S - триггером (от slave - раб). Благодаря общему синхросигналу С вся схема функционирует как единое целое и называется двухступенчатым или МS - триггером (master . slave flip . flop). Из временной диаграммы (рис. 11)
Рис. 11. Временная диаграмма работы двухступенчатого RS . триггера.
Видно, что информация, задаваемая уровнями на входах S и R, по фронту С - сигнала принимается в М - триггер, но в течение всего времени, пока С - сигнал равен 1, не проходит в S - триггер, поскольку его входные конъюнкторы 5 и 6 в это время перекрыты инверсией С - сигнала, сигналом С. Они откроются лишь при С=1, т. е. на срезе С - сигнала, и только тогда S - триггер примет состояние М - триггера. Сказанное иллюстрирует очень важное отличие МS - триггера от триггера . защелки: МS - триггер, собранный по МS . схеме, непрозрачен по управляющим R . и S . выходам ни при С=0, ни при С=1. Каждая ступень его сама по себе прозрачна, но включены ступени последовательно, и какая-нибудь из них всегда оказывается запертой . или синхросигналом, или его отсутствием. Таким образом, в этом МS . триггере при С=1 (и тем более при С=0) никакое изменение на управляющем входе не может само по себе, без переключения С - сигнала, проникнуть на выход. Триггер может изменить состояние выхода только по срезу с . сигнала.
Прозрачность - свойство триггера при активном уровне С – сигнала адекватно в соответствии с его типом (например, RS) отслеживать на выходе все переключения управляющих входов; если это D - триггер, то просто повторять состояния D - входа. Можно сказать, что прозрачный триггер при активном С - уровне ведет себя как асинхронный. Встречающиеся в некоторых источниках термины «триггер, переключаемый уровнем» или «триггер со статическим входом» при их правильном употреблении эквивалентны термину «прозрачный триггер».
Прозрачность в таком понимании может быть лишь свойством триггера, переключаемого передним фронтом С . сигнала, ибо если триггер переключается только на заднем фронте, то для проявления свойства прозрачности у него в силу определения просто не останется времени.
Непрозрачность - свойство триггера даже при активном уроне С – сигнала не передавать на выход изменений управляющих входов, происшедших вскоре после переключающего фронта С - сигнала, вплоть до поступления очередного переключающего фронта. Если переключающий фронт . задний, то сразу после него уровень С - сигнала становится пассивным. Этого уже достаточно, чтобы никакие изменения управляющих уровней, происшедшие вскоре после переключающего фронта, не проникли на выход триггера. Поэтому, чтобы триггер имел статус непрозрачного, от него требуется, чтобы после окончания изменений на входе установившиеся состояния управляющих уровней не попали на выход даже тогда, когда синхросигнал снова станет активным, вплоть до поступления его заднего, т. е. переключающего фронта.
2. Лабораторные задания
Собрать и исследовать схемы синхронных RS, D, триггеров, выбор
конкретных реализаций схем триггеров производится самими обучаемыми.
Отчет по лабораторной работе включает в себя:
- принципиальные электрические схемы исследованных триггеров;
- временные диаграммы работы триггеров.
Рекомендуемая литература.
1. Кузин А.В. Микропроцессорная техника: Учебник для сред.проф.образования/ А.В. Кузин, М.А. Жаворонков. – М.: Издательский центр «Академия», 2011. – 304 с
Практическая работа №8
Тема: Счетчики
Цель работы:Исследование работы счетчиков
• Ознакомиться с назначением и принципом действия счетчиков.
• Ознакомиться с практической схемой двоичного реверсивного счетчика и исследовать его.
•
Содержание работы: Исследование двоичного счетчика в статическом и
динамическом режимах.
Дата добавления: 2019-02-26; просмотров: 326; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!