Что такое синхронный триггер
Что такое триггер, для чего он нужен, их классификация и принцип работы
Триггер – элемент цифровой техники, бистабильное устройство, которое переключается в одно из состояний и может находиться в нем бесконечно долго даже при снятии внешних сигналов. Он строится из логических элементов первого уровня (И-НЕ, ИЛИ-НЕ и т.д.) и относится к логическим устройствам второго уровня.
На практике триггеры выпускаются в виде микросхем в отдельном корпусе или входят в качестве элементов в состав больших интегральных схем (БИС) или программируемых логических матриц (ПЛМ).
Классификация и типы синхронизации триггеров
Триггеры делятся на два больших класса:
Принципиальное различие между ними в том, что у первой категории устройств уровень выходного сигнала меняется одновременно с изменением сигнала на входе (входах). У синхронных триггеров изменение состояния происходит только при наличии сихронизирующего (тактового, стробирующего) сигнала на предусмотренном для этого входе. Для этого предусмотрен специальный вывод, обозначаемый буквой С (clock). По виду стробирования синхронные элементы делятся на два класса:
У первого типа уровень выхода меняется в зависимости от конфигурации входных сигналов в момент появления фронта (переднего края) или спада тактового импульса (зависит от конкретного вида триггера). Между появлением синхронизирующих фронтов (спадов) на входы можно подавать любые сигналы, состояние триггера не изменится. У второго варианта признаком тактирования является не изменение уровня, а наличие единицы или нуля на входе Clock. Также существуют сложные триггерные устройства, классифицируемые по:
Сложные элементы имеет ограниченное применение в специфических устройствах.
Типы триггеров и принцип их работы
Существует несколько основных типов триггеров. Перед тем, как разобраться в различиях, следует отметить общее свойство: при подаче питания выход любого устройства устанавливается в произвольное состояние. Если это критично для общей работы схемы, надо предусматривать цепи предустановки. В простейшем случае это RC-цепочка, которая формирует сигнал установки начального состояния.
RS-триггеры
Самый распространенный тип асинхронного бистабильного устройства – RS-триггер. Он относится к триггерам с раздельной установкой состояния 0 и 1. Для этого имеется два входа:
Имеется прямой выход Q, также может быть инверсный выход Q1. Логический уровень на нём всегда противоположен уровню на Q – это бывает удобно при разработке схем.
При подаче положительного уровня на вход S на выходе Q установится логическая единица (если есть инверсный выход, он перейдет на уровень 0). После этого на входе установки сигнал может меняться как угодно – на выходной уровень это не повлияет. До тех пор, пока единица не появится на входе R. Это установит триггер в состояние 0 (1 на инверсном выводе). Теперь изменение сигнала на входе сброса никак не повлияет на дальнейшее состояние элемента.
Важно! Вариант, когда на обоих входах присутствует логическая единица, является запретным. Триггер установится в произвольное состояние. При разработке схем такой ситуации надо избегать.
RS-триггер можно построить на основе широко распространенных двухвходовых элементов И-НЕ. Такой способ реализуем как на обычных микросхемах, так и внутри программируемых матриц.
Один или оба входа могут быть инверсными. Это означает, что по этим выводам триггер управляется появлением не высокого, а низкого уровня.
Если построить RS-триггер на двухвходовых элементах И-НЕ, то оба входа будут инверсными – управляться подачей логического нуля.
Существует стробируемый вариант RS-триггера. У него имеется дополнительный вход С. Переключение происходит при выполнении двух условий:
Такой элемент применяют в случаях, когда переключение надо задержать, например, на время окончания переходных процессов.
D-триггеры
D-триггер («прозрачный триггер», «защелка», latch) относится к категории синхронных устройств, тактируемых по входу С. Также имеется вход для данных D (Data). По функциональным возможностям устройство относится к триггерам с приёмом информации по одному входу.
Пока на входе для синхронизации присутствует логическая единица, сигнал на выходе Q повторяет сигнал на входе данных (режим прозрачности). Как только уровень строба перейдет в состояние 0, на выходе Q уровень останется тем же, что был в момент перепада (защелкнется). Так можно зафиксировать входной уровень на входе в любой момент времени. Также существуют D-триггеры с тактированием по фронту. Они защёлкивают сигнал по положительному перепаду строба.
На практике в одной микросхеме могут объединять два типа бистабильных устройств. Например, D и RS-триггер. В этом случае входы Set/Reset являются приоритетными. Если на них присутствует логический ноль, то элемент ведёт себя как обычный D-триггер. При появлении хотя бы на одном входе высокого уровня, выход устанавливается в 0 или 1 независимо от сигналов на входах С и D.
Прозрачность D-триггера не всегда является полезным свойством. Чтобы её избежать, применяются двойные элементы (flip-flop, «хлопающий» триггер), они обозначаются литерами TT. Первым триггером служит обычная защёлка, пропускающая входной сигнал на выход. Второй триггер служит элементом памяти. Тактируются оба устройства одним стробом.
T-триггеры
T-триггер относится к классу счётных бистабильных элементов. Логика его работы проста – он изменяет своё состояние каждый раз, когда на его вход приходит очередная логическая единица. Если на вход подать импульсный сигнал, выходная частота будет в два раза выше входной. На инверсном выходе сигнал будет противофазен прямому.
Так работает асинхронный Т-триггер. Также существует синхронный вариант. При подаче импульсного сигнала на тактирующий вход и при наличии логической единицы на выводе T, элемент ведёт себя так же, как и асинхронный – делит входную частоту пополам. Если на выводе Т логический ноль, то выход Q устанавливается в низкий уровень независимо от наличия стробов.
JK-триггеры
JK-триггерыЭтот бистабильный элемент относится к категории универсальных. Он может управляться раздельно по входам. Логика работы JK-триггера похожа на работу RS-элемента. Для установки выхода в единицу используется вход J (Job). Появление высокого уровня на выводе K (Keep) сбрасывает выход в ноль. Принципиальным отличием от RS-триггера является то, что одновременное появление единиц на двух управляющих входах не является запретным. В этом случае выход элемента меняет свое состояние на противоположное.
Если выходы Job и Keep соединить, то JK-триггер превращается в асинхронный счётный Т-триггер. Когда на объединённый вход подаётся меандр, на выходе будет в два раза меньшая частота. Как и у RS-элемента, существует тактируемый вариант JK-триггера. На практике применяются, в основном, именно стробируемые элементы такого типа.
Практическое использование
Свойство триггеров сохранять записанную информацию даже при снятии внешних сигналов позволяет применять их в качестве ячеек памяти ёмкостью в 1 бит. Из единичных элементов можно построить матрицу для запоминания двоичных состояний – по такому принципу строятся статические оперативные запоминающие устройства (SRAM). Особенностью такой памяти является простая схемотехника, не требующая дополнительных контроллеров. Поэтому такие SRAM применяются в контроллерах и ПЛМ. Но невысокая плотность записи препятствует использованию таких матриц в ПК и других мощных вычислительных системах.
Выше упоминалось использование триггеров в качестве делителей частоты. Бистабильные элементы можно соединять в цепочки и получать различные коэффициенты деления. Та же цепочка может быть использована в качестве счетчика импульсов. Для этого надо считывать с промежуточных элементов состояние выходов в каждый момент времени – получится двоичный код, соответствующий количеству пришедших на вход первого элемента импульсов.
В зависимости от типа примененных триггеров, счетчики могут быть синхронными и асинхронными. По такому же принципу строятся преобразователи последовательного кода в параллельный, но здесь используются только стробируемые элементы. Также на триггерах строятся цифровые линии задержки и другие элементы двоичной техники.
RS-триггеры используются в качестве фиксаторов уровня (подавителей дребезга контактов). Если в качестве источников логического уровня применяются механические коммутаторы (кнопки, переключатели), то при нажатии эффект дребезга сформирует множество сигналов место одного. RS-триггер с этим успешно борется.
Область применения бистабильных устройств широка. Круг решаемых с их помощью задач во многом зависит от фантазии конструктора, особенно в сфере нетиповых решений.
Что такое компаратор напряжения и для чего он нужен
Режимы работы, описание характеристик и назначение выводов микросхемы NE555
Что такое операционный усилитель?
Что такое термистор, их разновидности, принцип работы и способы проверки на работоспособность
Что такое диодный мост, принцип его работы и схема подключения
Что такое аттенюатор, принцип его работы и где применяется
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.
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
Асинхронный триггер
Асинхронный триггер — изменяет свое состояние непосредственно в момент появления соответствующего информационного сигнала.
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.
Различие триггеров по функциональным возможностям
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.
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 Q t + 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). 
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. 
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.
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).
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 
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.
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). 
Условное графическое обозначение D-триггера приведено на рис. 3.65. 
Т-триггер
Рассмотрим Т-триггер, который изменяет свое логическое состояние на противоположное по каждому активному сигналу на информационном входе Т. Условное графическое обозначение двухступенчатого Т-триггера приведено на рис. 3.66. 
Электроника
учебно-справочное пособие
Триггеры
Триггеры предназначены для запоминания двоичной информации. В нем может храниться либо 0 либо 1. 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.
Для удобства использования триггеры имеют два выхода:
Логические уровни на этих двух выходах противоположны. Это сделано для удобства соединения триггеров с другими логическими элементами устройств. Некоторые типы триггеров инверсного выхода не имеют.
Состояние триггера определяется по выходному сигналу. Состоянию триггера 1 соответствует на выходе Q высокий уровень сигнала (1). Состоянию триггера 0 соответствует на выходе Q низкий уровень сигнала (0).
Входы триггера делятся на информационные и вспомогательные (управляющие). Сигналы, поступающие на информационные входы, управляют состоянием триггера. Сигналы на вспомогательных входах используются для предварительной установки триггера в требуемое состояние и синхронизации.
Обозначения входов триггеров:
Число входов зависит от структуры и функций, выполняемых триггером.
Классификация триггеров
По способу приема информации:
Синхронные триггеры подразделяются на:
По принципу построения триггеры со статическим управлением подразделяются на:
По функциональным возможностям различаются:
Наибольшее распространение в цифровых устройствах получили RS-триггер с двумя установочными входами, тактируемый D-триггер и счетный Т-триггер.
Для обозначения функциональных возможностей триггеров в интегральном исполнении используется следующая маркировка: TR — RS-триггер; TB — JK-триггер; ТМ — D-триггер.
В качестве базовых логических элементов можно использовать элементы ИЛИ-НЕ, И-НЕ. Поскольку триггер является простейшим ПЦУ, закон функционирования может быть задан таблицей переходов, в которой входные сигналы в момент их изменения и состояние триггера обозначены индексом t, а после переключения — индексом t+1.
Основные характеристики триггеров
RS-триггер
Асинхронный RS-триггер c прямыми входами
Асинхронный RS-триггер c прямыми входами имеет два информационных входа S и R, используемые для установки соответственно 1 и 0, а также два выхода: прямой и инверсный. RS-триггер построен на двух логических элементах ИЛИ-НЕ, соединенных в контур (рис. 2).
При комбинации сигналов S=1, R=0 (табл. 1) триггер переходит в состояние 1 независимо от предыдущего состояния. При S=0, R=1 триггер устанавливается в состояние 0. Комбинация сигналов S=0, R=0 не изменяет состояния триггера, т. е. состояние триггера в момент t+1 равно состоянию триггера в момент t. Набор сигналов S=1, R=1 является запрещенным, так как он приводит к нарушению работы триггера и неопределенности его состояния.
| St | Rt | Qt | Qt+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 может быть построен на элементах «И-НЕ» (рис. 3). Вход S (Set) позволяет устанавливать выход триггера Q в единичное состояние при подаче на его вход логического нуля. Вход R (Reset) позволяет сбрасывать выход триггера Q в нулевое состояние при подаче на его вход логического нуля.
Так как триггер при построении его на различных элементах работает одинаково, то его изображение на принципиальных схемах тоже одинаково. Изображение простейшего триггера на принципиальных схемах приведено на рисунке 4.
|  |
| а) | б) |
Синхронный RS-триггер со статическим управлением
Схема триггера позволяет запоминать состояние логической схемы, но так как в начальный момент времени 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. То есть цифровые схемы требуют синхросигнала. Все переходные процессы должны закончиться за время периода синхросигнала.Для таких цифровых схем требуются синхронные триггеры.
Синхронный RS-триггер со статическим управлением (рис. 3) отличается от асинхронного наличием С-входа, на который поступают синхронизирующие (тактовые) сигналы.
Синхронный RS-триггер принимает состояние 1, если на входы С и S поступают уровни 1, или сохраняет единичное состояние при отсутствии единичных сигналов на входе С или R.
Схема синхронного триггера приведена на рисунке 5, а обозначение на принципиальных схемах на рисунке 6.
Синхронный RS-триггер с динамическим управлением
В синхронном RS-триггере с динамическим входом (рис. 7) информация воспринимается триггером со входов S и R при смене уровней С=1 на С=0.
JK-триггер
JK-тригггер (рис. 8) представляет собой двухступенчатый синхронный триггер. Закон функционирования JK-триггера задан в табл. 2.
| Входы | Выход | Состояние | |
|---|---|---|---|
| Jt | Кt | Qt+1 | |
| 1 | 0 | 1 | Запись 1 |
| 0 | 1 | 0 | Запись 0 |
| 0 | 0 | Qt | Хранение |
| 1 | 1 | Qt | Счетный режим |
На рис. 9 представлен синхронный JK-триггер с динамическим управлением и выводами предустановки S и R. Такой триггер изменяет состояние по фронту (переход от «0» к «1») тактового импульса на входе С.
Т-триггер
Т-триггер (счетный триггер) имеет один вход Т, куда подают тактирующие (счетные) импульсы. Функционирование T-триггера описывается диаграммой на рис. 10. После подачи каждого тактирующего импульса состояние Т-триггера меняется в обратное (инверсное) предыдущему состоянию.
Рис. 11- Условное графическое обозначение Т-триггера
D-триггер
D-триггер (от англ. delay) запоминает входную информацию при поступлении синхроимпульса.
Хранение информации в D-триггерах обеспечивается за счет синхронизации, поэтому все реальные D-триггеры имеют два входа: информационный D и синхронизации С (рис. 12). Под действием синхросигнала С информация, поступающая на вход D, принимается в триггер, но на выходе Q появляется с задержкой на один такт. В D-триггере с динамическим входом прием в триггер информации со входа D происходит в момент смены на входе С уровня 0 на уровень 1.
| C | D | Qt+1 |
|---|---|---|
| 1 | 0 | 0 |
| 1 | 1 | 1 |
Условное графическое обозначение D-триггера показано на рис. 13.
Так как информация на выходе остается неизменной до прихода очередного импульса синхронизации, D-триггер называют также триггером с запоминанием информации или триггером-защелкой. Легче всего объяснить появление этого названия по временной диаграмме, приведенной на рисунке 14.
Принципиально в этой схеме входной переходной процесс может беспрепятственно проходить на выход триггера. Поэтому там, где это важно, необходимо сокращать длительность импульса синхронизации до минимума. Чтобы преодолеть такое ограничение были разработаны триггеры, работающие по фронту. Схема такого триггера приведена на рисунке 15, а обозначение на принципиальных схемах на рисунке 16.
На рис. 17 представлено условное обозначение D-триггера микросхемы К155ТМ2, содержащей два D-триггера. Входы R и S выполняют те же функции, что и в RS-триггере.
D-триггер несложно преобразовать в счетный триггер, т. е. такой, состояние которого изменяется после поступления очередного импульса на счетный вход. Для обеспечения счетного режима необходимо вход D соединить с инверсным выходом триггера (рис. 18,а). Из логики работы D-триггера следует, что после прихода импульса на вход С состояние триггера будет изменяться на противоположное. Это иллюстрируется временными диаграммами, или эпюрами напряжений (рис. 18,б). Подобно таблице истинности, эпюры напряжений дают наглядное представление о работе устройства.
Необходимо отметить, что изменение состояния D-триггера данного типа происходит при изменении напряжения на счетном входе с низкого уровня на высокий. Такое изменение напряжения часто называют положительным перепадом напряжения или фронтом импульса. Реакцию триггера на положительный перепад напряжения отображают косой чертой, пересекающей линию входа С (рис. 18,а). Аналогично изменение напряжения с высокого уровня на низкий называют отрицательным перепадом напряжения, спадом или срезом импульса. На схемах это отображают также косой чертой, но повернутой на 90° относительно показанной на рисунке 18,а. В зависимости от своей внутренней структуры триггер реагирует или на положительный, или на отрицательный перепад напряжения.
Источники
Электроника © ЦДЮТТ • Марсель Арасланов • 2020