2.4.2 Триггеры с синхронным управлением

Предварительно рассмотрим принципиальную схему так называемого Т-триггера (toggle — переключатель), выполняющего лишь одну функцию: он может делить частоту тактовой, последовательности, подаваемой на вход С в 2 раза. Принципиальная схема Т-триггера, содержащего два инвертора DD1.1 и DD1.2 популярной в 50—60 годы резистивно-емкостной логики (РЕТЛ), показана на рис. 2.28,а.

Схему тактового запуска здесь образуют два резисторно-диодных логических элемента И без инверсии (DD1.3 и DD1.4). Функциональная схема этого Т-триггера показана на рис. 2.28,б. Для начала анализа работы Т-триггера положим, что в интервале времени от 0 до t₁ (рис. 2.28, в) транзистор VT1 насыщен, его база получает избыточный ток от положительного полюса U_и.п через резисторы R_б1 и R_к2; транзистор VT2 разомкнут. Тогда на выходе Q напряжение низкого уровня не должно превышать 0,3 В. На выходе будет напряжение высокого уровня. Следовательно, диодVD2 надежно закрыт, поскольку на его катоде присутствует большой положительный потенциал. Диод VD1 не закрыт. Обратим внимание также на то, что форсирующий конденсатор С_ф1 заряжён до напряжения, существенно превышающего напряжение на втором таком же конденсаторе С_ф2.

Рисунок 2.28 - Триггер-делитель на два (Т-триггер)

Таким образом, зная эти начальные условия, ждем прихода первого отрицательного перепада тактового импульса С в момент t₁. Вызванный им отрицательный перепад тока выведет транзистор VT1 из состояния насыщения, поскольку скачок отрицательного (закрывающего) базового тока пройдет через незакрытый диод VD1 и конденсатор С1. Отметим, что через закрытый диод VD2 скачок входного напряжения не может изменить состояние транзистора VT2. Поскольку скачок закрывающего базового тока транзистору VT1 был дан, должен уменьшиться и его коллекторный ток, что вызовет положительный перепад напряжения на коллекторе, т. е. на выходе Q. Далее, уже без влияния цепи запуска в RS-защелке происходит регенеративный процесс переброса, т. е. смены состояний транзисторов. Этот процесс идет однонаправленно и не останавливается с окончанием отрицательного перепада входного запускающего импульса С, что гарантируется неравенством начальных зарядов конденсаторов С_ф1и С_ф2. Эти заряды мгновенно измениться не могут, поэтому конденсаторы С_ф1и С_ф2выполняют роль памяти предыдущего состояния. Но, как показал опыт, емкость форсирующих конденсаторов не должна превышать 30...50 пФ, чтобы процесс не гасился избыточным током запуска.

Таким образом, по окончании регенерации в RS-защелке на выходеQнапряжение будет высоким, а на — низким (отрезок времени отt₁доt₂). В этот период изменилось состояние диодов, распределяющих тактовые перепады:VD1 теперь заперт,aVD2 открыт, т. е. именно он готов передатьRS-защелке очередной отрицательный перепад тактовой последовательности импульсов С. После прихода в момент t₂ второго отрицательного перепада состояния выходовQи вновь изменятся и закроется диодVD2, третий отрицательный перепад тактовой последовательности пройдет через диодVD1. Цикл работы Т-триггера на этом закончится.

Сигналы на выходах Qи имеют частоту повторения, в 2 раза меньшую, чем исходная тактовая последовательность С (сравните частоты повторения отрицательных фронтов на графикахU_c,U_q и(рис.2.28,в). Таким образом, Т-триггер делит частоту входного сигнала в 2 раза, переключается отрицательным перепадом тактового импульса. Запуск отрицательным перепадом отмечен знаком инверсии С, при котором выход триггера (счетчика) принимает инверсное первоначальному.

Рисунок 2.29 - RST-триггер на элементах РТЛ

Заменим в схеме (рис. 2.28,а) элементы И (DD1.3 иDD1.4) на двух-входовые инверторы. Получается принципиальная схемаRST-триггера на элементах РТЛ (рис. 2.29,а). Функциональная схема его приведена на рис. 2.29,б, а таблица состояний на рис. 2.29,в. При напряжении высокого уровня на входе(на входахRиSмогут быть любые уровни) в промежуточных точкахR' иS' появляются напряжения низкого уровня, поскольку насыщаются транзисторыVT6 иVT7. НаRS-защелку (элементыDD1.3 иDD1.4) прохождение управляющих сигналовRиSзапрещено. В защелке хранится предыдущее ее состояние.

Если одновременно на входы RиSподать напряжение высокого уровня, то в точкахS' иR' будет напряжение низкого уровня, и действие тактового входабудет запрещено. На выходах отобразится предыдущее состояние защелки. Когда на входахRиSзафиксировано напряжение низкого уровня и такое же напряжение поступит на вход, в точкахS' иR' появятся одновременно два напряжения высокого уровня. Такую логическую информациюRS-защелка не примет (неопределенность). Присутствующие на входахRиSвзаимно противоположные уровни позволяют после прихода тактового импульсанизкого уровня установить на выходахQинаперед заданную комбинацию уровней:Q=H,=B, и наоборот.

Наиболее универсален JK-триггер. В его таблице состояний устраняется строчка неопределенности.

Предварительно рассмотрим принцип действия Т-триггера, построенного на элементах не с динамическими, а с потенциальными входами. Для этого включим в режиме Т-триггера ранее изученный RST-триггер (рис. 2.29,б), но только с реализацией на ЛЭ типа И-НЕ. Схема такого включения показана на рис. 2.30,а. По сравнению со схемой Т-триггера (рис. 2.28,б) полярность связей выходов и входов здесь противоположная. Разделим схему Т-триггера на две части:RS-защелку (элементыDD1.3 иDD1.4 на рис. 2.30,б) и логику управления (элементыDD1.1 иDD1.2 на рис. 2.30,г).

Предположим, что схема (рис. 2.30,а) построена на ТТЛ элементах, активный включающий уровень для которых - низкий. Тогда согласно таблице состоянийR'S'-защелки (рис. 2.30,в) входные уровниR' =S'= В не должны вызывать ее переброса. Для схемы управления на рис. 2.30,гнапряжение высокого уровня, поданное на вход С, разрешает прохождение на выходыR' иS' сигналамQи. При С=Н на выходахR' иS' установятся напряжения высокого уровня, которые не могут перебросить защелку (см. таблицу состояний на рис. 2.30,в).

В таблице состояний на рис. 2.30, д и на диаграмме сигналов рис. 2.30,е отмечены этапы работы Т-триггера.

Рисунок 2.30 - Т-триггер с обратными связями через инверторы

На первом, исходном этапе полагаем, что Q=Bи=H. Подаем на тактовый вход С напряжения низкого уровня: С = Н. Отмечаем, что на первом этапеR'=BиS'=B. Такая комбинация сигналов не перебрасывает защелку. К началу второго этапа запишем прежние состояния выходаQ=Bи=H. Подадим на вход С напряжение высокого уровня. Теперь сигналы управления станутR'=В иS'=Н, что вызовет перемену выходных состояний защелки, т. е.Q=Hи=B. Эти состояния переносим в таблице на начало третьего этапа и даем на тактовый вход сигнал С=Н, который, как и на первом этапе, не вызовет переброса защелки. На начало четвертого этапа состоянияQ=Hи=Bсохраняются, но положительный перепад тактового импульса перебросит триггер (как и на втором этапе). Триггер переключается с приходом каждого положительного перепада тактовой последовательности прямоугольных импульсов. На основании этих данных построена осциллограмма работы Т-триггера из элементов ТТЛ (рис. 2.30,е).

Для надежной и четкой работы триггерных ячеек в многоразрядных устройствах (регистрах, счетчиках) предназначены двухступенчатые триггеры, называемые master—slave, что лучше всего переводится как «мастер— помощник» (словоmasterимеет еще одно значение: хозяин). Структурная схема такого триггера, состоящего из двухRST-триггеров, показана на рис 2.31, а. Входы С обоих триггеров ТМ (мастера) и ТП (помощника) соединены между собой через инверторDD1.1.

На рис. 2.31, б показано, что составным триггером ТМ—ТП управляет полный (с фронтом и срезом) тактовый импульс С. Действительно, если каждый из триггеров имеет установку положительным перепадом, входная RS-комбинация будет записана в ТМ в момент прихода положительного перепада тактового импульса С. В этот момент в ТП информация попасть не может. Когда придет отрицательный перепад входного импульса С, на выходе инвертораDD1.1 он появится как положительный. Следовательно, положительный перепад импульса С перепишет данные от выходовQ' ив ТП. Таблица состояний двухступенчатогоRST-триггера показана на рис. 2.31,в.

Рисунок 2.31 - Двухступенчатый RS-триггер «мастер-помощник»