8.3 Триггеры

Триггер (trigger – курок) - электронное устройство, обладающее двумя устойчивыми состояниями и способное скачком переходить из одного состояния в другое под воздействием внешнего импульса.

Каждому состоянию триггера соответствует определённый (высокий или низкий) уровень выходного напряжения. Два устойчивых состояния:

1) триггер установлен в единичное состояние – уровень «1» на выходе

2) триггер сброшен в нуль - уровень «0»

Установившееся состояние сохраняется сколь угодно долго и может быть изменено внешним импульсом или отключением напряжения питания.

Т.о. триггер являются элементарным элементом памяти, способным хранить наименьшею единицу информацию (один бит) «0» или «1».

Триггеры применяются как переключающие элементы самостоятельно или входят в состав более сложных цифровых устройств, таких как счётчики, делители частоты, регистры, элементы памяти и др.

Триггеры строятся на дискретных элементах, логических элементах, на ИМС или входят в состав ИМС.

Триггеры характеризуются большим разнообрази­ем. Их отличают функциональный признак, определяющий поведение триггера при воздействии сигнала управления, а также используемый способ управления.

- по функциональному признаку различают триггеры типов RS-, D-, Т-, JK-

- по способу уп­равления триггеры подразделяют на асинхронные и тактируе­мые

В асинхронных триггерах переключение из од­ного состояния в другое осуществляется непосредственно с поступле­нием сигнала на информационный вход. В тактируемых триггерах помимо информационных входов имеется вход такто­вых импульсов. Их переключение производится только при наличии разрешающего, тактирующего импульса.

- по числу ступеней триггеры делятся на однотактные и двухтактные

В однотактных триггерах информация на входах появляется практически одновременно с приходом информационного или синхроимпульса. Такие схемы срабатывают по перепаду сигнала 0 - 1 (по фронту синхроимпульса). В двухтактных триггерах переключение элементов происходит в два приёма и сигнал па выходе является с задержкой. Они срабатывают по перепаду сигнала 1 - 0 (по спаду импульса).

RS-триггеры

Имеет два входа: S (set – устанавливать) – установка и R (reset) – сброс (рис. 57).

В зависимости от способа управления различают асинхронные и синхронные (тактируемые) RS-триггеры.

По информационному входу S производится установка триггера в состояние уровня «1», а по информационному входу R - установ­ка (перевод) триггера в исходное состояние уровня «0».

При наличии входа С триггер является синхронным – переключение триггера (изменение состояния выхода) может происходить только в момент прихода тактирующего (синхронизирующего) импульса на вход С.

Рисунок 57 - Условно-графическое обозначение RS-триггера и схема синхронного RS-триггера

Таблица 2 представляет собой таблицу состояний, которые может принимать триггер в процессе работы. В таблице указаны значения входных сигналов S и R в неко­торый момент времени tⁿ и состояние триггера (по значению его пря­мого выхода) в следующий момент времени tⁿ⁺¹ после прихода оче­редных импульсов. На новое состояние триггера влияет также предыдущее состояние Q ⁿ.

Таблица 5 - Таблица состояний синхронного RS-триггера

предыдущее состояние t n				t n+1
Q n	C	S	R	Q n+1
0	1	1	0	1
1	1	0	1	0
0	1	0	0	Q n=0
0	0	1	0	Q n=0
0	1	1	1	X

Схема имеет два выхода: Q - прямой, Q -инверсный.

Асинхронный RS-триггер, как и триггер любого другого типа, характеризуется двумя состояниями: уровнем «1» и уровнем «0». Состоянию логической «1» соответствует Q=1, Q=0, состоянию логического «0» - Q=О, Q=1.

Переключение синхронного триггера (или подтверждение предыдущего состояния) происходит в момент появления на С-входе уровня единицы. Обычно сигнал «1» подается на С-вход на небольшой промежуток времени в виде так называемого тактового С-импульса.

При комбинации S = R = 1 (последняя строка снизу в таблице переходов) состояние на выходе Q = Q = 1. Триггер принимает не­определенное состояние. По указанной причине данная комбинация сигна­лов является запрещенной.

Значениям сигналов на входе S = R = 0 соответствует сохранение триггером предыдущего состояния (третья строка сверху в таблице 5).

Пусть до появления такой комбинации сигналов на вхо­дах в триггере был записан логический «0» (Q = 0, Q = 1). При на­личии S = R = 1 имеем на обоих входах элемента &, по логической «1». Это обусловливает Q = 0. На нижнем входе элемента &, будет логи­ческий «0», что дает Q = 1.

Р аботу триггера также можно рассматривать с помощью временных диаграмм (рис. 58).

Рисунок 58 – Временные диаграммы работы асинхронного RS-триггера

RS-триггеры являются простей­шими триггерами, однако они получили широкое распространение в импульсной и цифровой технике, в частности, они служат основой триггеров дру­гих типов.

D-триггер

D-триггер (от англ. delay – задержка) имеет один информационный вход и тактируемый (синхронизирующий) вход (рис. 59). D-триггер запоминает и хранит на выходе Q сигнал, который был на информационном входе D в момент прихода тактового импульса С. Т.о. триггер хранит информацию, записанную при С=1.

На рисунке 60 приведены временные диаграммы работ триггера.

Рисунок 59 - Условно-графическое обозначение D-триггера

Таблица 6 - Таблица состояний D-триггера

предыдущее состояние t n			t n+1
Q n	D	C	Q n+1
0	1	0	0
0	1	1	1
1	0	1	0
0	0	0	Q n=0

Рис. 60 - Временные диаграммы работы D-триггера

T-триггеры

Т-триггеры (tumble – опрокидываться, кувыркаться), называемые также счётными триггерами, имеют один информационный вход Т. Каждый импульс (спад импульса) на Т-входе (счетном входе) переключает триггер в противоположное состояние.

На рисунке 61 показа условно-графическое обозначение (а) Т-триггера и временные диаграммы работы (б).

Q n	Т	Q n+1
0	1	1
1	0	1
1	1	0

Рисунок 61 - а - УГО, б - времен­ные диаграммы и таблица состояний Т-триггера

JK-триггеры

На рисунке 62 изображён универсальный – JК-триггер (от англ. jump – скачок, kеер – держать). Триггер имеет два информационных входа J и К, и тактируемый вход С.

При соответствующем подключении входов, триггер может выполнять функции RS-, D-, T-триггеров, т.е. является универсальным триггером. Кроме того, триггер не имеет запретных комбинаций.

Если J = К = 1 он изменяет свое состояние на противоположное. При J = К = 0 триггер после С-импульса сохраняет предыдущее состояние, при J = 1, К = 0 переходит в «1», а при J = 0, К = 1 – в «0».

Рисунок 62 – JK-триггер: структура (а), УГО (б),

полная (в) и сокращенная (г) таблицы состояний

Применение триггеров и логических элементов

Применение триггеров рассмотрим на конкретном примере их использования в электронном кодовом зам­ке. Замок (рис. 63) состоит из пульта управления с пятью кнопками SB1 - SB5, электронного блока и механической части замка. В со­временной электронике триггеры, ключевые логические элементы И, ИЛИ и другие выполняются, как правило, в виде интегральных мик­росхем. На выходе логического элемента И (DD2 - DD5, DD7, DD13), появляется потенциал логической единицы только в том случае, когда на всех его входах также присутствуют эти потенциалы. Достаточно хотя бы одному из входов оказаться подключенным к точке с потенциалом логическо­го нуля, как на выходе также установится потенциал логического нуля. Логический элемент ИЛИ (DD6 и DD8) обозначен знаком «1». Логический элемент ИЛИ - НЕ (DD1 и DD12) также обо­значен знаком «1», однако на выходе этого элемента ставится кру­жок. Логика функционирования элемента ИЛИ похожа на логику работы элемента И. Здесь потенциал логического нуля устанавлива­ется на выходе только в том случае, когда на всех входах присутст­вует этот же потенциал. Достаточно хотя бы на одном из входов эле­мента ИЛИ появиться потенциалу логической единицы, как на вы­ходе также устанавливается этот потенциал. Элемент ИЛИ-НЕ от­личается от элемента ИЛИ лишь тем, что он инвертирует его выход­ное значение. Другими словами, если хотя бы на одном из входов элемента ИЛИ - НЕ присутствует логическая 1, то на выходе будет логический 0; если же на всех входах элемента ИЛИ-НЕ присутст­вует логический 0, на выходе также будет логическая 1.

Рассмотрим работу электронного кодового замка. Для того что­бы замок открылся, необходимо набрать требуемый код, т. е. по­следовательно нажать на кнопки SB1, SB2 и SB3. Если порядок будет иным или же в процессе набора кода будут нажаты кнопки SB4 или SB5, а также при одновременном нажатии двух или более кнопок (в любом их сочетании) замок не должен открываться. Нако­нец, замок должен быть защищен от случайной установки триг­геров в разрешенную кодовую комбинацию в процессе работы, а также при отключении и включении источника питания +U_п. Кнопки, устанавливаемые на лицевой панели набора кодовой ком­бинации, задействуются в некотором, заранее установленном по­рядке.

Рисунок 63 – Электронный кодовый замок

При нажатии кнопки SB1 триггер DD9 по проводу 1 получает на вход S логический сигнал 1 и устанавливается в состояние 1. С его выхода Q сигнал 1 поступает на вход двухвходового элемента И DD5 и 4-х входного элемента И DD13. При нажатии кнопки SB2 логический сигнал 1 по проводу 2 поступает на вход DD5. На выходе DD5 также появляется логический сигнал 1, который посту­пает на вход S триггера DD10 и перебрасывает его в состояние 1. Таким образом, триггер DD9 «запоминает» событие, заключающееся в нажатии кнопки SB1 и «разрешает» передачу логического сигнала 1 к триггеру DD10 при нажатии кнопки SB2. Триггер DD10 «запо­минает» это нажатие, подготавливает элемент И DD7 к восприятию нажатия кнопки SB3 и устанавливает на входе элемента DD13 ло­гическую единицу. При нажатии кнопки SB3 на выход DD7 но про­воду 3 проходит сигнал 1 и перебрасывает триггер DD11 по входу S также в состояние 1. Этот сигнал поступает на вход элемента DD13. Схема построена таким образом, что при правильном наборе кодовой комбинации на выходе DD6 присутствует логический нуль, а на вы­ходе инвертора DD12 — логическая единица, которая нормально подается на вход DD13. Отсюда следует, что при последовательном нажатии кнопок SB1 - SB3 клапан DD13 (так часто называют эти элементы) откроется и подаст высокий потенциал логической единицы на катушку электромагнита А механической части замка. Электромагнит притянет засов Б, который отожмет пружину В, что приведет к открытию замка. После открытия и последующего за­крытия двери, на которой смонтирован замок, или срабатывания ка­кого-либо дополнительного механизма, не показанных на рис. 63, контакт сброса КС кратковременно переключится в верхнее положе­ние и по проводу «Сброс» подаст логический сигнал 1 на средний вход DD8, который с его выхода поступает на все входы R тригге­ров DD9 — DD11. Триггеры возвращаются в исходное нулевое со­стояние, клапан DD13 закрывается, что приводит к обесточиванию катушки А электромагнита. Пружина В отжимает засов Б на прежнее место, замок автоматически закрывается, а схема оказывается подготовленной к следующему циклу работы.

Цепочка R-C и инвертор DD1 принудительно устанавливают триггеры DD9 — DD11 в нулевое состояние при включении пита­ния и препятствуют случайной установке этих триггеров в состоя­ние 1. Элементы DD2 — DD4 совместно с элементами DD6, DD8 и DD12 сбрасывают уже набранную часть кодовой комбинации при неправильной последовательности нажатия кнопок или их одновре­менном использовании. При этом триггеры DD9 — DD11 переклю­чаются в состояние 0 и запирают клапан DD13.

На практике электронную часть кодового замка усложняют вве­дением большего числа кнопок, позволяющих усложнить код (сде­лать его, например, пятизначным). Иногда замок дополняют одновибратором, который при нажатии первой кнопки включает пита­ние электронной части на строго определенное время. Если за это время замок открыт не будет, схема сбрасывается в исходное сос­тояние, и набор нужно начинать сначала.

Название схемы «электронный кодовый замок» условно, так как фактическое назначение схемы заключается в расшифровке задан­ной кодовой комбинации. Схема воспринимает только эту комби­нацию входных воздействий, все прочие она бракует.