Что такое цифровой триггер

Триггеры

Триггер — электронная схема, имеющая несколько устойчивых состояний, сохраняющихся длительное время (пока включено электропитание схемы). Соответственно триггеры могут выполнять функцию элементов памяти. В цифровой технике используются бистабильные триггеры с двумя устойчивыми состояниями, которые кодируют значения логических «0» и «1». Триггеры могут быть построены на дискретных элементах (транзисторные каскады) и на логических элементах — цифровые триггеры. Также триггер может быть представлен в виде электромеханической аналогии (релейной схемы).

1 Классификация триггеров.

Триггеры различаются по логике работы и по способу приема и запоминания информации. Ниже представлена классификация триггеров, предложенная в книге Е.Угрюмова «Цифровая схемотехника». В ней выделены наиболее популярные типы триггеров, однако количество их разновидностей гораздо больше.

в) По внутренней структуре:

1) Одноступенчатые: в их внутренней структуре одна запоминающая схема, которая переключает свое состояние (запоминает данные) под влиянием управляющих сигналов. По одноступенчатой схеме строятся асинхронные триггеры и синхронные управляемые уровнем.
2) Двухступенчатые (или многоступенчатые) триггеры состоят из двух одноступенчатых триггеров. При переключении двухступенчатого триггера сначала переключается первая, а только следом — вторая. Это позволяет записывать данные только по фронту синхроимпульса, не реагируя на изменения на информационных входах в течении синхроимпульса. Т.е. по многоступенчатой схеме строятся синхронные управляемые фронтом триггеры. Это наиболее применяемый сегодня тип триггеров.

2 Структура триггера.

3. Асинхронные и синхронные управляемые фронтом триггеры

Функционирование и внутренняя схема асинхронного RS — триггера соответствует описанной выше схеме памяти. Данный тип триггера фактически не имеет схемы управления на входе.

Синхронные RS — триггеры с управлением уровнем имеют вход синхронизации (С), сигнал на котором разрешает управление с информационных входов, пока находится в активном состоянии. Входные информационные сигналы «пропускаются» через логические вентили И (для схемы на базе элементов ИЛИ-НЕ, активный уровень (С) = 1) или через вентили ИЛИ (для схемы на базе элементов И-НЕ, активный уровень (С) = 0).
Характерной особенностью триггерных схем, управляемых уровней синхроимпульса, является то, то изменение уровней информационных сигналов в течение действия синхроимпульса приводит к изменению состояния триггера. Если по фронту синхросигнала в триггер было занесено значение «1», и далее в течение удержания активного уровня синхросигнала C информационные сигналы приняли значения R =1, S =0, то это приводит к переключению триггера в состояние «0». Следовательно, для обеспечения работы триггера сигналы R и S должны оставаться неизменными в течении активного уровня синхроимпульса, а изменяться в течение паузы между синхроимпульсами.

Синхронный RS-триггер с управлением по фронту построен по многоступенчатой схеме, описанной ниже.
RS-триггеры редко используются как самостоятельные элементы, но, как говорилось выше, являются элементом памяти (фиксатором) в составе других типов триггеров.

D-триггером (или триггером задержки сигнала) называют триггер с одним информационным входом (D) и входом синхронизации (С). По импульсу синхронизации © состояние на входе (D) сохраняется в триггере и устанавливается на выходе (Q). Состояние выхода Q останется неизменным до следующего импульса на входе синхронизации. Как видно из описания D-триггер является синхронным (обязательно используется сигнал синхронизации). Можно построить также схему асинхронного D-триггера (см. Рисунок 4 а)), но она будет иметь смысл только как повторитель с задержкой на переключение, а не как схема памяти. Асинхронные D-триггеры почти не используются.
Из широко применяемых первый — D-триггер с управлением по уровню, так же называемый «триггер-защелка» (LATCH) (см. Рисунок 4 г). Он прозрачен для входного информационного сигнала пока сигнал синхронизации © в активном состоянии и защелкивает значение на выходе (Q) в момент перехода (С) в неактивное состояние. Такой D-триггер представляет собой RS-триггер с синхронизацией по уровню, у которого на вход S подключен информационный сигнал (D), а на вход ® — инвертированный информационный сигнал. То есть в схему управления добавляется один инвертор «по входу». Входы Rd и Sd используются для асинхронных сброса или установки триггера в определенное состояние и удержание его в этом состоянии, если требуется. Для устойчивой работы такого D-триггера необходимо, чтобы состояние входа D не изменялось в момент действия синхроимпульса на входе С.

Пусть Q = 1, Q`= 0. Поступающий на счетный вход импульс приводит к появлению нулевого сигнала на выходе элемента D4 (на его входах — две «1») и последовательной установке сигналов Q = 1, Q`= 0, т.е. к опрокидыванию триггера в нулевое состояние. При этом сигнал на входе D3 не изменяется, так как на его входе в течение tз действует нулевой сигнал, поступающий с выхода Q` через элемент задержки D5.
После окончания действия счетного импульса сигналы на выходах элементов D3 и D4 принимают единичные значения, а на вход D3 через элемент задержки D5 поступает разрешающий уровень с выхода Q`. В результате следующий счетный импульс перебросит триггер в исходное состояние.
Элементы D5 и D6 обеспечивают задержку появления сигналов обратной связи с тем, чтобы в течение действия счетного импульса не происходило многократного переключения триггера. В интегральных триггерах роль элементов задержки могут выполнять либо логические элементы, либо специальные полупроводниковые приборы с накоплением заряда. Однако, в силу жестких ограничений на длительность импульса на счетном входе и сложности реализации элементов задержки, Т-триггеры на базе RS-триггера с управлением уровнем синхросигнала почти не используются, а применяются триггеры с управлением по фронту синхросигнала.
ТV-триггер является разновидностью Т-триггера с дополнительным входом разрешения счета. Принцип его работы аналогичен DV-триггеру, описанному выше.

Источник

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.

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:

В цифровой схемотехнике обычно можно найти следующие обозначения входов триггера:

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

ElectronicsBlog

Обучающие статьи по электронике

Триггеры. Принцип работы

Всем доброго времени суток! Сегодняшний мой пост посвящён цифровым микросхемам, которые имеют память. Подобно тому, как человек помнит события из своей жизни, так и эти микросхемы могут долго хранить заложенную в них информацию, а когда необходимо выдавать её.

Такими цифровыми микросхемами являются триггеры (англ. – Trigger или Flip-Flop). В отличие от простых логических микросхем, которые называют комбинационными (НЕ, И-НЕ, ИЛИ и другие) и их сигналы на выходе чётко соответствуют сигналам на входе, то триггеры относятся к последовательным или последовательностным микросхемам, уровень выходного напряжения которых, зависит от того в какой последовательности поступали сигналы на вход триггера. С помощью триггеров строят более сложные цифровые микросхемы.

Для сборки радиоэлектронного устройства можно преобрески DIY KIT набор по ссылке.

Сигналы, поступившие на вход триггера, могут храниться только до тех пор, пока на него подается напряжение питания. После каждого включения триггера на его выходах появляются случайные логические уровни напряжения. Триггеры обладают очень высоким быстродействием, сравнимым с задержками при переключении простейших логических элементов, однако объём хранимой информации мал. Один триггер может хранить только один сигнал или бит.

Внутреннее устройство триггера

Не вдаваясь в глубину схемотехники триггера, скажу сразу, что простейший триггер представляет собой схему из двух логических элементов, взаимодействуя между собой с помощью положительной обратной связи, которая обеспечивает нахождения выходов триггера в одном их двух логических состояний неограниченное время.

Схема триггерной ячейки на логических элементах (RS триггер).

Схема на рисунке выше представляет простейший триггер (или триггерная ячейка), который имеет два входа и два выхода. Входы триггера реагируют на низкий логический уровень: вход R – сброс (англ. Reset – сброс) и вход S – установка (англ. Set – установка), выходы: прямой Q (англ. Quit – выход) и инверсный –Q.

Как говорилось выше, входы триггера R и S реагируют на низкий логический уровень и сигналы на них должны поступать с некоторой разницей во времени. Опишем работу данной схемы. Когда на обоих входах триггера присутствует низкий логический уровень, то это никак не отразится на уровне напряжения на выходах. Когда на вход S поступит сигнал лог. 1, то на выходах Q будет лог. 0, а на –Q – лог. 1. Если теперь на вход R триггера поступит лог. 1, то выходные сигналы не изменятся. И наконец если изменить уровень сигнала на входе S с высокого на низкий уровень, то на выходе триггера Q будет лог. 1, а на –Q – лог. 0. Таким образом, для данной триггерной ячейки можно составить таблицу истинности.

Таблица истинности триггерной ячейки (RS триггер).

Схемы с такой таблицей истинности называются RS триггерами. RS триггеры служат основой для многих динамических устройств: делители частоты, счётчики, регистры. Кроме вышеописанного RS триггера существует ещё несколько типов триггеров, которые отличаются методом управления, входными и выходными сигналами. Все современные триггеры объединены в серии цифровых микросхем:

RS триггеры

Рассмотрим принцип работы RS триггера возьмём микросхему К555ТР2.

Обозначение RS триггера К555ТР2

Данная микросхема имеет 4 RS триггера, два из которых имеют по одному R входу и одному S входу, а два других – по одному R входу и по два S входа, объединенных по функции И. Все 4 RS триггера данной микросхемы имеют по одному прямому выходу. Принцип работы данных триггеров не отличатся от триггерной ячейки описанной выше. Импульс с низким уровнем на входе триггера R приводит состояние выхода к низкому уровню, а импульс с низким логическим уровнем на входе триггера S – состояние выхода в высоком логическом уровне. В случае появления одновременных сигналов на входах триггера переводит его выход в состояние лог. 1, а после окончания импульсов в одно из устойчивых состояний.

JK триггер

Микросхема типа К555ТВ9, является представителем семейства JK триггеров, который имеет следующий принцип работы.

Обозначение JK триггера К555ТВ9.

Микросхема К555ТВ9 содержит два JK триггера. Триггеры данного типа сложнее по устройству и по управлению по сравнению с RS триггером. В дополнение к стандартным входам R и S, которые работают аналогично с RS триггером, в JK триггере имеются информационные входа J и K, а также вход синхронизации С.

Таблица истинности JK триггера.

Принцип работы JK триггера следующий. Вход R триггера служит для перевода прямого выхода в лог.1, а вход S триггера – в состояние лог.0. Вход С (англ. Clock – часы)служит для тактирования JK триггера, то есть все изменения выходов происходят только когда на входе С сигнал изменяется с высокого уровня на низкий. Информационные входа J (англ. Jump – прыжок) и К (англ. Kill – убить) работают следующим образом: если на J лог.1 и на К лог.0, то по импульсу со входа С на Q будет лог.1 и на –Q будет лог.0. Для изменения уровня сигнала на выходах на противоположные необходимо на J подать лог.0, а на К лог.1, тогда по импульсу на входе С состояние выходов измениться.

D триггер

D триггер является самым используемым, а по управлению он занимает промежуточное положение между RS триггером и JK триггером. Представителем D триггеров является микросхема К555ТМ2.

Обозначение D триггера микросхемы К555ТМ2

В составе данной микросхемы содержится два D триггера, которые имеют два входа сброса и установки R и C, информационный вход D (англ. Dalay – задержка) триггера и один тактируемый вход С триггера, а также два выхода: прямой Q и инверсный –Q. Как и все триггеры, у которых имеется тактируемый вход С, принцип работы D триггера основан на переключении уровней напряжений на выходе триггера только стробированием по входу С. Таким образом можно составить таблицу истинности D триггера.

Таблица истинности D триггера

D триггер является наиболее универсальным потому, что данным триггером можно заменить все остальные RS триггеры и JK триггеры. Для замены RS триггера необходимо просто не использовать входы D и C входы D триггера, а относительно JK триггера, то для большинства схем одной пары входов вполне достаточно. Ниже приведены схемы замены триггеров

Схема замены D триггером: RS триггера (слева) и JK триггера в счётном режиме (справа).

Теория это хорошо, но без практического применения это просто слова.Здесь можно всё сделать своими руками.

Источник