Триггерные устройства по способу действия могут быть

Триггерные устройства по способу действия могут быть

Триггеры в электронике — что это такое и где используется

Дата распечатки 20.11.2021 03:57

Что такое триггер

Чтобы узнать, что такое триггер и разобраться во всём, что касается этих устройств, нужно начать с понятия. Слово «Триггер» произошло от английского «trigger» и обозначает цифровое устройство, который имеет только два состояния – 0 и 1. Переход от одного значения к другому происходит с огромной скоростью, и временем этих переходов обычно пренебрегают.

Триггер – это основной элемент системы большинства запоминающих устройств. Они могут быть использованы для хранения информации. Но объём памяти крайне мал, так что там можно держать разве что коды, биты и сигналы.

Память свою триггеры могут сохранять только при наличии питающего напряжения. Из этого следует, что их всё-таки стоит относить к оперативной памяти. Перезапустить питающее напряжение – и триггер будет в одном из двух состояний. То есть иметь или логический ноль, или логическую единицу, и состояние это будет выбрано случайно. Исходя из этой особенности, при проектировании схемы нужно заранее обозначить, как триггер будет возвращаться в стартовое состояние.

Схема, состоящая из двух логических состояний «И-НЕ» или «ИЛИ-НЕ», которые охвачены обратной положительной связью, лежит в основе построения всех триггеров. При подключении схема может пребывать только в одном из двух устойчивых состояний. Если не будет никаких сигналов, то триггер будет сохранять именно заданное состояние и не менять его, пока будет питание.

Триггерные ячейки

Схема имеет два инверсионных входа: Сброс – R (Reset) и установка S (Set). Так же имеются два выхода: Q – прямой и –Q – инверсный. Чтобы триггерная ячейка работала правильно, должно выполниться одно правило. На выходы ячейки не могут в один момент поступить отрицательные импульсы.

На выход –R поступает импульс при одном сигнале на вход –S. Выход –Q тогда оказывается в состоянии «1», выход Q будет в состоянии «0». Обратная связь создаёт переход сигнала «0» на второй вход на нижнем элементе. Когда поступление сигнала на –R прекратится, состояние сигналов на выходах будет тем же – Q (0), –Q (1). Таким образом, схема будет находиться в состоянии стабильности, потому что при подаче импульса на –R, состояние на выходе не изменится.

Это же состояние будет у системы, если на – R подаётся «1», и на вход – S – «0». Тогда на выходе Q будет «1», на -Q — «0». Система будет стабильна, вне зависимости от подачи импульсов на входе – S.

Одновременно подав на каждый вход сигналы, на каждом выходе в течение их действия и будет по одному сигналу. Как только подача импульсов прекратится, выходы сами перейдут в одно из двух возможных состояний. Это произойдёт случайно. Триггерная ячейка при включении выберет себе одно из двух устойчивых положений. Так же случайно.

Входы и виды триггеров

В зависимости от структуры и выполняемых им функций можно определить число входов триггера.

По параметру записи информации триггеры можно разделить на:

• Синхронные – запись информации производится только при дополнительном, синхронизирующем сигнале, который, по сути, запускает триггер.
• Асинхронные – запись информации зависит от информационных сигналов, подающихся на вход триггера, и происходит она непрерывно.

В цифровой схемотехнике обычно можно найти следующие обозначения входов триггера:

• S – раздельный вход, устанавливающий триггер на единицу (на Q единица)
• Q – прямой выход
• R – раздельный выход, устанавливающий триггер на ноль (на Q ноль)
• С – вход синхронизации
• D – вход информационный (на него подаётся информация, которая будет занесена на триггер)
• T – счётный вход

Что касается функций, то в этом плане триггеры можно разделить на:

RS- триггер

Это самый простой тип триггеров. На его основе создаются и другие типы. Возможные логические элементы в его построении – это 2И-НЕ (инверсионный вход) и 2ИЛИ-НЕ (прямые входы).

Из-за низкой помехоустойчивости такие триггеры почти не используются самостоятельно. Их можно применить, например, для устранения влияния дребезжащих контактов, которое возникает при коммутации механических переключателей. Тогда требуется тумблер с тремя выходами, один из которых подключается по очереди к остальным двум. Чтобы создать RS-триггер используется D-триггер с замкнутыми на состоянии «ноль» входы С и D.

Первый отрицательный сигнал на входе –R переводит в состояние «0». Первый отрицательный сигнал на входе –S переводит в состояние «1». Другие сигналы, возникшие из-за дребезга контактов, не могут оказать влияние на триггер. При таком подключении переключателя верхнее положение будет равно «1» на выходе, нижнее – «0».

RS-триггер сам по себе асинхронный, однако, иногда возникают случаи, когда нужно сохранить информацию. Тогда на помощь приходит синхронизируемый RS-триггер, который в этом случае должен состоять из обычного RS-триггера и схемы управления.

При этой схеме, импульсы, поступающие на Х1 и Х2 не имеют никакого значения, пока на входе С сохраняет значение «0». В этот момент RS-триггер находится в режиме хранения информации. Как только значение C становится равно «1» триггер запускается, начинается запись.

D-триггер

Это триггеры задержки. Используются они для создания регистров сдвига и хранения. Это одна из важнейших частей всех микропроцессоров.

У такого триггера два выхода – информационный и синхронизирующий. Триггер стабилен, когда состояние С находится на «ноль». При этом сигнал на выходе не будет зависеть от сигналов, которые поступают на информационный вход. Когда значение С изменяется на «1» на прямом выходе, тогда информация будет такой же, как и на триггере D.

JK-триггер

По своему принципу действия он очень похож на RS- триггеры. Но в отличие от него, у JK-триггеров нет проблем с неопределённостью, когда на вход одновременно поступают две «единицы». При возникновении подобной ситуации JK-триггер становится счётным триггером. Тогда при поступлении на вход сигналов со значением «1» триггер меняет своё состояние на противоположное.

Эти устройства очень универсальны. С одной стороны, они прекрасно находят своё применение в цифровых устройствах – счётчиках, регистрах, делителях частоты и т.д. С другой стороны при соединении определённых выводов можно получить вообще любой нужный вид триггера.

Т-триггер

У этих триггеров есть и другое название – счётные. На их основе создаёт двоичные счётчики и делители частот. У этих триггеров вход только один. На изображениях – асинхронный (1) и синхронный (2) Т-триггеры.

Импульс поступает на этот вход, состояние его меняется не противоположное. После поступления следующего импульса состояние становится исходным.

Триггер переключается в тот момент, когда на его вход поступается синхроимпульс. Тогда частота импульсов на выходе оказывается в 2 раза меньше начальной. Таким образом, один счётный триггер уменьшает частоту импульса двукратно. А два триггера, что были подключены последовательно, логично уменьшат частоту уже в 4 раза.

Почему эти триггеры называют ещё и делителями частот хорошо заметно по временным схемам:

Практическое использование триггера

Об одном из способов использования триггеров уже было сказано выше. Это устранение дребезга контактов. Тогда использовался RS-триггер. Но это далеко не все области, в которых могут применяться эти устройства.

Создание сигнала

Триггеры часто используют, чтобы создать сигнал. Его длительность должна соответствовать длительности какой-нибудь операции в схеме. В этом случае триггер будет служить сигналом, который разрешает начать процесс. А так же он информирует другие устройства, что процесс запущен. В таких случаях триггер называется «флаг процесса».

В момент прихода сигнала в начало процесса триггер переходит в состояние «единицы». Это оповещает о том, что процесс запустился. Когда происходит стоп-сигнал, триггер получает значение «ноль» и процесс завершается.

Как самый простой вариант можно использовать –S и –R входы. Однако, тут всегда будет возможность получить неопределённость, когда сигналы будут на обоих входах. Избежать этой ситуации можно легко. Нужно взять пары входов –R и С и С и –S. Тогда, используя –R и С, на D нужно подать «1». С и –S в использовании требуют «ноль» на D.

В чём удобство такого способа? В том, что сигналы «Стоп» и «Старт» используются не только как уровни, но и фронт сигнала.

Синхронизация сигналов

Своё применение триггеры так же нашли в области синхронизации сигналов. С помощью устройства можно избавляться от ненужных коротких импульсов. Они возникают на выходе схемы, если вводные сигналы меняют одновременно. Тогда для синхронизации нужен синхросигнал. Он находится в сопровождении у информационных входных сигналов и задержан на время задержки относительно момента, когда изменение входных сигналов только началось. Когда синхросигнал подаётся на вход С, а выходной – на D (у этого же триггера), то сигнал на выходе будет без лишних импульсов.

Разработка цифровых схем так же не обходится без триггеров. Работа этих схем синхронизируется с общим тактовым генератором. И не редко появляется проблема с синхронизацией внешнего сигнала, который поступает на схему и самой схемой. То есть, нужно обеспечить изменение внешнего сигнала, чтобы в результате он менялся с тактами генератора. Внешний сигнал по отношению к тактовому сигналу в схеме – асинхронный. Так что, если совсем простыми словами, сигнал из асинхронного должен стать синхронным для всей схемы.

Эту задачу и решает триггер.

Внешний сигнал создаёт разрешение или запрет на прохождение сигнала, который генерируется тактовым генератором. Если речь идёт о RC-триггере, то нужно просто отключать и включать генератор вовремя. Этот способ кажется простейшим. Однако, это заблуждение. Для начала, выключить и выключить генератор не получится в один момент – ему нужно время и качество сигнала в это время будет далеко от идеала.

Например, генераторы из кварца. Их вовсе не рекомендуется часто останавливать и запускать. После возобновления генератор будет формировать сигнал с задержкой до 5 периодов тактовой частоты. И задержка при каждом включении будет разной.

Также возможность прекращать работу генератора иногда вовсе не существует. Например, если от его работы зависит работа всей схемы.

Для упрощения считают, что тактовый генератор работает не прекращая. Внешний управляющий сигнал тогда будет отвечать за прохождение или блокировку импульсов, которые были сгенерированы.

Самое лёгкое решение – создать процесс запрета и пропуска импульсов, которые генератор создаёт, используя при этом логический элемент 2И. Правда, тут очень большая вероятность, что на выход будут приходить короткие импульсы или с не полной длительностью. Такие сигналы могут оказать плохое влияние на систему в целом, создав неопределённость в функционировании.

В этом случае, синхронизирующий триггер на выходе пропускающего элемента 2И обеспечит только нужные импульсы. То есть те, которые имеют полную длительность. Когда через триггер проходит разрешающий сигнал, он синхронизируется с тактовым сигналом. И на выходе будет целое число тактовых импульсов и целое число периодов, которое задаётся генератором.

Создание задержки

Триггеры так же можно использовать для задержки цифровых сигналов. В этом случае несколько триггеров с общим тактовым сигналом С нужно соединить в цепь. Соединение должно быть последовательным. При включении комбинации схем смогут одновременно обработать несколько состояний одного и того же сигнала.

Источник

Электроника

учебно-справочное пособие

Триггеры

Триггер — устройство, которое может находиться в одном из двух устойчивых состояний и переходить из одного состояния в другое под воздействием входного сигнала. При этом напряжение на его выходе скачкообразно изменяется. Триггер является базовым элементом последовательностных цифровых устройств.

Триггеры предназначены для запоминания двоичной информации. В нем может храниться либо 0 либо 1. Использование триггеров позволяет реализовывать устройства оперативной памяти (то есть памяти, информация в которой хранится только на время вычислений). Однако триггеры могут использоваться и для построения некоторых цифровых устройств с памятью, таких как счётчики, преобразователи последовательного кода в параллельный или цифровые линии задержки.

Для удобства использования триггеры имеют два выхода:

Логические уровни на этих двух выходах противоположны. Это сделано для удобства соединения триггеров с другими логическими элементами устройств. Некоторые типы триггеров инверсного выхода не имеют.

Состояние триггера определяется по выходному сигналу. Состоянию триггера 1 соответствует на выходе Q высокий уровень сигнала (1). Состоянию триггера 0 соответствует на выходе Q низкий уровень сигнала (0).

Входы триггера делятся на информационные и вспомогательные (управляющие). Сигналы, поступающие на информационные входы, управляют состоянием триггера. Сигналы на вспомогательных входах используются для предварительной установки триггера в требуемое состояние и синхронизации.

Рис. 1 — Стандартное обозначение триггера

Обозначения входов триггеров:

S — раздельный вход установки в единичное состояние (напряжение высокого уровня на прямом выходе Q);
R — раздельный вход установки в нулевое состояние (напряжение низкого уровня на прямом выходе Q);
D — информационный вход (на него подается информация, предназначенная для занесения в триггер);
C — вход синхронизации;
Т — счетный вход.

Число входов зависит от структуры и функций, выполняемых триггером.

Классификация триггеров

По способу приема информации:

• Асинхронные триггеры воспринимают информационные сигналы и реагируют на них в момент появления на входах триггера.
• Синхронные(тактируемые )триггеры реагируют на информационные сигналы при наличии разрешающего сигнала на специальном управляющем входе С, называемом входом синхронизации.

Синхронные триггеры подразделяются на:

• Триггеры со статическим управлением воспринимают информационные сигналы при подаче на вход С уровня 1 (прямой С-вход) или 0 (инверсный С-вход).
• Триггеры с динамическим управлением воспринимают информационные сигналы при изменении сигнала на С—входе от 0 к 1 (прямой динамический С-вход) или от 1 к 0 (инверсный динамический С-вход).

По принципу построения триггеры со статическим управлением подразделяются на:

• Одноступенчатые триггеры характеризуются наличием одной ступени запоминания информации.
• В двухступенчатых триггерах имеются две ступени запоминания информации. Вначале информация записывается в первую ступень, а затем переписывается во вторую и появляется на выходе.

По функциональным возможностям различаются:

• триггер с раздельной установкой состояний 0 и 1 (RS-триггер);
• триггер с приемом информации по одному входу D (D-триггер или триггер задержки);
• триггер со счетным входом Т (T-триггер);
• универсальный триггер с информационными входами J и K (JK-триггер).

Наибольшее распространение в цифровых устройствах получили RS-триггер с двумя установочными входами, тактируемый D-триггер и счетный Т-триггер.

Для обозначения функциональных возможностей триггеров в интегральном исполнении используется следующая маркировка: TR — RS-триггер; TB — JK-триггер; ТМ — D-триггер.
В качестве базовых логических элементов можно использовать элементы ИЛИ-НЕ, И-НЕ. Поскольку триггер является простейшим ПЦУ, закон функционирования может быть задан таблицей переходов, в которой входные сигналы в момент их изменения и состояние триггера обозначены индексом t, а после переключения — индексом t+1.

Основные характеристики триггеров

• Быстродействие — максимальная частота переключения состояний триггера.
• Чувствительность — наименьшее напряжение на входе (пороговым напряжением), при котором происходит переключение.
• Помехоустойчивость — способность триггера нормально работать в условиях помех.
• Функциональные возможности характеризуются числом входных сигналов.

RS-триггер

Асинхронный RS-триггер c прямыми входами

Асинхронный RS-триггер c прямыми входами имеет два информационных входа S и R, используемые для установки соответственно 1 и 0, а также два выхода: прямой и инверсный. RS-триггер построен на двух логических элементах ИЛИ-НЕ, соединенных в контур (рис. 2).

Рис. 2 — Схема асинхронного RS-триггера на логических элементах ИЛИ-НЕ.
Входы R и S прямые (активный уровень ‘1’)

При комбинации сигналов S=1, R=0 (табл. 1) триггер переходит в состояние 1 независимо от предыдущего состояния. При S=0, R=1 триггер устанавливается в состояние 0. Комбинация сигналов S=0, R=0 не изменяет состояния триггера, т. е. состояние триггера в момент t+1 равно состоянию триггера в момент t. Набор сигналов S=1, R=1 является запрещенным, так как он приводит к нарушению работы триггера и неопределенности его состояния.

Таблица состояний асинхронного RS-триггера c прямыми входами

St	Rt	Qt	Qt+1
0	0	0	0
0	0	1	1
0	1	0	0
0	1	1	0
1	0	0	1
1	0	1	1
1	1	0	—
1	1	1	—

RS-триггер может быть построен на элементах «И-НЕ» (рис. 3). Вход S (Set) позволяет устанавливать выход триггера Q в единичное состояние при подаче на его вход логического нуля. Вход R (Reset) позволяет сбрасывать выход триггера Q в нулевое состояние при подаче на его вход логического нуля.

Риc. 3 — Схема простейшего триггера на схемах «И-НЕ».
Входы R и S инверсные (активный уровень «0»)

Так как триггер при построении его на различных элементах работает одинаково, то его изображение на принципиальных схемах тоже одинаково. Изображение простейшего триггера на принципиальных схемах приведено на рисунке 4.

а)	б)

Рис. 4 — Условное графическое обозначение асинхронного RS-триггера
а) — с прямыми входами, б) — с инверсными входами

Синхронный RS-триггер со статическим управлением

Схема триггера позволяет запоминать состояние логической схемы, но так как в начальный момент времени может возникать переходный процесс (в цифровых схемах этот процесс называется опасные гонки), то запоминать состояния логической схемы нужно только в определённые моменты времени, когда все переходные процессы закончены. То есть цифровые схемы требуют синхросигнала. Все переходные процессы должны закончиться за время периода синхросигнала.Для таких цифровых схем требуются синхронные триггеры.

Синхронный RS-триггер со статическим управлением (рис. 3) отличается от асинхронного наличием С-входа, на который поступают синхронизирующие (тактовые) сигналы.
Синхронный RS-триггер принимает состояние 1, если на входы С и S поступают уровни 1, или сохраняет единичное состояние при отсутствии единичных сигналов на входе С или R.

Схема синхронного триггера приведена на рисунке 5, а обозначение на принципиальных схемах на рисунке 6.

Рис. 5 — Схема синхронного триггера на схемах «И-НЕ»

Рис. 6 — Условное графическое обозначение
синхронного RS-триггера со статическим управлением

Синхронный RS-триггер с динамическим управлением

В синхронном RS-триггере с динамическим входом (рис. 7) информация воспринимается триггером со входов S и R при смене уровней С=1 на С=0.

Рис. 7 — Условное графическое обозначение
синхронного RS-триггера с динамическим управлением

JK-триггер

JK-тригггер (рис. 8) представляет собой двухступенчатый синхронный триггер. Закон функционирования JK-триггера задан в табл. 2.

Если на входе J высокий потенциал, а на входе K – ноль, то триггер установится в единичное состояние. Если на входе J – ноль, а на входе К высокий потенциал, то триггер «сбросится» в нулевое состояние. Когда J=K=0 независимо от тактовых импульсов состояние триггера не меняется. .В отличие от RS-триггера JK-триггер не имеет запрещенных комбинаций сигналов на входах J и К: при J=1 и K=1 триггер изменяет свое состояние на противоположное. В этом случае триггер работает как делитель частоты на два

Рис. 8 — Условное графическое обозначение JK-триггера

Таблица состояний JK-триггера

Входы		Выход	Состояние
Jt	Кt	Qt+1
1	0	1	Запись 1
0	1	0	Запись 0
0	0	Qt	Хранение
1	1	Qt	Счетный режим

На рис. 9 представлен синхронный JK-триггер с динамическим управлением и выводами предустановки S и R. Такой триггер изменяет состояние по фронту (переход от «0» к «1») тактового импульса на входе С.

Рис. 9 — Условное графическое обозначение
синхронного JK-триггера с динамическим управлением

Т-триггер

Т-триггер (счетный триггер) имеет один вход Т, куда подают тактирующие (счетные) импульсы. Функционирование T-триггера описывается диаграммой на рис. 10. После подачи каждого тактирующего импульса состояние Т-триггера меняется в обратное (инверсное) предыдущему состоянию.

Рис. 10 — Временная диаграмма работы Т-триггера

Рис. 11- Условное графическое обозначение Т-триггера

D-триггер

D-триггер (от англ. delay) запоминает входную информацию при поступлении синхроимпульса.

Хранение информации в D-триггерах обеспечивается за счет синхронизации, поэтому все реальные D-триггеры имеют два входа: информационный D и синхронизации С (рис. 12). Под действием синхросигнала С информация, поступающая на вход D, принимается в триггер, но на выходе Q появляется с задержкой на один такт. В D-триггере с динамическим входом прием в триггер информации со входа D происходит в момент смены на входе С уровня 0 на уровень 1.

Рис. 12 — Схема D-триггера

Таблица состояний D-триггера

C	D	Qt+1
1	0	0
1	1	1

Условное графическое обозначение D-триггера показано на рис. 13.

Рис. 13 — Условное графическое обозначение D-триггера

Так как информация на выходе остается неизменной до прихода очередного импульса синхронизации, D-триггер называют также триггером с запоминанием информации или триггером-защелкой. Легче всего объяснить появление этого названия по временной диаграмме, приведенной на рисунке 14.

Рис. 14 — Временная диаграмма D-триггера

По этой временной диаграмме видно, что триггер-защелка хранит данные на выходе только при нулевом уровне на входе синхронизации. Если же на вход синхронизации подать активный высокий уровень, то напряжение на выходе триггера будет повторять напряжение, подаваемое на вход этого триггера. Входное напряжение запоминается только в момент изменения уровня напряжения на входе синхронизации C с высокого уровня на низкий уровень. Входные данные как бы «защелкиваются» в этот момент. Отсюда и название — триггер-защелка.

Принципиально в этой схеме входной переходной процесс может беспрепятственно проходить на выход триггера. Поэтому там, где это важно, необходимо сокращать длительность импульса синхронизации до минимума. Чтобы преодолеть такое ограничение были разработаны триггеры, работающие по фронту. Схема такого триггера приведена на рисунке 15, а обозначение на принципиальных схемах на рисунке 16.

Рис. 15 — Схема универсального D-триггера

Рис. 16 — Обозначение универсального D-триггера на принципиальных схемах

На рис. 17 представлено условное обозначение D-триггера микросхемы К155ТМ2, содержащей два D-триггера. Входы R и S выполняют те же функции, что и в RS-триггере.

Рис. 17 — D-триггер микросхемы К155ТМ2

D-триггер несложно преобразовать в счетный триггер, т. е. такой, состояние которого изменяется после поступления очередного импульса на счетный вход. Для обеспечения счетного режима необходимо вход D соединить с инверсным выходом триггера (рис. 18,а). Из логики работы D-триггера следует, что после прихода импульса на вход С состояние триггера будет изменяться на противоположное. Это иллюстрируется временными диаграммами, или эпюрами напряжений (рис. 18,б). Подобно таблице истинности, эпюры напряжений дают наглядное представление о работе устройства.

Рис. 18 — Работа D-триггера в счетном режиме
а) — соединение выводов, б) — временные диаграммы

Необходимо отметить, что изменение состояния D-триггера данного типа происходит при изменении напряжения на счетном входе с низкого уровня на высокий. Такое изменение напряжения часто называют положительным перепадом напряжения или фронтом импульса. Реакцию триггера на положительный перепад напряжения отображают косой чертой, пересекающей линию входа С (рис. 18,а). Аналогично изменение напряжения с высокого уровня на низкий называют отрицательным перепадом напряжения, спадом или срезом импульса. На схемах это отображают также косой чертой, но повернутой на 90° относительно показанной на рисунке 18,а. В зависимости от своей внутренней структуры триггер реагирует или на положительный, или на отрицательный перепад напряжения.

Источники

Электроника © ЦДЮТТ • Марсель Арасланов • 2020

Источник