Лекция 11 Последовательностные логические элементы, Тригеры

5.3. Последовательностные логические устройства

Из логических элементов составляются схемы, называемые логическими устройствами. Типовые функциональные узлы этих устройств выпускаются в виде отдельных интегральных микросхем. Если на выходе логического устройства информация определяется не только действующей в настоящий момент на входе комбинацией логических переменных, но и всей последовательностью переменных, действующей в предшествующие моменты времени, то такое устройство является последовательностным. Такие устройства частот называют цифровыми автоматами или автоматами с памятью. Очевидно, в последовательностных устройствах должны вводиться элементы, способные запоминать предшествующую информацию. Такую функцию выполняют триггерные элементы.

К числу функциональных узлов последовательностных логических устройств, кроме триггеров, относятся счетчики импульсов и регистры.

7.5. Триггеры

Триггером называется логическое последовательностное устройство, которое имеет два устойчивых состояния. В любом из этих состояний он может пребывать сколь угодно долго, если отсутствует внешнее воздействие. Перевод триггера из одного состояния в другое осуществляется подачей определенного вида входного сигнала. Данные свойства триггера позволяют его использовать в качестве устройства, сохраняющего информацию, представленную в двоичном коде, что определило его широкое применение как элемента памяти в ЭВМ. При этом одно из состояний триггера считается соответствующим логической единице, а другое – логическому нулю.

Триггеры могут создаваться, в частности, при использовании транзисторов и ОУ. В интегральной микросхемотехнике они выполняются в виде интегральных микросхем на основе логических элементов.

Триггеры имеют два выхода, прямой и инверсный, обозначаемые Q и , по напряжению на которых и определяют состояние устройства. Состояние триггера определяется по информации на прямом выходе: состоянию “1” соответствует Q = 1, при этом = 0; состоянию “0”соответствует Q = 0, = 1.

По способу управления различают два типа триггеров: асинхронные и синхронные (тактируемые). В асинхронных триггерах переход из одного состояния в другое происходит непосредственно под действием сигналов, поступающих на информационный вход (или входы). В синхронных триггерах, кроме информационных входов, имеется специальный вход для подачи тактового сигнала. Только при его подаче в этих триггерах могут изменяться состояния под воздействием информационного сигнала.

Триггеры также различаются по функциональным свойствам. Наибольшее распространение получили RS, D, Т, JK типы триггеров. Простейшими из них являются RS-триггеры, схемы построения которых будут рассмотрены подробно. Эти триггеры имеют два информационных входа. По одному из них S осуществляется установка определенного состояния (set), по другому R – возвращение в исходное состояние (reset). Первые буквы английских слов и дали наименование типа триггера.

Рисунок 7.12. Структурная схема асинхронного RS- триггера

на логических элементах «И-НЕ»

На рис. 7.12 приведена схема асинхронного RS-триггера на элементах “И-НЕ”. Его возможные состояния в зависимости от подавляемых информационных сигналов иллюстрируются таблицей состояния (табл.7.7). В этой таблице символ Q соответствует состоянию триггера до поступления информационных сигналов, символ Q - состоянию триггера после поступления сигналов.

Табл. 7.7 состояний асинхронного RS- триггера проверяется при использовании табл. 7.5 истинности элемента “И-НЕ”, из которой видно, что при логическом “0” хотя бы на одном входе этого элемента на его выходе устанавливается логическая “1”. Поэтому, если на вход триггера подан логический “0”, то на прямом выходе Q устанавливается логическая “1”, которая по цепи обратной связи передается на вход другого элемента “И-НЕ” с входом . При наличии на входе логической “1” (вторая строка табл. 7.7) в соответствии с табл. 7.5 (четвертая строка) на инверсном выходе триггера устанавливается логический “0”. Аналогичным образом проверяется выполнение и первой строки табл. 7.7. Легко также убедиться, что при логических “1” на обоих входах триггера (третья строка табл. 7.7) он может находиться как в состоянии “1”, так и в состоянии “0”. Из этого следует, что при подаче такой информации состояние триггера не изменяется. Например, если до подачи двух логических “1” триггер находился в состоянии “0”, то и после их подачи триггер будет в том же состоянии “0”.

Асинхронный RS-триггер на элементах “И-НЕ” не допускает наличия логических “0” одновременно на обоих входах. Действительно, в данном случае в соответствии с табл. 7.5 на входах каждого элемента триггера должны установиться логические “1”, но такое состояние не совпадает ни с одним из двух устойчивых состояний, в которых должен находиться триггер. Запрещение подачи входной информации = = 0 в табл. 7.7 отмечено соответствующим знаком.

Рисунок 7.13. Структурная схема синхронного RS- триггера

на логических элементах «И-НЕ»

Схема построения синхронного RS- триггера на элементах “И-НЕ” приведена на рис. 7.13. В ее состав входят четыре логических элемента, причем два элемента на выходе образуют асинхронный RS- триггер. Два элемента “И-НЕ” на входе синхронного триггера обеспечивают сохранение неизменным его состояние в отсутствии логической “1” на синхронном входе “С”. Действительно, при наличии на этом входе логического “0” на выходах обоих входных элементах устанавливаются логические “1”, а в данном случае согласно третьей строке табл. 7.7 состояние асинхронного триггера не изменится. Следовательно, ввод информации в синхронный RS- триггер достигается только при подаче на синхронный вход “С” логической “1”, т.е. тактового импульса. Только в этом случае справедлива табл. 7.8 состояний синхронного RS- триггера на элементах “И-НЕ” со схемой рис. 7.13.

Для подтверждения данных табл. 7.8 следует использовать табл. 7.5 истинности элемента “И-НЕ” и табл. 7.7 состояния асинхронного RS-триггера на этих элементах. Необходимо отметить, что для синхронного RS-триггера на элементах “И-НЕ” не допускается наличие логических “1” одновременно на всех его входах. В данном случае на выходах двух входных элементов, а, следовательно, на входах двух выходных элементов схемы рис. 7.11 устанавливаются логические “0”, что недопустимо для асинхронного RS- триггера (четвертая строка табл. 7.7). В соответствии с третьей строкой табл. 7.7 состояние синхронного RS-триггера не изменяется при одновременной подаче на входы S и R логических “0”.

Рисунок 7.14. Схемное обозначение RS- триггеров

на логических элементах «И-НЕ»:

а – асинхронного, б - синхронного

В отличие от асинхронного триггера рис. 7.12 подача на информационный вход S синхронного RS- триггера логической “1” (при R = 0) приводит к установке на прямом выходе Q также логической “1”. При S = 0 и R = 1 триггер будет находиться в состоянии “0”. Идентичность информации на входе S и на выходе Q триггера отражено отсутствием черты над обозначениями входов S и R синхронного триггера. В то время, как в обозначениях входов асинхронного RS- триггера над символами и вводится черта. В схемных обозначениях этих элементов, приведенных на рис. 7.14, также имеются отличия. Входы асинхронного RS- триггера на элементах “И-НЕ” имеют знаки “инверсии”, что отражает факт противоположной информации на входе и выходе Q. Подобные знаки у информационных входов в схематическом обозначении синхронного RS- триггера на элементах “И-НЕ” отсутствуют.

Состояния, в которых могут находиться триггеры, весьма наглядно представляются с помощью временных диаграмм. На рис. 7.15 такие диаграммы приведены для асинхронного и синхронного RS- триггеров со схемами рис. 7.12 и 7.13.

Рисунок 7.15. Временные диаграммы, иллюстрирующие работу RS- триггеров:

а – асинхронного, б - синхронного

На рис. 7.16 приведены схемные обозначения синхронного D-триггера (а), Т-триггера (б) и синхронного JK-триггера (в), а на рис. 7.17-7.19 – временные диаграммы, иллюстрирующие их работу. Состояние синхронного D-триггера при наличии логической “1” на тактовом входе соответствует информации, поступающей на вход D. Состояние Т-триггера изменяется после каждого изменения информации сигнала на входе Т либо с «1» на «0», либо с «0» на «1». Этот триггер также может иметь специальные, установочные входы, которые, являясь асинхронными, обозначаются как R и S. При подаче “1” на установочный вход R (S = 0) в Т-триггере устанавливается состояние “0”, а при подаче “1” на вход S (R = 0) в триггере устанавливается состояние “1”.

Рисунок 7.16. Схемные обозначения триггеров:

а - синхронного D-триггера, б – Т-триггера, в – JK- триггера

Синхронный JK-триггер имеет два информационных входа J и K, тактовый вход С, а также входы R и S для установки триггера в определенное состояние. В отличие от синхронного D-триггера состояние JK-триггера (см. табл. 7.9) под воздействием информационных сигналов устанавливается после окончания тактового импульса, т.е. при изменении информации на тактовом входе с “1” на “0”. Это иллюстрируется временной диаграммой рис. 7.19. Кроме того, для JK-триггера отсутствуют запрещенные комбинации информационных сигналов, что имеет место в RS-

Рисунок 7.17. Временные Рисунок 7.18. Временные

диаграммы, иллюстрирующие диаграммы, иллюстрирующие

работу синхронного D-триггера работу Т-триггера, в котором,

состояние изменяется после

изменения входного сигнала

с «1» на «0»

Рисунок 7.19. Временные диаграммы,

иллюстрирующие работу JK-триггера

триггерах. Определенное состояние JK-триггера может быть установлено при подаче соответствующих сигналов на установочные входы R и S. Как и в случае Т-триггера, при R = 1 и S = 0 в триггере устанавливается состояние “0”, а при S = 1 , R = 0 – состояние “1”.

Синхронный JK-триггер является универсальным, на его основе могут быть построены другие типы триггеров. На рис. 7.20 приведена схема с использованием этого триггера, обеспечивающая состояния асинхронного D-триггера.

Рисунок 7.20. Схема на основе Рисунок 7.21 Схема на основе

JK-триггера, реализующая RS- триггера, обеспечивающая защиту

функции синхронного асинхронного двигателя в режиме реверса

D-триггера

Триггеры могут выполнять функции элементов реле, пускателей и других устройств информационной техники. В качестве примера можно рассмотреть применение асинхронного RS- триггера в системе запуска и защиты трехфазного асинхронного двигателя при его работе в режиме реверса, т.е. обеспечения и правого, и левого вращения ротора. Известно, что такой режим достигается переключением двух обмоток статора, для чего в аппаратуре имеются контакторы правого и левого вращения. При изменении направления вращения ротора во избежание короткого замыкания обмоток необходимо исключить одновременное включение двух этих контакторов. Данная задача решается с помощью схемы, приведенной на рис. 7.21. На выходе RS- триггера установлены усилители постоянного тока, которые информационные сигналы низкого напряжения усиливают до уровня, необходимого для приведения в действие контакторов двигателя.

Для включения двигателя, например, в режим правого вращения, т.е. для получения информационного сигнала с выхода Q триггера сигнал “1” подается на его вход , а на вход - “0”. Для вращения ротора в противоположном направлении на вход триггера подается “1”, а “0” – на вход . Если же одновременно поданы сигналы на входы и , то согласно табл. 7.7 состояние триггера не изменится, что исключает одновременную подачу напряжения на оба контактора, и ротор двигателя будет вращаться в прежнем направлении.