Синхронный RS-триггер.

Что такое Триггеры

Триггером называется электронное устройство, имеющее два устойчивых состояния. Эти состояния называются единичным и нулевым. В одном из них на выходе триггера присутствует высокий уровень сигнала (логическая 1), в другом – низкий (логический 0). Состояние триггера определяется по значению прямого выхода, обозначаемого как Q. Чаще всего триггер имеет и второй выход с инверсным сигналом `Q.

Цифровой автомат, у которого внутреннее состояние совпадает со значением его выходного сигнала, называется элементарным цифровым автоматом. Поэтому триггер является элементарным цифровым автоматом.

Переход триггера из одного состояния в другое происходит под воздействием входных переключающих сигналов. В интервале между переключающими сигналами состояние триггера не меняется, т. е. триггер «запоминает поступление сигнала. Т. о. Триггер – это управляемый элемент памяти (ЭП).

Практически все серии цифровых ИС содержат готовые триггеры, и поэтому задача проектировщика — правильное использование имеющихся триггеров. Отсюда важное значение приобретают классификация триггеров, изучение их параметров и особенностей функционирования.

Классификация триггеров проводится по признакам логического функционирования, способу записи информации и по характеру процесса переключения.

По логическому функционированию различают триггеры RS, D, Т, JK типов.

По способу записи информации различают асинхронные (нетактируемые) и синхронные (тактируемые) триггеры. В нетактируемых переход в новое состояние вызывается непосредственно изменениями входных информационных сигналов. В тактируемых, имеющих специальный тактовый вход, переход в новое состояние происходит только при подаче на этот вход тактовых сигналов. Тактовые сигналы называют также синхронизирующими. Обозначаются они буквой С (от слова Clock).

По способу восприятия тактовых сигналов триггеры делятся на управляемые уровнем и управляемые фронтом. Управление уровнем означает, что при одном уровне тактового сигнала триггер воспринимает входные сигналы и реагирует на них, а при другом не воспринимает и остается в неизменном состоянии. Такое управление называют статическим.

При управлении фронтом разрешение на переключение дается только в момент перепада тактового сигнала (на его фронте или спаде). В остальное время независимо от уровня тактового сигнала триггер не воспринимает входные сигналы и остается в неизменном состоянии. Триггеры, управляемые фронтом, называют также триггерами с динамическим управлением.

Перепад тактового сигнала может быть прямым или инверсным. Управление прямым перепадом означает разрешение на переключение при изменении тактового сигнала с нулевого значения на единичное (фронт), инверсным — при изменении тактового сигнала с единичного значения на нулевое (спад).

На рис. 3.1 показаны процессы, происходящие в синхронных (тактируемых) триггерах. На диаграммах тактовых импульсов отмечено содержание процессов на отдельных этапах, под диаграммами даны обозначения входов для соответствующих триггеров.

По характеру процесса переключения триггеры делятся на одноступенчатые и двухступенчатые триггеры.

В одноступенчатом триггере переключение в новое состояние происходит сразу, а в двухступенчатом — по этапам. Двухступенчатые триггеры состоят из входной и выходной ступеней. Переход в новое состояние происходит в обеих ступенях поочередно. Один из уровней тактового сигнала разрешает прием информации во входную ступень при неизменном состоянии выходной ступени. Другой уровень тактового сигнала разрешает передачу нового состояния из входной ступени в выходную. Двухступенчатые триггеры часто называют также триггерами типа MS (от английского Master-Slave, т. е. хозяин — раб). Эта аббревиатура отражает характер работы триггера: входная ступень вырабатывает новое значение выходной переменной Q, а выходная его копирует.

Триггер может быть выполнен на транзисторах, операционных усилителях или реализован на логических элементах. Далее будут рассмотрены построение триггеров на ЛЭ и их функционирование. Логическое функционирование триггеров описывается способами, принятыми для автоматов вообще: таблицами истинности (таблицами переходов), графами переходов, словарями переходов, картами Карно и характеристическими уравнениями.

Ниже описывается логика работы наиболее распространенных триггеров RS, JK D и T.

Триггеры типа RS

Асинхронный RS-триггер. Асинхронный RS-триггер — простейший интегральный триггер, применяющийся самостоятельно, а также входящий в состав более сложных интегральных триггеров в качестве запоминающей ячейки.

Триггер можно выполнить на двух логических элементах ИЛИ—НЕ (И—НЕ), если вход одного элемента соединить с выходом другого. Он имеет два входа: S— установки триггера в состояние Q=1 (от английского – Set), R — установки триггера в состояние Q=0 (от английского – Reset).

Состояние триггера в текущий момент времени t называется исходным и обозначается Q_t или просто Q. Состояние, в которое триггер переходит через интервал времени Dt под воздействием входных сигналов, называется новым и обозначается Q_t+1 или просто Q⁺.

RS-триггер на элементах ИЛИ—НЕ. Прежде всего, рассмотрим воздействие на такой триггер комбинаций входных сигналов:

S=0, R=0 Þ Q⁺ = 1 (установка в состояние 1);

S=0, R=1 Þ Q⁺ = 0 (установка в состояние 0);

S=1, R=0 Þ Q⁺ = Q (сохранение текущего состояния);

S=1, R=1 Þ Q⁺ = * (неопределенное состояние).

Сочетание S= 1, R= 1 является запрещенным, так как при нем на обоих выходах триггера устанавливаются логические 0, и после снятия входных сигналов состояние его непредсказуемо. Из всего сказанного ясно, что для переключения триггера в состояние Q=1 на его входы следует подать комбинацию S=1, R= 0, а для переключения в состояние Q=0 — комбинацию S=0, R=1.

Составим по словесному описанию полную (табл. 3.1), сокращенную таблицы переходов (табл. 3.2) и словарь переходов триггера (табл. 3.3), который является инструментом проектирования схем.

Граф переходов графически отражает наличие у триггера двух устойчивых состояний (узлы 0 и 1) и значения входных переменных S, R при переходе из одного состояния в другое. Карта Карно и граф переходов представлены на рис.3.2.

Функция переходов (характеристическое уравнение) для триггера в общем виде имеет вид: Q⁺=f(S, R, Q).

Если при минимизации по карте Карно заменить неопределенные значения выхода для триггера на значения «0», то получим 2 контура (см рис. 3.2). Инверсия функции переходов в МКНФ будет иметь вид: `Q<sup>+</sup> = RÚ`S×`Q. Тогда . МНФ функции в базисе ИЛИ-НЕ, с учетом того, что , имеет вид:

.

Последнему выражению соответствует логическая схема RS-триггера, реализованная на ЛЭ ИЛИ-НЕ, которая представлена на рис. 3.3,а.

Условное графическое изображение асинхронного RS-триггера со статическими входами приведено на рис. 3.3, б. Функциональное обозначение триггера – буква Т.

На рис. 3.3, в приведена идеализированная временная диаграмма RS-триггера, на которой время переключения триггера принято равным нулю.

Синхронный RS-триггер.

На рис. 3. 4, а изображена схема тактируемого RS-триггера. Она содержит асинхронный RS-триггер Т1, собранный на элементах ИЛИ—НЕ) и два конъюнктора.

Последние передают переключающую логическую 1 с информационного S- или R-входа на соответствующие входы Т1 только при наличии на синхронизирующем входе С логической 1. При С=0 информация с S- и R-входов на триггер Т1 не передается.

Условное изображение тактируемого триггера приведено на рис. 3. 4, б. На рис. 3.4, в представлены временные диаграммы триггера без учета времени его переключения. В тексте тактируемый RS-триггера сокращенно обозначается RSC.