Интегральные триггеры
4. Интегральнье триггеры
Триггеры – электронные схемы, имеющие два устойчивых состояния, которые устанавливаются при подаче соответствующей комбинации сигналов на управляющие входы триггера и сохраняются после окончания действия этих сигналов.
4.1 Классификация триггеров
Классификация триггеров, описанных в данной главе, приведена на рис. 4.1.
Рекомендуемые материалы
Рис. 4.1 Классификация триггеров.
4.2 Основные типы триггеров
Триггеры представляют собой простейшие последовательностные устройства. Они широко используются во многих узлах электронной аппаратуры в виде самостоятельных изделий или в качестве базовых элементов для построения других, более сложных приборов (счетчиков, регистров, запоминающих устройств).
К триггерам относят большой класс устройств, общим свойством которых является способность длительно оставаться в одном из двух (или нескольких) возможных устойчивых состояний и скачком чередовать их под воздействием внешних сигналов. Каждое состояние легко распознается по значению выходных напряжений.
Одно из основных применений триггеров — запоминание информации. Под памятью триггера подразумевают способность оставаться в заданном состоянии и после прекращения действия переключающего сигнала. Приняв одно из состояний за 1, а другое — за 0, можно считать, что триггер хранит (помнит) один разряд числа, записанного в двоичном коде.
Понятие «триггер» охватывает много видов устройств, которые существенно различаются между собой по выполняемым функциям, схемному исполнению, способам управления, электрическим и конструктивным параметрам.
В простейшем исполнении триггер представляет собой симметричную структуру из двух логических элементов ИЛИ—НЕ либо И—НЕ, охваченных перекрестной положительной обратной связью.
Такие триггеры называют симметричными. Схема симметричного триггера на основе логических элементов ИЛИ —НЕ показана на рисунке 4.2. Этот триггер (бистабильная ячейка, ячейка памяти, асинхронный RS-триггер) обладает двумя устойчивыми состояниями, которые обеспечиваются за счет связи выхода каждого элемента с одним из входов другого. Свободные входы служат для управления и называются информационными или логическими.
 |
Рис. 4.2. Схема симметричного триггера на основе логических элементов ИЛИ —НЕ
Симметрия схемы не означает симметрии электрических режимов обоих каскадов. За счет перекрестного соединения выходов и входов создаются условия, при которых при отсутствии входных сигналов один из логических элементов будет заперт, а другой — открыт.
В современной микроэлектронике триггеры используются, как правило, в виде системы, состоящей из собственно триггера по типу описанных выше, играющих роль ячейки памяти (ЯП), и устройства управления (УУ) (рис. 4.3).
Рис. 4.3. Общая структура триггера.
Устройство управления представляет собой комбинационное устройство, преобразующее входную информацию в комбинацию сигналов, под воздействием которых собственно триггер принимает одно из двух устойчивых состояний.
Характерная черта триггерных систем в интегральном исполнении: собственно триггер и устройство управления составляют единый функциональный узел и в схемном и в конструктивном отношении.
Главная роль в формировании свойств триггерной системы принадлежит управляющему устройству. В схемном отношении устройства управления отличаются большим разнообразием. Логическая структура управляющего устройства, число и назначение входов, обратные связи с выхода ячейки памяти на входы — все это определяет функциональные свойства триггерной системы в целом. Изменяя схему устройства управления и способы ее связей с ячейкой памяти, можно получить триггеры с разными функциональными свойствами. В простейшем варианте управляющее устройство может отсутствовать.
Входные сигналы в зависимости от выполняемой роли подразделяются на три категории: информационные (логические), подготовительные (разрешающие) и исполнительные (командные).
Сигналы на информационных входах определяют информацию, которая будет записана в триггер. Роль подготовительных и исполнительных сигналов — вспомогательная: с помощью подготовительных сигналов можно в нужный момент прервать действие триггера или группы триггеров, сохранив информацию на выходе. Исполнительные сигналы задают момент приема входной информации триггером и служат для синхронизации работы ряда устройств, образующих функциональный узел. Эти сигналы часто так и называют — синхронизирующими или тактовыми.
Входы триггера по характеру входных сигналов подразделяются на те же три категории: информационные (логические), предустановки (подготовительные) и тактовые (синхронизирующие). Информационные входы имеются у всех триггеров, тогда как подготовительные и тактовые могут отсутствовать.
Сигналы, связанные с определенными выводами триггера, для удобства принято обозначать теми же метками, что и выводы, но с указанием номера такта. Например, выражение Jn=Kn=l означает, что на входах J и К сигналы имеют значения, соответствующие логической единице, а из формулы Qn+1==Dn следует, что на выходе Q сигнал в такте n+1, т. е. после срабатывания триггера, принимает значение, бывшее на входе D, в такте n (до срабатывания).
Поскольку функциональные свойства триггера определяются их входной логикой, названия основных входов переносят на все изделие. Помимо RS-триггеров широко применяются JK, D(DV)- и T (TV)-триггеры. Тип триггера определяется функциональной зависимостью между сигналами на входах и выходах. Эта зависимость может быть выражена разными способами: временными диаграммами, характеристическими уравнениями, таблицами внешних переходов (таблицами состояний), графами переходов,
4.2.1. Асинхронные и синхронные триггеры.
Независимо от способа организации логических связей триггеры различаются по способу ввода информации и по этому признаку могут быть асинхронными и синхронными.
У асинхронных триггеров имеются только информационные (логические) входы. Асинхронные триггеры отличает свойство срабатывать непосредственно за изменением сигналов на входах, не считая времени задержки в элементах, образующих триггер.
У синхронных триггеров смены сигналов на входах еще недостаточно для срабатывания. Необходим дополнительный командный импульс, который подается на синхронизирующий, или, как его чаще называют, тактирующий, вход. Синхронизирующие (тактирующие) сигналы вырабатываются специальным генератором тактовых импульсов, которые и задают частоту смены информации в дискретные моменты времени - tl, t2,..., tn-1, tn, tn+l. В эти же моменты обновляется информация на выходах триггера, которая поступает на входы последующих устройств. Синхронизация обеспечивает привязку сигналов ко времени и объединяет в общем ритме работу многих узлов аппаратуры.
Основной недостаток асинхронных триггеров, ограничивающий их использование в быстродействующей аппаратуре,— незащищенность перед опасными состязаниями сигналов. Явление состязаний, или, как его еще называют, гонок, состоит в том, что сигналы, поступающие на разные информационные входы триггера, проходят по разным цепям, пройдя различное число элементов. Вследствие задержек распространения между сигналами возможны временные сдвиги, которые будут меняться с колебаниями температуры, и по мере старения, деталей. Состязания сигналов могут оказаться причиной ложных срабатываний триггера. Тактированием этот недостаток удается устранить.
Синхронные триггеры сравнительно с асинхронными обладают также более высокой помехоустойчивостью. Опрокидывание синхронных триггеров происходит только при участии тактовых импульсов, длительность которых гораздо меньше их периода. В остальное время на входные сигналы, равно как и помехи различного происхождения, триггер не реагирует. При асинхронном же управлении опрокидывание может произойти как от полезного сигнала на входе, так и от помехи. Асинхронный триггер по большей части используют в качестве ключей, прерывателей, делителей частоты, асинхронных счетчиков и т.п. В вычислительной и цифровой технике, связанной с обработкой и преобразованием информации, почти везде используются синхронные системы.
4.2.2. Способы управления триггерами.
В зависимости от того, какой параметр входных сигналов используют для записи информации, триггеры подразделяются на три категории: со статическим управлением записью (управляемые по уровню входного сигнала), с динамическим управлением (управляемые по фронту или срезу) и двухступенчатые триггеры.
Для асинхронных триггеров в качестве управляющих служат сигналы на информационных входах. Применительно к синхронным триггерам управляющим сигналом служит тактовый импульс, так как считается, что к его приходу смена сигналов на информационных входах уже завершилась.
Триггер со статическим управлением срабатывает в момент, когда входной сигнал достигает порогового уровня (рис. 4.4,а). Это простейший вид управления.
а) б) в)
Рис. 4.4. Способы управления триггерами
Специфика синхронных триггеров со статическим управлением такова, что в продолжение времени действия тактового импульса смена сигналов на информационных входах вызывает новые срабатывания. Другими словами, синхронные триггеры со статическим управлением при активном состоянии тактового входа ведут себя подобно асинхронным. Во многих случаях это свойство является недостатком, так как может оказаться причиной нарушений в работе.
От этого свободны триггеры с динамическим и двухступенчатым управлением. Триггеры с динамическим управлением в зависимости от схемы исполнения реагируют на перепад напряжения от нуля к единице (активный фронт) либо от единицы к нулю (активный срез управляющего импульса) (рис. 4.4 б, в), т.е. сигналы, поступающие на динамический вход, воспринимаются только в те моменты времени, когда их состояние изменяется определенным образом. Триггеры, управляемые срезом входного сигнала, или, как их еще называют, триггеры с внутренней задержкой, широко применяются на практике. Возможность задержки момента опрокидывания триггера на время, равное длительности тактового импульса, эффективно используется при обработке информации, позволяя производить по фронту тактовых импульсов считывание информации, а по срезу — запись.
В зависимости от комбинации управляющих сигналов Х (рис. 4.3), вызывающих изменение состояния, триггеры подразделяются на несколько функциональных типов. Тип триггера определяется по его таблице состояний, которые указывают значение выходного сигнала Qn+1 после переключения триггера (в момент tn+1) в зависимости от значений управляющих сигналов Х и выходного сигнала Qn до переключения триггера (в момент времени tn). В микросхемотехнике наиболее часто используются триггеры RS-, JK-, D-типов и некоторые их разновидности. Буквами R и S, J и K, T, D и другими принято обозначать управляющие входы (Х) триггеров соответствующих типов.
Таблица состояний Таблица состояний Таблица состояний
RS-триггера JK-триггера D-триггера
| D | Qt+1 |
| 0 | 0 |
| 1 | 1 |
| J | K | Qt+1 |
| 0 | 0 | Qt |
| 0 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 1 |
| 1 | 1 |
|
| R | S | Qt+1 |
| 0 | 0 | Qt |
| 0 | 1 | 1 |
| 1 | 0 | 0 |
| 1 | 1 | × |
4.3 Словари переходов
Структурное проектирование устройств последовательного типа наиболее просто выполняется с помощью словарного метода. При этом используются словари переходов триггеров, на основе которых будет строиться проектируемый узел. Так как в цифровых микросхемах чаще всего используются RS- JK- D-триггеры и реже D-триггеры, то определим их словари переходов.
Таблица 4.1
Словари переходов основных типов триггеров
| FQ | RS | JK | T | D | ||
| S | R | J | K | |||
| 0 | 0 | × | 0 | × | 0 | 0 |
| 1 | × | 0 | × | 0 | 0 | 1 |
| ∆ | 1 | 0 | 1 | × | 1 | 1 |
|
| Информация в лекции "Этапы управленческого решения" поможет Вам. 0 | 1 | × | 1 | 1 | 0 |
