Эксперименты. Триггеры

1. Изучение структуры и алгоритмов работы асинхронных и синхронных триггеров.

2. Исследование функций переходов и возбуждения основных типов триггеров.

3. Изучение взаимозаменяемости триггеров различных типов.

Триггер - простейшая цифровая схема последовательностного типа. У рассмотренных в предыдущих разделах комбинационных схем состояние выхода Y в любой момент времени определяется только текущим состоянием входа X: Y = Г(Х). В отличие от них, состояние выхода последовательностной схемы (цифрового автомата) зависит еще и от внутреннего состояния схемы Q: Y=F(X,Q). Другими словами, цифровой автомат является не только преобразователем, но и хранителем предшествующей и источником текущей информации (состояния). Это свойство обеспечивается наличием в схемах обратных связей. Основой последовательностных схем являются триггеры. Триггер имеет два устойчивых состояния: Q=1 и Q=O, поэтому его иногда называют бистабильной схемой. В каком из этих состояний окажется триггер, зависит от сигналов на входах триггера и от его предыдущего состояния, т. е. он имеет память. Можно сказать, что триггер является элементарной ячейкой памяти. Тип триггера определяется алгоритмом его работы. В зависимости от алгоритма работы, триггер может иметь установочные, информационные и управляющие входы. Установочные входы устанавливают состояние триггера независимо от состояния других входов. Входы управления разрешают запись данных, подающихся на информационные входы. Наиболее распространенными являются триггеры RS, JK, D и Т-типов.

1. Триггер типа RS RS-триггер - простейший автомат с памятью, который может находиться в двух состо-яниях. Триггер имеет два установочных входа: установки S (set - установка) и сброса R (reset - сброс), на которые подаются входные сигналы от внешних источников. При подаче на вход установки активного логического уровня триггер устанавливается в 1 (Q = 1, Electronics Workbench V 5.12

, при подаче активного уровня на вход сброса триггер устанавливается в О (Q = О, Electronics Workbench V 5.12

). Если подать на оба входа установки (возбуждения) пассивный уровень, то триггер будет сохранять предыдущее состояние выходов: Q=0

Каждое состояние устойчиво и поддерживается за счет действия обратных связей. Для триггеров этого типа является недопустимой одновременная подача активного уровня на оба входа установки, т. к. триггер по определению не может одновременно быть установлен в ноль и единицу. На практике подача активного уровня на установочные входы приводит к тому, что это состояние не может быть сохранено и невозможно определить, в каком состоянии будет находиться триггер при последующей подаче на установочные входы сигналов пассивного уровня. На рис. 14.1 и 14.2 показаны два вида RS-триггеров, выполненных на элементах ИЛИ-НЕ и И-НЕ. Для схемы на рис. 14.1 активным уровнем является уровень логической единицы, для схемы на рис. 14.2 - уровень логического нуля. Схема на рис. 14.2 получила название RS-триггера с инверсными входами - RS-триггер. RS-триггер является основным узлом для построения последовательностных схем. Название схем такого типа «последовательностные» означает, что состояние выхода зависит от того, в какой последовательности на входы подаются входные наборы и каково было предшествующее внутреннее состояние. Так, если в RS-тригге-ре (рис. 14.1) вначале установить комбинацию R=0, S=1 (сокращенная запись - 01), а потом перейти к R=0, S=0 (00), то состояние выхода Q= I. Если же вначале установить комбинацию 10, а потом перейти к 00, то состояние выхода будет другим - Q=0, несмотря на одинаковые комбинации сигналов на входах. Таким образом, при одном и том же входном наборе 00 выход триггера может находиться в разных состояниях. Условия переходов триггеров из одного состояния в другое (алгоритм работы) можно описать табличным, аналитическим или графическим способами. Табличное описание работы RS-триггера (рис. 14.1) представлено в таблице 14.1 (таблица переходов) и таблице 14.2 (таблица функций возбуждения).

В таблицах использованы следующие обозначения: Qt - предшествующее состояние выхода; Qt+1 - новое состояние, устанавливающееся после перехода (возможно Qt+1= Qt); х - безразличное значение сигнала: 0 или 1; — - неопределенное состояние. Аналитическое описание (характеристическое уравнение) можно получить из таблиц 14.1, 14.2 по правилам алгебры логики:

Зависимость Qt+1 от Qt характеризует свойство запоминания предшествующего состояния. Описание работы RS-триггера можно дополнить графом рис. 14.3 (графический способ).

График на рис. 14.3а показывает, что схема, которая находилась в состоянии Q=0, сохраняет это состояние как при воздействии входного набора R=0, S=0, так и при воздействии R=1, S=0. Если же на вход схемы, находящейся в состоянии 0=0, подействовать набором R=0, S=1, то она переходит в состояние Q=1 и сохраняет его при входных наборах Н=0, S=1, либо R=0, S=0. На рис. 14.36 тот же граф триггера нарисован более компактно. Входные сигналы, которые могут принимать любые значения (как 0, так и 1), обозначены как X, а позиция обозначения соответствует последовательности R, S. 2. JK-триггер Триггер JK-типа имеет более сложную, по сравнению с RS-триггером, структуру и более широкие функциональные возможности. Помимо информационных входов J и К и прямого и инверсного выходов Q и Q, JK-триггер имеет вход управления С (этот вход также называют тактирующим или счетным), а также асинхронные установочные R и S-вхо-ды. Обычно активными уровнями установочных сигналов являются нули, как в схеме на рис. 14.2. Установочные входы имеют приоритет над остальными. Активный уровень сигнала на входе S устанавливает триггер в состояние 0=1, а активный уровень сигнала на входе R - в состояние 0=0, независимо от сигналов на остальных входах. Если на входы установки одновременно подать пассивный уровень сигнала, то состояние триггера будет изменяться по фронту импульса на счетном входе в зависимости от состояния входов J и К, как показано в таблицах переходов (табл. 14.3) и функций возбуждения (табл. 14.4).

Работа JK-триггера описывается характеристическим уравнением:

Один из вариантов функциональной схемы JK-триггера со входами установки логическим нулем и его условное графическое обозначение (УГО) приведены на рис. 14.4а,б. Временные диаграммы его работы при R=S=1 приведены на рис. 14.5.

Подобно RS-триггеру, изменение состоянии JK-триггера можно изобразить графом переходов (рис, 14.6). Входные сигналы, которые могут принимать любые значения (как О, так и 1), обозначены как X, а позиция обозначения соответствует последовательности J, К. Этот рисунок не должен вводить в заблуждение: если Х=1,то при JK=11 схема будет переходить из состояния Q=0 в состояние Q=1. Но из этого состояния схема должна возвратиться в Q=0 и т. д. Этот граф ' описывает работу автогенератора. В данном случае все изменения выхода происходят только в момент отрицательного перепада тактового сигнала С. Действительно, если J=K=1, то с каждым новым тактовым импульсом выход будет изменять свое значение на противоположное и триггер будет выполнять функцию делителя частоты на 2, а не автогенератора. 3. D-триггер. D-триггер имеет один информационный вход D (data - данные). Информация со входа D заносится в триггер по положительному перепаду импульса на счетном входе С и сохраняется до следующего положительного перепада на счетном входе триггера. Помимо счет-

ного С и информационного D входов, триггер снабжен асинхронными установочными R и S входами. Установочные входы приоритетны. Они устанавливают триггер независимо от сигналов на входах С и D. функционирование D-триггера описывается таблицей переходов (табл. 14.6), таблицей функций возбуждения (табл. 14.6) и диаграммами входных и выходных сигналов (рис. 14.7).

Характеристическое уравнение D-триггера: Q.„=D, Уравнение показывает, что состояние триггера на (t+1)-такте равно входному сигналу в момент, предшествующий тактовому перепаду сигнала С. Условное обозначение D-триггера представлено на рис. 14.8.

Функциональная схема D-триггера может быть получена из схемы JK-триггера (puc.l4.5d) путем подключения входа К ко входу J через инвертор: D=J=K. 4. Т-триггер (счетный триггер) На основе JK-триггеров и D-триггеров можно построить схемы, осуществляющие так называемый счетный режим. Такие схемы называют Т-триггерами или счетными триггерами, связывая с этим способ их функционирования. На рис. 14.9 представлены схемы

организации Т-триггера на основе JK и D-триггеров. Счетный режим иллюстрируется временными диаграммами рис. 14.10. В JK-триггере со входами установки логическим нулем счетный режим реализуется путем подачи констант J=K=1 и R=S=1 и входного сигнала Т на вход С. В соответствии с таблицей функционирования (табл. 14.3 и 14.4) при каждом отрицательном перепаде входного сигнала Т состояние триггера изменяет свое значение на противоположное. В D-триггере счетный режим реализуется при помощи обратной связи (на вход D подается сигнал с инверсного выхода). Таким образом, всегда существует неравенство сигнала на входе D и сигнала на выходе Q: еслиQ=1, D=0. Следовательно, при каждом положительном перепаде сигнала на счетном входе С, в соответствии с принципом действия D-тригге-ра состояние выхода будет изменяться на противоположное. Таким образом, на каждые два входных тактовых импульса Т-триггер формирует один период выходного сигнала Q. Следовательно, триггер осуществляет деление частоты fт на его входе на 2:

где fQ — частота следования импульсов на выходе триггера.

Порядок проведения экспериментов Эксперимент 1. Исследование RS-триггера.

а). Откройте файл с14_01 со схемой, изображенной на рис. 14.11. Включите схему. Последовательно подайте на схему следующие сигналы: S=0, R=1; S=0, R=0; 8=1, R=0; S=0, R=0. Убедитесь в том, что: • при S=0, R=1 триггер устанавливается в состояние Q=0; • при переходе к 8=0, R=0 триггер сохраняет прежнее состояние выхода Q=0; • при S=1, R=0 триггер устанавливается в состояние 0=1; • при переходе к 8=0, R=0 триггер сохраняет прежнее состояние выхода Q=1. б.) Для каждого перехода (изменения состояния или сохранения предыдущего) нарисуйте в разделе "Результаты экспериментов" граф перехода по типу рис. 14.3. в). По результатам эксперимента заполните таблицу функций возбуждения для схемы рис. 14.11, приведенную в разделе "Результаты экспериментов" (табл. 14.7).

а). Откройте файл с14_02 со схемой, изображенной на рис. 14.12. Включите схему. Последовательно подайте на схему следующие сигналы: S=1, R=0; S=0, R=0; 8=0, R=1; 8=0, R=0. Убедитесь в том, что: • при 8=1, R=0 триггер устанавливается в состояние, при котором выход Q=0; • при переходе к 8=R=1 триггер сохраняет прежнее значение выхода Q=0; » при 8=0, R=1, триггер устанавливается в состояние, при котором Q=1; • при переходе к 8=1, R=1 прежнее значение выхода 0=1 сохраняется. б.) Для каждого перехода (изменения состояния или сохранения предыдущего) нарисуйте в разделе "Результаты экспериментов" граф перехода по типу рис. 14.3. е). По результатам эксперимента заполните таблицу функций возбуждения для схемы рис. 14.12, приведенную в разделе "Результаты экспериментов" (табл. 14.8).

Эксперимент 3. Исследование JK-триггера. а). Откройте файл с14_03 со схемой, изображенной на рис. 14.13. Включите схему. Убедитесь в том, что: • при R=1, 8=0 триггер устанавливается в 1 (Q=1, Q'=0) независимо от состояния остальных входов; • при R=0, 8=1 триггер устанавливается в О (Q=0, Q'=1) независимо от состояния остальных входов.

б.) Установите S'=R'1, проверьте истинность таблицы функций возбуждения (табл. 14.4), по результатам эксперимента заполните таблицу 14.9 в разделе "Результаты экспериментов".

Указание: начальное состояние триггера устанавливать кратковременной подачей сигнала S'= 0 для получения Qt = 1 и сигнала R' = О для получения Qt = 0. Переход триггера в состояние Qt+1 происходит только по отрицательному фронту импульса на счетном входе С, сформированном соответствующим ключом.

в.) Составьте временные диаграммы работы триггера для всех возможных комбинаций Qt, Jt, Кt и зарисуйте их в раздел "Результаты экспериментов".

Эксперимент 4. Исследование JK-триггера в счетном режиме (Т-триггер). Соберите схему, изображенную на рис. 14.14. Включите схему. Изменяя состояние входа С соответствующим ключом, зарисуйте в разделе "Результаты экспериментов" диаграммы работы триггера в счетном режиме.

Эксперимент 5. Исследование JK-триггера, построенного на базе логических элементов и RS-триггеров. Откройте файл с14_04 со схемой, изображенной на рис. 14.15. Включите схему. Изменяя уровень сигнала на входе С, составьте временные диаграммы сигналов на выходах Q1 и Q2 обоих RS-триггеров и зарисуйте их в разделе "Результаты экспериментов". Укажите режим работы триггера. Определите моменты изменения сигналов Q1 и Q2 по отношению к моментам изменения сигнала С. Отразите различие во временах переключения RS-триггеров на диаграммах.

Эксперимент 6. Исследование D-триггера. а). Откройте файл с14_05 со схемой, изображенной на рис. 14.16. Включите схему. Убедитесь в том, что: • при R=1, 8=0 триггер устанавливается в 1 (Q=1, Q*=0) независимо от состояния остальных входов; • при R=0, S=1 триггер устанавливается в О (Q=0, Q*=1) независимо от состояния остальных входов. б). Установите S' = R' = 1, проверьте истинность таблицы функций возбуждения (табл. 14.6), по результатам эксперимента заполните таблицу 14.10 в разделе "Результаты экспериментов". в). Составьте временные диаграммы работы триггера для всех возможных комбинаций Qt, Dt и зарисуйте их в раздел "Результаты экспериментов".

Эксперимент 7. Исследование работы D-триггера в счетном режиме. Соберите схему, изображенную на рис. 14.17. Подавая на счетный вход С тактовые импульсы с помощью ключа [С] и определяя состояние выходов триггера при помощи пробников, составьте временные диаграммы работы триггера в счетном режиме и занесите их в раздел "Результаты экспериментов".

Результаты экспериментов Эксперимент 1. Исследование RS-триггера. б). Графы переходов.

Эксперимент 2. Исследование RS-триггера. б). Графы переходов.

Эксперимент 3. Исследование JK.-триггера. б). Таблица функций возбуждения. Таблица 14.9

Qt	Qt+1	J	к
о		о	о
о		о	1
о		1	о
о		1	1
1		о	о
1		о	1
1		1	о
1		1	1

Эксперимент 4. Исследование JK-триггера в счетном режиме (Т-триггер). Диаграмма работы триггера.

Эксперимент 5. Исследование JK-триггера, построенного на базе логических элементов и RS-триггеров. Диаграмма работы триггера.

Эксперимент 6. Исследование D-тригтера. б). Таблица функций возбуждения, Таблица 14.10.

Q.	Q.+I	J	к
о		0	о
о		о	1
о		1	о
о		1	1
1		о	о
1		о	1
1		1	о
1		1	1

Эксперимент 7. Исследование работы D-триггера в счетном режиме. Диаграмма работы триггера.

1. Является ли элементом памяти выключатель настольной лампы?

2. Если продолжить предыдущий вопрос, то как можно охарактеризовать: а) кнопочный выключатель (один раз нажал — лампа горит; второй раз нажал — лампа погасла); б) клавишный переключатель-коромысло: нажал на одно плечо — лампа зажглась или продолжает оставаться горящей; нажал на другое плечо — погасла. Аналогия с какими видами триггеров напрашивается?

3. Чем отличается работа RS-триггера с прямыми входами от работы RS-триггера с инверсными входами?

4. Почему комбинация сигналов 11 на входах RS-триггера называется «запрещенной»?

5. В чём отличие таблицы переходов триггера от таблицы функций возбуждения?

6. Как свойство запоминания отражается в характеристических уравнениях триггеров?

7. В чём принципиальное отличие работы синхронных триггеров от асинхронных?

8. Какова приоритетность информационных и установочных входов в синхронных триггерах?

9. Почему JK-триггер при J=K=1 не превращается в автогенератор?

10.Почему Т-триггер получил название счетного? Какое число импульсов он может сосчитать?

Знаете ли Вы, низкочастотные электромагнитные волны частотой менее 100 КГц коренным образом отличаются от более высоких частот падением скорости электромагнитных волн пропорционально корню квадратному их частоты от 300 тыс. км/с при 100 кГц до примерно 7 тыс км/с при 50 Гц.