Лабораторная работа №1 Исследование одноступенчатых триггеров Краткие теоретические сведения

Триггером (англ. Trigger) называется спусковое устройство с двумя (бистабильный триггер), реже более (мультистабильный триггер) устойчивыми состояниями, в которых оно может находиться произвольно долго – до воздействия на него внешнего сигнала. Триггер обычно имеет два выхода: прямой и инверсный. Каждому состоянию триггера соответствуют определенные сигналы на его выходах, отличающиеся уровнем: если на прямом выходе формируется сигнал высокого уровня, то на инверсном выходе – низкого, и наоборот. Перевод триггера из одного состояния в другое осуществляется обычно подачей внешних управляющих сигналов либо поочередно на разные входы (установочный, или раздельный запуск), либо последовательно на один и тот же вход (счетный запуск).

По характеру входных запускающих сигналов триггеры подразделяются на два класса: 1. асинхронные триг­геры с прямым или инверсным управлением, изменяющие свое состояние в момент подачи сигнала; 2. тактируемые (синхронные) триггеры, в которых момент смены состояния определяется уровнем (логический «0» или «1»), фронтом или срезом внешнего синхронизирующего сигнала. На рисунке 1 показана классификация триггеров по способу управления, а на рисунке 2 - наиболее распространенные варианты условных обозначений прямых и инверсных входов триггера.

Условные графические обозначения на рисунках 2 а и б применяются для обозначения прямого и инверсного входов триггера. Условные графические обозначения на рисунках 2 в и д относятся к динамическим входам синхронизации триггеров, переключающихся по фронту синхроимпульса, а на рисунках 2 г и е к динамическим входам синхронизации триггеров, переключающихся по срезу синхроимпульса.

Промышленность выпускает триггеры в интегральном исполнении, в виде микросхем, содержащих несколько триггеров в одном корпусе, причем количество триггеров в корпусе, их тип, конструкция корпуса зависит от серии интегральной схемы. Наиболее распространены интегральные микросхемы серий 155, 555, 176, 561, 564, 500, 1533, каждая из которых содержит в своем составе широкий ассортимент триггеров различного типа. Также триггеры могут быть выполнены на отдельных логических элементах, транзисторах, электронных лампах.

Простейший триггер, наиболее удобный для изучения - RS-триггер, называемый так по причине обязательного наличия в нем двух входов: Reset (вход сброса) и Set (вход установки). Условное обозначение асинхронного RS-триггера на принципиальных электрических схемах, а также в программе “Electronics Workbench” показано на рисунке 3, на рисунке 4 приведена схема такого триггера, выполненного на элементах И-НЕ и ИЛИ-НЕ.

Таблица 1.
R	S	Qt+1
0	0	Qt
0	1	1
1	0	0
1	1	X

Принцип действия асинхронного RS-триггера отражен в таблице функционирования (таблица 1). При R = S = 0, триггер сохраняет предшествующее состоя­ние: Q_t+1 = Q_t, причем Q_t может быть равно 0 или 1.

При воздействии на входы R и S сигналов разных уровней, триггер меняет свое состояние на противоположное. Как следует из таблицы 1, одновременное воздействие на входы R и S сигналов высокого уровня не допускается, поскольку состояние триггера в этом случае не определено. На основании таблицы 1 можно записать уравнение функционирования асинхронного RS-триггера:

;

Исследование RS-триггера можно провести в программе “Electronics Workbench”, содержащей его модель. Схема исследования приводится на рисунке 5.

Для исследования используются генератор слов (word generator) и логический анализатор (logic analyzer). Генератор слов представляет собой устройство, формирующее на шине данных последовательность слов, ранее определенных во внутреннем запоминающем устройстве генератора. Запоминающее устройство имеет емкость 16 однобайтовых слов (см. рис. 5) и программируется пользователем.

Программирование запоминающего устройства осуществляется следующим образом: к разряду слова подводится курсор и нажимается левая кнопка мыши, после чего с клавиатуры вводится необходимое значение разряда (0 или 1). После завершения процесса программирования нажимается кнопка “SAVE” для сохранения «прошивки» в файле. Кнопка “LOAD” позволяет загрузить ранее сохраненную «прошивку» в память генератора слов, кнопка “CLEAR” очищает память генератора. Кнопки “STEP”, “BURST” и “CYCLE” управляют режимом выдачи слов, панель “FREQUENCY” определяет частоту изменения данных на выходной шине генератора. Панель “TRIGGER” управляет способом запуска генератора.

Логический анализатор представляет собой восьмиканальный осциллограф, предназначенный для анализа цифровых сигналов, поступающих по восьмиразрядной шине данных. Время развертки осциллографа определяется панелью “TIME BASE”. На рисунке 5 каналы осциллографа отображают следующие сигналы (сверху вниз): разряд 1 шины данных генератора слов (вход S триггера), разряд 2 шины данных генератора слов (вход R триггера), прямой и инверсный выходы исследуемого RS-триггера.

Рассмотренный RS-триггер изменяет состояние непосредственно в момент подачи сигналов R или S (асинхронный триггер). Такой способ управления триггером имеет недостатки, наиболее существенные из которых: триггер будет переключаться сразу после установки сигналов на его входах, однако, в некоторых случаях требуется «пропустить» смену состояния триггера, что невозможно при асинхронном способе управления; сигналы на входах триггера могут быть ложными (обусловленными воздействием помех, например), что приведет к ложному переключению триггера; есть ряд устройств, в которых необходимо переключение триггера (или одновременное переключение нескольких триггеров) в момент, определяемый не сигналами на входах триггера, а внешним управляющим сигналом; при большой длительности сигналов возможно многократное срабатывание асинхронных триггеров (генерация). Таким образом, ввиду низкой помехозащищенности и ограниченных функциональных возможностей асинхронные типы триггеров в электронных устройствах применяются редко.

В синхронном триггере для изменения состояния кроме наличия управляющих сигналов R и S необходим также тактовый импульс Clock (динамическое управление), либо постоянный «разрешающий» уровень (статическое управление). Простейшая реализа­ция синхронного RS-триггера обеспечивает его функцио­нирование согласно следующему уравнению:

;

Синхронный RS-триггер может быть получен из асинхронного RS-триггера путем незначительной модификации последнего. На рисунке 6 показано условное обозначение синхронного RS-триггера с прямым статическим входом C, а также его схема на логических элементах И-НЕ.

Условием четкой работы синхронного RS-триггера является неизменность значений сигналов R и S во время действия синхросигнала C, причем длительность последнего выбирается больше, чем суммарная задержка переключения элементов схемы триггера. Время, которое проходит от момента изменения входных сигналов до соответствующего изменения состояния триггера, зависит от времен распространения сигнала по всем входящим в него вентилям. Это время называется временем переключения триггера, и оно должно находиться в пределах между последним изменением входных сигналов и моментом снятия сигнала C. В противном случае триггер может не успеть среагировать на изменение входных сигналов. Вышесказанное в большей или меньшей степени относится также и ко всем другим типам триггеров.

Для обеспечения надежной работы сложных устройств, построенных на триггерах, оказалось недостаточным применение синхронных типов триггеров. В устройствах высокой сложности, построенных на элементах цифровой техники, неизбежно возникает широкий спектр импульсных помех, приводящий в некоторых случаях к нерегулярным сбоям в работе устройства. Помимо конструктивных решений, направленных на нейтрализацию помех и основанных на экранировке узлов устройства, поперечной разводке печатных проводников, установки развязывающих конденсаторов и т.д. возникла идея управления работой динамически синхронизируемого триггера одновременно фронтом и срезом синхроимпульса. Эта идея осуществлена в двухступенчатом триггере (master-slave, ведущий-ведомый), в простейшем случае, состоящем из двух синхронных триггеров и инвертора. Подробно двухступенчатые триггеры будут рассматриваться в лабораторной работе №2.

Среди триггеров D-типа распространение получили тактируемые триггеры, поскольку асинхронный D-триггер просто повторяет на выходе входной сигнал и его использование лишено всякого смысла. Тактируемый (синхронный) D-триггер имеет один вход (не считая входа C), и работает таким образом, что сигнал на выходе после переключения равен сигналу на входе D до переключения. Различают два вида тактируемых D-триггеров: триггер со статической синхронизацией и триггер, синхронизируемый фронтом или срезом синхроимпульса. В первом смена состояния происходит при постоянном уровне сигнала на входе C, триггер второго типа переключается в момент изменения уровня синхросигнала. Функционирование асинхронного и синхронного D-триггеров описывается уравнениями:

; (асинхронный D-триггер)

; (синхронный D-триггер)

В таблице 2 отражено функционирование D-триггера, на рисунке 7 – схема синхронного D-триггера, выполненного на элементах И-НЕ и его условное обозначение на схемах.

Основное назначение D-триггеров – задержка сигнала, поданного на вход D. Обязательным условием правильной работы D-триггера является наличие защитного временного интервала после прихода импульса на вход D перед тактовым импульсом C.

Таблица 2.
D	Qt+1
0	0
1	1

Д лительность защитного интервала должна превышать время распространения сигнала в триггере и для конкретной модели D-триггера определяется из справочной литературы. Особенность D-триггера состоит в том, что он может сохранять информацию только в течение одного такта работы (впрочем, этот недостаток устранен в DV-триггере).

Диаграмму работы синхронного D-триггера со статическим управлением также можно снять при помощи программы “Electronics Workbench”. Для этого необходимо собрать схему, показанную на рисунке 7, зафиксировать на входе C сигнал высокого уровня, на вход D подать сигнал от генератора прямоугольных импульсов. Целесообразно произвести исследование на низких частотах (1-2 Гц) и высоких (около 30 МГц), когда начинают оказывать влияние внутренние задержки распространения сигнала в триггере.

Результаты исследования показаны на рисунке 8.

Из рисунка 8 видно, что существенные временные задержки распространения сигнала в триггере приводят практически к полной его неработоспособности на высоких частотах, поэтому при конструировании микросхем высокого быстродействия применяются специальные меры по уменьшению времени распространения сигнала внутри триггеров, входящих в состав ИМС.

В ряде случаев при проектировании радиоаппаратуры необходимо получить последовательность «узких» импульсов, таким образом, чтобы импульсы следовали друг за другом с интервалом, равным периоду какого либо периодического сигнала, например синусоиды. Для этих целей удобно использовать D-триггер, подав на его вход D периодический сигнал. Диаграмма работы D-триггера в этом случае приведена на рисунке 9.

Следует отметить, что конструирование D-триггеров из различных типов логических элементов занятие довольно простое, вследствие чего ниже, на рисунке 10 приводятся схемы еще нескольких триггеров D-типа со статической синхронизацией.

Здесь, на рисунке 10 а показан классический D-триггер на основе логики ИЛИ-НЕ, имеющий инверсный вход синхронизации. Триггер на рисунке 10 б также имеет инверсный вход синхронизации, в отличие от него триггер, схема которого приведена на рисунке 10 в имеет прямой вход синхронизации и всего один выход Q. Такой триггер называют однофазным. Как легко догадаться, существуют две модификации однофазных триггеров, различающихся по типу выхода Q – инверсного или прямого. Любой однофазный триггер можно превратить в двухфазный установкой инвертора, дающего сигнал противоположный сигналу выхода однофазного триггера. Также D-триггер можно получить из синхронного RS-триггера, введя инвертор между входами S и R, исключив таким образом состояние неопределенности т.к. инвертор формирует на входе R сигнал .

На рисунке 11 показана работа D-триггера, собранного на логических элементах И-НЕ (см. рисунок 8). Из диаграммы следует, что во время действия синхросигнала C на выходе Q триггера повторяется входной сигнал D. Рассмотренные выше D-триггеры являются однотактными, т.е. для записи информации в триггер требуется один такт. Существуют также двухтактные триггеры D-типа. Эти триггеры имеют один информационный вход D и два входа синхронизации С_a и C_b. На рисунке 12 приведены схемы двухтактных триггеров D-типа на основе логических элементов И-НЕ и ИЛИ-НЕ. Показанные схемы двухтактных триггеров по тактовому сигналу С_a устанавливаются в исходное состояние, а по тактовому сигналу C_b производят переключение. Таким образом, двухтактный триггер управляется двумя разнесенными во времени синхросигналами.

Иногда триггер D-типа дополняют еще одним входом (кроме тактового) V, разрешающим его переключение. Такой триггер называется DV-триггером. При установке на входе V разрешающего сигнала, DV-триггер работает аналогично триггеру D-типа, но при запрещающем сигнале на входе V смена состояния триггера не происходит. Функционирование DV-триггера описывается следующим уравнением:

;

При соединении входа D с выходом , DV-триггер превращается в триггер, выполняющий счет по модулю два (T-триггер). Схема DV-триггера показана на рисунке 13.

Триггеры D-типа являются одними из наиболее удобных типов триггеров для упаковки в стандартный корпус ИМС типа 201.14 (DIP 14 выводов). В такой корпус можно уместить три D-триггера с четырьмя выводами или четыре D-триггера, не имеющих выхода .

D-триггеры находят самое широкое применение в промышленной электронике. Так, например, на основе D-триггеров изготавливаются проблесковые маячки для автомобилей спецслужб, представляющие собой D-триггер, на вход D которого подаются прямоугольные импульсы с частотой 2-3 герца от простейшего генератора на нескольких инверторах, прямой и инверсный выходы триггера управляют мощными транзисторными ключами, коммутирующими лампы проблесковых маячков.