Триггеры как элементы памяти и двоичной информации

В импульсной и цифровой технике широко используются функциональные узлы, способные сохранять двоичную информацию (состоя­ния «0», «1») после окончания действия входных импульсов. Такие функциональные узлы называют триггерами.

Указанное свойство триггера обусловлено тем, что факторами, воздействующими на его состояния, являются не только внешние уп­равляющие сигналы, но и сигналы самого триггера (сигналы обратной связи).

В интегральной микросхемотехнике триггеры выполняют либо на основе логических интегральных элементов, либо как завершенный функциональный элемент в виде микросхемы.

Интегральные триггеры характеризуются большим разнообразием. Их отличают функциональный признак, определяющий поведение триггера при воздействии сигнала управления, а также используемый способ управления. По функциональному признаку различают триггеры типов R-S, D, T, J-K и др. По способу управления триггеры подразделяют на асинхронные и тактируемые. В асинхронных триггерах переключение из одного состояния в другое осуществляется непосредственно с поступлением сигнала на информационный вход. В тактируемых триггерах помимо информационных входов имеется вход тактовых импульсов. Их переключение производится только при наличии разрешающего, тактирующего импульса.

Триггеры применяют при построении более сложных функциональных устройств: счетчиков импульсов, регистров и т. д.

R-S -триггеры. В зависимости от способа управления различают асинхронные и тактируемые R-S-триггеры.

Асинхронные R-S-триггеры являются простейшими, однако они получили широкое распространение в импульсной и цифровой технике. В частности, они служат основой триггеров других типов и требуют для своего построения два двухвходовых логических элемента типа И — НЕ либо ИЛИ — НЕ.

На рис. 3.39, а приведена структурная схема асинхронного триггера на логических элементах И — НЕ. Схема имеет два выхода: Q — прямой, «не Q» — инверсный.

Рис. 3.39. Структурная схема асинхронного R-S -триггера на логических элементах

И — НЕ (а), его таблица переходов (б) и временные диаграммы (в)

Асинхронный R-S -триггер, как и триггер любого другого типа, характеризуется двумя состояниями: логической «1» и логического «0». Состоянию логической «1» соответствует Q = 1, «не Q» = 0; состоянию логического «0» — Q = 0, «не Q» = 1.

По информационному входу S производится установка триггера в состояние логической «1», а по информационному входу R — установ­ка {перевод) триггера в исходное состояние логического «0». Этому соответствуют сокращенные обозначения входов и название триггера: S — set (установка), R — reset (возвращение в исходное состояние).

Принцип действия триггера определяется поведением в нем элементов И — НЕ. Он иллюстрируется таблицей переходов триггера (рис. 3.39, б), где указаны значения входных сигналов S и R в некоторый момент времени tⁿ и состояние триггера (по значению его пря­мого выхода) в следующий момент времени tⁿ⁺¹ после прихода оче­редных импульсов.

При S = 0 и R = 1 подтверждается предшествующее состояние, если триггер находился в состоянии логической «1» (Q = 1, «не Q» = 0), и переход его в состояние «1», если триггер до этого находился в состоя­нии «0» (первая строка сверху в таблице на рис. 3.39, б). Пусть Q — I, «не Q» = 0. Если S = 0, то независимо от значения сигнала на втором входе элемента Э₁ И — НЕ Q = 1 (см. рис. 3.32, в). На обоих входах элемента Э₂ присутствуют логические «1». Это обеспечивает «не Q» = 0. При Q = 0 и «не Q» = 1 сигнал S = 0 вызывает переключение элемента Э₁ в состояние логической «1» и соответственно элемента Э₂ в состоя­ние логического «0» вследствие появления и на его левом входе логической «1».

При противоположном соотношении сигналов (S =1, R = 0) происходит либо подтверждение нулевого состояния триггера (Q = 0, «не Q» = 1), либо его переключение из состояния «1» в состояние «0» (вторая строка сверху в таблице переходов). Положение доказывает­ся аналогичным образом.

Значениям сигналов на входе S = R = 1 соответствует сохранение триггером предыдущего состояния (третья строка сверху в таблице переходов). Пусть до появления такой комбинации сигналов на вхо­дах в триггере была записана логическая «1» (Q = 1, «не Q» = 0). При наличии S = R = 1 имеем на обоих входах элемента Э₂ по логической «1». Это обусловливает «не Q» = 0. На правом входе элемента Э₁, будет логический «0», что дает Q = 1.

При комбинации S = R = 0 (последняя строка снизу в таблице переходов) один из входов обоих элементов И — НЕ имеет логический «0». Согласно рис. 3.32, в, Q = «не Q» = 1. Такие значения выходных сигналов триггера не соответствуют ни его состоянию «1» (Q = 1, «не Q» = 0), ни его состоянию «0» (Q = 0, «не Q» = 1). Триггер принимает не­определенное состояние. По указанной причине комбинация сигна­лов на входе S = R = 0 для асинхронного R- S-триггера на эле­ментах И — НЕ является запрещенной. Рассмотренной схеме триггера соответствуют временные диаграммы, приведенные на рис. 3.39, в. Они построены с учетом таблицы переходов, приведен­ной на рис. 3.39, б.

D-триггеры. D-триггеры имеют один информационный вход. Состоянию логической «1» соответствует единица на входе триггера, а состоянию логического «О» — нулевой уровень входного сигнала.

На практике наибольшее применение получили тактируемые (однотактные и двухтактные) D-триггеры. Их обозначение обусловлено свойством сохранять состояние логической «1» после снятия входного сигнала до прихода очередного тактового импульса (delay — задержка).

D-триггеры широко используют при построении регистров.

На рис. 3.42, а приведена структурная схема однотактного D-триггера, выполненная на основе асинхронного R-S -триггера.

Рис. 3.42. Структурная схема тактируемого D-триггера (а)

и его времен­ные диаграммы (б)

Временные диаграммы, поясняющие его принцип действия, изображены на рис. 3.42, б.

Предположим, что к моменту прихода входного сигнала D-триггер находился в состоянии логического «0» (Q = 0, «не Q» = 1). В интервале времени t_l — t₂, когда действует входной сигнал D, состояние триггера не изменяется, так как при этом Т = 0 и сигналы на входах элементов Э₁,Э₂ S = R = 1. Действие сигнала Т = 1 в момент времени t₂ обусловливает на выходе элемента Э₃ S = 0, а на выходе элемента Э₄ R = 1. Это приводит к переключению триггера в состояние логической «1» (Q = 1, «не Q» = 0). Состояние «1» триггера не изменит­ся до момента времени t₄ так как при Т = 0 сигналы на входах асин­хронного триггера S = R = 1. Появление в момент времени t₄ сигнала Т = 1 дает R = 0, S = 1 и вызывает переключение триггера в состояние логического «0».

Т-триггер. Характерным свойством Т-триггера является его переключение в противоположное состояние с приходом каждого очередного входного импульса. Ввиду широкого применения в счетчиках импульсов его часто называют триггером со счетным запуском.

J-K -триггер. J-K -триггер получают на основе Т-триггера путем использования в его входных цепях трехвходовых элементов И — НЕ, позволяющих иметь два дополнительных входа J и К. Наличие двух дополнитель­ных входов расширяет функциональные возможности триггера, в связи с чем J-K -триггер называют универсальным. При соот­ветствующем подключении входов J-K-триггер, в частности, может выполнять функции R-S, D- и Т-триггеров.

СЧЕТЧИКИ ИМПУЛЬСОВ

Подсчет числа импульсов является наиболее распространенной операцией в устройствах цифровой обработки информации. Повышенный интерес к таким устройствам объясняется их высокой точностью, возможностью применения регистрирующих приборов с непосредственным цифровым представлением результата, а также возможностью осуществления связи с ЭВМ.

В устройствах цифровой обработки информации измеряемый параметр (угол поворота, перемещение, скорость, частота, время, температура и т. д.) преобразуется в импульсы напряжения, число которых в соответствующем масштабе характеризует значение данного параметра. Эти импульсы подсчитываются счетчиками импульсов и выражаются в виде цифр.

По целевому назначению счетчики подразделяют на простые и реверсивные. Простые счетчики, в свою очередь, подразделяют на суммирующие и вычитающие.

Суммирующий счетчик предназначен для выпол­нения счета в прямом направлении, т. е. для сложения. С приходом очередного счетного импульса на вход счетчика его показание увеличивается на единицу.

Вычитающий счетчик служит для осуществления счета в обратном направлении, т. е. для вычитания. Каждый счетный импульс, поступающий на вход вычитающего счетчика, уменьшает его показание на единицу.

Реверсивные счетчики предназначены для выпол­нения операции счета как в прямом, так и в обратном направлении, т. е. они могут работать в режиме сложения и вычитания.

Основными показателями счетчиков являются модуль счета (коэффициент счета К) и быстродей­ствие.

Коэффициент счета определяет число импульсов, которое может быть сосчитано счетчиком.

Быстродействие счетчика характеризуется максимальной частотой f_сч следования счетных импульсов и связанным с ней временем t_уст установки счетчика. Величина t_уст определяет максимальное время протекания переходных процессов во всех разрядах счетчика с по­ступлением на вход очередного счетного импульса.

Счетчики импульсов выполняются на основе триггеров.

Счет числа поступающих импульсов производится с использова­нием двоичной системы счисления.