ЦИФРОВЫЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТНЫЕ УСТРОЙСТВА. ТРИГГЕРЫ

1. Определение цифровых последовательностных устройств.

2. Триггеры. Классификация триггеров.

3. Асинхронные триггеры.

4. Синхронные триггеры. Статические триггеры и триггеры с динамическим управлением.

1. Определение цифровых последовательностных устройств. Способы описания конечных автоматов

Цифровое устройство называется последовательностным (ПЦУ), если его выходные сигналы Y зависят не только от текущих значений входных сигналов X, но и от последовательности предыдущих входных сигналов. В ПЦУ последовательность поступления входных сигналов фиксируется запоминающими устройствами (элементами памяти).

Элемент памяти помимо входных и выходных сигналов характеризуется состоянием, которое может изменяться под воздействием сигналов на его входе. Простейший элемент памяти может принимать одно из двух состояний: 0 или 1. ПЦУ называются автоматами с памятью.

Основой построения ПЦУ является структурная теория конечных автоматов. В структурной теории автоматов используют способы построения сложных автоматов из более простых элементов. Функционально полный набор элементов для построения цифровых автоматов должен содержать: 1) логические элементы, образующие функционально полную систему для построения комбинационных устройств, например И-НЕ, ИЛИ-НЕ; 2) элементы памяти Т с двумя состояниями.

Примерами, функционально полных систем для построения конечных автоматов, могут быть следующие наборы элементов: 1) И-НЕ, Т; 2) ИЛИ-НЕ, Т; 3) И, ИЛИ, НЕ, Т.

На рис. 1 показана обобщенная структурная схема ПЦУ.

Рисунок 1.

Данная схема содержит комбинационное цифровое устройство (КЦУ) и запоминающее устройство (ЗУ), представляющее собой совокупность простейших элементов памяти Т₁, Т₂, …, Т_к, на которые воздействуют сигналы U = {u₁, u₂, …, u_к}. Под воздействием сигнала u_i элемент T_i может перейти в одно из двух состояний: 0 или 1. Состояние элемента T_i отображается сигналом z_i. Совокупность сигналов Z = {z₁, z₂,…, z_k} отображает состояние ПЦУ. Общее число состояний ПЦУ будет 2^к.

2. Триггеры. Классификация триггеров

Элемент памяти Т с двумя состояниями может быть реализован триггером. Триггером называют устройство, которое может находиться в одном из двух устойчивых состояний и переходить из одного состояния в другое под воздействием входного сигнала. Состояние триггера (0 или 1) определяется по его выходному сигналу.

Для удобства использования в схемах ПЦУ триггеры имеют два выхода: прямой Q (выход 1) и инверсный Q` (выход 0).

Триггеры – элементарные автоматы, содержащие элемент памяти и схему управления. Элемент памяти строится на двух инверторах, связанных таким образом, что выход одного соединен с входом другого. Такое соединение создает цепь с двумя устойчивыми состояниями – бистабильную ячейку (рис.2).

Если на выходе инвертора 1 имеется логический ноль, то он обеспечивает на выходе инвертора 2 логическую единицу, которая подтверждает 0 на его выходе. То же согласование сигналов имеет место и для второго состояния, когда инвертор 1 находится в единице, а инвертор 2 – в нуле.

Для управления состоянием элемента памяти, его следует дополнить входами, превращающими инверторы в элементы ИЛИ-НЕ, а схему элемента памяти (бистабильной ячейки) в схему асинхронного RS-триггера. На дополнительные входы поступают внешние установочные сигналы S и R.

Рисунок 2. Элемент памяти и дополнительные управляющие входы

Классификация триггеров проводится по следующим признакам:

• По выполняемым функциям различают триггеры типов RS, D, T, JK и др.

• По способу записи информации различают асинхронные (нетактируемые) и синхронные (тактируемые) триггеры.

Основные параметры триггеров:

- длительность задержки распространения сигнала t_з, измеряемая между моментами появлением входного и выходного сигналов;

- разрешающее время t_раз. Определяется как минимальный период следования входных сигналов, при котором триггер сохраняет работоспособность. Это время определяет максимальную частоту переключения f_max = 1 / t_раз.

Тип триггера определяется функциональной зависимостью между сигналами на входах и выходах, что может быть выражено разными способами: таблицами функционирования (переходов), временными диаграммами, характеристическими уравнениями.