Виды триггеров и особенности их работы

Электроника предполагает точное выполнение заданной программы с учетом текущего состояния всей логической схемы. За часть работы электронной цепи отвечают триггеры. Статья опишет — основные типы триггеров, их устройство и принцип работы, а так же расскажет зачем такие устройства используются в электронных схемах. Отдельно будет описан симметричный триггер.

Определение

Что такое триггер? Триггером называют электронное устройство, обладающее способностью довольно долгое время находиться в 1-ом из 2-х стабильных состояний, а так же чередовать их из-за воздействия какого-то внешнего сигнала. Триггер — это по сути простая электроника, от которой зависит работоспособность более сложных систем

Он способен хранить двоичную информацию (ноль или один) после того, как перестанут действовать входные импульсы. Основное назначение устройства, это переключение из одного состояния в другое. Хранит триггер в своей памяти 1 бит информации, которые и определяют его текущее состояние: логический «0» или логическая «1».

Какие входы есть у триггера? Любой триггер может иметь несколько входов, которые бывают:

1. Информационными. Они отвечают за общее состояние устройства в момент работы всей цепи.
2. Управляющими. Отвечают за установку триггера в предварительное положение и за его дальнейшую синхронизацию.

Работа устройства строится на 2 элементах «И-НЕ», 2 «ИЛИ-НЕ» и других, некоторые разновидности триггеров работают на логических элементах КМОП, ТТЛ, ЭСЛ. Принцип работы любого триггера зависит от количества входов/выходов, а также от типа самого устройства.

В электронике используются устройства на транзисторах или микросхемах. Транзисторные модели применяются при сложных интегральных схемах старого типа. Логическая микросхема обладает меньшими габаритами, хранит информацию без перегрева и перегрузок. Поэтому их используют в более миниатюрных и сложных цепях современной электроники.

Разновидности

Для того чтобы разобраться как работает триггер, необходимо понять к какому классу и типу он относится. Существуют 2 основных класса этих устройств:

1. Синхронные с двумя основными классами: статическими и динамическими.
2. Асинхронные.

Обе разновидности имеют схожий принцип работы. Отличие заключается только в процессе перехода сигнала из одного состояния в другое. Асинхронные делают это напрямую, а синхронные работают исходя из этого сигнала.

Асинхронные

Асинхронные RS-триггер имеет 2 основных входа «R» и «S». Также предусматриваются выходы «Q» и «Q−». Устройство RS триггера позволяет выполнять следующую последовательность:

1. Вход «S» является установочным. На него подается высокое напряжение, вследствие чего логический выход «Q» устанавливается как «1».
2. Вход «R» отвечает за сброс положения. Высокое напряжение в виде логической «1» на этом входе предполагает установку 0 на выходе «Q», а на выходе «Q–» – «1».

Асинхронный RS-триггер условно работает следующим образом:

1. При подаче напряжения на вход «S» устройство включается и хранит такое состояние даже при потере положительного сигнала.
2. При подаче сигнала на вход «R» устройство отключается, при этом сохраняя логический 0 на выходах.

Схема RS-триггера асинхронного типа самая простая. Она работает без синхронизации с дополнительным входом. Используется RS компонент в простых элементах или как дополнение для более сложных триггеров.

Далее будет представлена УГО, таблица истинности и общая схема такого триггера.

Синхронные

Немного более сложное устройство. Работают с дополнительной синхронизацией сигналов. Эти RS-триггеры также имеют входы «R» и «S», а также выходы «Q» и «Q–». Отличие заключается в наличие синхронизирующего входа «С». Этот контакт нужен для синхронизации входящих сигналов. Называют этот вход «clock» или тактовый. Триггер имеет следующий принцип работы:

1. Первоначально сигнал поступает к контакту входа «С» и проходит синхронизацию.
2. С контакта «С» сигнал поступает на вход «S» в виде логической 1 или высокого напряжения.
3. На «Q» устанавливается логическая 1, а сам цепь при этом включается.

Синхронизация используется для снижения части помех. Часто RS-триггеры этого типа используют для цепей с параллельным подключением, значительно снижая помехи от элементов с высокой магнитной индуктивностью.

Графическое обозначение, таблица истинности и диаграмма устойчивых состояний устройства представлена ниже.

Асинхронные и синхронные модели далеко не единственные, которые использует схемотехника для построения логических моделей работы. Далее будут представлены разновидности триггеров с иным принципом работы.

D-триггер

Эти виды простых триггеров так же используют для хранения информации о своем текущем состоянии один бит памяти. Используют его в простых электронных схемах вычислительных устройств и автоматики. Данная модель также относится к синхронному типу и имеет вход «С». Главное отличие заключается в замене 2 входов «R-S» на один контакт «D». Применение всего одного входа и наличие синхронизации позволяет значительно упростить работу устройства. Для работы D-триггера используется следующая схема:

1. На контакт «С» поступает сигнал логической 1 или высокое напряжение.
2. Сигнал проходит синхронизацию.
3. Поступает на контакт входа D.
4. Если выход «Q» находился в состоянии логической 1, то он включается.
5. Если на выходе «Q» находился логический 0 или этот контакт находился в состоянии сброса, логическая 1 передается на выход «Q−».

Иными словами, состояние триггера на выходе зависит от его предыдущего положения. Если предыдущее положение было в состоянии высокого напряжения, то на этот выход поступит логическая 1. Если положение было в состоянии сброса, то логический 0.

Практически все D-триггеры являются динамическими. При динамическом управлении состоянием триггера используется понятие фронта. Фронтом называют переход от 1 к 0. Подразумевается 2 вида фронта:

1. Передний. При этом положении осуществляется переход от 0-1.
2. Задним фронтом является переход сигнала от 1 к 0.

Существуют разновидности D устройств с дополнительным входом V. Название этого входа расшифровывается как проверочный. Работает такой элемент с неким замедлением. Оно необходимо для предварительной синхронизации сигнала, с его последующим подтверждением. При этом не играет особой роли, сколько памяти занято в устройстве. Обычные и DV-триггеры предназначены для работы в сложных устройствах с множеством ячеек. Например, в электронных счетчиках эти устройства отвечают его за актуальное значение. При его смене состояние триггера изменяет свой фронт.

Далее приведена таблица истинности и УГО фронтов.

Т-триггер

Триггеры типа T на логических элементах включают в себя многие возможности ранее описанных устройств. Есть модели асинхронного и синхронного типа, динамические и с дополнительным подтверждающим входом.

Асинхронные

При получении положительного сигнала на вход, на выходе получается напряжение в 2 раза выше входного. Такой эффект возможен только при импульсном сигнале, поступающем на T вход. При этом частота поступления по временной шкале не имеет препятствий, а значит сигнал доходит гораздо быстрее. Асинхронные T устройства в состоянии логической 1 на выходе имеют противофазу инверсного выхода.

Синхронные

Эти T-триггеры подобны асинхронным. Исключение состоит в наличие тактового сигнала на входе. Также существует противофаза на инверсном выходе и появление удвоенного напряжения.

Устройство T элементов можно легко отнести к делителям импульсных сигналов. Эти элементы работают только при наличии переднего фронта. Иными словами, осуществляется переход от 0 к 1. Но разница заключается в учете временного интервала между импульсами.

Триггеры типа T часто используются в логических вычислительных процессах. Осуществляется это за счет функции увеличения или снижения напряжения:

1. При увеличении частоты на выходе с логической 1, осуществляется запись положительного числа.
2. При уменьшении частоты на инверсном выходе при логическом 0, осуществляется запись отрицательного числа.

При учете, сколько памяти необходимо для перехода и деления сигнала, элемент может быть дополнен входом подтверждения. Программирование с использованием T-триггера допускает использование устройства в различных электронных счетчиках без встроенной памяти. Далее дана диаграмма работы устройства.

JK-триггер

Является самым универсальным электронным элементом. В этих устройствах присутствуют:

1. Входы «J» и«K» в качестве информационных. При этом «J» — обычный вход «S», а «K» — вход «R».
2. «С» — вход динамический.
3. «R» и «S» статические.

JK устройство работает по принципу перехода из одного состояния в другое, но с учетом единицы времени. Также существует разность при подаче сигнала на вход синхронизации. Иными словами, если на оба входа JK подать логическую 1, то на его выходах появится прямо противоположное значение. Но при этом устройство не воспримет наличие двух 1 единиц как ошибку.

В зависимости от назначения, в данном триггере может использоваться так называемый фронт (передний или задний). В этом случае устройство считается синхронным, а его состояние определяется актуальным положением логических чисел. При расчете рабочего состояния элемента также учитывается возможность одновременного использования устройства в качестве T или D триггера. В этом случае учитывается параметр временного интервала поступления сигнала, какое напряжение будет получено при выходе и устойчивость состояния элемента. Информатика часто использует этот элемент в качестве универсального устройства контроля состояния устойчивой работы простых логических функций. Далее дана диаграмма работы устройства.

Симметричный

Симметричный триггер относится к особому виду элементов. Он создается на транзисторах и является усилителем постоянного тока двухкаскадного типа. Работает устройство за счет использования транзисторов с полностью идентичными параметрами.

Принцип работы следующий:

1. При подаче напряжения на устройство, транзистор VT1 считается открытым. Напряжение его коллектора равняется 0.
2. В этот момент транзистор VT2 закрыт. Его коллектор имеет положительное напряжение.
3. Для осуществления перехода из одного состояния в другое используется импульс напряжение. Этот импульс создается конденсатором.
4. При появлении импульса транзисторы меняют свое состояние.

При смене положения транзисторов создается перепад напряжения, и оно значительно снижается.

В схемах симметричных триггеров основным элементом является система запуска. Она может отличаться по способу управления и месту, с которого поступил пусковой импульс.

1. Раздельное управление. Предполагает подачу напряжения на определенный вход триггера. При таком управлении элемент считается RS-триггером.
2. Общее или счетное управление. Напряжение подается на общий входной контакт. При таком подключении, устройство схоже по параметрам с Т-триггером.

Место поступления импульса может быть от коллектора или базы транзистора. При таких схемах подключения существует вероятность появления ложного или вторичного сигнала. Он отсекается путем подключения диода.

Основным недостатком симметричных элементов является полная зависимость от времени поступления импульсного сигнала и его длительности. Если длительность недостаточная, импульс не успеет открыть транзистор, а значит не произойдет закрытие второго транзистора.

Такие устройства используются в устройствах учета импульсов, генераторах частоты, переключателях радиоэлектронных цепей.

Заключение

С триггерами в жизни мы сталкиваемся довольно часто, ведь они широко используются в различных сферах. В данной статье было приведено описание и области использования различных разновидностей данного устройства. При ремонте электронного оборудования важно знать: для чего нужен этот элемент, где он используется и по какому принципу работают такие устройства.

Видео по теме