Трехразрядный реверсивный счетчик с последовательным переносом
Рассмотрим трехразрядный реверсивный счетчик с последовательным переносом (рис. 3.70).
В режиме вычитания входные сигналы должны подаваться на вход Тв. На вход Тс при этом подается сигнал логического 0. Пусть все триггеры находятся в состоянии 111. Когда первый сигнал поступает на вход Тв, на входе Т первого триггера появляется логическая 1, и он изменяет свое состояние. После этого на его инверсном входе возникает сигнал логической 1.
При поступлении второго импульса на вход Тв на входе второго триггера появится логическая 1, поэтому второй триггер изменит свое состояние (первый триггер также изменит свое состояние по приходу второго импульса). Дальнейшее изменение состояния происходит аналогично. В режиме сложения счетчик работает аналогично 4-разрядному суммирующему счетчику. При этом сигнал подается на вход Тс. На вход Тв подается логический 0. В качестве примера рассмотрим микросхемы реверсивных счетчиков (рис: 3.71) с параллельным переносом серии 155 (ТТЛ):
- ИЕ6 — двоично-десятичный реверсивный счетчик;
- ИЕ7 — двоичный реверсивный счетчик.
Направление счета определяется тем, на какой вывод (5 или 4) подаются импульсы. Входы 1, 9, 10, 15 — информационные, а вход 11 используется для предварительной записи. Эти 5 входов позволяют осуществить предварительную запись в счетчик (предустановку). Для этого нужно подать соответствующие данные на информационные входы, а затем подать импульс записи низкого уровня на вход 11, и счетчик запомнит число.
Вход 14 — вход установки О при подаче высокого уровня напряжения. Для построения счетчиков большей разрядности используются выходы прямого и обратного переноса (выводы 12 и 13 соответственно). С вывода 12 сигнал должен подаваться на вход прямого счета следующего каскада, а с 13 — на вход обратного счета.
Описание и принцип работы
В широком смысле триггером (от английского trigger — спусковой крючок, запускающий механизм) называют любой импульс или событие, ставшее причиной чего-либо. Термин применяют в электронике, психологии, медицине, программировании и других областях деятельности. В создании микросхем и других устройств так называют элемент, который способен принимать одно из двух стойких состояний (0 или 1) и сохранять их в течение долгого времени.
Положение триггера зависит от получаемых им сигналов на прямом и инверсном выходах. Отличительной чертой устройства является то, что его переход из одной позиции в другую обусловлен не только получением внешних инструкций, поступающих от выбранной системы управления, но и посредством обратной связи. То есть текущее положение элемента зависит от предыстории его работы.
Триггеры могут сохранять свою память только при постоянном поступлении напряжения. Если его отключить, а затем снова подключить, устройство перейдёт в случайное состояние
Поэтому при конструировании устройства важно предусмотреть способ, которым он изначально будет вводиться в правильное положение
В основе любого триггера лежит схема, которая состоит из двух логических элементов типа И-НЕ либо ИЛИ-НЕ, имеющих друг с другом обратную положительную связь. Такой тип подключения позволяет системе иметь всего два возможных устойчивых состояния, из которых выбирается одно
Важной деталью является то, что после того как триггер перешёл в положение, он может сохранять его сколько угодно времени, до тех пор, пока не будет подан очередной управляющий сигнал
Другой характерной особенностью устройств является возможность мгновенного осуществления перехода от одного состояния в другое после получения соответствующей команды. Задержка настолько мала, что её можно не учитывать при проведении расчётов.
Число входов может быть разным и зависит от требуемых функций. Если подать сигнал одновременно на два из них, то он примет произвольную позицию после прекращения их поступления. По своим функциям входы делятся на несколько типов, которые входят в две большие группы: информационные и управляющие. Первые из них получают сигналы и запоминают их в виде информации, в то время как вторые разрешают или запрещают её запись, а также выполняют функцию синхронизации. На схемах они имеют следующие обозначения:
- S — устанавливает триггер в состояние «1» на прямом выходе;
- R — противоположен S, сбрасывает состояние обратно на «0»;
- С — вход синхронизации;
- D — принимает информацию для последующего занесения на триггер;
- T — счётный вход.
D — триггеры.
Для использования триггеров в реальных счетных устройствах, необходимо иметь возможность дополнительного управления их состояниями — предустановки, обнуления, активации с помощью счетного тактового импульса. Что бы осуществить эту операцию в схему счетного триггера добавляется еще три входа. PRESET(PR) — восстанавливает на выходе триггера состояние 1, а СLEAR(CL) — состояние 0. С помощью тактового входа Т осуществляется общая синхронизация триггера, относительно других элементов схемы счетного устройства. Импульс поступающий на счетный вход D меняет состояние триггера, только при наличии 1 на тактовом входе.
Что такое триггер?
Триггерами называют целый класс электронных устройств, которые имеют такое свойство, как длительное нахождение в одном из двух устойчивых состояний. Чередование осуществляется под воздействием внешних сигналов. Текущее состояние триггера с легкостью распознаётся благодаря наличию выходного напряжения. Отличительной способностью всего класса является свойство запоминать двоичную информацию. Тут возникает вопрос: есть ли у триггеров память? В обычном понимании нет. Но, тем не менее, они остаются в одном из 2 состояний, причем и после прекращения подачи сигнала. Благодаря этой особенности и считается, что они могут запоминать двоичную информацию.
При изготовлении триггеров на данный момент применяют полупроводниковые приборы (обычно полевые и биполярные транзисторы). Раньше использовали электронные лампы и электромагнитные реле. Своё применение триггеры нашли в интеграционных средах разработки, которые создаются для различных программируемых логических интегральных схем. Если говорить конкретнее, то их используют, чтобы организовать компоненты вычислительных систем: счетчики, регистры, процессоры и ОЗУ.
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.
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.
Виды D триггера
Умная розетка с wi fi управлением
Типовые решения с применением представленных логических элементов рассмотрены ниже. Допустимы другие комбинации для удвоения частоты и решения других задач.
D-триггер синхронный
Рассмотрим на упрощенном примере основы функционирования. Для этого уберем сервисные входы. Диаграммы демонстрируют изменение сигналов при разных комбинациях управления. В таблице показаны состояния для записи единиц и нулей, а также в режиме хранения.
D триггер: таблица истинности, схема, временные графики
Если подать на С единицу (ноль), изменение на D сопровождается появлением аналогичного сигнала на выходе Q
Следует обратить внимание на временные задержки. Пока синхронизация отсутствует, изделие не срабатывает, вне зависимости от состояния информационного входа
В соответствующих режимах:
- Запоминается предыдущее состояние на выходе;
- Обеспечивается «прозрачность» – практически мгновенное повторение входных значений;
- Фиксируется выходной сигнал («защелкивается»), когда сигнала С нет.
D-триггер двухступенчатый
В таких схемах объединяют последовательно два триггера. Первый – настраивают по увеличению входного сигнала. Второй – по спаду. Как видно на рисунке, состояние изменяется не одновременно с появлением новой информации, а с определенной временной задержкой, длительность которой равна одному полному рабочему циклу сигнала синхронизации.
Схема и временная диаграмма двухступенчатого триггера
Классификация
RS триггер
Изделия этой категории разделены на две основные группы по принципу сигналов управления. В первой – формируется заданная последовательность выходных сигналов, если установлено состояние «1». После переходе в «0» генерация прекращается. Вторая – способна переключать выходное напряжение соответствующим образом. Как правило, «1» примерно соответствует уровню источника питания.
Также триггеры различают по следующим параметрам:
- синхронность рабочих циклов;
- статические (динамические) способы управления;
- сложность логических схем;
- одно,- или двухступенчатые.
Триггеры на логических элементах и на операционном усилителе
Для реализации статических триггеров хорошо подходит схема усилителя с двумя каскадами. Связь между ними организуют прямую либо с ограничительными резисторами в соответствующих цепях.
Триггер на логических элементах
Триггер (Trigger) Шмитта
Изделия этой категории могут быть созданы с применением разной элементной базы. В данном разделе рассмотрен триггер Шмитта на транзисторах. Он управляется изменением аналогового сигнала. В зависимости от уровня напряжения, выполняется переключение состояния памяти в соответствующее положение «0» или «1».
Триггер Шмидта на транзисторах с подключенной нагрузкой
Классификация
Если стандартные логические элементы являются строительными блоками комбинационных схем, бистабильные схемы, включая и RS-триггер, являются основными компонентами построения последовательностных логических устройств, таких, как регистры хранения данных, регистры сдвига, устройства памяти или счетчики. В любом случае рассматриваемые триггеры (разумеется, как и все последовательностные схемы) могут быть выполнены в виде следующих основных типов:
1. Асинхронный RS-триггер – схема, которая изменяет состояние сразу при изменении входных сигналов. Для рассматриваемого типа устройств ими являются сигналы на информационных входах R (сброс) и S (установка). Согласно установившейся практике, соответствующие входы называют так же, как и сигналы на них.
2. Синхронный RS-триггер, управляемый статически, работа которого синхронизирована с уровнем определенного тактового сигнала.
3. Триггер по п.2 с динамическим управлением, работа которого синхронизирована с моментами появления фронтов (или спадов) тактового сигнала.
Таким образом, если изменения состояния выходов происходят только при наличии тактового сигнала, который подается на отдельный тактовый вход C, то триггер является синхронным. В противном случае схема считается асинхронной. Чтобы сохранить свое текущее состояние, последовательностные схемы используют обратную связь, т. е. передачу части выходного сигнала на ее вход.
Когда стоит купить?
Квартира с общедомовой системой сбора показаний. В таких домах еще при строительстве установили разъемы для подключения импульсных счетчиков. Поэтому не придется покупать дополнительное оборудование и возиться с его настройкой. Необходимо просто подключить счетчики, и показания будут передаваться в УК автоматически.
- «Умный» дом. Данные со всех счетчиков собираются в системе управления домом. Она автоматически передаст показания, или напомнит сделать это вручную, если УК не предоставляет такой возможности.
- Дача и загородный дом. Тут есть сразу несколько вариантов использования.
- Если забыть снять показания приборов, придется лишний раз ехать за город, либо платить за расход воды по нормативу. Удаленное снятие показаний решит эту проблему.
- Счетчик воды установлен в неудобном месте – подвальное помещение, на улице или просто труднодоступное место. В этом случае можно вынести дисплей с данными в удобное помещение.
- Можно установить систему для контроля протечек воды. Очень полезно для домов, где долгое время никто не живет.
Что такое триггер
Чтобы узнать, что такое триггер и разобраться во всём, что касается этих устройств, нужно начать с понятия. Слово “Триггер” произошло от английского “trigger” и обозначает цифровое устройство, который имеет только два состояния – 0 и 1. Переход от одного значения к другому происходит с огромной скоростью, и временем этих переходов обычно пренебрегают.
Триггер – это основной элемент системы большинства запоминающих устройств. Они могут быть использованы для хранения информации. Но объём памяти крайне мал, так что там можно держать разве что коды, биты и сигналы.
Память свою триггеры могут сохранять только при наличии питающего напряжения. Из этого следует, что их всё-таки стоит относить к оперативной памяти. Перезапустить питающее напряжение – и триггер будет в одном из двух состояний. То есть иметь или логический ноль, или логическую единицу, и состояние это будет выбрано случайно. Исходя из этой особенности, при проектировании схемы нужно заранее обозначить, как триггер будет возвращаться в стартовое состояние.
Схема, состоящая из двух логических состояний «И-НЕ» или «ИЛИ-НЕ», которые охвачены обратной положительной связью, лежит в основе построения всех триггеров. При подключении схема может пребывать только в одном из двух устойчивых состояний. Если не будет никаких сигналов, то триггер будет сохранять именно заданное состояние и не менять его, пока будет питание.
Триггерные ячейки
Схема имеет два инверсионных входа: Сброс – R (Reset) и установка S (Set). Так же имеются два выхода: Q – прямой и –Q – инверсный. Чтобы триггерная ячейка работала правильно, должно выполниться одно правило. На выходы ячейки не могут в один момент поступить отрицательные импульсы.
На выход –R поступает импульс при одном сигнале на вход –S. Выход –Q тогда оказывается в состоянии «1», выход Q будет в состоянии «0». Обратная связь создаёт переход сигнала «0» на второй вход на нижнем элементе. Когда поступление сигнала на –R прекратится, состояние сигналов на выходах будет тем же – Q (0), –Q (1). Таким образом, схема будет находиться в состоянии стабильности, потому что при подаче импульса на –R, состояние на выходе не изменится.
Это же состояние будет у системы, если на – R подаётся «1», и на вход – S – «0». Тогда на выходе Q будет «1», на -Q — «0». Система будет стабильна, вне зависимости от подачи импульсов на входе – S.
Одновременно подав на каждый вход сигналы, на каждом выходе в течение их действия и будет по одному сигналу. Как только подача импульсов прекратится, выходы сами перейдут в одно из двух возможных состояний. Это произойдёт случайно. Триггерная ячейка при включении выберет себе одно из двух устойчивых положений. Так же случайно.
Двоичные асинхронные счётчики
Простейший вид счётчика — двоичный может быть построен на основе T-триггера. T-триггер изменяет своё состояние на
прямо противоположное при поступлении на его вход синхронизации импульсов. Для реализации T-триггера воспользуемся универсальным
D-триггером с обратной связью, как это показано на рисунке 1.
Так как схема T-триггера при поступлении на вход импульсов меняет свое
состояние на противоположное, то её можно рассматривать как счётчик, считающий до двух. Временные диаграммы сигналов на входе и
выходах T-триггера приведены на рисунке 2.
Обычно требуется посчитать большее количество импульсов. В этом случае можно использовать выходной сигнал первого счетного
триггера как входной сигнал для следующего триггера, то есть соединить триггеры
последовательно. Так можно построить любой счётчик, считающий до максимального числа, кратного степени два. Такой счетчик
называется двоичным счетчиком, а тот факт, что состояние триггеров меняется на противоположное в различные моменты времени
по мере распространения цифрового сигнала, отображается термином: асинхронный двоичный счетчик.
Схема счётчика, позволяющего посчитать любое количество импульсов, меньшее шестнадцати, приведена на
рисунке 3. Количество поступивших на вход импульсов можно узнать, подключившись к выходам счётчика Q0 … Q3.
Это число будет представлено в двоичном коде.
Для того чтобы разобраться, как работает схема двоичного счётчика, воспользуемся временными диаграммами сигналов на
входе и выходах этой схемы, приведёнными на рисунке 4.
Пусть первоначальное состояние всех триггеров счётчика будет нулевым. Это состояние мы видим на временных диаграммах.
Запишем его в таблицу 1. После поступления на вход счётчика тактового импульса (который воспринимается по заднему
фронту) первый триггер изменяет своё состояние на противоположное, то есть единицу.
Запишем новое состояние выходов счётчика в ту же самую таблицу. Так как по приходу первого импульса
изменилось состояние первого триггера, то этот триггер содержит младший разряд двоичного числа (единицы). В
таблице поместим его значение на самом правом месте, как это принято при записи любых многоразрядных чисел.
Здесь мы впервые сталкиваемся с противоречием правил записи чисел и правил распространения сигналов на
принципиальных схемах.
Подадим на вход счётчика ещё один тактовый импульс. Значение первого триггера снова изменится на прямо
противоположное. На этот раз на выходе первого триггера, а значит и на входе второго триггера сформируется
задний фронт. Это означает, что второй триггер тоже изменит своё состояние на противоположное. Это отчётливо
видно на временных диаграммах, приведённых на рисунке 4. Запишем новое состояние выходов счётчика в
таблицу 1. В этой строке таблицы образовалось двоичное число 2. Оно совпадает с номером входного импульса.
Продолжая анализировать временную диаграмму, можно определить, что на выходах приведённой схемы счётчика
последовательно появляются цифры от 0 до 15. Эти цифры записаны в двоичном виде. При поступлении на счётный
вход счётчика очередного импульса, содержимое его триггеров увеличивается на 1. Поэтому такие счётчики
получили название суммирующих двоичных счётчиков.
Таблица 1. Изменение уровней на выходе суммирующего счётчика при поступлении на его вход импульсов.
| номер входного импульса | Q3 | Q2 | Q1 | Q0 |
| 1 | 1 | |||
| 2 | 1 | |||
| 3 | 1 | 1 | ||
| 4 | 1 | |||
| 5 | 1 | 1 | ||
| 6 | 1 | 1 | ||
| 7 | 1 | 1 | 1 | |
| 8 | 1 | |||
| 9 | 1 | 1 | ||
| 10 | 1 | 1 | ||
| 11 | 1 | 1 | 1 | |
| 12 | 1 | 1 | ||
| 13 | 1 | 1 | 1 | |
| 14 | 1 | 1 | 1 | |
| 15 | 1 | 1 | 1 | 1 |
Условно-графическое обозначение суммирующего двоичного счетчика на принципиальных схемах приведено на
рисунке 5. В двоичных счётчиках обычно предусматривают вход обнуления микросхемы R, который позволяет
записать во все триггеры счётчика нулевое значение. Это состояние иногда называют исходным состоянием
счётчика.
Типы триггеров
В следующих разделах представлены принципы функционирования стандартных устройств. Они могут работать автономно либо в различных комбинациях. Сочетания триггеров в электронике применяют для построения сложных логических схем.
Что такое trigger RS типа
Эти элементы делят на группы по способам управления. Для удобства здесь и далее пояснения сделаны с помощью логических компонентов. При необходимости можно собрать аналогичный триггер на реле или транзисторах.
RS-триггер асинхронный
Работоспособную схему можно собрать из двух типовых элементов «И-НЕ».
Схемотехника, таблица состояний, графики сигналов
RS-триггер синхронный
В этой схеме при подаче «1» на С устройство обеспечивает режим «прозрачности». Изменения на входах R и S с минимальной внутренней задержкой отображаются в промежуточных точках /R и /S. После установки управляющего сигнала «0» включается хранение данных.
Переключение состояний происходит только при наличии управляющего (тактового) сигнала
D-триггер синхронный
На графиках работы видно, что изменение выходного сигнала происходит только при наличии «1» на входе С. Данные сохраняются в неизменном состоянии до поступления следующего импульса синхронизации. В этом цикле обеспечивается беспрепятственная проводимость данных.
Эти устройства имеют отдельный вход для информационных сигналов
D-триггер двухступенчатый
Как и в предыдущем примере, здесь используется один канал поступления данных – D. На схеме показано, как создано более сложное устройство из двух одноступенчатых блоков.
Двухступенчатая «защелка» с управлением синхроимпульсом
T-триггер синхронный
Такие устройства подходят для двукратного уменьшения частоты. На картинке показаны счетчики, собранные на базе триггеров RS и D типа.
Один выходной сигнал формируется на каждые два синхроимпульса
JK-триггер
Рабочие циклы этого устройства аналогичны рассмотренному выше триггеру типа RS. Главное отличие – изменение выходного сигнала на противоположное значение (инверсия) выходного сигнала после подачи «1» на K и J одновременно. Следует подчеркнуть отсутствие запрещенных комбинаций в информационных каналах.
Схема, собранная на элементах «И-НЕ»
Универсальный триггер
JK-триггер
JK-триггером называют автомат Мура с двумя устойчивыми состояниями и двумя входами J и K, который при условии J * K = 1 осуществляет инверсию предыдущего состояния (т.е. при J*K=1, Q(t+1) = Q(t)), а в остальных случаях функционируют в соответствии с таблицей истинности RS триггера, при этом вход J эквивалентен входу S, а вход K — входу R. Этот триггер уже не имеет запрещенной комбинации входных сигналов и его таблица истинности, то есть зависимость Q(t+1) = f имеет вид:
Таблица истинности JK-триггера:
| J | K | Q(t) | Q(t+1) |
По этой таблице можно построить диаграмму Вейча для Q(t+1), которую можно использовать для минимизации, и матрицу переходов:
| KQ(t) |
| J |
Матрица переходов JK-триггера:
| J | K | Q(t) | Q(t+1) |
| b1 | |||
| b2 | |||
| b3 | |||
| b4 |
| ____ | _ | |||
| Q(t+1) = J* | Q(t) | v | K | *Q(t) |
В интегральной схемотехнике применяются только тактируемые (синхронные) JK триггера, которые при C=0 сохраняют свое состояние, а при C=1 работают как асинхронные JK триггера.
Триггер JK относится к разряду универсальных триггеров, поскольку на его основе путем несложной внешней коммутации можно построить RS-, D— и T— триггера. RS-триггер получается из триггера JK простым наложением ограничения на комбинацию входных сигналов J=K=1, так как эта комбинация является запрещенной для RS триггера.
Счетный триггер на основе JK триггера получается путем объединения входов J и K.
Триггер задержки (D-триггер) строится путем подключения к входу K инвертора, на который подается тот же сигнал, что и на вход J. В этом случае вход J выполняет функцию входа D, а все устройство в целом реализует таблицу переходов D-триггера.
Лекция 6. Структурная схема конечного автомата
В структурной теории автомат представляют в виде композиции двух частей: запоминающей части, состоящей из элементов памяти, и комбинационной части, состоящей из логических элементов:
Комбинационная схема строится на логических элементах, образующих функционально полную систему, а память – на элементарных автоматах, обладающих полной системой переходов и выходов.
Каждое состояние абстрактного автомата ai, где i={0, n}, кодируется в структурных автоматах набором состояний элементов памяти Qi, r={1,R}. Поскольку в качестве элементов памяти используются обычные триггера, то каждое состояние можно закодировать двоичным числом ai = Q1a1Q2a2… Qrar. Здесь аi={0, 1}, a Q – состояние автомата . Отсюда:
| __ | ||
| Qa = | Q | ,еслиa=0 |
| Q | ,еслиa=1 |
Общее число необходимых элементов памяти можно определить из следующего неравенства . Здесь (n+1) – число состояний. Логарифмируя неравенство получим . Здесь ]C [ — означает, что необходимо взять ближайшее целое число, большее или равное C.
В отличии от абстрактного автомата, имеющего один входной и один выходной каналы, на которые поступают сигналы во входном X={x1,x2,…,xm} и выходном Y={y1,y2,…,yk} алфавитах, структурный автомат имеет L входных и Nвыходных каналов. Каждый входной xj и выходной yj сигналы абстрактного автомата могут быть закодированы двоичным набором состояний входных и выходных каналов структурного автомата.
| xi = o1a1 o2a2… oLaL |
| yg = Z1a1Z2a2… ZNaN |
Здесь ofи Zh– состояния входных и выходных каналов соответственно.
Очевидно число каналов L и N можно определить по формулам ; , аналогичным формуле для определения R.
Изменение состояния элементов памяти происходит под действием сигналов U=(U1,U2,…,Ur), поступающих на их входы. Эти сигналы формируются комбинационной схемой II и называются сигналами возбуждения элементарных автоматов. На вход комбинационной схемы II, кроме входного сигнала xj, по цепи обратной связи поступают сигналы Q=(Q1, Q2, …, QR), называемые функцией обратной связи от памяти автомата к комбинационной схеме. Комбинационная схема I служит для формирования выходного сигнала yg, причем в случае автомата Мили на вход этой схемы поступает входной сигнал xj, а в случае автомата Мура – сигнал xj не поступает, так как yg не зависит от xj.
Что такое Д триггер
Триггерами называют устройства, способные длительное время поддерживать определенное состояние на выходе. Как правило, они контролируют соответствующие уровни напряжения. Изменения происходят при определенной комбинации входных сигналов.
Простейшие устройства этой категории создают по схеме RS. Они запоминают состояние сигнала, поданного на один из входов. Чтобы устранить процесс сбоев, который вызывают паразитные колебания при переходе сигнала из ноля в единицу и обратно, применяют синхронизацию. Этим дополнительным сигналом устанавливают точное время (интервал) для возможных изменений.
В обозначении Д триггера отмечена главная особенность. Буквой «Д» (D лат.) маркируют вход, на который подают информационный сигнал. Другой («С») используют для синхронизации записи. Отсутствие активности на нем исключает изменение базового состояния. Такое решение, в отличие от RS, позволяет изменять состояние с применением только одного источника данных.
Схема триггера Шмитта на транзисторах
Для несимметричного триггера Шмитта характерно несколько устойчивых состояний, когда переход из одного в другое происходит лишь при пороговых уровнях. Поэтому для такого триггера Шмитта характерна гистерезисная передаточная характеристика. В нижеприведённой схеме использованы биполярные транзисторы.
На данном чертеже показано, что триггер Шмитта включает в себя транзисторы VT1 и VT2, гальванически связанные между собой посредством резистора R5. Все элементы имеют общую питающую шину. R1 и R2 обеспечивают рабочий режим транзистора VT1. Организован делитель напряжения (два резистора). Конденсатор C1 служит для ускоренного переключения. Временные диаграммы входных и выходных напряжений устройства показаны на рисунке.
При подаче питания к устройству, он переходит в исходное состояние, когда транзистор VT1 закрыт, а VT2 открыт. В таком состоянии на выход устройства поступает некоторое напряжение Uэ, зависящее от элементов обвязки VT2. Имеются два порога срабатывания в триггере Шмитта (эта разность между напряжениями называется шириной петли гистерезиса).
RS-триггеры
Логические устройства вычислительной техники
Что же такое RS-триггеры? В моем понимании — это устройства, которые могут принимать одно из двух состояний. На основании этого можно сделать вывод, что этот логический элемент может хранить один бит информации (грубо говоря, ноль или единицу). Существуют некоторые типы данного вида RS-триггеров. Давайте рассмотрим один из них:
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” логическуюединицу 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.
Из диаграммы видно, что в данном случае срабатывание происходит по переднему фронту (но бывает и по спаду) синхроимпульса.
Передний фронт синхроимпульса – это участок прямоугольного импульса, где происходит его возрастание.
Спад синхроимпульса – это участок спада синхроимпульса.
Именно здесь сделаем небольшое отступление и укажем, что бывают триггеры динамические и статические и соответственно со статическим и динамическим управлением. Чем они отличаются? Объясним максимально просто.
Динамические триггеры – на выходах, которых присутствуют либо непрерывная последовательность импульсов определенной частоты, либо ее отсутствие. (Напоминает управляемый генератор).
Статические триггеры– на выходах которых присутствуют неизменный уровень напряжения, либо его отсутствие.
Со статическим управлением – восприятие сигналов на информационных входах происходит только при подаче на “С” логической единицы (логического нуля).
С динамическим управлением – восприятие сигналов на информационных входах происходят в моменты перепада сигнала на “С”(Передний фронт синхроимпульса или спад синхроимпульса).
Если логические функции входов зависят от его выходов, то целесообразно использовать более рациональную конструкцию элементов.
Схема реализации d-триггера
В отличие от схем RS, данные устройства управляются с применением одного информационного входа. Это удобно, так как в двоичной системе один бит принимает только два значения (ноль или единицу). Кроме экономии проводников, такое решение помогает изменять задержку с применением регулировок частоты синхронизирующего сигнала.
Схема реализации триггера на транзисторах
Вместо рассмотренных выше ТТЛ элементов для создания аналогичного устройства можно применить типовые транзисторы, созданные с применением КМОП технологии. На картинке изображен d триггер, принцип работы которого представлен ниже:
- при отсутствии сигнала на входе C транзистор VT1 находится в закрытом состоянии, не пропускает ток через полупроводниковый затвор;
- в этом состоянии не имеет значения уровень сигнала на D;
- если подать на С единицу, переход откроется;
- инвертор D1 обеспечит передачу на выход Q сигнала;
- два транзистора VT2 и VT3 образуют второй инвертор, который обеспечивает функционирование схемы в режиме типичного D триггера.
Таким образом, как и при работе с элементарными логическими компонентами, здесь данные состояния сохраняются только при нулевом уровне синхронизирующего сигнала. При увеличении его до уровня открытия полупроводникового перехода информация на входе и выходе будет повторяться с минимальной задержкой.
Для объективного анализа схемотехники надо изучить переходные процессы. Дело в том, что базовые для логических уравнений значения (ноль и единица) не всегда способны физически соответствовать идеальным значениям. Допустим, что управляющий сигнал поступает одновременно со сменой информационного. В этом случае триггер переходит в нестабильное состояние.
Ошибки проявляются в сбоях, когда последующие логические элементы ошибочно воспринимают амплитуду входных сигналов. Подобные ошибки могут блокировать полностью работу вычислительных устройств и другой техники.
Паразитные импульсные помехи образуют шумы в радиочастотном диапазоне. Состояние неопределенности увеличивает временные задержки при прохождении сигналов. Чтобы минимизировать вредное влияние и правильно делать конструкторские расчеты, производители триггеров указывают в сопроводительной документации минимальные допустимые параметры:
- setup time – промежуток перед синхронизирующим импульсом;
- hold time – длительность информационного сигнала.
Оценочный параметр MTBF показывает величину, обратно пропорциональную скорости отказов. Им определяют способность триггеров поддерживать стабильность рабочих процессов.
