8.17. Тактируемые триггеры

Триггеры, выполненные на двух вентилях, как показано на рис. 8.47 и 8.50, обычно называют RS (от английских слов: ), или асинхронными триггерами. Посредством подачи соответствующего входного сигнала они могут быть установлены в то или иное состояние. -триггеры удобно использовать в схемах защиты от дребезга, а также во многих других случаях, однако более широкое применение получили триггеры, схема которых несколько отличается от рассмотренной. Вместо пары асинхронных входов они имеют один или два информационных входа и один тактирующий вход. В момент подачи тактирующего импульса выходное состояние триггера либо изменяется, либо остается прежним, в зависимости от того, какие сигналы действуют по информационным входам.

Рис. 8.51. Синхронизированный триггер.

Простейшая схема тактируемого триггера приведена на рис. 8.51. От рассмотренной выше схемы она отличается наличием двух вентилей («SET» и «RESET»). Легко проверить, что таблица истинности для этого триггера будет иметь вид

где - состояние выхода Q после подачи тактового импульса, а - до его поступления. Главное отличие схемы от предыдущей состоит в том, что входы S и R в этом случае должны рассматриваться как информационные и сигналы, присутствующие на этих входах в момент поступления тактового импульса, и определяют, что произойдет с выходом .

У этого триггера есть один недостаток. Дело в том, что изменение выходного состояния в соответствии со входными сигналами может происходить в течение всего отрезка времени, на котором тактовый импульс имеет высокий уровень. В этом смысле он еще подобен асинхронному -триггеру. Эта схема известна также под названием «прозрачный фиксатор», потому что выход «насквозь просматривает» вход в течение интервала действия тактового сигнала.

Всесторонние возможности триггерных схем раскроются после введения новых, нескольких отличных от рассмотренных конфигураций, которые представляют собой триггер типа «ведущий-ведомый» (двухступенчатый) и триггер, запускаемый по фронту.

Рис. 8.52. D-триггеры с запуском по фронту.

Триггеры типа «ведущий-ведомый» и триггеры, запускаемые по фронту.

Эти типы триггеров наиболее распространены. Информация, поступившая на входные линии этого триггера к моменту возникновения перехода или «фронта» тактового сигнала, определяет, каким будет состояние выхода в последующий интервал времени. Такие триггеры выпускаются в виде недорогих ИМС и всегда используются в этом виде, но для того чтобы понять, как они работают, имеет смысл рассмотреть их внутреннюю структуру. На рис. 8.52 показаны принципиальные схемы так называемых -триггеров. Информация, поступившая на -вход, передается на выход Q после подачи тактового импульса. Рассмотрим принципы действия триггера типа ведущий - ведомый (рис. 8.52, а). Если тактовый сигнал имеет высокий уровень, разрешается работа вентилей 1 и 2, через которые ведущий триггер (вентили 3 и 4) устанавливается в состояние, соответствующее -входу: . Вентили 5 и 6 закрыты, поэтому ведомый триггер (вентили 7 и 8) сохраняет свое предыдущее состояние. Когда тактовый сигнал перейдет в состояние низкого уровня, входы ведущего триггера отключатся от -входа, а входы ведомого подключатся к входу ведущего, в результате последний передаст свое состояние ведомому триггеру. После этого никакие изменения на выходе произойти не смогут, так как ведущий триггер заблокирован. С приходом следующего тактового сигнала ведомый триггер отключится от ведущего, а ведущий воспримет новое состояние входа.

С точки зрения внешних сигналов триггер, срабатывающий по фронту, ведет себя точно также, однако внутри он работает по-другому. Принцип его действия нетрудно разобрать самостоятельно. Схема, показанная на рис. 8.52, б, представляет собой распространенный семейства ТТЛ, срабатывающий на положительном перепаде. В рассмотренном ранее триггере типа «ведущий-ведомый» данные на выход передавались по отрицательному перепаду тактового импульса.

Рис. 8.53. D- и JK-триггеры.

В номенклатуру стандартных ИМС, выпускаемых промышленностью, входят триггеры, срабатывающие как по одной, так и по другой полярности перепада. Кроме того, большинство триггеров имеют также асинхронные входы 5 и R. Они могут устанавливаться или сбрасываться как высоким, так и низким уровнем в зависимости от типа триггера. На рис. 8.53 показано несколько популярных триггеров. Стрелка обозначает динамический вход (срабатывание по фронту), а кружок - инверсию. Таким образом, изображенная на рисунке схема 74 представляет собой сдвоенный -триггер, который срабатывает по положительному перепаду и имеет асинхронные входы 5 и R, активные по низкому уровню. Схема 4013 представляет собой сдвоенный -триггер семейства КМОП, срабатывающий по положительному перепаду и имеющий асинхронные входы 5 и R, активные по высокому уровню. Интегральная схема 112 — это сдвоенный -триггер типа ведущий - ведомый, срабатывающий по отрицательному перепаду и имеющий асинхронные входы 5 и R, активные по низкому уровню.

JK-триггер.

По принципу действия JK-триггер аналогичен D-триггеру, но имеет два информационных входа. Его таблица истинности имеет вид:

Если на входы поступают противоположные сигналы, то на очередном фронте тактового импульса выход Q воспроизводит значение -входа. Если оба входа J и К имеют низкий уровень, то состояние выхода не изменится. И наконец, если на обоих входах высокий уровень, триггер будет совершать «переброс» (менять свое состояние на каждом тактовом импульсе), т. е. работать в счетном режиме).

Предупреждение. Некоторые старые типы - триггеров представляют собой «ловушку для единиц». Этот термин вы не найдете ни в одной документации, он означает явление, которое может привести неосведомленного человека к весьма неприятным последствиям. Дело в том, что если на интервале, когда ведомый триггер открыт тактовым сигналом, вход J и К (или оба одновременно) на какой-то момент изменит свое состояние, а затем до окончания тактового сигнала вернется в исходное, то это кратковременное состояние триггер запомнит и в дальнейшем он будет вести себя так, как если бы это состояние сохранилось. В результате триггер может переброситься на следующем тактовом перепаде, даже если сигналы, действующие в момент этого перепада на входах J и К подтверждают предыдущее состояние. Это может привести, мягко говоря, к своеобразному поведению. Проблема возникает из-за того, что эти триггеры были сконструированы в предположении, что тактовый импульс имеет очень короткую длительность, в то время как в действительности тактирование всегда производится сигналом конечной длительности. Если используется триггер типа «ведущий-ведомый», следует соблюдать меры предосторожности, либо вообще избегать их, применяя более надежные триггеры, работающие по фронту. Две хорошие альтернативы, которые используют истинно запуск по фронту, это приборы 112 и 109. Оба представляют собой сдвоенные (два в одном корпусе) -триггеры с асинхронными 5- и -входами, активными по низкому уровню. Устройство 112 срабатывает по отрицательному фронту тактового сигнала, а устройство положительному. Схема 109 имеет интересную особенность, а именно, К-вход у него инверсный, поэтому иногда его называют JК-триггер с запретом.

Рис. 8.54. Схемы деления на 2.

Таким образом, если вы соедините входы J и К вместе, то получите -триггер. Для перевода его в счетный режим вы заземляете вход К, а на входе J устанавливаете ВЫСОКИЙ уровень.

Делитель на 2.

Легко построить схему делителя на 2, используя способность триггеров работать в счетном режиме. На рис. 8.54 показаны два способа построения такого делителя. -триггер работает в счетном режиме, когда оба входа имеют ВЫСОКИЙ уровень, производя на выходе сигнал, показанный на рисунке. Вторая схема также будет совершать перебросы, так как ее -вход подключен к собственному выходу б и в момент поступления тактового импульса на -входе всегда действует инверсия по отношению к текущему состоянию триггера. Частота сигнала на выходе в любом случае будет равна половине входной частоты.

Рис. 8.55. Время установления данных и время удержания.

Синхронизация информации и тактирование.

В связи с последней схемой возникает интересный вопрос: не получится ли так, что триггер не сможет переброситься, так как состояние -входа изменяется почти сразу же вслед за тактовым импульсом? Другими словами, не начнет ли схема сбиваться, если на ее входе происходят такие странные явления? Этот вопрос можно сформулировать и следующим образом: в какой точно момент по отношению к тактовому импульсу -триггер (или какой-нибудь другой) анализирует состояние своего входа? Ответ такой: для любого тактируемого устройства существует определенное «время установления» густ и «время удержания» . Для того чтобы схема работала правильно, информация должна поступать на вход не позднее чем за время до возникновения тактового перепада и оставаться неизменной по крайней мере в течение времени после него. Например, для триггера не (рис. 8.55).

В рассмотренной схеме счетного триггера требование к времени установления будет сохраняться неизменным в течение как минимум , предшествующих очередному тактовому перепаду. Может показаться, что при этом нарушается требование к времени удержания, но это не так. Минимальное время распространения сигнала с тактового входа на выход составляет , и -триггер, включенный в счетном режиме, будет иметь неизменное состояние -входа в течение по меньшей мере . Большинство современных устройств вообще не представляют требований ко времени удержания (имеют . Если сигнал на -входе изменяется на интервале времени удержания, то может возникнуть любопытный эффект, носящий название «метастабильное состояние», при котором триггер не может определить, в какое состояние он должен перейти. Об этом явлении мы вскоре еще упомянем.

Рис. 8.56. 4-разрядный счетчик.

Деление на число, большее чем 2.

С помощью каскадного соединения счетных триггеров (выход Q каждого предыдущего триггера подключен к тактическому входу последующего) легко получить «делитель на , или двоичный счетчик. На рис. 8.56 показана схема четырехразрядного асинхронного счетчика и даны его временные диаграммы. Заметим здесь, что если выход Q каждого триггера непосредственно действует на тактовый вход следующего, срабатывание триггеров должно происходить по спаду (заднему фронту) сигнала на тактовом входе (показано кружком инверсии). Эта схема представляет собой счетчик - делитель на 16: на выходе последнего триггера формируются прямоугольные импульсы, следующие с частотой, равной 1/16 частоты входного тактового сигнала. Схема называется счетчиком, поскольку информация, присутствующая на четырех входах Q, может рассматриваться как -разрядное двоичное число, которое изменяется от 0 до 15, увеличиваясь на единицу с каждым входным импульсом.

Этот факт отражает временная диаграмма на рис. 8.56.б, на которой СЗР означает «старший значащий разряд», МЗР - «младший значащий разряд», а изогнутые стрелки, облегчающие понимание, указывают, какими перепадами вызываются изменения сигналов.

Этот счетчик, как вы увидите в разд. 8.25, выполняет настолько важную функцию, что выпускается в виде большого числа модификаций, выполненных в виде однокристальных микросхем, включая такие форматы счета, как -разрядный, двоично-десятичный и многоцифровой. Соединяя эти счетчики каскадно и воспроизводя их содержимое с помощью цифрового индикатора (например, светодиодного) можно легко построить схему подсчета каких-либо событий. Если разрешить прохождение импульсов на вход счетчика в течение ровно 1 с, то получится счетчик частоты, который будет воспроизводить значение частоты путем подсчета числа периодов в секунду. В разд. 15.10 приводятся схемы этого простого, но очень полезного устройства. Промышленностью выпускаются однокристальные счетчики частоты, в состав которых входят дополнительно генератор, схемы управления и вывода на индикацию. Триггер такого устройства показан на рис. 8.71.

На практике простейшая схема каскадирования счетчиков посредством соединения каждого выхода Q со следующим тактовым входом имеет некоторые интересные проблемы, связанные с покаскадной задержкой распространения сигнала по цепочке триггеров. По этой причине лучше использовать схему, в которой один и тот же тактовый сигнал подается одновременно на все входы. В следующем разделе мы будем рассматривать эти синхронные тактируемые системы.