Основы электротехники. Учебник для высшего профессионального образования вт. Еременко, А. А. Рабочий, А. П. Фисун и др под общ ред вт. Еременко. Орел фгбоу впо Госуниверситет унпк, 2012. 529 с
 Скачать 7.28 Mb.
|
|
20.2. RS- триггеры на логических элементах Триггерную схему, рассмотренную выше, называют триггером. Проще всего триггер можно построить на логических элементах, соединяя их по кольцевой схеме так, что вход одного логического элемента является выходом второго, как показано на рис. 20.2. Предположим, что Q = 1, R = 0, S = 0, тогда на входах DD1.2 есть сигналы Q = 1, S = 0, на выходе будет Q = 0; на входах DD1.1 будут, на выходе Q = 1, те. такое состояние будет устойчивыми поддерживать само себя. Рис. 20.2. триггер на элементах ИЛИ – НЕ а) структурная схема б) условное графическое обозначение (УГО) Подадим на вход сигнал R = 1, тогда на выходе микросхемы DD1.1 получим Q = 0, на входе DD1.2 будем иметь Q=0, S=0 - на выходе Q=1, этот сигнал поступит на вход DD1, будем на входе иметь R=1, Q=1, на выходе Q=0, те. подтверждаем новое состояние. Если теперь сделать R=0, положение не изменится на выходе DD1.1 Q=0, на выходе DD1.2 Q=1, те. триггер принял состояние сброшен. Рассуждая аналогично, придем к выводу, что при подаче на вход сигнала S=1 триггер установится в состояние «1». Последовательность изменения состояний на выходах триггера после подачи сигналов управления на его входы можно показать на диаграммах сигналов (рис. 20.3). Рис. 20.3. Диаграммы сигналов RS- триггера Обозначения з – время задержки переключения логического элемента DD1.2 изв под действием сигнала S, либо время задержки переключения логического элемента DD1.1 под действием сигнала R; з – время задержки переключения логического элемента DD1.1 изв под действием сигнала R; t зс – среднее время перехода сигнала на выходе триггера из одного состояния в другое. Условимся считать, что действие переключающего сигнала по изменению состояния других сигналов начинается с момента достижения этим сигналом половины своего уровня. Анализируя при этих условиях диаграммы сигналов, изображенные на рис. 20.3, можем получить 1. Для надежного переключения триггера входными сигналами минимальная длительность импульса и должна выбираться из условия и = 2 t зс 2. Учитывая разброс средних значений времени задержки и появления сигналов на входах, для предотвращения сбоев, те. нарушения порядка переключения, следует обеспечивать паузу между фронтами и срезами управляющих сигналов. С этой целью для триггера должно быть определено разрешающее время – минимальный интервал времени между моментами посылок входных импульсов р = 3 t зс Таким образом, максимальная частота переключения может быть определена как величина обратная разрешающему времени мах = 1/ р = 1/ 3t зс , ( если t зс измерять в мкс, томах- в МГц. Состояние триггера обычно отражают в таблицах состояния табл. 20.1). Для RS -триггера на логических элементах ИЛИ - НЕ (t+1) – дискретные моменты времени дои после воздействия входных сигналов Q n , Q n+1 – состояния до переключения и после него, Х – неопределенное состояние. В таблице видно, что при наличии или подаче «0» на входы R и S на выходе будет сохраняться предыдущее значение Q n Таблица 20.1 Состояния триггера, построенного на элементах ИЛИ-НЕ Часто можно встретить в литературе упрощенные временные диаграммы, в которых не показывают наклоны фронтов и спадов сигналов. Такие диаграммы можно использовать для определения общей картины, но для подробного анализа они малопригодны (рис. 20.4) Рис. 20.4. Упрощенные временные диаграммы сигналов триггера триггер может быть построен не только на логических элементах ИЛИ-НЕ, но и на элементах И-НЕ, причём управление таким триггером осуществляется логическим сигналом низкого уровня. Структурная схема такого триггера показана на рис. 20.5. Рис. 20.5. Структурная схема RS -триггера на логических элементах И-НЕ Состояния триггера при различных сочетаниях входных сигналов показаны в табл. 20.2. Анализ структурной схемы и таблицы показывает, что активным, то-есть изменяющим состояние триггера логическим уровнем, в рассматриваемом триггере является уровень «0». t t+1 R S Q n+1 0 0 1 1 0 1 0 1 Q n 1 0 Х Таблица 20.2 Состояния триггера, построенного на элементах И-НЕ Упрощенные диаграммы сигналов показаны на рис. 20.6. Рис. 20.6. Диаграммы сигналов RS -триггера на элементах И-НЕ Триггеры являются схемной реализацией элементарных цифровых автоматов, те. устройств, которые можно описать с помощью конечных множеств входных сигналов x(t) (входного алфавита, выходных сигналов (t) (выходного алфавита, функций переходов F n , конечного множества внутренних состояний q(t) и функций выходов F вых [41]. При этом используется понятие дискретного времени t, (t + 1), (t – 1) и т.д., те. моменты текущий, последующий и предыдущий (подробнее см. раздел 20.7). Если текущее состояние Q(t) , то Q(t+1) = F n [Q (t), x(t)], (t) = F вых [Q(t), x(t)], где x(t) – входной сигнал, (t) – выходной сигнал. Например, анализируя таблицы состояний рассмотренных ранее триггеров, можно записать их функции переходов триггер на элементах ИЛИ-НЕ : Q(t+1) = S(t) + Q(t) R(t); RS = 0 триггер на элементах И-НЕ: Q(t+1) = S(t) + Q(t) R(t) ; R+S = 1 Функциональное назначение триггера – реализация задержки на такт или запоминание значения двоичной переменной. t t+1 R S Q n+1 1 1 0 0 0 1 1 0 1 0 Q n 1 0 Х Рассмотренные триггеры являются асинхронными, те. такими, в которых переключения ЛЭ происходят только как следствие изменения сигналов на входе. Физически после каждого переключения входного сигнала имеет место переходный процесс, состоящий в переключении связанных между собой ЛЭ, и этот процесс заканчивается переходом триггера в новое состояние, сохраняющееся до нового переключения. Поэтому можно условно принять временной интервал между двумя соседними переключениями на входе, равным условной единице (t =1). Тогда к началу каждого переключения условное (дискретное) время принимает целочисленные значения, для которых состояние триггера можно предсказать, т.к. к моменту нового переключения переходный процесс предыдущего переключения уже завершен. Этим объясняется форма записи функций переходов триггера. Асинхронные триггеры используются и как самостоятельные изделия, но чаще всего в составе более сложных триггерных схем. Помимо асинхронных триггеров очень часто используются тактируемые (синхронизированные триггеры. Тактируемые триггеры имеют на входе ЛЭ, входы которых соединены так, чтобы образовать вход С – тактовый вход (рис. 20.7). Рис. 20.7. Структурная схема тактируемого сигналом триггера Пусть тогда должно быть Q=1, (так как асинхронный триггер D3, D4 устанавливается в 1 сигналом 0. Тактируемые триггеры при наличии тактового импульса действуют как асинхронные, поэтому смена сигналов на информационных входах должна происходить только в паузах между тактовыми импульсами, иначе возникнут нарушения в работе – сбои. Как отмечалось ранее, для триггера есть сочетание входных сигналов, после снятия которых триггер может принять любое из двух состояний, причем это состояние заранее не определено. 20.3. Разновидности триггеров Подключая к входам триггера схему управления из ЛЭ, включенных определенным образом, можно обеспечить такое положение, что при всех комбинациях входных сигналов сигналы на выходе будут иметь заведомо известные состояния. В литературе можно встретить триггеры, триггеры, Е-триггеры, как разновидности RS- триггеров. триггер принимает единичное состояние при запрещенной для RS -триггера комбинации триггер принимает нулевое состояние Е-триггер принимает состояние, в котором он был до подачи запрещенной комбинации. Триггер, меняющий свое состояние на противоположное последействия запрещенной для триггера комбинации, относится к К -триггерам, причем вход I соответствует входу S, а вход К – входу R. Каждый из этих триггеров может быть асинхронным (табл. 20.3) либо тактируемым. Кроме того они могут быть с прямым, либо с инверсным управлением, тогда их можно обозначить как S -триггер, R -триггер, Е -триггер, К триггер. Таблица 20.3 Сводная таблица асинхронных триггеров Такт n Такт ( n+1) S R Тип триггера ( J ) ( K) S- триггер триггер триггер триггер 0 0 Q n Q n Q n Q n 0 1 0 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 Q n Структурные схемы E и триггеров (рис. 20.8) представлены ниже (управление триггерами прямое. Рис. 20.8. Структурные схемы Е-триггера аи- триггера (б) Двухступенчатый RS -триггер (MS-триггер) МS-триггер состоит из двух последовательно включенных синхронных триггеров. Один из триггеров называют М-триггер (master – хозяин, другой триггер (slave – раб) (рис. 20.9). Рис. 20.9. Структурная схема триггера Благодаря общему синхросигналу С вся схема функционирует как единое целое и называется двухступенчатым или МS-триггером (flip- flop). В этом триггере при С = 1 разрешается действие М-схемы (она действует как синхронизируемый триггер, однако С обеспечивает режим хранения на выходaх Q s , Q s . При С = 0 обеспечивается режим хранения на выходах Q m , Q m , a вторая ступень действует как синхронизируемый триггер, так как Си на выходах Q s , Q s будут устанавливаться значения, соответствующие предыдущему состоянию. Работу триггера можно показать с помощью упрощенных временных диаграмм сигналов (рис. 20.10). Считаем, что на входах R и S уровни сигналов установлены, а управление делаем сигналом С. Анализ показывает, что информация, поступившая на входы R и S, принимается в М-триггер, когда С изменится от 0 к 1 (по фронту. Но пока С = 1 эта информация не приходит в триггер, так как инверсией С = 0 закрыты входные конъюнкторы схемы. Эти коньюнкторы откроются лишь тогда, когда сигнал С = 0 изменится от 0 к 1, те. по спаду синхронного сигнала С. Только после этого информация с выхода Q m попадет на выход Q s , то-есть триггер меняет свое состояние по срезу С-сигнала. Рис. 20.10. Временные диаграммы сигналов двухступенчатого триггера Срезу С-сигнала должен предшествовать интервал подготовки, в течение которого входные сигналы на входах R и S не должны меняться. Иначе, если срез С-сигнала наложится на процесс переключения М-схемы, правильную работу гарантировать нельзя. Так как входные коньюнкторы закрываются срезом синхроимпульса, они не пропустят никаких изменений входного сигнала после этого, те. управляющие сигналы можно обновлять тоже по срезу (сразу после него) синхроимпульса. Принцип построения двухступенчатого триггера лежит в основе принципа динамического управления триггером, при котором существенно повышается помехоустойчивость триггерной системы. Действие триггеров аналитически описывается так называемыми уравнениями состояний, в которых показано, под действием каких сочетаний входных логических сигналов триггер изменяет состояние на выходе. Для несинхронизируемых триггеров эти уравнения показаны ниже триггер Q(t+1) = S(t) + Q(t) R(t) , RS=0; триггер Q(t+1) = S(t) + Q(t) R(t) , R + S =1; триггер Q(t+1) = I(t) Q(t) + K(t) Q(t); Рассмотрев основные принципы построения триггеров, можем сделать классификацию триггеров. Триггеры классифицируют по способу записи информации и функциональному признаку. У асинхронного триггера изменение его состояния происходит непосредственно с приходом управляющего сигнала. В синхронизируемых триггерах кроме информационных входов имеются так называемые входы синхронизации (тактовые входы Изменение состояния тактируемого триггера при наличии на входах информационных сигналов может произойти только после подачи на тактовые входы соответствующих разрешающих сигналов. Причем, как мы убедились ранее, разрешающий сигнал может быть подан либо в виде потенциала (статическое управление, либо в виде перепада (динамическое управление. Классификацию по функциональному признаку можно представить в следующем виде Основой классификации по функциональному признаку является способ организации логических связей между входами и выходами в определенные (дискретные) моменты времени (t, t+1, t-1). Название триггера отражает особенности его управления и характеризует вид логического уравнения (уравнение состояния, описывающего его функционирование при подаче соответствующих сигналов. Ввиду разнообразия различных видов триггеров систематизируем общепринятые обозначения входов и выходов и кратко рассмотрим основные виды УГО (условных графических обозначений. Ранее было отмечено, что состояние триггера отождествляют с сигналом на его прямом выходе триггер находится в единичном состоянии (установлен) при Q = 1 (Q = 0) ив нулевом состоянии (сброшен, если Q = 0 (Q = 1). Входы имеют следующие обозначения S – вход для раздельной установки триггера в состояние 1; R – вход для раздельной установки триггера в состояние 0; J – вход для установки универсального триггера в состояние 1; K – вход для сброса этого триггера T – счетный вход D – информационный вход для установки или сброса триггера C – тактовый вход E – дополнительный управляющий вход для разрешения приема информации (ранее был V- вход, согласно ГОСТ 2743-72, отсюда остались названия DV, триггеры. Срабатывание по фронту либо по спаду импульса отмечается знаками срабатывание по фронту (перепаду от 0 к 1) – срабатывание по спаду (перепаду от 1 к 0) – Если триггер управляется инверсным сигналом (логическим нулем, то это показывается кружком, располагаемым на конце входного вывода. Если требуется указать инверсный выход, то кружок ставят вначале выходного вывода вход – , – выход. Выходы всегда указываются с правой стороны прямоугольника, изображающего триггер (рис. 20.11). Рис. 20.11. Примеры УГО триггеров 20.4. JК-триггеры JК-триггер носит название универсального триггера, т.к. используется во многих устройствах (регистры, счетчики, делители частоты и т.п.) чаще других за счет того, что легко преобразуется в триггеры других видов. JК-триггер с потенциальным (статическим) управлением (рис. 20.12) может быть построен на базе триггера путем введения дополнительных элементов и цепей обратной связи. Рис. 20.12. Структурная схема триггера со статическим управлением Функция переходов (уравнение состояния) имеет вид Q(t+1) = J(t) Q(t) + K(t) Q(t), JК-триггеры обычно выполняются синхронными и двухступенчатыми, что расширяет их возможности и повышает помехоустойчивость. Рассмотрим логическую структуру двухступенчатого К- триггера (рис. 20.13). Рис. 20.13. Структурная схема двухступенчатого триггера, срабатывающего по спаду синхроимпульса Эта структура отличается от рассмотренной ранее двухступенчатой структуры триггера наличием обратных связей с выхода на вход. Можно видеть, что схема отличается от МS-триггера наличием цепей обратной связи и трехвходовыми элементами Ив первой ступени (в М-схеме). При любом состоянии триггера сигналы обратной связи открывают для С-сигнала (при J = К = 1) именно тот конъ- юнктор, пройдя через который С-сигнал переведет триггер в противоположное состояние (табл. 20.4). Таблица 20.4 Таблица функционирования JК-триггера C J K Q (t+1) Режим Х 0 0 Q(t ) Хранение 0 1 0 Сброс 1 0 1 Установка 1 1 Q(t) Счетный Главное условие правильной работы остается прежним вовремя изменения синхросигнала не должны меняться сигналы на информационных входах J, K. 20.5. триггер и триггер триггер имеет один информационный вход сигнал на выходе триггера повторяет сигнал на входе D, существовавший в предыдущем такте, те. триггер запоминает этот сигнал до следующего такта. Функция переходов имеет вид Q(t +1) = D(t). Можно сказать, что триггер задерживает на один такт информацию, существовавшую на входе D. триггеры выполняются так- тируемыми. Рассмотрим логическую структуру триггера со статическим управлением, построенного на базе триггера (рис. 20.14) с такти- рованием потенциалом (уровнем) синхронизирующего сигнала. Рис. 20.14. Структурная схема и таблица функционирования триггера с потенциальным управлением Принцип действия рассматриваемого триггера поясняется диаграммами сигналов, приведенными на рис. 20.15. Рис. 20.15. Диаграммы сигналов триггера Из диаграмм видно, что триггер осуществляет задержку появления, (исчезновения) импульса на выходе на промежутки времени между фронтом импульса и фронтом (спадом) сигнала на входе. триггер, как и любой другой, может быть построен не только на элементах И-НЕ, но и на других ИЛИ-НЕ, И-ИЛИ-НЕ. При этом удается совместить функции триггерной ячейки и комбинационной логической схемы. Примером может служить триггер на элементах И-ИЛИ-НЕ (рис. 20.16). Рис. 20.16. Структурная схема триггера Характеристическое уравнение для триггера имеет вид Q(t+1) = V(t) D(t) + V(t) Q(t). триггер позволяет получить при V = 1 Q(t+1) = D(t); при V = 0 Q(t+1) = Q(t). Лучшими функциональными характеристиками обладает триггер с динамическим управлением, так называемый шестиэлементный триггер – (триггер Вебба) [46] (рис. 20.17). Рис. 20.17. Структурная схема и УГО шестиэлементного триггера В структуре имеются шесть элементов И-НЕ, образующих попарно три элементарных триггера. Дополнительные входы асинхронного управления R и S действуют независимо от входа и служат для асинхрoнной установки или сброса триггера. Если Сна выходе Q 2 = Q 3 =1 и триггер DD5, DD6 находится в режиме хранения Q =Q(t). Состояние элементов DD1 и DD4 определяется сигналами D(t): если D =0, то Q 1 =1, Q 4 = Q 3 *Q 1 = 0; если D =1, то Q 1 = Q 2 * D = 0, Q 4 = 1. Если С = 0, а сигнал на входе D изменится, то это отразится лишь на состоянии Q 1 , Q 4 , нона выходах схемы это не отразится. С приходом сигнала С =1 (при изменении от 0 до 1) возникает такая комбинация сигналов Q 2 ,Q 3 , которая приводит выходную триггерную ячейку в состояние, которое было на входе D(t). УГО триггера отражает тот факт, что активным уровнем для входов R,S является низкий логический уровень входного сигнала. Режимы работы триггера отражены в таблице состояний табл. 20.5). триггеры очень часто используются в различных схемах регистрах, счетчиках. Это объясняется тем, что триггеры позволяют построить схемы с малой вероятностью ложных срабатываний. Таблица 20.5 Таблица состояний шестиэлементного триггера Вход Выход Операция S R C D(t) Q(t+1) Режим Загрузка 0 1 1 0 0 Загрузка 1 1 1 1 1 Синхронный Хранение 1 1 Х Q(t) Хранение 1 1 0 Х Q(t) Хранение Хранение 1 1 1 Х Q(t) Установка 1 0 1 Х Х 1 Установка 0 1 0 Х Х 0 Асинхронный |