RS триггер

Базовый строительный блок, который делает возможной компьютерную память, а также используется во многих последовательных логических устройствах является триггерной, или бистабильной, схемой. Только два взаимосвязанных логических входа составляют основную форму этой схемы, выход которой имеет два стабильных состояния. Когда схема запускается в какое-либо из них с помощью подходящего входного импульса, она будет «запоминать» это состояние до тех пор, пока оно не будет изменено дополнительным входным импульсом, или пока не отключится питание.

Логическая микросхема

Классификация последовательных схем

Последовательные схемы могут быть использованы для простых триггеров или для создания более сложных систем: устройств памяти, счетчиков, регистров сдвига. Они подразделяются на три основные категории:

1. Асинхронные, меняющие статус при включении;
2. Синхронные, согласованные с тактовым сигналом;
3. Комбинированные, реагирующие на запуск импульсов.

Что такое RS триггер

RS триггер можно рассматривать как однобитную память, поскольку он сохраняет входной импульс даже после его прохождения. Триггеры разных типов могут быть изготовлены из логических вентилей. Наиболее используемыми являются И-НЕ и ИЛИ-НЕ. Самые применяемые – И-НЕ. Это связано с их универсальностью, то есть можно имитировать любую из других стандартных логических функций.

Схема триггера РС (Set-Reset) – одно из простейших последовательных соединений, состоящее из двух перекрестно включенных вентилей. Выход каждого из них подключен ко входу другого, что дает форму положительной обратной связи.

RS триггер

Триггер РС имеет два активных входа (S и R) и два выхода (Q и Q̃ (not-Q)). Для синхронных схем добавляется вход С с тактовым сигналом.

У RS триггера принцип работы можно описать так:

1. Состояние установки. Пусть вход одного вентиля R находится на логическом уровне 0, а вход другого S – на уровне 1. На выходе первого элемента Q̃ получается 1 (логический принцип И-НЕ). Этот выход одновременно подается на вход первого вентиля. В результате оба его входа соответствуют 1, а на выходе Q – 0. Если вход R меняется на 1, а S остается на прежнем уровне 1, то первый вентиль получает по обратной связи еще 0 на вход, и выход Q̃ будет неизменным – 1. Триггерная цепь заперта или установлена с Q, равным 0, и Q̃, равным 1, вне зависимости от подаваемого сигнала;
2. Состояние сброса. Является альтернативным неизменным состоянием. Изначальные его условия: логический уровень сигнала на входе первого вентиля R – 1, а второго S – 0. Выход Q̃ имеет значение 0, Q соответствует 1. Так как у второго вентиля один из входов имеет логику 0, то на выходе Q – 1 (по логическому принципу И-НЕ). Здесь опять работает обратная связь, и первый вентиль получает на вход 1. Две единицы на входе обеспечивают 0 на выходе Q̃. При изменении заданной логики входа S на 1 и сохранении того же сигнала 1 на входе R на выходе Q̃ остается 0, а на Q – 1. То есть фиксируется новое состояние, не зависящее от смен входного значения.

Таблица истинности

Работу триггера РС можно представить в таблице истинности:

1. Q устанавливается на логическое значение 1, если применяется 0 на входе S;
2. Изменение S-входа на единицу на выходную логику не влияет. 0-импульс был запомнен Q;
3. Q сбрасывается на 0 с помощью логического 0, подаваемого на вход R;
4. Когда R возвращается к 1, на Q запоминается 0.

Таблица истинности

Для условий 2-й и 3-ей строки таблицы Q̃ является величиной, обратной Q. Однако в первой строке оба входа равны 0, что делает Q̃ = Q = 1, и они не будут являться противоположными логическими состояниями. На практике такое состояние не допускается, так как триггер РС теряет стабильность.

В последней строке на обоих входах присутствует логическая единица, выходы Q̃ и Q будут находиться в противоположных состояниях, но не ясно, какими конкретно значениями будут обладать. Они будут соответствовать запоминаемым с последнего входного импульса.

Помимо применения логики И-НЕ, можно построить простые триггеры, используя два перекрестно соединенных вентиля И-ИЛИ. Схема работает аналогично. Только запрещенное состояние будет при наличии обоих входных сигналов, равных единице.

Временные диаграммы

Таблицы истинности иногда не являются лучшим методом описания последовательной схемы. Часто предпочтительнее временная диаграмма синхронизации, которая показывает, как логические состояния в разных точках цепи меняются со временем.

Временная диаграмма RS триггера

На рисунке видно, что в первый момент времени t1 оба сигнала высокие, что вызывает неопределенное состояние. Затем от t1 до t2 S равно 0, R равно 1 на выходе Q устанавливается 1. Еще два неопределенных состояния: от t2 до t3 и от t4 до t5. На промежутке t3-t4 происходит сброс схемы в 0 на выходе Q. А в пределах t6-t7 – недопустимое состояние схемы, когда R и S равны 0.

JK триггер

Другие широко распространенные виды логических схем – JK, D и Т, которые являются разработками RS триггера на логических элементах.

Недостатки схемы И-НЕ РС триггера:

1. Необходимость избегать условия, когда оба входных сигнала равны 0;
2. При изменениях состояния R и S, имеющих единичный входной сигнал, правильное блокирующее действие не всегда происходит.

Для преодоления этих недостатков была разработана схема JK триггера. Его входы являются теми же R и S, но им присвоены буквы J и K по имени изобретателя схемы, чтобы отличить от других триггеров. JK схема отличается от RS триггера тем, что она не имеет неопределенных или запрещенных входных статусов.

JK триггер

В JK добавлена входная схема синхронизации, предотвращающая неопределенное условие вывода, которое может случиться, если R и S равны единице. Поэтому в наличии четыре возможных комбинации ввода: 1, 0, «без изменений» и «переключение». Вход J соответствует S, а K – R. Кроме того, для каждого вентиля имеется третий вход. На выходе остаются Q̃ и Q.

Перекрестная связь RS триггера позволяет использовать ранее неопределенные условия работы триггера, когда оба входных сигнала равны 1, для создания «переключателя», так как два входа могут быть блокированы.

Схема JK – это триггер SR с обратной связью, который позволяет только одному из его терминалов (SET или RESET) быть активным в любой момент времени, тем самым устраняя недопустимое условие:

1. Если активен терминал SET, вход J блокируется статусом 0 (Q̃) через нижний логический элемент И-НЕ;
2. Если в действии терминал RESET, вход К заблокирован статусом 0 через верхний вентиль И-НЕ.

Так как Q̃ и Q всегда разные, они могут использоваться для манипулирования входом. Для JK триггера таблица истинности принимает следующий вид.

Таблица истинности JK триггера

Когда оба входа J и K имеют единицу на входе при высоком тактовом импульсе, схема может переключаться из состояния SET в RESET и наоборот.

Cинхронные схемы

Бывает, требуется применять схемы с логическими элементами, работающими на основе изменения состояния при создании специальных условий, не зависящих от статуса входов. При этом в схему добавляется логический компонент И, имеющий 2 входа и соединенный с триггерными входами. Теперь входы R и S будут выполняться через терминал И, имеется также третий вход для тактовых импульсов. Изменение работы триггера заключается в том, что на Q̃ и Q состояние будет варьироваться из-за прохождения высокого тактового сигнала на входе, называемого «включить».

Синхронная схема RS триггера

1. Когда тактовый сигнал равен 0, выходные значения элементов И идентичны, фиксируя выходные сигналы в последнем запомнившимся статусе;
2. При тактовом импульсе, соответствующем единице, вся схема приобретает прозрачность и начинает работать как нормальный РС триггер. При этом оба входа воспринимают сигналы R и S.

Основным преимуществом тактового сигнала является то, что выход этого триггера можно синхронизировать со многими другими схемами и устройствами, которые используют одни и те же тактовые импульсы. Эта компоновка используется для базового расположения памяти, например, применяя различные логические состояния к диапазону из восьми триггеров, а затем посредством синхронного тактового импульса заставляя систему хранить байт данных.

Видео