Принцип работы JK-триггера

Существует несколько различных типов триггеров, из которых JK считается наиболее универсальным. JK-триггеры находят применение и как отдельные микросхемы, и в качестве элементов для процессоров. Их использование позволяет создавать схемы, действующие по достаточно сложным алгоритмам.

Триггер — что это за устройство

Он представляет собой электронное устройство, способное на протяжении длительного времени сохранять одно из двух или нескольких состояний. Это происходит до тех пор, пока на него подаётся электропитание. Существует несколько типов триггеров, каждый из которых имеет свою сферу применения. Фактически они являются базовыми элементами. На их основе создаются различные цифровые электронные устройства.

Триггер способен на протяжении довольно длительного промежутка времени пребывать в одном устойчивом режиме из нескольких возможных, а затем под действием входных сигналов переходить из одного режима в другой. Состоит он из элементарных логических элементов, функционирующих по правилам математической логики. Это могут быть ИЛИ-НЕ и И-НЕ. Первые из них функционируют в одноединичном прямом коде, то есть, на выходе одного из элементов будет 1, а на выходах других — 0. Устройство с элементами второго вида работает в однонулевом инверсном коде: на выходе одного из них 0, а на выходах других — 1.

Как работает JK-триггер

Это электронное устройство работает строго по определённому алгоритму, предусматривающему поступление входных значений и обеспечивающему формирование выходных.

Как видно из схемы, триггер имеет три входа, на которые поступают следующие сигналы:

• J, K — информационные сигналы. Они принимают значение 0 или 1. Каждой комбинации соответствует определённое выходное значение.
• C — двоичный сигнал, который определяет, будут ли меняться выходные сигналы на основании действующего алгоритма или нет. Обычно срабатывание происходит при переходе от единичного к нулевому значению. Также говорят, что срабатывание происходит при отрицательном фронте сигнала.

В этой схеме имеется два выхода:

• Q — прямой. Выдает значение, которое на данный момент хранится в триггере.
• Q1 также обозначают как Q с горизонтальной чертой сверху — инверсный. Этот сигнал всегда будет противоположным по отношению к Q.

JK-триггер — это своего рода усовершенствованный RS-триггер. В последнем наблюдается одно запрещённое состояние, использование которого приводит к неопределённому результату на выходе. В JK-устройстве такое состояние исключено. В остальном оба элемента действуют аналогично.

JK-триггер — универсальное устройство. На его базе можно построить простой и асинхронный Т-триггер, D-триггер, синхронный RS-триггер

Есть еще комбинированный JK-триггер. От универсального он отличается двумя дополнительными асинхронными входами S и R. Последние позволяют предварительно установить устройство в определенный режим (логического нуля или единицы).

Алгоритм работы

Если на вход C поступает сигнал, равный нулю, то выходные значения будут сохранены. Как только он станет равным единице, формирование значения Q будет происходить по следующим правилам:

• Если J=K=0, режим триггера не меняется.
• Когда J и K равны 1, происходит изменение состояния элемента на противоположное при поступлении каждого тактового импульса. В этом случае триггер функционирует идентично делителю частоты. Такой режим работы называют счётным, поскольку его использование позволяет осуществлять подсчёт определённых событий.
• При K = 1, J = 0 выходное значение принимает нулевое значение.
• Если K = 0, J = 1, тогда на выходе будет получена единица.

Алгоритм работы отображает таблица истинности JK-триггера, так как каждой входной комбинации значений соответствует строго определённая выходная.

Разобраться в работе триггера помогает еще временная диаграмма, на которой графически отображаются сигнальные импульсы, присутствующие одновременно на входах и выходах устройства.

На приведённой диаграмме срабатывание происходит по фронту импульса C с задержкой. Момент, когда это происходит, зависит от конкретной схемы реализации.

Как реализованы функции JK-триггера

JK-тригер описание и схема которого были представлены выше, собран на основе четырех элементов И-НЕ. На вход каждого из них поступают двоичные значения, которые преобразуются по закону конъюнкции. Это электронное устройство имеет относительно несложную схему, работающую на основании простых логических операций. Использование входа C позволяет рассматривать ситуацию для значений, которые подаются на вход или получаются с выхода в последовательные моменты времени. Последние обозначаются латинской буквой «n». Таким образом, в момент t (n) на выходе будет значение Q(n), а в следующий — Q(n+1).

Далее рассмотрим принцип работы универсального JK-триггера для каждой из возможных ситуаций. Для удобства описания использования микросхем И-НЕ они будут пронумерованы. Микросхема слева вверху схемы обозначена D1. Та, что под ней — D2. Находящаяся справа вверху — D3, справа внизу — D4.

На J и K нулевые значения

В этом случае на первых двух микросхемах применение логического элемента И приведёт к получению нуля, но поскольку нужно брать дополнительное значение, будет образована единица на обеих микросхемах.

Так как выходное значение от Q и от отрицания Q будет подано на вход микросхем D3 и D4 (значение в момент времени n), то элемент И вместе с логической единицей просто передаст на выход это значение.

При этом необходимо учитывать, что значение отрицания Q будет подано на микросхему для формирования Q и наоборот. После этого на выходе микросхемы будет применено НЕ, которое сохранит прежнее значение. Таким образом, комбинация J = K = 0 приведёт к сохранению прежнего значения. Нужно помнить, что работа в соответствии с указанным алгоритмом возможна лишь в момент поступления отрицательного фронта сигнала на C. На протяжении остального времени ничего происходить не будет.

На J и K единичные значения

Если Q = 0, то отрицание Q будет равняться 1. Если на вход элемента D1 будет подано J = 1 и отрицание Q, тогда на выходе D1 сформируется ноль. С учетом того, что на входе D3 имеется логический 0, на выходе будет получена единица как результат функционирования элемента И-НЕ. Следовательно, в момент времени n + 1 сформируется инвертированное значение.

Для D2 и D4 значения находят аналогичным образом в соответствии с таблицей истинности JK-триггера.

J и K имеют противоположные значения

Если J = 1 и K = 0, то на вход D1 поступят сигналы J = 1 и отрицание Q. Результатом логического И станет отрицание Q. После инвертирования значение приобретает Q. На вход D3 поступят одновременно Q и отрицание Q. Поэтому результатом логического И всегда будет ноль. Этот результат не зависит от предыдущего значения отрицания Q.

В случае, когда J = 0, K = 1 аналогичным образом можно убедиться, что Q = 0.

Области применения триггера

JK-триггер можно рассматривать как ячейку памяти объёмом в 1 бит. Подача управляющих сигналов позволяет устанавливать значение памяти, равное 0 или 1, сохранять или инвертировать его, что наглядно демонстрирует таблица переходов.

На практике JK-устройства выпускают в виде микросхем, действующих в соответствии с таблицей истинности синхронного триггера. Обычно для того, чтобы запрограммировать определённый алгоритм сначала составляют логическую формулу преобразования двоичных сигналов. Затем реализовывают её в виде платы, включающей в себя установку триггеров.

Триггеры нашли широкое применение в таких компонентах вычислительных систем, как счетчики, регистры, процессоры и ОЗУ. Универсальность JK-триггеров позволяет использовать их в устройствах с разным уровнем сложности логики работы. Например, на основе JK-триггера можно собрать делитель частоты на 10. При поступлении на вход данного устройства импульсов частотой 10 кГц на выходе будут получены значения, равные 1 кГц. Подобные схемы получили название декадного делителя или декады.

Использование JK-устройств в составе цифровых счетчиков – это их основная область применения. Цифровые схемы в современной технике собираются на основе микросхем программируемой логики (FPGA) или заказных микросхем (ASIC).

Еще одна область применения JK-триггеров — устройства для обнаружения коротких импульсов. В данном случае импульс после поступления на вход С переходит в единичное состояние, которое затем обнаруживается последующей схемой, например, микропроцессором. Подобно схеме обнаружения КИ работает и схема ждущего мультивибратора.

При создании сложных логических схем нужны приборы разных видов. Поэтому выгоднее использовать универсальный тип устройства, которое может работать в различных режимах. Именно такими устройствами являются JK-триггеры.

Видео по теме