Классификация триггеров
Лекция Триггеры
Общие понятия
Триггер — простейшее последовательностное устройство, которое может находиться в одном из двух возможных состояний и переходить из одного состояния в другое под воздействием входных сигналов.
Триггер является базовым элементом последовательностных логических устройств. Триггеры нашли широкое распространение в вычислительной технике и составляют от 20 до 40% всего оборудования.
В качестве поясняющего символа для условного обозначения триггера применяют букву Т, которую помещают в верхней части основного поля графического обозначения.
Входы триггера разделяют на информационные и управляющие (вспомогательные). Это разделение в значительной степени условно. Информационные входы используются для управления состоянием триггера. Управляющие входы обычно используются для предварительной установки триггера в некоторое состояние и для синхронизации.
Входы триггера имеют различные обозначения, связанные с выполняемыми ими функциями:
S — вход для установки в состояние «1»; S (от англ. set);
R — вход для установки в состояние «О»; R (от англ. reset);
J— вход для установки в состояние «1» в универсальном триггере;
К — вход для установки в состояние «О» в универсальном триггере;
Т— счетный (общий) вход;
D — вход для установки в состояние «1» или в состояние «О»;
V — дополнительный управляющий вход для разрешения приема информации (иногда используют букву E вместо V).
Выходы триггера обозначают буквами 
Q и 
, тогда если Q соответствует «1», то — нулю и наоборот.
Классификация триггеров
Триггеры классифицируют по различным признакам, поэтому существует достаточно большое число классификаций. К сожалению, эти классификации не образуют стройной системы, но инженеру необходимо их знать.
Триггеры классифицируют по следующим признакам:
• способу приема информации;
По способу приема информации различают асинхронные и синхронные триггеры.
Асинхронный триггер изменяет свое состояние непосредственно в момент появления соответствующего информационного сигнала (рис.1.).
Синхронные триггеры реагируют на информационные сигналы только при наличии соответствующего сигнала на так называемом входе синхронизации С (от англ. clock). Этот вход также обозначают терминами «строб», «такт».
Синхронные триггеры в свою очередь подразделяют на триггеры со статическим (статические) и динамическим (динамические) управлением по входу синхронизации С. Статические триггеры воспринимают информационные сигналы при подаче на вход С логической единицы (прямой вход) или логического нуля (инверсный вход). Динамические триггеры воспринимают информационные сигналы при изменении (перепаде) сигнала на входе С от 0 к 1 (прямой динамический С-вход) или от 1 к 0 (инверсный динамический С-вход).
Статические триггеры в свою очередь подразделяют на одноступенчатые (однотактные) и двухступенчатые (двухтактные). В одноступенчатом триггере имеется одна ступень запоминания информации, а в двухступенчатом — две такие ступени. Вначале информация записывается в первую ступень, а затем переписывается во вторую и появляется на выходе. Двухступенчатый триггер обозначают ТТ.
По функциональным возможностям триггеры разделяют на следующие классы:
• с приемом информации по одному входу D (D-триггеры, или триггеры задержки);
Рассмотрим некоторые типы триггеров и их реализацию на логических элементах.
RS триггеры
Асинхронный RS триггер может быть реализован на двух элементах ИЛИ-НЕ или И-НЕ (рис. 3).
Рис.3. RS – триггеры на логических элементах
Одновременная подача сигналов на оба входа триггера на элементах ИЛИ-НЕ запрещена, так как после нее триггер оказывается в состоянии (1 или 0), предсказать которое заранее невозможно.
В асинхронном RS-триггере на элементах И-НЕ переключение производится логическим «0», подаваемым на вход R или S. Запрещенная комбинация соответствует логическим «0» на обоих входах.
Синхронный RS-триггер, обозначаемый также буквами RST, имеет дополнительный С-вход (от англ. clock — часы), на который подают импульсы синхронизации. Синхронный триггер получают при подключении ко входу асинхронного RS-триггера двух дополнительных элементов «И».
Рис.4. Синхронный RS – триггеры на логических элементах
Если на входе С — логический «0», то и на выходе верхнего входного элемента «И-НЕ», и на выходе нижнего будет логическая «1». А это обеспечивает хранение информации. Таким образом, если на входе С — логический «0», то воздействие на входы R, S не приводит к изменению состояния триггера. Если же на вход синхронизации С подана логическая единица, то схема реагирует на входные сигналы точно так же, как и рассмотренная ранее.
Синхронный RS триггер может изменять свое состояние в любой момент на интервале действия сигнала С=1. Такой триггер называют триггером со статическим входом синхронизации.
Наибольшее практическое распространение получили триггеры с динамическим (импульсным) входом синхронизации. Суть построения такого триггера заключается в обеспечении его переключения лишь на интервале изменения сигнала входа С, т. е. либо по фронту, либо по срезу импульса синхронизации. Такое решение позволяет значительно повысить надежность и помехозащищенность триггерных устройств, так как сводит к минимуму интервал, на котором возможна перезапись информации. Технически указанный режим работы достигается заменой дополнительных логических элементов, вспомогательными RS-триггерами (так называемая схема трех триггеров).
JK-триггер
JK-триггер (от англ. jump и keep), аналогичен RS-триггеру. Он имеет два информационных входа. Роль входов S и R играют соответственно входы J и K.
JK-тритгер имеет три входа: два информационных (J и K) и один синхронизирующий (С).
Отличие JK-триггера от RS-триггера заключается в том, что при наличии «1» на обоих входах (такая комбинация сигналов для JK-триггера не является запрещенной) его состояние переходит из предыдущего в последующее, т.е. если он находился в состоянии «0», то перейдет в состояние «1» и наоборот.
JK-триггер считается универсальным, на его базе путем ввода обратных связей можно получить другие виды триггеров.
Он легко реализуется на двух RST-триггерах с обратными связями.
D-триггер
D-триггер (от англ. delay— задержка), повторяет на своем выходе состояние входа и формирует выходной сигнал на Q-выходе с задержкой относительно управляющего воздействия на D-входе. Для этого его снабжают С-входом, возбуждение которого (статическое или импульсное) позволяет переключать триггер в состояние, соответствующее сигналу на D-входе.
Его можно образовать из любых RS- или JK-триггеров, если на их входы одновременно подавать взаимно инверсные сигналы. Хранение информации в D-триггерах обеспечивается за счет синхронизации, поэтому все реальные D-триггеры имеют два входа: информационный D и синхронизации С.
В этом триггере сигнал на входе по сигналу синхронизации записывается и передается на выход. Так как информация на выходе остается неизменной до прихода очередного импульса синхронизации, D-триггер называют также триггером с запоминанием информации или триггером-защелкой, триггером задержки. Триггер повторяет информационный сигнал только тогда, когда присутствует тактовый импульс «С» независимо от предыдущего состояния.
Т-триггер
Т-триггер (от англ. tumbler — опрокидыватель) изменяет свое логическое состояние на противоположное по каждому активному сигналу на информационном входе Т.
В этом триггере имеется один T-вход, при каждом воздействии на который (импульсом) происходит очередное переключение триггера из одного состояния в другое. Поэтому такой прибор именуют триггером со счетным входом (счетным триггером). Число переключений равно числу поступивших на вход импульсов.
Т.к. JK-триггер переходит в инверсное состояние каждый раз при одновременной подаче на оба входа логической 1, то на его основе можно создать Т-триггер, объединяя входы J и K.
Т-триггер находит широкое применение в счетчиках импульсов цифровых систем.
Триггеры могут быть выполнены на логических элементах И-НЕ и ИЛИ-НЕ или на интегральной микросхеме (ИМС).
Дата добавления: 2016-01-20 ; просмотров: 13171 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ
Что такое триггер, для чего он нужен, их классификация и принцип работы
Триггер – элемент цифровой техники, бистабильное устройство, которое переключается в одно из состояний и может находиться в нем бесконечно долго даже при снятии внешних сигналов. Он строится из логических элементов первого уровня (И-НЕ, ИЛИ-НЕ и т.д.) и относится к логическим устройствам второго уровня.
На практике триггеры выпускаются в виде микросхем в отдельном корпусе или входят в качестве элементов в состав больших интегральных схем (БИС) или программируемых логических матриц (ПЛМ).
Классификация и типы синхронизации триггеров
Триггеры делятся на два больших класса:
Принципиальное различие между ними в том, что у первой категории устройств уровень выходного сигнала меняется одновременно с изменением сигнала на входе (входах). У синхронных триггеров изменение состояния происходит только при наличии сихронизирующего (тактового, стробирующего) сигнала на предусмотренном для этого входе. Для этого предусмотрен специальный вывод, обозначаемый буквой С (clock). По виду стробирования синхронные элементы делятся на два класса:
У первого типа уровень выхода меняется в зависимости от конфигурации входных сигналов в момент появления фронта (переднего края) или спада тактового импульса (зависит от конкретного вида триггера). Между появлением синхронизирующих фронтов (спадов) на входы можно подавать любые сигналы, состояние триггера не изменится. У второго варианта признаком тактирования является не изменение уровня, а наличие единицы или нуля на входе Clock. Также существуют сложные триггерные устройства, классифицируемые по:
Сложные элементы имеет ограниченное применение в специфических устройствах.
Типы триггеров и принцип их работы
Существует несколько основных типов триггеров. Перед тем, как разобраться в различиях, следует отметить общее свойство: при подаче питания выход любого устройства устанавливается в произвольное состояние. Если это критично для общей работы схемы, надо предусматривать цепи предустановки. В простейшем случае это RC-цепочка, которая формирует сигнал установки начального состояния.
RS-триггеры
Самый распространенный тип асинхронного бистабильного устройства – RS-триггер. Он относится к триггерам с раздельной установкой состояния 0 и 1. Для этого имеется два входа:
Имеется прямой выход Q, также может быть инверсный выход Q1. Логический уровень на нём всегда противоположен уровню на Q – это бывает удобно при разработке схем.
При подаче положительного уровня на вход S на выходе Q установится логическая единица (если есть инверсный выход, он перейдет на уровень 0). После этого на входе установки сигнал может меняться как угодно – на выходной уровень это не повлияет. До тех пор, пока единица не появится на входе R. Это установит триггер в состояние 0 (1 на инверсном выводе). Теперь изменение сигнала на входе сброса никак не повлияет на дальнейшее состояние элемента.
Важно! Вариант, когда на обоих входах присутствует логическая единица, является запретным. Триггер установится в произвольное состояние. При разработке схем такой ситуации надо избегать.
RS-триггер можно построить на основе широко распространенных двухвходовых элементов И-НЕ. Такой способ реализуем как на обычных микросхемах, так и внутри программируемых матриц.
Один или оба входа могут быть инверсными. Это означает, что по этим выводам триггер управляется появлением не высокого, а низкого уровня.
Если построить RS-триггер на двухвходовых элементах И-НЕ, то оба входа будут инверсными – управляться подачей логического нуля.
Существует стробируемый вариант RS-триггера. У него имеется дополнительный вход С. Переключение происходит при выполнении двух условий:
Такой элемент применяют в случаях, когда переключение надо задержать, например, на время окончания переходных процессов.
D-триггеры
D-триггер («прозрачный триггер», «защелка», latch) относится к категории синхронных устройств, тактируемых по входу С. Также имеется вход для данных D (Data). По функциональным возможностям устройство относится к триггерам с приёмом информации по одному входу.
Пока на входе для синхронизации присутствует логическая единица, сигнал на выходе Q повторяет сигнал на входе данных (режим прозрачности). Как только уровень строба перейдет в состояние 0, на выходе Q уровень останется тем же, что был в момент перепада (защелкнется). Так можно зафиксировать входной уровень на входе в любой момент времени. Также существуют D-триггеры с тактированием по фронту. Они защёлкивают сигнал по положительному перепаду строба.
На практике в одной микросхеме могут объединять два типа бистабильных устройств. Например, D и RS-триггер. В этом случае входы Set/Reset являются приоритетными. Если на них присутствует логический ноль, то элемент ведёт себя как обычный D-триггер. При появлении хотя бы на одном входе высокого уровня, выход устанавливается в 0 или 1 независимо от сигналов на входах С и D.
Прозрачность D-триггера не всегда является полезным свойством. Чтобы её избежать, применяются двойные элементы (flip-flop, «хлопающий» триггер), они обозначаются литерами TT. Первым триггером служит обычная защёлка, пропускающая входной сигнал на выход. Второй триггер служит элементом памяти. Тактируются оба устройства одним стробом.
T-триггеры
T-триггер относится к классу счётных бистабильных элементов. Логика его работы проста – он изменяет своё состояние каждый раз, когда на его вход приходит очередная логическая единица. Если на вход подать импульсный сигнал, выходная частота будет в два раза выше входной. На инверсном выходе сигнал будет противофазен прямому.
Так работает асинхронный Т-триггер. Также существует синхронный вариант. При подаче импульсного сигнала на тактирующий вход и при наличии логической единицы на выводе T, элемент ведёт себя так же, как и асинхронный – делит входную частоту пополам. Если на выводе Т логический ноль, то выход Q устанавливается в низкий уровень независимо от наличия стробов.
JK-триггеры
JK-триггерыЭтот бистабильный элемент относится к категории универсальных. Он может управляться раздельно по входам. Логика работы JK-триггера похожа на работу RS-элемента. Для установки выхода в единицу используется вход J (Job). Появление высокого уровня на выводе K (Keep) сбрасывает выход в ноль. Принципиальным отличием от RS-триггера является то, что одновременное появление единиц на двух управляющих входах не является запретным. В этом случае выход элемента меняет свое состояние на противоположное.
Если выходы Job и Keep соединить, то JK-триггер превращается в асинхронный счётный Т-триггер. Когда на объединённый вход подаётся меандр, на выходе будет в два раза меньшая частота. Как и у RS-элемента, существует тактируемый вариант JK-триггера. На практике применяются, в основном, именно стробируемые элементы такого типа.
Практическое использование
Свойство триггеров сохранять записанную информацию даже при снятии внешних сигналов позволяет применять их в качестве ячеек памяти ёмкостью в 1 бит. Из единичных элементов можно построить матрицу для запоминания двоичных состояний – по такому принципу строятся статические оперативные запоминающие устройства (SRAM). Особенностью такой памяти является простая схемотехника, не требующая дополнительных контроллеров. Поэтому такие SRAM применяются в контроллерах и ПЛМ. Но невысокая плотность записи препятствует использованию таких матриц в ПК и других мощных вычислительных системах.
Выше упоминалось использование триггеров в качестве делителей частоты. Бистабильные элементы можно соединять в цепочки и получать различные коэффициенты деления. Та же цепочка может быть использована в качестве счетчика импульсов. Для этого надо считывать с промежуточных элементов состояние выходов в каждый момент времени – получится двоичный код, соответствующий количеству пришедших на вход первого элемента импульсов.
В зависимости от типа примененных триггеров, счетчики могут быть синхронными и асинхронными. По такому же принципу строятся преобразователи последовательного кода в параллельный, но здесь используются только стробируемые элементы. Также на триггерах строятся цифровые линии задержки и другие элементы двоичной техники.
RS-триггеры используются в качестве фиксаторов уровня (подавителей дребезга контактов). Если в качестве источников логического уровня применяются механические коммутаторы (кнопки, переключатели), то при нажатии эффект дребезга сформирует множество сигналов место одного. RS-триггер с этим успешно борется.
Область применения бистабильных устройств широка. Круг решаемых с их помощью задач во многом зависит от фантазии конструктора, особенно в сфере нетиповых решений.
Что такое компаратор напряжения и для чего он нужен
Режимы работы, описание характеристик и назначение выводов микросхемы NE555
Что такое операционный усилитель?
Что такое термистор, их разновидности, принцип работы и способы проверки на работоспособность
Что такое диодный мост, принцип его работы и схема подключения
Что такое аттенюатор, принцип его работы и где применяется
Триггеры
Триггер — электронная схема, имеющая несколько устойчивых состояний, сохраняющихся длительное время (пока включено электропитание схемы). Соответственно триггеры могут выполнять функцию элементов памяти. В цифровой технике используются бистабильные триггеры с двумя устойчивыми состояниями, которые кодируют значения логических «0» и «1». Триггеры могут быть построены на дискретных элементах (транзисторные каскады) и на логических элементах — цифровые триггеры. Также триггер может быть представлен в виде электромеханической аналогии (релейной схемы).
1 Классификация триггеров.
Триггеры различаются по логике работы и по способу приема и запоминания информации. Ниже представлена классификация триггеров, предложенная в книге Е.Угрюмова «Цифровая схемотехника». В ней выделены наиболее популярные типы триггеров, однако количество их разновидностей гораздо больше.
в) По внутренней структуре:
1) Одноступенчатые: в их внутренней структуре одна запоминающая схема, которая переключает свое состояние (запоминает данные) под влиянием управляющих сигналов. По одноступенчатой схеме строятся асинхронные триггеры и синхронные управляемые уровнем.
2) Двухступенчатые (или многоступенчатые) триггеры состоят из двух одноступенчатых триггеров. При переключении двухступенчатого триггера сначала переключается первая, а только следом — вторая. Это позволяет записывать данные только по фронту синхроимпульса, не реагируя на изменения на информационных входах в течении синхроимпульса. Т.е. по многоступенчатой схеме строятся синхронные управляемые фронтом триггеры. Это наиболее применяемый сегодня тип триггеров.
2 Структура триггера.
3. Асинхронные и синхронные управляемые фронтом триггеры
Функционирование и внутренняя схема асинхронного RS — триггера соответствует описанной выше схеме памяти. Данный тип триггера фактически не имеет схемы управления на входе.
Синхронные RS — триггеры с управлением уровнем имеют вход синхронизации (С), сигнал на котором разрешает управление с информационных входов, пока находится в активном состоянии. Входные информационные сигналы «пропускаются» через логические вентили И (для схемы на базе элементов ИЛИ-НЕ, активный уровень (С) = 1) или через вентили ИЛИ (для схемы на базе элементов И-НЕ, активный уровень (С) = 0).
Характерной особенностью триггерных схем, управляемых уровней синхроимпульса, является то, то изменение уровней информационных сигналов в течение действия синхроимпульса приводит к изменению состояния триггера. Если по фронту синхросигнала в триггер было занесено значение «1», и далее в течение удержания активного уровня синхросигнала C информационные сигналы приняли значения R =1, S =0, то это приводит к переключению триггера в состояние «0». Следовательно, для обеспечения работы триггера сигналы R и S должны оставаться неизменными в течении активного уровня синхроимпульса, а изменяться в течение паузы между синхроимпульсами.
Синхронный RS-триггер с управлением по фронту построен по многоступенчатой схеме, описанной ниже.
RS-триггеры редко используются как самостоятельные элементы, но, как говорилось выше, являются элементом памяти (фиксатором) в составе других типов триггеров.
D-триггером (или триггером задержки сигнала) называют триггер с одним информационным входом (D) и входом синхронизации (С). По импульсу синхронизации © состояние на входе (D) сохраняется в триггере и устанавливается на выходе (Q). Состояние выхода Q останется неизменным до следующего импульса на входе синхронизации. Как видно из описания D-триггер является синхронным (обязательно используется сигнал синхронизации). Можно построить также схему асинхронного D-триггера (см. Рисунок 4 а)), но она будет иметь смысл только как повторитель с задержкой на переключение, а не как схема памяти. Асинхронные D-триггеры почти не используются.
Из широко применяемых первый — D-триггер с управлением по уровню, так же называемый «триггер-защелка» (LATCH) (см. Рисунок 4 г). Он прозрачен для входного информационного сигнала пока сигнал синхронизации © в активном состоянии и защелкивает значение на выходе (Q) в момент перехода (С) в неактивное состояние. Такой D-триггер представляет собой RS-триггер с синхронизацией по уровню, у которого на вход S подключен информационный сигнал (D), а на вход ® — инвертированный информационный сигнал. То есть в схему управления добавляется один инвертор «по входу». Входы Rd и Sd используются для асинхронных сброса или установки триггера в определенное состояние и удержание его в этом состоянии, если требуется. Для устойчивой работы такого D-триггера необходимо, чтобы состояние входа D не изменялось в момент действия синхроимпульса на входе С.
Пусть Q = 1, Q`= 0. Поступающий на счетный вход импульс приводит к появлению нулевого сигнала на выходе элемента D4 (на его входах — две «1») и последовательной установке сигналов Q = 1, Q`= 0, т.е. к опрокидыванию триггера в нулевое состояние. При этом сигнал на входе D3 не изменяется, так как на его входе в течение tз действует нулевой сигнал, поступающий с выхода Q` через элемент задержки D5.
После окончания действия счетного импульса сигналы на выходах элементов D3 и D4 принимают единичные значения, а на вход D3 через элемент задержки D5 поступает разрешающий уровень с выхода Q`. В результате следующий счетный импульс перебросит триггер в исходное состояние.
Элементы D5 и D6 обеспечивают задержку появления сигналов обратной связи с тем, чтобы в течение действия счетного импульса не происходило многократного переключения триггера. В интегральных триггерах роль элементов задержки могут выполнять либо логические элементы, либо специальные полупроводниковые приборы с накоплением заряда. Однако, в силу жестких ограничений на длительность импульса на счетном входе и сложности реализации элементов задержки, Т-триггеры на базе RS-триггера с управлением уровнем синхросигнала почти не используются, а применяются триггеры с управлением по фронту синхросигнала.
ТV-триггер является разновидностью Т-триггера с дополнительным входом разрешения счета. Принцип его работы аналогичен DV-триггеру, описанному выше.
