Для чего нужны триггеры
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
Принцип работы, назначение и сферы применения триггеров
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.
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:
Комбинация разных типов входов и выходов определяет то, как работает триггер. Существует множество схем этих устройств, использующихся для разных целей.
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.
Общие различия
Триггеры делят на несколько больших групп по функциональным и практическим различиям. Вот некоторых из них:
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 устройств
Говоря о различиях триггеров, стоит рассмотреть их отдельные типы. Самый простой из них — это RS-триггер, на основе которого строятся все остальные разновидности этих устройств, потому именно с него нужно начинать знакомство «для чайников». Это асинхронный тип системы, который состоит из двух входов — S (от английского set — установить) и R (соответственно, reset — сбросить). Он может работать как на основе логических систем И-НЕ, так и на ИЛИ-НЕ. В первом случае входы будут прямыми, во втором — инверсными.
Подача активного сигнала на элемент S приведёт РС триггер в состояние логической единицы, а на R — сбросит его до нуля. Если их подать одновременно, результат зависит от реализации схемы, а когда убрать, то он будет определён случайным образом.
Из-за низкой устойчивости к помехам такой тип устройства редко применяют в электронике и микросхемах. Чаще всего его используют для устранения так называемого дребезга контактов — многократных хаотичных замыканий и размыканий, вызванных упругостью используемых для них материалов и происходящих после их подключения.
Система типа RS является асинхронной. Если возникает необходимость сохранить поступаемую на неё информацию, к устройству подключают отдельно составленную систему управления, которая будет переводить его в режимы хранения и записи.
Вторым типом является D триггер (по некоторым данным, название происходит от английского слова delay — задержка, по другим — от data — данные). В его составе должны присутствовать минимум два элемента: D-вход для получения информации и C — для синхронизации. Такие системы бывают статичными и динамичными. Первые записывают данные всё время, при котором уровень сигнала на C соответствует единице, вторые — только тогда, когда происходит перепад напряжения.
Вход на схеме D триггера изображается в виде треугольника. Когда его вершина направлена на микросхему, то его ввод прямой, а если наоборот — инверсный.
Информация на выходах в этом типе системы задерживается по сравнению с входной на один такт. Поскольку она остаётся неизменной до активации очередной команды синхронизации, устройство как бы помнит её, что и позволяет ему выполнять свои основные функции. Главная из них — это создание регистров сдвига и хранения для управления записью информации. Это очень важные элементы, без которых невозможно создать даже простейший микропроцессор.
Из-за того, что все изменения на входе D системы точно повторяются на её выходе, иногда возможны ложные срабатывания контролируемых ею устройств. Чтобы избежать этого, необходимо создать двухступенчатый триггер. Его первая ступень записывает информацию, но во вторую она не попадает до поступления сигнала перезаписи. Затем, после получения команды, первая ступень переходит в режим хранения, а вторая переписывает с неё данные, что помогает избежать состояния их «прозрачности».
Двухступенчатые триггеры обозначают как TT. Они могут управляться как статически, так и динамически.
T триггер (от слова «toggle», которое значит «переключатель») ещё называют счётчиковым, так как это простейший вариант счётчика до двух. Состоит из входа T и выхода C. Синхронные системы такого типа переключаются по каждому тактовому импульсу на выводе, в то время как работа асинхронного зависит от состояния ввода. Когда оно соответствует единице, при получении импульса на выходе триггер меняет своё значение на противоположное, а если равно нулю, то никакой реакции не происходит.
Построить такую асинхронную систему можно на основе JK или двухстепенного D-триггера. Её в основном применяют для деления частоты вдвое.
Последний из используемых наиболее часто видов — JK триггер. По принципу работы он почти идентичен RS. Его единственное отличие в том, что система типа JK меняет своё состояние на противоположное при подаче единицы на оба входа. Это помогает избежать возникающих иногда неопределённостей.
JK иногда называют универсальным триггером. У этого есть две причины. Первая — широкий спектр применения подобных элементов. Второе — тот факт, что из него можно легко получить любой другой тип системы, если это зачем-то понадобится.
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:
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.
Виды триггеров и особенности их работы
Электроника предполагает точное выполнение заданной программы с учетом текущего состояния всей логической схемы. За часть работы электронной цепи отвечают триггеры. Статья опишет — основные типы триггеров, их устройство и принцип работы, а так же расскажет зачем такие устройства используются в электронных схемах. Отдельно будет описан симметричный триггер.
Определение
Что такое триггер? Триггером называют электронное устройство, обладающее способностью довольно долгое время находиться в 1-ом из 2-х стабильных состояний, а так же чередовать их из-за воздействия какого-то внешнего сигнала. Триггер — это по сути простая электроника, от которой зависит работоспособность более сложных систем
Он способен хранить двоичную информацию (ноль или один) после того, как перестанут действовать входные импульсы. Основное назначение устройства, это переключение из одного состояния в другое. Хранит триггер в своей памяти 1 бит информации, которые и определяют его текущее состояние: логический «0» или логическая «1».
Какие входы есть у триггера? Любой триггер может иметь несколько входов, которые бывают:
Работа устройства строится на 2 элементах «И-НЕ», 2 «ИЛИ-НЕ» и других, некоторые разновидности триггеров работают на логических элементах КМОП, ТТЛ, ЭСЛ. Принцип работы любого триггера зависит от количества входов/выходов, а также от типа самого устройства.
В электронике используются устройства на транзисторах или микросхемах. Транзисторные модели применяются при сложных интегральных схемах старого типа. Логическая микросхема обладает меньшими габаритами, хранит информацию без перегрева и перегрузок. Поэтому их используют в более миниатюрных и сложных цепях современной электроники.
Разновидности
Для того чтобы разобраться как работает триггер, необходимо понять к какому классу и типу он относится. Существуют 2 основных класса этих устройств:
Обе разновидности имеют схожий принцип работы. Отличие заключается только в процессе перехода сигнала из одного состояния в другое. Асинхронные делают это напрямую, а синхронные работают исходя из этого сигнала.
Асинхронные
Асинхронные RS-триггер имеет 2 основных входа «R» и «S». Также предусматриваются выходы «Q» и «Q−». Устройство RS триггера позволяет выполнять следующую последовательность:
Асинхронный RS-триггер условно работает следующим образом:
Схема RS-триггера асинхронного типа самая простая. Она работает без синхронизации с дополнительным входом. Используется RS компонент в простых элементах или как дополнение для более сложных триггеров.
Далее будет представлена УГО, таблица истинности и общая схема такого триггера.
Синхронные
Немного более сложное устройство. Работают с дополнительной синхронизацией сигналов. Эти RS-триггеры также имеют входы «R» и «S», а также выходы «Q» и «Q–». Отличие заключается в наличие синхронизирующего входа «С». Этот контакт нужен для синхронизации входящих сигналов. Называют этот вход «clock» или тактовый. Триггер имеет следующий принцип работы:
Синхронизация используется для снижения части помех. Часто RS-триггеры этого типа используют для цепей с параллельным подключением, значительно снижая помехи от элементов с высокой магнитной индуктивностью.
Графическое обозначение, таблица истинности и диаграмма устойчивых состояний устройства представлена ниже.
Асинхронные и синхронные модели далеко не единственные, которые использует схемотехника для построения логических моделей работы. Далее будут представлены разновидности триггеров с иным принципом работы.
D-триггер
Эти виды простых триггеров так же используют для хранения информации о своем текущем состоянии один бит памяти. Используют его в простых электронных схемах вычислительных устройств и автоматики. Данная модель также относится к синхронному типу и имеет вход «С». Главное отличие заключается в замене 2 входов «R-S» на один контакт «D». Применение всего одного входа и наличие синхронизации позволяет значительно упростить работу устройства. Для работы D-триггера используется следующая схема:
Иными словами, состояние триггера на выходе зависит от его предыдущего положения. Если предыдущее положение было в состоянии высокого напряжения, то на этот выход поступит логическая 1. Если положение было в состоянии сброса, то логический 0.
Практически все D-триггеры являются динамическими. При динамическом управлении состоянием триггера используется понятие фронта. Фронтом называют переход от 1 к 0. Подразумевается 2 вида фронта:
Существуют разновидности D устройств с дополнительным входом V. Название этого входа расшифровывается как проверочный. Работает такой элемент с неким замедлением. Оно необходимо для предварительной синхронизации сигнала, с его последующим подтверждением. При этом не играет особой роли, сколько памяти занято в устройстве. Обычные и DV-триггеры предназначены для работы в сложных устройствах с множеством ячеек. Например, в электронных счетчиках эти устройства отвечают его за актуальное значение. При его смене состояние триггера изменяет свой фронт.
Далее приведена таблица истинности и УГО фронтов.
Т-триггер
Триггеры типа T на логических элементах включают в себя многие возможности ранее описанных устройств. Есть модели асинхронного и синхронного типа, динамические и с дополнительным подтверждающим входом.
Асинхронные
При получении положительного сигнала на вход, на выходе получается напряжение в 2 раза выше входного. Такой эффект возможен только при импульсном сигнале, поступающем на T вход. При этом частота поступления по временной шкале не имеет препятствий, а значит сигнал доходит гораздо быстрее. Асинхронные T устройства в состоянии логической 1 на выходе имеют противофазу инверсного выхода.
Синхронные
Эти T-триггеры подобны асинхронным. Исключение состоит в наличие тактового сигнала на входе. Также существует противофаза на инверсном выходе и появление удвоенного напряжения.
Устройство T элементов можно легко отнести к делителям импульсных сигналов. Эти элементы работают только при наличии переднего фронта. Иными словами, осуществляется переход от 0 к 1. Но разница заключается в учете временного интервала между импульсами.
Триггеры типа T часто используются в логических вычислительных процессах. Осуществляется это за счет функции увеличения или снижения напряжения:
При учете, сколько памяти необходимо для перехода и деления сигнала, элемент может быть дополнен входом подтверждения. Программирование с использованием T-триггера допускает использование устройства в различных электронных счетчиках без встроенной памяти. Далее дана диаграмма работы устройства.
JK-триггер
Является самым универсальным электронным элементом. В этих устройствах присутствуют:
JK устройство работает по принципу перехода из одного состояния в другое, но с учетом единицы времени. Также существует разность при подаче сигнала на вход синхронизации. Иными словами, если на оба входа JK подать логическую 1, то на его выходах появится прямо противоположное значение. Но при этом устройство не воспримет наличие двух 1 единиц как ошибку.
В зависимости от назначения, в данном триггере может использоваться так называемый фронт (передний или задний). В этом случае устройство считается синхронным, а его состояние определяется актуальным положением логических чисел. При расчете рабочего состояния элемента также учитывается возможность одновременного использования устройства в качестве T или D триггера. В этом случае учитывается параметр временного интервала поступления сигнала, какое напряжение будет получено при выходе и устойчивость состояния элемента. Информатика часто использует этот элемент в качестве универсального устройства контроля состояния устойчивой работы простых логических функций. Далее дана диаграмма работы устройства.
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:
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.
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.
Заключение
С триггерами в жизни мы сталкиваемся довольно часто, ведь они широко используются в различных сферах. В данной статье было приведено описание и области использования различных разновидностей данного устройства. При ремонте электронного оборудования важно знать: для чего нужен этот элемент, где он используется и по какому принципу работают такие устройства.