4.2. Схемотехника триггерных устройств

Триггеры – элементарные автоматы, содержащие собственно элемент памяти (ЭП) или фиксатор и схему управления. Фиксатор строится на двух инверторах, связанных друг с другом «накрест», т.е. так что выход одного соединен с входом другого (рис. 4.2).

Рис. 4.2. Бистабильные ячейки на ЛЭ ИЛИ-НЕ (а) и И-НЕ (б)

Такое соединение дает цепь с двумя устойчивыми состояниями (поэтому ЭП называют еще бистабильной ячейкой (БЯ), т.е. с двумя стабильными состояниями). Действительно, если на выходе инвертора 1 имеется логический ноль, то он обеспечивает на выходе инвертора 2 логическую единицу, благодаря которой сам и существует. То же согласование сигналов имеет место и для второго состояния, когда инвертор 1 находится в «1», а инвертор 2 – в «0». Любое из двух состояний может существовать неограниченно долго при условии наличия напряжения питания и отсутствия внешних сигналов управления.

Состояние триггера распознаётся по его выходному сигналу. Под влиянием входного сигнала триггер может скачкообразно переходить из одного устойчивого состояния в другое, при этом скачкообразно изменяется уровень напряжения его выходного сигнала. Переход в каждое последующее состояние обычно зависит не только от текущих значений входных сигналов, но и от предыдущего состояния триггера. Информация о предыдущем состоянии, поступающая с выходов вместе с внешними сигналами, управляет его работой. Поэтому триггеры являются устройствами с обратными логическими связями.

Триггеры в схемах вычислительных устройств обычно имеют два выхода: прямой и инверсный . В единичном состоянии на выходе высокий уровень сигнала, а в пулевом – низкий. На выходе - наоборот.

Схемы триггеров можно разделить на несколько типов: с установочными входами - RS – триггер, со счётными входом – Т-триггер, а также D-, JK- триггеры и др.

Если хотя бы по одному входу информация заносится принудительно под воздействием синхронизирующего сигнала, то триггер называется синхронизируемым (синхронным). Если занесение информации по любому входу производится без синхронизирующего сигнала, то триггер называется несинхронизируемым (асинхронным).

Законы функционирования триггеров задаются таблицами переходов.

Классифицировать триггеры можно по разным признакам. На рисунке 4.3 дана классификация триггеров по трем важнейшим признакам: логике работы, способу записи информации и типу запоминающего элемента.

Рис. 4.3. Классификация триггеров, используемых в цифровой схемотехнике

4.3. Асинхронные триггеры

Как уже упоминалось ранее, асинхронный триггер – это устройство, занесение информации по любому входу которого производится без синхронизирующего сигнала. Это значит, что состояние выходов таких триггеров зависит только от комбинации входных (информационных) сигналов и их текущего состояния.

В зависимости от типа логических элементов, на основе которых построены бистабильные ячейки (БЯ) триггеров, различают триггера с прямой и инверсной входной логикой. На рис. 4.4,а представлено графическое обозначение RS триггера с прямой входной логикой, БЯ которого построена на элементах ИЛИ-НЕ (см. рис. 4.2,а). На рис. 4.4,б и 4.2,б представлены, соответственно, графическое обозначение RS триггера с инверсными входами и БЯ на элементах И-НЕ, на базе которой он построен.

RS- триггер

Работа этого триггера описана в табл. 4.1.

Таблица 4.1

R	S	Qt	Qt+1	Этапы на временной диаграмме	Примечание
0	0	0	0	0,6	R=0; S=0	Хранение информации
0	0	1	1	2,4
0	1	0	1	1	Set	Установка в 1
0	1	1	1	3
1	0	0	0	7	Reset	Установка в 0
1	0	1	0	5
1	1	0	Х		R=1; S=1	Запрещенная комбинация
1	1	1	Х

Функции выходов RS триггера ( характеристические уравнения):

(4.1)

. (4.2)

Возможны различные виды функционирования RS триггера, познакомимся с ними:

Условное графическое обозначение этого триггера представлено на рис. 9.4, а временные диаграммы его работы – на рис. 9.5.

Рис. 4.4. Условное графическое обозначение асинхронного RS триггера с прямыми (а) и инверсными входами (б)

Рис. 4.5. Временные диаграммы работы асинхронного RS триггера с прямыми входами

На временных диаграммах представлены различные этапы состояния во времени входных и выходных сигналов асинхронного RS триггера в соответствии с таблицей 4.1, при этом, начальное состояние триггера в момент времен t=0 соответствует «0».

Существуют модификации RS триггеров по признаку их реакции на запрещенную (R=1 и S=1) комбинацию управляющих сигналов. В соответствии с этим признаком такие триггеры могут быть:

R-триггеры, отличающийся от RS триггера тем, что при наличии запрещенной комбинации на входе он устанавливается в «0». Условное обозначение этого триггера и таблица его работы представлены, соответственно, на рис. 4.6,а и 4.6,б.

S-триггер, отличающийся от RS триггера тем, что при наличии запрещенной комбинации на входе он устанавливается в «1». Условное обозначение этого триггера и таблица его работы представлены, соответственно, на рис. 4.7,а и 4.7,б.

Е-триггер, отличающийся от RS триггера тем, что при наличии запрещенной комбинации на входе этот триггер сохраняет свое предыдущее состояние. Условное обозначение этого триггера и таблица его работы представлены, соответственно, на рис. 4.8,а и 4.8,б

Рис. 4.6. Графическое обозначение R-триггера (а) и таблица его работы (б)

Рис. 4.7. Графическое обозначение S-триггера (а) и таблица его работы (б)

Рис. 4.8. Графическое обозначение E-триггера (а) и таблица его работы (б)

D-триггер

Триггер типа D (от английского Delay – задержка) имеет один вход. Его состояние на прямом выходе повторяет входной сигнал, но с задержкой, определяемой тактовым сигналом, поступающим на синхровход. Исходя из этого следует, что асинхронный D-триггер не имеет практического применения. Тем не менее, в целях дальнейшего освоения теории триггерных устройств представляем графическое обозначение D-триггера (рис. 4.9,а) и таблицу его работы (рис. 4.9,б).

Рис. 4.9. Графическое обозначение D-триггера (а) и таблица его работы (б)

Характеристическое уравнение прямого и инверсного выходов D-триггера, составленные на основании таблицы переходов, имеют вид:

(4.3)

. (4.4)

DV-триггер

DV-триггер отличается от D-триггера тем, что благодаря управляющему сигналу V представляется возможность избежать недостатка, присущего асинхронному D-триггеру. А именно: если вход V=0, то DV-триггер хранит информацию (см. таблицу рис. 4.10,б), а при V=1 – он работает как D-триггер. На рис. 4.10,а представлено графическое обозначение DV-триггера, а выражения (4.5) и (4.6) описывают функции прямого и инверсного выходов этого триггера.

(4.5)

. (4.6)

Рис. 4.10. Графическое обозначение DV-триггера (а), таблица его работы (б)

T-триггер

Прежде, чем познакомиться с данным триггером, необходимо отметить принципиальное отличие триггера этого типа, а также триггера JK типа (будет рассмотрен позже), от раннее рассмотренных типов триггеров. Различие заключается в том, что RS- и D-триггера имеют разомкнутую структуру (о внутренних обратных связях в схеме БЯ сейчас речь не идет), а триггера T- и JK типа используют выходные сигналы для воздействия на свои входы.

T-триггер – устройство, меняющее свое состояние на противоположное при поступлении активного уровня сигнала на его вход. Т.е. при поступлении на вход этого триггера серии сигналов, состоящей из «0» и «1», на выходе по приходу каждой второй «1», на прямом выходе триггера будет «0», при условии нулевого начального его состояния. Получается, что Т-триггер считает «1» на своем входе и, если на вход поступило четное количество «1» (или «0» при инверсном входе), на его выходе будет «0», в противном случае – «1». Из-за этого Т вход этого триггера называют счетным. Таблица работы этого триггера представлена на рис. 4.11,б, графическое обозначение – на рис. 4.11,а. Характеристическое уравнения его прямого и инверсного выходов имеют, соответственно, вид (4.7) и (4.8).

(4.7)

. (4.8)

Рис. 4.11. Графическое обозначение Т-триггера (а), таблица его работы (б)

JK-триггер

JK-триггер отличается от RS-триггера тем, что при наличии на его входе запрещенной комбинации состояния выходов JK-триггера инвертируются. Для этого так же, как и Т-триггер JK-триггер использует свои выходы для воздействия на свои входы.

Графическое обозначение этого триггера представлена на рис. 4.12,а, таблица работы – на рис. 4.12,б . Характеристическое уравнения его прямого и инверсного выходов имеют, соответственно, вид (4.9) и (4.10).

(4.9)

. (4.10)

Рис. 4.12. Графическое обозначение JK-триггера (а), таблица его работы (б)