Триггер Т-типа (Счётный триггер)

Т-триггер или счётный триггер, имеет один счётный вход Т и два выхода (Рисунок 50,а). Функционирование триггера определяется уравнением:

Из уравнения следует, что Т-триггер каждый раз изменяет своё состояние на противоположное с приходом на счётный вход Т очередного тактирующего импульса длительностью t_и. Этому способствует наличие перекрёстных обратных связей с выходов триггера на входы элементов D1 и D2. Для надёжной работы триггера, с целью сохранения информации о предыдущем состоянии триггера в момент его переключения, в схему вводят элементы задержки, имеющие время задержки t_з > t_и.

Рисунок 50 Т-триггеры: — а) структурная схема, б) УГО TV-триггера,

в) Т-триггер на основе D-триггера.

 

По окончании действия тактирующего импульса.

Пусть в исходном состоянии Q=1. Сигнал T=1 откроет элемент D2, так как на втором входе D2 имеется сигнал лог «1» с выхода Q, а элемент D1 будет закрыт. Триггер переходит в состояние Q=0. Вентиль D2 остаётся открытым в течение времени t_и, т.к. сигнал Q=1 будет задержан ЛЗ₁ на время τ _з > t_и. В то же время сигнал не попадёт на вентиль D1 из-за временной задержки ЛЗ₂. При отсутствии элементов задержки возможно неоднократное переключение триггера при условии, если длительность импульса t_и значительно превышает время переключения триггера.

По окончании действия тактирующего импульса элементы D1 и D2 закроются, так как потенциал входа T=0. После чего на вход элемента D1 через ЛЗ₂ поступит сигнал . В результате с приходом второго импульса T=1 откроется элемент D1 и триггер переключится в состояние Q=1 и т. д.

Роль ЛЗ в Т-триггерах выполняют логические элементы с большим временем задержки t_зд.р или специальные компоненты электронных схем, например, диоды с накоплением заряда.

Кроме счётного входа Т-триггер может иметь вход разрешения V (Рисунок 50,б). Сигнал на этом входе разрешает (при V=1) или запрещает (при V=0) срабатывание триггера от поступающих на вход T сигналов. Т-триггеры, имеющие дополнительный вход V, называются TV-триггерами. Наличие входа V позволяет организовать счёт в заданном временном интервале, что существенно расширяет функциональные возможности Т-триггера.

Счётный Т-триггер может быть построен на основе D-триггера, соединив инверсный выход D-триггера со входом D, как показано на рисунке 50,в. В такой схеме каждый переход 1/0 на входе C будет приводить к переходу триггера в противоположное состояние. Например, если Q_n =1, то , и поэтому очередной тактовый импульс переведёт триггер в новое состояние, т.е. установит Q_{n +1}= D_n =0. Для правильной работы Т-триггера тактовый импульс должен быть коротким, а наличие элемента задержки ЛЗ ослабляет требование к длительности тактового импульса.

Таким образом, из рассмотрения принципа работы Т-триггера следует, что при Т=1 спадающий фронт сигнала на входе C переводит триггер в противоположное состояние. Частота изменения потенциала на выходе Т-триггера в два раза меньше частоты импульсов на входе C. Это свойство Т-триггеров позволяет строить на их основе двоичные счётчики. Поэтому эти триггеры и называют счётными.

5.1.4 JK-триггеры

JK-триггер — это схема с двумя устойчивыми выходными состояниями и двумя входами J и K (Рисунок 51.а). Подобно RS-триггеру, в JK-триггере входы J и K — это входы установки выхода Q триггера в состояние 1 или 0. Однако, в отличие от RS-триггера, в JK-триггере наличие J=K=1 приводит к переходу выхода Q триггера в противоположное состояние. Условие функционирования JK-триггера описывается функцией:

Рисунок 51 JK-триггеры: а) асинхронные; б) тактируемые фронтом.

 

Триггер JK-типа называют универсальным потому, что на его основе с помощью несложных коммутационных преобразований можно получить RS и Т-триггеры, а если между входами J и K включить инвертор, то получится схема D-триггера.

Недостатком этой схемы является зависимость работы схемы от длительности тактового импульса. Импульс должен быть коротким и должен закончиться до завершения процесса переключения триггера. Для ослабления требования к длительности тактового импульса в цепи обратных связей можно включить элементы задержки, как показано на рисунке 51,а пунктиром. Однако этот путь не всегда является целесообразным.

Разработаны и применяются в основном в интегральном исполнении JK-триггеры, тактируемые фронтом тактовых импульсов, которые не чувствительны к длительности тактовых импульсов.

JK-триггеры, тактируемые фронтом, строятся по схеме MS (master-slave то есть мастер-помощник). В схеме имеется два триггера: основной D1…D4, помощник D5…D8 и цепь, разделяющая их — D9 (Рисунок 51,б).

Триггер работает следующим образом. Пусть в исходном состоянии Q=0, а . При отсутствии тактового импульса (C=0), вентили D1 и D2 закрыты вне зависимости от сигналов на остальных входах.

Пусть J=1, тогда с приходом тактового импульса C=1, D1 откроется, а D2 останется закрытым. Элементы D5 и D6 закроются сигналом с выхода элемента D9. Сигнал лог. «0», снимаемый с открытого вентиля D1, записывает в основной триггер информацию, устанавливая его в состояние «1» (P =1,

Несмотря на то, что на одном из входов D5 действует сигнал «1», а на одном из входов D6 — «0», они не изменят состояние вспомогательного триггера, так как на других входах элементов D5 и D6 действует сигнал лог. «0» с инвертора D9.

По окончании действия тактового импульса, появится сигнал лог. «1» на вторых входах вентилей D5, D6, а вентили D1 и D2 закроются. Так как основной триггер находится в состоянии «1», то откроется D5 и информация запишется во вспомогательный триггер (Q=1, ).

Совершенно аналогично сигнал «1», поданный на вход K, установит триггер в состояние «0».

Таким образом, в триггере данного типа изменение выходного сигнала происходит только в моменты, когда потенциал «C» переходит из «1» в «0». Поэтому говорят, что эти триггеры тактируются срезом (или фронтом) в отличие от триггеров, тактируемых потенциалом.

Условное графическое обозначение триггера приведено на рисунке 51,в.

Если соединить вместе входы J и K, то JK-триггер превратится в Т-триггер. Пусть триггер находится в исходном состоянии (). При подаче J=K=1 и C=1, вентиль D1 будет закрыт сигналом «0» с выхода . Так как открывается только вентиль D2, то триггер установится в нулевое состояние . При этом выходной потенциал Q=0 блокирует вентиль D2. Поэтому следующая комбинация J=K=1 и C=1 переводит триггер в состояние Q=1 и т.д.

5.1.5 Несимметричные триггеры

Несимметричный триггер (триггер Шмита) имеет два устойчивых состояния, однако, в отличие от симметричного триггера, нахождение его в том или ином устойчивом состоянии зависит от величины входного сигнала.

Несимметричный триггер на дискретных элементах состоит из двух транзисторов, в эмиттерную цепь которых включён резистор R_Э (Рисунок 52). При таком включении напряжение на базе транзистора VT1 зависит от значения коллекторного тока I_К2 транзистора VT2. В свою очередь, базовая цепь VT2 через делитель R1/R2 соединена с коллекторной цепью транзистора VT1. Эти цепи создают замкнутую петлю положительной обратной связи, которая, как и в симметричном триггере, обеспечивает быстрое переключение триггера Шмита из одного устойчивого состояния в другое, когда оба транзистора работают в активном режиме.

Рисунок 52 Триггер Шмита на транзисторах

 

В отсутствие входного напряжения (U_вх =0) триггер находится в устойчивом состоянии. При этом транзистор VT2 открыт и насыщен, так как на его базу через резисторы Rк1, R1 подаётся положительное напряжение, а транзистор VT1 закрыт. За счёт протекающего коллекторного тока I_К2 = E /(R_К2 + R_Э) на резисторе R_Э создаётся падение напряжения и на базе VT1 относительно эмиттера действует запирающее напряжение U_БЭ1=–R_ЭI_К2. В таком состоянии триггера напряжение на выходе U_ВЫХ=U ⁰= R_ЭI_К2 + U_КЭнас.

Если увеличивать входное напряжение, то пока U_вх < R_ЭI_К2 + U_БЭнас триггер находится в исходном состоянии. Когда Uвх достигнет напряжения срабатывания U_СРБ=R_ЭI₂+U_БЭнас, открывается транзистор VT1, снижается его коллекторный потенциал, а следовательно и базовый ток VT2. В результате транзистор VT2 переходит в активный режим и в схеме развивается регенеративный процесс, приводящий к быстрому закрыванию транзистора VT2 и отпиранию VT1.

(5.1)

Параметры схемы несимметричного триггера рассчитываются таким образом, чтобы при уменьшении входного напряжения транзистор VT2 открывался и триггер переходил в исходное устойчивое состояние при напряжении отпускания U_ВХ=U_ОТП < U_СРБ. При таком условии амплитудная передаточная характеристика имеет петлю гистерезиса (Рисунок 52,б).

Для открывания транзистора VT2 и перехода триггера в исходное устойчивое состояние необходимо уменьшить U_вх, чтобы транзистор VT1 перешёл из режима насыщения в активный режим работы. Только при этом условии напряжение на базе транзистора VT2 увеличится до U_БЭнас.

(5.2)

Из соотношений (5.1) и (5.2) следует, что для обеспечения принятого условия U_СРБ > U_ОТП, необходимо, чтобы R_К1 > R_К2.

Конденсатор C1 на устойчивые состояния триггера влияния не оказывает. Он выполняет функцию форсирующего конденсатора во время во время включения и выключения транзистора VT2 и тем самым способствует сокращению времени переключения триггера из одного устойчивого состояния в другое.

Несимметричный триггер может быть реализован на логических элементах. Для этого достаточно включить последовательно чётное число элементов НЕ и выход этой цепочки соединить со входом цепью обратной связи, образуемой резисторами R1 и R2 (Рисунок 53,а).

В отсутствие входного сигнала (U_вх =0) напряжение на выходе (U_вых =0). Если пренебречь входным током ЛЭ, то при U_вх >0 напряжение на входе D1 U_ВХ = U_ВХ–R ₁ I, где I =(U_{ВХ 1}– U_ВЫХ)/ R ₂.

Таким образом,

U_{ВХ 1} = U_ВХ + (U_ВЫХ – U_{ВХ 1}) R ₁/ R ₂ (5.3)

Рисунок 53 Триггер Шмита на логических элементах

 

С ростом U_вх повышается напряжение U_вх1, но пока U_вх1 < U_пор логические элементы остаются в исходном состоянии и на выходе сохраняется сигнал U ⁰. Когда U_вх1 = U_пор, происходит переключение логических элементов и на выходе возникает сигнал U_ВЫХ=U ¹. В результате схема переходит в другое устойчивое состояние. Напряжение срабатывания можно определить из приведённого выше выражения (5.3), если принять U_вх1=U_пор, U_ВЫХ=U ¹, U_вх=U_срб:

U_СРБ = U_ПОР + (U_ПОР – U ⁰) R ₁/ R ₂ (5.4)

Естественно, что при U_вх1 > U_срб на выходе схемы сохраняется состояние лог. «1».

При уменьшении U_вх триггер переходит в исходное состояние, когда U_вх=U_отп. Значение U_отп определяется из соотношения (5.3), если положить U_вх1=U_пор, U_вых=U ¹, U_вх=U_отп.

U_ОТП= U_ПОР + (U ¹ – U_ПОР) R ₁/ R ₂ (5.5)

Из соотношений (5.4) и (5.5) следует, что U_срб > U_отп и, таким образом, амплитудная передаточная характеристика несимметричного триггера на ЛЭ имеет петлю гистерезиса. Вычитая (5.5) из (5.4), получаем

U_СРБ – U_ОТП = (U ¹ – U ⁰) R ₁/ R ₂

Откуда видно, ширина петли гистерезиса пропорциональна логическому перепаду ∆ U_Л.

Несимметричные триггеры применяют в качестве формирователей импульсов прямоугольной формы при воздействии на вход, например, синусоидального напряжения (Рисунок 53,б).

Поскольку выходное напряжение резко возрастает при U_ВХ = U_СРБ, то такие триггеры используют и в качестве компаратора напряжения — устройства, которое позволяет зафиксировать момент достижения сигналом некоторого заданного уровня.

Регистры

Регистры — это функциональные узлы на основе триггеров, предназначенные для приёма, кратковременного хранения (на один или несколько циклов работы данного устройства), передачи и преобразования многоразрядной цифровой информации.

В зависимости от способа записи информации (кода числа) различают параллельные, последовательные и параллельно — последовательные регистры.