ГЛАВА 10. ИНТЕГРАЛЬНЫЕ ТРИГГЕРЫ

Общие положения

В отличие от комбинационных логических схем, триггеры[1] – это последовательные схемы, т.е. устройства с памятью. Их выходные сигналы зависят не только от сигналов на входах в данный момент времени, но и от ранее воздействовавших сигналов. Состояние триггера определяется характеристическим уравнением вида

Q^t⁺¹=Q(Х , …Х , Q ^t),

где Q^t⁺¹–значение выходной переменной на t+1 такте работы; Х^t₁, ….Х и Q^t–значения входных и выходной переменных на предшествующем t–такте.

Триггеры выполняют функцию хранения информации и являются ячейками памяти.

Типы триггеров

Следует различать тактируемые и нетактируемые триггеры. Изменение состояния нетактируемого (асинхронного) триггера происходит сразу же после соответствующего изменения потенциалов на его управляющих входах. В тактируемом (синхронном) триггере изменение состояния может произойти только в момент присутствия соответствующего сигнала на тактовом входе.

Тактирование может осуществляться импульсом (потенциалом) или фронтом (перепадом потенциала). Поэтому различают триггеры со статическим и динамическим управлением. В первом случае сигналы на управляющих входах оказывают влияние на состояние триггера только при разрешающем потенциале на тактовом входе. Во втором случае воздействие управляющих сигналов проявляется только в момент перехода единица - нуль или нуль - единица на тактовом входе.

Существуют универсальные триггеры, которые могут работать как в тактируемом, так и в нетактируемом режиме.

В зависимости от функционального назначения, которое определяет способ записи информации, триггеры можно разделить на несколько типов:

1) RS - триггеры;

2) D - триггеры;

3) JK - триггеры;

4) T - триггеры.

На основе триггеров строятся счетчики, регистры, элементы памяти, которые составляют основу ЦВМ.

10.3. RS-триггер

RS-триггер имеет два управляющих входа – S и R: потенциал “единица” на входе S (при R=0) устанавливает триггер в единицу (Q=1). Входы S и R названы по первым буквам английских слов set - установка и reset- предустановка. Существуют разновидности RS-триггера, носящие название Е-, R- и S-триггеров, для которых сочетание S=1 и R=1 не является запрещенным. Е- триггер при сочетании входных сигналов S_Е=1 и R_Е=1 не изменяет своего состояния (Q_n=Q_n_-1). R- и S-триггеры при наличии единицы на обоих управляющих входах устанавливаются в нуль или единицу.

RS - асинхронный триггер. Триггер имеет два входа: S и R, а также два выхода: Q – прямой и`Q – инверсный (Quit – выход), состояния которых всегда противоположны. Состояние триггера определяется по прямому выходу. Сигнал установки S записывает в триггер единицу, а сигнал сброса R – нуль.

RS - триггер может быть реализован на элементах ИЛИ-НЕ (рис. 10.1) или И-НЕ (10.2) в соответствии с характеристическим уравнением

= .

Рис. 10.1

Рис. 10.2

Из диаграмм и табл. 10.1 состояния асинхронного RS - триггера следует, что RS - триггер, выполненный на элементах ИЛИ–НЕ, управляется прямыми (единичными) сигналами, а триггер на элементах И-НЕ– инверсными (нулевыми) сигналами. Если на оба входа R и S поданы нули (ИЛИ-НЕ) или единицы (И-НЕ) триггер переходит в режим хранения информации, сохраняя состояние, в которое он был приведен в предыдущем такте.

Табл. 10.1

				Режим
				Запись 1 Запись 0 Хранение Разрыв триггерных связей

При подаче на оба входа R и S единиц (ИЛИ – НЕ) или нулей (И – НЕ), на выходах Q и будут либо нули (ИЛИ – НЕ) либо единицы (И – НЕ) и состояние триггера является запрещенным. После такой комбинации управляющих сигналов состояние триггера будет неопределенным. В этом режиме происходит разрыв триггерных связей, и триггер представляет собой два инвертора. Если затем состояния входов изменить на противоположное (режим хранения), то состояние выходов будет неопределенным (либо 0 и 1, либо 1 и 0). Допустимость такой ситуации определяется в каждом конкретном случае.

Синхронные RS - триггеры. Синхронный RS - триггер отличается от асинхронного тем, что изменение его состояния может происходить только при поступлении тактового импульса на синхронизирующий вход C (Сlock – синхронизировать).

Характеристическое уравнение триггера имеет вид

Рис. 10.3

Синтезированная по данному уравнению схема триггера (рис.10.3) включает в себя асинхронный RS - триггер и элементы управления им, а также дополнительные входы начальной установки и .

Состояния синхронного RS - триггера даны в табл. 10.2 (символ ´ обозначает произвольный сигнал).

Таблица 10.2

C				Режим
	Х	Х		Хранение Хранение Запись 0 Запись 1 Разрыв триггерных связей

Каждый из информационных входов связан с тактовой операцией, поэтому информация в асинхронный триггер может быть передана только при C=1. При C=0 промежуточные сигналы =1, триггер находится в режиме хранения информации, а состояние входов S и R безразлично. С приходомтактового импульса (C=1) единичный сигнал на входе S или R формирует нулевой промежуточный сигнал или , соответственно, и триггер переключается в надлежащее состояние. В результате информация со входов S и R переписывается на выходы Q и , соответственно. По окончании тактового импульса (C=0) триггер переходит в режим хранения информации.

Комбинация входных сигналов S = R = 1 при C = 1 недопустима, так как промежуточные сигналы = 0, и происходит разрыв триггерных связей. В этом случае по окончании тактового импульса (C = 0) состояние триггера будет неопределенным.

Данный RS - триггер является триггером со статическим управлением, в котором смена сигналов на информационных входах должна происходить только в паузах между тактовыми импульсами.

Дальнейшее развитие RS - триггеры получили в виде RS - триггеров с динамическим управлением, эквивалентная схема которых и условное графическое обозначение приведены на рис. 10.4. Они относятся к типу синхронных двухступенчатых MS–триггеров (Master–ведущий, Slave–ведомый). Эквивалентная схема (рис.10.4) содержит ведущий – М (с выходами и ) и ведомый – S (с выходами Q и ) синхронные триггеры.

Рис. 10.4

Во время действия тактового импульса (C = 1) входная информация записывается на выходы и ведущеготриггера, при этом ведомый триггер находится в режиме хранения информации предыдущего такта. По окончании тактового импульса (C = 0) ведущий триггер переходит в режим хранения, а ведомый – в режим записи, и информация с выходов и записывается на выходы Q и . Таким образом, изменение состояния выходов Q и происходит по отрицательному перепаду тактового сигнала, то есть по переходу его из 1 в 0. Поэтому в триггере с динамическим управлением смена информации на его входах может происходить как в паузах, так и во время действия тактовых сигналов.

10.4. D-триггеры

D-триггеры при разрешающем сигнале на тактовом входе устанавливается в состояние, соответствующее потенциалу на входе D. Если обозначать выходной сигнал триггера буквой Q, то для D-триггера можно написать следующее равенство: Q_n=D_n_-1(индексы n и n-1 определяют состояние триггера не сразу после изменения входного сигнала D, а только с приходом разрешающего тактового сигнала на С-вход). Тактирование D-триггера может осуществляться импульсом или фронтом. В тактируемом фронтом D-триггере изменение потенциала на входе D, синхронное с тактовыми импульсами, повторяется на выходе Q с задержкой на один период тактовых импульсов (отсюда еще одно название - триггер задержки), а буква D в названии триггера – это начальная буква слова Delay–задержка.

Рис. 10.5

Рис. 10.6

Асинхронный D - триггер. Основой D - триггера является RS триггер, у которого выполняется условие несовпадения управляющих сигналов, а управляющий вход у триггера один (рис.10.5). Диаграммы работы представлены на рис.10.6.

Синхронный D-триггер со статическим управлением. D - триггер имеет два входа: информационный вход D и синхронизирующий вход C. Особенность этого типа триггеров в том, что сигнал на выходе Q в t + 1 такте повторяет входной сигнал D ^tпредыдущего t такта, то есть D - триггер задерживает на один такт информацию, существовавшую на входе D.

Эквивалентные схемы D-триггеров со статическим и динамическим управлением, условные графические обозначения и диаграммы даны на рис.10.7, 10.8, а их состояния–в табл. 10.3, 10.4 соответственно.

Рис. 10.7

Рис. 10.8

Как следует из приведенных схем D - триггеры могут быть реализованы на RS - триггерах путем подачи на входы R сигналов, инверсных сигналам на входах S. Кроме входов D и C D - триггеры имеют, как правило, входы начальной установки и (рис.10.8).

Таблица 10.3

			Режим
	Х		Хранение Запись 0 Запись 1

Таблица 10.4

					Режим
		Х Х Х	Х Х Х		Асинхронная запись 1 Асинхронная запись 0 Разрыв триггерных связей Запись 1 Запись 0

При С = 0 триггер находится в режиме хранения информации. С приходом тактового импульса (при статическом управлении) или при его перепаде (при динамическом управлении) сигнал с информационного входа D записывается на выход Q и хранится до следующего тактового импульса. На вход С подаются импульсы постоянной частоты, которая выбирается высокой по сравнению с частотой изменения сигнала на входе D. В серии 155 выпускается 2 типа D-триггеров со статическим управлением: К155ТМ7, К155ТМ5.

В серии 155 выпускается D - триггер с динамическим управлением (K155TM2). Значок > на входе C говорит о том, что синхронизация триггера осуществляется по переднему фронту импульса синхронизации, подаваемого на вход C. Если применяется значок <, то синхронизация осуществляется по спаду импульса синхронизации.

10.5. JK-триггер

JK-триггер имеет два управляющих входа J и K - это входы установки триггера в единицу и нуль. В отличие от RS-триггера, в JK-триггере наличие двух единичных управляющих сигналов (J=K=1) приводит к переходу триггера в противоположное состояние, т. е. в данном случае JK-триггер работает как Т-триггер. JK-триггеры тактируются только перепадом потенциала на тактовом входе. Находят применение также JK-триггеры, которые изменяют свои состояния под воздействием перепадов сигналов на входах J и K. JK-триггеры относятся к синхронным двухступенчатым MS-триггерам. Буква J обозначает слово Jump – прыжок, K– Keep – держать. Выпускается триггер К155ТВ1, он является универсальным.

Рис. 10.9

JK-триггер выполняют по двухступенчатой структуре (рис. 10.9), если установить соответствующие логические цепи на входе триггера первой ступени. В данном случае S₁=J и R₁=KQ. Если J=1 и K=0, то при Q=0 получим S₁=1; и по окончании первого тактового импульса триггер установится в единицу (Q=1). При J=1, K=0 и Q=1 оба входных сигнала триггера первой ступени S₁ и R₁ будут равны нулю и соответственно весь двухступенчатый триггер не будет изменять своего состояния при приходе тактовых импульсов. Подобным же образом по отношению к состоянию Q=0 действует сигнал “единица” на входе K при J=0.

Практически микросхемы триггеров обычно содержат различные вспомогательные входы. Так в JK- триггере кроме тактируемых входов J и K имеются также нетактируемые инверсные входы S и R. Для того чтобы упростить построение счетчиков, в этих триггерах предусмотрено по три входа J и K, объединенных посредством ячеек & (J=J₁J₂J₃, K=K₁K₂K₃).

Синхронный JK–триггер. Эквивалентная схема, условное графическое обозначение и диаграммы работы триггера приведены на рис. 10.10. Значок на входе C говорит о том, что синхронизация триггера осуществляется по спаду импульса синхронизации, т.е. при С=1®0: Q – var. В табл. 10.5 приведены его состояния при различных комбинациях входных сигналов. JK - триггер может быть получен из RS - триггера MS - типа введением обратных связей, дополнительных входов J и K, а также входов начальной установки и .

Рис. 10.10

Состояния триггера определяются комбинацией сигналов на информационных входах. Асинхронный режим работы задается сигналами и . Состояние остальных входов произвольное. В синхронном режиме 1 и состояние триггера зависит от сигналов J и K. Если J=K=1, то с приходом каждого синхроимпульса триггер изменяет свое состояние на противоположное.

JK - триггеры универсальны, так как, во-первых, они легко преобразуются в триггеры других типов путем соответствующей коммутации входов (рис.10.10), во-вторых, служат основой для построения различных схем: счетчиков, регистров, делителей частоты и т.п.

Таблица 10.5

						Режим
		Х Х Х	Х Х Х	Х Х Х		Асинхронная запись 1 Асинхронная запись 0 Разрыв триггерных связей Запись1 Запись 0 Хранение Переключение

На рис. 10.11 даны варианты применения JK – триггеров: а – асинхронный RS – триггер; б – синхронный RS – триггер; в – D – триггер; г – Т – триггер.

Рис. 10.1

10.6. Т-триггер или счетный триггер

Т-триггер или счетный триггер срабатывает только по соответствующему фронту на тактовом входе, т. е. Т-триггеры бывают только тактируемые фронтом. Кроме тактового входа, Т-триггер может иметь один логический вход T (Toggle – кривошип). Сигнал на этом входе разрешает или запрещает срабатывание триггера от фронтов импульсов, приходящих на тактовый вход. Частота изменения потенциала на выходе Т-триггера в два раза меньше частоты импульсов на его тактовом входе. Это свойство Т-триггеров позволяет строить на их основе двоичные счетчики. Поэтому эти триггеры и называются счетными. Если в Т-триггере отсутствует управляющий вход, то он срабатывает на каждый соответствующий перепад на тактовом входе. T - триггеры (или счетные триггеры) имеют и могут быть выполнены в синхронном и асинхронном вариантах.

Синхронный T- триггер может быть построен на JK - триггере путем объединения входов J и K, выполняющих роль логического входа Т, и подачей на вход синхронизации С счетных импульсов.

Асинхронный T - триггер также может быть построен на JK-триггере при J=K=1 и использовании входа синхронизации С в качестве логического входа Т (рис.10.11, г), а также из D-триггера соединением входа D с инверсным выходом и подачей счетных импульсов на вход синхронизации С (рис.10.12).

Очень важным параметром триггера является максимальная частота переключения (проверяется в режиме T). Триггеры ТТЛ – типа серии К155 могут переключаться с частотой до 10 МГц, триггеры КМОП –типа –3¸ 5МГц. Правда новые КМОП – триггера (серия К543) могут переключаться до 130 МГц (ТВ1 – до 25 МГц).

Рис. 10.1

Контрольные вопросы

1. Определите понятие триггер.

2. Приведите характеристическое уравнение триггера.

3. Перечислите типы триггеров.

4. Определите функциональные возможности RS - триггеров. Опишите его работу, временные диаграммы, таблицу истинности.

5.Определите функциональные возможности D – триггеров. Опишите его работу, временные диаграммы, таблицу истинности.

6. Определите функциональные возможности JK – триггеров. Опишите его работу, временные диаграммы, таблицу истинности.

7.Определите функциональные возможности T - триггеров. Опишите его работу, временные диаграммы, таблицу истинности.

⇐ Предыдущая 6 7 8 9 101112 13 14 15 Следующая ⇒