Теоретичні відомості і методичні вказівки. До послідовністних схем відносяться різні типи логічних елементів із двома чи більш стійкими станами і пристрої на їхній основі

До послідовністних схем відносяться різні типи логічних елементів із двома чи більш стійкими станами і пристрої на їхній основі, функції виходів яких визначаються не тільки комбінацією діючих на входах зовнішніх сигналів, але і на відміну від комбінаційних схем деякими внутрішніми сигналами (станами), що враховують попередні вхідні впливи: регістри пам'яті, лічильники імпульсів, що накопичують суматори, оперативні запам'ятовуючі пристрої і т.д. Найбільше часто як базові елементи послідовністних схем використовуються логічні елементи с двома стійкими станами, що у сполученні з двійковими комбінаційними схемами утворять елементний базис двійкових цифрових пристроїв.

Тригерами називають спускові чи регенеративні пристрої з двома можливими стійкими станами, у які вони можуть встановлюватися керуючими вхідними сигналами. Існує велика кількість різновидів тригерів, що розрізняються по виду вхідних і вихідних сигналів, а також по способі керування станами запису інформації в тригер.

По виду вхідних сигналів розрізняють тригери з імпульсним і потенційним керуванням. У цифрових обчислювальних пристроях в основному застосовуються тригери з потенційним керуванням.

По способі запису інформації тригери підрозділяються на асинхронні і синхронні (тактуємі). В асинхронних тригерах, момент переключення визначається моментом зміни кодової комбінації на інформаційних входах. У синхронних тригерах зміна станів здійснюється в строго визначені моменти часу дії спеціальних тактових імпульсів. Синхронізація тригерів проводиться за рівнем тактового сигналу або по його позитивному чи негативному фронту.

По виду вихідних сигналів розрізняють статичні і динамічні тригери. У статичних тригерах стійкі стани ідентифікуються по рівнях постійних напруг на їхніх виходах. Стани динамічних тригерів визначаються по наявності чи відсутності на виходах неперервної серії імпульсів. Найбільше поширення в цифровий схемотехніці одержали статичні тригери.

Функціонально тригер можна представити у виді елемента пам'яті зі схемою керування (рис. 3.27). Елемент пам'яті зберігає інформацію про результат попереднього впливу на тригер. Схема керування реалізує правила реагування тригера на різні вхідні сигнали і їхні комбінації. У кінцевому рахунку, схема керування виробляє сигнали, що забезпечують збереження інформації в запам'ятовуючому елементі, підтвердження стану або переключення запам'ятовуючого елемента в новий стан. У двійковому тригері для зміни станів запам'ятовуючого елемента досить виробити сигнали установки в одиничний стан (Установка «1») і в нульовий (Установка «0»). Відсутність сигналів установки відповідає режиму збереження інформації, а їхня одночасна дія приводить до невизначеного результату, тому таке керування зазвичай не використовується.

По реакції тригера на вхідні керуючі впливи розрізняють наступні види вході:

- вхід для установки ( - установка) тригера в стан «1» (на основному чи прямому виході тригера установлюється сигнал «логічна 1», тобто ;

- вхід для скидання (Reset - скидання, повернення) тригера в стан «0» ;

- вхід для установки тригера в стан «1» при чи «0» при із затримкою ( - затримка) переключення виходів , відносно входу ;

- вхід переключення ( - релаксатор) тригера в протилежний стан аналогічно лічбі за модулем 2, тому вхід Т називають лічильним;

, - входи для установки ( - включення) і скиданні ( - відключення) тригера в стани відповідно «1» і «0» аналогічно входам і ; відмінність полягає в тому, що одночасне збудження входів і обумовлює невизначеність переходу тригера в один із двох можливих станів, а одночасне збудження входів і викликає однозначно зміну стану тригера аналогічно входу ;

- вхід синхронізації ( - годинник) для точного завдання моментів переключення станів тригера;

- вхід для дозволу чи заборони реагування тригера на відповідні керуючі входи.

Звичайно тригери містять лиш частинe з перерахованих типів входів, причому деякі з них є кратними. По сукупності керуючих входів розрізняють:

- тригери з роздільними входами установки в стан «0» і «1»; - тригери бувають асинхронними і синхронними, якщо крім і мається вхід ;

- тригери з записом інформації з одного входу в моменти часу, обумовлені синхроімпульсами ;

- тригери з лічильним входом;

- тригери - універсальні тригери, в яких входи і окремо реалізують роздільне керування, а одночасне – лічильний режим.

Крім названих типів існує багато різновидів тригерів з комбінованим керуванням названими типами входів з синхронізацією чи без неї, із блокуванням яких-небудь інформаційних входів чи без неї. Тригери, синхронізуємі рівнем синхроімпульсу, можуть протягом дії синхроімпульсу багаторазово переключатися керуючими сигналами. У паузі між синхроімпульсами їхній стан не змінюється незалежно від керуючих сигналів.

Тригери, синхронізуємі фронтом, змінюють стану лише в момент переключення рівнів синхроімпульсу з «0» у «1» (позитивний фронт) чи з «1» у «0» (негативний фронт). При будь-яких постійних рівнях синхроімпульсу тригер зберігає стан при всіляких змінах керуючих сигналів. Отже, синхронізуємий фронтом тригер за час дії синхроімпульсу будь-якої тривалості може, переключитися тільки один раз.

RS-тригери

Логічна структура - тригера представлена на рис. 3.28,а, умовне графічне зображення (рис. 3.28,б) а його стани описуються картою Карно (рис. 3.28,в), аргументами якої є вхідні сигнали тригера на -м такті і попередній стан тригера .

Записана по карті Карно МДИФ з довизначенням заборонених станів «логічними 1» дає характеристичне рівняння - тригера

(3.8)

На рис. 3.28, в приведені часові діаграми переключення станів тригера.

Аналогічно характеристичне рівняння у формі МКНФ для тієї ж карти Карно з довизначенням заборонених станів «логічними 0» має вид

(3.9)

Перетворивши тотожне рівняння (3.8), скориставшись правилом подвійного заперечення

(3.10)

Характеристичне рівняння у формі (3.10) показує спосіб реалізації - тригера на елементах І-НІ (рис. 3.29,a). На рис. 3.29,б наведене його умовне графічне зображення, а на рис. 3.29,г - часові діаграми роботи.

На умовному графічному зображенні (рис. 3.29, б) кружки на входах , показують, що даний - тригер керується інверсними сигналами, тобто в режимі збереження інформації на входи подаються і , керування здійснюється подачею на відповідний вхід рівня «0», а забороненою є комбінація вхідних сигналів .

Рівняння (3.8) - (3.10) і карта Карно описують тільки статичні режими роботи - тригерів. Найбільш повне представлення про їхню роботу дають часові діаграми (рис. 3.28,г, 3.29,г), що описують не тільки значення вихідних рівнів і в будь-який момент часу, але і тривалості фронтів , ,затримок і послідовність переключення логічних елементів. З часових діаграм видно, що тривалість переключення і мінімальна тривалість вхідного сигналу даних асинхронних - тригерів визначаються середнім часом затримки сигналу логічними елементами і

.

При розгляді часових діаграм (рис. 3.28,г, 3.29,г) варто звернути увагу на те, що моменти переключення вихідних рівнів визначаються строго зміною логічних станів інформаційних входів, що характерно для асинхронних - тригерів.

На часових діаграмах символом (*) позначені інтервали впливу на входи - тригерів забороненими комбінаціями керуючих сигналів. І-НІ. Стан, що приймає - тригер по закінченні дії забороненої комбінації, залежить від того, який з керуючих сигналів триває довше, а при строго одночасному переключенні сигналів на входах і - від випадкового розкиду параметрів логічних елементів.

D-тригери

До -тригерів відносяться послідовністні бістабільні пристрої з одним інформаційним входом і входом синхронізації , які в моменти дії синхронізуючого рівня або фронту встановлюються в стан, що визначається логічним рівнем сигналу на вході . Принципово здійсненні асинхронні - тригери, однак, не представляють практичного інтересу.

Функціонування синхронного - тригера в статичних режимах описується картою Карно і характеристичним рівнянням

. (3.11)

Реалізації синхронних -тригерів, що задовольняють рівнянню (3.11), показані на рис. 3.30. Якщо на синхронізуючий вхід - тригера (рис. 3.30,а) поданий рівень (чи для рис. 3.30,г), що є домінуючим для логічних елементів DD1, DD2, на їхніх виходах установлюються рівні ( ), що не залежать від стану інформаційного входу і забезпечують режим збереження асинхронного тригера на логічних елементах DD3, DD4. При ( ) інформаційний вхід однозначно визначає стан виходу елемента DD1, що, у свою чергу, обумовлює інверсний рівень на виході елемента DD2. Якщо при цьому ( ), тригер встановлюється в одиничний (нульовий) стан, тобто в тригер записується інформація, подана на вхід до установки синхронізуючого рівня . Отже, інформація на виходах - тригера з'являється з затримкою по відношенню до інформаційного входу , обумовленою затримкою синхронізуючого імпульсу відносно інформаційного сигналу , а також часом переключення логічних елементів DD1, ..., DD4 (рис. 3.30, в, е). На рис. 3.30,б, д приведені умовні графічні позначення для - тригерів на елементах відповідно АБО-НІ і І-НІ.

Один із способів усунення наскрізного керування в - тригерах складається у використанні двотактних структур - типу (Master - хазяїн, що веде, Slave - раб, відомий). Двотактний - тригер будується на основі двох синхронізованих протифазними рівнями - тригерів (рис. 3.31, а, б). Завдяки синхронізації протифазними синхроімпульсами і запис нової інформації в тригери і ступеней принципово розділена в часі, що виключає наскрізну передачу інформації з входу на виходи , .

При тригер допоміжної ступені знаходиться в режимі збереження інформації, а у вихідний тригер (ступінь ) рівнем дозволений перезапис умісту тригера . Переключення синхроімпульсу і (рис. 3.31,в) змінює режим роботи тригерів і : тригер переходить у режим запису інформації з входу , а тригер - у режим збереження інформації, записаної на попередньому кроці. В допоміжному тригері можливий режим несинхронізованого запису протягом інтервалу синхроімпульсу . По закінченні синхроімпульсу ( ) інформаційний вхід блокується і в основний тригер записується остаточно сталий стан .

Час, що дозволяє, по входу синхронізації при мінімально припустимій тривалості синхроімпульсу

.

Т-тригери - послідовністні регенеративні бістабільні пристрої з одним керуючим входом , що кожним вхідним сигналом переключаються в протилежний стан. Робота такого тригера описується рівнянням,

з якого випливає, що - тригер реалізує операцію додавання за модулем 2. Тому - тригери, режим їхньої роботи і керуючий вхід називають лічильними.

- тригер можна побудувати за двотактною схемою. В - тригері - типу (рис. 3.32,а)переключення тригерів ступеней і розділені в часі самим лічильним імпульсом . Тригер ступеню переключається одиничним, а тригер ступеню - нульовим рівнем сигналу . Для реалізації розділеного в часі режиму роботи тригерів студеней і можна використовувати інвертор сигналу аналогічно DD4 у схемі на рис. 3.32,а. Той же результат можна досягти використанням зв'язків виходів елементів DD1(A) і DD2 (В) із входами DD4, DD5. У цьому випадку запис інформації в тригер ступені нульовим рівнем одночасно блокує запис у тригер ступені , що тому знаходиться в режимі збереження інформації. Навпаки, якщо , те тригер ступені переключений у режим збереження інформації і розблоковані вентилі DD4, DD5 для перезапису інформації з тригера ступені в тригер ступені . В - тригерах принципове значення мають зворотні зв'язки між виходами тригера і вхідних логічних елементів. Вони включаються так, що нульове (одиничне) стан тригера дозволяє переключення в одиничне (нульове) стан тригера . Завдяки цьому кожен імпульс на вході змінює стан тригерів ступеней і : по позитивному фронту імпульсу переключається тригер ступеню , aпо негативному фронту - тригер ступеню .

Ще один варіант - тригера можна побудувати на основі - тригера - типу (рис. 3.32,а). Для цього досить його інформаційний вхід з'єднати з інверсним виходом , а на вхід синхронізації подавати лічильні імпульси (рис. 3.32, г).

Як видно з часових діаграм (рис. 3.32, б),частота імпульсів на виході - тригера , тобто їх можна використовувати як дільники частоти. Максимальна частота лічильних імпульсів - тригера - типу за умови визначається значенням .

Аналіз стану -тригера на -му кроці часової діаграми можна визначити по станах керуючих входів і тригера на кроці : , , . Оскільки в цифровій схемотехніці в основному використовуються синхронні -тригери, стан входу синхронізації є додатковим аргументом.

Для чотирьох незалежних змінних табл. 3.13 містить вхідних наборів, що характеризують усі можливі переходи станів -тригера. При складанні таблиці істинності і карти Карно передбачається, що в процесі переключення рівнів синхроімпульсу стану інформаційних входів і не змінюються. Тоді характеристичне рівняння - тригера відповідно до карти Карно

Таблиця 3.13

Номер набору

Номер набору

- тригер можна реалізувати різними способами, але одниою з найбільш вдалих є схема двотактного -тригера. Двотактний - тригер (рис. 3.33,а) не критичний до тривалості керуючого і синхронізуючих сигналів. Функціонування двотактного - тригера пояснюється часовими діаграмами (рис. 3.33, д). Максимальна частота проходження керуючих чи синхронізуючих імпульсів

.

На рис. 3.33, б показане застосування -тригера як двотактного -тригера. Додатковий інвертор на вході (рис. 3.33, в) дозволяє використовувати - тригер як синхронний двотактний -тригер. Якщо входи і об'єднати і подати на них лічильні імпульси , одержимо двотактний - тригер (рис. 3.33, г). У цьому складається універсальність -тригера, що широко застосовують при побудові паралельних і послідовних регістрів, різних лічильних пристроїв, суматорів що накопичують і т.д.

До складу лабораторної установки входять: навчальний стенд „LOGIC”, однополярний блок живлення.