Лекция "Схемная реализация типового логического элемента "Триггер"

1. Алгоритм схемы элемента и таблица истинности
2. Виды триггеров
3. Логическая схема RS – триггера
4. Анализ работы, таблица истинности RS – триггера

1. Алгоритм схемы элемента и таблица истинности

Триггер – основа устройств оперативного хранения информации. Наряду с универсальными логическими элементами И-НЕ, ИЛИ-НЕ триггеры являются теми “кирпичиками”, которые составляют фундамент современной электронной автоматики и цифровой техники.

Триггер – элемент для хранения одного бита информации. Зная функцию, которую должен выполнять элемент, напишем словесный алгоритм схемы триггера.

1. Устройство должно “помнить” 0 или 1, причем это состояние можно прочитать. Значит, должен быть один выход Q (его состояние и есть хранимый бит) и второй выход для обратного значения хранимого бита (часто необходим, вспомните “обратный код числа”). Рис.1.
2. Устройство должно допускать переключение в другое состояние, с другим значением на выходе, т.е. должен быть вход. Удобно, если у него два входа: один для записи единицы S, другой R – для записи нуля.
3. Если на входах нет сигналов, т.е. нули, состояние выхода должно сохраняться. Как? Для сохранности установленной информации необходима “петля” (от выхода Q на вход подавать обратно хранящиеся значение Q_стар.), т.е. состояние на выходе Q зависит от предыдущего его состояния Q_стар. Процесс хранения появляется потому, что сначала элемент создает сигнал на выходе, и лишь, затем этот сигнал попадает на вход.
4. Переключение на хранение другой информации происходит при подаче короткого сигнала, после чего на входах опять остаются нули. Итак, основное состояние триггера – нули на входах.

Построим таблицу истинности элемента по словесному алгоритму (выход во внимание пока не берем). Таблица 1.

2. Виды триггеров

Основная функция триггера - хранение информации. Но, вместе с тем, за счет дополнительных цепей управления и особенностей схематики триггеры получают уникальные свойства, позволяющие говорить о семействе интегральных триггеров с целым рядом дополнительных возможностей по преобразованию информации.

Доопределение функции Q возможно с помощью сочетаний наборов 6,7 в таблице 1: 00, 11,   01, 10. Эти четыре варианта доопределения приводят к четырем основным типам триггеров. (Таблица 2)

Таблица 2.
Виды триггеров	Наборы
	6	7
RS- асинхронный триггер	0	0
-асинхронный триггер	1	1
E – асинхронный триггер, RSC-синхронный триггер, D-синхронный триггер	0	1
JK -универсальный триггер, T -счетный триггер	1	0

3. Логическая схема RS – триггера

Доопределим логическую функцию Q в таблице истинности нулевыми значениями.

Запишем CДНФ.

Минимизируем на основе законов алгебры логики:

Для реализации на базисе ИЛИ-НЕ преобразуем функцию к удобному виду (воспользуемся законами двойного отрицания и отрицания): .

На схеме второй выход обозначим . (Рис. 2). При анализе работы триггера убедимся, что это так. Т.е. на прямом и инверсном выходах сигналы всегда противоположны.

Можно реализовать функцию на базисе И-НЕ, для этого преобразуем её к удобному виду:

Полученный вид функции показывает, что триггер можно собрать на 4-х логических базисных элементах И-НЕ. Рис.3.

4. Анализ работы, таблица истинности RS – триггера

Рассмотрим логическую схему RS-триггера на базисе И-НЕ.

1. Пусть подали сигнал только на вход R (S=0, R=1).

Логические элементы Э1, Э2 инвертируют сигналы. В результате на один вход Э3 поступает 1, а на один вход Э4 – 0. Поскольку на одном из входов Э4 есть 0 , независимо от состояния другого входа на его выходе обязательно установится 1. Эта единица передается на вход Э3 и в сочетании =1 порождает на выходе Э3 Q=0.

Вывод. Если подается сигнал только на вход R (S=0, R=1),то на прямом выходе триггера нет сигнала Q=0, а на выходе =1.

Примечание. Обозначение состояния триггера по договоренности связывается с прямым выходом (Q). Рассмотренная комбинация входных сигналов делает на прямом выходе 0, говорят: “триггер сбрасывается”. Сброс по-английски называется “Reset”, отсюда вход, появления сигнала на котором приводит к сбросу триггера, обозначают буквой R.

2. Пусть сигнал только на входе S (S=1, R=0).

Логические элементы Э1, Э2 инвертируют сигналы. В результате на один вход Э3 поступит 0, а на один из входов Э4 -1. Поскольку на одном из входов Э3 есть 0, независимо от состояния другого входа на выходе Q обязательно установится 1. Эта единица передается на вход Э4 и выход станет равен нулю.

Вывод. Если сигнал подается только на вход S (S=1, R=0), то на прямом выходе триггера Q=1, а на выходе =0.

Примечание. Триггер перейдет в единичное состояние – “установится” (установка по-английски “Set”), отсюда вход, появления сигнала на котором приводит к установки в триггере 1, обозначают буквой S.

3. Пусть входных сигналов нет (S=0, R=0).

Тогда на один из входов элементов Э3 и Э4 будет подана 1, и их выходной сигнал будет зависеть от сигналов на других входах.

• Пусть на прямом входе Q=1. Тогда наличие единиц на обоих входах элемента Э4 “подтверждает” нулевой сигнал на его выходе. Наличие нуля на инверсном выходе передается на Э3 и поддерживает единичное состояние выхода Q (храним единицу).
• Пусть на прямом входе Q=0. Тогда наличие 0 и 1 на входе элемента Э4 дает на инверсном выходе

=1. Эта единица передается на вход элемента Э3 и поддерживает нулевое состояние выхода Q (храним ноль).

Вывод. Это наглядно показывает, что при отсутствии сигналов на входах триггера состояние триггера становится устойчивым, а триггер сохраняет свое “предыдущее” состояние.

1. Если сигнал подать на оба входа (S=1, R=1).

На обоих выходах триггера установится 1!!! Такое состояние является неустойчивым: после снятия входных сигналов в зависимости от того, какой из единичных импульсов от Q или “подойдет” быстрее к входам элементов Э3,Э4: если к Э3, то Q=1, =0, если к Э4, то Q =0, =1 , т.е. триггер случайным образом перейдет в одно из своих устойчивых состояний. Эта комбинация на практике не используется и является в RS – триггерах запрещенной.

Проанализировав работу RS-триггера, запишем таблицу истинности:

Таблица 3.
Входы		Выходы		Примечания
S	R	Q
0	0	x	x	Хранение (0 или 1)
0	1	0	1	запись 0 (сброс)
1	0	1	0	запись 1 (установки)
1	1	1	1	запрещено Q

Историческая справка: В 1918 году советский ученый М.А. Бонч-Бруевич изобрел ламповый триггер, а в 1919 году независимо от него такой же прибор изобрели американцы У. Икклз и Ф. Джордан.

Мы видим, что триггер обладает замечательным свойством: после снятия входных сигналов он сохраняет свое состояние, а значит, может служить устройством для хранения одного бита информации.