Триггеры. Теоретические основы проектирования цифровых схем

1.

Нижегородский государственный технический университет
Кафедра «Вычислительные системы и технологии»
Теоретические основы проектирования
цифровых схем
Тема. Триггеры

2.

Классификация триггеров
Триггер – простейший элемент памяти в цифровой технике. Элемент памяти – это устройство,
позволяющее сохранять свое значение в течение произвольного отрезка времени.
Триггеры
однотактные
асинхронные
синхронные
двухтактные
изменяют свое состояние при
определенном изменении
информационных сигналов
для изменения состояния
требуется не только изменение
входных информационных
сигналов, но и наличие
синхроимпульса (СИ)
Синхроимпульс – специальный активизирующий (синхронизирующий) работу триггера сигнал.
Однотактные триггеры изменяют свое состояние при активном уровне СИ, фактически
превращаясь при этом в асинхронные. Двухтактные изменяют свое состояние только при
прохождении обоих фронтов СИ.
Нижегородский государственный технический университет
Кафедра «Вычислительные системы и технологии»

3.

Внутренняя структура триггеров
Триггеры строятся наращиванием возможностей:
- асинхронный триггер – базовый для построения любого триггера;
- однотактный синхронный триггер строится на базе асинхронного;
- двухтактный триггер строится на базе двух однотактных.
Внутренняя структура триггеров
Структура триггера при сохранении его функциональных возможностей может быть различной.
Таких структур к настоящему времени разработано множество. Основой любого триггера является
RS-триггер, на базе которого путем добавления входной логики формируются все остальные типы
триггеров.
Нижегородский государственный технический университет
Кафедра «Вычислительные системы и технологии»

4.

Асинхронный RS-триггер. Схема
На рис. а показан один из
вариантов схемы асинхронного
RS-триггера на логических
элементах 2И-НЕ. На рис. б –
таблица переходов триггера.
Таблица переходов определяет
алгоритм работы триггера.
Общепринятое обозначение
асинхронного RS-триггера
приведено на рис. в.
Временные диаграммы работы
асинхронного RS-триггера
приведены на рисунке г. В
кружках отмечены
соответствующие этапам
временной диаграммы строки
таблицы переходов триггера.
Этапы н/о указывают на
неопределенные состояния
триггера.
Нижегородский государственный технический университет
Кафедра «Вычислительные системы и технологии»

5.

Асинхронный RS-триггер. Таблица переходов
Строка 8 – режим хранения единицы. Триггер находится в
состоянии единица (Q=1). При этом на оба входа второго элемента
И-НЕ поступают единицы, и на его выходе вырабатывается 0. Этот
ноль подается на вход первого элемента И-НЕ, инициируя на его
выходе единицу. Это состояние сохраняется неизменным при
единичных значениях R и S входов триггера.
Строка 7 – режим хранения нуля. Q=0 и этот ноль, поступая на вход
второго И-НЕ, вызывает на его выходе единицу. На обоих входах
первого И-НЕ единицы, что подтверждает ноль на выходе Q.
В строке 6 – установка в 1. Подтверждается единичное состояние.
В строке 5 – установка в 1. Выполняется установка триггера в единичное состояние.
В строке 4 – установка в ноль. Исходным состоянием триггера было единичное состояние Q=1.
Подача R=0 вызывает появление 1 на выходе второго элемента И-НЕ. На входах первого И-НЕ
появляются две единицы и Q=0.
В строке 3 – установка в ноль. Триггер не изменяет состояния, так как подача на R вход нуля не
меняет состояния выхода второго элемента И-НЕ, которое и без этого было равно единице.
Состояния входов первого И-НЕ единичные и Q=0.
В строках 1 и 2 показаны запрещенные комбинации на входах R и S, так как подача двух нулей
вызовет появление единиц и на Q и на выходе второго элемента И-НЕ. Если одновременно снять
нули с обоих входов и подать на них единицы, то состояние триггера будет неопределенно (может
начаться генерация бесконечной серии импульсов).
Нижегородский государственный технический университет
Кафедра «Вычислительные системы и технологии»

6.

Асинхронный RS-триггер. Недостатки. Области применения
Асинхронные триггера обладают недостатками:
- чрезвычайно критичны к шумам, возникающим вследствие переходных процессов при
переключении состояний схемы;
- при синтезе асинхронных схем следует использовать специальное кодирование (для защиты от
шумов), которое из-за своей сложности не позволяет выполнять синтез сложных схем.
В связи с указанными недостатками любое использование асинхронного режима должно быть
обосновано и доказана необходимость и безопасность его применения.
Основные области применения асинхронных триггеров:
- построение специальных сигнальных схем (флагов), используемых при асинхронном обмене
информацией между синхронными устройствами;
- выполнение начальной установки в комбинированных типах триггеров (синхронных триггерах с
асинхронными входами).
Нижегородский государственный технический университет
Кафедра «Вычислительные системы и технологии»

7.

Однотактный RS-триггер. Схема
Однотактные триггера строятся на базе асинхронных триггеров. Схема однотактного RS-триггера на
элементах И-НЕ показана на рис. а. В схему добавлен блок синхронизации, который не позволяет
оказывать какое-либо действие на состояние триггера при неактивном (нулевом) уровне сигнала на
синхронизирующем входе. При неактивном уровне синхроимпульса (СИ) входные элементы И-НЕ
поддерживают единичные уровни на элементах И-НЕ 1 и 2, которые образуют асинхронный RSтриггер, переводя его в режим хранения. При активном уровне СИ (единица) входной каскад
открывается, и триггер работает как обычный асинхронный RS-триггер. Следует обратить внимание,
что за счет инверсии сигналов R и S входным каскадом активными уровнями входов R и S будут
единичные уровни.
Нижегородский государственный технический университет
Кафедра «Вычислительные системы и технологии»

8.

Однотактный RS-триггер. Таблица переходов
Строки таблицы показывают поведение
триггера при активном уровне СИ и
отражают режимы:
- строки 7 и 8 – запрещенный режим;
- строки 5 и 6 – режим установки в ноль;
- строки 3 и 4 – режим установки в
единицу;
- строки 1 и 2 – режим хранения.
Следует отметить, что в строках 1 и 2 значение сигналов на выходах установочных И-НЕ (у1 и у2)
остается неизменно единичным и при неактивном, и при активном уровне синхроимпульса.
Общепринятое обозначение однотактного RS-триггера показано на рисунке в. Активным уровнем
сигнала на входах такого триггера будет единичный уровень на RS входах отсутствуют знаки
инверсии. Временные диаграммы работы триггера при активном уровне СИ совпадают с
диаграммами работы асинхронного RS-триггера. При неактивном уровне СИ триггер не изменяет
своего состояния.
Недостаток однотактного триггера, из-за которого он получил ограниченное распространение, – его
реакция на изменение сигналов в схеме при активном уровне СИ.
Основное назначение однотактных триггеров – промежуточное хранение информации.
Нижегородский государственный технический университет
Кафедра «Вычислительные системы и технологии»

9.

Двухтактный RS-триггер. Схема
При разработке цифровых схем наиболее распространены двухтактные триггера. Преимущество
этих триггеров перед асинхронными и однотактными триггерами – высокая помехозащищенность.
Любые переходные процессы на входах триггера не пропускаются на его выход.
Схема двухтактного RS-триггера приведена на рисунке. Из схемы видно, что триггер состоит из двух
ступеней, каждая из которых представляет собой однотактный триггер. СИ – короткий двойной
перепад 0-1-0. Оба уровня СИ являются активными, но каждый для своей ступени:
- при единичном уровне СИ, после завершения всех переходных процессов, в схеме производится
запись информации с RS входов триггера в первую ступень Q1. Информационное состояние на
выходах триггера Q не меняется.
- при возврате СИ к нулевому уровню запись в первую ступень запрещается, происходит перепись
информации во вторую выходную ступень. В схеме начинаются переходные процессы, уже не
оказывающие влияния на состояние триггера.
Таблица переходов двухтактного RS-триггера полностью совпадает с таблицей однотактного.
Нижегородский государственный технический университет
Кафедра «Вычислительные системы и технологии»

10.

Двухтактный RS-триггер. Правила использования
При использовании двухтактных триггеров следует придерживаться правил:
1. Синхроимпульс должен подаваться такого вида, чтобы смена информации на выходах
триггера происходила по второму фронту СИ.
2. Длина вершины СИ определяется временем записи в первую ступень триггера.
Первое правило определяется тем, что внутренняя схема триггера может быть заранее
неизвестна (то, что мы рассматриваем это пример одной из реализаций), и, если непрерывно
производить запись в первую ступень, а по вершине СИ переписывать информацию во
вторую, то не все типы триггеров однозначно реагируют (возможны необъяснимые изменения
информации).
Второе правило обусловливается желанием получить максимальное быстродействие схемы,
поэтому минимизируется длина СИ, а время между синхроимпульсами определяется длиной
переходных процессов в схеме.
Нижегородский государственный технический университет
Кафедра «Вычислительные системы и технологии»

11.

D-триггер
Чтобы управлять RS-триггером
необходимо иметь два
информационных провода R и S.
По этой причине данные триггеры
не получили широкого
распространения. Наиболее
широко используются D-триггеры,
для управления которыми
достаточно одного
информационного провода.
Основой однотактного D-триггера
является RS-триггер. Приведенный
однотактный D-триггер изменяет
свое состояние при единичном
уровне СИ. Причем, если при СИ =
1 происходят изменения сигнала на
входе D, то на выходах сигнал
также будет изменяться.
Таблица переходов двухтактного D-триггера совпадает с таблицей переходов однотактного.
Изменение состояния по выходу у двухтактного D-триггера происходит при смене СИ с единицы
на ноль.
Нижегородский государственный технический университет
Кафедра «Вычислительные системы и технологии»

12.

Sn-триггеры
Можно построить элементы памяти, имеющие произвольное
количество состояний n, больше двух. Такой элемент памяти
будет называться (по аналогии с RS-триггером) Sn-триггером.
По договоренности вход S0 можно считать входом R, хотя все
входы равнозначны.
Вариант однотактного Sn-триггера показан на рисунке. Этот
триггер имеет три рабочих состояния. При пассивном уровне
синхроимпульса (нулевом) на выходах установочного блока
наблюдаются единицы и состояния триггера определяются
его внутренними процессами. Нулевое состояние i-го выхода
триггера порождает единичные состояния на остальных
выходах. В свою очередь единичные состояния совокупность
этих выходов поддерживают нулевое состояние на i-м
выходе.
Нижегородский государственный технический университет
Кафедра «Вычислительные системы и технологии»

13.

Sn-триггеры. Таблица переходов
Sn-триггер имеет три информационных входа и три выхода.
Его полная таблица переходов составляет 64 строки. На
рисунке приведена сокращенная таблица переходов,
носящая описательный характер. В этой таблице переходов
показаны действия триггера при активном уровне
синхроимпульса (при пассивном уровне СИ триггер не
меняет своего состояния):
- режим хранения – все нули на входах триггера, т.е. триггер
сохраняет состояние, в котором он находился до подачи СИ;
- режимы установки – ноль на i-м входе и единицы на
остальных. В этом случае триггер переходит в состояние,
соответствующее нулю на выходе i;
- остальные комбинации входных сигналов запрещены, так
как приводят к неоднозначности реакции триггера после
окончания активного уровня СИ.
Нижегородский государственный технический университет
Кафедра «Вычислительные системы и технологии»

14.

Режимы работы Sn-триггера
В режиме хранения (S2 = 0, S1 = 0, S0 = 0), независимо от
уровня СИ, будут единицы и состояние триггера не меняется.
Подробно рассмотрим режим установки:
- пусть перед подачей активного уровня СИ на входы
триггера подана комбинация S2 = 0, S1 = 1, S0 = 1;
- после подачи активного уровня СИ на выходах
установочных элементов И-НЕ появятся уровни: второго –
единица, первого – ноль, нулевого – ноль;
- ноли на входах элементов И-НЕ вызовут появление единиц
на выходах Q1 и Q0;
- на вход И-НЕ с выходом Q2 с установочного И-НЕ2
поступает единица;
- на входах И-НЕ с выходом Q2 будут все единицы, что
породит на его выходе ноль;
- этот ноль с Q2 поступит на входы И-НЕ с выходами Q1 и Q0,
которые из-за этого будут держать единицы на Q1 и Q0 и
после окончания активного уровня СИ;
- триггер перешел в состояние Q2 = 0, Q1 = 1, Q0 = 1.
Предыдущее состояние несущественно, так как новое
состояние определяется только комбинацией входных
сигналов.
Нижегородский государственный технический университет
Кафедра «Вычислительные системы и технологии»

15.

Формализация построения однотактного Sn-триггера
Формальная процедура проектирования Sn-триггера выглядит следующим образом:
1. Определяется количество n состояний Sn-триггера.
2. Берется n элементов И-НЕ с n входами.
3. Входы каждого И-НЕ нумеруются, начиная с 0 до n-1.
4. Выходы элементов нумеруются аналогично с 0 до n-1.
5. Выход каждого элемента с номером i соединяется с i-м входом каждого И-НЕ. Получается
схема, показанная на рисунке а.
6. В каждом i-м И-НЕ отсоединяется вход с номером i. Получается схема рисунке б.
7. К отсоединенным входам подключается блок двухвходовых И-НЕ для проведения
синхронизированной установки состояния Sn-триггера. Получается схема рисунке в.
Нижегородский государственный технический университет
Кафедра «Вычислительные системы и технологии»

16.

Двухтактный Sn-триггер
Аналогично обычному триггеру, представляющему собой S2-триггер, Sn-триггер можно
выполнить в двухтактном исполнении. Для этого берутся две ступени однотактного
триггера, а СИ на эти ступени подается: на первую ступень напрямую, на вторую ступень
через инвертор.
Также, как и в обычном триггере, СИ подается таким образом, чтобы смена информации на
выходах Sn-триггера происходила по второму фронту СИ. Sn-триггеры могут иметь лишь
ограниченное применение, так как для управления ими необходимо иметь n сигнальных
проводов. Кроме того, при n, больших 3, количество логических элементов, необходимых
для построения Sn-триггера, превышает количество логических элементов, необходимых
для реализации аналогичных схем на обычных триггерах.
Нижегородский государственный технический университет
Кафедра «Вычислительные системы и технологии»

17.

Проверка правильности сборки схемы
Относительно триггеров
можно выделить
следующие основные
стандартные (базовые)
элементы:
- RS-триггеры;
- D-триггеры;
- T-триггеры;
- JK-триггеры;
- DV-триггеры.
Остальные триггеры
являются
модификациями
перечисленных типов.
Нижегородский государственный технический университет
Кафедра «Вычислительные системы и технологии»

18.

Таблицы переходов базовых типов триггеров
Поведение любого триггера определяется его таблицей переходов. Если разрабатывается
новый тип триггера, то первоначально требуется разработать его таблицу переходов.
Нижегородский государственный технический университет
Кафедра «Вычислительные системы и технологии»

19.

Таблицы возбуждений базовых типов триггеров
Построение ТВ на примере JK-триггера:
- а – таблица переходов JK-триггера с
отмеченными строками для одинаковых
переходов;
- б – все возможные переходы триггера;
- в - исследование входных воздействий
для перехода из 0 в 0. Видно, что для
совершения этого перехода в JKтриггере допускаются два воздействия.
Склеивание показывает, что на вход J
необходимо подавать 0, а на вход K
можно подавать и 0 и 1, т.е. безразлично
что;
- г, д, е – исследование входных
воздействий для остальных переходов.
- ж – результат – ТВ триггера.
Для управления триггером необходимо иметь его таблицу возбуждений (ТВ). Эта таблица содержит
указания о характере входных воздействий для перехода триггера из одного известного состояния в
другое известное состояние.
Таблица возбуждений строится на основе таблицы переходов триггера. Таблица возбуждений для
любого типа триггера (не только базового типа) имеет четыре строки, так как возможны только
четыре перехода. Затем в таблице переходов отыскиваются все строки, соответствующие
выбранному переходу, выписываются значения входных переменных, соответствующие этому
переходу, выполняется склеивание этих значений и полученный результат заносится в строку ТВ.
Нижегородский государственный технический университет
Кафедра «Вычислительные системы и технологии»

20.

Спасибо за внимание