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.
а) По логике работы:
1) RS — с раздельными входами записи «1» — «установки» (вход S) и записи «0» -«сброса» (сигнал R).
2) D — триггер задержки информационного сигнала (Delay).
3) T — тактируемый (Tact) или счетный триггер.
4) JK — универсальный триггер.
5) комбинированный — например, RST — тактируемый со входами «установки» и «сброса».
6) со сложной логикой — с группами входов, связанных логическими зависимостями. Например, JK-триггер с тремя входами J и тремя K, связанными конъюнкцией: (J1*J2*J3) и (K1*K2*K3).
б) По способу приема информации:
1) Асинхронные (нетактируемые) — переход в новое состояние происходит по изменению состояния управляющих (информационных) входов.
2) Синхронные (тактируемые) — переход в новое состояние под воздействием информационных входов происходит по только сигналу на специальном тактовом (синхронизации) входе (С / CLK / CLOCK).
Примечание: у реальных триггеров наряду с синхронизируемыми информационными входами сохраняют асинхронные информационные входы, чтобы обеспечить асинхронную установку или сброс триггера при реинициализации системы («сброс» или включение питания).
— Синхронные управляемые уровнем — при одном уровне тактового сигнала триггер воспринимает состояние управляющих входов, а при другом — не воспринимает и остается в одном состоянии, сохраняя записанную в него информацию. Типичный триггер управляемый уровнем — «триггер-защелка» (latch).
— Синхронные управляемые фронтом — При управлении фронтом переходы из состояния в состояние происходят по фронту тактового сигнала.
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.
Триггеры состоят из двух блоков: схемы памяти (фиксатора) и схемы управления.
Электрически элемент памяти любого триггера это схема с положительной обратной связью. В частности, фиксатор цифрового триггера представляет собой два соединенных «крест-накрест» элемента НЕ (см. Рисунок 2, а).
Если на выходе одного элемента НЕ установилась «1», то она попадет на вход второго элемента НЕ и на его выходе будет «0», который, в свою очередь попадет на вход первого элемента НЕ и удержит на его выходе «1». Таким образом схема находится в устойчивом состоянии, которое будет сохраняться бесконечно долго — пока на схему памяти подано электропитание. Если же на выходе первого элемента изначально установился «0», то на выходе второго элемента будет «1», т.е. схема памяти переключится в противоположное состояние.
Если принять выход одного из этих элементов (допустим первого по описанию, приведенному выше) как выход всей схемы, то в первом из описанных устойчивых состояний схема памяти запомнит «1», а во втором запомнит «0». Выход второго элемента НЕ всегда будет в противоположном состоянии относительно выхода — его называют инверсным выходом. Выход (или «прямой» выход) обозначают Q. «Инверсный» выход обозначают nQ.
Схема из двух инвертеров не позволяет переключать ее из одного состояния в другое. Чтобы выполнить это, элементы НЕ заменяют элементами И-НЕ или ИЛИ-НЕ. Соответственно у схемы памяти появляются два входа, один из которых (этот вход называют входом «установки» — SET или S) выполняет переключение схемы в состояние «1» на выходе, а другой (этот вход называют входом «сброса» — RESET или R) — в состояние «0» не выходе.
Рассмотрим работу схемы с элементами ИЛИ-НЕ. Входы SET и RESET будут иметь активный уровень «1» и неактивный «0». Когда на входы R и S подан неактивный уровень логического «0» значение на выходе будет непредсказуемым — оно установится случайным образом при включении электропитания. Если для вышерассмотренной схемы на вход первого элемента ИЛИ-НЕ подать «1», то на выходе Q установится «0», а на nQ -«1», т.е. триггер запомнит «0» и будет сохранять это значение, даже если вход перейдет в неактивное состояние «0». В соответствии с таким действием данный управляющий вход называют R (Reset или Сброс). Если же «1» подать на второй вход, то на выходе Q установится и будет «запомнена» логическая «1» (nQ = 0), которая сохранится при переходе входа S в неактивное состояние «0». Соответственно этот вход называют S (Set или Установка).
Есть две важных особенности использования элемента памяти:
1. Если на входы R и S нельзя одновременно подать активные сигналы, фиксатор перейдет в состояние, когда на обоих выходах будет «1». Такое состояние считается недопустимым, так как на выходах Q и nQ должно быть противоположное значение. Кроме того, при снятии активных уровней с обоих входов R и S одновременно, невозможно предсказать, в какое состояние переключится элемент памяти.
2. Переключения фиксатора — «запоминание» — происходит в момент перехода управляющего сигнала R или S в активный уровень, и после этого, элемент памяти не изменяет своего состояния вне зависимости от того сохранился ли активный уровень на входе R или S или опять стал пассивным.
Аналогично описанной схеме работает и схема памяти на базе элементов И-НЕ. Разница только в полярности управляющих сигналов: в данном случае активным уровнем управляющих сигналов будет «0» и они будут соответственно называться nR и nS.
Описанная выше схема памяти является простейшим триггером — его называют триггером RS-типа или RS-триггером. RS-триггер достаточно неудобен в управлении, но может быть усовершенствован и преобразован в другие типы триггеров путем подключения дополнительной схемы управления. Таким образом RS-триггер основа большинства триггеров других типов.
Данная схема памяти имеет два независимых управляющих входа R и S, записывающих в нее «0» и «1» соответственно.
Однако использование только входов R и S не всегда удобно и сильно ограничивает возможности по запоминанию значений и по использованию триггеров в последовательностных схемах. Поэтому добавляют схему управления, которая преобразует более сложные комбинации управляющих сигналов, в том числе последовательности сигналов, в описанные сигналы R и S. Схема управления задает как логику (правила реакции на входные сигналы) работы триггера, так и способ приема информации триггером.
3. Асинхронные и синхронные управляемые фронтом триггеры
3.1. RS-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.
3.2. D-триггеры.
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.
Для расширения функциональности к D-триггеру можно добавить вход разрешения V. При активном уровне (в данном случае «1») на данном входе триггер работает в вышеописанном режиме, при V = «0», триггер не реагирует на входы С и D. Поведение DV-триггера описывается формулой Qn+1 = DnVn Qn .
Второй тип, наиболее часто используемый — D-триггер с управлением по фронту синхросигнала, так называемый FLIP-FLOP. Данные записываются в него в момент перепада синхросигнала и сохраняются неизменными до следующего фронта. Такие триггеры строятся по двухступенчатой схеме и будут описаны ниже.
D-триггер является одним из самых широко используемых типов. Такие триггеры выпускаются отдельные микросхемы, а также являются базовыми структурными элементами многих ПЛИС. Несколько D-триггеров, с объединенными тактирующими входами образуют многоразрядные регистры: синхронные регистры (управление по уровню) или регистры-защелки (управление по фронту).
3.3. Т-триггеры.
Т -триггер представляет собой схему с одним логическим входом Т. Так как этот триггер работает в режиме учета импульсов на входе, его иногда называют счетным триггером (триггером со счетным входом). Т -триггер изменяет свое состояние на противоположное после воздействия импульса, поступающего на вход Т, т.е. его функционирование описывается формулой:
Схема простейшего Т -триггера с элементами задержки и в цепях обратной связи приведена ниже (см. Рисунок 5). Элементы задержки обеспечивают надежноепереключение триггера, причем время задержки tз на этих элементах должно быть больше длительности синхроимпульса на входе Т
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.
JK -триггер похож на RS — триггер (вход J эквивалентен входу S, а вход К — входу R), но не имеет запрещенного состояния К®=1, J(S)=1. При условии J=K=1 триггер осуществляет инверсию предыдущего состояния, а при остальных комбинациях входных сигналов функционирует в соответствии с таблицей истинности RS -триггера.
JK -триггер можно получить из RS -триггера, связав выходы триггера с его входами обратной связью. При этом схема управления должна быть построена таким образом, чтобы на входах R и S единичные сигналы одновременно не появлялись. Тогда при J = K =1 схема управления принуждает триггер работать в режиме переключения (счетный режим), так как, благодаря связи с выхода на вход, учитывается предшествующее состояние схемы, и сигнал направляется на соответствующий вход RS -триггера, вызывая его переключение.
Принципиально можно построить асинхронный JK -триггер (см. Рисунок 6 а), но они очень неустойчивы практического применения не находят: для нормальной работы асинхронного триггера в счетном режиме длительность управляющих сигналов не должна превышать времени переключения триггера, что очень сложно обеспечить на практике. В противном случае схема будет непрерывно переходить из одного состояния в другое, пока хотя бы один из сигналов не станет равным нулю.
Синхронный вариант JK -триггера с управлением уровней синхроимпульса получается из асинхронного путем добавления входа для подачи синхроимпульсов (Рисунок 6.в). В этой схеме занесение информации в триггер происходит при поступлении синхроимпульса. Максимальная длительность синхроимпульса должна быть чуть меньше, чем задержка в цепочке D1(D2)+D4(D3). Превышение этой величины вызывает появление ложного сигнала на выходе элемента D4(D3), что может привести к повторному переключению триггера. С другой стороны, длительность синхроимпульса ограничена по минимуму задержкой цепочки D1+D2, чтобы успел переключиться триггер. Чтобы выполнить эти условия на практике потребуется подбирать задержки элементов (причем, у D3 и D4 они должны быть больше чем у D1 и D2) и длительность синхроимпульса. Учитывая большие разбросы временных параметров, выполнить все условия на практике не представляется возможным. Поэтому рассмотренные синхронные JK -триггера также как и асинхронные на практике фактически нереализуемы. Работоспособность JK -триггеров обеспечивается только в схемах, управляемых фронтом (срезом) синхроимпульса.
Эксперименты с RS-триггером
После знакомства с принципом работы различных триггеров у начинающего радиолюбителя возникает естественное желание опробовать работу этих самых триггеров в "железе".
На практике изучение работы триггеров гораздо интересней и увлекательней, кроме того происходит знакомство с реальной элементной базой.
Далее будут рассмотрены несколько схем триггеров, выполненных на цифровых микросхемах так называемой жёсткой логики. Сами по себе схемы не являются завершёнными готовыми устройствами и служат лишь для наглядной демонстрации принципов работы RS-триггера.
Для ускорения процесса сборки и тестирования схем применялась беспаечная макетная плата. С её помощью удаётся быстро сконфигурировать и изменить схему в соответствии с потребностями. Пайка, естественно, не применяется.
Схема RS-триггера на микросхеме К155ЛА3.
Данная схема уже приводилась на страницах сайта в статье про RS-триггер. Для её сборки потребуется сама микросхема К155ЛА3, два индикаторных светодиода разного цвета свечения (например, красный и синий), пара резисторов номиналом 330 Ом, а также стабилизированный блок питания с выходным напряжением 5 вольт. В принципе, подойдёт любой маломощный блок питания на 5 вольт.
Для дела сгодится даже 5-ти вольтовый зарядник от сотового телефона. Но стоит понимать, что не каждый зарядник держит стабильное напряжение. Оно может гулять в пределах 4,5 – 6 вольт. Поэтому всё-таки лучше использовать стабилизированный блок питания. При желании можно собрать блок питания своими руками. К выводу 14 микросхемы К155ЛА3 подключается "+" питания, а к 7 выводу "-" питания.
Как видим, схема очень простая и выполнена на логических элементах 2И-НЕ. Собранная схема имеет всего лишь два устойчивых состояния «0» или «1».
После того, как на схему будет подано напряжение питания, загорится один из светодиодов. В данном случае загорался синий светодиод, который подключен к инверсному выходу триггера (Q).
При однократном нажатии на кнопку «Set» (установка), RS-триггер устанавливается в единичное состояние. При этом должен засветиться тот светодиод, который подключен к так называемому прямому выходу «Q». В данном случае это красный светодиод.
Это свидетельствует о том, что триггер «запомнил» 1 и выдал сигнал об этом на прямой выход «Q».
Светодиод ( синий ), который же подключен к инверсному выходу Q, должен погаснуть. Инверсный – это значит обратный прямому. Если на прямом выходе 1, то на инверсном 0. При повторном нажатии на кнопку «Set», состояние триггера не изменится – реагировать на нажатия кнопки он не будет. В этом и заключается основное свойство любого триггера – способность длительное время сохранять одно из двух состояний. По сути, это простейший элемент памяти.
Чтобы сбросить RS-триггер в нуль (т.е. записать в триггер логический 0) нужно один раз нажать на кнопку «Reset» (сброс). При этом красный светодиод погаснет, а синий загорится. Повторные нажатия на кнопку Reset состояние триггера не изменят.
Показанную схему можно считать примитивной, так как собранный RS-триггер не имеет никакой защиты от помех, а сам триггер является одноступенчатым. Но зато в схеме применяется микросхема К155ЛА3, которая очень часто встречается в электронной аппаратуре и поэтому она легкодоступна.
Также стоит отметить, что на этой схеме выводы установки «S», сброса «R», прямого «Q» и инверсного выхода Q показаны условно – их можно поменять местами и суть работы схемы не изменится. Это всё потому, что схема выполнена на неспециализированной микросхеме.
Видео работы RS-триггера на микросхеме К155ЛА3.
Далее же мы разберём пример реализации RS-триггера на специализированной микросхеме-триггере.
Схема RS-триггера на микросхеме КМ555ТМ2.
В данной схеме используется специализированная микросхема КМ555ТМ2, в составе которой 2 D-триггера. Эта микросхема выполнена в керамическом корпусе, поэтому в названии присутствует сокращение КМ. Также можно применить микросхемы К555ТМ2 и К155ТМ2. Они имеют пластмассовый корпус.
Как мы знаем, D-триггер несколько отличается от RS-триггера, но у него также присутствуют входы для установки («S») и сброса («R»). Если не использовать вход данных («D») и тактирования («C»), то на базе микросхемы КМ555ТМ2 легко собрать RS-триггер. Вот схема.
В схеме применён только один из двух D-триггеров микросхемы КМ555ТМ2. Второй D-триггер не используется. Его выводы никуда не подключаются.
Так как входы S и R микросхемы КМ555ТМ2 являются инверсными (отмечены кружком), то переключение триггера из одного устойчивого состояния в другое происходит при подаче на входы S и R логического 0.
Чтобы подать на входы 0, нужно просто соединить эти входы с минусовым проводом питания (с минусом «-»). Сделать это можно как с помощью специальных кнопок, например, тактовых, как на схеме, так и с помощью обычного проводника. Кнопками, конечно, это делать гораздо удобнее.
Жмём кнопку SB1 («Set») и устанавливаем RS-триггер в единицу. Засветится красный светодиод.
А теперь жмём кнопку SB2 («Reset») и сбрасываем триггер в нуль. Засветится синий светодиод, который подключен к инверсному выходу триггера (Q).
Стоит отметить, что входы «S» и «R» у микросхемы КМ555ТМ2 являются приоритетными. Это значит, что сигналы на этих входах для триггера являются главными. Поэтому если на входе R нулевое состояние, то при любых сигналах на входах C и D состояние триггера не изменится. Это утверждение относится к работе D-триггера.
Видео работы RS-триггера на микросхеме КМ555ТМ2.
Если найти микросхемы К155ЛА3, КМ155ЛА3, КМ155ТМ2, К155ТМ2, К555ТМ2 и КМ555ТМ2 не удастся, то можно использовать зарубежные аналоги этих микросхем стандартной транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ): 74LS74 (аналог К555ТМ2), SN7474N и SN7474J (аналоги К155ТМ2), SN7400N и SN7400J (аналоги К155ЛА3).
Логические микросхемы. Часть 8. D — триггер
В статье приводится описание D — триггера, его работа в различных режимах, простая и наглядная методика изучения принципа действия.
В предыдущей части статьи было начато изучение триггеров. Самым простым в этом семействе считается RS триггер, о котором и было рассказано в седьмой части статьи. Более широкое применение в устройствах электроники получили D и JK триггеры. По смыслу действия они, как и RS триггер, также являются устройствами с двумя устойчивыми состояниями на выходе, но имеют более сложную логику работы входных сигналов.
Следует отметить, что все сказанное будет справедливо не только для микросхем серии К155, а и для других серий логических микросхем, например, К561 и К176. И не только то, что касается триггеров, в точности также работают все микросхемы логики, отличие лишь в электрических параметрах сигналов – уровнях напряжения и рабочих частотах, мощности потребления и нагрузочной способности.
D триггер
В серии микросхем К155 имеется несколько модификаций D-триггеров, однако наиболее распространена микросхема К155ТМ2. В одном 14-выводном корпусе размещены два независимых D-триггера. Единственное, что их объединяет это общая цепь питания. Каждый триггер имеет четыре входных сигнала логического уровня и, соответственно, два выхода. Это прямой выход и инверсный, с которыми мы уже знакомы по рассказу об RS-триггере. Здесь они выполняют ту же самую функцию. На рисунке 1 представлен D-триггер.
Также имеются микросхемы, содержащие в одном корпусе по четыре D – триггера: это такие микросхемы как К155ТМ5 и К155ТМ7. Иногда в литературе их называют четырехразрядными регистрами.
Рисунок 1. Микросхема К155ТМ2.
На рисунке 1а показана вся микросхема в том виде, как ее обычно изображают в справочниках. На самом деле на схемах каждый триггер, находящийся в корпусе, может быть изображен вдалеке от своего «напарника», при этом на чертеже могут не показываться выводы, которые в данной схеме просто не используются, хотя на самом деле они есть. Пример такого начертания D-триггера показан на рисунке 1б.
Рассмотрим более подробно входные сигналы. Это будет сделано на примере триггера с выводами 1…6. Соответственно, все сказанное будет справедливо и в отношении другого триггера (с номерами выводов 8…13).
Сигналы R и S выполняют ту же функцию, что и аналогичные сигналы RS триггера: при подаче на вход S уровня логического нуля триггер установится в единичное состояние. Это означает, что на прямом выходе (вывод 5) появится логическая единица. Если же теперь подать логический нуль на R-вход, то триггер сбросится. Это значит, что на прямом выходе (вывод 5) появится уровень логического нуля, а на инверсном (вывод 6) будет присутствовать логическая единица.
Вообще, когда говорят о состоянии триггера, имеется в виду состояние его прямого выхода: если триггер установлен, то на его прямом выходе высокий уровень (логическая единица). Соответственно, подразумевается, что на инверсном выходе все с точностью до наоборот, поэтому инверсный выход часто при рассмотрении работы схемы просто не упоминают.
Логическую единицу на входы R и S можно подавать сколько угодно: состояние триггера не изменится. Это говорит о том, что для входов R и S рабочим является низкий уровень. Именно поэтому входы RS начинаются с маленького кружочка, который обозначает, что рабочий уровень сигнала низкий или, что то же самое, инверсный. Такой маленький кружочек у входных сигналов можно встретить не только у триггеров, а и в изображении некоторых других микросхем, например, дешифраторов или мультиплексоров, что также говорит о том, что рабочим уровнем данного сигнала является низкий уровень. Это общее правило для всех условных графических обозначений микросхем.
Кроме RS входов D-триггер имеет еще вход данных D, от английского Data (данные), и вход синхронизации C от английского же Clock (импульс, строб). Используя эти входы можно заставить триггер работать либо как элемент памяти, либо как счетный триггер. Для того, чтобы разобраться в работе D-триггера лучше собрать небольшую схему и провести несложные опыты.
Обратите внимание на изображение входа C: правый по рисунку конец этого вывода заканчивается небольшой наклонной чертой в направлении слева – вверх – направо. Эта черта говорит о том, что переключение триггера по входу C происходит в момент перехода входного сигнала из нуля в единицу. На рисунке 3 показана возможная форма импульсов на входе С.
Для того, чтобы более подробно разобраться с работой D – триггера лучше всего собрать схему, как показано на рисунке 2.
Рисунок 2. Схема для изучения работы D – триггера.
Рисунок 3. Варианты импульсов на входе С.
Для наглядности работы триггера подключим к его выходам (выводы 5 и 6) светодиодные индикаторы. Такой же индикатор подключим на вход С. Вход D через резистор сопротивлением 1 КОм подключается к шине источника питания +5 В, и, как показано на схеме, кнопка SB1. После того, как схема собрана, проверим качество монтажа, и после этого можно включать питание.
Работа D триггера по RS входам
При включении один из светодиодов HL2 или HL3 должен обязательно зажечься. Предположим, что это будет HL3, следовательно, при включении триггер установился в единицу, хотя может установиться и в нуль. Входные сигналы низкого уровня на входы RS будем подавать с помощью отрезка гибкого проводника соединенного с общим проводом.
Сначала попробуем подать низкий уровень на вход S, просто замыкая вывод 4 на общий провод. Что при этом произойдет? На выходах триггера сигналы останутся в том же состоянии, что и были при включении. Почему? Все очень просто: триггер уже находится в единичном состоянии или установлен, и подача управляющего сигнала на вход S просто подтверждает это состояние триггера, изменение состояния не происходит. Такой режим работы для триггера нисколько не вреден и достаточно часто встречается в работе реальных схем.
Теперь с помощью той же проволочки подадим низкий уровень на вход R. Результат не заставит себя ожидать: триггер перейдет в состоянии низкого уровня, или как еще говорят, сбросится. Повторная и последующая подача низкого уровня на вход R также просто подтвердит состояние, на этот раз нулевое, в точности так же, как это было описано чуть выше, для входа S. Из этого состояния его может вывести либо подача низкого уровня на вход S, либо комбинация сигналов на входах C и D.
Следует отметить, что иногда D – триггер может применяться просто как RS – триггер, то есть входы C и D не используются. В этом случае для повышения помехоустойчивости их следует через резисторы сопротивлением 1 КОм подключить к шине +5 В, либо соединить с общим проводом.
Работа триггера по входам C и D
Предположим, что в данный момент триггер установлен, поэтому зажжен светодиод HL3. Что произойдет, если нажать на кнопку SB1? Ровным счетом ничего, состояние выходных сигналов триггера не изменится. Если теперь по входу R сбросить триггер, то будет светить светодиод HL2, а HL3 погаснет. Нажатие на кнопку SB1 и в этом случае состояния триггера не изменит. Это говорит о том, что на входе С нет тактирующих импульсов.
Теперь попробуем на вход C подать тактирующие импульсы. Проще всего это сделать, собрав генератор прямоугольных импульсов, уже знакомый нам по предыдущим частям статьи. Его схема приведена на рисунке 4.
Рисунок 4. Генератор тактовых импульсов.
Чтобы наблюдать за работой схемы визуально, частота генератора должна быть невелика, при указанных на схеме деталях составляет около 1 Гц, то есть 1 колебание (импульс) в секунду. Частоту генератора можно изменять подбором конденсатора С1. Состояние входа С индицирует светодиод HL1: светодиод зажжен – на входе С высокий уровень, если погашен, то уровень низкий. В момент зажигания светодиода HL1 на входе С происходит формирование положительного перепада напряжения (из низкого уровня в высокий). Именно этот переход заставляет срабатывать D – триггер по входу С, а не наличие на этом входе высокого или низкого уровня напряжения. Это следует запомнить, и следить за поведением триггера именно в момент формирования фронта импульса.
Если на вход С подключить генератор импульсов и включить питание, то первым же импульсом триггер установится в единицу, последующие импульсы состояния триггера не изменят. Все сказанное справедливо для случая, когда переключатель SB1 находится в положении, указанном на рисунке.
Теперь давайте переключим SB1 в нижнее по схеме положение, тем самым подав на вход D низкий уровень. Первый же импульс пришедший с генератора переведет триггер в состояние логического нуля или триггер будет сброшен. Об этом нам подскажет светящийся светодиод HL2. Последующие импульсы на входе С также не меняют состояния триггера.
На рисунке 2б показана временная диаграмма работы триггера по CD входам. Предполагается, что состояние входа D меняется как показано на рисунке, а на вход С поступают периодические тактирующие импульсы.
Первый импульс на входе С устанавливает триггер в единичное состояние (вывод 5), а второй импульс состояния триггера не меняет, поскольку на входе С до сих пор уровень остается высоким.
Состояние входа D между вторым и третьим тактирующими импульсами изменяется с высокого уровня на низкий, это видно на рисунке 2. Но переключение триггера в нулевое состояние происходит лишь по началу третьего тактирующего импульса. Четвертый и пятый импульсы на входе С состояния триггера не изменяют.
Следует обратить внимание на тот факт, что сигнал на входе D изменил свое значение с низкого уровня на высокий во время тактирующего импульса на входе С. Однако, изменение состояния триггера не произошло, так как положительный фронт тактирующего импульса был раньше, чем произошло изменение уровня на входе D.
В единичное состояние триггер будет переключен лишь шестым импульсом, точнее его фронтом. Седьмой импульс сбросит триггер, так как во время его положительного фронта на входе D уже установился высокий уровень. Следующие импульсы работают точно также, поэтому читатели могут разобраться с ними самостоятельно.
Еще одна временная диаграмма приведена на рисунке 5.
Рисунок 5. Полная временная диаграмма работы D триггера.
На рисунке видно, что триггер может работать в трех режимах, два из которых уже были рассмотрены выше. На рисунке это асинхронный и синхронный режимы. Наибольший интерес на временной диаграмме представляет превалирующий режим: тут видно, что во время низкого уровня на входе R изменения состояния триггера по входам С и D не происходит, что говорит о том, что входы RS являются приоритетными. Также на рисунке 5 приведена таблица истинности для D – триггера.
Из всего сказанного можно сделать следующие выводы: каждый положительный перепад импульса на входе С устанавливает триггер в состояние, которое в этот момент было на входе D, или просто переносит его состояние на прямой выход триггера Q. Отрицательный перепад на импульса на входе С никакого влияния на состояние триггера не оказывает.
На рисунке 3 показаны возможные формы импульсов на С входе: это меандр (3а), короткие импульсы высокого уровня, или положительные (3б), короткие импульсы низкого уровня (отрицательные) (3в). В любом случае срабатывание триггера происходит по положительному перепаду.
В одних случаях это будет фронт импульса, а в других его спад. Это обстоятельство следует учитывать при разработке и анализе схем на D – триггерах. Работа D – триггера в счетном режиме Одним из основных назначений D – триггера является его использование в счетном режиме. Для того, чтобы заставить работать его в качестве счетчика импульсов, достаточно на вход D подать сигнал с его собственного инверсного выхода. Такое соединение показано на рисунке 6.
Рисунок 6. Работа D – триггера в счетном режиме.
В таком режиме по приходу каждого импульса на вход С, триггер будет менять свое состояние на противоположное, как показано на временной диаграмме. И объяснение этому самое простое и логичное: состояние на входе D всегда противоположно, инверсно, по отношению к прямому выходу. Поэтому, в свете предыдущего рассмотрения работы триггера, на прямой выход переносится его инверсное состояние. Один триггер, хоть и в счетном режиме, много не насчитает, всего лишь до двух: 0..1 и снова 0..1, и так далее.
Чтобы получить счетчик, способный считать по – настоящему потребуется соединить последовательно несколько триггеров, работающих в счетном режиме. Об этом будет рассказано несколько позже в отдельной статье. Кроме этого, следует обратить внимание на тот факт, что импульсы на выходе триггера имеют частоту ровно в два раза меньшую, чем входные на входе С. Это свойство используется в тех случаях, когда необходимо поделить частоту сигнала в число раз кратное двум: 2, 4, 8, 16, 32 и так далее.
Форма импульсов после деления триггером всегда есть меандр, даже в случае очень коротких входных импульсов на входе С. На этом рассказ о возможностях применения D триггера можно закончить. В следующей части статьи будет рассказано о применении триггеров типа JK
Применяем D-триггер в электронных приборах
Триггеры различных видов зачастую входят в состав различной простой схемотехники, где не требуется применение микроконтроллеров. Они могут сохранять ранее установленные значения, изменять их, производить запись логического нуля или единицы. D-триггер является одним из наиболее распространённых видов таких устройств. Он позволяет осуществлять задержку сигналов, а также хранить информацию на протяжении нужного времени.
Какие бывают триггеры
Действие триггеров основывается на определенных принципах, зависящих от их типа. Эти логические устройства принимают входные сигналы, которые ими и управляют. Выходная информация зависит от сигнала, поступившего на вход и от полученного на предыдущем этапе. Следовательно, D-триггер реагирует и на существующие в данный момент значения, и на поступившие ранее.
Условно-графическое обозначение (УГО) Д-триггера демонстрирует, что у него вход D является информационным, а второй, обозначенный буквой С, используется для синхронизации записи и позволяет сохранить на выходе состояние, которое было на входе в момент его изменения в 1 (что называется режим «прозрачности»).
Триггер может быть синхронный (тактируемый) и асинхронный (нетактируемый). В первом случае устройство учитывает тактовые сигналы. В любой вычислительной системе все действия выполняются с привязкой к сигналам такого типа с целью обеспечения согласованной работы.
Использование тактовых сигналов в синхронных триггерах означает, что срабатывание по заложенному принципу происходит не в любой момент времени, а лишь тогда, когда на управляющем входе наблюдается определенное событие. Например, если осуществляется переход тактового импульса от максимального значения до нулевого или наоборот. У асинхронных устройств такой привязки нет. В них переход из одного режима в другой выполняется перепадом напряжения.
Триггеры представляют собой достаточно сложные электронные схемы, но они обеспечивают выполнение простого и понятного принципа преобразования входных сигналов в выходные. D-триггеры называют еще «защелками», что наглядно поясняет их принцип работы.
Как работает D-триггер
Входы D-триггера разделяются на информационные (управляющие) и вспомогательные. Последние предназначены синхронизировать работу устройства. Первые устанавливают на входе определённую комбинацию двоичных чисел, которая будет учитываться при формировании выходного сигнала. Управляет логикой работы тактовый сигнал. Именно он определяет момент срабатывания триггера, а от его характеристик зависит состояние выходного сигнала.
D-триггер называют еще триггером задержки, поскольку он способен задерживать входной информационный сигнал на один такт. Время задержки определяется частотой импульсов синхронизации. Если информационный сигнал изменится, то выходной повторит его изменение, но лишь после того как тактовый сигнал примет значение, равное единице. Пока его значение будет оставаться нулевым, сигнал на выходе меняться не будет.
Работа любого D-триггера отражается в таблице истинности. Как видим, таблица истинности статического D-триггера достаточно простая. Она показывает, что нулевое значение управляющего сигнала обеспечивает хранение предыдущего значения сигнала на выходе на протяжении любого нужного периода времени. На практике речь идёт о том времени, когда к устройству подключено электропитание.
В представленной таблице истинности приведена информация о срабатывании D-триггера при значении C = 1. На практике применяется ещё один вариант, когда срабатывание происходит по переднему фронту импульса. То есть, выходное значение становится равным входному в тот момент, когда значение управляющего импульса меняется с нуля на 1. Логический элемент, в котором используется управление по уровню напряжения, называется статический D-триггер, а по фронту — динамический.
Когда применяется управление по фронту, срабатывание происходит при изменении управляющего значения. Может применяться два варианта — по переднему фронту или по заднему. При использовании первого варианта значение меняется с 0 на 1, второго — с 1 на 0.
Помимо таблицы, для описания работы логических элементов используются еще временные диаграммы.
Усложнённый вариант триггера
Иногда используется усложнённый вариант, когда добавляется ещё один вход. Обычно его обозначают буквой R. Если на него подается сигнал с нулевым значением, он не оказывает никакого влияния на работу элемента. В том случае, когда на вход R поступает сигнал с единичным значением, происходит сброс Q в 0. Этого же можно добиться на классическом D-триггере, если использовать C = 0 и D = 0.
Схемы реализации D-триггера
Существуют разные варианты построения данного логического элемента. Ниже представлена схема одноступенчатого D-триггера с применением элементов И-НЕ. Входы у него прямые статические. Элементы, обозначенные DD1.1 и DD1.2, задействованы в схеме управления, а на остальных построен асинхронный RS-триггер.
Роль каждого элемента будет проще понять, изучив принцип работы Д-триггера. Из схемы видно, если C = 0, то логическая операция И создаст нулевое значение независимо от вторых входных значений на DD1.1 и DD1.2. Операция отрицания сформирует единицу на выходе обоих этих элементов.
На входе третьего элемента будет два значения: единица и отрицание Q. Операция И на выходе сформирует отрицание Q. Отрицание приведёт к тому, что на выходе будет значение Q, совпадающее с тем, которое здесь было раньше.
На четвертый элемент поступят единица и Q. Результатом применения И будет Q. После применения отрицания на выходе этого элемента будет отрицание Q. Следовательно, и в этом случае значение не изменится.
Теперь нужно рассмотреть ситуацию, когда на управляющем входе единичное значение. Если D = 0, то после применения И будет получен ноль, а в результате отрицания выходным значением DD.1 станет единица, которая будет передана на вход DD1.2.
В DD1.2 на входе имеется две единицы, значит операция И сформирует 1, а отрицание даст 0. Следовательно, на DD1.4 на выходе будет единица, что соответствует нулевому значению Q. По такому же принципу рассчитываются остальные варианты.
Схему D-триггера можно получить из синхронного RS-триггера за счет введения дополнительного элемента И-НЕ1, соединяющего оба инверсных входа в один информационный. Это позволяет исключить состояние неопределенности для S и R.
Существуют еще комбинированные D-триггеры. Они имеют входы S и R, предназначенные для асинхронной установки логического 0 и 1. С помощью этих входов устройству можно придать первоначальное определенное состояние.
На схеме видно, что из 6 элементов И-НЕ построен D-триггер, его принцип работы следующий: при наличии 1 на входе R и нуля на C, D, S будут оставаться закрытыми элементы с первого по пятый. Шестой элемент при этом будет открытым, то есть, Q = 1, а /Q = 0. Первый элемент откроется, если с входа S будет снят нулевой сигнал. Состояние остальных элементов не изменится.
Когда на вход С поступит единичный сигнал, на всех входах третьего элемента появится такой же сигнал, в результате чего он откроется. Шестой элемент при этом закроется и /Q = 1. Затем на входы пятого элемента также поступят единичные сигналы, и он примет открытое состояние, а Q = 0. В результате после переключения триггера на выходе Q появится сигнал идентичный тому сигналу, который был на входе D до переключения, то есть, Qn+1 = Dn = 0. Если же с входа С снимается единичный сигнал, состояние триггера не меняется.
Достаточно просто схема D-триггера реализовывается на КМОП микросхемах. В подобных устройствах функции логических элементов И выполняют обычные транзисторные ключи.
После поступления синхросигнала высокого уровня на вход С транзистор №1 открывается, обеспечивая поступление сигнала с D на Q. При этом задействуется первый инвертор. В данной ситуации второй транзистор остается закрытым. Он отключает инвертор, построенный на транзисторах VT1 и VT3. Включается этот инвертор после поступления низкого потенциала на вход С.
D-триггеры входят в состав многих микросхем. Например, в микросхеме ТМ2 содержится два таких элемента, ТМ5, ТМ7, ТМ8 — четыре, ТМ9 — шесть.
Применение D-триггеров
Способность сохранять информацию позволяет применять D-триггеры для реализации устройств памяти. Эти работающие элементы способны сохранять нужный режим на выходе до тех пор, пока не будет подан управляющий сигнал для изменения. Триггер даёт возможность, как вносить двоичную информацию, так и хранить и считывать её.
Понимая, что такое Д-триггер, его можно применить для создания регистра-защёлки. Эти устройства важны в определённых ситуациях. Иногда сигнал длится на протяжении очень небольшого промежутка времени и микросхема может не успеть среагировать на него. В подобных случаях выгодно использовать ещё одну микросхему, на которой сохранятся необходимые значения на протяжении времени, достаточного для выполнения нужных действий.
Одно из основных назначений D-триггера — использование в счетном режиме. Чтобы заставить его работать в качестве счетчика импульсов, достаточно на вход D подать сигнал с его собственного инверторного выхода. В таком режиме по приходу каждого импульса на вход С триггер будет менять свое состояние на противоположное, как показано на временной диаграмме.
Делитель частоты — устройство, способное изменять частоту выходного сигнала относительно входного значения. Используя каскадное соединение нескольких элементов, можно построить делители частоты, обладающие различными коэффициентами деления. Два D-триггера, соединенных последовательно, обеспечивают получение выходного сигнала, частота которого в четыре раза меньше по сравнению с той, что была на входе. Три последовательно соединенных элемента будут делить ее на восемь, а четыре — на шестнадцать.
При создании цифровых схем, действие которых синхронизируется единым тактовым генератором, очень часть бывает необходимо добиться синхронизации действующей схемы и внешнего входного сигнала. То есть, асинхронный сигнал должен преобразоваться в синхронный для всей системы, в которую он поступает. Эту задачу можно решить путем установки D-триггера.
Триггер способен выполнять логическую функцию и при этом поддерживать обратную связь. Именно поэтому его используют при создании многих устройств, предназначенных для запоминания, хранения, передачи и преобразования информации. Найти эти элементы можно в самых разных приборах, включая и устройства цифровой микроэлектроники.