Синхронные RS-триггеры

Триггеры

Триггеры — это устройства с двумя состояниями. Они предназначены для запоминания двоичной информации. Использование триггеров позволяет реализовывать устройства оперативной памяти (то есть памяти, информация в которой хранится только на время вычислений). Однако это не единственная их область применения. Триггеры широко используются для построения цифровых устройств с памятью, таких как счётчики, преобразователи последовательного кода в параллельный, последовательные порты или цифровые линии задержки, применяемые в составе цифровых фильтров.

Следует отметить, что выпускникам ВУЗов, не знающим принципы работы триггеров, достаточно сложно найти работу. Поэтому изучению данного материала следует уделить особое внимание. Простейшая схема триггера, позволяющая запоминать двоичную информацию, может быть построена на двух логических инверторах, охваченных положительной обратной связью. Она приведена на рисунке 1.

Рисунок 1. Схема простейшего триггера, построенного на инверторах

В схеме любого триггера может быть только два состояния — на выходе Q присутствует логическая единица и на выходе Q присутствует логический ноль. Если логическая единица присутствует на выходе Q, то на инверсном выходе триггера будет присутствовать логический ноль, который после очередного инвертирования подтверждает уровень логической единицы на выходе Q. И наоборот, если на выходе триггера Q присутствует логический ноль, то на инверсном выходе будет присутствовать логическая единица.

Описанная ситуация на выводах триггера будет сохраняться до тех пор пока включено питание. Но вот вопрос — а как записывать в простейший триггер необходимую нам информацию? Для этого в схеме потребуются входы записи нуля и записи единицы.

RS-триггеры

RS-триггер получил название по названию своих входов. Вход S (Set — установить англ.) позволяет устанавливать выход Q в единичное состояние. (Устанавливать означает записывать логическую единицу). Вход R (Reset — сбросить англ.) позволяет сбрасывать выход Q (Quit — выход англ.) в нулевое состояние.

Для реализации RS-триггера воспользуемся логическими элементами "2И-НЕ". Его принципиальная схема, реализованная на логических элементах "2И-НЕ", приведена на рисунке 2.

Рисунок 2. Схема RS-триггера на логических элементах "2И-НЕ". Входы R и S инверсные (активный уровень'0')

Рассмотрим работу изображенной на рисунке 2 схемы триггера 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 триггера 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 уровнях на входах R и S, схема RS-триггера работает точно так же, как и схема триггера на инверторах.

Подадим на вход S триггера нулевой потенциал. Согласно таблице истинности логического элемента "2И-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 триггер и логический ноль. Для этого следует воспользоваться входом R. Так как активный уровень на входах триггера оказался нулевым, то эти входы — инверсные. Составим таблицу истинности RS-триггера. Входы R и S в этой таблице будем использовать прямые, то есть 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 (триггером) R=S=0
0	0	1	1
0	1	0	1	Режим установки триггера в единичное состояние S=1
0	1	1	1
1	0	0	0	Режим записи нуля в триггер 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 "2ИЛИ-НЕ". Схема RS-триггера, построенного на логических элементах "2ИЛИ-НЕ" приведена на рисунке 3. Единственное отличие в работе этой схемы триггера будет заключаться в том, что его сброс и установка будет производиться единичными логическими уровнями. Эти особенности реализации схемы триггера связаны с принципами работы инверсной логики, которые рассматривались ранее.

Рисунок 3. Схема простейшего RS триггера на логических элементах "2ИЛИ-НЕ". Входы R и S прямые (активный уровень '1')

Так как RS-триггер при построении его на логических элементах "2И-НЕ" и "2ИЛИ-НЕ" работает одинаково, то его условно-графическое изображение на принципиальных схемах тоже одинаково. Условно-графическое изображение RS-триггера на принципиальных схемах приведено на рисунке 4.

Рисунок 4. Условно-графическое обозначение RS-триггера

Для измерения логических уровней на выходе триггера чаще всего применяются логические пробники, в качестве которых в простейшем случае можно использовать светодиод с токоограничивающим резистором. В качестве источника логического сигнала можно применить механические тумблеры.

 

Синхронные RS-триггеры

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 в триггерах 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 триггерами. Для того чтобы отличать от них рассмотренные ранее варианты триггеров (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 "И". Принципиальная схема синхронного RS-триггера приведена на рисунке 5.

Рисунок 5. Схема синхронного RS-триггера, построенного на элементах "И"

В таблице 2 приведена таблица истинности синхронного RS-триггера. 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 принцип их 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 триггеры обычно изображаются в виде условно-графических обозначений. Условно-графическое обозначение синхронного RS-триггера приведено на рисунке 6.

Рисунок 6. Условно-графическое обозначение синхронного RS-триггера

D-триггеры

В RS-триггерах для записи логического нуля и логической единицы требуются разные входы, что не всегда удобно. При записи и хранении данных один бит может принимать значение, как нуля, так и единицы. Для его передачи достаточно одного провода. Как мы уже видели ранее, сигналы установки и сброса триггера не могут появляться одновременно, поэтому можно объединить эти входы при помощи инвертора, как показано на рисунке 7.

Рисунок 7. Принципиальная схема D триггера (защелки)

Такой триггер получил название D триггер. Название происходит от английского слова delay — задержка. Конкретное значение задержки определяется частотой следования импульсов синхронизации. Условно-графическое обозначение D триггера на принципиальных схемах приведено на рисунке 8.

Рисунок 8. Условно-графическое обозначение D триггера (защелки)

Таблица истинности D триггера достаточно проста, она приведена в таблице 3. Как видно из этой таблицы, данный триггер способен запоминать по синхросигналу и хранить один бит двоичной информации.

Таблица 3. Таблица истинности D триггера

С	D	Q(t)	Q(t+1)	Пояснения
0	x	0	0	Режим хранения информации
0	x	1	1
1	0	x	0	Режим записи информации
1	1	x	1

Нужно отметить, что отдельный инвертор при реализации триггера на ТТЛ элементах не нужен, так как самый распространённый элемент ТТЛ логики - это “2И-НЕ”. Принципиальная схема D триггера на элементах 2И-НЕ” приведена на рисунке 9.

Рисунок 9. Схема D триггера, реализованная на ТТЛ элементах

Ещё проще реализуется D триггер на КМОП логических элементах. В КМОП микросхемах вместо логических элементов "И" используются обычные транзисторные ключи. Схема D триггера приведена на рисунке 10.

Рисунок 10. Схема D триггера, реализованная на КМОП элементах

При подаче высокого уровня синхросигнала C транзистор VT1 открывается и обеспечивает передачу сигнала с входа D на инверсный выход Q через инвертор D1. Транзистор VT2 при этом закрыт и отключает второй инвертор, собранный на транзисторах VT2 и VT3. При подаче низкого потенциала на вход C включается второй инвертор, который вместе с инвертором D1 и образует триггер.

Во всех рассмотренных ранее схемах синхронных триггеров синхросигнал работает по уровню, поэтому триггеры называются триггерами, работающими по уровню. Ещё одно название таких триггеров, пришедшее из иностранной литературы — триггеры-защёлки. Легче всего объяснить происхождение этого названия по временной диаграмме сигналов, приведенной на рисунке 11.

Рисунок 11. Временная диаграмма D триггера (защелки)

По этой временной диаграмме видно, что триггер-защелка хранит данные на выходе только при нулевом уровне на входе синхронизации. Если же на вход синхронизации подать активный высокий уровень, то напряжение на выходе триггера будет повторять напряжение, подаваемое на его вход.

Входное напряжение запоминается только в момент изменения уровня напряжения на входе синхронизации C с высокого уровня на низкий уровень. Входные данные как бы "защелкиваются" в этот момент, отсюда и название — триггер-защелка.

Принципиально в этой схеме входной переходной процесс может беспрепятственно проходить на выход триггера. Поэтому там, где это важно, необходимо сокращать длительность импульса синхронизации до минимума. Чтобы преодолеть такое ограничение были разработаны триггеры, работающие по фронту.