Электронная техника. Триггеры.
план-конспект занятия

Тема: Электронные импульсные устройства с устойчивыми состояниями. Триггеры.

Под определение триггера попадают довольно много схем в электронных устройствах. Их общая черта — это способность находиться в одном из двух устойчивых состояний, которые сменяют друг друга под воздействием какого-либо сигнала. Кроме того, триггеры обладают двоичной памятью, то есть могут запоминать своё положение и оставаться в нём даже после прекращения влияния переключающего фактора, таким образом запоминая разряд числа в двоичном коде.

Триггер — это запоминающий элемент с двумя (или более) устойчивыми состояниями, изменение которых происходит под действием входных сигналов и предназначен для хранения одного бита информации, то есть имеет состояния логического 0 или логической 1.

Все разновидности триггеров представляют собой математическую модель, включающую элемент памяти (ЭП) и комбинационную схему (КС), которая может называться схемой управления или входной логикой триггера (рисунок 1).

Рисунок 1 - Обобщённая структура триггера

В графе триггера каждая вершина графа соединена со всеми другими вершинами, при этом переходы от вершины к вершине возможны в обе стороны (двухсторонние). Граф двоичного триггера — две точки соединённые отрезком прямой линии, троичного триггера — треугольник, четверичного триггера — квадрат с диагоналями, пятеричного триггера — пятиугольник с пентаграммой и т. д. При N=1 граф триггера вырождается в одну точку, в математике ему соответствует унарная единица или унарный ноль, а в электронике — монтажная «1» или монтажный «0», то есть простейшее ПЗУ. Устойчивые состояния имеют на графе триггера дополнительную петлю, которая обозначает, что при снятии управляющих сигналов триггер остаётся в установленном состоянии.

Описание и принцип работы

В широком смысле триггером (от английского trigger — спусковой крючок, запускающий механизм) называют любой импульс или событие, ставшее причиной чего-либо. Термин применяют в электронике, психологии, медицине, программировании и других областях деятельности.

Состояние триггера определяется сигналами на прямом и инверсном выходах. При положительном представлении (позитивная логика) высокий уровень напряжения на прямом выходе отображает значение логической 1 (состояние = 1), а низкий уровень — значение логического 0 (состояние = 0). При отрицательном представлении (негативная логика) высокому уровню (напряжению) соответствует логическое значение 0, а низкому уровню (напряжению) соответствует логическое значение 1. Отличительной чертой устройства является то, что его переход из одной позиции в другую обусловлен не только получением внешних инструкций, поступающих от выбранной системы управления, но и посредством обратной связи. То есть текущее положение элемента зависит от предыстории его работы.

Триггеры могут сохранять свою память только при постоянном поступлении напряжения. Если его отключить, а затем снова подключить, устройство перейдёт в случайное состояние. Поэтому при конструировании устройства важно предусмотреть способ, которым он изначально будет вводиться в правильное положение.

В основе любого триггера лежит схема, которая состоит из двух логических элементов типа И-НЕ либо ИЛИ-НЕ, имеющих друг с другом обратную положительную связь. Такой тип подключения позволяет системе иметь всего два возможных устойчивых состояния, из которых выбирается одно. Важной деталью является то, что после того как триггер перешёл в положение, он может сохранять его сколько угодно времени, до тех пор, пока не будет подан очередной управляющий сигнал.

Другой характерной особенностью устройств является возможность мгновенного осуществления перехода от одного состояния в другое после получения соответствующей команды. Задержка настолько мала, что её можно не учитывать при проведении расчётов.

Число входов может быть разным и зависит от требуемых функций. Если подать сигнал одновременно на два из них, то он примет произвольную позицию после прекращения их поступления. По своим функциям входы делятся на несколько типов, которые входят в две большие группы: информационные и управляющие. Первые из них получают сигналы и запоминают их в виде информации, в то время как вторые разрешают или запрещают её запись, а также выполняют функцию синхронизации.

На схемах они имеют следующие обозначения:

• S — устанавливает триггер в состояние «1» на прямом выходе;
• R — противоположен S, сбрасывает состояние обратно на «0»;
• С — вход синхронизации;
• D — принимает информацию для последующего занесения на триггер;
• T — счётный вход.

Комбинация разных типов входов и выходов определяет то, как работает триггер. Существует множество схем этих устройств, использующихся для разных целей.

В схеме любого триггера может быть только два состояния — на выходе Q присутствует логическая единица и на выходе Q присутствует логический ноль. Если логическая единица присутствует на выходе Q, то на инверсном выходе триггера будет присутствовать логический ноль, который после очередного инвертирования подтверждает уровень логической единицы на выходе Q. И наоборот, если на выходе триггера Q присутствует логический ноль, то на инверсном выходе будет присутствовать логическая единица.

Описанная ситуация на выводах триггера будет сохраняться до тех пор пока включено питание. Но вот вопрос — а как записывать в простейший триггер необходимую нам информацию? Для этого в схеме потребуются входы записи нуля и записи единицы.

Классификация триггеров

Триггерные системы отличаются друг от друга по функциональному признаку, типу управления, числу возможных состояний и уровней, способу реагирования на помехи, составу основных логических элементов и другим особенностям. Однако все они, начиная от самых простых схем и заканчивая сложными многоступенчатыми структурами с множеством состояний, работают по одинаковому принципу.

Триггеры делят на несколько больших групп по функциональным и практическим различиям:

• По принципу управления: бывают статические (или потенциальные) и динамические. Первые реагируют на непосредственную подачу сигналов на вход (при подаче на вход С логической единицы (прямой вход) или логического нуля (инверсный вход), соответствующих единице или нулю. Вторые воспринимают изменение сигнала с одного на другой.
• Статические, в свою очередь, делятся на две группы: симметричные и несимметричные. Они отличаются по внутреннему строению электрических связей в схеме — у симметричных они идентичны во всех отдельных ячейках устройства. Именно они составляют основную массу триггеров.
• По функциональным особенностям: самый частый тип такой классификации — асинхронные (изменяет своё состояние непосредственно в момент изменения соответствующего информационного сигнала или сигналов, с некоторой задержкой равной сумме задержек на элементах, составляющих данный триггер) и синхронные (реагируют на информационные сигналы только при наличии соответствующего сигнала на так называемом входе синхронизации С (от англ. clock). Этот вход также обозначают термином «такт». Такие информационные сигналы называют синхронными. Синхронные триггеры в свою очередь подразделяют на триггеры со статическим и с динамическим управлением по входу синхронизации С);
• По количеству ступеней: Одноступенчатые триггеры (latch, защёлки) состоят из одной ступени представляющей собой элемент памяти и схему управления, бывают, как правило, со статическим управлением. Одноступенчатые триггеры с динамическим управлением применяются в первой ступени двухступенчатых триггеров с динамическим управлением. Одноступенчатый триггер на УГО (условное графическое обозначение) обозначают одной буквой Т.

Двухступенчатые триггеры (flip-flop, «шлёпающие») делятся на триггеры со статическим управлением и триггеры с динамическим управлением. При одном уровне сигнала на входе С информация, в соответствии с логикой работы триггера, записывается в первую ступень (вторая ступень заблокирована для записи). При другом уровне этого сигнала происходит копирование состояния первой ступени во вторую (первая ступень заблокирована для записи), выходной сигнал появляется в этот момент времени с задержкой равной задержке срабатывания ступени. Обычно двухступенчатые триггеры применяются в схемах, где логические функции входов триггера зависят от его выходов, во избежание временны́х гонок. Двухступенчатые триггеры в условных графических обозначениях (УГО) обозначают двумя буквами ТТ.

• По количеству уровней: два уровня (высокий, низкий) в двухуровневых элементах, три уровня (положительный, ноль, отрицательный) в трёхуровневых элементах, …, N-уровней в N-уровневых элементах, …и т.д.;
• По способу реагирования на возникновение помех, триггеры можно поделить на прозрачные и непрозрачные, которые, в свою очередь, бывают проницаемыми и непроницаемыми.
• В соответствии с числом возможных устойчивых состояний. Чаще всего их два, но бывают и троичные, четверичные и прочие элементы (двоичный триггер, троичный триггер, четверичный триггер, …, десятичный триггер, …, n-ичный триггер,…);
• По логическому составу, количеству и соотношению элементов И-НЕ и ИЛИ-НЕ.
• Со сложной и простой логикой.

Все системы классификации триггеров взаимодействуют и дополняют друг друга. Например, двухступенчатый триггер может быть синхронным или асинхронным, иметь статическое или динамическое управление и так далее. Выделены также отдельные виды этих систем с разными названиями.

Типы синхронизации

Рисунок 2 - Классификация триггеров по типу синхронизации