Логические триггеры: схемы, классификация, устройство, назначение, применение

Триггер в переводе с английского – защёлка. Это электронный модуль, способный длительно находиться в одном устойчивом состоянии и менять его под действием внешнего сигнала. Это цифровая автоматическая ячейка, которая умеет запоминать и хранить двоичный код данных, размером в 1 бит. То, как работает триггер, зависит от его структуры и назначения. В основе всякой подобной ячейки располагается восстанавливающее кольцо из пары инверторов. Устройство содержит прямой и инверсный выходы.

Общая структурная схема защёлки

Место триггеров в цифровой схемотехнике

Сам рс триггер, как один из структурных элементов в схемотехнике, не содержит в своём составе какого-то отдельного блока или устройства памяти. Он является простейшей логической ячейкой, которая запоминает своё предыдущее и настоящее состояния на входах и выходах. Память является результатом алгоритма работы переключателя. Выходы устройства находятся в состоянии либо логического нуля, либо единицы. При их изменении схема «защёлкивает» это положение и запоминает до тех пор, пока устройство управления вводом, выполненное из логических элементов, не даст команду об изменении состояния.

Обозначение входов триггеров

Входы триггеров обычно обозначают следующим образом:

S — вход для установки в состояние «1»;

R — вход для установки в состояние «0»;

J — вход для установки в состояние «1» в универсальном триггере;

К — вход для установки в состояние «0» в универсальном триггере;

Т — счетный (общий) вход;

D — вход для установки в состояние «1» или в состояние «0»;

V — дополнительный управляющий вход для разрешения приема информации (иногда используют букву Е вместо V).

Рассмотрим некоторые типы триггеров и их реализацию на логических элементах.

Классификация

Прежде, чем рассматривать работу триггеров, необходимо разобраться в обозначениях входов и выходов подобных устройств.

Триггер — понятие и классификация

Входа (порты) у триггера бывают:

• R (reset) – устанавливает положение 0, раздельный порт;
• S (set) – устанавливает положение 1, раздельный порт;
• J – порт универсальных защёлок, устанавливает статус 1;
• K – порт универсальных защёлок, устанавливает статус 0;
• T – счётный порт, меняет положение защёлки.

Информация. Высокий уровень потенциала на входе или выходе равняется логической единице, низкий – логическому нулю. У микросхем марки ТТЛ логической единицей считается потенциал от 2,4…5В, логическим нулём – 0…0,4 В при напряжении питания 5 В. Для логических сборок других серий диапазоны потенциалов могут отличаться.

У защёлки в наличии два выходных порта:

• Q – прямой;
• Q¯ – инверсный.

При единице на прямом (Q = 0) «защёлка» находится в состоянии «1». В случае низкого потенциала на выходе (Q = 1) статус защёлки – «0».

У инверсного выхода все наоборот. При нуле у выхода Q¯ переключатель находится в состоянии единицы. Инверсия положения нужна для внедрения различных схематических решений.

Внимание! Типы портов определяют названия электронных переключателей, так, имея порта R и S, он носит имя RS-триггер.

Последовательностное логическое устройство (ПЛУ), которым является «защёлка», – это своеобразный блок для постройки различных комбинаций в схемах логических цепей. Бистабильное состояние RS-защёлки помогает компоновать такие логические схемы, как счётчики, регистры хранения, устройства памяти или регистры сдвига. Независимо от метода устройства логических связей, основные виды электронных переключателей можно разделить по способу ввода данных:

• синхронный тип;
• асинхронный тип;
• комбинированный.

Всё зависит от того, как посылается команда управления на изменение состояния «защёлки».

Синхронные устройства

Для того чтобы rs триггер не менял своего положения от сочетания задержанных командных импульсов на его портах, применяют синхронизирующую команду. Это тактовый импульс, который подаётся на синхронизирующий порт. Сменившиеся сигналы на входах такой «защёлки» не смогут изменить состояния на выходе, пока не придёт тактовый (синхронизирующий) импульс. Эти импульсы вырабатывают тактовые генераторы. Длина тактовых сигналов намного меньше их периода. Импульсы определяют частоту замены информации, привязав её к дискретным временным периодам – tl, t2,…,tn-1,tn, tn+l. Это позволяет синхронизировать процессы работы отдельных узлов оборудования в едином ритме.

Действие схемы следующее:

• если на порту С присутствует ноль, статус триггера не меняется, поскольку информация с портов S и R не передаётся на защёлку;
• если на порту С появляется логическая единица, то переключатель принимает команды с S и R входов и меняет своё положение.

У таких схем повышенная помехоустойчивость, что выгодно отличает их от асинхронных устройств, последние могут перевернуться не только от сигнала, но и от помехи. Синхронная структура применяется в технике, связанной с преобразованием или обработкой цифровых данных.

Синхронный RS – триггер, схема и графическое обозначение

Важно! При применении RS-защёлки с инверсными входами необходимо заменить элементы схемы «И» на элементы «И — НЕ».

Асинхронные модели

Устройство, меняющее своё состояние немедленно при изменении команды на логических портах, называют асинхронным триггером. Он имеет в своём составе только порты: R (сброс) и S (установка). Ограничения для пользования подобными схемами связано с соперничеством между сигналами, которые при попадании на разные входы RS-триггера движутся разными путями, как бы состязаясь между собой. При этом возникают временные задержки и сдвиги, вызванные разными причинами: изменения температуры, долгий срок службы и прочее. Такая «гонка» вызывает частые ошибочные переворачивания ячейки.

Тактовая синхронизация в данном случае не эффективна, потому асинхронные ячейки применяются в качестве асинхронных счётчиков, различных ключей, делителей частоты и им подобных схемных решений.

Асинхронный RS-триггер, структурная схема

Комбинированные схемы

Модуль, состоящий из комбинации нескольких ячеек, называется комбинированным триггером. Возможны комбинации от двух и более функциональных ячеек.

Таблица комбинаций двух типов ячеек памяти

Типы триггеровЗдесь Х – объединение двух типов возможно.

Подразделение этих устройств по типам можно рассмотреть по таблицам переходов состояния.

Выделяются следующие типы ячеек памяти состояния:

• rs-защёлка – асинхронная и синхронная;
• jk-защёлка;
• d-защёлка;
• t-защёлка.

Последний элемент списка – устройство составное, выполняется из синхронной rs-ячейки памяти.

RS-триггеры

Рассматривают два вида подобных ячеек: асинхронная и синхронная защёлка. При подробном изучении видна значительная разница в работе и сфере применения.

RS-триггер асинхронный

Самый простой вид защёлки, редко применяется как самостоятельное устройство, является ячейкой для построения более сложных блоков. Построены асинхронные соты на элементах:

• 2 ИЛИ – НЕ, триггерная сота с прямыми портами;
• 2 И-НЕ, триггерная сота с инверсными портами.

Фиксированные положения триггеру обеспечивают обратные связи. Это подключение выхода одного к любому входному порту другого логического элемента.

RS-триггер синхронный

Основа регистров, делителей частоты и различных счётчиков – триггерная сота памяти. В подобных устройствах зафиксированную раньше информацию нужно передать на выход и записать в следующую ячейку по сигналу тактового импульса. Импульс подаётся на С-порт (статический или динамический).

К сведению. Статический С-вход выполняет синхронизацию по изменению уровня потенциала сигнала, динамический С-вход синхронизирует изменение состояния не по уровню, а моменту его изменения. Переключение на динамическом С-входе может осуществляться по фронту импульса (прямой) или по его срезу (инверсный).

Состоящие из пары синхронных rs-триггеров и инвертора двухступенчатые RS-триггеры управляются полным (задействованы и фронт, и срез) динамическим тактовым импульсом. Такие ячейки памяти называются master-slave (мастер-помощник).

JK-триггер

Отличительной чертой этого типа «защёлки» является отсутствие запрещённого сочетания сигналов на портах. При J = K = 1 положение защёлки переворачивается на обратное, по сравнению к текущим Q0.

JK-переключатель отличается от RS-ячейки памяти только одним: если на J и K подаётся «1», то он меняет своё пребывание на противоположное положение. Происходит инверсия, причём у этой ячейки памяти отсутствуют запрещённые состояния главных портов.

Внимание! Если провести аналогию обозначения входов, то J и K, соответственно, аналогичны входам S и R у RS-триггера. Практическое применение нашли только синхронные jk-триггеры с динамической синхронизацией.

Таблица истинности и обозначение jk-триггера

Что такое RS триггер

Это сота памяти, способная находиться в одном из стабильных положений: «0» или «1». Переворачиваться, т.е. менять их, она может под воздействием тактовых сигнальных импульсов. Ни записать, ни стереть хранимый бит элементарный элемент, собранный на двух инверторах, не может. Принцип работы rs триггеров, выполненных на двух компонентах 2И-НЕ, позволяет это сделать.

Универсальный триггер (JK-триггер)

Такой триггер имеет информационные входы J и К, которые по своему влиянию аналогичны входам S и R тактируемого RS-триггера:

• при J=1, K=0 триггер по тактовому импульсу устанавливается в состояние Q=1;
• при J= 0, К=1 – переключается в состояние Q=0;
• при J=K=0 – хранит ранее принятую информацию.

Но в отличие от синхронного RS-триггера одновременное присутствие логических 1 на информационных входах не является для JK-триггера запрещённой комбинацией и приводит триггер в противоположное состояние.

Таблица переходов JK триггера

Цифровая электроника – ЯБ-триггеры с доминирующим Я-входом

Наличие запрещенных комбинаций для тактируемых &У-триггеров вызвало идею построения триггера, который принудительно устанавливает Qx в 0 при S= 1 и R = 1, при подаче синхроимпульса. Это становится возможным благодаря особенному подключению входов. На рис. 7.35 показано такое соединение входов. При S = 1 и R = 1, 1-сигнал не может воздействовать на триггер, так как на выходе элемента НЕ действует 0. И-элемент запирается. 1-сигнал на R разрешает сброс. Режим установки при S = 1 и R = 0 остается возможен, так как теперь на выходе элемента НЕ действует 1 и И-элемент имеет на выходе 1.

Интересная статья: Что такое твердотельное реле?

Такой триггер называется .RS’-триггером с доминирующим /?-входом, или ^триггером. Правило его работы следует из условного обозначения на рис. 7.36 (см. также разд. 7.1). Оно гласит: если оба входа триггера S, R и вход Т имеют уровень 1, то при сигнале синхронизации 1 Q{ устанавливается на 0, a Q2 — на 1. Таблица истинности тактируемого ЛУ-триггера с доминирующим R-входом представлена на рис. 7.37. Разумеется, существует также тактируемый RS-триггер с доминирующим ^-входом (см. контрольный тест).

Будет интересно➡ Электрическая цепь и ее элементы

Таблица истинности

D триггер — устройство и элементы с управлением по фронту

Таблица переходов состояний (таблица истинности) поясняет работу RS-триггера на элементах «И-НЕ». На ней Q 0 – текущий статус ячейки до попадания активного сигнала на порт. Когда логическая единица отсутствует на входах R и S, «защёлка» сохраняет положение Q 0. Активный импульс R = 1 перекидывает защёлку в положение 0, импульс S = 1 – в положение 1. Звездочка в таблице указывает на положение при запрещенном сочетании приходящих сигналов.

Таблица истинности RS-триггера

Такой тип имеет раздельное назначение логических состояний нуля и единицы по информационным портам.

Использование

Все выше описанные разновидности триггеров используются только в простейших электронных схемах контроля. Способность устройств к синхронизации и удерживанию сигнала используется в технике для взаимодействия с простейшими таймерами. Большая доля использования приходится для стабилизации работы механических кнопок и клавиш. Эти устройства испытывают эффект дребезга контактов. Например, при включении электрических двигателей. Дребезг контактов становится причиной появления сигналов с высокой частотой взаимодействия. Триггеры выравнивают и сглаживают этот эффект.

В персональных компьютерах простые триггеры не используются. Причина заключается в малом операционном объеме памяти. Устройство обладает только ячейкой емкостью 1 бит, что очень мало для сложной вычислительной техники.

Временные диаграммы

Импульсный стабилизатор напряжения

Кроме таблиц истинности, помогает разобраться в работе ячейки битовой памяти временная диаграмма. При этом на графике при изучении импульсов рассматривают следующие параметры:

• длительность импульса – временной интервал от фронта до спада;
• период – интервал от фронта предыдущего импульса до фронта последующего;
• скважность – отношение периода импульса к его длительности.

Диаграмма графически отображает сигнальные импульсы на входах и выходах в одних и тех же временных точках.

Временная диаграмма RS-триггера

Триггер типа MS

Рассмотрим принцип построения двухступенчатого триггера, который называют также триггером типа MS (от англ. master, slave, что переводят обычно как «ведущий» и «ведомый»). Его упрощенная структурная схема приведена на рис. 3.60. В схеме имеются два одноступенчатых триггера (ведущий М и ведомый S) и два электронных ключа (Кл1 и Кл2).

Временная диаграмма сигнала синхронизации, поясняющая работу триггера, приведена на рис. 3.61.

Рассмотрим ряд временных интервалов указанной диаграммы:

t < ta — ведущий триггер отключен от информационных входов, ведомый триггер подключен к ведущему;

ta < t < tb — ведущий триггер отключен от информационных входов, ведомый триггер отключен от ведущего;

tb < t < tc — ведущий триггер подключен к информационным входам, ведомый триггер отключен от ведущего. В ведущий триггер записывается информация, поданная на входы;

tc < t < td — ведущий триггер отключен от информационных входов, ведомый триггер отключен от ведущего;

td < t — ведущий триггер отключен от информационных входов, ведомый триггер подключен к ведущему, информация из ведущего триггера переписывается в ведомый. Это происходит сразу после момента времени td и означает, что фактически двухступенчатый триггер срабатывает при изменении сигнала синхронизации от 1 к 0. При этом выходные сигналы определяются теми входными информационными сигналами, которые имели место непосредственно перед отрицательным фронтом сигнала синхронизации.

Классификация последовательных схем

Последовательные схемы допускается классифицировать по следующим показателям:

• одноступенчатые защёлки, в которых содержатся элемент памяти и устройство управления, их маркируют буквой Т;
• двухступенчатые ячейки: статического и динамического управления, используются для защиты от гонок сигналов, обозначаются буквами ТТ;
• переключатели, имеющие сложную логику: одно,- и двухступенчатые соты.

Одноступенчатые ячейки применяются в качестве первых ступеней в переключателях ТТ с динамической схемой управления, имеют такое же управление. При самостоятельном использовании управление в большинстве своём статическое.

Двухступенчатые устройства имеют как статическое, так и динамическое управление.

Состояние «Установлен»

RS-переключатель в этом состоянии имеет установленную цепь с Q, равным нулю, и Q¯, равным единице, и независим от управляемого сигнала. При этом на R присутствует ноль, на S – логическая единица.

Состояние «Сброшен»

Это тоже неизменная ситуация. Для её организации необходимо выставить исходные условия. На R подаётся «1», на S – «0». При этом выход Q должен иметь «1», Q¯ – значение «0». Обратные связи обеспечивают и фиксируют независимое от последующих значений на входах значение.

Метастабильность

Работоспособность триггеров строится на точности перехода от логических параметров 1 и 0. Устройство способно работать в одном состоянии 0 или 1. При этом переход от логических величин осуществляется без задержки в заданное время. Переход зависит от смены напряжения на входах элемента.

Основная проблема устройств кроется в эффекте метастабильности. Это состояние, при котором сигнал попадает на контакт входа в момент перехода из одного состояния в другое. В такие моменты напряжение находится между переходами. Это может привести:

1. К полному нарушению работоспособности.
2. Несанкционированному включению/выключению цепи.
3. Общему нестабильному состоянию.
4. Выгоранию ячейки памяти.

Метастабильность можно представить, как шарик, установленный в верхней точке холма. В момент перехода из логического состояния, шарик (напряжение) переходит в одну из сторон согласно схеме. При метастабильности шарик (напряжение) замедляет переход. Этот эффект зависит от шумов цепи, высокого электромагнитного потока и скачков напряжения.

Данный эффект сильно зависим от временного интервала перехода. Также существует погрешность нахождения триггера в состоянии метастабильности. Для снижения данного эффекта инженеры вносят в схему 2 устройства, подключенных параллельно. Такая цепь позволяет снизить возможность появления метастабильности, уменьшить время нахождения цепи в этом состоянии. Так же 2 триггера в цепи значительно увеличивают время перехода, снижают зависимость от частотных и электромагнитных влияний.

Диаграмма переключения RS-триггера

Состояния переключения, установки и сброса можно просмотреть на временной диаграмме. На ней отмечено, что переключатель переходит в положение установки при появлении нуля на его S-входе и единице на входе R, фиксированный сброс при подаче нуля на порт R и единицы на S.

Диаграмма переключения защёлки

Внимание! Если ноль подать на два входа (R и S) синхронно, то переключатель из-за неопределённого состояния на вводах может перевернуться в любое непредсказуемое положение, при этом произойдёт повреждение данных.

Модификация схемы триггера

Чтобы смена состояний происходила на подъёме уровня сигнала у rs-триггера, необходимо на его выходах иметь:

• при установке – Q = 1, а Q¯ = 0;
• при сбросе – Q = 0, а Q¯ = 1.

Чтобы это организовать, поступающие сигналы защёлки инвертируют. В результате этого изменение состояния выполняется при поступлении положительных сигналов. При модификации добавляются в качестве инверторов 2 элемента И-НЕ.

Модификация схемы триггера

Как синхронизировать работу триггера

Подключение двухпортового элемента «И» в последовательную цепь схемы триггера с каждым из входов позволит менять его статус, независимо от состояний на R,- или S-входах. Новый порт С получится при объединении двух портов ячеек «И». В результате доработки статус на выходах Q и Q¯ будет меняться только тогда, когда на С будет приходить высокий потенциал. Предусмотрено подключение генераторов тактовых импульсов на этот новый вход.

Синхронизация триггера

Сводим результаты в таблицу

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

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.

Регистры на триггерах

Так как один переключатель является однобитовой ячейкой памяти, то, чтобы сохранить несколько бит, нужно увеличить количество единичных хранилищ. Цепочка из таких ячеек носит названия регистра. Регистр позволяет временно хранить цифровые данные двоичных разрядов. Количество разрядов зависит от количества однобитовых ячеек.

Схема 4-х разрядного регистра сдвига на триггерах

Использование элементарных электронных цифровых устройств – триггеров, позволяет составлять сложные схемы управления логическими устройствами. Одна элементарная защёлка памяти своим бистабильным состоянием помогает осуществлять самые сложные схемные решения.