Методическое пособие 445

Практическое занятие № 2 Составление схем устройств с памятью

Цель практических занятий: освоить принципы составления триггерных схем

Теоретические сведения

Триггером называется цифровое устройство, которое может находиться в одном из двух устойчивых состояний и переходит из одного состояния в другое под действием входных сигналов [1,3]. Триггер – это бистабильная ячейка (рис. 21 а), для которой действуют следующие правила:

а б в Рис. 21. Графическое обозначение триггеров

1.Выводы для подключения напряжения питания не обозначаются.

2.На обоих выходах триггера обычно действуют противоположные состояния.

3.Для описания принципа действия триггера используются логические состояния 0 и 1. Также можно оперировать понятиями уровней L и H. Если нет особых указаний, то по умолчанию все логические операции производятся при положительной логике (Н = 1, L = 0) [1].

4.При подаче на вход триггера Е1 логической 1, выход А1 переходит в состояние А1 = 1. Этот процесс называют

режимом установки триггера. Если триггер уже имеет состояние A1 = 1, то подача 1 на входе Е1 ничего не меняет. Переключения триггера не происходит.

20

5.Состояние 1 на Е2 переводит выход триггера в A2 = 1. Этот процесс называют режимом сброса триггера. Если триггер уже имеет состояние А2 = 1 то 1 на входе Е2 ничего не меняет.

6.Состояния 0 на входах не вызывают никакого воздействия на выход.

7.Состояние A1 характеризует состояние памяти триггера. Если A1 = 1 то триггер записал значение 1.

Разумеется, можно сделать триггеры, которые управляются 0-состояниями. Эти триггеры имеют особенные, обозначенные кругом отрицания, входы (рис. 21 б) и применяются достаточно редко.

Часто применяют триггеры с фиксированной установкой [1]. Условное обозначение такого триггера показано на рис. 21 в. После подачи напряжение питания этот триггер всегда устанавливается в состояние A1 = 0, А2 = 1. Это состояние называется состояние покоя или состояние сброса.

Состояние A1= 1, А2 = 0 называется рабочим состоянием или режимом установки триггера. Можно так сконструировать триггер, чтобы он после подачи напряжения входил в рабочее

состояние. Такой триггер обозначается символом i=1 (рис. 22 а).

а б Рис. 22. Разновидности триггеров

Существуют триггеры, которые после подачи напряжения питания имеют состояние, которое они имели при выключении напряжения. Они не теряют хранимую информацию при потере питания. На триггерах этой разновидности стоит символ NV

(поп volatile, nullspannungsgesichert), рис. 22 б.

Схемы, включающие в себя триггеры, должны быть удобны в расчетах. Желательно, чтобы триггерами можно было оперировать с помощью алгебры логики. Так как таблицы

21

истинности триггеров известны, то из них можно вывести уравнения алгебры логики. Эти уравнения называются характеристическими уравнениями. Характеристическое уравнение описывает работу триггера в виде уравнения алгебры логики.

Входы триггера

Статические – переключаются потенциалом (уровнем напряжения). Условные обозначения статических входов, если триггер изменяет состояние при сигнале 1 и при сигнале 0 показаны на рис. 23 а и 23 б соответственно.

а б Рис. 23. Статические входы триггера

Динамические – переключаются перепадом (передним или задним фронтом импульса). Обозначения и временные диаграммы динамического входа для прямого (01) и обратного (1 0) фронтов показаны на рис. 24 а и рис. 24 б соответственно.

Рис. 24. Динамические входы

Взаимосвязанные входы – связаны логической операцией. Графические обозначения для входов, связанных логическим

22

умножением и логическим сложением показаны на рис. 25 а и рис. 25 б соответственно.

а б Рис. 25 Обозначение взаимосвязанных входов

Условные обозначения входов триггера

Функции входов триггеров и логические операции условно обозначаются с помощью следующих знаков:

G – Логическое И

V – Логическое ИЛИ

С – Управляющий вход S – Вход установки

R – Вход сброса

Связанные входы обозначаются буквами с дополнительными цифровыми индексами [1]. Для управляющих входов индекс ставится после букв, для управляемых входов индекс ставится перед буквами (рис. 26). Номер индекса (1, 2 и т.д.) показывает приоритет зависимости.

Рис. 26. Обозначение логической связи между входами

Как поведет себя триггер, если на всех входах S, R и G одновременно будет состояние логической 1? В большинстве триггеров это запрещенная комбинация, которая приводит к неопределенному состоянию выходов. Тем не менее есть триггеры, у которых либо S-вход либо R-вход являются доминирующими.

23

На рис. 27 а изображен триггер с доминирующим S - входом. Управляющий И-вход и G-вход отсутствуют. При S = 1 и R = 1 триггер будет установлен. Индекс 1 отражает так называемую S-зависимость. Вместо индекса 1 могло бы стоять 2 или другое число, если 1 был бы уже занят для какой-либо другой зависимости.

На рис. 27 б представлен триггер с доминирующим R- входом. При S = 1 и R = 1 триггер сбрасывается. Индекс 1 при R и на выходах отражает так называемую R-зависимость.

а б Рис. 27. Триггер с доминирующим входом

C-зависимость называется управляющей зависимостью. Она применяется, в частности, при тактовом управлении триггерами.

Нетактируемые триггеры

Асинхронный RS-триггер имеет две входные информационные шины R и S и две выходные шины A1 (Q) и A2

устанавливается в состояние 1 (A1=1, A2=0), а под действием сигнала R – переходит в состояние 0 (A1=1, A2=0).

Триггер может быть реализован на элементах ИЛИ-НЕ (рис. 28) или элементах И-НЕ (рис. 29).

Рис. 28. Асинхронный RS-триггер на ИЛИ-НЕ элементах

24

первом варианте состояние выхода Ql остается неизменным. Но каким оно было? Оно могло быть 1 или 0. В подробной таблице истинности Qln указывается в виде переменной величины (рис. 31 б). Индекс п при Qln может не указываться, так как tn показывает принадлежность Q к п-му моменту времени.

D-триггер (триггер задержки) имеет только один информационный вход D, с которого информация записывается и выдается на выходные шины по сигналу синхронизации. Таблица истинности приведена на рис. 32. Схемы и диаграммы однотактного и двухтактного D-триггеров показаны на рис. 33 и рис. 34 соответственно.

Рис. 32. Таблица истинности D-триггера

Рис. 33. Однотактный D-триггер

Рис. 34. Двухтактный D-триггер

26

Т-триггеры имеют один информационный вход Т и изменяют свое состояние на противоположное при поступлении на этот вход сигнала Т. Функционирование Т- триггера описывается уравнением

Т триггер можно построить на базе D – триггера (рис. 35).

Рис. 35 – T-триггер

JK-триггер в отличие от RS-триггера не имеет запрещенных комбинаций входных сигналов. При поступлении сигналов на оба входа J и K триггер изменяет свое состояние на противоположное. Уравнения работы асинхронного и синхронного JK-триггера имеют вид:

Qn 1 jQn KQn – для асинхронного

Qn 1 C jQn KQn CQn – для синхронного

На рис. 36 а приведена схема JK-триггера на базе двухступенчатого RS-триггера с запрещенными связями, на рис. 36 б – его обозначение.

а б

Рис. 36. JK-триггер на базе двухступенчатого RS-триггера с запрещенными связями

27

Управляемые триггеры

Если триггер управляется по переднему (при переходе из состояния 0 в состояние 1) или по заднему (при переходе из состояния 1 в состояние 0) фронту, то он называется

управляемым по одному фронту.

Пример управляемого по одному фронту RS-триггера приведен на рис. 37.

Рис. 37 – Условное обозначение и таблица истинности тактируемого управляемого по одному фронту RS-триггера

Наличие запрещенных комбинаций для тактируемых RS- триггеров вызвало идею построения триггера, который принудительно устанавливает Q1 в 0 при S = 1 и R = 1 при подаче синхроимпульса [1,3]. Это становится возможным благодаря особенному подключению входов (рис. 38).

Рис. 38. Схема тактируемого RS-триггера с доминирующим

R-входом

28

Обозначение, таблица истинности и временные диаграммы тактируемого RS-триггера с доминирующим R- входом приведены на рис. 39 а, 39 б, 39 в соответственно.

При S = 1 и R = 1, 1-сигнал не может воздействовать на триггер, так как на выходе элемента НЕ действует 0. И-элемент запирается. 1-сигнал на R разрешает сброс. Режим установки при S = 1 и R = 0 остается возможен, так как теперь на выходе элемента НЕ действует 1 и И-элемент имеет на выходе 1. Такой триггер называется RS-триггером с доминирующим R-входом,

или R-триггером. Правило его работы следует из условного обозначения на рис. 39 а: если оба входа триггера S, R и вход T имеют уровень 1, то при сигнале синхронизации 1 Q1 устанавливается на 0, a Q2 – на 1.

а)

б)

в)

Рис. 39. Тактируемый RS-триггер с доминирующим R-входом

Существует также тактируемый RS-триггер с доминирующим S-входом.

RS-триггеры, управляемые по обоим фронтам

Сигнал на входе поступает в управляемый по двум фронтам триггер во время прямого фронта синхроимпульса. Он не проходит сразу на выход, а временно сохраняется. Только

29