Понятие о последовательностных логических схемах. Триггеры как простейшие логические автоматы. Бистабильные ячейки памяти, анализ работы. Основные типы триггеров.

Последовательностная схема - это такая логическая схема, выходные сигналы которой определяются не только текущими значениями входных сигналов, но зависят также от последовательности значений входных сигналов в прошлом, причем возможно, что эта зависимость простирается сколь угодно далеко назад.

Таким образом, неудобно, а часто невозможно, описать поведение последовательностной схемы таблицей, в которой выходные сигналы перечисляются как функции последовательности входных сигналов, принятой к настоящему моменту времени. Чтобы знать, где вы окажетесь в следующий момент, нужно знать, где вы находитесь сейчас. Нужно знать больше, необходима информация о текущем «состоянии» переключателя каналов. Состояние последовательностной схемы - это совокупность переменных состояния, чьи значения в любой фиксированный момент времени содержат всю информацию о прошлом, необходимую для того, чтобы объяснить поведение схемы в будущем.

Триггеры — элементарные автоматы, содержащие собственно элемент памяти (фиксатор) и схему управления. Фиксатор строится на двух инверторах, связанных друг с другом "накрест”, так что выход одного соединен с входом другого. Такое соединение дает цепь с двумя устойчивыми состояниями (рис. 1.). Действительно, если на выходе инвертора 1 имеется логический ноль, то он обеспечивает на выходе инвертора 2 логическую единицу, благодаря которой сам и существует. То же согласование сигналов имеет место и для второго состояния, когда инвертор 1 находится в единице, а инвертор 2 — в нуле. Любое из двух состояний может существовать неограниченно долго.

Понятие о последовательностных логических схемах. Триггеры как простейшие логические автоматы. Бистабильные ячейки памяти, анализ работы. Основные типы триггеров. - student2.ru

Рисунок 1 - Схемы фиксаторов с входами управления на элементах ИЛИ-НЕ и И-НЕ

Переходное состояние, в котором инверторы активны, неустойчиво. Это можно показать, имея в виду, что напряжения в любой цепи не являются идеально постоянными, а всегда имеют место флуктуации. Флуктуации обязательно приведут фиксатор в одно из двух стабильных состояний, т. к. из-за наличия в схеме петли положительной обратной связи любое изменение режиме вызывает продолжение в том же направлении, пока фиксатор не перейдет в устойчивое состояние, когда петля обратной связи как бы разрывается вследствие потери инверторами усилительных свойств (переход в режимы отсечки и насыщения, свойственные устойчивым состояниям).

Чтобы управлять фиксатором, нужно иметь в логических элементах дополнительные входы, превращающие инверторы в элементы И-НЕ, либо ИЛИ-НЕ. На входы управления поступают внешние установочные сигналы Установочные сигналы показаны на рис.1 штриховыми линиями. Буквой R латинского алфавита (от Reset) обозначен сигнал установки триггера в ноль (сброса), а буквой S (от Set) — сигнал установки в состояние логической единицы (установки). Состояние триггера считывается по значению прямого выхода, обозначаемого как Q. Чаще всего триггер имеет и второй выход с инверсным сигналом Q. Для фиксатора на элементах ИЛИ-HE установочным сигналом является единичный, поскольку только он приводит логический элемент в нулевое состояние независимо от сигналов на других входах элемента. Для фиксатора на элементах И-НЕ установочным сигналом является нулевой, как обладающий тем же свойством однозначно задавать состояние элемента независимо от состояний других входов. Практически все серии цифровых ИС содержат готовые триггеры, и поэтому задача проектировщика — правильное использование имеющихся триггеров. Отсюда важное значение приобретают классификация триггеров, изучение их параметров и особенностей функционирования.

Классификация триггеров проводится по признакам логического функционирования и способу записи информации (рис.2).

Рисунок 2 - Классификация триггеров

По логическому функционированию различают триггеры типов RS, D, Т, JK и др. Кроме того, используются комбинированные триггеры, в которых совмещаются одновременно несколько типов, и триггеры со сложной входной логикой (группами входов, связанных между собой логическими зависимостями).

Триггер типа RS имеет два входа — установки в единицу (S) и установки в ноль (R).

Одновременная подача сигналов установки S и сброса R не допускается (эта комбинация сигналов называется запрещенной)

Триггер типа D (от слова Delay — задержка) имеет один вход. Его состояние повторяет входной сигнал, но с задержкой, определяемой тактовым сигналом. Триггер типа Т изменяет свое состояние каждый раз при поступлении входного сигнала. Имеет один вход, называется триггером со счетным входом или счетным триггером.

Триггер типа JK универсален, имеет входы установки (J) и сброса (К), подобные входам триггера RS. В отличие от последнего, допускает ситуацию с одновременной подачей сигналов на оба эти входа (J = К = 1). В этом режиме работает как счетный триггер относительно третьего (тактового) входа.

В комбинированных триггерах совмещаются несколько режимов. Например, триггер типа RST — счетный триггер, имеющий также входы установки и сброса.

Примером триггера со сложной входной логикой служит JK-триггер с группами входов J1J2J3 и K1К2К3, соединенными операцией конъюнкции.

По способу записи информации различают асинхронные (нетактируемые) и синхронные (тактируемые) триггеры. В нетактируемых переход в новое состояние вызывается непосредственно изменениями входных информационных сигналов. В тактируемых, имеющих специальный вход, переход происходит только при подаче на этот вход тактовых сигналов. Тактовые сигналы называют также синхронизирующими, исполнительными, командными и т. д. Обозначаются они буквой С (от слова Clock).

По способу восприятия тактовых сигналов триггеры делятся на управляемые уровнем и управляемые фронтом. Управление уровнем означает, что при одном уровне тактового сигнала триггер воспринимает входные сигналы и реагирует на них, а при другом не воспринимает и остается в неизменном состоянии. При управлении фронтом разрешение на переключение дается только в момент перепада тактового сигнала (на его фронте или спаде). В остальное время независимо от уровня тактового сигнала триггер не воспринимает входные сигналы и остается в неизменном состоянии. Триггеры, управляемые фронтом, называют также триггерами с динамическим управлением.

Динамический вход может быть прямым или инверсным. Прямое динамическое управление означает разрешение на переключение при изменении тактового сигнала с нулевого значения на единичное, инверсное — при изменении тактового сигнала с единичного значения на нулевое.

По характеру процесса переключения триггеры делятся на одноступенчатые и двухступенчатые.

В одноступенчатом триггере переключение в новое состояние происходит сразу, в двухступенчатом — но этапам. Двухступенчатые триггеры состоят из входной и выходной ступеней. Переход в новое состояние происходит в обеих ступенях поочередно. Один из уровней тактового сигнала разрешает прием информации во входную ступень при неизменном состоянии выходной ступени. Другой уровень тактового сигнала разрешает передачу нового состояния из входной ступени в выходную.

В практике проектирования используется термин "триггер-защелка" (Latch). Под этим понимается триггер, который прозрачен при одном уровне тактового сигнала и переходит в режим хранения при другом.

Двухступенчатый триггер обозначается двумя буквами Т. Двухступенчатые триггеры часто называют также триггерами типа MS. Эта аббревиатура отражает характер работы триггера: входная ступень вырабатывает новое значение выходной переменной Q, а выходная его копирует.