Для выполнения логических операций применяют двоичную систему счисления. На ее основе функционируют автоматизированные блоки защиты сетей питания и суперкомпьютеры, выполняющие расчеты прогноза погоды. Триггер – это типовой компонент простых и сложных контрольных, управляющих, вычислительных систем. Устройства данной категории поддерживают определенное состояние (0 или 1), которое изменяется при соответствующей комбинации входных сигналов. С применением специального механизма сбрасывает «память» в исходное или неопределенное состояние.
Симметричный триггер, собранный по типовой схеме на биполярных транзисторах
В этой публикации, кроме разновидностей триггеров, рассмотрено аппаратное и программное обеспечение. Примеры типовых схемотехнических решений пригодятся для создания работоспособных конструкций собственными руками.
История
Функциональный триггер можно создать из обычного реле с электромеханическим приводом. Установив нужным образом контакты управляющей цепи, обеспечивают включение силовой группы после определенной комбинации входных сигналов. Отдельной клавишей выполняют сброс.
Схема RS триггера на одном реле
Электронные аналоги были собраны в начале прошлого века из ламповых приборов. Действующие схемы впервые опубликованы российскими и английскими учеными в 1918-20 гг. Позднее стали применять полупроводниковые транзисторы. В наши дни соответствующие устройства создают с применением микроэлектронных технологий.
Определения
Единица измерения напряжения
С учетом чрезмерного разнообразия следует уточнить применяемую терминологию. В следующем перечне приведены корректные ответы на вопрос, что такое триггер (trigger):
- устройство для записи (хранения) данных, поддерживающее два равновесных состояния;
- базовая ячейка памяти;
- переключающий элемент с несколькими положениями сохранения устойчивости;
- логический компонент, способный переходить в состояние «1» или «0» с прямым и обратным (инверсным) выходом.
Триггер Шмитта с независимой регулировкой гистерезиса и уровней срабатывания
Для осуществления независимой регулировки параметров триггера Шмитта между транзисторами VT1 и VT2 включается буферный элемент (очень часто эмиттерный повторитель). В результате этого уменьшается влияние резистора R3 на делитель напряжения R4R6, а также повышается чувствительность схемы в целом.
Схема триггера Шмитта с буферным элементом.
Классификация
Энергия конденсатора
Изделия этой категории разделены на две основные группы по принципу сигналов управления. В первой – формируется заданная последовательность выходных сигналов, если установлено состояние «1». После переходе в «0» генерация прекращается. Вторая – способна переключать выходное напряжение соответствующим образом. Как правило, «1» примерно соответствует уровню источника питания.
Также триггеры различают по следующим параметрам:
- синхронность рабочих циклов;
- статические (динамические) способы управления;
- сложность логических схем;
- одно,- или двухступенчатые.
Триггеры на логических элементах и на операционном усилителе
Для реализации статических триггеров хорошо подходит схема усилителя с двумя каскадами. Связь между ними организуют прямую либо с ограничительными резисторами в соответствующих цепях.
Триггер на логических элементах
Триггер (Trigger) Шмитта
Изделия этой категории могут быть созданы с применением разной элементной базы. В данном разделе рассмотрен триггер Шмитта на транзисторах. Он управляется изменением аналогового сигнала. В зависимости от уровня напряжения, выполняется переключение состояния памяти в соответствующее положение «0» или «1».
Триггер Шмидта на транзисторах с подключенной нагрузкой
Переходные процессы в триггере
Рассмотрим более подробно переходные процессы, происходящие в триггере при его переключении.
Вследствие инерционности транзисторов и наличия паразитных емкостей переключение триггера происходит не мгновенно, а в течение конечного промежутка времени. Характер и длительность переходного процесса переключения зависят от параметров и структуры схемы, а также от способа запуска и параметров запускающих импульсов (амплитуды, длительности, формы). Рассмотрим переходные процессы при раздельном запуске триггера.
Примем по-прежнему, что в исходном состоянии транзистор T1 открыт и насыщен, а T2 закрыт и пусть положительный запускающий импульс тока поступает в базу открытого транзистора. Под его действием начинается процесс рассасывания неосновных носителей в базе насыщенного транзистора и через некоторое время tp (рис.2) этот транзистор окажется на границе насыщения. С этого момента начинает уменьшаться его коллекторный ток, что приводит к возрастанию отрицательного напряжения на коллекторе Uk1. Это вызовет снижение положительного напряжения смещения Uб2 на базе закрытого транзистора T2. Время tn, в течение которого положительное напряжение смещения уменьшается от начального значения до нуля, называется временем предварительного формирования отрицательного фронта на коллекторе T1. Сумма tp+tn называется временем подготовки. По истечении этого времени, т.е. после достижения Uб2 = 0, транзистор T2 открывается, восстанавливается усиление в петле положительной обратной связи, и в триггере за время tрег происходит лавинообразный процесс опрокидывания (регенеративный процесс).
Рис.2 Диаграмма. Переходные процессы в триггере.
Действительно, при открывании транзистора T2 появляется ток ik2 в его коллекторной цепи. Приращение этого тока идет в базу транзистора T1 и, складываясь с входным запирающим импульсом тока способствует запиранию транзистора T1. Коллекторный ток ik1 запирающегося транзистора T1 уменьшается. Обратное приращение тока ik1 передается в базу открывающегося транзистора T2 вызывает его еще большее отпирание в т.д. Лавинообразный процесс заканчивается закрыванием транзистора T1 и открыванием T2. При этом положительная обратная связь между каскадами снова обрывается.
Длительность tрег интервала опрокидывания составляет назначительную долю общей длительности переходного процесса. К моменту окончания опрокидывания при достаточно больших ускоряющих емкостях изменение тока базы |Δ iб2| в отпирающемся транзисторе T2 равно по величине изменению коллекторного тока |Δ ik1| запирающегося транзистора T1. Чем больше базовый ток к моменту окончания опрокидывания, тем быстрее происходит установление напряжения на коллекторе отпирающегося транзистора.
Установление напряжений и токов на коллекторах и базах транзисторов происходит в течение некоторого времени tуст когда осуществляется перезарядка ускоряющих конденсаторов С1.
До начала запускающего импульса конденсатор С1′ был разряжен, а С1″ заряжен до напряжения близкого Ek. При опрокидывании триггера конденсатор С1′ заряжается током, отбираемым из базы транзистора T2 по цепи: плюс источника питания Ek, входное сопротивление транзистора T2, конденсатор С1′ резистор Rk’ минус источника Ek. Время заряда конденсатора определяется постоянной времени зарядной цепи tзар=C1Rk. Зарядный ток создает падение напряжения на сопротивлении Rk’. Таким образом, нарастание отрицательного потенциала коллектора закрывающегося транзистора завершится тогда, когда прекратится зарядный ток, т.е. зарядится конденсатор С1′. Следовательно, время заряда конденсатора С1′ определяет отрицательный фронт t(-)ф выходного напряжения. Отрицательный фронт тем меньше, чем меньше величина ускоряющей емкости. По окончании заряда конденсатора С1′ базовый ток транзистора T2 становится меньше, он определяется сопротивлениями резисторов R1 и R2.
Из анализа транзисторных ключей известно, что чем большим базовым током включается транзистор, тем быстрее время его включения, т.е. короче положительный фронт t(+)ф (для транзисторов р-n-р типа). Очевидно также, что по мере заряда конденсатора С1′ зарядный ток уменьшается. Следовательно, если емкость ускоряющего конденсатора мала, то конденсатор успеет зарядиться до окончания опрокидывания триггера. Тогда базовый ток отпирающегося транзистора заметно уменьшится еще до окончания отпирания транзистора, и фронт нарастания коллекторного тока и коллекторного напряжения (положительный фронт t(+)ф) увеличится. Таким образом, для уменьшения отрицательного фронта выходного напряжения нужно уменьшать емкость ускоряющих конденсаторов, а для уменьшения положительного фронта — увеличивать ее.
При опрокидывании триггера конденсатор С1″ получает возможность разрядиться по двум цепям: а) левая обкладка С1″, резистор R2′, источник смещения, сопротивление эмиттер-коллектор T2, правая обкладка С1″; б) левая обкладка С1″, сопротивление R1″, правая обкладка С1″. Вследствие разряда конденсатора С1″, напряжение Uб1 на базе транзистора T1 оказывается положительным и большим стационарного значения напряжения запирания (динамическое смещение). По мере разряда конденсатора С1″ разрядный ток убывает и Uб1 стремится к станционарному значению.
Триггер что это такое
Общие принципы запоминающих элементов представлены выше. Триггером называется устройство, способное поддерживать 2 или больше устойчивых состояния, которые меняются под воздействием входных сигналов. Фактически речь о способе хранения минимального количества информации – 1 бит.
Что измеряется в фарадах
Любой триггерный автомат состоит из двух основных блоков. Первый – предназначен для сравнения или другого вида обработки входных сигналов. Второй – обеспечивает хранение данных и отображение состояния соответствующими выходными сигналами:
- «1» – высокий уровень, прямой, Q;
- «0» – низкое напряжение, обратный (инверторный), /Q.
Как правило, между функциональными блоками организована обратная связь. Входные сигналы также делят на группы:
- информационные – R, T, S;
- управляющие – V, C.
К сведению. Рабочие циклы описывают в табличной форме, которая наглядно показывает состояние памяти при разных комбинациях входных сигналов.
Способы повышения быстродействия симметричного триггера
Быстродействие триггера как устройства, основанного на транзисторных ключах, определяется скоростью переключения выбранных транзисторных ключей.
Следовательно, основными методами повышения быстродействия триггера являются: 1) применение высокочастотных транзисторов; 2) устранение (или уменьшение) задержки выключения, обусловленной рассасыванием неосновных носителей в базе насыщенного транзистора; 3) применение специальных способов, уменьшающих время установления напряжения на коллекторах и ускоряющих конденсаторах.
С целью сокращения времени рассасываний неосновных носителей в базе применяются ненасыщенные ключи, например, за счет введения нелинейной отрицательной обратной связи через диоды Дос(рис.5). Ненасыщенный триггер обладает более высокой чувствительностью к запускающим импульсам, с чем связано снижение его помехоустойчивости.
Действие нелинейной обратной связи состоит в следующем. При отпирании транзистора входным током отрицательный потенциал его коллектора уменьшается. Когда он сравняется с потенциалом в точке «а», диод открывается, и часть входного тока замыкается через диод. Транзистор не входит в насыщение.
Для сокращения фронтов выходного напряжения (главным образом отрицательного фронта) может быть применена фиксация минимального коллекторного потенциала через диод Дф (рис.6). При отпертом транзисторе диод Дф заперт. При запирании транзистора отрицательное напряжение на его коллекторе растет, и когда достигает значения Еф, диод отпирается и фиксирует коллекторный потенциал на уровне — Дф. Как видно из рисунка, длительность отрицательного фронта существенно уменьшается, а положительного, как более крутого в первоначальной стадии, изменяется мало.
Типы триггеров
В следующих разделах представлены принципы функционирования стандартных устройств. Они могут работать автономно либо в различных комбинациях. Сочетания триггеров в электронике применяют для построения сложных логических схем.
Что такое trigger RS типа
Эти элементы делят на группы по способам управления. Для удобства здесь и далее пояснения сделаны с помощью логических компонентов. При необходимости можно собрать аналогичный триггер на реле или транзисторах.
RS-триггер асинхронный
Работоспособную схему можно собрать из двух типовых элементов «И-НЕ».
Схемотехника, таблица состояний, графики сигналов
RS-триггер синхронный
В этой схеме при подаче «1» на С устройство обеспечивает режим «прозрачности». Изменения на входах R и S с минимальной внутренней задержкой отображаются в промежуточных точках /R и /S. После установки управляющего сигнала «0» включается хранение данных.
Переключение состояний происходит только при наличии управляющего (тактового) сигнала
D-триггеры
Устройства этой категории отличаются временной задержкой рабочего цикла.
D-триггер синхронный
На графиках работы видно, что изменение выходного сигнала происходит только при наличии «1» на входе С. Данные сохраняются в неизменном состоянии до поступления следующего импульса синхронизации. В этом цикле обеспечивается беспрепятственная проводимость данных.
Эти устройства имеют отдельный вход для информационных сигналов
D-триггер двухступенчатый
Как и в предыдущем примере, здесь используется один канал поступления данных – D. На схеме показано, как создано более сложное устройство из двух одноступенчатых блоков.
Двухступенчатая «защелка» с управлением синхроимпульсом
T-триггеры
Эти устройства выполняют функции элементарных счетчиков.
Т-триггер асинхронный
Реализация счетчика на элементах «И-НЕ»
T-триггер синхронный
Такие устройства подходят для двукратного уменьшения частоты. На картинке показаны счетчики, собранные на базе триггеров RS и D типа.
Один выходной сигнал формируется на каждые два синхроимпульса
JK-триггер
Рабочие циклы этого устройства аналогичны рассмотренному выше триггеру типа RS. Главное отличие – изменение выходного сигнала на противоположное значение (инверсия) выходного сигнала после подачи «1» на K и J одновременно. Следует подчеркнуть отсутствие запрещенных комбинаций в информационных каналах.
Схема, собранная на элементах «И-НЕ»
Принцип работы
Простой RS-триггер использует особый принцип работы, основанный на получении входных сигналов, которые в зависимости от поставленной задачи изменяют состояние выходов устройства. При входе сигнала на основной блок, на выходах происходит скачкообразное изменение напряжения, вследствие чего осуществляется управление поставленной задачей.
Логическое электронное устройство состоит из нескольких активных входных и выходных контактов. Рассмотрим эти контакты:
- Вход, использующийся для формирования выхода «Q». Его условное обозначение «R». На этом участке схемы происходит запись единицы.
- Вход, использующийся для сброса выхода «Q» обозначается буквой «S». На этом участке происходит запись нуля.
Далее рассмотрим, как работает простой RS-элемент.
Принцип работы простого RS-триггера невозможен без выходов. Они имеют такие обозначения:
- «Q» — является прямым выходом.
- «Q¯» — инверсный выход. В обозначение такого выхода добавлена черточка над буквой Q.
Самый первым был сделан триггер на транзисторах. Современные логические элементы сильно минимизированы, поэтому в основе всех таких устройств обязательно лежит микросхема. Такие устройства не подвержены воздействию помех, имеют низкий процент метастабильности, немного больше памяти и более широкие возможности для использования.
Транзисторные модели надежнее, но их основные недостатки: размер, наличие множества компонентов. Для увеличения памяти такие элементы подключаются параллельно в схему.
Синхронные и асинхронные триггеры
Эти группы созданы по принципу зависимости состояний выхода от синхроимпульсов.
Асинхронные триггеры
Изделия данного типа изменяют состояние хранящейся информации после поступления соответствующих данных на вход. Незначительная задержка объясняется временем прохождения сигнала по цепи переключающих элементов схемы.
Синхронные триггеры с динамическим тактированием
В этой группе представлены изделия, управляемые синхроимпульсами. Переключение состояния выполняется по переднему или заднему фронту. При отсутствии активности на C данные сохраняются в неизменном состоянии, вне зависимости от поступления новой информации.
Физические реализации триггеров
Базовый элемент создают из полупроводниковых приборов, используя современные технологические процессы для миниатюризации функциональных изделий.
Логический элемент на МОП транзисторах
Триггеры с тиристорами
Для повышения мощности подключаемой нагрузки можно собрать триггер с применением тиристоров. К управляющему электроду присоединяют вход S, к затвору – R. Для поддержания постоянного напряжения на аноде подойдет транзистор, включенный в соответствующую цепь.
Триггеры на релейно-контакторной базе
Несмотря на общие тенденции миниатюризации, вполне допустимо создать функциональный триггер из реле. Подобные решения, в частности, применяют для защиты цепей питания при включении мощных электроприводов.
Влияние нагрузки на работу триггера
Обычно нагрузка Rн подключается параллельно транзистору (рис.7) и существенно влияет на работу триггера.
Если транзистор закрыт, то нагрузка приводит к снижению потенциала его коллектора (а значит, и выходного напряжения), так как напряжение Ек делится между сопротивлениями Rк и Rн, и к уменьшению базового тока открытого транзистора. Транзистор может выйти из режима насыщения. Чтобы сохранить режим насыщения, надо уменьшать величину сопротивления резистора связи R1.
Когда транзистор открыт, нагрузка практически не влияет на его режим работы, так как сопротивление открытого транзистора мало.
Преимущества применения триггерных схем логики
Выяснив, что значит триггер, несложно использовать полученные знания для решения практических задач. С помощью логических элементов:
- автоматизируют работу систем освещения;
- обеспечивают безопасное подключение станков и других мощных нагрузок;
- предотвращают опасные режимы с использованием сигналов от внешних датчиков.
Для создания качественного устройства на основе триггеров рекомендуется в комплексе использовать представленную информацию. Следует учесть условия реальной эксплуатации, чтобы выбрать подходящие функциональные компоненты конструкции.
