Тема 15. Синтез тригерів

Під час обробки цифрової інформації виникає необхідність у записі двійкових слів і їх тимчасовому зберіганні.

Оскільки двійкове слово - це набір нулів і одиниць, то для зберігання одного розряду цього слова потрібно елемент, який може знаходитися в двох чітко помітних станах, одне з яких трактують як нульове, а другий як одиничне.

В даний час в якості таких елементів використовуються електронні пристрої, відмінною рисою яких є те, що в одному стані напруга на виході цього пристрою відповідає рівню логічного нуля, і цей стан приймають як нульове, а в другому -- рівнем логічної одиниці, і цей стан приймають як одиничне, причому кожне з цих станів стабільно і однаково правомочні.

Для переведення пристрою з одного стану в інший потрібні відповідні керуючі вхідні сигнали. Ці сигнали ми зазвичай трактуємо як сигнали запису нуля або сигнали запису одиниці. Подібні пристрої отримали назву Тригер.

Існує велике різноманіття тригерів. Основна відмінність їх один від одного полягає в характері управління або в способі запису інформації, хоча існує і багато інших класифікацій їх. Найбільш поширення в даний час отримали такі різновиди тригерів, що відрізняються характером управління:

-          Найпростіші RS -тригери;

-          RS -тригери з керованою записом (шляхом завантаження);

-          Найпростіші (прозорі) D -тригера (засувки, фіксатори);

-          Синхронні RS -тригери;

-          Синхронні D -тригери;

-          JK -тригери;

-          T -тригери;

Основою побудови будь-якого різновиду тригера є найпростіший RS -тригер.

Найпростішими з послідовнісних цифрових вузлів є тригери – логічні схеми, які можуть знаходитись у одному з двох стійких станів і стрибком переходити в інший стан під впливом зовнішніх сигналів (через це інколи тригер називають бістабільним елементом). Перехід у інший стан частіше за все залежить не тільки від поточних значень вхідних сигналів, але й від попереднього стану тригера. Інформація про попередній стан тригера, що надходить з його виходу разом з вхідними сигналами, визначає його роботу. Саме через це тригери завжди є пристроями із зворотними зв’язками.

У цифровій техніці використовують тригери, побудовані на логічних елементах. Тригери, в свою чергу, є основою для побудови складних функціональних цифрових вузлів різного призначення – лічильників та розподілювачів імпульсів, дільників частоти слідування імпульсів, регістрів, запам'ятовувальних пристроїв.

Інтегральні тригери класифікуються за способом отримання інформації, за принципом побудови та функціональними можливостями.

За способом отримання інформації розрізняють синхронні та асинхронні тригери. Асинхронні тригери сприймають інформаційні сигнали та реагують на них безпосередньо в момент їх появи на інформаційних входах тригера. Синхронні тригери реагують на інформаційні сигнали за умов наявності дозволяючого сигналу на спеціальному керуючому вході С, який називають входом синхронізації. Синхронні тригери у свою чергу поділяються на тригери із статичним та динамічним управлінням по синхровходу.

Тригери із статичним управлінням (керовані рівнем сигналу) сприймають інформаційні сигнали за умови надходження на синхровхід рівня логічної одиниці (прямий С-вхід) або нуля (інверсний С-вхід). Тригери із динамічним управлінням (керовані фронтом сигналу) сприймають інформаційні сигнали при зміні сигналу на С-вході з 0 на 1 (прямий динамічний С-вхід) або з 1 на 0 (інверсний динамічний С-вхід).

За принципом побудови синхронні тригери можна поділити на одноступеневі та двоступеневі. Одноступеневі тригери мають лише один ступінь запам’ятовування інформації, а у двоступеневих тригерах таких ступенів два. Спочатку інформація записується у перший ступінь, потім переноситься у другий і потрапляє на вихід тригера. Двоступеневі тригери також називають тригерами типу MS (від англійського Master – Slave, тобто «майстер – помічник»). Ця абревіатура відображає характер роботи тригера: вхідна ступень виробляє нове значення вихідної змінної Q, а вихідна ступень його копіює.

За функціональними можливостями (або за способом організації логічних зв’язків) розрізняють:

1.     Тригер з окремим встановленням станів 0 та 1 (RS-тригер). R (від англійського RESET – скидання) – окремий вхід встановлення у стан 0. S (від англійського SET – встановлення) – окремий вхід встановлення тригера у стан 1.

2.     Універсальний тригер з інформаційними входами J та K (JK-тригер). Тут J – вхід для встановлення універсального тригера у стан 1. K – вхід для встановлення універсального тригера у стан 0.

3.     Тригер, який отримує інформацію лише через один вхід D – тригер затримки або D-тригер (D від англійського DELAY – затримка). Тут вхід D – інформаційний вхід для встановлення тригера у стан, який співпадає з логічним рівнем на цьому вході.

4.     Тригер із лічильним входом – Т-тригер або лічильний тригер. Тут вхід Т – лічильний вхід.

5.     Комбіновані тригери, у яких сполучені декілька типів тригерів. Наприклад, тригер типу RST – лічильний тригер, що також має входи встановлення та скидання.

З класифікації тригерів за їх функціональними можливостями стає зрозумілим, що назва тригера за цією ознакою цілком визначається типами його входів. Тригер будь-якого типу має два виходи: прямий Q та інверсний Стан тригера визначається за прямим виходом.

Головними показниками тригерів є їх швидкодія, чутливість, потужність, що споживається від джерела живлення, захищеність від перешкод та функціональні можливості. Швидкодія визначається максимальною частотою перемикань станів тригера і досягає сотень мегагерц. Чутливість тригера визначається найменшою напругою на вході (пороговою напругою), при якій відбувається перемикання тригера. Захищеність тригера від перешкод визначається його спроможністю працювати за умов впливу на нього різноманітних перешкод. Функціональні можливості визначаються кількістю та типом входів тригера.

Для повного визначення тригера достатньо задати його структурну схему на підставі базових логічних елементів (частіше за все використовують елементи ТА-НІ, АБО-НІ) та закон функціонування тригера у вигляді логічної функції або таблиці переходів.

RS-тригери.

Асинхронний RS – тригер з прямими входами.

Вхід R – це вхід скидання тригера в 0 (Reset – скидання).

Вхід S – це вхід встановлення тригера в 1 (Set – встановлення).

Асинхронним – називається такий тригер, який змінює свій стан в момент подання вхідного сигналу на входи R і S (рис. 15.1). S R T

Рис. 15.1. Асинхронний RS – тригер: а – графічне позначення; б – реалізація на елементах АБО-НЕ; в – часові діаграми роботи.

Таблиця переходів RS – тригера

Вхід – S	Вхід – R	Вихід – Qi+1	Режим роботи
0	0	Qi	Зберігання
0	1	0	Скидання в 0
1	0	1	Встановлення в 1
1	1	–	Заборонений

 

Асинхронний RS-тригер с інверсними входами.

Активним сигналом для такої схеми є логічний 0 (рис. 15. 2).

Рис. 15. 2. Асинхронний RS – тригер: а – графічне позначення; б – реалізація на елементах І-НЕ; в – часові діаграми роботи.

Робота тригера визначається таблицею переходів.

Таблиця переходів RS-тригер с інверсними входами

Вхід – S	Вхід – R	Вихід – Qi+1	Режим
0	0	-	Заборонений
0	1	1	Встановлення в 1
1	0	0	Скидання в 0
1	1	Qi	Зберігання

Синхронний RS-тригер.

Тригер називається синхронним, якщо в нього крім, інформаційних входів S і R, є тактовий вхід С.

Синхронний тригер зі статичним керуванням змінює свій стан при логічній 1 на вході С (якщо С вхід прямий) або при логічному 0 на вході С (якщо С вхід інвертований).

Активним сигналом для приведеної схеми (рис. 15.3) є логічна 1.

Таблиця переходів синхронного RS-тригера

С	S	R	Qi+1	Режим роботи
0	*	*	Qi	Зберігання
1	0	0	Qi	Зберігання
1	0	1	0	Скидання в 0
1	1	0	1	Встановлення в 1
1	1	1	−	Заборонений

а) б) в)

 

Рис. 15.3. Синхронний RS – тригер: а – графічне позначення; б – реалізація на елементах І-НЕ; в – часові діаграми роботи.

Т-тригери.

Асинхронний Т-тригер.

Т – тригер має один інформаційний Т – вхід (від англ. toggle) (рис. 15.4). Зміна стану тригера відбувається кожний раз при зміні вхідного сигналу в визначеному напрямку. Стан Т – тригера визначається його станом в попередньому такті.

Таблиця переходів асинхронного Т-тригера.

Т	Qi+1	Режим роботи
0	Qi	Зберігання
1	Qi	Інверсія

а) б)

 

Рис. 15.4. Асинхронний Т – тригер: а – графічне позначення; б – часові діаграми роботи.

Синхронний Т – тригер.

Синхронний Т – тригер спрацьовує по фронту наростання або спаду інформаційного сигналу (рис. 15.5). При 1 на вході Т, тригер змінює свій стан на протилежний під дією інформаційного сигналу.

Таблиця переходів синхронного Т – тригера

Т	Qi+1	Режим роботи
0	Qi	Зберігання
1	Qi	Інверсія

а) б)

Рис. 15.5. Синхронний Т – тригер: а – графічне позначення; б – реалізація Т – тригера на базі RS – тригерa;

Рис. 15. 6. Часові діаграми роботи синхронного Т – тригера.

D-тригери.

D – тригери (тригери затримки) на відміну від розглянутих раніше мають один інформаційний вхід D для встановлення в стан 1 або 0. Позначення D – це перша буква англ. слова delay – затримка. Функціональна особливість D

– тригерів в тому, що сигнал на виході Q в такті n+1 повторює вхідний сигнал

Dⁿ в попередньому такті n і зберігає цей стан до приходу наступного тактового імпульсу. D – тригер затримує на один такт інформацію на вході D (рис. 15. 7).

Таблиця переходів D-тригера.

Т	Qi+1	Режим роботи
0	Qi	Зберігання
1	Qi	Інверсія

а) б) в)

 

Рис.15. 7. Синхронний D – тригер: а – графічне позначення; б – реалізація D

– тригера на базі RS – тригера ; в – часові діаграми роботи.

Синхронний D-тригер з асинхронними входами R і S.

Асинхронні входи R і S мають пріоритет (тільки при R=1 i S=1 даний тригер буде працювати як синхронний D-тригер) (рис. 15. 8).

Рис. 15. 8. Синхронний D – тригер з асинхронними інвертованими входами RS.

Таблиця переходів синхронного D - тригера

C	D	S	R	Qi+1	Режим роботи
0	*	0	0	-	Заборонений
0	*	0	1	1	Встановлення в 1
0	*	1	0	0	Скидання в 0
0	*	1	1	Qi	Зберігання
1	0	1	1	0	Скидання в 0
1	1	1	1	1	Встановлення в 1

JK – тригер.

JK – тригери не мають невизначеного стану. При всіх вхідних комбінаціях, крім однієї Jⁿ = 1, Kⁿ =1 вони працюють, як RS – тригери, при цьому вхід J відповідає входу S, а вхід K відповідає входу R. При вхідній комбінації Jⁿ = 1, Kⁿ = 1 з кожним тактом відбувається зміна вихідного сигналу (режим лічильника).

Логічна структура синхронного JK – тригера подана на рис.15.9 б.

Робота JK – тригера описується характеристичним рівнянням:

Q^{n +1} = Jⁿ ∧ Qⁿ ∨ Kⁿ ∧ Qⁿ.

При Jⁿ = Kⁿ = 0 на виходах елементів 1 і 2 буде q₁ =q₂ = 1 (незалежно відзначень сигналів Q і Q), це нейтральна комбінація для тригера (елементи 5 і 6), який зберігає записану раніше інформацію. Якщо Jⁿ ≠ Kⁿ вихідний стан тригера буде визначатись логічним елементом 1 або 2, на всіх входах якого логічна 1. Вхідна комбінація Jⁿ = Kⁿ = 1 при будь якому стані тригера викликає зміну (інвертування) вихідного сигналу.

Елементи затримки (3, 4) створюють часовий зсув між моментом вводу вхідної інформації Jⁿ Qⁿ або Kⁿ Qⁿ і початком формування вихідної (Q^{n +1} і Q^{n +1}). Без цих елементів під час дії вхідної комбінації Jⁿ = Kⁿ =1 почнеться генерація в зв’язку з тим, що з кожною зміною вихідних сигналів на входах присутня комбінація, яка спричиняє зміну вихідного сигналу.

Рис. 15. 9. Синхронний JK – тригер: а – графічне позначення; б – логічна структура JK – тригера.

Таблиця переходів синхронного JK – тригера

C	D	S	R	Qi+1	Режим роботи
0	*	0	0	-	Заборонений
0	*	0	1	1	Встановлення в 1
0	*	1	0	0	Скидання в 0
0	*	1	1	Qi	Зберігання
1	0	1	1	0	Скидання в 0
1	1	1	1	1	Встановлення в 1

JK – тригери відносяться до універсальних пристроїв, шляхом відповідного з’єднання виводів вони перетворюються в тригери інших типів.

Універсальний JK – тригер можна використовувати як D, T і RS – тригер.

Синхронний RS-тригер Асинхронний Т-тригер