АСИНХРОННЫЕ И СИНХРОННЫЕ ТРИГГЕРЫ

 

Навчально – методичний посібник

для студентів освітньо-кваліфікаційного рівня «бакалавр»

напрямів підготовки «Фізичне виховання», «Здоров’я людини», «Спорт»

 

Частина І

 

 

Рецензент М.В.Маліков

Відповідальний за випуск Р.В.Клопов

Коректор Н.В. Мацюх

 

 

ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОСТНЫЕ СХЕМЫ

ТРИГГЕРЫ.

АСИНХРОННЫЕ И СИНХРОННЫЕ ТРИГГЕРЫ

К последовательностным схемам относятся различные типы логических элементов с двумя или более устойчивыми состояниями и устройства на их основе, функции выходов кото­рых определяются не только комбинацией действующих на входах внешних сигналов, но и в отличие от комбинационных схем некоторыми внутренними сигналами (состояниями), учиты­вающими предыдущие входные воздействия регистры памяти, счетчики импульсов, накапливающие сумматоры, оперативные запоминающие устройства и т. д. Наиболее часто в качестве базовых элементов последовательностных схем используются логические элементы с двумя устойчивыми состояниями, ко­торые в сочетании с двоичными комбинационными схемами обра­зуют элементный базис двоичных цифровых устройств. В мно­гообразии бистабильных логических элементов особенно ши­рокое применение нашли триггеры.

Триггерами называют спусковые или регенеративные уст­ройства с двумя возможными устойчивыми состояниями, в ко­торые они могут устанавливаться управляющими входными сигналами. Существует большое количество разновидностей триггеров, которые различаются по виду входных и выходных сигналов, а также по способу управления состояниями записи информации в триггер.

По виду входных сигналов различают триггеры с импульс­ным и потенциальным управлением. В цифровых вычислительных устройствах в основном применяются триггеры с потенци­альным управлением.

По способу записи информации триггеры подразделяются на асинхронные и синхронные (тактируемые).

У асинхронных триггеров имеются только информационные (логические) входы. Асинхронные триггеры отличает свойство срабатывать непосредственно за изменением сигналов на входах, не считая времени задержки на элементах, образующих триггер. Основной недостаток асинхронных триггеров, ограничивающий их использование в быстродействующей аппаратуре, - незащищенность перед опасными состязаниями сигналов. Явление состязаний, или гонок, состоит в том, что сигналы, поступающие на разные информационные входы триггера, проходят по разным цепям, пройдя различное число элементов. Вследствие задержек распространения между сигналами возможны временные сдвиги, которые будут меняться с колебаниями температуры и по мере старения деталей. Состязание сигналов могут оказаться причиной ложных срабатываний триггера. Тактированием этот недостаток удается устранить. Асинхронный триггер по большей части используют в качестве ключей, прерывателей, делителей частоты, асинхронных счетчиков и т.п.

У синхронных триггеров смены сигналов еще недостаточно для срабатывания. Необходим дополнительный командный импульс, который подается на синхронизирующий, или, как его чаще называют, тактирующий, вход. Синхронизирующие сигналы вырабатываются специальным генератором тактовых импульсов, которые задают частоту смены информации в дискретные моменты времени. В синхронных триггерах момент переключения определяется моментом смены кодовой комбинации на информационных входах. В эти же моменты обновляется информация на выходах триггера, которая поступает на входы последующих устройств. Синхронизация триггеров производится по уровню тактирующего сигнала либо по его положительному или отрицательному фронту. Синхронизация обеспечивает привязку сигналов ко времени и объединяет в общем ритме работу многих узлов аппаратуры. Синхронные триггеры сравнительно 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 на помехи различного происхождения, триггер не реагирует.

В вычислительной и цифровой технике, связанной с обработкой и преобразованием информации, почти везде используются синхронные системы.

По виду выходных сигналов различают статические и дина­мические триггеры. В статических триггерах устойчивые состо­яния идентифицируются по уровням постоянных напряжений на их выходах. Состояния динамических триггеров определяются по наличию или отсутствию на выходах непрерывной серии им­пульсов. Наибольшее распространение в цифровой схемотехнике получили статические триггеры.

Функционально триггер можно представить в виде элемента памяти со схемой управления (рис. 6.1).

 

Рис.6.1

Элемент памяти хранит информацию о результате предыдущего воздействия на триггер. Схема управления реализует правила реагирования триггера на различные входные сигналы и их комбинации. В конечном счете, схема управления вырабатывает сигналы, которые обеспечивают хранение и информации взапоминающем элементе, подтверждение состояния либо переключение запомина­ющего элемента в новое состояние. В двоичном триггере для смены состояний запоминающего элемента достаточно выработать сигналы установки в единичное состояние (Установка «1») и внулевое (Установка «0»). Отсутствие сигналов установки соответствует режиму хранения информации, а их одновремен­ное действие приводит к неопределенному результату, поэтому такое управление обычно не используется.

По реакции триггера на входные управляющие воздействия различают следующие виды входов:

S - вход для установки (Set - установка) триггера в состояние «1» (на основном или прямом выходе триггера Q устанавливается сигнал «логическая «1», т. e. Q = 1);

R - вход для сброса (Reset - сброс, возврат) триггера в состояние «0» (Q = 0);

D - вход для установки триггера в состояние «1» при D = 1 или «0» при D = 0 т. е. задержкой (Delay - задержка) переключе­ния выходов Q, по отношению ко входу D;

Т - вход переключения (Toggle - релаксатор) триггера в противоположное состояние аналогично счету по модулю 2, поэтому вход Т называют счетным;

J, К - входы для установки (Jerk - включение) и сброса (Кill - отключение) триггера в состояние соответственно «1» и «0» аналогично входам S и R, отличие состоит в том, что одно­временное возбуждение входов S и R обусловливает неопреде­ленность перехода триггера в одно из двух возможных состо­яний, а одновременное возбуждение входов J и К вызывает однозначно смену состояния триггера аналогично входу Т;

С - вход синхронизации (Clock - часы) для точного за­дания моментов переключения состояний триггера;

V - вход для разрешения или запрета реагирования триггера на соответствующие управляющие входы.

Обычно триггеры содержат лишь часть из перечисленных типов входов, причем некоторые из них являются кратными. По совокупности управляющих входов различают:

RS -триггеры с раздельными входами установки в состояние «0» и «1»; RS -триггеры бывают асинхронными и синхронны­ми, если кроме S и R имеется вход С;

D -триггеры с записью информации по одному входу D и мо­менты времени, определяемые синхроимпульсами С;

Т -триггеры со счетным входом;

JK -триггеры - универсальные триггеры, в которых вхо­ды J и К в отдельности реализуют раздельное управление, а совместно — счетный режим.

Кроме названных типов существует много разновидностей триггеров с комбинированным управлением названными типами входов, с блокировкой каких-либо информационных входов или без нее. Триггеры, синхронизируемые уровнем синхроимпульса, могут в течение действия синхроимпульса многократно переключаться управляющими сигналами. В паузе между синхроимпульсами их состояния не изменяются независимо от управляющих сигналов.

Триггеры, синхронизируемые фронтом, изменяют состо­яния лишь в момент переключения уровней синхроимпульса из «0» в «1» (положительный фронт) или из «1» в «0» (отрицатель­ный фронт). При любых постоянных уровнях синхроимпульса триггер сохраняет состояние при всевозможных изменениях управляющих сигналов. Следовательно, синхронизируемый фронтом триггер за время действия синхроимпульса любой дли­тельности может переключиться только один раз.

Триггеры описываются совокупностью статических и ди­намических параметров.

Важнейшим из статических параметров, аналогично логическим элементам, являются коэффициент объединения по входу - К _об, коэффициент разветвления по выходу - К _раз, входные и выходные уровни напряжения «0» - и «1» - , входные и вы­ходные токи «0» - и «1» - .

Основными динамическими параметрами триггера являются:

t_раз - разрешающее время, определяемое как минимальный период следования входных сигналов при котором триггер сохра­няет работоспособность, разрешающее время определяет максималь­ную частоту переключения f_тax =1/ t _раз;

- длительность задержки распространения сигнала, из­меряемая на выходах триггера по отношению к каждому из входов;

t _вх - минимальная длительность входного cигнала, при кото­рой триггер адекватно реагирует на управляющее воздействие.

Технические реализации триггеров отличаются типом ис­пользуемых активных компонентов и способом их включения. Прежде всего, это относится к собственно запоминающему эле­менту триггера. Для обеспечения переключения состояний запоминающего элемента с максимальной скоростью в нем исполь­зуется так называемый регенеративный режим, который имеет место, если в схеме действует положительная обратная связь.