Учебная дисциплина Элементы и узлы ЭВМ Тема: Триггеры Московский Государственный Технический Университет имени Н.Э. Баумана 1830
Триггером называют логическую схему с положительной обратной связью, имеющую два устойчивых состояния.
Триггер содержит элемент памяти (собственно триггер) и схему управления, выполненную, как правило, с помощью комбинационной схемы (КС). Схема управления преобразует поступающую на ее входы информацию ( х1,х2,..., х м ) в комбинацию сигналов, действующих непосредственно на входы собственно триггера.
По функциональному признаку - этот признак определяет назначение триггера и в ряде случаев является решающим при выборе типа триггера для проектируемого вычислительного устройства или узла. По указанному признаку различают триггеры RS -, D -, T -, JK - и др. типов.
По способу записи информации в триггер - этот признак характеризует способ записи информации и временную диаграмму работы триггера, т.е. определяет ход процесса записи информации в триггер. По этому признаку триггеры подразделяются на две группы: а) асинхронные; б) синхронные;
Запись информации в асинхронный триггер осуществляется в произвольный момент времени непосредственно с поступлением информационного сигнала на один из установочных входов триггера.
Синхронные триггеры помимо информационных входов содержат один или несколько синхронизирующих входов. Запись информации в такие триггеры осуществляется только при подаче синхронизирующего импульса ( С ). В свою очередь, синхронные триггеры подразделяются на триггеры, работающие по уровню С – потенциальные триггеры и на триггеры динамического типа, срабатывающие поначалу или концу синхроимпульса.
Информационные входы триггера отождествляются с входными переменными и имеют следующие обозначения: S (от английского Set - установка) - вход для асинхронной установки триггера в состояние «1»( S - вход); R (от английского Reset - сброс) - вход для асинхронной установки триггера в состояние «0» ( R - вход);
D (от английского Delay - задержка ) - информационный вход для установки триггера в состояние «1» или «0» ( D - вход); T (от английского Toggle - кувыркаться ) - счетный вход ( T - вход); J - вход для синхронной установки состояния «1»в универсальном J - K - триггере ( J - вход);
К - вход для синхронной установки состояния «0» в универсальном J -К - триггере (К - вход); С - вход синхронизации (С - вход).
Асинхронные входы R и S могут быть прямыми и инверсными. Инверсные входы обозначаются знаком инверсии. Для инверсных входов активным сигналом является уровень логического "0" (низкий уровень). На уровень логической “1”(высокий уровень) триггер не реагирует. Для прямых входов наоборот активным сигналом является уровень логической “1”.
Выход триггера принято отождествлять с его внутренним состоянием и обозначать символом Q. Подавляющее число схем триггеров имеет два выхода: прямой Q и инверсный !Q.
В установившемся состоянии всегда, если Q=1, то !Q=0 и, если Q=0, то !Q= 1. При этом считается, что триггер находится в состоянии "1", если на прямом выходе имеется высокий уровень напряжения ( Q=1, !Q=0 ), и в состоянии "0", если на прямом выходе имеется низкий уровень напряжения ( Q=0, !Q=1 ).
Примеры условного обозначения триггеров на функциональных схемах в соответствии с ГОСТ 2.743-91 (ЕСКД) показаны на следующем слайде
В основном поле прямоугольника ставится символ Т для обозначения триггера. Дополнительное поле может быть разделено на две части: асинхронную и синхронную. В первой проставляются символы S и R входов асинхронной установки триггеров в «1» и «0», во второй на местах х1,х2,...,х м - символы, относящие данный триггер к тому или иному функциональному типу.
Асинхронным триггером RS -типа ( RS -триггером ) называется логическое устройство с двумя устойчивыми состояниями, имеющее два информационных входа R и S, такие что, при S = 1 и R = 0 триггер принимает состояние 1 ( Q =1), а при R = 1 и S = 0 триггер принимает состояние 0 ( Q = 0). Закон функционирования RS – триггера с прямыми входами отображен в таблице переходов, табл.1.
S R Qt Qt+1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 х 1 1 1 х
При значениях Rt = St =1 состояние триггера является неопределенным. Алгебраически оно выражается требованием, чтобы произведение Rt * St =0. Перенеся на карту Карно (рис.2) таблицу переходов RS -триггера и доопределив значения Qt +1 единицами можно получить МДНФ (минимизированную дизъюнктивную нормальную форму) характеристического уравнения RS -триггера.
Исходя из характеристического уравнения триггера, его можно построить на логических элементах И-НЕ, ИЛИ-НЕ и других. При реализации триггера на элементах И-НЕ характеристическое уравнение триггера преобразуется в структурное двойным инвертированием характеристического уравнения.
Условно-графическое обозначение асинхронного RS -триггера с инверсными входами
Для такого триггера активным сигналом является уровень логического 0, а запрещенной комбинацией Rt = St =0, при которой состояние триггера будет неопределенным. МДНФ характеристического уравнения RS -триггера с инверсными входами в соответствии с картой Карно имеет следующий вид :
После двойного инвертирования уравнения получится структурное уравнение для реализации RS -триггера с инверсными входами на элементах И-НЕ.
Устойчивая работа RS -триггеров без задержки в произвольной схеме возможна только в случае, если занесение в триггер информации осуществляется после завершения передачи информации о прежнем его состоянии в другой триггер. Такую работу триггера можно обеспечить при использовании двух серий находящихся в противофазе сигналов, используя свойство внутренней задержки. В триггерах с внутренней задержкой новая информация на выходе устанавливается только после окончания действия синхронизирующего импульса.
Подобный принцип обмена информацией реализован в двухступенчатых RS -триггерах с задержкой. Простейшая схема двухступенчатого RS -триггера с управляющим инвертором показана на следующем слайде.
Схема двухступенчатого RS -триггера состоит из двух одноступенчатых RS -триггеров и инвертора в цепи синхронизации. При поступлении единичного синхросигнала входная информация заносится в первый одноступенчатый RS -триггер. Второй RS -триггер при этом будет хранить информацию, относящуюся к предыдущему такту.
По окончании действия синхросигнала, когда C =0, а, первый триггер перейдет в режим хранения, а второй перепишет из него новое значение выходного сигнала. Двухступенчатый триггер изменяет свои состояния только после окончания действия сигнала синхронизации. Поэтому из двухступенчатых триггеров можно строить произвольные схемы, в том числе подавать сигналы с выхода триггера на его вход.
Триггером D -типа называется логическое устройство с двумя устойчивыми состояниями и одним информационным входом. Асинхронный D -триггер функционирует в соответствии со следующей таблицей переходов.
D Qn Q n+1 0 0 0 0 1 0 1 0 1 1 1 1
Из уравнения следует, что выход асинхронного D -триггера будет повторять входной сигнал. Поэтому асинхронный D -триггер не нашел практического применения в ЦВТ, поскольку функцию такого триггера может выполнить комбинационная схема, состоящая из двух последовательно соединенных инверторов.
Таблица истинности синхронного D- триггера. С D Qn Q n+1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1
Характеристическое уравнение синхронного D -триггера после несложных преобразований примет вид
Из уравнения следует, что при наличии синхросигнала ( C =1 ) триггер переходит в состояние, предписанное D -входом, т.е. Qt +1 = Dt. При отсутствии синхросигнала ( C =0 ) триггер сохраняет предыдущее состояние. Таким образом, триггер задерживает прохождение поступившего по D -входу информационного сигнала до появления синхросигнала. Отсюда название D -триггера ( delay -задержка).
Характеристическое уравнение, преобразованное в структурное для его реализации на элементах И-НЕ, примет вид
Условно-графическое изображение синхронного D -триггера
Триггером JK -типа называется логическое устройство с двумя устойчивыми состояниями, двумя информационными синхронными входами, входом синхроимпульса и возможными дополнительными асинхронными входами. Триггер функционирует в соответствии со следующей таблицей переходов
C J K Q t Q t+1 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 0 0 1 0 0 0 0 1 1 1 0 1 0 0 0 0 1 0 1 1 0 1 1 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 0 0 1 0 0 1 1 1 0 1 0 0 1 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 0
Из карты Карно следует, что МДНФ характеристического уравнения JK -триггера имеет вид: При C = 0, Qt +1 = Qt, а при C =1,
Если принять, что K = R, а J = S, то при C = 1 JK -триггер ведёт себя как RS -триггер, за исключением комбинации J = K = 1, при которой триггер меняет своё состояние на обратное по отрицательному фронту (спаду) синхросигнала
Построить JK -триггер можно на основе двухступенчатого RS -триггера с входом синхронизации, соединив перекрёстным образом инвертирующими обратными связями входы и выходы триггера
Триггер JK -типа относится к разряду универсальных триггеров, поскольку на его основе путем несложных внешних коммутаций входов триггера можно получить схемы, выполняющие функции RS -, D - и T -триггеров.
Триггером Т-типа называют логическое устройство с двумя устойчивыми состояниями и с одним информационным Т-входом. Т-триггер меняет своё состояние на противоположное всякий раз, когда на Т-вход поступает управляющий (счетный) сигнал. Асинхронный T -триггер функционирует в соответствии со следующей таблицей переходов:
T t Q t Q t+1 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0
Характеристическое уравнение T -триггера, исходя из таблицы переходов, будет иметь вид :
Это уравнение отображает операцию суммирования по модулю 2 сигнала состояния триггера Q и входного сигнала T. Синхронный T -триггер функционирует в соответствии со следующей таблицей переходов :
C T Q t Q t+1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0
Из таблицы переходов вытекает следующее характеристическое уравнение синхронного T -триггера :
или
Из предыдущего выражения следует, что при Ct = 1 триггер работает как асинхронный T -триггер, а при Ct = 0, Qt +1 = Qt, т.е. триггер сохраняет предыдущее состояние.
Построить T -триггер можно на основе JK -триггеров и D -триггеров. Схема Т-триггера на основе D -триггера работает по начальному (переднему) фронту синхросигнала, а схема Т-триггера на основе JK -триггера по отрицательному (заднему) фронту синхросигнала.
На УГО триггеров две буквы ТТ в основном поле обозначения триггера указывают, что триггер двухступенчатый и, следовательно, он работает по заднему фронту синхросигнала.
Как видно из рисунков выше для получения счетного триггера из D -триггера необходимо соединить инверсный выход D -триггера с его D -входом. При таком соединении входа и выхода триггера в характеристическое уравнение D -триггера нужно подставить Dt = Qt и
тогда уравнение D -триггера приобретает вид характеристического уравнения Т-триггера
1. Нагрузочная способность; 2. Коэффициент объединения по входу; 3. Быстродействие.
1. Задержка переключения триггера - t тр. 2. Минимально необходимая длительность сигнала установочного сигнала у триггера - t и. 3. Рабочая и максимальная частота переключения триггера - f раб. и – f макс.
t тр= t01+t10= 2t средн. Для устойчивой работы триггера длительность входного установочного сигнала S или R должна быть не менее суммарной задержки переключения двух плеч триггера для полной установки новых значений выходных сигналов Q и ! Q
Разрешающее время триггера – t разр. – это наименьший интервал времени между входными установочными сигналами минимальной длительности, вызывающие бесперебойное переключение триггера. f макс.=1/ t разр.
Максимальная частота f макс. определяется минимально допустимым временным интервалом между двумя последовательными сигналами минимальной длительности, поступающими поочерёдно на входы триггера S и R.
f макс.=1/ t тр.=1/2 t ср. Но так как выходной сигнал будет не дольше t ср., то для следующих логических цепей эта длительность будет недостаточна, поэтому частоту понижают до рабочей частоты: f раб.=1/3 t ср.
Аномальное состояние триггера это такое состояние, которое не соответствует правильной его установки по входным установочным сигналам. Различают метастабильные и колебательные аномалии.
Аномалии – это неустранимые явления, объясняющие неизбежность сбоев при работе с асинхронными сигналами.
Отличительным признаком данного типа триггеров является установка состояния, определяемая комбинацией сигналов на установочных входах только при изменении синхросигнала из нуля в единицу (или наоборот).
После того, как значение синхросигнала приняло установившееся значение единицы (или нуля), изменение состояния установочных входов не меняют состояние динамического триггера.
Для реализации данного свойства в схему триггера введены дополнительные логические элементы с управляющими блокирующими связями, препятствующими выработку сигнала, вызывающего переключение триггера.
