Последовательностные устройства
ТРИГГЕРЫ
Общие соображения
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 изделий (счетчиков, регистров, запоминающих устройств).
Триггерами называются устройства, способные длительное время оставаться в одном из двух устойчивых состояний и скачком чередовать их под воздействием внешних сигналов. Каждое из состояний триггера распознается по значениям выходных напряжений.
Основное применение триггеров состоит в запоминании информации. Под памятью триггера подразумевают его способность оставаться в заданном состоянии и после прекращения действия переключающего сигнала.Приняв одно из состояний триггера за «1», а другое – за «0», можно считать, что триггер хранит один разряд числа, записанного в двоичном коде.
Понятие «триггер» охватывает много видов устройств, которые существенно различаются между собой по выполняемым функциям, схемотехническому исполнению, способам управления, электрическим и конструктивным параметрам.
Триггерная ячейка
В простейшем исполнении триггер представляет собой симметричную структуру из двух логических элементов ИЛИ-НЕ или И-НЕ, охваченных перекрестной положительной обратной связью. Такие триггеры называют симметричными. Схема симметричного триггера на основе логических элементов ИЛИ-НЕ показана на рисунке ниже.
Рис. 10-1.Асинхронный RS -триггер на элементах ИЛИ-НЕ.
а) – логическая структура; б) – условное обозначение
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.
Симметрия схемы не означает симметрии электрических режимов обоих каскадов. За счет перекрестного соединения выходов и входов создаются условия, при которых при отсутствии входных один из логических элементов будет заперт, а другой – открыт.
Одному из выходов триггера присваивают наименование прямого (в силу симметрии схемы им может быть любой) и обозначают буквой Q, а другому – наименование инверсного и обозначают Q («не ку», «ку под чертой»), чтобы подчеркнуть, что в логическом смысле сигнал на этом выходе противоположен первому. Состояние триггера часто отождествляют с сигналом на прямом выходе, то есть говорят, что триггер находится в единичном состоянии, когда Q =1, а Q =0, и в нулевом, когда Q =0, а Q =1.
Смена состояний триггера производится внешними сигналами. Название этого процесса имеет много синонимов: переключение, переброс, опрокидывание, запись информации. Начало опрокидывания происходит с приходом положительного перепада напряжения на вход закрытого элемента.
Вход, по которому триггер устанавливается в единичное состояние (Q =1, Q =0) называют входом S (от англ. set –установка), а в нулевое (Q =0, Q =1) - входом R (от англ. reset – возврат). Наименование входов S и R можно дать в обратном порядке, но тогда обязательно надо сменить и название выходов, поскольку они взаимосвязаны.
На входах возможны четыре комбинации сигналов:
Sn = Rn =0;
Sn =1, Rn =0;
Sn =0, Rn =1;
Sn = Rn =1; (здесь n – номертакта).
Каждой комбинации отвечает определенное поведение триггера.
Когда на обоих информационных входах существуют логические нули (Sn = Rn =0), сигналы на выходе могут иметь одно из двух сочетаний: Qn+1 =1, Qn+1 =0, либо Qn+1 =0, Qn+1 =1. В этом легко убедиться, если вспомнить, что каждый логический элемент инвертирует входные сигналы и что переключающим сигналом для элемента ИЛИ-НЕ служит единица. Допустим, что Qn+1 =1. Этот сигнал, действуя на входе нижнего логического элемента, создает на его выходе сигнал Qn+1 =1. В свою очередь, на входах верхнего логического элемента два нулевых сигнала – с входа R и с выхода Q – обеспечат Qn+1 =1. Это состояние устойчиво. Аналогичным образом можно показать, что второе возможное состояние Qn+1 =0 (Qn+1 =1) – тоже устойчивое, то есть схема обладает свойствами триггера.
Комбинацию входных сигналов Sn = Rn =0 называют нейтральной, или режимом хранения информации, или памятью. При ней триггер хранит состояние, в которое он был приведен в предыдущем такте. На этой особенности триггера основано его использование в качестве элемента памяти.
Если на один из входов подать единичный сигнал, сохраняя на другом входе нулевой, то триггер примет состояние, которое однозначно определяется входной информацией. При входных сигналах Sn =1 и Rn= 0 триггер принимает единичное состояние Qn+1 =1, а при Rn= 1 и Sn =0 – нулевое. Поэтому вход S иногда называют единичным, а вход R– нулевым. При появлении управляющего сигнала на одном из входов происходит либо опрокидывание триггера, либо подтверждение существующего состояния, если оно совпадает с требуемым. Входной сигнал вызывает переброс, а затем процесс развивается лавинообразно, поскольку одновременное понижение напряжения сигнала на одном выходе и понижение на другом способствует его развитию. С наступлением нового состояния триггера процесс прекращается.
Если одновременно подать переключающие сигналы на оба входа (комбинация Sn = Rn =1), на обоих появятся логические нули (Qn+1 = Qn+1 =1) и устройство утратит свойства триггера. Поэтому комбинацию Sn = Rn =1 называют неопределенной (сокращенное обозначение ее в таблицах – н/о). Если затем один из входов, например R, станет иметь низкий уровень логического сигнала, функции триггера восстановятся, и сигналы на выходе придут в соответствующее состояние, в данном случае единичное, так как на входе окажется комбинация сигналов Sn+1 =1 и Rn+1= 0. Если же входная комбинация сигналов Sn = Rn =1 сменится нейтральной Sn+1 = Rn+1= 0, состояние выходов также восстановится, но с равной вероятностью оно может стать как единичным, так и нулевым. Переход от неопределенной комбинации входных сигналов к нейтральной у RS -триггеров называют запрещенной комбинацией. Эти слова следует понимать не буквально, а как указание на то, что такое сочетание входных сигналов ведет к непредсказуемому поведению триггера и при разработке аппаратуры надо принимать меры по его исключению.
Триггер, который переключается сигналами логической единицы, называют триггером с прямым управлением. Таблица состояний, характеризующих его работу в подробной и минимизированной (сокращенной) формах приведены в табл. 10-1 и 10-2.
Временные диаграммы, иллюстрирующие действие этого триггера, приведены на рис. 10-2. Из рисунка видно, что для каждого срабатывания триггера необходимо чередование входных сигналов.
Передаточная характеристика триггера – это зависимость выходного напряжения от входного.Пример такой характеристики приведен на рис. 10-3 Характеристика относится к одному выходу, в данном случае к выходу Q.
Горизонтальные ветви – нижняя и верхняя – соответствуют двум устойчивым состояниям выходных напряжений.
Если Uвх < Uпор состояние триггера неизменно и выходное напряжение Uвых = U1. Когда же по мере своего роста Uвх достигает порогового напряжения Uпор1 произойдет срабатывание триггера и выходной сигнал станет Uвых = U1 и не изменится, если Uвх будет увеличиваться (рис. 10-3, а).
Рис. 10-3. Передаточная характристика триггера: а) – управление по входу S;
б) – управление по входу R; в) – совмещенная характристика
Если теперь подать сигнал на вход R (характеристика б), напряжение на выходе Q останется на уровне U1, пока Uвх не сравняется с пороговым значением Uпор0. В этот момент выходное напряжение станет U0.
Различие в пороговых уровнях входных сигналов, при которых происходит опрокидывание триггера, называют гистерезисом. На характеристики это область между Uпор1 и Uпор0. Ширина области гистерезиса характеризует чувствительность триггера к переключающим сигналам. Чем она меньше, тем чувствительность выше. Гистерезис принципиально необходим для обеспечения режима хранения, в противном случае триггер теряет свои свойства и обращается в двухкаскадный усилитель-ограничитель с обратной связью.
Рис. 10-4. Асинхронный RS -триггер на логических элементах И-НЕ:
а) - логическая структура; б) – условное изображение
Логическая структура и способ изображения RS -триггера на элементах И-НЕ приведена на рисунке выше. Схемотехнически он не отличается от триггера на логических элементах ИЛИ-НЕ, но закон его функционирования другой, поскольку элементы И-НЕ переключаются сигналами низкого логического уровня (Sn =0 или Rn =0). Такой триггер называют RS -триггером с инверсными входами (RS -триггер). На условных графических обозначениях данный вид триггеров для наглядности изображают в отрицательной логике. Пример такого обозначения показан на рис. 10-4.
Таблица переходов (минимизированная форма) триггеров этого вида приведена в табл. 10-3.
Триггерные системы
В современной микроэлектронике триггеры, как правило, используются в виде системы, состоящей из собственно триггера по типу описанных выше и выполняющих функцию ячейки памяти (ЯП) и устройства управления (УУ).
Рис. 10-5. Структурная схема триггерной системы (общий случай):
УУ- устройство управления; ЯП – ячейка памяти (собственно триггер);
А, В – информационные (логические) входы; V – подготовительный вход (предустановка);
C – тактовый вход; S' и R' - внутренние входы ячейки памяти; Sa и Ra – внешние входы ячейки памяти; Q и Q – внешние выходы.
Устройство управления представляет собой комбинационную схему, преобразующую входную информацию в комбинацию сигналов, под воздействием которых собственно триггер принимает одно на двух устойчивых состояний.
Характерная черта триггерных систем в интегральном исполнении состоит в том, что собственно триггер и устройство управления составляют единый функциональный узел и в схемотехническом и в конструктивном исполнении. Термин «триггерная система» обычно не употребляется, но применительно к микросхемам под словом «триггер» подразумевают именно всю систему, а именно ячейку памяти вместе с устройством управления.
Главная роль в формировании свойств триггерной системы принадлежит устройству управления. В схемотехническом отношении устройства управления отличаются большим разнообразием. Их логическая структура, 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 различными функциональными свойствами. В простейшем варианте устройство управления в триггере может отсутствовать. В этом случае входные сигналы воздействуют непосредственно на входы ячейки памяти, как и в схемах, приведенных на рисунках выше.
Входные сигналы в зависимости от выполняемой роли подразделяются на три категории:
- информационные (логические);
- подготовительные (разрешающие);
- исполнительные (командные).
Сигналы на информационных входах определяют информацию, которая будет занесена в триггер. Функция подготовительных и исполнительных сигналов – вспомогательная: с помощью подготовительных сигналов можно в нужный момент прервать действие триггера или группы триггеров, сохраняя 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);
- тактовые (синхронизирующие).
Информационные входы имеются у всех триггеров, тогда как подготовительные и тактовые могут отсутствовать.
Входы триггера в зависимости от их функционального назначения обозначения обозначаются условными метками в качестве которых используются буквы латинского алфавита. Значения этих меток расшифрованы в табл. 10-4.
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 =1 означает, что на входах J и K сигналы имеют значения, соответствующие уровню логической единицы, а из формулы Qn+1=Dn следует, что на выходе Q сигнал в такте n+1, то есть 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 в электронной аппаратуре широко применяются JK-, D (DV)- и T (TV)- триггеры, особенности которых будут рассмотрены далее. 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.
Асинхронные и синхронные триггеры
Независимо от способа организации логических связей триггеры различаются по способу ввода информации и по этому признаку разделяются на асинхронные и синхронные.
У асинхронных триггеров имеются только информационные (логические) входы. Асинхронные триггеры отличает способность срабатывать непосредственно за изменением сигналов на входах, не считая времени задержки в логических элементах, образующих триггер. Все приведенные на схемах выше триггеры относятся к асинхронным триггерам.
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 t1, t2, …, tn-1, tn, tn+1. В эти же моменты времени 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 электронной аппаратуры.
Рис. 10-6. Временная диаграмма работы триггеров:
а) – асинхронного; б) – синхронного
На рисунке выше для сравнения показаны временные диаграммы работы асинхронного и синхронного триггеров. Для асинхронного триггера тактом считается интервал времени между очередными срабатываниями, причем длительность тактов не регламентируется.
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 через 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 по сравнению 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 триггера может произойти как от полезного сигнала, так и от помехи. Это хорошо видно на рисунке выше.
Асинхронный триггер по большей части используется в качестве ключей, прерывателей, делителей частоты, асинхронных счетчиков и в других устройствах. В вычислительной же и цифровой технике, связанной с обработкой и преобразованием информации, почти везде используются синхронные триггеры.