Последовательностные функциональные узлы. Триггеры
Аннотация: Рассматривается принцип действия триггеров как простейших элементов электронной памяти.
Ключевые слова: инверсный выход, RS-триггер, задний фронт сигнала, Синхронный, триггер, логическая схема
Цифровое устройство называется последовательностным [1, с.91], если его выходные сигналы зависят не только от текущих значений входных сигналов, но и от последовательности значений входных сигналов, поступивших на входы в предшествующие моменты времени. Поэтому говорят, что такие функциональные узлы "обладают памятью".
Триггер - это логическая схема с положительной обратной связью, которая может находиться только в одном из двух устойчивых состояний, принимаемых за состояние логического нуля и логической единицы.
В отличие от всех рассмотренных ранее комбинационных схем, работа которых определяется только входными сигналами, состояние триггера в текущий момент зависит и от его состояния в предыдущий момент времени. Иными словами, триггер - это схема с запоминанием [2].
RS-триггеры
Простейшая функциональная схема RS - триггера в базисе ИЛИ-НЕ приведена на рис. 7.1,а. Здесь (от англ. Reset - сброс) - вход сброса триггера в состояние логического нуля, S (от англ. Set - устанавливать) - вход установки триггера в логическую единицу, - прямой выход триггера (состояние считается для триггера единичным, а противоположное, при , - нулевым), - инверсный выход триггера.
Рис. 7.1. RS-триггер в базисе ИЛИ-НЕ: а - функциональная схема; б - УГО
Очевидно, при наличии двух входных сигналов, возможны 4 варианта работы схемы (табл. 7.1). Начнем анализ с состояний, когда на один из входов подается решающий для элемента ИЛИ-НЕ сигнал логической 1.
Первая такая комбинация: , . является для логического элемента ИЛИ-НЕ решающим сигналом, который переключит нижний элемент схемы на рис. 7.1,а в логический , поэтому . Комбинация и переключит верхний элемент ИЛИ-НЕ в 1: . Таким образом происходит установка триггера - его переключение в единичное состояние.
Таблица 7.1. Таблица истинности RS-триггера в базисе ИЛИ-НЕ
Управляющие сигналы Состояние выходов Режим работы
0 0
Хранение ранее записанной информации
0 1 0 1 Сброс триггера
1 0 1 0 Установка триггера
1 1 0 0 Неустойчивое состояние
Вторая комбинация: , . Решающий для ИЛИ-НЕ сигнал переключит выход в нулевое состояние, а сочетание и обеспечит переключение инверсного выхода в состояние . Триггер сброшен - то есть пришел в устойчивое нулевое состояние.
Если на оба входа подать , то состояние триггера будет определяться значениями и , поскольку логический 0 не является решающим для элемента ИЛИ-НЕ. Допустим, ранее триггер был установлен: то есть и . Тогда решающий сигнал будет через положительную обратную связь подан на нижний элемент ИЛИ-НЕ и состояние будет подтверждено. На входы верхнего элемента ИЛИ-НЕ будет подано сочетание сигналов и , поэтому состояние прямого выхода триггера будет подтверждено. Если же триггер был сброшен, то есть было и , тогда решающий сигнал бу дет через положительную обратную связь подан на верхний элемент ИЛИ-НЕ и состояние будет подтверждено. На входы нижнего элемента ИЛИ-НЕ будет подано сочетание сигналов и . Таким образом, триггер хранит ранее записанную информацию.
Рассмотрим последнюю, четвертую комбинацию входных сигналов: , . На входы обоих логических элементов ИЛИ-НЕ поданы решающие сигналы логической единицы, поэтому на выходах обоих элементов будут логические нули, то есть и . Если теперь одновременно подать , то за счет положительных обратных связей на оба логических элемента будут поданы 0, поэтому на выходах ИЛИ-НЕ установятся две решающие логические единицы, которые будут стремиться перевести выход другого ИЛИ-НЕ в логический 0. Кто победит в этом "поединке", зависит от того, в каком из элементов ИЛИ-НЕ переходный процесс закончится раньше. Допустим, в верхнем элементе процесс завершится раньше, тогда подается на вход нижнего элемента ИЛИ-НЕ и приводит к переключению . Таким образом, происходит сброс три ггера. Если же процесс завершится раньше в нижнем элементе, тогда подается на вход верхнего элемента ИЛИ-НЕ и приводит к переключению . Происходит установка триггера. Для пользователя ситуация оказывается непредсказуемой, поскольку определяется разбросом параметров транзисторов, на базе которых выполнены логические элементы, входящие в триггер. В этой связи комбинация приводит к недопустимому неустойчивому состоянию триггера. Она может применяться только при строгой очередности снятия сигналов и .
Для рассматриваемой схемы характерно также и то, что оба элемента триггера переключаются не одновременно, а последовательно друг за другом. Поэтому в ходе переходного процесса переключения триггера в противоположное состояние будут моменты времени, когда и на прямом, и на инверсном выходах будут одинаковые уровни. Это недопустимо по определению, поскольку триггер должен быть либо в устойчивом состоянии логического ( и ), либо в устойчивомсостоянии логической ( и ). Поскольку решающим для элементов ИЛИ-НЕ является сигнал логической единицы, в УГО входные управляющие сигналы и являются прямыми.
Функциональная схема простейшего триггера в базисе И-НЕ показана на рис. 7.2.а. Поскольку для функции И-НЕ решающим является сигнал логического нуля, активный уровень входных сигналов будет нулевым (табл. 7.2), что отражается на УГО триггера (рис. 7.2,б) в виде инверсного изображения входов и .
Таблица 7.2. Таблица истинности RS-триггера в базисе И-НЕ
Управляющие сигналы Состояние выходов Режим работы
0 0 0 0 Неустойчивое состояние
0 1 1 0 Установка триггера
1 0 0 1 Сброс триггера
1 1
Хранение ранее записанной информации
Рис. 7.2. RS-триггер в базисе И-НЕ: а - функциональная схема; б - УГО
Синхронный RS-триггер
Основное назначение триггера в цифровых схемах - хранить выработанные логическими схемами результаты. Для отсечения еще не установившихся, искаженных переходными процессами результатов между выходом какой-либо логической схемы и входами триггера ставят ключи в виде элементов И-НЕ. Действие этого сигнала аналогично разрешающему сигналу в схеме дешифратора (рис. 4.2 в "Функциональные узлы комбинаторной логики. Дешифраторы" ). На первый и второй логические элементы И-НЕ одновременно поступает синхросигнал (рис. 7.3,а). При неактивном уровне на выходах первого и второго логических элементов И-НЕ будет логическая . Она не является решающей для функции И-НЕ, поэтому триггер на третьем и четвертом элементах будет хранить записанную ранее информацию. Таким образом, триггер не реагирует на изменения входных сигналов при . Если же синхросигнал становится активным ( ), то схема пропускает все переключения входных сигналов и (табл. 7.3). Поскольку входные ключи производят инверсию входных сигналов и , активным их уровнем будет логическая (рис. 7.3,б).
Рис. 7.3. Синхронный RS-триггер: а - функциональная схема; б - УГО
Таблица 7.3. Таблица истинности синхронного RS-триггера
Управляющие сигналы Состояние выходов Режим работы
0 0 0
Хранение ранее записанной информации
0 0 1
0 1 0
0 1 1
1 0 0
Хранение ранее записанной информации
1 0 1 0 1 Сброс триггера
1 1 0 1 0 Установка триггера
1 1 1 0 0 Неустойчивое состояние
Недостатком схемы остается наличие недопустимой комбинации на входе, при которой получается неустойчивое состояние схемы.
D-триггер типа "защелка"
D-триггером называют синхронный триггер, имеющий два входа - вход данных D и вход синхронизации С.
На рис. 7.4,а представлена функциональная схема D -триггера. При изменения на входе никак не влияют на схему: триггер заперт по С -входу и находится в режиме хранения ранее записанной информации. При этом на выходах первого и второго логического элемента И-НЕ будет логическая 1, поэтому состояние третьего и четвертого логического элемента И-НЕ и, соответственно, состояние выходов и не изменится и будет сохраняться ранее записанная информация, так как и перезаписывают сами себя по обратным связям. Таблица истинности приведена в табл. 7.4.
Рис. 7.4. D-триггер типа "защелка"
Таблица 7.4. Таблица истинности D-триггера
Управляющие сигналы Состояние выходов Режим работы
0 0
Хранение ранее записанной информации
0 1
Хранение ранее записанной информации
1 0 0 1 Сброс триггера
1 1 1 0 Установка триггера
Передний (положительный) фронт сигнала - изменение его с уровня логического нуля на уровень логической единицы (обозначается 0/1).
Задний (отрицательный) фронт сигнала - изменение его с уровня логической единицы на уровень логического нуля (обозначается 1/0).
По переднему фронту синхросигнала состояние входа определит состояние третьего и четвертого логического элемента И-НЕ, вызывая установку в соответствующее состояние выходов и . При сохранении уровня защелка прозрачна и повторяет изменения информации на -входе. Например, если , тогда на вход второго элемента И-НЕ поступает решающий логический 0. На выходе первого элемента И-НЕ будет 0, который переключит выход триггера, построенного на элементах 3 и 4, в состояние . Таким образом, произошла установка триггера. Информация, поступившая со входа , теперь записана в триггер. Аналогично, если , тогда на вход первого элемента И-НЕ поступает решающий логический 0. На входе третьего элемента И-НЕ будет логическая , на выходе инвертора - тоже . В сочетании с на выходе второго элемента получается логический 0, который переключит инверсный выход в состояние . По обратной связи на третьем элемента оба входа переключаются в 1, поэтому состояние прямого выхода триггера будет в состоянии . Таким образом, произошел сброс триггера. Информация, поступившая со входа , опять-таки записана в триггер.
По заднему фронту сигнала защелка фиксирует (защелкивает) последнее переключение до появления переднего фронта синхросигнала .
D -триггер переключается по сигналу на -входе в состояние, предписанное -входом к этому моменту времени. На рис. 7.4,в показана временная диаграмма, иллюстрирующая работу D-триггера. В некотором смысле триггер задерживает прохождение поступившего по -входу сигнала до появления активного (единичного) уровня на синхро-входе С (интервалы времени и на рис. 7.4,в). Поэтому название " D- триггер" можно с одной стороны рассматривать как произошедшее от англ. Delay - задержка. Другое назначение D -триггера - сохранить данные (данные по англ. data ), поступившие по -входу. Синхросигналы играют роль команды "записать в триггер".
Пример включения триггера в логическую схему представлен на рис. 7.5. Здесь состояние триггеров определяется тем, какая информация поступает с мультиплексора и дешифратора. На входы схемы подаётся последовательность кодов, соответствующая ряду десятичных чисел 0, 2, 3,5, 6, 7, 1 - т.е. сначала подается , затем } ( , , ) и т.д. На информационные линии мультиплексора постоянно подаётся код .
Проанализируем работу этой схемы при подаче первого входного кода . На выходе мультиплексора будет логическая , поскольку к нему будет передаваться информация со входа , т.к. согласно заданию на мультиплексор подается информация . В это же время на дешифратор подается код , поэтому активен только его выход "0".
Таким образом, на входы первого триггера поступают сигналы и , что приводит к переводу его выходов в состояние и . Таким образом, выходной сигнал схемы .
Последний сигнал поступает в виде синхросигнала на второй триггер, поэтому он остается в неизменном состоянии (согласно заданию это нулевое состояние и ). Таким образом, выходной сигнал схемы .
увеличить изображение
Рис. 7.5. Пример использования триггеров.
Поскольку сигналы дешифратора "5", "6" и "7" пассивны, то есть равны логическому 0, на вход второго элемента И поступает логический , который инициирует подачу синхросигнала на соответствующий вход третьего триггера. Он переключается в соответствии с в состояние и . Таким образом, выходной сигнал схемы .
Аналогично проанализировав работу схемы при подаче всех остальных кодов, получим таблицу состояний схемы (табл. 7.4).
Таблица 7.4. Таблица состояний схемы
Входной код в десятичном выражении Входные сигналы Выходные сигналы
0 0 0 0 1 0 0
2 0 1 0 1 0 0
3 0 1 1 1 1 1
5 1 0 1 1 1 1
6 1 1 0 1 1 1
7 1 1 1 1 1 1
1 0 0 1 1 1 1
Ключевые термины
D-триггер - это синхронный триггер, имеющий два входа - вход данных и вход синхронизации .
Задний (отрицательный) фронт сигнала - изменение его с уровня логической единицы на уровень логического нуля (обозначается 1/0).
Передний (положительный) фронт сигнала - изменение его с уровня логического нуля на уровень логической единицы (обозначается 0/1).
Последовательностное цифровое устройство -в котором выходные сигналы зависят не только от текущих значений входных сигналов, но и от последовательности значений входных сигналов, поступивших на входы в предшествующие моменты времени.
Сброс триггера - переход триггера в состояние, когда на его прямом выходе состояние логического нуля.
Триггер - это логическая схема с положительной обратной связью, которая может находиться только в одном из двух устойчивых состояний, принимаемых за состояние логического нуля и логической единицы.
Установка триггера - переход триггера в состояние, когда на его прямом выходе состояние логической единицы.
Краткие итоги
В отличие от комбинационных схем, состояние которых полностью определяется информацией, приходящей на входы, схемы триггеров обладают свойством памяти. Их состояние может зависеть от того, что подавалось на его входы в предыдущие моменты времени. Можно выделить три основных режима работы триггера: сброс, установка и хранение ранее записанной информации.
Набор для практики
Вопросы для самопроверки
1. Что такое триггер?
2. Нарисуйте схему RS -триггера в базисе И.
3. Составьте таблицу истинности RS -триггера в базисе И.
4. Нарисуйте УГО RS -триггера в базисе И.
5. Нарисуйте схему RS -триггера в базисе ИЛИ.
6. Составьте таблицу истинности RS -триггера в базисе ИЛИ.
7. Нарисуйте УГО RS -триггера в базисе ИЛИ.
8. Объясните обозначения выводов RS -триггера.
9. Объясните обозначения выводов D -триггера.
10. Нарисуйте временную диаграмму работы RS -триггера.
11. Нарисуйте временную диаграмму работы D -триггера.
Ұнады ма? Онда достарыңмен бөліс!
|