RS триггер
RS триггер получил название по названию своих входов. Вход S (Set — установить англ.) позволяет устанавливать выход триггера Q в единичное состояние (записывать единицу). Вход R (Reset — сбросить англ.) позволяет сбрасывать выход триггера Q (Quit — выход англ.) в нулевое состояние (записывать ноль).
В простейшем случае RS триггер это два логических элемента «2И-НЕ», соединенные последовательно друг с другом. Его принципиальная схема приведена на рисунке 1. Обратите внимание, что у триггера только один выход. Обозначим его Q. Тогда оставшийся вывод схемы будет инверсным выходом Q
Рисунок 1. Схема простейшего rs триггера на схемах «2И-НЕ». Входы R и S инверсные (активный уровень’0′)
Рассмотрим принцип работы RS триггера, выполненный по изображенной на рисунке 1 схеме подробнее. Пусть на входы R и S подаются единичные потенциалы. Если на выходе верхнего логического элемента «2И-НЕ» Q присутствует логический ноль, то на выходе нижнего логического элемента «2И-НЕ» появится логическая единица. Эта единица подтвердит логический ноль на выходе Q. Если на выходе верхнего логического элемента «2И-НЕ» Q первоначально присутствует логическая единица, то на выходе нижнего логического элемента «2И-НЕ» появится логический ноль. Этот ноль подтвердит логическую единицу на выходе Q. То есть при единичных входных уровнях схема RS триггера работает точно так же как и схема на инверторах.
Подадим на вход S нулевой потенциал. Согласно таблице истинности логического элемента «И-НЕ» на выходе Q появится единичный потенциал. Это приведёт к появлению на инверсном выходе триггера нулевого потенциала. Теперь, даже если снять нулевой потенциал с входа S, на выходе триггера останется единичный потенциал. То есть мы записали в триггер логическую единицу.
Точно так же можно записать в RS-триггер и логический ноль. Для этого следует воспользоваться входом R. Так как активный уровень на входах оказался нулевым, то эти входы — инверсные. Составим таблицу истинности RS триггера. Входы R и S в этой таблице будем использовать прямые, то есть и запись нуля, и запись единицы будут осуществляться единичными потенциалами (таблица 1).
Таблица 1. Таблица истинности RS триггера.
| R | S | Q(t) | Q(t+1) | Пояснения |
|---|---|---|---|---|
| 0 | 0 | 0 | 0 | Режим хранения информации R=S=0 |
| 0 | 0 | 1 | 1 | |
| 0 | 1 | 0 | 1 | Режим установки единицы S=1 |
| 0 | 1 | 1 | 1 | |
| 1 | 0 | 0 | 0 | Режим записи нуля R=1 |
| 1 | 0 | 1 | 0 | |
| 1 | 1 | 0 | * | R=S=1 запрещенная комбинация |
| 1 | 1 | 1 | * |
RS триггер можно построить и на логических элементах «ИЛИ». Его схема приведена на рисунке 2. Принцип работы RS триггера, собранный на логических элементах «ИЛИ» будет точно таким же, как и рассмотренный ранее. Единственное отличие в работе этой схемы по сравнению с предыдущей схемой RS триггера будет заключаться в том, что сброс и установка триггера будет производиться единичными логическими уровнями. Эти особенности связаны с принципами работы инверсной логики, которые рассматривались ранее.
Рисунок 2. Схема простейшего RS триггера на логических элементах ИЛИ-НЕ. Входы R и S прямые (активный уровень ‘1’)
Так как RS триггер при реализации его на логических элементах «И» и «ИЛИ» работает одинаково (его принцип работы от схемы не зависит), то и условно-графическое изображение на принципиальных схемах тоже одинаково. Условно-графическое изображение RS триггера приведено на рисунке 3.
Рисунок 3. Условно-графическое обозначение RS триггера
Синхронный RS триггер
Схема RS триггера позволяет запоминать состояние логической схемы, но так как в начальный момент времени может возникать переходный процесс (в цифровых схемах этот процесс называется «опасные гонки»), то запоминать состояния логической схемы нужно только в определённые моменты времени, когда все переходные процессы закончены.
Это означает, что большинство цифровых схем требуют сигнала синхронизации (тактового сигнала). Все переходные процессы в комбинационной логической схеме должны закончиться за время периода синхросигнала, подаваемого на входы триггеров. Триггеры, запоминающие входные сигналы только в момент времени, определяемый сигналом синхронизации, называются синхронными. Для того чтобы отличать от них рассмотренные ранее варианты (RS триггер и триггер Шмитта) эти триггеры получили название асинхронных.
Формировать синхронизирующие сигналы с различной частотой и скважностью при помощи генераторов и одновибраторов мы уже научились в предыдущих главах. Теперь научимся записывать в триггеры входные логические сигналы только при наличии разрешающего сигнала.
Для этого нам потребуется схема, пропускающая входные сигналы только при наличии синхронизирующего сигнала. Такую схему мы уже использовали при построении схем мультиплексоров и демультиплексоров. Это логический элемент «2И». Триггеры, записывающие сигналы только при наличии синхронизирующего сигнала называются синхронными. Принципиальная схема синхронного RS-триггера приведена на рисунке 4.
Рисунок 4. Схема синхронного RS триггера, построенного на элементах «И-НЕ»
В таблице 2 приведена таблица истинности синхронного RS триггера. Принцип работы RS триггера не изменился, добавилось дополнительное условие: синхронизация момента срабатывания схемы. В этой таблице символ ‘x’ означает, что значения логических уровней на данном входе не важны. Они не влияют на работу триггера.
Таблица 2. Таблица истинности синхронного RS триггера.
| С | R | S | Q(t) | Q(t+1) | Пояснения |
|---|---|---|---|---|---|
| 0 | x | x | 0 | 0 | Режим хранения информации |
| 0 | x | x | 1 | 1 | |
| 1 | 0 | 0 | 0 | 0 | Режим хранения информации |
| 1 | 0 | 0 | 1 | 1 | |
| 1 | 0 | 1 | 0 | 1 | Режим установки единицы S=1 |
| 1 | 0 | 1 | 1 | 1 | |
| 1 | 1 | 0 | 0 | 0 | Режим записи нуля R=1 |
| 1 | 1 | 0 | 1 | 0 | |
| 1 | 1 | 1 | 0 | * | R=S=1 запрещенная комбинация |
| 1 | 1 | 1 | 1 | * |
Как мы уже показали выше, RS триггеры могут быть реализованы на различных логических элементах. При этом их логика работы не изменяется. В то же самое время триггеры часто выпускаются в виде готовых микросхем (или реализуются внутри БИС в виде готовых модулей), поэтому на принципиальных схемах синхронные RS триггеры обычно изображаются в виде условно-графических обозначений. Условно-графическое обозначение синхронного RS триггера приведено на рисунке 5.
Рисунок 5. Условно-графическое обозначение синхронного RS триггера
В схемах, использующих синхронные RS триггеры, для передачи двоичной информации обычно применяются парафазные выходы (Q и инверсный Q). Это позволяет увеличить помехоустойчивость и быстродействие цифровых схем.
Дата последнего обновления файла 21.12.2008
Понравился материал? Поделись с друзьями!
Rs триггер принцип работы
Триггер – это электронное устройство, которое предназначается для записи и хранения информации. Обычно он имеет два выхода: прямой и инверсный; и некоторое количество входов, в зависимости от выполняемой задачи. Под действием входных сигналов, изменяется состояние выходов. Напряжение на выходах изменяется резко – скачкообразно. Для изготовления триггеров обычно используются биполярные, униполярные транзисторы (полупроводниковые приборы).
Информация может записываться в триггеры свободно (непрерывно), то есть при подаче сигналов на вход, состояние выхода меняется в реальном времени. Такие триггеры называются асинхронными . А может информация записываться, только когда активен синхронизирующий сигнал. При отсутствии положительного уровня напряжении на нем, информация на выходах измениться не может – синхронные (тактируемые) триггеры .
RS-триггер именуется так из-за названия его входов:
| R – reset (сбросить); |
| S– set (установить). |
Он оснащен двумя входами, как говорилось, и двумя выходами:
| Q – прямой выход; |
 – инверсный. |
Асинхронный RS -триггер можно реализовать на логических элементах двумя схемами:
| — 2 «ИЛИ-НЕ»; |
| — 2 «И-НЕ». |
Рисунок 1 – Схема асинхронного RS -триггера на логических «2ИЛИ-НЕ» элементах
Первая схема реализована на двух логических ИЛИ-НЕ, по рисунку 1 рассмотрим принцип работы приведенного RS -триггера. В нулевой момент времени, когда ни на один вход (R и S) не подана логическая единица, прямой выход Q =0, соответственно, инверсный =1. Если на вход S подать напряжение, уровень которого будет соответствовать единице, то выход Q скачкообразно изменит свое значение на 1, а на 0. Это произойдет запись информации. Если убрать единицу с “ Set ”, тогда выходы не изменят свое состояние, останутся такими, какими были – проявление свойства памяти. При подаче положительного сигнала на вход сброса, то есть R =1, инверсный выход резко станет равен 1, а прямой Q – 0. В работе RS -триггера есть недостаток: существует запрещенная комбинация . Нельзя одновременно подавать единичные сигналы на оба входа, нормальная работа триггера в этом случае невозможна.
Рисунок 2 — Схема асинхронного RS -триггера на логических «2И-НЕ» элементах
Вторая схема собрана с помощью двух логических элементов И-НЕ. Разница между ними заключается в том, что управление в прошлой схеме осуществлялось положительным сигналом (единицей), а в текущей активный уровень – ноль. Работают обе схемы идентично, поэтому описание принципа действия здесь не требуется.
Работу выше описанных устройств иллюстрирует временная диаграмма:
Рисунок 3 – Временная диаграмма RS-триггера
По вышеприведенному описанию работы триггера составим таблицу истинности («*» — невозможное состояние):
На схемах RS-триггер показывается как отдельное устройство, а не совокупность логических элементов, и имеет свое условное обозначение:
Рисунок 4 – Графическое обозначение асинхронного RS -триггера
Синхронный RS-триггер запоминает значения поданные на S или R вход, только при наличии единицы на С ( Clock ) сигнале – синхронизирующий или тактовый . Он позволяет избежать переходных процессов в схемах, а если быть точнее, переходных состязаний, когда один сигнал на вход может поступить раньше другого, и схема будет работать неправильно. Именно для этого предусмотрен синхронизирующий сигнал, который позволяет «включать» триггер в нужный нам момент времени.
Принцип действия синхронного RS-триггера легко понять по размещенному выше рисунку. Пока на вход С не подана единица, из-за наличия логических блоков ИЛИ, записываться сигналы с S или R входов не будут. При наличии 1 на входе С, работа синхронного триггера от асинхронного ничем не отличается. Составим таблицу истинности, где «крестиком» показывается невозможность записи сигнала, а «*» — запрещенная комбинация:
Графическое представление синхронного RS -триггера:
RS-триггер
Устройство и принцип работы RS-триггера
Одним из важнейших элементов цифровой техники является триггер (англ. Trigger — защёлка, спусковой крючок).
Сам триггер не является базовым элементом, так как он собирается из более простых логических схем. Семейство триггеров весьма обширно. Это триггеры: T, D, C, JK, но основой всех является самый простой RS-триггер.
Без RS триггеров невозможно было бы создание никаких вычислительных устройств от игровой приставки до суперкомпьютера. У триггера два входа S (set) — установка и R (reset) — сброс и два выхода Q-прямой и Q— инверсный. Инверсный выход имеет сверху чёрточку. Триггер бистабильная система, которая может находиться в одном из двух устойчивых состояний сколь угодно долго. На рисунке показан RS-триггер выполненный на элементах 2ИЛИ – НЕ.
Точно так же триггер может быть выполнен и на элементах 2И – НЕ.
Единственная разница это то, что триггер на элементах И – НЕ активируется, то есть переводится в другое состояние потенциалом логического нуля. Триггер, собранный на элементах ИЛИ – НЕ активируется логической единицей. Это определяется таблицей истинности логических элементов. При подаче положительного потенциала на вход S мы получим на выходе Q высокий потенциал, а на выходе Q низкий потенциал. Тем самым мы записали в триггер, как в ячейку памяти, единицу. Пока на вход R не будет подан высокий потенциал, состояние триггера не изменится.
На принципиальных схемах триггер изображается следующим образом.
Два входа R и S, два выхода прямой и инверсный и буква Т означающая триггер.
Хорошо отображает принцип работы RS-триггера несложная схема, собранная на двух элементах 2И – НЕ. Для этого используется микросхема 155ЛА3, которая содержит четыре таких элемента. Нумерация на схеме соответствует выводам микросхемы. Напряжение питания +5V подаётся на 14 вывод, а минус подаётся на 7 вывод микросхемы. После включения питания триггер установится в одно из двух устойчивых состояний.
Исходя из того, что сопротивление переходов транзисторов логических элементов не может быть абсолютно одинаковым, то триггер после включения питания, как правило, принимает одно и то же состояние.
Допустим, после подачи питания у нас горит верхний по схеме светодиод HL1. Можно сколько угодно нажимать кнопку SB1 ситуация не изменится, но достаточно на долю секунды замкнуть контакты кнопки SB2 как триггер поменяет своё состояние на противоположное. Горевший светодиод HL1 погаснет и загорится другой — HL2. Тем самым мы перевели триггер в другое устойчивое состояние.
На данной схеме всё достаточно условно, а на реальном триггере принято считать, что если на прямом выходе «Q» высокий уровень то триггер установлен, если уровень низкий то триггер сброшен.
Основной недостаток рассматриваемого триггера это, то, что он асинхронный. Другие более сложные схемы триггеров синхронизируются тактовыми импульсами общими для всей схемы и вырабатываемые тактовым генератором. Кроме того сложная входная логика позволяет держать триггер в установленном состоянии до тех пор пока не будет сформирован сигнал разрешения смены состояния триггера.
RS-триггер может быть и синхронным, но двух логических элементов для этого мало.
На рисунке изображена схема синхронного RS-триггера. Такой триггер может быть собран на микросхеме К155ЛА3, которая содержит как раз четыре элемента 2И – НЕ. В данной схеме переключение триггера из одного состояния в другое может быть осуществлено только в момент прихода синхроимпульса на вход «C«.
На рассмотренной выше схеме переключение триггера осуществляется с помощью кнопок. Такой вариант используется достаточно часто и именно для кнопочного управления какой-либо аппаратурой. В электронике существует понятие «дребезг контактов» то есть, когда мы нажимаем кнопку, на вход устройства проникает целый пакет импульсов, который может привести к серьёзным нарушениям в работе. Использование RS-триггера позволяет избежать этого.
Благодаря своей простоте и недорогой стоимости RS-триггеры широко применяются в схемах индикации. Часто для повышения надёжности и устранения возможности случайного срабатывания RS-триггер собирается по так называемой двухступенчатой схеме. Вот схема.
Здесь можно видеть два совершенно одинаковых синхронных RS-триггера, только для второго триггера синхроимпульсы инвертируются. Первый триггер в связке называют M (master) — хозяин, а второй триггер называется S (slave) — раб.
Допустим на входе «С» высокий потенциал. М-триггер принимает информацию, но низкий потенциал на входе синхронизации S-триггера блокирует приём информации. После того как потенциал поменялся на противоположный информация из M-триггера записывается в S-триггер, но приём информации в M-триггер блокируется.
Такая двухступенчатая система намного надёжнее обычного RS-триггера. Она свободна от случайных срабатываний.
Для более наглядного изучения работы RS-триггера рекомендую провести эксперименты с RS-триггером.
Что такое триггер, для чего он нужен, их классификация и принцип работы
Триггер – элемент цифровой техники, бистабильное устройство, которое переключается в одно из состояний и может находиться в нем бесконечно долго даже при снятии внешних сигналов. Он строится из логических элементов первого уровня (И-НЕ, ИЛИ-НЕ и т.д.) и относится к логическим устройствам второго уровня.
На практике триггеры выпускаются в виде микросхем в отдельном корпусе или входят в качестве элементов в состав больших интегральных схем (БИС) или программируемых логических матриц (ПЛМ).
Классификация и типы синхронизации триггеров
Триггеры делятся на два больших класса:
- асинхронные;
- синхронные (тактируемые).
Принципиальное различие между ними в том, что у первой категории устройств уровень выходного сигнала меняется одновременно с изменением сигнала на входе (входах). У синхронных триггеров изменение состояния происходит только при наличии сихронизирующего (тактового, стробирующего) сигнала на предусмотренном для этого входе. Для этого предусмотрен специальный вывод, обозначаемый буквой С (clock). По виду стробирования синхронные элементы делятся на два класса:
- динамические;
- статические.
У первого типа уровень выхода меняется в зависимости от конфигурации входных сигналов в момент появления фронта (переднего края) или спада тактового импульса (зависит от конкретного вида триггера). Между появлением синхронизирующих фронтов (спадов) на входы можно подавать любые сигналы, состояние триггера не изменится. У второго варианта признаком тактирования является не изменение уровня, а наличие единицы или нуля на входе Clock. Также существуют сложные триггерные устройства, классифицируемые по:
- числу устойчивых состояний (3 и более, в отличие от 2 у основных элементов);
- числу уровней (также более 3);
- другим характеристикам.
Сложные элементы имеет ограниченное применение в специфических устройствах.
Типы триггеров и принцип их работы
Существует несколько основных типов триггеров. Перед тем, как разобраться в различиях, следует отметить общее свойство: при подаче питания выход любого устройства устанавливается в произвольное состояние. Если это критично для общей работы схемы, надо предусматривать цепи предустановки. В простейшем случае это RC-цепочка, которая формирует сигнал установки начального состояния.
RS-триггеры
Самый распространенный тип асинхронного бистабильного устройства – RS-триггер. Он относится к триггерам с раздельной установкой состояния 0 и 1. Для этого имеется два входа:
- S — set (установка);
- R — reset (сброс).
Имеется прямой выход Q, также может быть инверсный выход Q1. Логический уровень на нём всегда противоположен уровню на Q – это бывает удобно при разработке схем.
При подаче положительного уровня на вход S на выходе Q установится логическая единица (если есть инверсный выход, он перейдет на уровень 0). После этого на входе установки сигнал может меняться как угодно – на выходной уровень это не повлияет. До тех пор, пока единица не появится на входе R. Это установит триггер в состояние 0 (1 на инверсном выводе). Теперь изменение сигнала на входе сброса никак не повлияет на дальнейшее состояние элемента.
Важно! Вариант, когда на обоих входах присутствует логическая единица, является запретным. Триггер установится в произвольное состояние. При разработке схем такой ситуации надо избегать.
RS-триггер можно построить на основе широко распространенных двухвходовых элементов И-НЕ. Такой способ реализуем как на обычных микросхемах, так и внутри программируемых матриц.
Один или оба входа могут быть инверсными. Это означает, что по этим выводам триггер управляется появлением не высокого, а низкого уровня.
Если построить RS-триггер на двухвходовых элементах И-НЕ, то оба входа будут инверсными – управляться подачей логического нуля.
Существует стробируемый вариант RS-триггера. У него имеется дополнительный вход С. Переключение происходит при выполнении двух условий:
- присутствие высокого уровня на входе Set или Reset;
- наличие тактового сигнала.
Такой элемент применяют в случаях, когда переключение надо задержать, например, на время окончания переходных процессов.
D-триггеры
D-триггер («прозрачный триггер», «защелка», latch) относится к категории синхронных устройств, тактируемых по входу С. Также имеется вход для данных D (Data). По функциональным возможностям устройство относится к триггерам с приёмом информации по одному входу.
Пока на входе для синхронизации присутствует логическая единица, сигнал на выходе Q повторяет сигнал на входе данных (режим прозрачности). Как только уровень строба перейдет в состояние 0, на выходе Q уровень останется тем же, что был в момент перепада (защелкнется). Так можно зафиксировать входной уровень на входе в любой момент времени. Также существуют D-триггеры с тактированием по фронту. Они защёлкивают сигнал по положительному перепаду строба.
На практике в одной микросхеме могут объединять два типа бистабильных устройств. Например, D и RS-триггер. В этом случае входы Set/Reset являются приоритетными. Если на них присутствует логический ноль, то элемент ведёт себя как обычный D-триггер. При появлении хотя бы на одном входе высокого уровня, выход устанавливается в 0 или 1 независимо от сигналов на входах С и D.
Прозрачность D-триггера не всегда является полезным свойством. Чтобы её избежать, применяются двойные элементы (flip-flop, «хлопающий» триггер), они обозначаются литерами TT. Первым триггером служит обычная защёлка, пропускающая входной сигнал на выход. Второй триггер служит элементом памяти. Тактируются оба устройства одним стробом.
T-триггеры
T-триггер относится к классу счётных бистабильных элементов. Логика его работы проста – он изменяет своё состояние каждый раз, когда на его вход приходит очередная логическая единица. Если на вход подать импульсный сигнал, выходная частота будет в два раза выше входной. На инверсном выходе сигнал будет противофазен прямому.
Так работает асинхронный Т-триггер. Также существует синхронный вариант. При подаче импульсного сигнала на тактирующий вход и при наличии логической единицы на выводе T, элемент ведёт себя так же, как и асинхронный – делит входную частоту пополам. Если на выводе Т логический ноль, то выход Q устанавливается в низкий уровень независимо от наличия стробов.
JK-триггеры
Этот бистабильный элемент относится к категории универсальных. Он может управляться раздельно по входам. Логика работы JK-триггера похожа на работу RS-элемента. Для установки выхода в единицу используется вход J (Job). Появление высокого уровня на выводе K (Keep) сбрасывает выход в ноль. Принципиальным отличием от RS-триггера является то, что одновременное появление единиц на двух управляющих входах не является запретным. В этом случае выход элемента меняет свое состояние на противоположное.
Если выходы Job и Keep соединить, то JK-триггер превращается в асинхронный счётный Т-триггер. Когда на объединённый вход подаётся меандр, на выходе будет в два раза меньшая частота. Как и у RS-элемента, существует тактируемый вариант JK-триггера. На практике применяются, в основном, именно стробируемые элементы такого типа.
Практическое использование
Свойство триггеров сохранять записанную информацию даже при снятии внешних сигналов позволяет применять их в качестве ячеек памяти ёмкостью в 1 бит. Из единичных элементов можно построить матрицу для запоминания двоичных состояний – по такому принципу строятся статические оперативные запоминающие устройства (SRAM). Особенностью такой памяти является простая схемотехника, не требующая дополнительных контроллеров. Поэтому такие SRAM применяются в контроллерах и ПЛМ. Но невысокая плотность записи препятствует использованию таких матриц в ПК и других мощных вычислительных системах.
Выше упоминалось использование триггеров в качестве делителей частоты. Бистабильные элементы можно соединять в цепочки и получать различные коэффициенты деления. Та же цепочка может быть использована в качестве счетчика импульсов. Для этого надо считывать с промежуточных элементов состояние выходов в каждый момент времени – получится двоичный код, соответствующий количеству пришедших на вход первого элемента импульсов.
В зависимости от типа примененных триггеров, счетчики могут быть синхронными и асинхронными. По такому же принципу строятся преобразователи последовательного кода в параллельный, но здесь используются только стробируемые элементы. Также на триггерах строятся цифровые линии задержки и другие элементы двоичной техники.
RS-триггеры используются в качестве фиксаторов уровня (подавителей дребезга контактов). Если в качестве источников логического уровня применяются механические коммутаторы (кнопки, переключатели), то при нажатии эффект дребезга сформирует множество сигналов место одного. RS-триггер с этим успешно борется.
Область применения бистабильных устройств широка. Круг решаемых с их помощью задач во многом зависит от фантазии конструктора, особенно в сфере нетиповых решений.
Что такое компаратор напряжения и для чего он нужен
Режимы работы, описание характеристик и назначение выводов микросхемы NE555
Что такое операционный усилитель?
Что такое термистор, их разновидности, принцип работы и способы проверки на работоспособность
Что такое диодный мост, принцип его работы и схема подключения
Что такое аттенюатор, принцип его работы и где применяется
RS-триггер. Принцип работы RS-триггера. Схема
RS-триггер представляет собой простейший управляющий автомат, реализованный обычно в виде цифровой электронной схемы, относящийся к классу последовательностных схем. Как известно, в цифровой схемотехнике к функциональным устройствам последовательностного типа относятся регистры, счетчики, генераторы чисел и управляющие автоматы, включая триггеры разных видов.
Место триггеров в цифровой схемотехнике
В отличие от комбинационных логических схем, которые изменяют состояние в зависимости от фактических сигналов, поданных на их входы в определенное время, последовательностные логические имеют некоторую форму присущей им встроенной «памяти», так что они могут учитывать как предыдущее, так и фактическое состояние их входов и выходов. Общая структурная схема последовательностного устройства показана ниже.
RS-триггер как цифровой управляющий автомат включает собственно память и комбинационную схему управления на типовых лигических элементах, реализующую его входной логический алгоритм. Если рассматривать эту схему применительно к простейшим схемам триггеров, то они не имеют структурно выделенной памяти в виде какой-то специализированной микросхемы или схемного узла. Память триггера существует на уровне функции, она словно встроена в алгоритм работы его комбинационной схемы управления. Проявлением этой «памяти» является так называемая бистабильность триггера, выходы которого могут находиться в одном из двух основных состояний: логической единицы (далее — 1) или логического нуля (далее — 0). Установившиеся значения своих выходов триггер запоминает («защелкивает» их) и сохраняет, пока не возникнет очередное изменение его входных сигналов.
Классификация
Если стандартные логические элементы являются строительными блоками комбинационных схем, бистабильные схемы, включая и RS-триггер, являются основными компонентами построения последовательностных логических устройств, таких, как регистры хранения данных, регистры сдвига, устройства памяти или счетчики. В любом случае рассматриваемые триггеры (разумеется, как и все последовательностные схемы) могут быть выполнены в виде следующих основных типов:
1. Асинхронный RS-триггер – схема, которая изменяет состояние сразу при изменении входных сигналов. Для рассматриваемого типа устройств ими являются сигналы на информационных входах R (сброс) и S (установка). Согласно установившейся практике, соответствующие входы называют так же, как и сигналы на них.
2. Синхронный RS-триггер, управляемый статически, работа которого синхронизирована с уровнем определенного тактового сигнала.
3. Триггер по п.2 с динамическим управлением, работа которого синхронизирована с моментами появления фронтов (или спадов) тактового сигнала.
Таким образом, если изменения состояния выходов происходят только при наличии тактового сигнала, который подается на отдельный тактовый вход C, то триггер является синхронным. В противном случае схема считается асинхронной. Чтобы сохранить свое текущее состояние, последовательностные схемы используют обратную связь, т. е. передачу части выходного сигнала на ее вход.
RS-триггер на логических элементах
Простейший способ его сделать – соединить вместе пару двухвходовых логических элементов И-НЕ. При этом обратная связь с выхода одного элемента подается на вход другого (см. схему ниже).
Как правило, в данной схеме входные сигналы показывают инверсными (с верхним подчеркиванием), хотя в дальнейшем при анализе работы используют обозначения прямых (неинвертированных) входов. Это сильно затрудняет понимание логики работы триггера. Поэтому мы не будем вводить инвертирование входов на этапе рассмотрения работы схемы на элементах И-НЕ, а учтем это в дальнейшем при ее модификации.
Сколько входов и выходов имеет RS-триггер? Из схемы выше видно, что он содержит S-вход и R-вход, которые служат, соответственно, для установки и сброса схемы, а также прямой Q и инверсный Q̃ выходы. Но данный простейший триггер относится к виду асинхронных, его условное обозначение показано ниже.
В синхронном устройстве имеется еще и вход C для тактовых импульсов.
Состояние «Установлен»
Рассмотрим, как происходит работа RS-триггера в этом состоянии, задаваемом значениями R = 0 и S = 1. Поскольку на вход R элемента И-НЕ Y подан уровень 0, то Q̃ =1 (логика И-НЕ). С выхода Y сигнал Q̃ также подан обратно на элемент X (вход «A»). Поскольку S = A = 1, то Q = 0.
Если устанавливается R = 1, а вход S по-прежнему равен 1, то на входах Y имеем B = 0 и R = 1, а его выход Q̃ =1, т. е. он не изменился. Итак, если S = 1, то RS-схема триггера «защелкивается» в состоянии «Установлен» Q = 0 и Q̃ = 1, а смена сигнала R его не изменяет.
Состояние «Сброшен»
В этом втором устойчивом состоянии Q̃ = 0, а Q = 1, и задается оно входами R = 1 и S = 0. Поскольку у элемента Х вход S = 0, то его выход Q =1 (логика И-НЕ). Сигнал Q подается обратно на элемент Y (вход «В»), и так как R = B = 1, то Q̃ = 0.
Если S становится равен 1 при R = 1, то Q̃ остается равен лог 0, т. е. он не изменяется. Итак, при R =1 схема триггера снова «защелкивается» в состоянии «Сброшен» Q̃ = 0 и Q = 1, сохраняемом при любом сигнале S.
Сводим результаты в таблицу
Мы можем определить состояние сигналов Q и Q̃ по следующей таблице истинности:
| Состояние | S | R | Q | Q̃ | Описание |
| Установка | 1 | 0 | 0 | 1 | Выход Q̃ =1 |
| 1 | 1 | 0 | 1 | без изменений | |
| Сброс | 0 | 1 | 1 | 0 | Выход Q̃ =0 |
| 1 | 1 | 1 | 1 | без изменений | |
| Недопустимое | 0 | 0 | 1 | 1 | состояние ошибки |
Видно, что когда S = R = 1, то Q и Q̃ могут быть равны как 1, так и 0 (но не одновременно!) в зависимости от уровней входов S или R перед возникновением данного состояния выходов. Таким образом, при условии S = R = 1 нельзя изменить состояние выходов Q и Q̃. Оно может измениться только при смене уровня с 1 на 0 на одном из входов.
Значение S = R = 0 является нежелательным или недопустимым состоянием, и его следует избегать. Состояние S = R = 0 вызывает установку обоих выходов Q и Q̃ на уровне 1, в то время как состояние Q̃ всегда должно быть обратно Q. Результатом является то, что триггер теряет контроль над Q и Q̃, и если два входа теперь перейдут к состоянию 1, то схема становится неустойчивой и переключается в неопределенное состояние.
Диаграмма переключения RS-триггера
Сказанное в предыдущем разделе иллюстрирует следующая диаграмма переключения.
Как видно, при S = R = 0 возникает дисбаланс (неопределенность) состояния выходов. Он может привести к переключению одного из выходов быстрее, чем другого, в результате чего произойдет переключение триггера в то или иное состояние, которое может не совпадать с требуемым, и данные будут повреждены. Это неустойчивое состояние обычно называют мета-стабильным.
Таким образом, подобный триггер-защелка может быть переведен в состояние «Установлен» путем подачи 0 на его S-ввод (при наличии 1 на R-вводе) и переведен в состояние «Сброшен» подачей 0 на R-ввод (при наличии 1 на S-вводе). Триггер входит в неопределенное состояние (мета-стабильное), если на оба его входа одновременно подается уровень 0.
Переключение состояния выходов происходит с небольшой задержкой относительно изменения сигнала на одном из входов без использования тактового сигнала. Следовательно, рассмотренная выше схема представляет асинхронный RS-триггер.
Модифицируем схему триггера
Как мы видели выше, базовые элементы И-НЕ рассмотренного RS-триггера работают так, что при его установке Q̃ = 1 и Q = 0, а при его сбросе Q̃ = 0 и Q = 1, хотя логичнее было бы в первом состоянии иметь Q = 1, а во втором — Q = 0. При этом еще и получается, что смена состояний происходит при падении уровня сигнала с 1 до 0.
Таким образом, для правильной работы схемы триггера его входные сигналы нужно проинвертировать. Тогда переключения его состояний будут происходить при подаче положительных входных сигналов. Для этого в схему нужно добавить два дополнительных И-НЕ элемента, присоединенных как инверторы к S̃- и R̃-входам, как показано на рисунке ниже. Здесь на входах элементов И-НЕ уже представлены инверсные входные сигналы.
Так же, как и с использованием И-НЕ элементов, можно построить простой RS-триггер с использованием двух ИЛИ-НЕ элементов, соединенных по такой же схеме. Она будет работать аналогичным образом, как и рассмотренная выше схема И-НЕ. При этом активным является высокий уровень сигналов на входах, а недопустимое состояние возникает, когда на оба входа подан уровень логической «1», как это показано в таблице истинности на рисунке ниже.
Как синхронизировать работу триггера
Иногда желательно в последовательностных логических схемах иметь бистабильный триггер, изменяющий свое состояние, когда соблюдены определенные условия, независимо от состояния S- или R-входов. Такая схема может быть создана подключением двухвходного элемента И последовательно с каждого входом триггера. Объединив два входа элементов И, получим новый вход триггера. Добавление его означает, что выходы Q и Q̃ изменяют состояние, когда сигнал на нем является высоким, и, следовательно, он может быть использован в качестве тактового C-ввода, как показано на рисунке ниже.
Когда сигнал на С-входе находится на уровне 0, то выходы двух элементов И — также на уровне 0 (логика элемента И), независимо от состояния двух входов S и R, а два выхода Q и Q̃ «защелкнуты» в последнем установившемся состоянии. Когда сигнал на С-входе изменяется на уровень 1, то схема отвечает как обычный бистабильный триггер, становясь прозрачной для установки и сброса состояний.
Этот дополнительный C-вход также может быть подключен к выходу генератора тактовой частоты синхронизации, образуя тогда синхронный RS-триггер. Таким образом, данная схема работает как стандартная бистабильная триггерная «защелка», но выходы активируются только тогда, когда уровень 1 подан на C-вход, и отключаются при появлении уровня логического нуля.
Регистры на триггерах
RS-триггер способен сохранять 1 бит цифровой информации. Если необходимо хранить несколько бит, например, цифровое двоичное слово из нескольких двоичных разрядов (в микроконтроллерах обычно 8 или 16), то триггеры могут соединяться параллельно, образуя регистры. Это простейшие устройства для временного хранения набора двоичных цифровых разрядов, в которых каждый триггер сохраняет значение одного разряда (0 или 1. т. е. один бит). Так, показанный ниже 4-разрядный регистр на RS-триггерах содержит четыре отдельных триггера.
Любое двоичное число от (0000)2 до (1111)2 может быть сохранено в этом регистре просто путем установки или сброса соответствующего триггера. Давайте предположим, что первый триггер установлен (Q1 = 1), второй сброшен (Q2 = 0), третий также сброшен (Q3 = 0), а четвертый установлен (Q4 = 1). Тогда двоичное число, записанное в регистр, будет (1001)2.
Кроме параллельных регистров, предназначенных для хранения цифровых слов, на RS-триггерах делаются и так называемые регистры сдвига, в которых разряды цифрового слова последовательно с приходом каждого тактового импульса сдвигаются влево или вправо на один разряд. Схема такого устройства на синхронных триггерах показана ниже.
Подобные регистры находят применение в схемах последовательных интерфейсов, когда поступающие из управляющего контроллера цифровые слова побитно передаются в линию связи.
Логические микросхемы. Часть 7. Триггеры. RS — триггер
Электронные устройства с двумя устойчивыми состояниями на выходе называются триггерами. В одно из устойчивых состояний триггер переводится входными импульсами.
Подобная формулировка дается, как правило, во всей технической литературе. Для того, кто столкнулся с нею в первый раз, она может быть не совсем понятна. Какие же это два состояния, и почему их называют устойчивыми?
Проще всего это объяснить на простом и доступном примере. Достаточно близким и понятным аналогом может служить обычная лампочка с выключателем. Здесь налицо два состояния: горит – не горит. Для триггера эти состояния высокий уровень, низкий уровень. Также иногда говорят, включен – выключен, установлен – сброшен.
Для того, чтобы зажечь или погасить лампочку, достаточно лишь прикоснуться к выключателю. Чтобы лампочка продолжала гореть вовсе не обязательно удерживать выключатель пальцем: лампочка будет гореть сколь угодно долго.
Другими словами она находится в устойчивом состоянии. Вывести ее из этого состояния, можно только выключив, при помощи все того же выключателя. Или, иначе говоря, перейти к другому устойчивому состоянию. Это состояние также будет устойчивым, то есть сохраняется сколь угодно долго, до тех пор, пока ее не включат.
В качестве другого похожего примера можно вспомнить обычный магнитный пускатель с двумя кнопками: нажали черную кнопку – электромотор включился, нажали красную – выключился. При этом следует обратить внимание на то, что повторное нажатие кнопки «Пуск» (если двигатель уже включен) ни в коем случае не увеличит его частоту вращения. В точности так же можно нажимать кнопку «Стоп», когда мотор остановлен: это просто подтверждение состояния «Стоп».
В этих примерах явно просматривается импульсный характер входного сигнала (нажатие выключателя или кнопки). Также налицо два состояния «включено – выключено», каждое из которых является устойчивым: продолжается до тех пор, пока не будет воздействия входного сигнала. Наиболее близким к рассмотренным примерам является RS – триггер.
RS – триггер
Из всех видов триггеров RS – триггер, как по принципу действия, так и по схемотехнике самый простой. Раньше, когда триггеры выполнялись на дискретных деталях (транзисторы, резисторы, конденсаторы, диоды) говорили, что триггер это двухкаскадный усилитель, охваченный положительной обратной связью. Этот вариант мы рассматривать не будем.
Достаточно простым получается триггер из логических элементов 2И – НЕ микросхемы К155ЛА3. Схема такого триггера показана на рисунке 1.
Рисунок 1. RS – триггер на элементах 2И – НЕ.
Триггер получается путем перекрестных обратных связей с выхода на вход между двумя логическими элементами. Такой триггер имеет два выхода и два независимых входа. Один из входов (верхний по схеме) называется S от английского SET – установить, другой вход носит название R от английского RESET – сбросить. Часто эти входы и соответственно сигналы называют просто включить и выключить.
Кроме двух входов RS – триггер имеет два выхода. Чаще всего выходы обозначаются на схемах буквой Q. Один из выходов носит название прямой, а другой выход инверсный. Буква Q обозначающая инверсный выход сверху подчеркнута. Допускается также обозначение /Q или –Q. На нашей схеме прямой выход это 3 вывод элемента DD1.1, а инверсный выход – вывод 6 элемента DD1.2.
В качестве входных сигналов используются просто кнопки, нажатием которых триггер переводится в соответствующее состояние. В реальных схемах входные сигналы могут подаваться с выходов микросхем. Для проведения учебных опытов кнопки можно заменить просто отрезком провода.
Сразу следует заметить, что в данной схеме все условно: входные сигналы не принадлежат конкретным ножкам микросхемы, как указано на схеме. В данном случае R и S можно поменять местами, при этом изменится и расположение прямого и инверсного выходов. Здесь все просто зависит от фантазии разработчика конкретной схемы.
Для индикации состояния триггера используются два светодиода: один из них светится, когда на выходе состояние высокого уровня. Другой же будет погашен. Светодиоды можно и не устанавливать, состояние выходов триггера можно проконтролировать обычным вольтметром, хотя это будет не очень удобно и наглядно.
После того, как схема собрана на макетной плате, следует проверить правильность монтажа, после чего включать. При включении зажжется один из светодиодов. Какой именно, заранее сказать нельзя, так как все определяется нестабильными переходными процессами при включении и разбросом параметров логических элементов.
Предположим, что засветился светодиод HL1, что говорит о том, что на прямом выходе триггера Q высокий уровень. В этом случае говорят, что триггер установлен. На инверсном выходе /Q будет соответственно низкий уровень (уровень сигнала на инверсном выходе всегда противоположен уровню на прямом выходе).
Все рассуждения о состоянии триггера ведутся относительно состояния прямого выхода. Если на прямом выходе высокий уровень, триггер установлен (включен, находится в единичном состоянии), а если на прямом выходе низкий уровень, то считается, что триггер сброшен (выключен, в нулевом состоянии). Как уже было сказано выше состояние инверсного выхода всегда противоположно прямому.
Итак при включении питания зажегся светодиод HL1, что говорит о высоком уровне на прямом выходе. Светодиод HL2 будет погашен – триггер находится в единичном состоянии.
Если в таком состоянии триггера нажать на кнопку SB1, то ничего не произойдет — будет продолжать светиться светодиод HL1 а HL2 погашен. Таким образом, нажатие кнопки SB1 просто подтвердило единичное состояние триггера.
Вывести триггер из этого состояния можно только нажатием на кнопку SB2: светодиод HL1 погаснет, а HL2 начнет светиться. Как и в предыдущем случае повторное нажатие или длительное удержание кнопки SB2 этого состояния не изменить не сможет. В этом состоянии схема будет оставаться сколь угодно долго, а именно до нажатия кнопки SB1, либо до выключения питания.
А что произойдет, если нажать обе кнопки сразу? Страшного ничего, не считая того, что состояние триггера будет неопределенным, так как на обоих выходах присутствует уровень логической единицы. По логике работы триггера такое состояние считается запрещенным, поэтому оно недопустимо.
Если на обоих входах присутствует уровень логической единицы, то состояние триггера не меняется. Этот режим называется режимом хранения информации. Поэтому RS – триггер часто применяется в запоминающих устройствах, например в микросхемах статического ОЗУ разных типов.
Весь этот рассказ представлен в таблице истинности RS – триггера, показанной на рисунке 1б. Подобный вариант RS – триггера называется асинхронным, поскольку не требует каких либо дополнительных сигналов, разрешающих или запрещающих работу RS входов.
Достаточно часто RS – триггер используется в качестве подавителя дребезга механических контактов, если требуется подсчитать количество импульсов с помощью электронного счетчика. Такие счетчики также выполняются на триггерах. Как правило, это D или JK триггеры, о которых будет рассказано в следующей части статьи.
Любите умные гаджеты и DIY? Станьте специалистом в сфере Internet of Things и создайте сеть умных гаджетов!
Записывайтесь в онлайн-университет от GeekBrains:
Изучить C, механизмы отладки и программирования микроконтроллеров;
Получить опыт работы с реальными проектами, в команде и самостоятельно;
Получить удостоверение и сертификат, подтверждающие полученные знания.
Starter box для первых экспериментов в подарок!
После прохождения курса в вашем портфолио будет: метостанция с функцией часов и встроенной игрой, распределенная сеть устройств, устройства регулирования температуры (ПИД-регулятор), устройство контроля влажности воздуха, система умного полива растений, устройство контроля протечки воды.
Вы получите диплом о профессиональной переподготовке и электронный сертификат, которые можно добавить в портфолио и показать работодателю.