5.3.1 Асинхронный r-s триггер на логических элементах

Схема триггера с использованием элементов "2ИЛИ-НЕ", таблица состояний и его условное обозначение приведены на рисунке 5.14.

Название входов триггера происходит от английских слов reset (R) – cброс; set (S) – установка.

Триггер имеет два входа и два выхода – прямой и инверсный, причем всегда – если Q = 1, то = 0 и наоборот. Состояние Q = недопустимо.

Обозначение входных и выходных цепей:

R – вход установки нуля ("0");

S – вход установки единицы ("1");

Q – прямой выход;

– инверсный выход.

Для понимания принципа работы триггера необходимо помнить, что наличие "1" на одном из входов схемы "2ИЛИ-НЕ" однозначно определяет на ее выходе "0"; при наличии на одном из входов "0" необходимо знать состояние второго входа, чтобы определить выходной сигнал.

R	S
0	0	0	1
0	1	1	0
0	0	1	0
0	0	0	1
1	1	*	*

а

б в

а – схема; б – таблица состояний; в – условное обозначение

Рисунок 5.14 – Асинхронный RS триггер на элементах "2ИЛИ-НЕ"

Если R = "0", S = "0", то возможно два состояния выходов Q = "1", = "0" и Q = "0", = "1". При R = "1", S = "0" состояние выходов однозначно: Q = "0"; = "1", при R = 0, S = 1 – Q = "1", = "0". Состояние R = "1", S = "1" для такого триггера недопустимо.

Аналогично работает триггер на элементах "2И-НЕ", схема которого, таблица состояний и условное графическое обозначение приведены на рисунке 5.15.

R	S
0	1	0	1
1	0	1	0
1	1	0	1
1	1	1	0
0	0	*	*

а б в

а – схема; б – таблица состояний (* – недопустимое состояние); в – условное обозначение

Рисунок 5.15 – Асинхронный R-S триггер на элементах "2И-НЕ"

Отличие заключается только в том, что он имеет инверсные входы, то есть устанавливается в состояние "1" при S = "0", и сбрасывается на нуль при R = "0". Это отражено и в условном обозначении триггера: на входных цепях указывается знак инверсии (рисунок 5.15в). Запрещенная комбинация для входных сигналов этой схемы R = "0", S = "0". При рассмотрении работы этого триггера необходимо помнить, что наличие "0" на одном из входов схемы "2И-НЕ" однозначно определяет на выходе "1". Если на одном из входов "1", то необходимо знать состояние второго входа, чтобы определить выходной сигнал.

5.3.2 Синхронный r-s триггер

При работе асинхронного R-S триггера из-за задержки переключения логических элементов возможны режимы "состязаний", в результате которых выходной сигнал на некоторое время принимает ложные значения, что может нарушить функционирование устройства. Устранить ошибки такого типа позволяет способ временного стробирования. Вырабатываемый устройством сигнал в этом случае передается на последующие устройства не непрерывно, а только в такой отрезок времени, когда искажение правильных значений выходного сигнала за счет "состязаний" заведомо исключено. Временное стробирование обеспечивается тактовыми импульсами, поэтому синхронный R-S триггер имеет дополнительный выход С, на который подается синхронизирующий сигнал.

Схема триггера, таблица состояний и условное обозначение приведены на рисунке 5.16.

		C		R		S			R’	S’	Q
		0		0		1			1	1	1(0)		0(1)
		0		1		0			1	1	1(0)		0(1)
		0		0		0			1	1	1(0)		0(1)
		0		1		1			1	1	1(0)		0(1)
		1		0		1			1	0	1		0
		1		1		0			0	1	0		1
		1		0		0			1	1	1(0)		0(1)
		1		1		1			0	0	*		*

Rn	Sn	Qn+1
0	0	Qn
0	1	1
1	0	0
1	1	*

а б

C

в г

t₁-(R=0, S1=1); Q=0→Q=1

t₂-(R=1, S=0); Q=1→Q=0

t₃-(R=0, S=0); перехода нет

t₄-(R=0, S=1); Q=0→Q=1

t₅-(R=0, S=1); перехода нет

д

а – схема; б – таблица состояний; в – упрощенная таблица состояний; г – условное обозначение; д – диаграммы работы

Рисунок 5.16 – Синхронный R-S триггер на элементах "2И-НЕ"

На каждом входе асинхронного R-S триггера добавлено по элементу "2И-НЕ"; одни из входов этих элементов объединены, и на них подается сигнал "С", другие входы являются информационными, но поданные на них сигналы поступают к базовой ячейке триггера лишь при наличии "1" на входе "С". Вследствие двойной инверсии на элементах"2И-НЕ" логика работы этого триггера подобна работе триггера на элементах "2ИЛИ-НЕ".

Изменение состояния триггера происходит с приходом тактового (синхронизирующего) импульса (вход С). В таблице истинности приняты следующие обозначения:

Rn, Sn – состояния входов при приходе n-ного тактового импульса; Qn – состояние прямого выхода до прихода n-ного тактового импульса; Qn+1 – состояние выхода сразу после окончания n-го тактового импульса, которое действует до прихода n+1 импульса. Предполагается, что тактовые импульсы короткие и за время действия одного импульса состояние входов не изменяется. На рисунке 5.16д приведены временные диаграммы работы триггера, иллюстрирующие возможные переходы.

На рисунке 5.17 приведены схема, таблица состояний и диаграммы работы синхронного триггера на элементах "2ИЛИ-НЕ".

C	R	S	R’	S’	Q
1	0	1	0	0	1(0)	0(1)
1	1	0	0	0	1(0)	0(1)
1	1	1	0	0	1(0)	0(1)
1	0	0	0	0	1(0)	0(1)
0	0	1	1	0	0	1
0	1	0	0	1	1	0
0	1	1	0	0	1(0)	0(1)
0	0	0	1	1	*	*

а б

В

а – схема; б – таблица состояний; в – диаграммы работы

Рисунок 5.17 – Синхронный R-S триггер на элементах "2ИЛИ-НЕ"

Необходимо отметить, что синхронный R-S триггер на элементах "2И-НЕ" переключается при переходе сигнала на входе С с "0" на "1", т. е. передним фронтом импульса. В триггере, выполненном на элементах "2ИЛИ-НЕ", переключение осуществляется задним фронтом, т.е. на переходе сигнала на входе "С" с "1" на "0". Этот факт отражается в условном обозначении триггеров: если переключение осуществляется передним фронтом, то на входе "С" ставится знак / или , а если задним фронтом, то знак \ или  .

5.3.3 D-триггер (триггер-задержки)

Асинхронный D-триггер (рисунок 5.18а) – это триггер с одним входом, и работает он следующим образом: значение сигнала на выходе Q в последующий такт равно значению сигнала на входе D в предыдущем такте. Наличие инвертора исключает запрещенные состояния входов R="1"; S="1".

Однако асинхронный D-триггер используется редко, так как его выход повторяет входной сигнал после окончания режима "состязаний". Наибольшее распространение получил синхронный D-триггер. Схема триггера приведена на рисунке 5.18б. При отсутствии синхроимпульсов (С="0") состояние триггера остается неизменным. При условии С="1" триггер передает на выход сигнал, поступивший на его вход D в предыдущем такте. Временные диаграммы работы синхронного D-триггера приведены на рисун- ке 5.18в.

В отсутствии сигнала на входе С, на выходе D3 и D2 – логическая "1" и информационный сигнал на входе D не изменяет его состояния. Если подается тактовый импульс и при этом D="1", то на выходе D2 – "0". Этот сигнал, поступая на вход D4 (S'), устанавливает Q="1" и одновременно блокирует D5. При D="0" и С="1" на выходе D1 будет "1"; на выходе D2 в этом случае будет "0" и триггер станет в состояние Q = "0"; = "1". Таким образом, в D-триггере записывается та информация, которая была на входе D до прихода импульса синхронизации. Триггер осуществляет задержку установки сигнала на выходе на время от начала изменения сигнала на входе D до прихода тактового импульса. Состояние на выходе сохраняется до прихода тактового импульса.

В связи с этим D-триггер называют триггером задержки. Кроме входов D и С очень часто в схему триггера дополнительно вводят асинхронные входы R и S, что и показано на рисунке 5.18г

а б

C	D	Q
0	0	0(1)
0	1	0(1)
1	0	0
1	1	1

в г д

а – принципиальная схема асинхронного D-триггера; б – принципиальная схема синхронного D-триггера; в – временные диаграммы работы D-триггера; г) условное графическое обозначение D-триггера; д) таблица состояний.

Рисунок 5.18 – D-триггер

5.3.4 Т-триггер (счетный триггер)

Логика работы Т-триггера может быть представлена следующим образом: триггер инвертирует свое предыдущее состояние при подаче на его вход С единичного сигнала. Схема триггера с потенциальными входами, выполненного на элементах "2И-НЕ", приведена на рисунке 5.19а.

С	Qn	Qn+1
	0(1)	1(0)

а б в

а – принципиальная схема Т-триггера на элементах "2И-НЕ"; б – временные диаграммы работы триггера; в – таблица переходов; г – условное обозначение.

Рисунок 5.19 – Т-триггер

Для реализации Т-триггера в синхронном R-S триггере вводят обратные связи. На элементах D1; D2 выполнена схема управления, а на D3; D4 – R-S триггер. Согласно таблице состояний R-S триггера состояние R'="1", S'="1" не вызывает его переключения. Для схемы управления С="1" разрешает прохождение на выходы R' и S' сигналам Q и . Если на С="0", то на входах R' и S' установятся "1". Допустим, что исходное состояние Q="1"; ="0"; C="0" в этом случае R'="1"; S'="1" и R-S триггер не изменяет своего состояния. Второй этап: Q="1"; ="0" и на вход С подаем "1". В этом случае R'="0"; S'="1", что вызовет переключение R-S триггера.

Третий этап: подаем на тактовый вход С="0", который, как и на первом этапе, не вызовет переключения R-S триггера.

Четвертый этап: при Q="0", ="1" подаем на вход С="1". В этом случае R'="0"; S'="1", что вызывает переключение R-S триггера. Таким образом, триггер изменяет свое состояние при каждом положительном перепаде напряжения на входе С. Диаграмма работы Т-триггера приведена на рисунке 5.19б. Такая схемная реализация не единственно возможный вариант. При использовании в качестве базового элемента "2ИЛИ-НЕ" возможна реализация Т-триггера, переключающегося задним фронтом импульса. Т-триггер используют в качестве делителей частоты на 2 и базового элемента в счетчиках с последовательным переносом. В схемах триггеров, выпускаемых в интегральном исполнении, дополнительно вводят асинхронные входы R и S, что и отражено в условном обозначении (рисунок 5.19г)

5.3.5 J-K триггер

Наиболее универсальным является J-K триггер. Схема и таблица состояний простейшего J-K триггера приведена на рисунке 5.20.

C	J	K	Qn	Qn+1
	0	0	0(1)	0(1)
	1	0	0(1)	0(1)
	0	1	0(1)	0(1)
	1	1	0(1)	0(1)

а б в

а–- схема; б – таблица состояний; в – условное обозначение

Рисунок 5.20 – J-K триггер

J-K триггер отличается от синхронного R-S триггера наличием дополнительных обратных связей, как в Т-триггере, которые устраняют неопределенность в таблице состояний, и дополнительными входами J и K. Назначение входов J и K такое же, как и входов R и S.

В таблице состояний приведены сигналы на входах J и K в момент времени tn и сигналы на выходах Q и в момент времени t n+1 (после прихода тактового импульса).

При входных сигналах J=0; K=0 состояние выходов не изменяется, так как состояние низкого уровня на одном из входов системы "И" отменяет происхождение сигналов от других входов и удерживает выходной сигнал на высоком уровне. Когда на входы J и K поданы взаимно противоположные уровни, то после прихода тактового импульса на выходах J-K триггера устанавливаются состояния, как и в R-S триггере. При подаче на входы J и K одновременно "1" триггер переходит в состояние, противоположное предыдущему. В этом случае можно считать, что входы объединены и на них подана "1", то есть реализована схема Т-триггера (рисунок 5.19)

Для надежности работы триггерных ячеек в многоразрядных устройствах разработаны двухступенчатые триггеры, называемые "мастер-помощник". Схема двухступенчатого J-K триггера приведена на рисунке 5.21.

а б

а – схема; б – условное обозначение

Рисунок 5.21 – Двухступенчатый J-K триггер

На вход второго триггера тактовый сигнал подается через инвертор D5. Двухступенчатым триггером управляет полный (с фронтом и срезом) тактовый импульс.

Входная комбинация сигналов на входах J и K в триггер "мастер" (D3,D4) будет записана положительным перепадом. В этот момент информация в триггер "помощник" попасть не может, так как на выходе D5 логический ноль. Когда придет отрицательный перепад (на выходе инвертора он будет как положительный), информация перепишется в триггер "помощник".

В реальных МС J-K триггеров на входах J и K устанавливают дополнительную логику, а также дополняют схему асинхронными входами R и S (рисунок 5.21б). В состав наиболее распространенных серий ИМ К155 и К176 входят следующие типы триггеров: К155ТВ1 – один J-K триггер; К176 ТВ1 – два J-K триггера; К155 ТМ2, К176 ТМ2 по два D-триггера; К555 ТР2 и К561 ТР2 по четыре R-S триггера.

При разработке схем цифровых устройств целесообразно использовать ИМС одного типа. На рисунке 5.22 приведены некоторые схемы взаимного преобразования триггеров.

а б в г

а – "D"  "T"; б – "J-K"  "T"; в – "J-K"  "T"; г – "J-K"  "D"

Рисунок 5.22 – Схемы взаимного преобразования триггеров