Материал: Элементы систем автоматического управления. Кириллов Ю.В

13. Последовательностные цифровые устройства: триггеры, счетчики, память.

13.1. Триггеры

Триггеры являются простейшими, элементарными конечными (цифровыми) автоматами, обладающими памятью. В более сложных дискретных устройствах они служат для хранения одного разряда двоичных чисел (одного бита информации). Практически все последовательностные устройства выполняются на основе триггеров. Триггер, как конечный автомат, характеризуется следующими свойствами:

- на входах возможное число внутренних состояний—два (единица или нуль), что соответствует одной внутренней переменной, обозначаемой для триггеров обычно буквой Q;

-число выходных переменных у - одно; значение переменной y совпадает со значением Q, т.е.

у^t+1=Q^t+1 , (13.1)

-число входных переменных x зависит от типа триггера.

Наряду с выходом Q, называемым прямым, триггер имеет инверсный выход Q` . Состояние триггера определяется значением прямого выхода Q. Говорят, что триггер находится в единичном состоянии, если Q = 1, и в нулевом, если Q=0. Изменение состояния триггеров под действием входных сигналов происходит скачкообразно. Само название «триггер» происходит от английского слова «trigger» - спусковой крючок (курок) огнестрельного оружия, поэтому к триггерам часто применяют выражение «взводить», т.е.устанавливать его в единичное состояние, и «спускать, сбрасывать» при переводе его в нулевое состояние.

Разработано большое число типов триггеров, которые по функциональному признаку можно разделить на четыре основных типа:

-триггеры с двумя установочными входами-RS-триггеры. Вход R сбрасывает триггер в нулевое состояние («reset» -сбрасывать), а вход S устанавливает в единицу («set» - устанавливать);

-триггеры задержки с одним входом - D-триггеры («delay» -задержка);

-триггеры с одним счетным входом - T-триггеры;

-универсальные триггеры с несколькими входами.

Как и любые конечные автоматы, триггеры могут быть асинхронными и синхронными (тактируемыми). В асинхронных изменение состояния происходит непосредственно с приходом входного сигнала, а в синхронных -лишь при подаче синхронизирующего (тактового) сигнала в соответствии со значениями сигналов.

При этом различают триггеры со статическими и динамическими входами. Входы, управляемые потенциалами (уровнями напряжения), называют статическими (включая и сигнал синхронизации), а управляемые перепадами потенциалов (фронтами импульсов напряжения) - динамическими.

Асинхронный RS-триггер. На выходе элементов И-НЕ и ИЛИ-НЕ имеются усилители-инверторы. Поэтому на двух таких элементах можно выполнить триггер, если вход одного элемента соединить с выходом другого. Полученный таким образом триггер является асинхронным RS-триггером. Он имеет два входа:

S – установки триггера в 1,

R – установки триггера в 0.

Выход называется прямым выходом, определяющим его состояние, а выход (или Q`)- инверсным. Знак черты или `над значением сигнала указывает на инверсию. Асинхронный RS-триггер – простейший интегральный триггер, применяющийся самостоятельно, а также входящий в состав более сложных интегральных триггеров в качестве запоминающей ячейки. Асинхронный RS -триггер - это элементарный автомат с памятью. Если на триггер не подавать никаких внешних управляющих сигналов, он обеспечивает хранение своего состояния Q, равного единице или нулю, сколь угодно долгое время. Триггер на основе двух элементов ИЛИ-НЕ с двумя входами каждый представлен на рис. 13. 1 а, б.

Схема имеет два входа и два выхода. Входными для схемы являются сигналы установки триггера в единицу -S и сброса триггера в ноль-R. Выходами схемы являются прямой выход состояния триггера Q и инверсный выход Q`. Входные сигналы подаются на один из входов схем ИЛИ-НЕ.

На другие входы схем подаются сигналы с выходов Q и Q`. Запоминающие свойства триггера обеспечивает перекрестное соединение выходов Q и Q` со вторыми входами элементов ИЛИ-НЕ.

Рис. 13.1. Схема (а) и условное изображение (б) асинхронного RS-триггера на элементах ИЛИ-НЕ со статическими входами S (Set – установка триггера в 1) и R (reSet – обнуление)

Предположим, что на входах R и S триггера поддерживались сигналы лог. 0 и в некоторый момент на вход S триггера была подана лог. 1. Тогда на выходе нижнего элемента ИЛИ-НЕ, соответствующего выходу Q`, будет лог.0, который по перекрестной связи будет подан на второй вход верхнего элемента ИЛИ-НЕ. Так как на обоих входах верхнего элемента ИЛИ-НЕ будут лог. 0, на его выходе Q установится лог. 1 и триггер установится в единицу. Эта лог. 1 по перекрестной связи будет подана на второй вход нижней схемы ИЛИ-НЕ, поэтому даже если на входе S будет лог.0, она принудительно будет поддерживать на выходе нижнего элемента лог.0, а тот, в свою очередь, - лог. 1 на выходе верхнего элемента. Таким образом, триггер «запомнит» единичное состояние. Если теперь на вход R подать лог. 1, верхний элемент сформирует на своем выходе лог. 0, который установит на выходе нижнего элемента лог. 1. Теперь выходы верхнего и нижнего элементов ИЛИ-НЕ будут взаимно поддерживать лог. 0 на выходе Q и лог. 1 на выходе Q`. Таким образом, триггер «запомнит» нулевое состояние. Если на входы S и R одновременно подать лог 1, состояние на выходе триггера будет неопределенным, поэтому эта комбинация является для асинхронного RS триггера запрещенной.

Переключающим сигналом для рассматриваемого триггера является 1, а так же то, что входы связаны зависимостью, которая отражается переключательной таблицей (табл.13.1).

Таблица 13.1

RS-триггер на элементах И-НЕ. Аналогичная схема асинхронного RS -триггера может быть синтезирована на элементах И-НЕ (рис. 2). Особенностью схемы являются инверсные входы S и R. Это означает, что для перевода триггера, например, в состояние лог. 1 нужно на вход S подать не единичный, а нулевой сигнал, а в состоянии покоя на входы S и R лог. 1. В остальном работа схемы аналогична предыдущей. Условное изображение RS-триггера с инверсными входами показано на рис. 13. 2.

Переключательная таблица рассматриваемого триггера имеет вид (табл. 13. 2).

Рис. 13. 2. RS-триггер на элементах И-НЕ.

Таблица 13.2

Асинхронный RS -триггер является базовым элементом памяти, на основе которого в интегральной схемотехнике строятся многочисленные ИС триггерных и других устройств, обладающих памятью. При этом часто входы RS выводятся на контакты микросхемы наряду с основными управляющими входами. В этом случае входы S и R называются входами асинхронной установки в единицу и в ноль.

Синхронный RS-триггер (RSC-триггер). Из-за задержки переключения логических элементов в цифровых автоматах возможны режимы состязаний, в результате которых выходной сигнал на некоторое время принимает ложные значения. Устранить такие ошибки позволяет способ временного стробирования.

Вырабатываемый устройством сигнал в этом случае передается на последующие устройства не непрерывно, а только в такой отрезок времени, когда искажение правильных значений выходного сигнала за счет состязаний заведомо исключено.

Временное стробирование обеспечивается синхронизирующими импульсами, поэтому синхронный RS-триггер кроме информационных входов R и S имеет вход С, на который подается синхронизирующий сигнал (рис. 13. 3).

Синхронизация осуществляется включением на каждом входе асинхронного RS -триггера дополнительного элемента И. Теперь сигналы S u R смогут пройти на входы триггера только при наличии синхронизирующего сигнала С.

Таким образом, для устранения ложного срабатывания триггера, кроме стационарных информационных входных S- и R-сигналов, подаются синхронизирующие (тактирующие) сигналы на добавочный C-вход, которые способствуют установлению состояний S- и R-входов триггера.

Рис. 13.3. Одноступенчатый RSC-триггер с прямыми входами

При подаче на C-вход RSC-триггера тактирующего сигнала (С=1) состояния S- и R-входов передаются на соответствующие входы RS-триггера, входящего в состав RSC-триггера, переключение которого определяется таблицей, рассмотренной ранее ( табл. 1). При отсутствии тактирующего сигнала (С=0) информация с R- и S-входов не передается и триггер не переключается.

За счет дополнительного инвертирования во входных элементах И-НЕ сигналы R и S становятся не инверсными, как это было в асинхронном триггере, а прямыми (рис. 13.4).

Рис. 13.4. Одноступенчатый RSC-триггер с инверсными входами

Принцип действия данного триггера аналогичен RSC-триггеру с прямыми входами, его переключение определяется таблицей, рассмотренной ранее ( табл. 13.2).

Двухступенчатый RSC-триггер (RSC-триггер с

динамическим C-входом)

Устойчивая работа триггеров в схемах с передачей информации между триггерами возможна только при условии, что перевод триггера в новое состояние осуществляется после завершения передачи информации о прежнем его состоянии в следующий за ним триггер. Выполнение этого условия обеспечивается в двухступенчатых триггерах, состоящих из двух одноступенчатых триггеров. Сначала информация записывается в первый триггер (обычно по переднему фронту сигнала С), а затем переписывается во второй (по заднему фронту). Такой принцип построения триггеров иногда называют MV-принципом (от англ. «master-slave» - хозяин-раб). Все рассмотренные типы триггеров могут быть построены по MV –принципу (на схемах их обозначают TT).

Рис. 13.5. Двухступенчатый RSC-триггер

При С=1 первая ступень (триггер ) принимает информацию с входов S и R, которая определяет состояние выходов и , но при этом вторая ступень (триггер ) не переключается, т.к. на его тактирующий C-вход поступает логический 0 с инвертора.

При С=0 наоборот первая ступень не переключается, а информация с входов и определяет состояние второй ступени , т.к. на его C-вход приходит 1 с инвертора.

Триггер задержки (D-триггер). Триггер задержки имеет единственный входной сигнал, обозначенный буквой D. Значение сигнала на выходе Q такого триггера в такт (t + 1) равно значению сигнала на входе D в предыдущем такте t. Таким образом, входной сигнал передается на выход с задержкой на один такт, т. е.

Q ^t+1= D ^t. (13.2)

Синхронный D-триггер функционирует в соответствии с табл. 3, из которой видно, что при отсутствии синхроимпульсов (С=0) состояние триггера остается неизменным. При условии С = 1 триггер передает на выход сигнал, поступивший на его вход в предыдущем такте. Для синтеза синхронного D-триггера воспользуемся асинхронным RS-триггером. Как видно из таблицы, сигнал на входе D должен воздействовать на триггер только в том случае, когда имеется единичный уровень сигнала С. Следовательно, как и в случае синхронного RS -триггера, на входе D-триггера должны быть двухвходовые элементы И, пропускающие сигнал с входа D если С= 1.

Таблица 13.3

Такт t			Q t+1	Такт t			Qt+1
Сt	Dt	Qt		Ct	D'	Q'
0	0	0	0	1	0	0	0
0	0	1	1	1	0	1	0
0	1	0	0	1	1	0	1
0	1	1	1	1	1	1	1