Лабораторная работа № 11 Исследование триггера на транзисторах (триггер Шмидта)

Цель работы:

1. Изучить принципы функционирования триггеров;

2. Приобрести навыки в работе с триггерами и в построении временных диаграмм.

Приборы и элементы	Условное обозначение
Осциллограф
Источник постоянного напряжения
Транзисторы
Резисторы

Краткие теоретические сведения

Триггер – простейшее бистабильное (двухстабильное) последовательностное цифровое устройство (ПЦУ). В отличие от комбинационных цифровых устройств триггеры обладают свойством памяти. По этой причине триггеры широко используются в вычислительной технике, например, для построения оперативного запоминающего устройства (ОЗУ).

Триггер - устройство, имеющее два устойчивых состояния. Переход из одного состояния в другое происходит при появлении на одном из управляющих входов элемента сигнала (прямоугольного импульса), соответствующего типу входа. Состояние триггера распознается по его входному сигналу. Под влиянием входного сигнала триггер скачкообразно переходит из одного устойчивого состояния в другое, при этом скачкообразно изменяется уровень напряжения его выходного сигнала. Для удобства использования в схемах вычислительных устройств триггеры обычно имеют два выхода: прямой Q (называется также “выход 1”) и инверсный Q^ (“ выход 0”). В единичном состоянии триггер на выходе Q имеет высокий уровень сигнала, а в нулевом – низкий. На выходе Q^ наоборот. Триггер может иметь два и более входов и два выхода.

Функционально любой триггер можно представить в виде блока управления и ячейки памяти.

Блок управления воспринимает входные сигналы и преобразует их в соответствии с функциональным назначением и типом входа в сигналы управления ячейкой памяти. Ячейка памяти хранит свое состояние в промежутках между появлением сигналов от блока управления и транслирует его на выходы.

Тип входа определяет элемент сигнала, на который реагирует этот вход и обозначается указателем около входа. Вход, реагирующий на состояние сигнала (логический "0" - прямой вход, логическая "1" - инверсный вход) называется потенциальным. Вход, реагирующий на изменение сигнала (фронт импульса - прямой вход, срез импульса - инверсный вход), называется динамическим.

Подача управляющего сигнала влияет на состояние триггера отлично в зависимости от функционального назначения входа. Функциональное назначение входа обозначается латинской буквой.

R, K - подача сигнала, устанавливает триггер в состояние "0";

S, J - подача сигнала, устанавливает триггер в состояние "1";

D - триггер переключается в состояние, соответствующее состоянию входа (как правило, это вход потенциальный);

T - подача сигнала, устанавливает триггер в состояние, противоположное состоянию триггера до подачи сигнала;

V, C - подача сигнала разрешает переключения триггера.

Состояние определяется сигналами на других входах. (Если остальные входы не активны, триггер не меняет своего состояния). Различия между этими входами заключается в том, что сигнал на входе C определяет момент переключения, поэтому вход выполняется динамическим. Сигнал на входе V определяет промежутки времени, в течение которых триггер может менять свое состояние.

Одновременное поступление сигнала на входы J и K приведет к переключению триггера в состояние, противоположное состоянию триггера до подачи сигнала. Одновременная подача сигнала на входы R и S запрещена. В такой ситуации состояние триггера невозможно определить однозначно. Сигналы на входах R и S влияют на состояние триггера независимо от состояния входов V, C.

Триггеры могут быть построены на дискретных элементах (транзисторах, резисторах и т. д.)

Типы триггеров.

Триггеры классифицируют по следующим признакам:

- способу приема информации;

- принципу построения;

- функциональным возможностям.

Различают асинхронные и синхронные триггеры.

Асинхронный триггер изменяет свое состояние непосредственно в момент появления соответствующего информационного сигнала.

Синхронные триггеры реагируют на информационные сигналы только при наличии соответствующего сигнала на так называемом входе синхронизации С (от англ. clock). Этот вход также обозначают терминами «строб», «такт».

Синхронные триггеры в свою очередь подразделяют на триггеры со статическим (статические) и динамическим (динамические) управлением по входу синхронизации С. Статические триггеры воспринимают информационные сигналы при подаче на вход С логической единицы (прямой вход) или логического нуля (инверсный вход). Динамические триггеры воспринимают информационные сигналы только при изменении (перепаде) сигнала на входе С от 0 к 1 (прямой динамический С - вход) или от 1 к 0 (инверсный динамический С - вход).

Статические триггеры в свою очередь подразделяют на одноступенчатые (однотактные) и двухступенчатые (двухтактные). В одноступенчатом триггере имеется одна ступень запоминания информации, а в двухступенчатом - две такие ступени. Вначале информация записывается в первую ступень, а затем переписывается во вторую и появляется на выходе. Двухступенчатый триггер обозначают в схемах знаком ТТ.

По функциональным возможностям триггеры разделяют на следующие классы:

- с раздельной установкой состояния 0 и 1 (RS-триггеры);

- универсальные (JK-триггеры);

- с приемом информации по одному входу D (D-триггеры, или триггеры задержки);

- со счетным входом Т (Т-триггеры).

Триггер типа RS имеет два входа раздельной установки в нулевое и единичное состояния. Воздействие по входу S (обозначен по первой букве слова set – установка) приводит триггер в единичное состояние, а воздействие по входу R (от первой буквы слова reset – сброс) – в нулевое. Одновременная подача сигналов S и R не допускается, что является недостатком для RS-триггера.

Триггер типа D (от слова delay – задержка) принимает информацию по одному входу и реализует функцию временной задержки. D-триггер имеет только режимы установки 1 и 0. В связи с этим несинхронизируемый D-триггер не применяется, т.к. его выход будет просто повторять входной сигнал. Синхронизируемый однотактный D-триггер задерживает распространение входного сигнала на время паузы между синхросигналами (задержка на полпериода). Для задержки на период (на один такт) используется двухтактный D-триггер.

Параметры синхронного D- триггера:

D - информационный вход триггера C - синхронизирующий вход S - установка 1 R - установка 0 Q - информационный выход Q^ - инверсный информационный выход Параметры S и R служат для задания начальных условий

Триггер типа JK - универсален, с раздельной установкой нулевого и единичного состояния, в зависимости от соединения его входов он может работать как RS, T, D триггера. В отличие от триггера типа RS в нем не запрещена одновременная подача сигналов на оба входа. Входы J и K эквивалентны входам S и R установки триггера соответственно в состояния “1” и “0”.При объединении входов J и K и при подаче на них счетных импульсов. Вход J при раздельном использовании входов играет роль входа установки в единицу, а вход K - роль входа установки в нуль.

Параметры синхронного JK-триггера:

C - синхронизирующий вход J и K - информационные входы триггера S - установка 1 R - установка 0 Q - информационный выход Q^ - инверсный информационный выход Параметры S и R служат для задания начальных условий

Триггер типа T называется триггером со счетным входом (или счетным триггером). Он изменяет свое состояние на противоположное каждый раз, когда на его вход приходит очередной сигнал. Обозначение триггера пришло от первой буквы английского слова toggle-защелка.

Моделирование триггера Шмидта на аналоговых элементах

Триггер Шмидта или триггер с эмиттерной связью, применяют для преобразования медленно изменяющегося напряжения в импульсное напряжение прямоугольной формы с крутыми фронтами и срезами.

Особенностью этого электронного устройства является то, что переход из одного состояния, когда, например, транзистор VT1 закрыт, а VT2 открыт, в другое, когда транзистор VT1 открыт, а VT2 закрыт, происходит скачком при определённом напряжении на базе транзистора VT1, которое устанавливается переменным резистором R3.

Порядок работы

1. Собрать схему триггера Шмидта и подключить к ней осциллограф (рисунок 5);

2. Выбираем параметры элементов схемы. Важно выбрать правильные модели и номиналы элементов. Как известно, Workbench позволяет изменять сопротивления переменных резисторов во время эмуляции работы схемы путём нажатия клавиш, указанных в поле Key закладки Value параметров переменного резистора для уменьшения его сопротивления, и эту же клавишу одновременно с клавишей Shift для увеличения сопротивления. Начальные установки параметров переменного резистора в нашей схеме должны быть такими (рис.1):

Рис.1 – Начальные параметры переменного резистора

Модель транзистора выбирается следующим образом (рис.2):

Рис.2 – Выбор модели транзистора

3. В процессе симуляции схемы уменьшаем сопротивление переменного резистора R3 нажатием клавиши R на 10% за каждый раз. При определённом сопротивлении R3 происходит переключение триггера:

Рис.3 – Осциллограмма при переключении триггера

Если же теперь увеличивать значение сопротивления R3, нажимая Shift-R, то можем наблюдать обратное переключение:

Рис.4– Осциллограмма при обратном переключении триггера

Рис.5 – Принципиальная схема триггера Шмидта

Методика работы с осциллографом.

Для получения формы кривых напряжения в любой точке схемы в программе EWB используется осциллограф. Открываем диалоговое окно осциллографа двойным нажатием левой кнопки мыши. При этом появляется уменьшенное изображение панели осциллографа. Осциллограф имеет четыре клеммы: Ground (Земля), Trigger (Синхронизация), Channel A (Канал А), Channel B (Канал B).

Развертка по времени (Time base) задается соответствующими клавишами.

Вертикальная развертка задается отдельно по каждому каналу.

На экране осциллографа изображены две кривые, отображающие входное и выходное напряжения однополупериодного выпрямителя.

Для того, чтобы производить измерения с помощью осциллографа необходимо нажать кнопку Expand и тогда появится увеличенное изображение панели осциллографа, которое имеет дополнительные элементы для измерения.

На экране осциллографа появляются две вертикальные черты, которые можно передвигать с помощью левой кнопки мыши, тем самым, устанавливая место измерения. В дополнительных окнах появляются координаты отмеченных позиций.

Контрольные вопросы

1. Какие типы триггеров Вы знаете, чем обусловлено их многообразие?

2. Кокой триггер называют симметричным?

3. Какую роль в триггерной системе выполняет управляющее устройство?

4. На какие категории подразделяются входные сигналы триггера в зависимости от выполняемой роли?

5. Какую роль выполняют синхронизирующие (тактовые) сигналы?

6. Чем различаются триггеры по способу ввода информации?

7. На какие три категории подразделяются триггеры в зависимости от того, какой параметр входного сигнала используется для записи информации?

8. На какой сигнал реагируют триггеры с динамическим управлением?

9. Как можно управлять двухступенчатым триггером?