Логические триггеры: схемы, классификация, устройство, назначение, применение

Логические триггеры что это?
Триггер — простейшее последовательностное устройство, которое может находиться в одном из двух возможных состояний и переходить из одного состояния в другое под воздействием входных сигналов. Триггер является базовым элементом последовательностных логических устройств. Входы триггера разделяют на информационные и управляющие (вспомогательные). Это разделение в значительной степени условно. Информационные входы используются для управления состоянием триггера. Управляющие входы обычно используются для предварительной установки триггера в некоторое состояние и для синхронизации.

Васильев Дмитрий Петрович

Профессор электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Триггеры могут иметь 2 выхода: прямой Q и инверсный Q.

Триггеры классифицируют по различным признакам, поэтому существует достаточно большое число классификаций. К сожалению, эти классификации не образуют стройной системы, но инженеру необходимо их знать.

Классификация триггеров

• по способу приема информации;
• по принципу построения;
• по функциональным возможностям.

Асинхронный триггер

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

Васильев Дмитрий Петрович

Профессор электротехники СПбГПУ

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

Синхронные триггеры

Синхронные триггеры в свою очередь подразделяют на триггеры со статическим (статические) и динамическим (динамические) управлением по входу синхронизации C. Статические триггеры воспринимают информационные сигналы при подаче на вход C логической единицы (прямой вход) или логического нуля (инверсный вход).

Динамические триггеры воспринимают информационные сигналы при изменении (перепаде) сигнала на входе C от 0 к 1 (прямой динамический С-вход) или от 1 к 0 (инверсный динамический С-вход).

Статические триггеры

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 через ТТ.

Симметричный

Симметричный триггер относится к особому виду элементов. Он создается на транзисторах и является усилителем постоянного тока двухкаскадного типа. Работает устройство за счет использования транзисторов с полностью идентичными параметрами.

Принцип работы следующий:

1. При подаче напряжения на устройство, транзистор VT1 считается открытым. Напряжение его коллектора равняется 0.
2. В этот момент транзистор VT2 закрыт. Его коллектор имеет положительное напряжение.
3. Для осуществления перехода из одного состояния в другое используется импульс напряжение. Этот импульс создается конденсатором.
4. При появлении импульса транзисторы меняют свое состояние.

При смене положения транзисторов создается перепад напряжения, и оно значительно снижается.

В схемах симметричных триггеров основным элементом является система запуска. Она может отличаться по способу управления и месту, с которого поступил пусковой импульс.

1. Раздельное управление. Предполагает подачу напряжения на определенный вход триггера. При таком управлении элемент считается RS-триггером.
2. Общее или счетное управление. Напряжение подается на общий входной контакт. При таком подключении, устройство схоже по параметрам с Т-триггером.

Место поступления импульса может быть от коллектора или базы транзистора. При таких схемах подключения существует вероятность появления ложного или вторичного сигнала. Он отсекается путем подключения диода.

Основным недостатком симметричных элементов является полная зависимость от времени поступления импульсного сигнала и его длительности. Если длительность недостаточная, импульс не успеет открыть транзистор, а значит не произойдет закрытие второго транзистора.

Такие устройства используются в устройствах учета импульсов, генераторах частоты, переключателях радиоэлектронных цепей.

Обозначение входов триггеров

Входы триггеров обычно обозначают следующим образом:

S — вход для установки в состояние «1»;

R — вход для установки в состояние «0»;

J — вход для установки в состояние «1» в универсальном триггере;

К — вход для установки в состояние «0» в универсальном триггере;

Т — счетный (общий) вход;

D — вход для установки в состояние «1» или в состояние «0»;

V — дополнительный управляющий вход для разрешения приема информации (иногда используют букву Е вместо V).

Рассмотрим некоторые типы триггеров и их реализацию на логических элементах.

Практическое использование

Чаще всего триггер используется для генерации сигнала, длительность которого соответствует продолжительности процесса в системе, которую он контролирует. Он может как непосредственно разрешать его начало и конец, так и передавать другим элементам информацию о том, что процесс запустился. Таким образом достигается контроль системы, далее нужно только позаботиться о разрешении ситуации неопределённости.

Вторая важная функция триггера — синхронизация процессов. Это помогает избавиться от лишних и случайных импульсов, возникающих, например, когда несколько входных сигналов изменились в течение очень короткого промежутка времени. Кроме того, с помощью триггеров можно «пропустить» в систему только полные по длительности импульсы или задержать поступающую информацию.

Реализация триггеров и их применение на практике происходит в различных устройствах для запоминания и хранения памяти. Именно этот элемент представляет собой базовую ячейку ОЗУ, способную хранить 1 бит информации в статическом состоянии. Кроме того, его используют для следующих целей:

• в качестве компонентов для создания микросхем различного назначения;
• как организатор вычислительных систем;
• в регистрах сдвига и хранения;
• для изготовления полупроводниковых систем, например, транзисторов и реле.

Триггер является не только базовым элементом электроники, но и простейшим кибернетическим устройством, способным выполнять свою логическую функцию, одновременно поддерживая обратную связь. Таким образом, он используется для создания множества механизмов, целью или условием работы которых является возможность запоминания, хранения, передачи и преобразования информации. Найти триггер можно в любом приборе, начиная от систем переключения питания и заканчивая элементами цифровой микроэлектроники.

Создание запчастей для компьютеров, мобильных телефонов, роботов, управляющих панелей, транспорта и многих других приборов невозможно без использования триггеров. Применяют их и для изготовления простых схем на основе электромагнитного реле — такие конструкции всё ещё используются благодаря своей простоте и высокой защите от помех, несмотря на высокое потребление энергии.

Асинхронный RS-триггер

Обратимся к асинхронному RS-триггеру, имеющему условное графическое обозначение, приведенное на рис. 3.54.

Триггер имеет два информационных входа: S (от англ. set) и R (от англ. reset).

Закон функционирования триггеров удобно описывать таблицей переходов, которую иногда также называют таблицей истинности (рис. 3.55). Через S’, R’, Q’ обозначены соответствующие логические сигналы, имеющие место в некоторый момент времени t, а через Qt + 1 — выходной сигнал в следующий момент времени t+1.

Комбинацию входных сигналов S’ = l, R’ =1 часто называют запрещенной, так как после нее триггер оказывается в состоянии (1 или 0), предсказать которое заранее невозможно. Подобных ситуаций нужно избегать.

Рассматриваемый триггер может быть реализован на двух элементах ИЛИ-НЕ (рис. 3.56).

Необходимо убедиться, что эта схема функционирует в полном соответствии с приведенной выше таблицей переходов.

Микросхема К564ТР2 содержит 4 асинхронных RS-триггера и один управляющий вход (рис. 3.57).

Абрамян Евгений Павлович

Доцент кафедры электротехники СПбГПУ

При подаче на вход V низкого уровня выходы триггеров отключаются от выводов микросхем и переходят в третье так называемое высокоимпедансное состояние. При подаче на вход V логического сигнала «1» триггеры работают в соответствии с вышеприведенной таблицей переходов.

В асинхронном RS-триггере на элементах И-НЕ переключение производится логическим «0», подаваемым на вход R или S, т. е. реализуется обратная рассмотренной ранее таблица переходов (рис. 3.58). Запрещенная комбинация соответствует логическим «0» на обоих входах.

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. В создании микросхем и других устройств так называют элемент, который способен принимать одно из двух стойких состояний (0 или 1) и сохранять их в течение долгого времени.

Положение триггера зависит от получаемых им сигналов на прямом и инверсном выходах. 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.

Синхронный RS-триггер

Рассмотрим синхронный RS-триггер (рис. 3.59).

Если на входе С — логический «0», то и на выходе верхнего входного элемента «И-НЕ», и на выходе нижнего будет логическая «1». А это, как отмечалось выше, обеспечивает хранение информации.

Васильев Дмитрий Петрович

Профессор электротехники СПбГПУ

Задать вопрос

Таким образом, если на входе С — логический «0», то воздействие на входы R, S не приводит к изменению состояния триггера.

Если же на вход синхронизации С подана логическая единица, то схема реагирует на входные сигналы точно так же, как и рассмотренная ранее (рис. 3.56).

Краткие теоретические сведения

Триггеры предназначены для запоминания двоичной информации. Использование триггеров позволяет реализовывать устройства оперативной памяти (то есть памяти, информация в которой хранится только на время вычислений).

Однако триггеры могут использоваться и для построения некоторых цифровых устройств с памятью, таких как счётчики, преобразователи последовательного кода в параллельный или цифровые линии задержки.

RS-триггер

Основным триггером, на котором базируются все остальные триггеры является RS-триггер. RS-триггер имеет два логических входа:

• R – установка 0 (от слова reset);
• S – установка 1 (от слова set).

RS-триггер имеет два выхода:

• Q – прямой;
• Q- обратный (инверсный).

Состояние триггера определяется состоянием прямого выхода. Простейший RS-триггер состоит из двух логических элементов, охваченных перекрёстной положительной обратной связью.

Рассмотрим работу триггера:

Пусть R=0, S=1. Нижний логический элемент выполняет логическую функцию ИЛИ-НЕ, т.е. 1 на любом его входе приводит к тому, что на его выходе будет логический ноль Q=0. На выходе Q будет 1 (Q=1), т.к. на оба входа верхнего элемента поданы нули (один ноль – со входа R, другой – с выхода ). Триггер находится в единичном состоянии. Если теперь убрать сигнал установки (R=0, S=0), на выходе ситуация не изменится, т.к. несмотря на то, что на нижний вход нижнего логического элемента будет поступать 0, на его верхний вход поступает 1 с выхода верхнего логического элемента.

Будет интересно➡ Что такое электролиз и где он применяется на практике

Триггер будет находиться в единичном состоянии, пока на вход R не поступит сигнал сброса. Пусть теперь R=1, S=0. Тогда Q=0, а =1. Триггер переключился в “0”. Если после этого убрать сигнал сброса (R=0, S=0), то все равно триггер не изменит своего состояния. Для описания работы триггера используют таблицу состояний (переходов). Обозначим:

• Q(t) – состояние триггера до поступления управляющих сигналов (изменения на входах R и S);
• Q(t+1) – состояние триггера после изменения на входах R и S.

Таблица переходов RS триггера в базисе ИЛИ-НЕ

RS-триггер можно построить и на элементах “И-НЕ” (рисунок 2.2).

Входы R и S инверсные (активный уровень “0”). Переход (переключение) этого триггера из одного состояния в другое происходит при установке на одном из входов “0”. Комбинация R=S=0 является запрещённой.

Таблица переходов RS триггера в базисе “2И-НЕ”

Синхронный RS-триггер

Схема RS-триггера позволяет запоминать состояние логической схемы, но так как при изменении входных сигналов может возникать переходный процесс (в цифровых схемах этот процесс называется “опасные гонки”), то запоминать состояния логической схемы нужно только в определённые моменты времени, когда все переходные процессы закончены, и сигнал на выходе комбинационной схемы соответствует выполняемой ею функции. Это означает, что большинство цифровых схем требуют сигнала синхронизации (тактового сигнала).

Все переходные процессы в комбинационной логической схеме должны закончиться за время периода синхросигнала, подаваемого на входы триггеров. Триггеры, запоминающие входные сигналы только в момент времени, определяемый сигналом синхронизации, называются синхронными. Принципиальная схема синхронного RS триггера приведена.

Таблица переходов синхронного RS-триггера

В таблице 2.3. под сигналом С подразумевается синхроимпульс. Без синхроимпульса синхронный RS триггер сохраняет своё состояние.

Триггер типа MS

Рассмотрим принцип построения двухступенчатого триггера, который называют также триггером типа MS (от англ. master, slave, что переводят обычно как «ведущий» и «ведомый»). Его упрощенная структурная схема приведена на рис. 3.60. В схеме имеются два одноступенчатых триггера (ведущий М и ведомый S) и два электронных ключа (Кл1 и Кл2).

Временная диаграмма сигнала синхронизации, поясняющая работу триггера, приведена на рис. 3.61.

Рассмотрим ряд временных интервалов указанной диаграммы:

t < ta — ведущий триггер отключен от информационных входов, ведомый триггер подключен к ведущему;

ta < t < tb — ведущий триггер отключен от информационных входов, ведомый триггер отключен от ведущего;

tb < t < tc — ведущий триггер подключен к информационным входам, ведомый триггер отключен от ведущего. В ведущий триггер записывается информация, поданная на входы;

tc < t < td — ведущий триггер отключен от информационных входов, ведомый триггер отключен от ведущего;

td < t — ведущий триггер отключен от информационных входов, ведомый триггер подключен к ведущему, информация из ведущего триггера переписывается в ведомый. Это происходит сразу после момента времени td и означает, что фактически двухступенчатый триггер срабатывает при изменении сигнала синхронизации от 1 к 0. При этом выходные сигналы определяются теми входными информационными сигналами, которые имели место непосредственно перед отрицательным фронтом сигнала синхронизации.

JK-триггер

Рассмотрим JK-триггер (от англ. jump иkeep), отличающийся от рассмотренного RS-триггера тем, что появление на обоих информационных входах (J и К) логических единиц (для прямых входов) приводит к изменению состояния триггера. Такая комбинация сигналов для JK-триггера не является запрещенной.

В остальном JK-триггер подобен RS-триггеру, причем роль входа S играет вход J, а роль входа R — вход К.

JK-триггеры реализуют в виде триггеров типа MS или в виде динамических триггеров (т. е. JK-триггеры являются синхронными).

На рис. 3.62 приведено условное графическое обозначение двухступенчатого JK-триггера.

Обратимся к динамическим триггерам. Для них характерно блокирование информационных входов в тот момент, когда полученная информация передается на выход. Нужно отметить, что в отношении реакции на входные сигналы динамический триггер, срабатывающий при изменении сигнала на входе С от 1 к 0, подобен рассмотренному двухступенчатому триггеру, хотя они отличаются внутренним устройством.

Для прямого динамического С-входа используют обозначения, приведенные на рис. 3.63, а, а для инверсного динамического С-входа, используют обозначения, приведенные на рис. 3.63, б.

ЦП Автоматизированные системы управления и промышленная безопасность

Триггер – простейшее последовательностное устройство, которое может длительно находиться в одном из нескольких возможных устойчивых состояний и переходить из одного в другое под воздействием входных сигналов. По способу работы с сигналами различают синхронные, асинхронные и смешанные триггерные схемы. Асинхронный триггер изменяет своё 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. RS-триггер или SR-триггер — триггер, который сохраняет своё предыдущее состояние при нулевых входах, и меняет своё выходное состояние при подаче на один из его входов единицы. При подаче единицы на вход S (от английского англ. Set — установить) выходное состояние становится равным логической единице. А при подаче единицы на вход R (от английского англ. Reset — сбросить) выходное состояние становится равным логическому нулю. Если RS-триггер синхронный, то состояние его входов учитывается только в момент тактирования, например по переднему фронту импульса. Состояние, при котором на оба входа R и S одновременно поданы логические единицы является запрещённым. Так, например, схема RS-триггера изображённая на рисунке, при подаче на оба инверсных входа логического нуля перейдёт в состояние, когда на обоих выходах будут единицы, что не соответствует логике выхода триггера, поскольку инверсный выход будет равен неинверсному Q , т.е..

S R Q(t) Q(t+1) 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 * 1 1 1 * RS-триггер используется для создания сигнала с положительным и отрицательным фронтами, отдельно управляемыми посредством стробов, разнесённых во времени. JK-триггер работает также как RS-триггер, с одним лишь исключением: при подаче логической единицы на оба входа J и K состояние выхода триггера изменяется на противоположное. Вход J (от англ. Jump — прыжок) аналогичен входу S у RS-триггера. Вход K (от англ. Kill — убить) аналогичен входу R у RS-триггера. При подаче единицы на вход J и нуля на вход K выходное состояние триггера становится равным логической единице. А при подаче единицы на вход K и нуля на вход J выходное состояние триггера становиться равным логическому нулю. JK-триггер в отличие от RS-триггера не имеет запрещённых состояний на основных входах, однако это никак не помогает при нарушении правил разработки логических схем. На практике применяются только синхронные JK-триггер, то есть состояния основных входов J и K учитываются только в момент тактирования, например по положительному фронту импульса на входе синхронизации. J K Q(t) Q(t+1) 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 1 0 На базе JK-триггера возможно построить D-триггер или Т-триггер. Как можно видеть в таблице истинности JK-триггера, он переходит в инверсное состояние каждый раз при одновременной подаче на входы J и K логической 1. Это свойство позволяет создать на базе JK-триггера Т-триггер, объединив входы J и К[4]. D-триггер (D от англ. delay — задержка) — запоминает состояние входа и выдаёт его на выход. D-триггеры имеют, как минимум, два входа: информационный D и синхронизации С. Сохранение информации в D-триггерах происходит в момент прихода активного фронта на вход С. Так как информация на выходе остаётся неизменной до прихода очередного импульса синхронизации, D-триггер называют также триггером с запоминанием информации или триггером-защёлкой. Рассуждая чисто теоретически, D-триггер можно образовать из любых RS- или JK-триггеров, если на их входы одновременно подавать взаимно инверсные сигналы.

D Q(t) Q(t+1) 0 0 0 0 1 0 1 0 1 1 1 1 D-триггер в основном используется для реализации защёлки. Так, например, для снятия 32 бит информации с параллельной шины, берут 32 D-триггера и объединяют их входы синхронизации для управления записью информации в защёлку, а 32 D входа подсоединяют к шине. Т-триггер по каждому такту изменяет своё логическое состояние на противоположное при единице на входе Т, и не изменяет выходное состояние при нуле на входе T. Т-триггер часто называют счётным триггером. Т-триггер может строиться как на JK, так и на D-триггерах. Как можно видеть в таблице истинности JK-триггера, он переходит в инверсное состояние каждый раз при одновременной подаче на входы J и K логической 1. Это свойство позволяет создать на базе JK-триггера Т-триггер, объединяя входы J и К. Наличие в D-триггере динамического С входа позволяет получить на его основе T-триггер. При этом вход D соединяется с инверсным выходом, а на вход С подаются счётные импульсы. В результате триггер при каждом счётном импульсе запоминает значение , то есть будет переключаться в противоположное состояние.

T Q(t) Q(t+1) 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0 Т-триггер часто применяют для понижения частоты в 2 раза, при этом на Т вход подают единицу, а на С — сигнал с частотой, которая будет поделена.

D-триггер

Рассмотрим D-триггер (от англ. delay), повторяющий на своем выходе состояние входа. Рассуждая чисто теоретически, D-триггер можно образовать из любых RS- или JK-триггеров, если на их входы одновременно подавать взаимно инверсные сигналы (рис. 3.64).

Абрамян Евгений Павлович

Доцент кафедры электротехники СПбГПУ

Хранение информации в D-триггерах обеспечивается за счет синхронизации, поэтому все реальные D-триггеры имеют два входа: информационный D и синхронизации С. В этом триггере сигнал на входе по сигналу синхронизации записывается и передается на выход. Так как информация на выходе остается неизменной до прихода очередного импульса синхронизации, D-триггер называют также триггером с запоминанием информации или триггером-защелкой.

Условное графическое обозначение D-триггера приведено на рис. 3.65.

Логические вентили(логические элементы).

Процессы, необходимые для функционирования любых технологических устройств ( в т. ч. и ПК) можно реализовать с помощью ограниченного набора логических элементов.

Буфер.

Буфер, представляет из себя усилитель тока, служащий для согласования различных логических вентилей, в особенности имеющих в своей основе разную элементную базу (ттл или КМОП).

Инвертор.

Элемент, служащий для инвертирования поступающих сигналов — логическая еденица превращается в ноль, и наоборот.

Логическая схема И.

И — элемент логического умножения. Еденица (высокий уровень напряжения) на выходе, появляется только в случае присутствия едениц, на обоих входах, одновременно.

Пример применения элемента И в реальном техническом устройстве: По тех. заданию, механический пресс должен срабатывать, только при одновременном нажатии двух кнопок, разнесенных на некоторое расстояние. Смысл тех. задания заключается в том, что бы обе руки оператора были заняты на момент хода пресса, что исключило бы возможность случайного травмирования конечности. Это может быть реализовано как раз, с помощью логического элемента И.

Логическая схема И — НЕ.

И-НЕ — наиболее часто используемый элемент. Он состоит из логических вентилей И и НЕ, подключенных последовательно.

Логическая схема ИЛИ.

ИЛИ — схема логического сложения. Логическая еденица на выходе, появляется в случае присутствия высокого уровня(еденицы) на любом из входов.

Логическая схема ИЛИ — НЕ.

ИЛИ — НЕ состоит из логических элементов ИЛИ и НЕ, подключеных последовательно. Соответственно, НЕ инвертирует значения на выходе ИЛИ.

Логическая схема исключающее ИЛИ.

Этот вентиль выдает на выходе логическую еденицу, если на одном из входов — еденица, а на другом, ноль. Если на входах присутствуют одинаковые значения — на выходе ноль.