Синхронные триггеры

В качестве элементов памяти в схеме цифрового автомата рис.21 используются триггеры, включенные определенным образом в структуру памяти для обеспечения выполнения его функций.

Используемые в цифровой технике триггеры представляют собой электронные схемы, имеющие два устойчивых состояния. Эти состояния устанавливаются при подаче соответствующей комбинации сигналов на входы триггера и сохраняются после окончания действия этих сигналов.

Состояние триггера описывается значением выходного сигнала Q. Это состояние определяется (задается) комбинацией входных сигналов на информационных входах триггера. Если при изменении сигналов на информационных входах соответствующее изменение Q, т.е. переключение триггера происходит только при поступлении синхронизирующего сигнала (импульса) на специальный вход синхронизации С, то триггер называется синхронным. Триггеры могут переключаться по уровню или по фронту синхроимпульса.

Триггеры, переключающиеся по уровню, могут изменять свое состояние в течение длительности синхроимпульса (уровня синхросигнала) при поступлении соответствующих информационных сигналов, т.е. могут переключиться несколько раз за время действия одного синхроимпульса. В течение паузы между синхроимпульсами состояние такого триггера сохраняется при любых изменениях информационных сигналов.

Триггеры, переключающиеся по фронту, изменяют свое состояние при поступлении на синхронизирующий вход соответствующего фронта синхроимпульса (положительного или отрицательного). За время действия одного синхроимпульса триггер, синхронизируемый фронтом, может переключиться только один раз.

В асинхронных триггерах отсутствует вход синхронизации. Поэтому переключение асинхронных триггеров происходит, как только на информационные входы поступает соответствующая переключающая комбинация сигналов.

В цифровой технике наиболее часто используются SR-, JK-, D-, T-триггеры. Обозначающие тип триггера буквы раскрывают функциональное назначение информационных (управляющих) входов триггера:

S – вход установки в состояние 1;

R – вход установки в состояние 0;

J – вход переключения из состояния 0 в состояние 1;

K – вход переключения из состояния 1 в состояние 0;

D – информационный вход для установки состояния 1 или 0;

T – вход инвертирования состояния триггера (счетный вход).

Функциональные возможности триггера описывают его характеристическая таблица (таблица состояний) и характеристическое уравнение. Для перечисленных типов триггеров они приведены на рис.22. Таблица состояний и уравнение определяют логическую зависимость последующего состояния триггера Q^t⁺¹ от текущих значений сигналов на информационных входах и текущего состояния триггера Q^t.

SR-триггер. При S = R = 0 триггер работает в режиме хранения, т.е. сохраняет ранее установленное состояние Q^t⁺¹ = Q^t. При S = 1, R = 0 триггер устанавливается в состояние Q^t⁺¹ = 1, а при S = 0, R = 1 – в состояние Q^t⁺¹ = 0. Комбинация входных сигналов S = R = 1 (установка 1 и 0 одновременно) является запрещенной, так как приводит к непредсказуемому состоянию триггера после поступления синхроимпульса. Во избежание возникновения сбоев комбинацию S = R = 1 исключают, поэтому она является нереализуемой.

Характеристическое уравнение SR-триггера, приведенное на рис.22, легко получить путем минимизации логической функции Q^t⁺¹(S^t,R^t,Q^t) с использованием карты Карно.

Синхронные SR-триггеры могут синхронизироваться уровнем, положительным фронтом, отрицательным фронтом (рис.22,а,б,в) синхросигнала.

JK-триггер получен путем усовершенствования SR-триггера. JK-триггер реализует все режимы работы SR-триггера, но не имеет запрещенных комбинаций сигналов на информационных входах. При воздействии на информационные входы сигналов J = K = 1 триггер инвертирует свое состояние после поступления синхроимпульса , то есть работает в режиме счета синхроимпульсов.

Поэтому JK-триггер является универсальным триггером и выпускается в виде готовых микросхем, которые предназначены для применения в нетиповых регистрах и счетчиках. JK-триггеры в интегральном исполнении могут иметь несколько входов J и K, а также асинхронные входы принудительной установки триггера в единичное или нулевое состояние. Пример такого триггера приведен на рис.22,д. Логические сигналы на информационных входах J и K перемножаются, что обозначено знаком конъюнкции &; асинхронные сигналы для установки 1 или 0 (входы S и R) должны иметь низкий уровень, что обозначено кружком. Такие триггеры имеют расширенные логические возможности, и их использование в цифровых устройствах позволяет уменьшить аппаратные затраты.

D-триггер имеет таблицу состояний, в которой отсутствует состояние, соответствующее режиму хранения, триггер всегда воспринимает значение сигнала на входе D с задержкой на один период синхронизации Q^t⁺¹= D^t. Поэтому D-триггер является триггером задержки информации, поступающей на информационный вход D.

D-триггеры с переключением по уровню синхроимпульса (рис.22,е) применяются в регистрах памяти. Триггеры с переключением по положительному или отрицательному фронту (рис.22,ж,з) используются в регистрах сдвига, в счетчиках импульсов и т.п., в таком случае они, как правило, имеют входы принудительной асинхронной установки в 1 или 0 (рис.22,з).

T-триггер называется счетным триггером. Состояние его выхода меняется на противоположное при поступлении на вход счетного сигнала T = 1 и сохраняется неизменным при T = 0. T-триггер можно получить из JK-триггера, определив J = K = 1, или из D-триггера (рис.22,и). Условное

графическое обозначение T-триггера показано на рис.22,к. T-триггеры применяются для построения счетчиков импульсов, поэтому они имеют асинхронные входы (прямые – R и S или инверсные – и) для сброса триггера в нулевое состояние и установки единицы.

В произвольном последовательностном устройстве любой триггер, как элемент памяти, должен обеспечивать выполнение следующих четырех функций для дискретных моментов времени t и t+1:

- сохранить нулевое состояние ,

- сохранить единичное состояние ,

- перейти из нулевого состояния в единичное

- перейти из единичного состояния в нулевое

Каждая функция переходов триггера F_Q может быть реализована лишь при определенных текущих (в дискретное время t) значениях сигналов на информационных входах. Эти значения получаются из характеристического уравнения триггера. Если задать в нем значения Q^t и Q^t⁺¹, то путем перебора подстановок можно найти текущие значения управляющих сигналов, при которых левая и правая части характеристического уравнения одинаковы, т.е. реализуется заданное значение функции переходов F_Q.

Значения информационных сигналов, реализующие все значения функции переходов для основных типов триггеров, приведены в таблицах на рис.23. Такие таблицы носят название – таблица переходов или словарь переходов триггера.