Опубликован: 21.06.2011 | Доступ: свободный | Студентов: 2409 / 608 | Оценка: 4.02 / 4.11 | Длительность: 13:28:00
ISBN: 978-5-9556-0123-6
Специальности: Разработчик аппаратуры
Лекция 7:

Последовательностные функциональные узлы. Триггеры

< Лекция 6 || Лекция 7: 12 || Лекция 8 >
Аннотация: Рассматривается принцип действия триггеров как простейших элементов электронной памяти.

Цифровое устройство называется последовательностным [1, с.91], если его выходные сигналы зависят не только от текущих значений входных сигналов, но и от последовательности значений входных сигналов, поступивших на входы в предшествующие моменты времени. Поэтому говорят, что такие функциональные узлы "обладают памятью".

Триггер - это логическая схема с положительной обратной связью, которая может находиться только в одном из двух устойчивых состояний, принимаемых за состояние логического нуля и логической единицы.

В отличие от всех рассмотренных ранее комбинационных схем, работа которых определяется только входными сигналами, состояние триггера в текущий момент зависит и от его состояния в предыдущий момент времени. Иными словами, триггер - это схема с запоминанием [2].

RS-триггеры

Простейшая функциональная схема RS - триггера в базисе ИЛИ-НЕ приведена на рис. 7.1,а. Здесь R (от англ. Reset - сброс) - вход сброса триггера в состояние логического нуля, S (от англ. Set - устанавливать) - вход установки триггера в логическую единицу, Q - прямой выход триггера (состояние Q=1 считается для триггера единичным, а противоположное, при Q=0, - нулевым), \overline{Q} - инверсный выход триггера.

RS-триггер в базисе ИЛИ-НЕ: а - функциональная схема; б - УГО

Рис. 7.1. RS-триггер в базисе ИЛИ-НЕ: а - функциональная схема; б - УГО

Очевидно, при наличии двух входных сигналов, возможны 4 варианта работы схемы (табл. 7.1). Начнем анализ с состояний, когда на один из входов подается решающий для элемента ИЛИ-НЕ сигнал логической 1.

Первая такая комбинация: S=1, R=0. S=1 является для логического элемента ИЛИ-НЕ решающим сигналом, который переключит нижний элемент схемы на рис. 7.1,а в логический 0, поэтому \overline{Q}=0. Комбинация R=0 и \overline{Q}=0 переключит верхний элемент ИЛИ-НЕ в 1: Q=1. Таким образом происходит установка триггера - его переключение в единичное состояние.

Таблица 7.1. Таблица истинности RS-триггера в базисе ИЛИ-НЕ
Управляющие сигналы Состояние выходов Режим работы
S R Q \overline{Q}
0 0 Q_{i-1} \overline{Q_{i-1}} Хранение ранее записанной информации
0 1 0 1 Сброс триггера
1 0 1 0 Установка триггера
1 1 0 0 Неустойчивое состояние

Вторая комбинация: R=1, S=0. Решающий для ИЛИ-НЕ сигнал R=1 переключит выход Q в нулевое состояние, а сочетание S=0 и Q=0 обеспечит переключение инверсного выхода в состояние \overline{Q}=1. Триггер сброшен - то есть пришел в устойчивое нулевое состояние.

Если на оба входа подать S=R=0, то состояние триггера будет определяться значениями Q и \overline{Q}, поскольку логический 0 не является решающим для элемента ИЛИ-НЕ. Допустим, ранее триггер был установлен: то есть Q=1 и \overline{Q}=0. Тогда решающий сигнал Q=1 будет через положительную обратную связь подан на нижний элемент ИЛИ-НЕ и состояние \overline{Q}=0 будет подтверждено. На входы верхнего элемента ИЛИ-НЕ будет подано сочетание сигналов R=0 и \overline{Q}=0, поэтому состояние прямого выхода триггера Q=1 будет подтверждено. Если же триггер был сброшен, то есть было Q=0 и \overline{Q}=1, тогда решающий сигнал \overline{Q}=1 бу дет через положительную обратную связь подан на верхний элемент ИЛИ-НЕ и состояние Q=0 будет подтверждено. На входы нижнего элемента ИЛИ-НЕ будет подано сочетание сигналов S=0 и Q=0. Таким образом, триггер хранит ранее записанную информацию.

Рассмотрим последнюю, четвертую комбинацию входных сигналов: S=1, R=1. На входы обоих логических элементов ИЛИ-НЕ поданы решающие сигналы логической единицы, поэтому на выходах обоих элементов будут логические нули, то есть Q=0 и \overline{Q}=0. Если теперь одновременно подать S=R=0, то за счет положительных обратных связей на оба логических элемента будут поданы 0, поэтому на выходах ИЛИ-НЕ установятся две решающие логические единицы, которые будут стремиться перевести выход другого ИЛИ-НЕ в логический 0. Кто победит в этом "поединке", зависит от того, в каком из элементов ИЛИ-НЕ переходный процесс закончится раньше. Допустим, в верхнем элементе процесс завершится раньше, тогда Q=0 подается на вход нижнего элемента ИЛИ-НЕ и приводит к переключению \overline{Q}= 1. Таким образом, происходит сброс три ггера. Если же процесс завершится раньше в нижнем элементе, тогда \overline{Q}= 0 подается на вход верхнего элемента ИЛИ-НЕ и приводит к переключению Q=1. Происходит установка триггера. Для пользователя ситуация оказывается непредсказуемой, поскольку определяется разбросом параметров транзисторов, на базе которых выполнены логические элементы, входящие в триггер. В этой связи комбинация R=S=1 приводит к недопустимому неустойчивому состоянию триггера. Она может применяться только при строгой очередности снятия сигналов R и S.

Для рассматриваемой схемы характерно также и то, что оба элемента триггера переключаются не одновременно, а последовательно друг за другом. Поэтому в ходе переходного процесса переключения триггера в противоположное состояние будут моменты времени, когда и на прямом, и на инверсном выходах будут одинаковые уровни. Это недопустимо по определению, поскольку триггер должен быть либо в устойчивом состоянии логического 0 ( Q=0 и \overline{Q}=1 ), либо в устойчивом состоянии логической 1 ( Q=1 и \overline{Q}=0 ). Поскольку решающим для элементов ИЛИ-НЕ является сигнал логической единицы, в УГО входные управляющие сигналы R и S являются прямыми.

Функциональная схема простейшего триггера в базисе И-НЕ показана на рис. 7.2.а. Поскольку для функции И-НЕ решающим является сигнал логического нуля, активный уровень входных сигналов будет нулевым (табл. 7.2), что отражается на УГО триггера (рис. 7.2,б) в виде инверсного изображения входов \overline{R} и \overline{S}.

Таблица 7.2. Таблица истинности RS-триггера в базисе И-НЕ
Управляющие сигналы Состояние выходов Режим работы
\overline{S} \overline{R} Q \overline{Q}
0 0 0 0 Неустойчивое состояние
0 1 1 0 Установка триггера
1 0 0 1 Сброс триггера
1 1 Q_{i-1} \overline{Q_{i-1}} Хранение ранее записанной информации
RS-триггер в базисе И-НЕ: а - функциональная схема; б - УГО

Рис. 7.2. RS-триггер в базисе И-НЕ: а - функциональная схема; б - УГО

Синхронный RS-триггер

Основное назначение триггера в цифровых схемах - хранить выработанные логическими схемами результаты. Для отсечения еще не установившихся, искаженных переходными процессами результатов между выходом какой-либо логической схемы и входами триггера ставят ключи в виде элементов И-НЕ. Действие этого сигнала аналогично разрешающему сигналу Е в схеме дешифратора (рис. 4.2 в "Функциональные узлы комбинаторной логики. Дешифраторы" ). На первый и второй логические элементы И-НЕ одновременно поступает синхросигнал С (рис. 7.3,а). При неактивном уровне С=0 на выходах первого и второго логических элементов И-НЕ будет логическая 1. Она не является решающей для функции И-НЕ, поэтому триггер на третьем и четвертом элементах будет хранить записанную ранее информацию. Таким образом, триггер не реагирует на изменения входных сигналов при С=0
. Если же синхросигнал становится активным ( C=1 ), то схема пропускает все переключения входных сигналов R и S (табл. 7.3). Поскольку входные ключи производят инверсию входных сигналов R и S, активным их уровнем будет логическая 1 (рис. 7.3,б).

Синхронный RS-триггер: а - функциональная схема; б - УГО

Рис. 7.3. Синхронный RS-триггер: а - функциональная схема; б - УГО
Таблица 7.3. Таблица истинности синхронного RS-триггера
Управляющие сигналы Состояние выходов Режим работы
С S R Q \overline{Q}
0 0 0 Q_{i-1} \overline{Q_{i-1}} Хранение ранее записанной информации
0 0 1
0 1 0
0 1 1
1 0 0 Q_{i-1} \overline{Q_{i-1}} Хранение ранее записанной информации
1 0 1 0 1 Сброс триггера
1 1 0 1 0 Установка триггера
1 1 1 0 0 Неустойчивое состояние

Недостатком схемы остается наличие недопустимой комбинации на входе, при которой получается неустойчивое состояние схемы.

< Лекция 6 || Лекция 7: 12 || Лекция 8 >