Что такое триггер в электронике — подробно разбираемся в терминах
Скорее всего, вам уже приходилось слышать это слово «триггер». Например, вы возможно, обращали внимание на смешные картинки — мемы, на которых в последнее время очень часто встречается это слово. Кроме этого, вы возможно, связываете это понятие с какой-то функцией, запускающей другие события. Но, в данной статье мы подробно поговорить о триггерах в электроники. Триггер это в электронике — устройство, которое в один момент времени может находиться в одном из устойчивых состояний. Обычно, таких состояний существует два. В этой статье мы подробно обсудим принципы работы самых простых типов триггеров — RS. Также, мы коснемся вопроса триггеров счетчиков типа T.
Вам также будет интересно прочитать о принципах работы необычных JK триггеров, о которых мы поговорим во второй части статьи, кстати, именно там мы приведем таблицу перехода данного типа электронных устройств.
Входы и виды триггеров
В зависимости от структуры и выполняемых им функций можно определить число входов триггера.
По параметру записи информации триггеры можно разделить на:
- Синхронные – запись информации производится только при дополнительном, синхронизирующем сигнале, который, по сути, запускает триггер.
- Асинхронные – запись информации зависит от информационных сигналов, подающихся на вход триггера, и происходит она непрерывно.
В цифровой схемотехнике обычно можно найти следующие обозначения входов триггера:
- S – раздельный вход, устанавливающий триггер на единицу (на Q единица)
- Q – прямой выход
- R – раздельный выход, устанавливающий триггер на ноль (на Q ноль)
- С – вход синхронизации
- D – вход информационный (на него подаётся информация, которая будет занесена на триггер)
- T – счётный вход
Что касается функций, то в этом плане триггеры можно разделить на:
- RS-триггеры;
- JK-триггеры;
- D-триггеры;
- Т-триггеры.
RS- триггер
Это самый простой тип триггеров. На его основе создаются и другие типы. Возможные логические элементы в его построении – это 2И-НЕ (инверсионный вход) и 2ИЛИ-НЕ (прямые входы).
Из-за низкой помехоустойчивости такие триггеры почти не используются самостоятельно. Их можно применить, например, для устранения влияния дребезжащих контактов, которое возникает при коммутации механических переключателей. Тогда требуется тумблер с тремя выходами, один из которых подключается по очереди к остальным двум. Чтобы создать RS-триггер используется D-триггер с замкнутыми на состоянии «ноль» входы С и D.
Первый отрицательный сигнал на входе –R переводит в состояние «0». Первый отрицательный сигнал на входе –S переводит в состояние «1». Другие сигналы, возникшие из-за дребезга контактов, не могут оказать влияние на триггер. При таком подключении переключателя верхнее положение будет равно «1» на выходе, нижнее – «0».
RS-триггер сам по себе асинхронный, однако, иногда возникают случаи, когда нужно сохранить информацию. Тогда на помощь приходит синхронизируемый RS-триггер, который в этом случае должен состоять из обычного RS-триггера и схемы управления.
При этой схеме, импульсы, поступающие на Х1 и Х2 не имеют никакого значения, пока на входе С сохраняет значение «0». В этот момент RS-триггер находится в режиме хранения информации. Как только значение C становится равно «1» триггер запускается, начинается запись.
D-триггер
Это триггеры задержки. Используются они для создания регистров сдвига и хранения. Это одна из важнейших частей всех микропроцессоров.
У такого триггера два выхода – информационный и синхронизирующий. Триггер стабилен, когда состояние С находится на «ноль». При этом сигнал на выходе не будет зависеть от сигналов, которые поступают на информационный вход. Когда значение С изменяется на «1» на прямом выходе, тогда информация будет такой же, как и на триггере D.
JK-триггер
По своему принципу действия он очень похож на RS- триггеры. Но в отличие от него, у JK-триггеров нет проблем с неопределённостью, когда на вход одновременно поступают две «единицы». При возникновении подобной ситуации JK-триггер становится счётным триггером. Тогда при поступлении на вход сигналов со значением «1» триггер меняет своё состояние на противоположное.
Эти устройства очень универсальны. С одной стороны, они прекрасно находят своё применение в цифровых устройствах – счётчиках, регистрах, делителях частоты и т.д. С другой стороны при соединении определённых выводов можно получить вообще любой нужный вид триггера.
Т-триггер
У этих триггеров есть и другое название – счётные. На их основе создаёт двоичные счётчики и делители частот. У этих триггеров вход только один. На изображениях – асинхронный (1) и синхронный (2) Т-триггеры.
Импульс поступает на этот вход, состояние его меняется не противоположное. После поступления следующего импульса состояние становится исходным.
Триггер переключается в тот момент, когда на его вход поступается синхроимпульс. Тогда частота импульсов на выходе оказывается в 2 раза меньше начальной. Таким образом, один счётный триггер уменьшает частоту импульса двукратно. А два триггера, что были подключены последовательно, логично уменьшат частоту уже в 4 раза.
Почему эти триггеры называют ещё и делителями частот хорошо заметно по временным схемам:
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:
- S — set (установка);
- R — reset (сброс).
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:
- присутствие высокого уровня на входе Set или Reset;
- наличие тактового сигнала.
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
Этот 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.
RS-триггер
Триггер с управлением по входу. Подачей логической единицы на S-вход выход Q устанавливается в единицу. С R наоборот – получается нулевое состояние выхода. Запрещено на оба входа подавать единицы, результат получается непредсказуемым: нельзя заранее узнать, что получится в итоге. Схемотехнически RS-триггер может состоять из двух одинаковых транзисторов, нескольких пассивных элементов.
Построение RS-триггера на элементах ИЛИ-НЕ и И-НЕ
На рисунке дан пример построения RS-триггера элементами ИЛИ-НЕ и И-НЕ. Видите, во втором случае входы получились инверсными, помечены кружками. Легко проверить, таблица значений инвертировалась. За установку Q в единицу отвечает вход R. Логические единицы обоих входов обеспечивают сохранение информации. Триггер фиксирует состояние.
Кодовый замок на регистрах
Теперь пришло время для более серьезных вещей. Я собрал на макетной плате кодовый замок на микросхемах 561 серии. Часть из них ты уже знаешь, другую часть мы разберем в процессе.
В первую очередь следует определиться с вводом. Здесь шесть кнопок для первых шести цифр 1 — 6 (больше не поместилось) и кнопка сброса. Сигнал с них подается на RS-триггеры, что помогает справиться с дребезгом контактов. Далее у нас есть четыре микросхемы К561ТМ2, это дает нам восемь бит информации о состоянии устройства.
Для удобства я сразу приведу принципиальную схему. Впрочем, ее всегда можно восстановить самостоятельно
Обрати внимание, что первая группа D-триггеров связана последовательно: инверсный выход через вентиль NAND блокирует тактовый сигнал следующего. Таким образом, пока не будет верно подобрана первая цифра ключа, остальная схема не будет реагировать на нажатия. Кроме того, на этот же вентиль подается инверсный выход самого триггера, так что как только нужная кнопка будет нажата в первый раз, блок отключается и далее внутреннее состояние D-триггера уже не меняется.
Отдельного рассмотрения заслуживает пара D-триггеров U3A и U6A . У них общий тактовый сигнал, а вход данных второго зависит от выхода первого. Так как изначально все триггеры сброшены в ноль, то даже после однократного нажатия нужной кнопки выход второго не изменится и последний из триггеров будет все также заблокирован (иными словами, ноль из U3A перекочует в U6A , но глобально это ничего не меняет).
Однако, первый регистр из пары все-таки поменяет свое состояние, так как по приходу тактового сигнала на его входе данных содержится логическая единица от инверсного выхода второго. Значит, на его выходе уже будет высокий уровень и нам потребуется еще один тактовый сигнал (нажатие на кнопку), чтобы протолкнуть «единичку» во второй регистр. Таким образом, можно сделать вывод, что одну из кнопок требуется нажать два раза подряд, после чего разблокируется последний D-триггер.
Кстати, трехвходовые вентили NAND для разрешения подачи тактового сигнала на D-триггер содержатся в микросхемах К561ЛА9 (по три штучки на корпус).
Разумеется, если взять такую схему отдельно, в ней будет существенный изъян: можно подобрать ключ, просто перебирая все кнопки одна за другой. В какой-то момент времени мы угадаем первую верную цифру, после чего перейдем ко второй, третьей и так далее.
Поэтому нам нужна возможность сброса состояния всех D-триггеров, как только превышено разрешенное количество попыток. Для этого требуется в первую очередь организовать подсчет, регистрируя нажатие любой цифры. Поэтому я взял парочку четырехвходовых вентилей NOR (К561ЛЕ6).
Логический ноль на их выходе образуется всякий раз, когда нажата какая-либо из подключенных кнопок. Объединим выходы вентилей с помощью операции И-НЕ. При этом сработает такое правило: инвертор на выходе логического элемента можно переместить на все его входы, но при этом поменяется и сам тип элемента ( NOR переходит в NAND и наоборот). Таким образом, NAND на выходе можно рассматривать как NOR , а инверторы на его входах оказываются рядом с инверторами на выходах блоков NOR и взаимно аннигилируют. В результате мы получаем один большой элемент OR , что и требовалось для нашего счетчика.
Кстати, схема самого счетчика выглядит так.
Он построен на базе трех D-триггеров, так что у нас три бита и восемь возможных состояний. Инверсный выход первого блока подается на вход, так что по восходящему фронту тактового сигнала BIT0 внутреннего состояния переходит из ноля в единичку (и наоборот). При этом выход соединен с CLK следующего и каждое второе переключение приводит к изменением для BIT1 .
Далее нам остается только отслеживать комбинацию 101 для пяти разрешенных попыток и подать сигнал сброса, если последний из D-триггеров, хранящих наш секретный код, все еще не оказался в состоянии логической единицы (случай правильной комбинации).
Работу всей схемы можно посмотреть на видео. Успешный код активирует таймер на микросхеме КР1006ВИ1, которая демонстрирует анимацию на светодиодной шкале.
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.
Триггер Шмитта.
Триггер Шмитта выдает импульс правильной формы, при сигнале произвольной формы на входе. Применяется для преобразования медленно меняющихся сигналов в импульсы, с четко очерчеными краями.
Использование каких — либо материалов этой страницы, допускается при наличии ссылки на сайт «Электрика это просто».
3 Задание к работе
3.1 Исследовать асинхронный RS- триггер
Сконфигурировать ПЛИС в соответствии с рисунком 3.1.
Рисунок 3.1 — RS-триггер на основе логических элементов «ИЛИ-НЕ»
Все используемые элементы располагаются в Symbol tools->Primitives.
Устанавливая с помощью переключателей S7 и S8 различные комбинации логических уровней и наблюдая за светодиодом LED8 заполнить таблицу 3.1
Таблица 3.1 — Таблица переходов для асинхронного RS триггера на элементах «ИЛИ-НЕ»
| R | S | Q(t) | Q(t+1) |
| 0 | 0 | 0 | |
| 0 | 0 | 1 | |
| 0 | 1 | 0 | |
| 0 | 1 | 1 | |
| 1 | 0 | 0 | |
| 1 | 0 | 1 |
3.2 Исследовать синхронный RS триггер
Сконфигурировать ПЛИС в соответствии с рисунком 3.2.
Рисунок 3.2 — Синхронный RS-триггер
Триггер взять из библиотеки Primitives->Storage. Устанавливая с помощью переключателей S7 и S8 различные комбинации логических уровней и затем нажимая на кнопку Button, заполнить таблицу переходов 3.2.
Таблица 3.2 — Таблица переходов для синхронного RS триггера
| R | S | C | Q(t) | Q(t+1) |
| 0 | 0 | 1 | 0 | |
| 0 | 0 | 1 | 1 | |
| 0 | 1 | 1 | 0 | |
| 0 | 1 | 1 | 1 | |
| 1 | 0 | 1 | 0 | |
| 1 | 0 | 1 | 1 | |
| 0 | 0 | 0 | 0 | |
| 0 | 0 | 0 | 1 | |
| 0 | 1 | 0 | 0 | |
| 0 | 1 | 0 | 1 | |
| 1 | 0 | 0 | 0 | |
| 1 | 0 | 0 | 1 |
3.3 Исследовать D-триггер
Сконфигурировать ПЛИС в соответствии с рисунком 3.3.
Рисунок 3.3 — Схема D-триггера
Устанавливая с помощью переключателя S8 различные логические уровни на выходе D и затем нажимая на кнопку Button, заполнить таблицу переходов 3.3.
Таблица 3.3 — Таблица переходов для синхронного D триггера
| D | C | Q(t) | Q(t+1) |
| * | 0 | 0 | |
| * | 0 | 1 | |
| 0 | 1 | 0 | |
| 1 | 1 | 1 |
3.4 Исследовать синхронный T-триггер
Сконфигурировать ПЛИС в соответствии с рисунком 3.4.
Рисунок 3.4 — Схема счётного Т-триггера
Блок Antitinkling необходим для подавления дребезга кнопки.
ВНИМАНИЕ! Для того, что бы выполнить блок Antitinkling, прочтите инструкцию Борьба с дребезгом контактов.
Вход CLK соединяется с pin16, вход Button соединяется с pin37. Выход Antitinkling соединить с входом синхронизации триггера. Остальные входы соединить согласно рисунку 3.4.
Устанавливая с помощью переключателя S8 различные логические уровни на выходе D и затем, нажимая на кнопку Button, заполнить таблицу переходов 3.4.
Таблица 3.4 — Таблица переходов для синхронного D триггера
| T | C | Q(t) | Q(t+1) |
| 1 | 1 | 0 | |
| 1 | 1 | 1 | |
| 0 | 1 | 0 | |
| 0 | 1 | 1 |
3.5 Исследование синхронного JK триггера
Сконфигурировать ПЛИС в соответствии с рисунком 3.5.
Рисунок 3.5 — Схема JK-триггера
Блок Antitinking подключить так же как, было сделано в предыдущем задании. Устанавливая с помощью переключателя S7 и S8 различные логические уровни на входах J, K и затем, нажимая на кнопку Button, заполнить таблицу переходов 3.5.
