Триггерный вход что это
RS-триггер и его принцип работы
В любой электронный прибор заложена возможность управления встроенной функциональностью и ее взаимодействие со смежными системами.
Статья подробно раскроет тему, что такое RS-триггер. Будет дана информация о назначении этого элемента, разновидностях и принципах действия.
Назначение
Основным назначением RS-триггеров является запись и хранение полученной информации. RS-триггер может легко оперировать данными и использовать их для периодического изменения общего состояния принципиальной схемы. Например, элемент может использоваться для включения определенных функций в электронной схеме.
Принцип работы
Простой RS-триггер использует особый принцип работы, основанный на получении входных сигналов, которые в зависимости от поставленной задачи изменяют состояние выходов устройства. При входе сигнала на основной блок, на выходах происходит скачкообразное изменение напряжения, вследствие чего осуществляется управление поставленной задачей.
Логическое электронное устройство состоит из нескольких активных входных и выходных контактов. Рассмотрим эти контакты:
Далее рассмотрим, как работает простой RS-элемент.
Принцип работы простого RS-триггера невозможен без выходов. Они имеют такие обозначения:
Самый первым был сделан триггер на транзисторах. Современные логические элементы сильно минимизированы, поэтому в основе всех таких устройств обязательно лежит микросхема. Такие устройства не подвержены воздействию помех, имеют низкий процент метастабильности, немного больше памяти и более широкие возможности для использования.
Транзисторные модели надежнее, но их основные недостатки: размер, наличие множества компонентов. Для увеличения памяти такие элементы подключаются параллельно в схему.
Разновидности
Набор функциональности и задач, которые выполняются современными логическим устройствами, требует их постоянной модификации. Далее будет дано описание существующих разновидностей RS-устройств.
Синхронный триггер
Синхронные триггеры относятся к сложным логическим устройствам. Синхронные RS-элементы отличаются от своих простых аналогов наличием синхронизирующего входного контакта «С», необходимого для улучшения логической работы.
Синхронный RS-триггер намного сложнее, так как схема принимает сигнал на контакт «С» в виде высокого напряжения. Сигнал синхронизируется, считывается входами «R»/«S» и только после этого создается переключение к выходам «Q». Принципиальная схема с входом «С» синхронного RS-триггера может дополняться обозначением «Clock», что означает «такт». Иными словами, синхронный элемент — это тактируемый точный RS триггер.
Синхронный триггер имеет очень важное назначение. Он нашел применение в цепях, где используется защита от электромагнитных помех.
Далее будет приведена таблица истинности простого синхронного RS-триггера. Графическое изображение диаграммы синхронизации сигналов приведена ниже.
Благодаря таблице можно проследить зависимость значений выхода от состояния входов.
Асинхронный триггер
Асинхронный RS-элемент можно отнести к самым простым логическим устройствам. Их главное отличие заключается в отсутствии сигнала синхронизации. Как работает асинхронный RS-триггер, можно понять по его схеме. Принцип работы следующий:
На момент установки сигнала схема будет находиться во включенном состоянии, например, будет запущен электродвигатель.
После того как функция переключается на сброс, подается напряжение на логический вход «R». При этом с прямого входа «Q» снимается напряжение (0) и подается на инвертированный выход «Q¯». На нем устанавливается высокое напряжение, например, происходит выключение электродвигателя.
Подобное простое сочетание и переключение напряжения с входных сигналов, используется для обеспечения работы более сложных триггеров или схем автоматического управления. Синхронный тип элемента относится к нетактируемым устройствам.
Для прослеживания принципа работы используется таблица истинности асинхронного RS-триггера. Она показана ниже.
Для асинхронных триггеров существует ряд измененных схем работы. Можно реализовать RS-триггер на буквенных логических элементах «ИЛИ-НЕ» и «И-НЕ».
В схеме RS-триггера на логических элементах «И-НЕ» осуществляется работа за счет перехода 1 с входа к выходу (R 1 прямой на Q) или наоборот (S 0 инверсный к Q¯). Весь принцип управления этой цепи осуществляется за счет положительного входа и высокого напряжения.
Цепь ИЛИ-НЕ полностью идентична. Основное отличие заключается только в подаче 0 и низкого напряжения к входному контакту. Любое нарушение закономерности этих схем приводит общую цепь к уровню запрещенного состояния, чего можно достичь только при неправильном подключении или ошибки управления. Далее будут представлены УГО триггера на логических элементах И-НЕ и ИЛИ-НЕ.
RS-триггер с активными инверсными выходами сильно зависим от работоспособности и скачков напряжения. Его правильная эксплуатация осуществляется с использованием устройств защиты.
D-триггер
Синхронные и асинхронные элементы относятся к типу статических устройств. D-триггер — это динамическое устройство. Динамический элемент более простой. Отличается от ранее описанных отсутствием входных контактов «S» и «R». Вместо них присутствует вход «D».
Принцип работы зависит от фронта сигнала. Фронт осуществляет переход от логического числа 1 к числу 0 и наоборот. Переход 0-1 называется передним, 1-0 задним фронтом. Динамические триггеры часто оснащаются дополнительным входом «V» (подтверждение). Он необходим для задерживания сигнала, поступающего на D вход. Может быть реализован в качестве таймера. Для более стабильной работы D-триггера, часто устанавливается первичное устройство с входом «V», которое помогает сгладить время возникшей метастабильности, а так же защищает цепь от возникновения ошибки при переходе.
Динамические устройства используются в вычислительной технике и простой автоматике в качестве дополнения к синхронным триггерам (дополнительная ячейка). УГО схемы работы устройства представлено ниже.
JK-триггер
Это универсальный простой триггер. Этот элемент имеет рабочие входы «J» и «K». По принципу работы и построению схож с асинхронной моделью. Отличается только логической цепью работы. Логическая 1 на выходе поступает с входа «J». При этом логический 0 на выходе «K» осуществляется за счет появления на входе высокого напряжения, а значит логической 1. Иными словами, на обоих входных контактах может одновременно быть высокое напряжение в виде логической 1.
Одновременно две логические 1 не приводят общую цепь в запрещенное состояние. Если запрещенная комбинация приводит к общей нестабильности цепи, один из выходов просто меняет свое положение с 0 на 1 или наоборот. Для стабилизации запрещенного сочетания, если оно необходимо практически, используется дополнительный триггер синхронного типа. Такие модели устройств могут использоваться для одновременного включения 2 функций одного устройства.
Метастабильность
Работоспособность триггеров строится на точности перехода от логических параметров 1 и 0. Устройство способно работать в одном состоянии 0 или 1. При этом переход от логических величин осуществляется без задержки в заданное время. Переход зависит от смены напряжения на входах элемента.
Основная проблема устройств кроется в эффекте метастабильности. Это состояние, при котором сигнал попадает на контакт входа в момент перехода из одного состояния в другое. В такие моменты напряжение находится между переходами. Это может привести:
Метастабильность можно представить, как шарик, установленный в верхней точке холма. В момент перехода из логического состояния, шарик (напряжение) переходит в одну из сторон согласно схеме. При метастабильности шарик (напряжение) замедляет переход. Этот эффект зависит от шумов цепи, высокого электромагнитного потока и скачков напряжения.
Данный эффект сильно зависим от временного интервала перехода. Также существует погрешность нахождения триггера в состоянии метастабильности. Для снижения данного эффекта инженеры вносят в схему 2 устройства, подключенных параллельно. Такая цепь позволяет снизить возможность появления метастабильности, уменьшить время нахождения цепи в этом состоянии. Так же 2 триггера в цепи значительно увеличивают время перехода, снижают зависимость от частотных и электромагнитных влияний.
Использование
Все выше описанные разновидности триггеров используются только в простейших электронных схемах контроля. Способность устройств к синхронизации и удерживанию сигнала используется в технике для взаимодействия с простейшими таймерами. Большая доля использования приходится для стабилизации работы механических кнопок и клавиш. Эти устройства испытывают эффект дребезга контактов. Например, при включении электрических двигателей. Дребезг контактов становится причиной появления сигналов с высокой частотой взаимодействия. Триггеры выравнивают и сглаживают этот эффект.
В персональных компьютерах простые триггеры не используются. Причина заключается в малом операционном объеме памяти. Устройство обладает только ячейкой емкостью 1 бит, что очень мало для сложной вычислительной техники.
Заключение
Триггер — очень нужный элемент в схеме автоматического управления. Такие логические устройства способны управлять функциональностью сложного электронного оборудования. Обладая маленькой памятью, они могут контролировать рабочее состояние аппаратуры, моменты включения и выключения, перераспределять логические задачи в приборах, работающих с высокочастотными сигналами, применяться в составе цифровых фильтров.
Видео по теме
Что такое триггер
Чтобы узнать, что такое триггер и разобраться во всём, что касается этих устройств, нужно начать с понятия. Слово «Триггер» произошло от английского «trigger» и обозначает цифровое устройство, который имеет только два состояния – 0 и 1. Переход от одного значения к другому происходит с огромной скоростью, и временем этих переходов обычно пренебрегают.
Триггер – это основной элемент системы большинства запоминающих устройств. Они могут быть использованы для хранения информации. Но объём памяти крайне мал, так что там можно держать разве что коды, биты и сигналы.
Память свою триггеры могут сохранять только при наличии питающего напряжения. Из этого следует, что их всё-таки стоит относить к оперативной памяти. Перезапустить питающее напряжение – и триггер будет в одном из двух состояний. То есть иметь или логический ноль, или логическую единицу, и состояние это будет выбрано случайно. Исходя из этой особенности, при проектировании схемы нужно заранее обозначить, как триггер будет возвращаться в стартовое состояние.
Схема, состоящая из двух логических состояний «И-НЕ» или «ИЛИ-НЕ», которые охвачены обратной положительной связью, лежит в основе построения всех триггеров. При подключении схема может пребывать только в одном из двух устойчивых состояний. Если не будет никаких сигналов, то триггер будет сохранять именно заданное состояние и не менять его, пока будет питание.
Триггерные ячейки
Схема имеет два инверсионных входа: Сброс – R (Reset) и установка S (Set). Так же имеются два выхода: Q – прямой и –Q – инверсный. Чтобы триггерная ячейка работала правильно, должно выполниться одно правило. На выходы ячейки не могут в один момент поступить отрицательные импульсы.
На выход –R поступает импульс при одном сигнале на вход –S. Выход –Q тогда оказывается в состоянии «1», выход Q будет в состоянии «0». Обратная связь создаёт переход сигнала «0» на второй вход на нижнем элементе. Когда поступление сигнала на –R прекратится, состояние сигналов на выходах будет тем же – Q (0), –Q (1). Таким образом, схема будет находиться в состоянии стабильности, потому что при подаче импульса на –R, состояние на выходе не изменится.
Одновременно подав на каждый вход сигналы, на каждом выходе в течение их действия и будет по одному сигналу. Как только подача импульсов прекратится, выходы сами перейдут в одно из двух возможных состояний. Это произойдёт случайно. Триггерная ячейка при включении выберет себе одно из двух устойчивых положений. Так же случайно.
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:
В цифровой схемотехнике обычно можно найти следующие обозначения входов триггера:
Что касается функций, то в этом плане триггеры можно разделить на:
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:
Практическое использование триггера
Об одном из способов использования триггеров уже было сказано выше. Это устранение дребезга контактов. Тогда использовался RS-триггер. Но это далеко не все области, в которых могут применяться эти устройства.
Создание сигнала
Триггеры часто используют, чтобы создать сигнал. Его длительность должна соответствовать длительности какой-нибудь операции в схеме. В этом случае триггер будет служить сигналом, который разрешает начать процесс. А так же он информирует другие устройства, что процесс запущен. В таких случаях триггер называется «флаг процесса».
В момент прихода сигнала в начало процесса триггер переходит в состояние «единицы». Это оповещает о том, что процесс запустился. Когда происходит стоп-сигнал, триггер получает значение «ноль» и процесс завершается.
Как самый простой вариант можно использовать –S и –R входы. Однако, тут всегда будет возможность получить неопределённость, когда сигналы будут на обоих входах. Избежать этой ситуации можно легко. Нужно взять пары входов –R и С и С и –S. Тогда, используя –R и С, на D нужно подать «1». С и –S в использовании требуют «ноль» на D.
В чём удобство такого способа? В том, что сигналы «Стоп» и «Старт» используются не только как уровни, но и фронт сигнала.
Синхронизация сигналов
Своё применение триггеры так же нашли в области синхронизации сигналов. С помощью устройства можно избавляться от ненужных коротких импульсов. Они возникают на выходе схемы, если вводные сигналы меняют одновременно. Тогда для синхронизации нужен синхросигнал. Он находится в сопровождении у информационных входных сигналов и задержан на время задержки относительно момента, когда изменение входных сигналов только началось. Когда синхросигнал подаётся на вход С, а выходной – на D (у этого же триггера), то сигнал на выходе будет без лишних импульсов.
Разработка цифровых схем так же не обходится без триггеров. Работа этих схем синхронизируется с общим тактовым генератором. И не редко появляется проблема с синхронизацией внешнего сигнала, который поступает на схему и самой схемой. То есть, нужно обеспечить изменение внешнего сигнала, чтобы в результате он менялся с тактами генератора. Внешний сигнал по отношению к тактовому сигналу в схеме – асинхронный. Так что, если совсем простыми словами, сигнал из асинхронного должен стать синхронным для всей схемы.
Эту задачу и решает триггер.
Внешний сигнал создаёт разрешение или запрет на прохождение сигнала, который генерируется тактовым генератором. Если речь идёт о RC-триггере, то нужно просто отключать и включать генератор вовремя. Этот способ кажется простейшим. Однако, это заблуждение. Для начала, выключить и выключить генератор не получится в один момент – ему нужно время и качество сигнала в это время будет далеко от идеала.
Например, генераторы из кварца. Их вовсе не рекомендуется часто останавливать и запускать. После возобновления генератор будет формировать сигнал с задержкой до 5 периодов тактовой частоты. И задержка при каждом включении будет разной.
Также возможность прекращать работу генератора иногда вовсе не существует. Например, если от его работы зависит работа всей схемы.
Для упрощения считают, что тактовый генератор работает не прекращая. Внешний управляющий сигнал тогда будет отвечать за прохождение или блокировку импульсов, которые были сгенерированы.
Самое лёгкое решение – создать процесс запрета и пропуска импульсов, которые генератор создаёт, используя при этом логический элемент 2И. Правда, тут очень большая вероятность, что на выход будут приходить короткие импульсы или с не полной длительностью. Такие сигналы могут оказать плохое влияние на систему в целом, создав неопределённость в функционировании.
В этом случае, синхронизирующий триггер на выходе пропускающего элемента 2И обеспечит только нужные импульсы. То есть те, которые имеют полную длительность. Когда через триггер проходит разрешающий сигнал, он синхронизируется с тактовым сигналом. И на выходе будет целое число тактовых импульсов и целое число периодов, которое задаётся генератором.
Создание задержки
Триггеры так же можно использовать для задержки цифровых сигналов. В этом случае несколько триггеров с общим тактовым сигналом С нужно соединить в цепь. Соединение должно быть последовательным. При включении комбинации схем смогут одновременно обработать несколько состояний одного и того же сигнала.
Триггеры
Триггер — электронная схема, имеющая несколько устойчивых состояний, сохраняющихся длительное время (пока включено электропитание схемы). Соответственно триггеры могут выполнять функцию элементов памяти. В цифровой технике используются бистабильные триггеры с двумя устойчивыми состояниями, которые кодируют значения логических «0» и «1». Триггеры могут быть построены на дискретных элементах (транзисторные каскады) и на логических элементах — цифровые триггеры. Также триггер может быть представлен в виде электромеханической аналогии (релейной схемы).
1 Классификация триггеров.
Триггеры различаются по логике работы и по способу приема и запоминания информации. Ниже представлена классификация триггеров, предложенная в книге Е.Угрюмова «Цифровая схемотехника». В ней выделены наиболее популярные типы триггеров, однако количество их разновидностей гораздо больше.
в) По внутренней структуре:
1) Одноступенчатые: в их внутренней структуре одна запоминающая схема, которая переключает свое состояние (запоминает данные) под влиянием управляющих сигналов. По одноступенчатой схеме строятся асинхронные триггеры и синхронные управляемые уровнем.
2) Двухступенчатые (или многоступенчатые) триггеры состоят из двух одноступенчатых триггеров. При переключении двухступенчатого триггера сначала переключается первая, а только следом — вторая. Это позволяет записывать данные только по фронту синхроимпульса, не реагируя на изменения на информационных входах в течении синхроимпульса. Т.е. по многоступенчатой схеме строятся синхронные управляемые фронтом триггеры. Это наиболее применяемый сегодня тип триггеров.
2 Структура триггера.
3. Асинхронные и синхронные управляемые фронтом триггеры
Функционирование и внутренняя схема асинхронного RS — триггера соответствует описанной выше схеме памяти. Данный тип триггера фактически не имеет схемы управления на входе.
Синхронные RS — триггеры с управлением уровнем имеют вход синхронизации (С), сигнал на котором разрешает управление с информационных входов, пока находится в активном состоянии. Входные информационные сигналы «пропускаются» через логические вентили И (для схемы на базе элементов ИЛИ-НЕ, активный уровень (С) = 1) или через вентили ИЛИ (для схемы на базе элементов И-НЕ, активный уровень (С) = 0).
Характерной особенностью триггерных схем, управляемых уровней синхроимпульса, является то, то изменение уровней информационных сигналов в течение действия синхроимпульса приводит к изменению состояния триггера. Если по фронту синхросигнала в триггер было занесено значение «1», и далее в течение удержания активного уровня синхросигнала C информационные сигналы приняли значения R =1, S =0, то это приводит к переключению триггера в состояние «0». Следовательно, для обеспечения работы триггера сигналы R и S должны оставаться неизменными в течении активного уровня синхроимпульса, а изменяться в течение паузы между синхроимпульсами.
Синхронный RS-триггер с управлением по фронту построен по многоступенчатой схеме, описанной ниже.
RS-триггеры редко используются как самостоятельные элементы, но, как говорилось выше, являются элементом памяти (фиксатором) в составе других типов триггеров.
D-триггером (или триггером задержки сигнала) называют триггер с одним информационным входом (D) и входом синхронизации (С). По импульсу синхронизации © состояние на входе (D) сохраняется в триггере и устанавливается на выходе (Q). Состояние выхода Q останется неизменным до следующего импульса на входе синхронизации. Как видно из описания D-триггер является синхронным (обязательно используется сигнал синхронизации). Можно построить также схему асинхронного D-триггера (см. Рисунок 4 а)), но она будет иметь смысл только как повторитель с задержкой на переключение, а не как схема памяти. Асинхронные D-триггеры почти не используются.
Из широко применяемых первый — D-триггер с управлением по уровню, так же называемый «триггер-защелка» (LATCH) (см. Рисунок 4 г). Он прозрачен для входного информационного сигнала пока сигнал синхронизации © в активном состоянии и защелкивает значение на выходе (Q) в момент перехода (С) в неактивное состояние. Такой D-триггер представляет собой RS-триггер с синхронизацией по уровню, у которого на вход S подключен информационный сигнал (D), а на вход ® — инвертированный информационный сигнал. То есть в схему управления добавляется один инвертор «по входу». Входы Rd и Sd используются для асинхронных сброса или установки триггера в определенное состояние и удержание его в этом состоянии, если требуется. Для устойчивой работы такого D-триггера необходимо, чтобы состояние входа D не изменялось в момент действия синхроимпульса на входе С.
Пусть Q = 1, Q`= 0. Поступающий на счетный вход импульс приводит к появлению нулевого сигнала на выходе элемента D4 (на его входах — две «1») и последовательной установке сигналов Q = 1, Q`= 0, т.е. к опрокидыванию триггера в нулевое состояние. При этом сигнал на входе D3 не изменяется, так как на его входе в течение tз действует нулевой сигнал, поступающий с выхода Q` через элемент задержки D5.
После окончания действия счетного импульса сигналы на выходах элементов D3 и D4 принимают единичные значения, а на вход D3 через элемент задержки D5 поступает разрешающий уровень с выхода Q`. В результате следующий счетный импульс перебросит триггер в исходное состояние.
Элементы D5 и D6 обеспечивают задержку появления сигналов обратной связи с тем, чтобы в течение действия счетного импульса не происходило многократного переключения триггера. В интегральных триггерах роль элементов задержки могут выполнять либо логические элементы, либо специальные полупроводниковые приборы с накоплением заряда. Однако, в силу жестких ограничений на длительность импульса на счетном входе и сложности реализации элементов задержки, Т-триггеры на базе RS-триггера с управлением уровнем синхросигнала почти не используются, а применяются триггеры с управлением по фронту синхросигнала.
ТV-триггер является разновидностью Т-триггера с дополнительным входом разрешения счета. Принцип его работы аналогичен DV-триггеру, описанному выше.
