Асинхронные RS‑триггеры

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

_____________________________________________________

МОСКОВСКИЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ
(ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

___________________________________________________________

И. А. КАРЕТНИКОВ

ТРИГГЕРЫ И МУЛЬТИВИБРАТОРЫ НА ЛОГИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТАХ

Лабораторные работы № 1—5

Методическое пособие
по курсу
«Электронные цепи и микросхемотехника»

для студентов, обучающихся по направлению
«Микроэлектроника и твердотельная электроника»

Под ред. Н.А.Чарыкова

Москва Издательство МЭИ 2005

УДК

621.398

К-227

Утверждено учебным управлением МЭИ
Подготовлено на кафедре полупроводниковой электроники МЭИ

Рецензенты: докт. техн. наук, профессор А. П. Лысенко,
канд. техн. наук, доцент Е. Е. Чаплыгин

Каретников И. А.

К-227 Триггеры и мультивибраторы на логических элементах.
Лабораторные работы № 1—5: методическое пособие /
И. А. Каретников; под ред. Н. А. Чарыкова. – М.: Издательство МЭИ, 2005. – 40с.

Рассмотрено построение и функционирование основных типов статических триггеров на логических элементах и построение счетчика импульсов на их основе. Изучается работа триггера Шмидта, построенного на двух логических элементах – инверторах.Демонстрируется наличие участка вольт-амперной характеристики с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Изучается построение и функционирование мультивибраторов как автогенераторов, так и работающих в ждущем режиме. Рассмотрены и учтены особенности как ТТЛ-, так и КМОП-логических элементов.

Пособие предназначено для подготовки бакалавров и дипломированных инженеров по специальности 200100 "Микроэлектроника и твердотельная электроника".

Продолжительность лабораторных занятий – 4 часа.

© Московский энергетический институт (ТУ), 2005

Лабораторная работа № 1

ИЗУЧЕНИЕ ТРИГГЕРОВ

Цель работы: изучить работу статических RS‑триггеров на основе логических элементов ИЛИ‑НЕ, И‑НЕ в статическом и дина-мическом режимах работы, рассмотреть применение RS‑триггеров при построении D-, T-, JK-триггеров. Работа является ознакомительной.

В современной микросхемотехнике получили распространение статические триггеры с двумя устойчивыми состояниями. Они содержат запоминающий элемент (бистабильную ячейку) и схему управления.

Состояние триггера характеризуется уровнями потенциалов на выходах Q и . В положительной логике высокий уровень потенциала принимают за "1" (U_вых = U ¹), а низкий – за "0" (U_вых = U ⁰). Если у триггера имеется два выхода, то потенциал второго выхода противоположен потенциалу первого.

Наиболее часто триггеры строят, используя логические элементы (ЛЭ) ИЛИ-НЕ либо И-НЕ. Их графическое обозначение, таблицы состояний и уравнения функционирования приведены на рис. 1.1 (подробнее – см. "Приложение") .

Рис. 1.1. Графическое обозначение, таблица состояний и уравнение функционирования для логических элементов ИЛИ-НЕ (а) и И-НЕ (б)

Бистабильная ячейка (БЯ) простейших триггеров потенциального типа содержит два инвертирующих элемента, охваченных перекрестными обратными связями (рис. 1.2, а). Поскольку выходное напряжение одного инвертора является входным напряжением для другого, то оценку возможных устой-чивых состояний ячейки можно провести, воспользовавшись сов-местным построением их передаточных характеристик (рис. 1.2, б). Точки пересечения таких характеристик являются точками возможных состояний ячейки. Например, в точке 1 инвертор D1 не находится в активной области характеристик– "ключ заперт", и на его выходе наблюдается уровень U_вых = U ¹. Ин-вертор D2 также не находится в активной области– "ключ открыт", и на его выходе поддержи-вается уровень U_вых = U ⁰. Это обуславливает устойчивое состояние бистабильной ячейки. Аналогично в точке 2инвертор D1 "открыт", а инвертор D2 "закрыт", что также ведет к устойчивому состоянию ячейки. В точке 3 реализуется неустойчивое состояние ячейки – инверторы находятся в активной области своих характеристик, и действует глубокая положительная обратная связь, стремящаяся перевести ячейку в одну из точек устойчивого состояния.

Бистабильную ячейку (статический триггер) удобно строить на основе ЛЭ ИЛИ‑НЕ и И‑НЕ. При этом логические входы, оставшиеся свободными после сформирования перекрестных связей (показаны пунктиром на рис.1.2, а) используются как инфор-мационные входы (R, S) для управления триггером.

Триггеры классифицируются по связи между состояниями информационных входов и выходов до срабатывания (t_n) и после срабатывания (t_n+1). При этом различают RS-, D-, T-, JK- и т.д. триггеры.

По временной диаграмме работы триггеры делятся на асинхронные и синхронные (тактируемые). В асинхронных триггерах запись информации осуществляется непосредственно в момент поступления информационного сигнала на вход. В синхронных триггерах запись информации осуществляется только при подаче разрешающего сигнала на тактовый вход, и только после этого состояние триггера устанавливается в соответствии с комбинацией логических сигналов на информационных входах. Синхронизация триггера может осуществляться как по уровню потенциала, так и по фронту (или срезу) синхроимпульса.

Асинхронные RS‑триггеры

Рассмотрим RS‑триггер на основе ЛЭ ИЛИ‑НЕ (рис. 1.3). Здесь могут быть использованы ЛЭ РТЛ, МОП, КМОП, ЭСЛ. По сути, простейший RS‑триггер есть бистабильная ячейка, управляемая по R- и S- входам. Введение перекрестной обратной связи должно надежно обеспечивать два устойчивых состояния триггера: Q = 1,
= 0 либо Q = 0, = 1.

Отыщем правило эффективного управления RS‑триггером. Для этого необходимо рассмотреть работу каждого ЛЭ в БЯ в соответствии с его таблицей состояний (см. рис. 1.1, а). Предположим, что на выходе ЛЭ D2 (выход Q на рис. 1.3, а) существует потенциал U ¹, а на выходе ЛЭ D1 (выход ) – U ⁰, при этом управляющие сигналы на входах S и R одновременно имеют низкий уровень (0). Необходимо иметь в виду, что выходные сигналы БЯ (Q и ) одновременно являются вторыми входными сигналами для его логических элементов.

Рис. 1.3. RS-триггер на основе ЛЭ ИЛИ-НЕ (а) и осциллограммы переключений при управлении триггером (б)

В соответствии с таблицей состояний для ЛЭ ИЛИ-НЕ (см. рис. 1.1, а) при комбинации входных сигналов 0 0 на входах ЛЭ D2 RS-триггера (рис.1.3) на его выходе следует ожидать потенциал Q = U ¹. Для ЛЭ D1 при комбинации входных сигналов 1 0 – на его выходе следует ожидать = U ⁰. Таким образом, видно, что на выходах RS - триггера поддерживаются потенциалы, заданные ранее. Такое состояние триггера является устойчивым. К аналогичному заключению придем, если предположим, что первоначальные потенциалы на выходах Q и данного RS-триггера соответственно равны U ⁰ и U ¹, а комбинация входных сигналов: S = 0, R = 0 – прежняя.

Таким образом, комбинация сигналов на входахS = 0, R = 0поддерживает (сохраняет) предыдущее состояние триггера, выполненного на ЛЭ ИЛИ-НЕ. Из рассмотрения таблицы состояний ЛЭ ИЛИ‑НЕ также следует, что если хотя бы на одном входе ЛЭ существует уровень логической единицы, то управление по другому входу ЛЭ не эффективно, т.е. не приводит к изменениям его состояния. Изменить состояние ЛЭ возможно лишь в случае перехода от комбинации сигналов 0 0 на его входах к комбинации 1 0 либо 0 1. Отсюда вытекает правило эффективного управления БЯ: для "опрокидывания" триггера на основе ЛЭ ИЛИ‑НЕ необходимо сигнал U ¹ подавать на вход того ЛЭ, где до этого была комбинация входных сигналов 0 0. При этом на другом входе БЯ необходимо поддерживать уровень 0. Для наглядности восприятия на рис.1.3, б приведены осциллограммы процессов при управлении данным триггером.

Для RS-триггера принято, что комбинация входных сигналов S = 1, R = 0 должна приводить к состоянию Q = 1. В соответствии с этим правилом обозначены входы и выходы триггера на рис. 1.3, и с учетом функционирования составлена полная таблица

Таблица 1.1		Таблица 1.2
Таблица состояний RS-триггера на основе ЛЭ ИЛИ-НЕ		Словарь переходов RS-триггера на основе ЛЭ ИЛИ-НЕ

(табл. 1.1) состояний RS-триггера и его словарь переходов (табл. 1.2). Знаком Х отмечено безразличное отношение триггера к сигналу на данном входе.

Комбинация входных сигналов S = 1, R = 1 является запре-щенной для RS-триггера на ЛЭ ИЛИ-НЕ, так как приводит к появлению на выходе триггера состояния, когда одновременно
Q = = 0. Это приводит к неопределенности в оценке состояния
RS-триггера и сбою работы всего цифрового устройства.

Характеристическое уравнение функционирования данного триггера имеет вид

.

Оно получено на основании использования карт Карно при анализе связи состояний выходов триггера с возможным набором управляющих сигналов S и R [2]. Знаками n и n+1 обозначено состояние выхода Q до и после прихода управляющих сигналов соответственно.

Рассмотрим RS‑триггеры на основе ЛЭ И‑НЕ (рис. 1.4, а). В этом случае используются ЛЭ на основе ТТЛ, МОП, КМОП.

Предположим, что введение перекрестной обратной связи обеспечивает надежно два устойчивых состояния триггера. Схемотехнически триггер выполнен так же, как и на основе ЛЭ ИЛИ‑НЕ, однако из рассмотрения таблицы состояний (рис.1.2, б) для ЛЭ И-НЕ вытекает, что эффективным управляющим сигналом, приводящим к "опрокидыванию" триггера, является уровень 0, поданный на вход того ЛЭ, у которого на остальных входах присутствуют потенциалы U ¹.

Рис.1.4. RS-триггер на основе ЛЭ И-НЕ (а) и осциллограммы, наблюдаемые при переключении триггера(б)

Комбинация сигналов 1 1 на входах триггера сохраняет предыдущее состояние БЯ, а комбинация 0 0 – запрещена. Полная таблица состояний RS-триггера на основе ЛЭ И-НЕ дана в табл.1.3, словарь переходов – в табл.1.4.

Таблица 1.3		Таблица 1.4
Таблица состояний RS-триггера на основе ЛЭ И-НЕ		Словарь переходов RS-триггера на основе ЛЭ И-НЕ

Характеристическое уравнение триггера может быть записано в виде .

Осциллограммы работы данного триггера даны на рис. 1.4, б.

Тактируемые (синхронные) RS‑триггеры (RST‑триггеры)

Схема RST-триггера на ЛЭ И-НЕ представлена на рис. 1.5. ЛЭ D1 и D2 образуют асинхронный RS-триггер, ЛЭ DЗ и D4 являются элементами управления, обеспечивая синхронизацию (тактирование) триггера. Присутствие синхронизирующих импульсов – высоких потенциалов на входе C (C = 1) разрешает "прохождение" управ-ляющих сигналов S и R на входы асинхронного RS-триггера D1 – D2.

		Таблица 1.5
	Таблица состояний RST-триггера на ЛЭ И-НЕ
Рис.1.5. RST-триггер на ЛЭ И-НЕ (а) и его условное графическое обозначение (б)

При низком потенциале на входе C потенциалы на выходах DЗ и D4 высокие и не зависят от входных сигналов R и S , что обеспечивает хранение предыдущей информации в БЯ D1–D2. При высоком потенциале на тактовом входе C информация со входов R и S "пройдет" на входы , БЯ D1–D2, которая примет состояние в соответствии с этими информационными сигналами. Характеристическое уравнение RST-триггера имеет вид

.

В табл. 1.5 представлена полная таблица состояний данного триггера, а на рис. 1.5, б – его условное графическое обозначение.

D‑триггер (триггер‑задержка)

На рис. 1.6 представлена схема D -триггера на ЛЭ И‑НЕ. ЛЭ D1 и D2 образуют асинхронный RS-триггер, ЛЭ DЗ и D4 обеспечивают синхронизацию и одновременное управление БЯ по входам и от одного информационно-го входа D. При C = 0 триггер сохраняет свое предыдущее состояние независимо от потен-циала на входе D. При
C =1 информационный сигнал "проходит" на входы и , и триггер примет состояние в соответствии с входным сигналом D. Характе-ристическое уравнение D-триггера Q_n+1= D_n, или с учетом синхроимпульса . Данные триггеры удобно использовать как элементы памяти для хранения информации, поступившей, например, на вход ЭВМ.

JK‑триггер

Здесь входы J и K являются информационными, вход C – вход для синхроимпульса. JK‑триггер имеет внутреннюю память о предыдущем состоянии. Один из вариантов схемы JK-триггера
MS - типа представлен на рис. 1.7.

Рис. 1.7. JK-триггер (а) и его условное графическое обозначение (б)

Память выполнена на основе БЯ RS-2. Функционирование схемы: в течение действия тактового импульса (C = 1) ЛЭ D1 и D2 обеспечивают запись информации со входов J и K в БЯ RS-1. В это время БЯ RS–2 сохраняет информацию о предыдущем состоянии. ЛЭ DЗ и D4 предотвращают прохождение информации с выхода БЯ RS-1 на вход БЯ RS-2. По окончании тактового импульса запрещена запись информации в БЯ RS-1 и разрешена перезапись информации из БЯ RS-1 в БЯ RS-2. Таким образом, схема записывает инфор-мацию в течение тактового им-пульса. На выходе JK-триггера MS-типа результат появляется по окончании тактового импульса, и он соответствует информации, записанной в БЯ RS-1 именно в момент окончания тактового импульса. Графически эта особенность триггера отмечается знаком а), либо знаком б) (рис.1.8) у входа синхронизации. Считается, что такой триггер синхронизируется по спаду (срезу) синхроимпульса. Если стоят знаки в) либо г), то триггер синхронизируется по нарастанию (фронту) синхроимпульса. Синхронизация по спаду либо фронту повышает помехоустойчивость цифровой схемы.

Как правило, в JK-триггерах введены входы R и S для предварительной установки значения сигнала на выходе БЯ RS-2 (см. рис.1.7).

Таблица состояний JK-триггера близка к таблице RST-триггера. Однако наличие перекрестных обратных связей с выхода БЯ RS-2 на вход БЯ RS-1 обеспечивает информацию о предыдущем состоянии триггера. В результате – комбинация входных сигналов J = 1, K = 1 стала разрешенной. При данной комбинации входных сигналов и поступлении тактового импульса триггер изменяет свое состояние на противоположное. Характеристическое уравнение JK-триггера может быть записано в виде

.

На основе JK-триггеров могут быть созданы D-триггеры (рис. 1.9, а) и Т-триггеры (рис. 1.9, б, в).

Рис.1.9. D-триггер на основе JK-триггера (а),Т-триггеры на основе JK- (б) либо D-триггера (в)

D-триггер при поступлении синхроимпульса записывает информацию со входа D ихранит ее до прихода следующего синхроимпульса. Его характеристическое уравнение

Q _n+1= CD + Q_n .

T‑триггер "опрокидывается" на каждый поступающий импульс C. Характеристическое уравнение T-триггера

.

JK-, Т-, D-триггеры могут быть использованы для создания двоичных счетчиков. Схема такого счетчика на JK-триггерах К155 ТВ-1 и характерные осциллограммы представлены на рис. 1.10 а, б.

Рис.1.10. Асинхронный счетчик импульсов по основанию "2" (а) и осциллограммы напряжений на выходах счетчика (б)

Запись числа N производится по входу T в соответствии с соотношением

N = +b₃a ³ + b₂a ² + b₁a ¹ + b₀a ⁰,

где a – основание, по которому производится счет; b – коэффициенты при основаниях (код числа), они могут принимать значения b = 0, 1, 2, …(a–1). Например, для счетчика по основанию "2" коэффициент b может принимать значения b = 0; 1. В таком случае, в момент времени t₁ (рис.1.10, б) записано число 11 (в десятичном коде), двоичный код этого числа равен 1011.

Задание

1. Собрать RS или RST‑триггер на ЛЭ ИЛИ‑НЕ или И‑НЕ (по указанию преподавателя).

2. Исследовать таблицу состояний триггера, сравнить с ожидаемой.

3. Запустить триггер от генератора сдвинутых импульсов. Наблюдать управляемость, снять осциллограммы, оценить длительность импульсов и их фронтов на выходах триггера. Оценить минимально допустимый временной интервал между запускающими импульсами по входам S и R..

4. Собрать JK-, D-, T-триггер (по указанию преподавателя). Повторить задание п.2.

5. Собрать 4-разрядный двоичный асинхронный счетчик импульсов на основе JK-, D- или T-триггеров. Обеспечить предварительную запись "0" во все разряды. Осуществить запись заданного числа.

Библиографический список

1. Гольденберг Л.М. Импульсные устройства. – М: Радио и связь, 1981. – С. 89 – 104.

2.Алексенко А.Г., Шагурин И.И. Микросхемотехника. – М: Радио и связь, 1990. – С. 156 – 170.

3. Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. – М.: Высш. шк., 1991. – С. 562 – 577.

Лабораторная работа № 2

ТРИГГЕР ШМИДТА

Цель работы: изучение передаточной характеристики триггера, наблюдение гистерезиса и нахождение порогов переключения, наблюдение участка ВАХ с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Изучение работы триггера Шмидта как мультивибратора и формирователя прямоугольных импульсов.

Триггер Шмидта (ТШ) – электронная схема (рис. 2.1, а), имеющая два устойчивых состояния и управляемая уровнем напряжения на единственном информационном входе. Передаточная характеристика ТШ представляет петлю гистерезиса (рис. 2.1, б) с двумя порогами (уровнями) входного напряжения, при которых происходит переключение триггера из одного состояния в другое. ТШ удобно собрать, используя два логических элемента (ЛЭ) –
–два инвертора.

Для понимания работы схемы важным является знание уровня напряжения на входе ЛЭ D1 (U_вх1=U *), при котором одновременно оба ЛЭ оказываются в области активных характеристик (см. рис.1.2, лаб. раб. № 1, точка 3). В этом случае делитель напряжения R₁, R₂

Рис. 2.1. Триггер Шмидта на ЛЭ (а) и его передаточная характеристика (б)

обеспечивает глубокую положительную обратную связь, приводя-щую к скачку токов (напряжений) в схеме. Если U_вх1<U * или U_вх1>U *, то делитель R₁, R₂ не создает положительной обратной связи, а лишь обеспечивает устойчивое состояние U_{вых 2} = U ⁰ или U_{вых 2}= U ¹.

Рассмотрим подробнее: если уровень напряжения E_г имеет относительно низкую величину, то U_вх1<U *, и выходное напряжение ТШ составляет U_вых2= U ⁰. Это состояние ТШ является устойчивым. При увеличении E_г возрастает напряжение U_вх1, и при достижении
E_г = E_г^­ на входе ЛЭ D1 возникает напряжение U_вх1=U *, что приводит к скачку напряжений в схеме. U_вых2 весьма быстро (скачком) изменяется от U ⁰ до U ¹. При этом U_вх1 благодаря делителю R₁, R₂ также скачком увеличивается до U_вх1>U *, что и обеспечивает новое устойчивое состояние ТШ U_{вых 2} = U ¹.

Расчет E_г^­ производят на основании закона Кирхгоффа
(см. рис.2.1, а):

I₁+ I₂ + I_вх = 0

или ( E_г^­ – U ^*) /R₁ + (U ⁰_{вых 2} – U ^*) / R₂ + I_вх = 0.