Исследование последовательностных схем. триггеры

 

Министерство образования и  науки Республики Казахстан

 

Карагандинский государственный  технический университет

 

 

 

 

 

 

Кафедра АПП

им. проф. В.Ф. Бырьки

 

 

 

 

 

 

Лабораторная работа №6

Тема: ИССЛЕДОВАНИЕ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТНЫХ СХЕМ. ТРИГГЕРЫ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Принял: Садвакасов  В.С.

Выполнил:ст.гр. АиУ-10-1

Туяк С.Д.

 

 

 

 

 

 

 

 

                                             Караганда 2011

 

 

 

ИССЛЕДОВАНИЕ  ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТНЫХ СХЕМ. ТРИГГЕРЫ

 

 

Цель работы:

Понять принцип  работы триггеров. Научиться строить  временные диаграммы, уметь на их основе восстанавливать схему.

Краткие сведения  из теории

Особенность последовательностных устройств в том, что эти устройства имеют более чем одно внутреннее состояние.

Простейшим  последовательностным устройством является триггер, он способен длительно оставаться в одном из двух возможных устойчивых состояний, которые распознаются по значению их выходных сигналов.

Первым устойчивым состоянием триггера является установленное  состояние; второе устойчивое состояние  – сброшенное.

Существуют  разные виды триггеров и все они  имеют 1 или два выхода. Если выходов  два, то один называется прямым , а другой – инверсным . Если выход один, то он обязательно прямой.

Сигнал на прямом выходе совпадает с состоянием устройства. Число входов и их назначение зависит от вида триггера.

По способу  ввода информации триггеры делятся  на асинхронные и синхронные.

У асинхронных  триггеров имеются только информационные входы. Основным недостатком асинхронных  триггеров является неудовлетворительная помехозащищенность в условиях возможных  временных задержек сигналов. Этот недостаток устраняется в синхронных триггерах за счет использования  дополнительного тактового (синхронизирующего) сигнала, который подается на стробирующий (тактовый) вход С. Синхронизирующие сигналы вырабатываются специальным генератором тактовых импульсов, которые задают частоту смены информации в дискретные моменты времени и тем самым общий ритм работы большинства узлов аппаратуры.

Если синхронные триггеры изменяют свое состояние при  достижении синхронизирующим импульсом  порогового уровня на тактовом входе С, то их называют триггерами со статическим управлением или триггерами, синхронизируемыми уровнем. Триггеры с динамическим управлением или триггеры, синхронизируемые фронтом, изменяют свое состояние в моменты фронтов и спадов импульса (рисунок 1).

Важнейшие виды триггеров:

1. RS-триггеры;
2. D-триггеры;
3. Т-триггеры;
4. JK-триггеры.

 

Рисунок 1. Параметры идеального импульсного сигнала

 

RS-триггер представляет собой симметричную структуру из двух логических элементов ИЛИ-НЕ или И-НЕ, охваченных положительной обратной связью (рисунки 2, а и 2, б).

На рисунке  3 показано условное графическое обозначение (УГО) RS-триггера.

 

     а)   б)     в)        г)

 

Рисунок 2 Функциональная схема (а) и обозначение RS-триггера с активным высоким уровнем в ElectronicsWorkbench (б); функциональная схема (в) и

модель RS-триггера с активным низким уровнем в ElectronicsWorkbench (г)

 

а)   б)

 

Рисунок 3 УГО RS-триггеров с активным высоким уровнем (а),

с активным низким уровнем (б)

 

Назначение  входов RS-триггера следующее:

• R (от англ. – reset) – вход сброса триггера (т.е. перевода его в состояние 0),
• S (от англ. – set) – вход установки триггера (т.е. перевода его в состояние 1).

Активным  уровнем сигнала на входах R и S могут быть либо высокий, либо низкий (т.е. логические 1 или 0).

Один из выходов  триггера (Q) называется прямым, второй (он отмечен незакрашенным кружком) – инверсным. При нормальной работе триггера сигналы на прямом и инверсном выходах должны всегда иметь противоположные друг другу значения, т.е., как говорят, должны являться взаимноинверсными.

Программа ElectronicsWorkbench (EWB) не имеет собственной модели RS-триггерам с активным низким уровнем. Её можно получить если к входам R и SRS-триггера с активным высоким уровнем подключить по одному элементу «НЕ».

 

Таблица  1

 

RS-триггер с активным высоким уровнем					RS-триггер с активным низким уровнем
R	S			Режим	R	S			Режим
0	0	0(1)	1(0)	Режим хранения	0	0	Х	Х	Запрещено
0	1	1	0	Запись «1»	0	1	0	1	Запись «0»
1	0	0	1	Запись «0»	1	0	1	0	Запись «1»
1	1	Х	Х	Запрещено	1	1	0(1)	1(0)	Режим хранения

 

Принцип работы RS-триггера иллюстрирует его таблица истинности (таблица 1).

Рассмотрим  работу RS-триггера с активным высоким уровнем. При подаче на вход R триггера логического 0, а на вход S логической 1, триггер устанавливается в состояние «1», происходит запись 1. Когда R=1, а S=0, то триггер устанавливается в состояние «0». Если на оба входа триггера поданы сигналы логического нуля, то триггер находится в состоянии покоя и выдает прежние уровни сигнала. Это режим хранения.

Если активны  оба сигнала R и S, то происходит разрушение хранившейся в триггере информации. При этом оба выходных сигнала  перестают быть противоположными друг другу (взаимноинверсными), т.е. триггер перестает быть триггером.

Работу в  режиме RS-триггера называют асинхронной, выходной сигнал триггера здесь изменяется сразу же после того, как на одном  из входов R или S появился активный уровень сигнала.

 

На рисунке  4  показано УГО D-триггера, а на рисунке 5 приведены обозначения D-триггера в ElectronicsWorkbench.

 Этот  триггер нашел широкое применение  при создании счетчиков, которые  будут рассмотрены в следующей  лабораторной работе.

 

а)     б)   в)       г)

Рисунок 4 УГО D-триггеров с cсинхронизирующим динамическим входом (по фронту (а) по спаду (б)) и с cсинхронизирующим статическим входом

(активный  высокий уровень (в), активный  низкий уровень (г))

 

Рисунок 5 Обозначения D-триггера, действующего по фронту и интегрального D-триггера

в ElectronicsWorkbench

Назначение входов D-триггера следующее:

• D (от англ. – data) – информационный вход,
• C (от англ. – clock) – синхронизирующий вход, он является динамическим и производит предписанное ему действие (см. ниже) по фронту сигнала, т.е. по перепаду от низкого уровня к высокому. В EWBобозначен значком «>».

У интегральногоD-триггера имеется два дополнительных вход – предварительной установки PS (PreSet) и очистки (CLR). Логический 0 на входе PS инициирует установку логической единицы на выходе Q (независимо от состояния входов D и C). Логический 0 на входе CLR инициирует очистку выхода Q (установка логического 0 на выходе Q). Необходимо запомнить, что в активных состояниях входы PS и CLR блокируют действие входов D и С, т.е. для работы с входами D и С, необходимо подать на входы PS и CLR логическую единицу. Нетрудно догадаться, что запрещенным состоянием интегрального триггера является одновременное активное состояние входов PS и CLR, т.е. PS=CLR=0.

 

Таблица  2

 

D	C			Режим
0		0(1)	1(0)	Запись «0»
1		1	0	Запись «1»
*				Режим хранения
*	0			Режим хранения
*	1			Режим хранения

 

Таблица 2 показывает работу D-триггера (для активного перепада по фронту). Основная задача D-триггера состоит в том, что по фронту импульса на входе C сигнал на прямом выходе Q становится таким же, каким был сигнал на входе D в момент этого перехода. Но когда на входе C действует спад импульса или сигнал C остается неизменным, состояние триггера не изменяется, т.е. имеет место режим хранения информации.* – означает, что на входе возможно любое состояние (1или 0).

Работу в  режиме D-триггера называют синхронной. Здесь выходной сигнал триггера изменяется только тогда, когда на входе синхронизации C произошел активный перепад сигнала. В рассматриваемом случае таковым является фронт импульса синхронизации.

 

В отличие  от D-триггера, T-триггер имеет только один вход T (от англ. toggle – чека), который также является динамическим. Состояние триггера может изменяться либо по фронту, либо по спаду импульса на входе, это зависит от конкретного типа триггера. На рисунке 6, а в качестве примера показано УГО T-триггера, действующего по фронту.

 

а)     б)

 

Рисунок 6 УГО Т-триггера (активный перепад - фронт) (а) и временные диаграммы его сигналов (б)

 

Логика работы T-триггера элементарно проста: каждый активный перепад сигнала на его входе (в данном примере – фронт импульса T) изменяет состояние триггера на противоположное (рисунок 6, б).

Следует отметить, что временные диаграммы сигналов – это диаграммы показывающие уровни напряжения и временные интервалы  между входными и выходными сигналами  и соответствуют той картине, которую вы наблюдали бы на экране осциллографа.

Т-триггер  делит частоту входного сигнала  на 2, поэтому его часто называют счетным триггером.

В EWB отсутствует модель Т-триггера, но T-триггер несложно получить из D-триггера, соединив его инверсный выход с входом D (рисунок 7). Вход C триггера типа D после такого соединения будет играть роль входа T получившегося T-триггера, активным перепадом его остается фронт импульса.

 

 

Рисунок 7 Получение Т-триггера из D-триггера

  а)      б)

Рисунок 8 JK-триггеры с активным высоким уровнем (а) и с активным низким уровнем (б) асинхронных входов (PS и CLR)

JK-триггер относится к универсальным устройствам; их универсальность заключается в том, что они, во-первых, могут быть использованы в регистрах, счетчиках, делителях частоты и других узлах, и, во-вторых, путем определенного соединения выводов они легко обращаются в триггеры других типов.

Обозначения в EWBJK-триггера показаны на рисунке8, где обозначено: J – информационный вход записи «1»; К – информационный вход записи «0»; > - динамический вход.

В ElectronicsWorkbench наличие кружочков на изображениях выводов обозначает, что активными являются сигналы низкого уровня, а для динамического входа – что переключение триггера производится не по переднему фронту тактового импульса, а по его спаду.

На рисунке  9 показано обозначение JK-триггера в отечественной электронике, здесь динамический вход обозначается буквой С.

 

а)                 б)

 

Рисунок 9 УГО JK-триггера с активным перепадом по фронту (а) и по спаду (б)

 

Логика работы данного триггера видна из таблицы  истинности, которая составлена для  активного перепада – спад  (таблица  3).

 

Таблица  3

 

С	J	К	Режим
	0	0	Режим хранения
	0	1	Запись «0»
	1	0	Запись «1»
	1	1	Режим Т-триггера
	*	*	Режим хранения