Rs триггер принцип работы

RS-триггер

Устройство и принцип работы RS-триггера

Одним из важнейших элементов цифровой техники является триггер (англ. Trigger — защёлка, спусковой крючок).

Сам триггер не является базовым элементом, так как он собирается из более простых логических схем. Семейство триггеров весьма обширно. Это триггеры: T, D, C, JK, но основой всех является самый простой RS-триггер.

Без RS триггеров невозможно было бы создание никаких вычислительных устройств от игровой приставки до суперкомпьютера. У триггера два входа S (set) — установка и R (reset) — сброс и два выхода Q-прямой и Q— инверсный. Инверсный выход имеет сверху чёрточку. Триггер бистабильная система, которая может находиться в одном из двух устойчивых состояний сколь угодно долго. На рисунке показан RS-триггер выполненный на элементах 2ИЛИ – НЕ.

Точно так же триггер может быть выполнен и на элементах 2И – НЕ.

Единственная разница это то, что триггер на элементах И – НЕ активируется, то есть переводится в другое состояние потенциалом логического нуля. Триггер, собранный на элементах ИЛИ – НЕ активируется логической единицей. Это определяется таблицей истинности логических элементов. При подаче положительного потенциала на вход S мы получим на выходе Q высокий потенциал, а на выходе Q низкий потенциал. Тем самым мы записали в триггер, как в ячейку памяти, единицу. Пока на вход R не будет подан высокий потенциал, состояние триггера не изменится.

На принципиальных схемах триггер изображается следующим образом.

Два входа R и S, два выхода прямой и инверсный и буква Т означающая триггер.

Хорошо отображает принцип работы RS-триггера несложная схема, собранная на двух элементах 2И – НЕ. Для этого используется микросхема 155ЛА3, которая содержит четыре таких элемента. Нумерация на схеме соответствует выводам микросхемы. Напряжение питания +5V подаётся на 14 вывод, а минус подаётся на 7 вывод микросхемы. После включения питания триггер установится в одно из двух устойчивых состояний.

Исходя из того, что сопротивление переходов транзисторов логических элементов не может быть абсолютно одинаковым, то триггер после включения питания, как правило, принимает одно и то же состояние.

Допустим, после подачи питания у нас горит верхний по схеме светодиод HL1. Можно сколько угодно нажимать кнопку SB1 ситуация не изменится, но достаточно на долю секунды замкнуть контакты кнопки SB2 как триггер поменяет своё состояние на противоположное. Горевший светодиод HL1 погаснет и загорится другой — HL2. Тем самым мы перевели триггер в другое устойчивое состояние.

На данной схеме всё достаточно условно, а на реальном триггере принято считать, что если на прямом выходе «Q» высокий уровень то триггер установлен, если уровень низкий то триггер сброшен.

Основной недостаток рассматриваемого триггера это, то, что он асинхронный. Другие более сложные схемы триггеров синхронизируются тактовыми импульсами общими для всей схемы и вырабатываемые тактовым генератором. Кроме того сложная входная логика позволяет держать триггер в установленном состоянии до тех пор пока не будет сформирован сигнал разрешения смены состояния триггера.

RS-триггер может быть и синхронным, но двух логических элементов для этого мало.

На рисунке изображена схема синхронного RS-триггера. Такой триггер может быть собран на микросхеме К155ЛА3, которая содержит как раз четыре элемента 2И – НЕ. В данной схеме переключение триггера из одного состояния в другое может быть осуществлено только в момент прихода синхроимпульса на вход «C«.

На рассмотренной выше схеме переключение триггера осуществляется с помощью кнопок. Такой вариант используется достаточно часто и именно для кнопочного управления какой-либо аппаратурой. В электронике существует понятие «дребезг контактов» то есть, когда мы нажимаем кнопку, на вход устройства проникает целый пакет импульсов, который может привести к серьёзным нарушениям в работе. Использование RS-триггера позволяет избежать этого.

Благодаря своей простоте и недорогой стоимости RS-триггеры широко применяются в схемах индикации. Часто для повышения надёжности и устранения возможности случайного срабатывания RS-триггер собирается по так называемой двухступенчатой схеме. Вот схема.

Здесь можно видеть два совершенно одинаковых синхронных RS-триггера, только для второго триггера синхроимпульсы инвертируются. Первый триггер в связке называют M (master) — хозяин, а второй триггер называется S (slave) — раб.

Допустим на входе «С» высокий потенциал. М-триггер принимает информацию, но низкий потенциал на входе синхронизации S-триггера блокирует приём информации. После того как потенциал поменялся на противоположный информация из M-триггера записывается в S-триггер, но приём информации в M-триггер блокируется.

Такая двухступенчатая система намного надёжнее обычного RS-триггера. Она свободна от случайных срабатываний.

Для более наглядного изучения работы RS-триггера рекомендую провести эксперименты с RS-триггером.

RS-триггер. Принцип работы RS-триггера. Схема

RS-триггер представляет собой простейший управляющий автомат, реализованный обычно в виде цифровой электронной схемы, относящийся к классу последовательностных схем. Как известно, в цифровой схемотехнике к функциональным устройствам последовательностного типа относятся регистры, счетчики, генераторы чисел и управляющие автоматы, включая триггеры разных видов.

Место триггеров в цифровой схемотехнике

В отличие от комбинационных логических схем, которые изменяют состояние в зависимости от фактических сигналов, поданных на их входы в определенное время, последовательностные логические имеют некоторую форму присущей им встроенной «памяти», так что они могут учитывать как предыдущее, так и фактическое состояние их входов и выходов. Общая структурная схема последовательностного устройства показана ниже.

RS-триггер как цифровой управляющий автомат включает собственно память и комбинационную схему управления на типовых лигических элементах, реализующую его входной логический алгоритм. Если рассматривать эту схему применительно к простейшим схемам триггеров, то они не имеют структурно выделенной памяти в виде какой-то специализированной микросхемы или схемного узла. Память триггера существует на уровне функции, она словно встроена в алгоритм работы его комбинационной схемы управления. Проявлением этой «памяти» является так называемая бистабильность триггера, выходы которого могут находиться в одном из двух основных состояний: логической единицы (далее — 1) или логического нуля (далее — 0). Установившиеся значения своих выходов триггер запоминает («защелкивает» их) и сохраняет, пока не возникнет очередное изменение его входных сигналов.

Классификация

Если стандартные логические элементы являются строительными блоками комбинационных схем, бистабильные схемы, включая и RS-триггер, являются основными компонентами построения последовательностных логических устройств, таких, как регистры хранения данных, регистры сдвига, устройства памяти или счетчики. В любом случае рассматриваемые триггеры (разумеется, как и все последовательностные схемы) могут быть выполнены в виде следующих основных типов:

1. Асинхронный RS-триггер – схема, которая изменяет состояние сразу при изменении входных сигналов. Для рассматриваемого типа устройств ими являются сигналы на информационных входах R (сброс) и S (установка). Согласно установившейся практике, соответствующие входы называют так же, как и сигналы на них.

2. Синхронный RS-триггер, управляемый статически, работа которого синхронизирована с уровнем определенного тактового сигнала.

3. Триггер по п.2 с динамическим управлением, работа которого синхронизирована с моментами появления фронтов (или спадов) тактового сигнала.

Таким образом, если изменения состояния выходов происходят только при наличии тактового сигнала, который подается на отдельный тактовый вход C, то триггер является синхронным. В противном случае схема считается асинхронной. Чтобы сохранить свое текущее состояние, последовательностные схемы используют обратную связь, т. е. передачу части выходного сигнала на ее вход.

RS-триггер на логических элементах

Простейший способ его сделать – соединить вместе пару двухвходовых логических элементов И-НЕ. При этом обратная связь с выхода одного элемента подается на вход другого (см. схему ниже).

Как правило, в данной схеме входные сигналы показывают инверсными (с верхним подчеркиванием), хотя в дальнейшем при анализе работы используют обозначения прямых (неинвертированных) входов. Это сильно затрудняет понимание логики работы триггера. Поэтому мы не будем вводить инвертирование входов на этапе рассмотрения работы схемы на элементах И-НЕ, а учтем это в дальнейшем при ее модификации.

Сколько входов и выходов имеет RS-триггер? Из схемы выше видно, что он содержит S-вход и R-вход, которые служат, соответственно, для установки и сброса схемы, а также прямой Q и инверсный Q̃ выходы. Но данный простейший триггер относится к виду асинхронных, его условное обозначение показано ниже.

В синхронном устройстве имеется еще и вход C для тактовых импульсов.

Состояние «Установлен»

Рассмотрим, как происходит работа RS-триггера в этом состоянии, задаваемом значениями R = 0 и S = 1. Поскольку на вход R элемента И-НЕ Y подан уровень 0, то Q̃ =1 (логика И-НЕ). С выхода Y сигнал Q̃ также подан обратно на элемент X (вход «A»). Поскольку S = A = 1, то Q = 0.

Если устанавливается R = 1, а вход S по-прежнему равен 1, то на входах Y имеем B = 0 и R = 1, а его выход Q̃ =1, т. е. он не изменился. Итак, если S = 1, то RS-схема триггера «защелкивается» в состоянии «Установлен» Q = 0 и Q̃ = 1, а смена сигнала R его не изменяет.

Состояние «Сброшен»

В этом втором устойчивом состоянии Q̃ = 0, а Q = 1, и задается оно входами R = 1 и S = 0. Поскольку у элемента Х вход S = 0, то его выход Q =1 (логика И-НЕ). Сигнал Q подается обратно на элемент Y (вход «В»), и так как R = B = 1, то Q̃ = 0.

Если S становится равен 1 при R = 1, то Q̃ остается равен лог 0, т. е. он не изменяется. Итак, при R =1 схема триггера снова «защелкивается» в состоянии «Сброшен» Q̃ = 0 и Q = 1, сохраняемом при любом сигнале S.

Сводим результаты в таблицу

Мы можем определить состояние сигналов Q и Q̃ по следующей таблице истинности:

Состояние S R Q Q̃ Описание
Установка 1 1 Выход Q̃ =1
1 1 1 без изменений
Сброс 1 1 Выход Q̃ =0
1 1 1 1 без изменений
Недопустимое 1 1 состояние ошибки

Видно, что когда S = R = 1, то Q и Q̃ могут быть равны как 1, так и 0 (но не одновременно!) в зависимости от уровней входов S или R перед возникновением данного состояния выходов. Таким образом, при условии S = R = 1 нельзя изменить состояние выходов Q и Q̃. Оно может измениться только при смене уровня с 1 на 0 на одном из входов.

Значение S = R = 0 является нежелательным или недопустимым состоянием, и его следует избегать. Состояние S = R = 0 вызывает установку обоих выходов Q и Q̃ на уровне 1, в то время как состояние Q̃ всегда должно быть обратно Q. Результатом является то, что триггер теряет контроль над Q и Q̃, и если два входа теперь перейдут к состоянию 1, то схема становится неустойчивой и переключается в неопределенное состояние.

Диаграмма переключения RS-триггера

Сказанное в предыдущем разделе иллюстрирует следующая диаграмма переключения.

Как видно, при S = R = 0 возникает дисбаланс (неопределенность) состояния выходов. Он может привести к переключению одного из выходов быстрее, чем другого, в результате чего произойдет переключение триггера в то или иное состояние, которое может не совпадать с требуемым, и данные будут повреждены. Это неустойчивое состояние обычно называют мета-стабильным.

Таким образом, подобный триггер-защелка может быть переведен в состояние «Установлен» путем подачи 0 на его S-ввод (при наличии 1 на R-вводе) и переведен в состояние «Сброшен» подачей 0 на R-ввод (при наличии 1 на S-вводе). Триггер входит в неопределенное состояние (мета-стабильное), если на оба его входа одновременно подается уровень 0.

Переключение состояния выходов происходит с небольшой задержкой относительно изменения сигнала на одном из входов без использования тактового сигнала. Следовательно, рассмотренная выше схема представляет асинхронный RS-триггер.

Модифицируем схему триггера

Как мы видели выше, базовые элементы И-НЕ рассмотренного RS-триггера работают так, что при его установке Q̃ = 1 и Q = 0, а при его сбросе Q̃ = 0 и Q = 1, хотя логичнее было бы в первом состоянии иметь Q = 1, а во втором — Q = 0. При этом еще и получается, что смена состояний происходит при падении уровня сигнала с 1 до 0.

Таким образом, для правильной работы схемы триггера его входные сигналы нужно проинвертировать. Тогда переключения его состояний будут происходить при подаче положительных входных сигналов. Для этого в схему нужно добавить два дополнительных И-НЕ элемента, присоединенных как инверторы к S̃- и R̃-входам, как показано на рисунке ниже. Здесь на входах элементов И-НЕ уже представлены инверсные входные сигналы.

Так же, как и с использованием И-НЕ элементов, можно построить простой RS-триггер с использованием двух ИЛИ-НЕ элементов, соединенных по такой же схеме. Она будет работать аналогичным образом, как и рассмотренная выше схема И-НЕ. При этом активным является высокий уровень сигналов на входах, а недопустимое состояние возникает, когда на оба входа подан уровень логической «1», как это показано в таблице истинности на рисунке ниже.

Как синхронизировать работу триггера

Иногда желательно в последовательностных логических схемах иметь бистабильный триггер, изменяющий свое состояние, когда соблюдены определенные условия, независимо от состояния S- или R-входов. Такая схема может быть создана подключением двухвходного элемента И последовательно с каждого входом триггера. Объединив два входа элементов И, получим новый вход триггера. Добавление его означает, что выходы Q и Q̃ изменяют состояние, когда сигнал на нем является высоким, и, следовательно, он может быть использован в качестве тактового C-ввода, как показано на рисунке ниже.

Когда сигнал на С-входе находится на уровне 0, то выходы двух элементов И — также на уровне 0 (логика элемента И), независимо от состояния двух входов S и R, а два выхода Q и Q̃ «защелкнуты» в последнем установившемся состоянии. Когда сигнал на С-входе изменяется на уровень 1, то схема отвечает как обычный бистабильный триггер, становясь прозрачной для установки и сброса состояний.

Этот дополнительный C-вход также может быть подключен к выходу генератора тактовой частоты синхронизации, образуя тогда синхронный RS-триггер. Таким образом, данная схема работает как стандартная бистабильная триггерная «защелка», но выходы активируются только тогда, когда уровень 1 подан на C-вход, и отключаются при появлении уровня логического нуля.

Регистры на триггерах

RS-триггер способен сохранять 1 бит цифровой информации. Если необходимо хранить несколько бит, например, цифровое двоичное слово из нескольких двоичных разрядов (в микроконтроллерах обычно 8 или 16), то триггеры могут соединяться параллельно, образуя регистры. Это простейшие устройства для временного хранения набора двоичных цифровых разрядов, в которых каждый триггер сохраняет значение одного разряда (0 или 1. т. е. один бит). Так, показанный ниже 4-разрядный регистр на RS-триггерах содержит четыре отдельных триггера.

Любое двоичное число от (0000)2 до (1111)2 может быть сохранено в этом регистре просто путем установки или сброса соответствующего триггера. Давайте предположим, что первый триггер установлен (Q1 = 1), второй сброшен (Q2 = 0), третий также сброшен (Q3 = 0), а четвертый установлен (Q4 = 1). Тогда двоичное число, записанное в регистр, будет (1001)2.

Кроме параллельных регистров, предназначенных для хранения цифровых слов, на RS-триггерах делаются и так называемые регистры сдвига, в которых разряды цифрового слова последовательно с приходом каждого тактового импульса сдвигаются влево или вправо на один разряд. Схема такого устройства на синхронных триггерах показана ниже.

Подобные регистры находят применение в схемах последовательных интерфейсов, когда поступающие из управляющего контроллера цифровые слова побитно передаются в линию связи.

Rs триггер принцип работы

Триггер – это электронное устройство, которое предназначается для записи и хранения информации. Обычно он имеет два выхода: прямой и инверсный; и некоторое количество входов, в зависимости от выполняемой задачи. Под действием входных сигналов, изменяется состояние выходов. Напряжение на выходах изменяется резко – скачкообразно. Для изготовления триггеров обычно используются биполярные, униполярные транзисторы (полупроводниковые приборы).

Информация может записываться в триггеры свободно (непрерывно), то есть при подаче сигналов на вход, состояние выхода меняется в реальном времени. Такие триггеры называются асинхронными . А может информация записываться, только когда активен синхронизирующий сигнал. При отсутствии положительного уровня напряжении на нем, информация на выходах измениться не может – синхронные (тактируемые) триггеры .

RS-триггер именуется так из-за названия его входов:

R – reset (сбросить);
S– set (установить).

Он оснащен двумя входами, как говорилось, и двумя выходами:

Q – прямой выход;
– инверсный.

Асинхронный RS -триггер можно реализовать на логических элементах двумя схемами:

— 2 «ИЛИ-НЕ»;
— 2 «И-НЕ».

Рисунок 1 – Схема асинхронного RS -триггера на логических «2ИЛИ-НЕ» элементах

Первая схема реализована на двух логических ИЛИ-НЕ, по рисунку 1 рассмотрим принцип работы приведенного RS -триггера. В нулевой момент времени, когда ни на один вход (R и S) не подана логическая единица, прямой выход Q =0, соответственно, инверсный =1. Если на вход S подать напряжение, уровень которого будет соответствовать единице, то выход Q скачкообразно изменит свое значение на 1, а на 0. Это произойдет запись информации. Если убрать единицу с “ Set ”, тогда выходы не изменят свое состояние, останутся такими, какими были – проявление свойства памяти. При подаче положительного сигнала на вход сброса, то есть R =1, инверсный выход резко станет равен 1, а прямой Q – 0. В работе RS -триггера есть недостаток: существует запрещенная комбинация . Нельзя одновременно подавать единичные сигналы на оба входа, нормальная работа триггера в этом случае невозможна.

Рисунок 2 — Схема асинхронного RS -триггера на логических «2И-НЕ» элементах

Вторая схема собрана с помощью двух логических элементов И-НЕ. Разница между ними заключается в том, что управление в прошлой схеме осуществлялось положительным сигналом (единицей), а в текущей активный уровень – ноль. Работают обе схемы идентично, поэтому описание принципа действия здесь не требуется.

Работу выше описанных устройств иллюстрирует временная диаграмма:

Рисунок 3 – Временная диаграмма RS-триггера

По вышеприведенному описанию работы триггера составим таблицу истинности («*» — невозможное состояние):

На схемах RS-триггер показывается как отдельное устройство, а не совокупность логических элементов, и имеет свое условное обозначение:

Рисунок 4 – Графическое обозначение асинхронного RS -триггера

Синхронный RS-триггер запоминает значения поданные на S или R вход, только при наличии единицы на С ( Clock ) сигнале – синхронизирующий или тактовый . Он позволяет избежать переходных процессов в схемах, а если быть точнее, переходных состязаний, когда один сигнал на вход может поступить раньше другого, и схема будет работать неправильно. Именно для этого предусмотрен синхронизирующий сигнал, который позволяет «включать» триггер в нужный нам момент времени.

Принцип действия синхронного RS-триггера легко понять по размещенному выше рисунку. Пока на вход С не подана единица, из-за наличия логических блоков ИЛИ, записываться сигналы с S или R входов не будут. При наличии 1 на входе С, работа синхронного триггера от асинхронного ничем не отличается. Составим таблицу истинности, где «крестиком» показывается невозможность записи сигнала, а «*» — запрещенная комбинация:

Графическое представление синхронного RS -триггера:

RS триггер

RS триггер получил название по названию своих входов. Вход S (Set — установить англ.) позволяет устанавливать выход триггера Q в единичное состояние (записывать единицу). Вход R (Reset — сбросить англ.) позволяет сбрасывать выход триггера Q (Quit — выход англ.) в нулевое состояние (записывать ноль).

В простейшем случае RS триггер это два логических элемента «2И-НЕ», соединенные последовательно друг с другом. Его принципиальная схема приведена на рисунке 1. Обратите внимание, что у триггера только один выход. Обозначим его Q. Тогда оставшийся вывод схемы будет инверсным выходом Q


Рисунок 1. Схема простейшего rs триггера на схемах «2И-НЕ». Входы R и S инверсные (активный уровень’0′)

Рассмотрим принцип работы RS триггера, выполненный по изображенной на рисунке 1 схеме подробнее. Пусть на входы R и S подаются единичные потенциалы. Если на выходе верхнего логического элемента «2И-НЕ» Q присутствует логический ноль, то на выходе нижнего логического элемента «2И-НЕ» появится логическая единица. Эта единица подтвердит логический ноль на выходе Q. Если на выходе верхнего логического элемента «2И-НЕ» Q первоначально присутствует логическая единица, то на выходе нижнего логического элемента «2И-НЕ» появится логический ноль. Этот ноль подтвердит логическую единицу на выходе Q. То есть при единичных входных уровнях схема RS триггера работает точно так же как и схема на инверторах.

Подадим на вход S нулевой потенциал. Согласно таблице истинности логического элемента «И-НЕ» на выходе Q появится единичный потенциал. Это приведёт к появлению на инверсном выходе триггера нулевого потенциала. Теперь, даже если снять нулевой потенциал с входа S, на выходе триггера останется единичный потенциал. То есть мы записали в триггер логическую единицу.

Точно так же можно записать в RS-триггер и логический ноль. Для этого следует воспользоваться входом R. Так как активный уровень на входах оказался нулевым, то эти входы — инверсные. Составим таблицу истинности RS триггера. Входы R и S в этой таблице будем использовать прямые, то есть и запись нуля, и запись единицы будут осуществляться единичными потенциалами (таблица 1).

Таблица 1. Таблица истинности RS триггера.

R S Q(t) Q(t+1) Пояснения
Режим хранения информации R=S=0
1 1
1 1 Режим установки единицы S=1
1 1 1
1 Режим записи нуля R=1
1 1
1 1 * R=S=1 запрещенная комбинация
1 1 1 *

RS триггер можно построить и на логических элементах «ИЛИ». Его схема приведена на рисунке 2. Принцип работы RS триггера, собранный на логических элементах «ИЛИ» будет точно таким же, как и рассмотренный ранее. Единственное отличие в работе этой схемы по сравнению с предыдущей схемой RS триггера будет заключаться в том, что сброс и установка триггера будет производиться единичными логическими уровнями. Эти особенности связаны с принципами работы инверсной логики, которые рассматривались ранее.


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

Так как RS триггер при реализации его на логических элементах «И» и «ИЛИ» работает одинаково (его принцип работы от схемы не зависит), то и условно-графическое изображение на принципиальных схемах тоже одинаково. Условно-графическое изображение RS триггера приведено на рисунке 3.


Рисунок 3. Условно-графическое обозначение RS триггера

Синхронный RS триггер

Схема RS 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.

Это означает, что большинство цифровых схем требуют сигнала синхронизации (тактового сигнала). Все переходные процессы в комбинационной логической схеме должны закончиться за время периода синхросигнала, подаваемого на входы триггеров. Триггеры, запоминающие входные сигналы только в момент времени, определяемый сигналом синхронизации, называются синхронными. Для того чтобы отличать от них рассмотренные ранее варианты (RS триггер и триггер Шмитта) эти триггеры получили название асинхронных.

Формировать синхронизирующие сигналы с различной частотой и скважностью при помощи генераторов и одновибраторов мы уже научились в предыдущих главах. Теперь научимся записывать в триггеры входные логические сигналы только при наличии разрешающего сигнала.

Для этого нам потребуется схема, пропускающая входные сигналы только при наличии синхронизирующего сигнала. Такую схему мы уже использовали при построении схем мультиплексоров и демультиплексоров. Это логический элемент «2И». Триггеры, записывающие сигналы только при наличии синхронизирующего сигнала называются синхронными. Принципиальная схема синхронного RS-триггера приведена на рисунке 4.


Рисунок 4. Схема синхронного RS триггера, построенного на элементах «И-НЕ»

В таблице 2 приведена таблица истинности синхронного RS триггера. Принцип работы RS триггера не изменился, добавилось дополнительное условие: синхронизация момента срабатывания схемы. В этой таблице символ ‘x’ означает, что значения логических уровней на данном входе не важны. Они не влияют на работу триггера.

Таблица 2. Таблица истинности синхронного RS триггера.

С R S Q(t) Q(t+1) Пояснения
x x Режим хранения информации
x x 1 1
1 Режим хранения информации
1 1 1
1 1 1 Режим установки единицы S=1
1 1 1 1
1 1 Режим записи нуля R=1
1 1 1
1 1 1 * R=S=1 запрещенная комбинация
1 1 1 1 *

Как мы уже показали выше, RS триггеры могут быть реализованы на различных логических элементах. При этом их логика работы не изменяется. В то же самое время триггеры часто выпускаются в виде готовых микросхем (или реализуются внутри БИС в виде готовых модулей), поэтому на принципиальных схемах синхронные RS триггеры обычно изображаются в виде условно-графических обозначений. Условно-графическое обозначение синхронного RS триггера приведено на рисунке 5.


Рисунок 5. Условно-графическое обозначение синхронного RS триггера

В схемах, использующих синхронные RS триггеры, для передачи двоичной информации обычно применяются парафазные выходы (Q и инверсный Q). Это позволяет увеличить помехоустойчивость и быстродействие цифровых схем.

Дата последнего обновления файла 21.12.2008

Понравился материал? Поделись с друзьями!

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).

Входы Выходы
R S Q -Q
Не определено
1 1
1 1 Без изменений
1 1

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 – самый простой и редко используемый триггер, имеет обозначение ТР;
  • JK триггер – имеет сложное управление, обозначение ТВ;
  • D триггер – самый распространённый и имеет сложность среднюю, обозначение ТМ;

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.

Входы Выходы
-S -R C J K Q -Q
1 Х Х Х 1
1 Х Х Х 1
Х Х Х Не определено
1 1 1→0 1 1
1 1 1→0 1 1
1 1 1→0 Не изменяется
1 1 1→0 1 1 Меняется на
противоположное
1 1 1 Х Х Не изменяется
1 1 Х Х Не изменяется
1 1 0→1 Х Х Не изменяется

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

Входы Выходы
-S -R C D Q -Q
1 X X 1
1 X X 1
X X Не определено
1 1 0→1 1
1 1 0→1 1 1
1 1 Х Не меняется
1 1 1 Х Не меняется
1 1 1→0 Х Не меняется

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.

Устройство и работа RS-триггера

Простейший триггер.

Что такое триггер

Триггер — это качественно новый составной элемент цифровой техники. Его уже нельзя отнести к логическим элементам. Триггер можно назвать эле­ментом нового класса. Выше мы уже говорили о том, что логические входы обладают триггерным эффектом. В случае с логическими входами мы имели дело с триггерным эффектом, работающим по уровню сигнала.

Мы говорили также, что триггер — это устройство, которое может находиться в двух (и только в одном из двух) устойчивых состояниях. На самом деле входы логических элементов обладают слабым триггерным эффектом. Между областью входных напряжений, соответствующих логическому нулю, и областью напряжений, соответствующих логиче­ской единице, всегда существует промежуточный диапазон логической неопределенности.Если напряжение на логическом входе попадает в этот диапазон, то поведение логического элемента непредсказуемо.

Некоторые элементы даже могут переходить в линейный режим работы (усиливают аналоговый сигнал). Более четкое срабатывание обе­спечивает так называемый триггер Шмитта.Этот триггер имеет совер­шенно конкретный порог срабатывания. При переходе входного напря­жения через этот порог триггер Шмитта переключается из одного устой­чивого состояния в другое.

Второй особенностью триггера Шмитта является наличие не одного, а двух порогов срабатывания. Первый порог действует, когда напряжение на входе повышается. При достижении порога триггер срабатывает, и на выходе появляется логическая единица. При понижении напряжения на входе действует второй порог. Когда напряжение на входе снизится ниже этого порога, триггер переключается снова, и на выходе устанавливается логический ноль.

Второй порог всегда немного ниже первого. Наличие двух порогов называется гистерезисом.Гистерезис увеличивает стабильность работы триггера при напряжениях, близких к пороговому. В отсутствии гисте­резиса при входных напряжениях, близких к порогу срабатывания, любая помеха на входе вызовет многократное переключение триггера, что обычно крайне нежелательно. Триггеры Шмитта часто используются для преобразования аналоговых колебаний в прямоугольные импульсы, которые затем уже используются в цифровой технике.

Кроме триггеров, срабатывающих по уровню, существует целый класс триггеров, переключение которых происходит при воздействии различных сочетаний логических сигналов. Такие триггеры имеют не менее двух циф­ровых входов и один или два цифровых выхода. Сигналы на таких выходах всегда имеют противоположные значения. Один из выходов называется прямым выходом триггера, а второй — инверсным выходом.

Такой триггер имеет два устойчивых состояния: единичноеи нулевое.В. единичном состоянии на прямом выходе триггера устанавливается сиг­нал логической единицы, а на инверсном, соответственно, сигнал логи­ческого нуля. Если же триггер находится в нулевом состоянии, сигналы на выходах меняют свои значения: на прямом выходе появляется ноль, а на инверсном — единица. Переход из одного устойчивого состояния в другое происходит под воздействием сигналов на входах триггера.

Устройство и работа RS-триггера

Для разных триггеров используется разные сочетания сигналов. Далее в этом Шагемы подробно рассмотрим все существующие виды тригге­ров и логику их работы. А начнем мы с самого элементарного, простей­шего триггера, так называемого RS-триггера.На рис. 1.11показана схема такого триггера, а на рис.1.12 — его условное обо­значение.

Как видно из рис. 1.11, схема RS-триггера состоит из двух элементов «И-НЕ». Триггер имеет два входа, которые называются S и R. Вход S называют входом установки (от слова Set — установить). Вход R — это вход сброса (Reset). Два выхода триггера обознача­ются как Q и .

Буква с чертой сверху читается как «не кю». Черта над именем любого выхода или входа озна­чает, что данный вывод (вход) инверсный. Поэтому Q и — это, соответственно, прямой и инверсный выходы триггера.

Посмотрим, как работает RS-триггер. Для правиль­ной работы такого триггера на оба его входа необходимо подать сигналы логической единицы. Перевод триггера из одного устойчивого состояния в другое произво­дится путем кратковременной подачи на один из входов нулевого сигнала. При подаче нуля на вход S (Set) триггер переходит в единичное состояние. При подаче сигнала на вход R (Reset) триггер сбрасывается в ноль.

Одновременная подача двух нулей на оба входа триггера недопустима, так как в этом случае работа триггера непредсказуема. В промежутке между сигналами, когда на обоих входах единица, триггер сохраняет ранее установленное состояние.

Если на обоих входах присутствует единица, установленное состояние триггера сохраняется все время, пока на схему подано напряжение пита­ния. Таким образом, триггер можно использовать для хранения инфор­мации. При выключении питания информация теряется. Если питание было выключено, то в момент включения питания (до прихода первых входных импульсов) триггер устанавливается в случайное положение. Если точнее, то это положение зависит от того, какой из элементов триг­гера оказался более быстродействующим.

Рассмотрим подробнее, как происходит переключение триггера.Обратимся для этого к схеме на рис. 1.11.Допустим, что после включе­ния триггер сбросился в нулевое состояние. То есть на выходе Q триг­гера — логический ноль. Этот ноль поступает на соответствующий вход нижнего элемента триггера (см. рис. 1.11).На втором входе того же эле мента, как мы помним, — логическая единица. В соответствии с логикой работы элемента «И-НЕ», на его выходе так же устанавливается еди­ница. Эта единица поступает на выход и на соответствующий вход верхнего по схеме элемента. На втором входе верхнего элемента, как мы помним, — тоже единица. Две единицы на входе «И-НЕ» и дают ноль на его выходе. Итак, круг замкнулся. Все сигналы подтверждают сами себя. На выходе Q — логический ноль, на выходе — логическая единица. Триггер находится в устойчивом состоянии.

Теперь посмотрим, как происходит переход триггера из одного устой­чивого состояния в другое.Для переключения триггера в единичное состояние подадим на вход S сигнал логического нуля. Равновесие сразу нарушится. На входах верхнего элемента уже не две единицы, а единица и ноль. Поэтому на его выходе сразу устанавливается единица. Она посту­пает на соответствующий вход нижнего элемента.

И теперь уже на нижнем элементе две единицы на обоих входах. Он тут же выдает на выходе ноль. Теперь можно снимать нулевой сигнал со входа S. Триггер находится уже в новом состоянии. И это состояние тоже устойчивое. Единичный сигнал на входе S не переведет триггер назад в нулевое состояние, так как на нижнем входе верхнего по схеме элемента логический ноль.

Переключение триггера в нулевое состояние происходит точно так же, как и переключение в единичное. Только нулевой сигнал для переклю­чения в данном случае подается на вход R. Процессы, происходящие в триггере, при этом полностью соответствуют процессам, происходящим в предыдущем случае, только с точностью до наоборот. Если триггер уже стоит в единичном состоянии, то подача нулевого импульса на вход S ничего не изменит. Точно так же подача импульса на вход R не изменит состояния триггера, если перед этим он находился в нулевом состоянии.

Вывод.

RS-триггер можно считать простейшим устройством для хранения одного бита цифровой информации.

Один бит — это один двоичный разряд или величина, которая может принимать только два значения (0 и 1). Логично, что для хранения еди­ницы триггер переводится в единичное состояние. Для хранения нуля — в нулевое.

Обратите внимание на обозначение входов сброса и установки на рис. 1.12. Оба входа снабжены кружочками, а их имена снабжены чер­той. Это означает, что входы инверсные. RS-триггер имеет не только инверсный выход, но и оба его входа также инверсные. Входы считаются инверсными потому, что активный сигнал для каждого из них — это низкий логический уровень. Такое обозначение достаточно условно. В

RS-триггере допускается обозначение входов как с инверсией, так и без. Оба варианта будут верны.