Электротехника для студентов

Триггер – это устройство последовательного типа с двумя устойчивыми состояниями равновесия, предназначенное для записи и хранения информации. Под действием входных сигналов триггер может переключаться из одного устойчивого состояния в другое. При этом напряжение на его выходе скачкообразно изменяется с низкого уровня на высокий или наоборот. По способу записи информации триггеры делят на асинхронные, которые переключаются в момент подачи входного сигнала, и синхронные (тактируемые), которые переключаются только при подаче синхронизирующих импульсов, а момент переключения связан с определенным уровнем синхросигнала (статические триггеры) либо с моментом перепада напряжения на тактируемом входе (динамические триггеры).
Как правило, триггер имеет два выхода: прямой Q и инверсный Q. Число входов зависит от структуры и функций, выполняемых триггером. Например, асинхронные RS-триггеры имеют два входа: вход S установки в единичное состояние прямого выхода Q и вход R установки в нулевое состояние выхода Q. Синхронные триггеры для занесения в них информации, помимо информационных входов S (J) и R (K), имеют синхронизирующий С или счетный Т вход, а триггеры задержки − информационный вход D. Наибольшее распространение в цифровых устройствах получили триггеры RS, D, T и JK.

2.1. Асинхронный и синхронный RS-триггеры
Простейшим триггером является асинхронный RS-триггер, условное графическое изображение которого представлено на рис. 2.1, а, а принцип его работы поясняется таблицей переходов на рис. 2.1, д.

a – условное графическое обозначение; б – схема реализации на базовых элементах И-НЕ; в – временная диаграмма; г – преобразование в синхронный; д – таблица переходов
На основании таблицы переходов (рис. 2.1, д) запишем аналитическое выражение функционирования RS-триггера (2.1):
[math]Q^{t+1} = S +Q^t \bar{R}. (2.1)
На рис. 2.1, в изображена временная диаграмма, иллюстрирующая его работу. В момент подачи сигнала S = 1 триггер переходит в состояние RS-триггер может быть построен на различных логических элементах. На рис. 2.1, б показана схема реализации RS-триггера на базовых элементах И-НЕ, в которой использована положительная обратная связь (ПОС) с выходов триггера на входы логических элементов. Именно наличие ПОС отличает триггер от ранее рассмотренных комбинационных логических устройств: посредством сигналов ПОС в триггере фиксируется его предшествующее состояние.
Асинхронный RS-триггер можно преобразовать в синхронный, если добавить третий синхронизирующий вход С (рис. 2.1, г), соединенный, например, с нижними, предварительно разделенными входами двух левых элементов И-НЕ (см. рис. 2.1, б). Вход С обеспечивает функционирование RS-триггера по закону (2.2):
[math]Q^{t+1} =Q^t (\bar{C} + \bar{R}) +CS. (2.2)
Переключение синхронного RS-триггера в состояние Q = 1 происходит при S = 1 (или в состояние Q = 0 при R = 1) в момент прихода синхроимпульса С. При С = 0 информация с S- и R-входов на триггер не передается.Q = 1. При отсутствии входных сигналов состояние триггера не изменяется, а в момент подачи сигнала R = 1 триггер переключается в состояние Q = 0, в котором пребывает до поступления нового единичного сигнала на S-вход.

2.2. Т-триггер
Триггер со счетным запуском (Т-триггер) должен переключаться каждым импульсом, подаваемым на единственный счетный вход Т (рис. 2.2, а).

Рис. 2.2. Т-триггер:
a – условное графическое обозначение; б – схема реализации Т-триггера на базе двух синхронных RS-триггеров
Функционирование Т-триггера определяется уравнением (2.3):
[math]Q^{t+1} = Q^t \bar{T} + \bar{Q^t}T
Он может быть реализован, например, на базе двух синхронных RS-триггеров (рис. 2.2, б). С появлением фронта тактового импульса
триггер Т1 первой ступени переключается в состояние, противоположное состоянию триггера Т2. Но это не вызывает изменение сигналов на выходах Q и [math]\bar{Q}, так как за счет инвертора на тактовый вход С триггера Т2 в данный момент подан логический 0. Только на
срезе счетного импульса на входе Т1 переключится триггер Т2 и произойдет изменение сигналов на выходах Q и [math]\bar{Q}, а также на S и R-входах первой ступени.

Триггер задержки (D-триггер) может быть только синхронным, так как имеет один информационный D-вход, информация с которого переписывается на выход триггера только по тактовому сигналу, подаваемому на С-вход. Условное изображение D-триггера приведено на рис. 2.3, а. Реализовать его можно на различных логических элементах, в том числе на основе синхронного RS-триггера, дополненного инвертором (рис. 2.3, б).

Рис. 2.3. D-триггер: a – условное графическое обозначение; б – схема реализации; в – временная диаграмма; г – таблица переходов
Из анализа таблицы переходов на рис. 2.3, г переключательной функции D-триггера (2.4)
[math]Q^{t+1} = \bar{C^t}Q^t + C^tQ^t
следует, что при отсутствии синхроимпульса (С = 0) состояние триггера остается неизменным. При условии же С = 1 триггер передает на выход сигнал, поступивший на его вход D в предыдущем такте, т. е. выходной сигнал [math]Q^{t+1} изменяется с задержкой на один
период импульсов синхронизации.
Из анализа временной диаграммы D-триггера (рис. 2.3, в) также следует, что выходной сигнал Q триггера повторяет состояние D-входа
с поступлением очередного тактового импульса на вход С с задержкой tз относительно сменившегося логического состояния на D-входе.

2.4. JK-триггер
JK-триггер обычно выполняют тактируемым. Он имеет информационные входы J и K, которые по своему воздействию на устройство аналогичны входам S и R синхронного RS-триггера: при J = 1 и K = 0 триггер по тактовому импульсу С устанавливается в состояние Q = 1; при J = 0 и K = 1 − переключается в состояние Q = 0, а при J = 0 и K = 0 − хранит ранее принятую информацию.
В отличие от синхронного RS-триггера одновременное присутствие логических единиц на информационных входах не является для JK-триггера запрещенной комбинацией; при J = 1 и K = 1 триггер работает в счетном режиме, т. е. переключается каждым тактовым импульсом на входе С.

Рис. 2.4. JK-триггер:
a – функциональная схема; б – T-триггер;
в – синхронный JK-триггер; г – асинхронный T-триггер;
д – D-триггер; e – синхронный RS-триггер; ж – таблица переходов
Только при комбинации сигналов J = 1, С = 1 и [math]\bar {Q}= 1 на входе элемента Э1 триггер Т1 переключится в состояние Р = 1. Аналогично
логический 0 будет на выходе элемента Э2 при K = 1, С = 1 и Q = 1. Таким образом, комбинация J = 1, K = 0 обусловливает по тактовому импульсу С = 1 переключение JK-триггера в целом в состояние Q = 1, а комбинация J = 0, K = 1 − в состояние Q = 0. Из анализа таблицы переходов (рис. 2.4, ж) переключательной функции JK-триггера (2.5)
[math]Q^{t+1} = \bar {K^t}Q^t + J^t \bar{Q^t}
следует, что состояние триггера определяется не только уровнями сигналов на информационных входах J и K, но и состоянием [math]Q^t, в котором ранее находился JK-триггер. Так, при комбинации J = 0, K = 0 триггер сохраняет предыдущее состояние [math](Q^{t+1} =Q^t ) ; комбинация J = 1, K = 1 приводит к тому, что тактовым импульсом триггер переключается в состояние, противоположное предыдущему: [math]Q^{t+1} =Qt .
Комбинации J = 1, K = 0 и J = 0, K = 1 дают разрешение триггеру переключиться соответственно в состояния Q = 1 и Q = 0.
На основе JK-триггера (рис. 2.4, б) могут быть выполнены синхронный (рис. 2.4, в) и асинхронный (рис. 2.4, г) Т-триггеры, D-триггер (рис. 2.4, д) и синхронный RS-триггер (рис. 2.4, е).
При проектировании сложных логических схем (микросхем) необходимы триггеры различных типов, которые можно было бы выполнить на основе одного универсального триггера и использовать его в разных режимах работы и модификациях. В интегральной схемотехнике наибольшее распространение получили D- и JK-триггеры.