Исследование триггеров RS, D и Т типов

Цель работы. Исследовать устройство и принцип действия триггеров RS, D и Т типов.

Краткая теория. Триггер - это устройство последовательного типа с двумя устойчивыми состояниями равновесия, предназначенное для записи и хранения информации. Под действием входных сигналов триггер может переключаться из одного устойчивого состояния в другое. При этом напряжение на его выходе скачкообразно изменяется.

Как правило, триггер имеет два выхода: прямой и инверсный. Число входов зависит от структуры и функций, выполняемых триггером. По способу записи информации триггеры делят на асинхронные и синхронизируемые (тактируемые). В асинхронных триггерах информация может записываться непрерывно и определяется информационными сигналами, действующими на входах в данный момент времени. Если информация заносится в триггер только в момент действия, так называемого синхронизирующего сигнала, то такой триггер называют синхронизируемым или тактируемым. Помимо информационных входов тактируемые триггеры имеют тактовый вход синхронизации. В цифровой технике приняты следующие обозначения входов триггеров:

S - раздельный вход установки в единичное состояние (напряжение высокого уровня на прямом выходе Q);

R - раздельный вход установки в нулевое состояние (напряжение низкого уровня на прямом выходе Q);

D - информационный вход (на него подается информация, предназначенная для занесения в триггер);

C - вход синхронизации;

Т - счетный вход.

Наибольшее распространение в цифровых устройствах получили RS-триггер с двумя установочными входами, тактируемый D-триггер и счетный Т-триггер. Рассмотрим функциональные возможности каждого из них.

Асинхронный RS-триггер. В зависимости от логической структуры различают RS-триггеры с прямыми и инверсными входами. Их схемы и условные обозначения приведены на рисунке 1. Триггеры такого типа построены на двух логических элементах: 2ИЛИ-НЕ - триггер с прямыми входами (а), 2И-НЕ - триггер с инверсными входами (б). Выход каждого из элементов подключен к одному из входов другого элемента.

Уровень входного сигнала, однозначно определяющий логический уровень выходного сигнала триггера называется активным уровнем. Для элементов ИЛИ-НЕ за активный уровень принимают высокий уровень, а для элементов И-НЕ – низкий уровень. Уровни, подача которых на один из входов не приводит к изменению логического уровня на выходе элемента, называют пассивным.

 

Рис. 1

Для триггера с прямыми входами Q=1 ( =0) при S=1 и R=0 (режим записи 1); Q=0 ( =1) при S = 0 и R = 1 (режим записи 0); при S=R=0 триггер сохраняет предыдущее состояние (режим хранения информации). При S=R=1 состояние триггера будет неопределенным, так как во время действия информационных сигналов логические уровни на выходах триггера одинаковы (Q= =0), а после окончания их действия триггер может равновероятно принять любое из устойчивых состояний. Поэтому такая комбинация является запрещенной.

Для триггера с инверсными входами режим записи логической 1 реализуется при =0, =1, режим записи логического 0 – при =1, =0. При = =1 обеспечивается хранение информации. Комбинация = =0 является запрещенной.

Недостатками RS-триггера являются: наличие запрещенной комбинации входных сигналов, подача информации по двум отдельным цепям (R, S), низкая помехоустойчивость.

Синхронный D-триггер. Он имеет информационный вход (D) и вход синхронизации (C). Одна из возможных структурных схем D-триггера и его условное обозначение показаны на рисунке 2.

Рис. 2

 

Если уровень сигнала на входе C= 0, состояние триггера устойчиво и не зависит от уровня сигнала на информационном входе. При этом на входы RS-триггера с инверсными входами (элементы 3 и 4) поступают пассивные уровни ( = =1). При подаче на вход синхронизации уровня С=1 информация на прямом выходе будет повторять информацию, подаваемую на вход D.

На рисунке 3 изображены временные диаграммы тактируемого D-триггера. В таком триггере происходит задержка сигнала на выходе по отношению к сигналу, поданному на вход на время паузы между синхросигналами. Для устойчивой работы триггера необходимо, чтобы в течение синхроимпульса информация на входе была неизменной.

Тактируемые D-триггеры могут быть с потенциальным и динамическим управлением. У первых из них информация записывается в течение времени, при котором уровень сигнала С=1. В триггерах с динамическим управлением информация записывается только в течение перепада напряжения на входе синхронизации. Динамические входы изображают на схемах треугольником. Если вершина треугольника обращена в сторону микросхемы, то триггер срабатывает по фронту входного импульса, если от нее - по срезу. Еще в схемах вы встретите / и \ обозначения первое соответственно фронт второе спад. В таком триггере информация на выходе может быть задержана на один такт по отношению к входной информации.

Рис. 4

Счетный Т-триггер (рис. 4, а). Его называют также триггером со счетным входом. Он имеет один управляющий вход Т и два выхода Q и . Информация на выходе такого триггера меняется на противоположную при каждом положительном (или при каждом отрицательном) перепаде напряжения на входе. Триггер такого типа может быть создан на базе тактируемого D-триггера, если его инверсный выход соединить с информационным входом (рис 4, б). Как видно из диаграммы на рис. 4, в, частота сигнала на выходе Т-триггера в два раза ниже частоты сигнала на входе, поэтому такой триггер можно использовать как делитель частоты и двоичный счетчик.

Выполнение работы. Работа выполняется на плате П2 с технологическими картами II-1, II-2, II-4 и II-7. Карта II-1 позволяет провести исследования RS-триггера на элементах ИЛИ-НЕ. Для этого триггера активным входным уровнем является логическая 1. Уровни входных сигналов задаются кнопками SB2 и SB3, индицируются светодиодами HL1 и HL2. Уровни выходных сигналов индицируются светодиодами HL3 и HL4.

Рис. 5. Схема к карте II-1.	Рис. 6 Схема к карте II-2.
Рис.7. Схема к карте II-4.	Рис.8. Схема к карте II-7.

 

С помощью карты II-2 исследуется RS-триггер на элементах И-НЕ. Для него активным входным уровнем является логический 0. Уровень входных сигналов индицируется в инверсном коде (через инверторы D2.1 и D2.3) светодиодами HL1 и HL2. То есть при входном сигнале Х1 (или Х2) равном логическому 0, светодиод HL1 (или HL2) горит. При не нажатых кнопках SB2 и SB3 триггер находится в режиме хранения информации.

Карта II-4 предназначена для исследования тактируемого D-триггера. Уровень сигнала на D-входе определяется по положению тумблера SA1 (вверх – 1, вниз – 0). При нажатой кнопке SB1 на С-входе низкий уровень, при не нажатой – высокий.

Карта II-7 позволяет исследовать счетный Т-триггер. Для этого необходимо на плате с помощью проводка инверсный выход Y1 D-триггера соединить с D-входом (Х2).

 

Задание.

1. Исследовать RS-триггера с прямыми входами (рис. 5). Подавая на входы триггера различные наборы логических переменных согласно таб. 1, заполнить ее. Постройте экспериментальные диаграммы S = f(t), R = f(t) и Q = f(t) = f(t) (рис. 9).

 

Таблица 1.

R (HL1)	S (HL2)	Q (HL3)	(HL4)	Режим работы

 

Рис. 9

2. Исследовать RS-триггера с инверсными входами (рис. 6). Подавая на входы триггера различные наборы логических переменных согласно таб. 2, заполнить ее. Постройте экспериментальные диаграммы = f(t), = f(t) и Q = f(t) = f(t) (рис. 10).

Таблица 2.

()	()	Q (HL3)	(HL4)	Режим работы

 

Рис. 10

 

 

3. Исследовать синхронного D-триггера (рис. 7). Подавая на входы D и C схемы триггера, изменяющиеся во времени согласно их диаграммам (рис. 11), логические сигналы, постройте экспериментальную диаграмму Q = f(t), синхронную с диаграммами С = f(t) и D = f(t).

 

Рис. 11

 

4. Исследовать Т-триггер (рис. 8). Подавая на вход С периодическую последовательность импульсов, нарисуйте временные диаграммы С = f(t) и Q = f(t), (рис. 12).

 

Рис.12

Контрольные вопросы.

1. Что называется триггером?

2. Какие триггеры называются асинхронными, а какие синхронными?

3. Какие выходы бывают у триггеров, как их обозначают?

4. Какими символами обозначаются входы триггеров и что эти символы означают?

5. Опишите схему RS -триггера с прямыми входами.

6. Каким будет состояние RS -триггера на элементах И-НЕ при R =0 и S =1? При R =1 и S =0?

7. Каким будет состояние RS -триггера на элементах ИЛИ–НЕ при R =0 и S =1? При R =1 и S =0?

8. Начертите схему D -триггера и объясните при каких входных уровнях триггер будет оставаться в режиме хранения информации?

9. Что такое динамический триггер?

10.Как обозначают вход синхронизации (С) динамического триггера, переключающегося по переднему и заднему фронтам синхроимпульса?

 

11. Какой логический уровень установится на инверсном выходе D -триггера при D =1 и С =1?

12. Как получить Т -триггер, имея в наличии D -триггер?

Лабораторная работа №3

Исследование параллельного и последовательного регистров

 

Цель работы. Исследовать устройство и принцип действия параллельного и последовательного регистров.

Краткая теория. Регистрами называются устройства, выполняющие функции приема, хранения, и передачи информации. Информация в регистре хранится в виде числа (слова), представленного комбинацией сигналов " 0" и " 1". Каждому разряду числа, записываемому в регистр, соответствует свой разряд регистра. Обычно регистры выполняются на триггерах. Триггер с номером i является i -м разрядом регистра и представляет i -й разряд двоичного слова х _n, … х ₂, х ₁, где х _i (i = 1, 2, 3,..., n) – двоичное значение переменной данного разряда, равное 0 или 1.

Основными типами регистров являются параллельные и последовательные (сдвигающие).

В параллельном регистре на тактируемых D –триггерах (рис. 1) код запоминаемого числа подается на информационные входы всех триггеров и записывается в регистр с приходом тактового импульса. Выходная информация изменяется с подачей нового кода и приходом следующего импульса записи. Такие регистры используются в системах оперативной памяти. Число триггеров в них равно максимальной разрядности хранимых слов.

Рис. 1

 

Схема последовательного регистра и временная диаграмма, иллюстрирующая его работу, приведены на рисунке 2. По приходу тактового импульса С первый триггер записывает код X (0 или 1), находящийся в этот момент на его входе D, а каждый следующий триггер переключается в состояние, в котором до этого находился предыдущий. Так происходит потому, что записываемый сигнал проходит со входа D триггера к выходу Q с задержкой, большей длительности фронта тактового импульса (в течение которого происходит запись). Каждый тактовый импульс последовательно сдвигает код числа в регистре на один разряд. Поэтому для записи n-разрядного кода требуется n тактов. На диаграмме видно, что четырёх разрядное число 1011 было записано в соответствующие разряды регистра (1-Q4, 0-Q3, 1-Q2, 1-Q1) после прихода четвёртого тактового импульса. До прихода следующего тактового импульса это число хранится в регистре в виде параллельного кода на выходах Q4 - Q1. Если необходимо получить последовательную информацию в последовательном коде, то её снимают с выхода Q4 в момент прихода следующих четырёх импульсов (5 – 9) такой режим называется режимом последовательного считывания.

Рис. 2

 

Очень удобны универсальные регистры, позволяющие производить как последовательную, так и параллельную запись и считывание. Такие регистры можно использовать в качестве преобразователя параллельного кода в последовательный и обратно. Например, микросхема К155ИР1 - четырёх разрядный универсальный сдвиговый регистр рисунок 3. Регистр работает в режиме сдвига по тактовым импульсам, поступающим на вход С1, если на входе V имеется напряжение низкого уровня. Вход D0 служит для ввода информации в первый разряд регистра в этом режиме. Если же на входе V напряжение высокого уровня, то регистр производит параллельную запись информации со входов D1-D4 по импульсам синхронизации, поступающим на вход С2.

Рис. 3

 

 

Выполнение работы. Работа выполняется на плате П3 с технологическими картами III-1, III-2. Карта III-1 (рис. 4) предназначена для исследования последовательного четырех разрядного регистра. Универсальный регистр К155ИР1 (D1) переводится в последовательный режим при сигнале управления V=0, поэтому при работе с этой картой тумблер SA5 должен находится в положении «0». Входная информация подается кнопкой SB2 (без индикации). Кнопка «отпущена» - D=1, кнопка «нажата» - D=0.

Рис. 4. Схема к карте III-1.

 

Карта III-2 (рис. 5) позволяет исследовать работу К155ИР1 в режиме параллельного регистра, для этого необходимо тумблер SA5 перевести в положение «1» (V=1). Входная информация задается тумблерами SA1 – SA4 и индицируется светодиодами HL1 – HL4. Выходная информация индицируется светодиодами HL5 – HL8.

Синхронизирующие импульсы задаются кнопкой SB1.

 

Рис. 5. Схема к карте III-2.

 

Задание.

1. Исследовать последовательный регистр. Записать в регистр двоичные коды чисел указанных преподавателем. Постройте экспериментальные диаграммы С=f(t), D=f(t), Q₁=f(t), Q₂=f(t), Q₃=f(t), Q₄=f(t) (рис. 6).

Рис. 6

 

 

2. Исследовать параллельный регистр. Записать в регистр двоичные коды чисел указанных преподавателем. Постройте экспериментальные диаграммы С=f(t), D₁=f(t), D₂=f(t), D₃=f(t), D₄=f(t), Q₁=f(t), Q₂=f(t), Q₃=f(t), Q₄=f(t) (рис. 7).

Рис.7

 

Контрольные вопросы.

1. Что такое регистры? Каково их назначение?

2.Чем определяется разрядность регистров?