Ч 1 Лекция 5 Устройства с внутренней памятью

Ч 1. Лекция 5 Устройства с внутренней памятью: триггеры, счетчики Лектор: Люличева И. А. 1

Содержание лекции n n n Назначение и классификация триггеров Принцип работы RS-триггеров Принцип работы D-триггеров Принцип работы JK-триггеров Т-триггеры Счетчики

Последовательностные или многотактные автоматы n n Кроме комбинационных устройств, рассмотренных в предыдущем разделе, существует класс цифровых устройств, в которых при одинаковых воздействиях на входе, на выходе автомата могут возникать различные выходные состояния. Состояние выхода такого устройства зависит не только от того, какие сигналы присутствуют на его входах в данный момент времени, но и от того, в какой последовательности поступали сигналы на входы устройства в предшествующие моменты времени, т. е. , как говорят, «автомат помнит свою предысторию и хранит ее в памяти» .

Назначение и классификация триггеров n n n Триггер - это устройство, которое может находиться в одном из двух устойчивых состояний, то есть один триггер может хранить один разряд двоичного числа или один бит информации. В зависимости от функциональной связи между логическими сигналами на входах и выходах триггеры в интегральном исполнении имеют следующие наименования: RS, D, Т, JK и некоторые другие.

Назначение и классификация триггеров n n n Триггеры являются простейшими представителями цифровых микросхем, имеющих внутреннюю память или последовательных автоматов. Если выходные сигналы логических элементов и комбинационных микросхем однозначно определяются их текущими входными сигналами, то выходные сигналы микросхем с внутренней памятью зависят также еще и от того, какие входные сигналы и в какой последовательности поступали на них в прошлом, то есть они помнят предысторию поведения схемы. Именно поэтому их применение позволяет строить гораздо более сложные и интеллектуальные цифровые устройства, чем в случае простейших микросхем без памяти.

Назначение и классификация триггеров Триггеры делятся : 1. По способу записи информации на: n асинхронные, n синхронные (тактируемые). 2. По способу управления записью информации на: n статические, n динамические – по фронту переднему или заднему, n двухступенчатые – по двум фронтам.

Назначение и классификация триггеров 3. По способу организации логической связи : n элементарные с раздельной установкой 0 и 1 – RS– триггеры n с приемом информации по одному входу – D– триггеры n универсальные с раздельной установкой 0 и 1 – JK– триггеры n со счетным входом – T–триггеры n комбинированные ( смешанные )

Принцип работы RS-триггеров n n RS-триггер - это простейший элемент для хранения информации. На рисунке 1 изображена схема простейшего RS триггера. Как видите, триггер состоит из двух элементов «И-НЕ» с обратными связями. Рис. 1

Принцип работы RS-триггеров n n Вход S (Set) служит для установки триггера в единичное состояние, или для записи в триггер сигнала логической единицы. Вход R (Reset) служит для сброса триггера в нулевое состояние или для записи в триггер сигнала логического нуля.

Принцип работы RSтриггеров n n Смена состояния RS -триггера происходит только при чередовании сигналов низкого уровня на входах /S и /R. При этом, если такие сигналы поступят на оба входа одновременно, то после их прекращения состояние триггера станет неопределенным (состояние Q = 0 или Q = 1 равновероятно). Одновременная подача сигналов высокого уровня на оба входа не меняет состояния триггера.

Принцип работы RS-триггеров n n n Простейший триггер имеет два входа и два выхода Выходы обозначают Q и /Q. Выход Q называют прямым, a /Q - инверсным. Уровни напряжения на обоих выходах взаимно инверсны: если сигнал Q = 1, то /Q =1.

Таблица состояний RSтриггера n Сокращенная таблица состояний триггера отражает лишь динамику изменения состояния триггера и не учитывает свойство триггера запоминать единицу информации. -R -S Q -Q 0 1 0 1 1 Без изменения 0 0 Не определено

Таблица состояний RSтриггера n n n Полная таблица состояний триггера должна учитывать влияние (на процесс управления) значения предыдущего состояния триггера Q 0. При этом Q 0 представляется как входная переменная. Таблицу состояний строят так же, как и таблицу истинности.

Применение RS-триггеров n При нажатии клавиши в момент замыкания, когда два контакта еще только коснулись друга, и еще не плотно прижаты, происходит множественное замыканиеразмыкание цепи. В результате возникает набор импульсов (см. рис. 2. ). Цифровые и микропроцессорные схемы обладают настолько большим быстродействием, что для них такая пачка импульсов выглядит, как несколько срабатываний. Рис. 2

Применение RS-триггеров n n n Если бы не применялись антидребезговые устройства, то мы никогда бы не смогли набрать текст. При нажатии на каждую клавишу выскакивала бы не одна, а несколько одинаковых букв. А вот антидребезговое устройство для контакта датчика вполне может быть выполнено по схеме, приведенной справа. Как видно из схемы, на оба входа RS -триггера через токоограничивающие резисторы подано напряжение питания.

3. 2 Принцип действия Dтриггеров n n n D-триггер (от английского DELAY) называют информационным триггером, также триггером задержки. D - триггер бывает только синхронным. Он может управляться (переключаться) как уровнем тактирующего импульса, так и его фронтом. Для триггера типа D, состояние в интервале времени между сигналом на входной линии и следующим состоянием триггера формируется проще, чем для любого другого типа.

3. 2 Принцип действия Dтриггеров n n На рисунке изображено схемное обозначение D-триггера. Как мы видим из рисунка, у D-триггера четыре входа и два выхода. Это вход S - служащий для установки триггера в единичное состояние (от Set - установить). И вход R - вход сброса (от Reset - сбросить). Вход данных D и вход управления C. Аналогично RS-триггеру у D-триггера имеется два выхода: прямой и инверсный.

Принцип действия Dтриггеров n n n Сменой состояния D-триггера управляют сигналы на информационном входе D, но переключение происходит не сразу, а с приходом тактового импульса на вход С. Важнейшее свойство D-триггеров в том, что, как только на вход С поступает импульс, на выходе Q устанавливается тот же уровень напряжения, который в этот момент действует на входе D, т. е. переброс триггера происходит с некоторым отставанием dt относительно смены сигнала на входе D. Поэтому D-триггеры еще называют триггерами задержки. http: //www. chipdip. ru/video. aspx? vid=ID 000274701

Принцип действия D-триггеров n Внутреннее строение Dтриггера гораздо сложнее, чем RS-триггера. Существует много разных схем его реализации. Справа приведена одна из возможных схем. Таблица состояний такого триггера еще сложнее.

Применение D-триггера n D-триггер широко применяется в цифровой технике. На его основе строятся такие элементы, как счетчики и регистры. Ниже приведена схема включения D-триггера в счетном режиме.

Применение D-триггера n n Для нормальной работы на входы R и S триггера должен быть подан сигнал логической единицы. Как видно из схемы, в режиме счета инверсный выход триггера (Q) соединяется с его же входом D. На вход синхронизации подаются импульсы некоторой опорной частоты. На выходе формируется сигнал с вдвое меньшей частотой следования.

Регистры n n n Объединив несколько D-триггеров с единым входом синхронизации можно получить регистр, способный фиксировать многоразрядную информацию. В соответствии со структурой внутренних триггеров существуют регистры-защелки и регистры с синхронным стробированием. Регистры-защелки пропускают входную информацию на выход при одном уровне сигнала синхронизации и фиксируют ее при переходе сигнала синхронизации в другое состояние. Регистры с синхронным стробированием фиксируют информацию по фронту сигнала синхронизации.

3. 3 Принцип действия JKтриггера n n JK-триггер значительно сложнее по своей структуре, чем RS-триггер. Он относится к так называемым тактируемым триггерам, то есть он срабатывает по фронту тактового сигнала. Примером может служить показанная на слайде 32 микросхема ТВ 9, имеющая в одном корпусе два JK-триггера со входами сброса и установки -R и -S. Входы -R и -S работают точно так же, как и в RSтриггере, то есть отрицательный импульс на входе -R устанавливает прямой выход в нуль, а инверсный — в единицу, а отрицательный импульс на входе -S устанавливает прямой выход в единицу, а инверсный — в нуль.

3. 3 Принцип действия JKтриггера n n Однако состояние триггера может быть изменено не только этими сигналами, но и сигналами на двух информационных входах J и K и синхросигналом С. Переключение триггера в этом случае происходит по отрицательному фронту сигнала С (по переходу из единицы в нуль) в зависимости от состояний сигналов J и K.

3. 3 Принцип действия JKтриггера n n При единице на входе J и нуле на входе К по фронту сигнала С прямой выход устанавливается в единицу (обратный — в нуль). При нуле на входе J и единице на входе К по фронту сигнала С прямой выход устанавливается в нуль (обратный — в единицу). При единичных уровнях на обоих входах J и K по фронту сигнала С триггер меняет состояние своих выходов на противоположные (это называется счетным режимом).

Принцип действия JK-триггера n Триггер, работающий в счетном режиме называют Т-триггером. В этом случае триггер работает в режиме делителя. Это означает, что приходе каждого тактового импульса, по его заднему фронту состояние триггера меняется на противоположное. Единичное меняется на нулевое и наоборот.

Временная диаграмма работы JK-триггера

Т-триггер n n Т-триггер - это счетный триггер. Т-триггер имеет один вход (вспомогательные входы установки “ 0” и “ 1” не рассматриваются), куда подают тактирующие (счетные ) импульсы. После подачи каждого тактирующего импульса состояние Т-триггера меняется инверсное предыдущему состоянию Как получить такой триггер?

Т-триггер n n Т-триггеры строятся только на базе двухступенчатых (RS, D, JK) триггеров. Рассмотрим пример синтеза Ттриггера из JK-триггера. Для этого Ттриггер представим как совокупность комбинационного устройства КУ и JKтриггера (след. слайд).

Т-триггер n Приведенное на рис. 3. 19, (а) комбинационное устройство должно обеспечить на выходах J и K соответствующие сигналы управления RSтриггером (при подаче на его входы сигналов Q и Т), в соответствии с таблицей состояний (рис. 3. 19, б).

Т-триггер n n n Уравнение Т-триггера получим произведя замену J=K=T в последнем уравнении: Объединив последовательно несколько Т -триггеров можно получить простейший двоичный счетчик или делитель частоты.

Cчетчики Схема счетчика с последовательным переносом на Ттриггерах и графики, поясняющие принцип его работы

Стандартные микросхемы n n В стандартные серии цифровых микросхем входит несколько типов микросхем триггеров, различающихся методами управления, а также входными и выходными сигналами. На схемах триггеры обозначаются буквой Т. В отечественных сериях микросхем триггеры имеют наименование ТВ, ТМ и ТР в зависимости от типа триггера. Наиболее распространены три типа: RS-триггер (обозначается ТР) — самый простой триггер, но редко используемый (а). JK-триггер (обозначается ТВ) имеет самое сложное управление, также используется довольно редко (б). D-триггер (обозначается ТМ) — наиболее распространенный тип триггера (в).

Стандартные микросхемы n Примером RS-триггера является микросхема ТР 2, в одном корпусе которой находятся четыре RS-триггера. Два триггера имеют по одному входу –R и –S, а два других триггера — по одному входу –R и по два входа – S 1 и –S 2, объединенных по функции И. Все триггеры имеют только по одному прямому выходу.

Счетчики n Счётчик — устройство, на выходах которого получается двоичный (двоично-десятичный) код, определяемый числом поступивших импульсов. Счётчики могут строится на Tтриггерах. Основной параметр счётчика — модуль счёта — максимальное число единичных сигналов, которое может быть сосчитано счётчиком. Счётчики обозначают через СТ (от англ. counter).

Cчетчики n Счетчики бывают суммирующие, когда счет идет на увеличение, и вычитающие - счет на уменьшение. Если счетчик может переключаться в процессе работы с суммирования на вычитание и наоборот, то он называется реверсивным. Но возможна и более детальня классификация(см. след. Лекцию)

Счетчики Результат счета формируется счетчиком в заданном коде и может храниться требуемое время. При этом количество импульсов, которое может подсчитать счетчик определяется из выражения N = 2 n - 1, где n - число триггеров, а минус один, потому что в цифровой технике за начало отсчета принимается 0.

Cчетчики Схема счетчика с последовательным переносом на Ттриггерах и графики, поясняющие принцип его работы

Счетчики n n n В качестве исходного состояния принят нулевой уровень на всех выходах триггеров (Q 1 - Q 3), т. е. цифровой код 000. При этом старшим разрядом является выход Q 3. Для перевода всех триггеров в нулевое состояние входы R триггеров объединены и на них подается необходимый уровень напряжения (т. е. импульс, обнуляющий триггеры). По сути это сброс. На вход С поступают тактовые импульсы, которые увеличивают цифровой код на единицу, после прихода первого импульса первый триггер переключается в состояние 1 (код 001), после прихода второго импульса второй триггер переключается в состояние 1, а первый - в состояние 0 (код 010), потом третий и т. д. В результате подобное устройство может досчитать до 7 (код 111), поскольку 2^3 - 1 = 7. Когда на всех выходах триггеров установились единицы, говорят, что счетчик переполнен.

Делитель на JK-триггерах n В качестве второго примера рассмотрим схему делителя на 10, собранную на JK-триггерах. Такой делитель по-другому называют декадным делителем или просто декадой.

Делитель на JK-триггерах n На рисунке показаны сигналы на входе схемы и на выходах всех четырех его триггеров.

Микросхемы счетчиков n Все это, конечно, интересно и даже полезно, но проще смотрится в микросхемном исполнении (см. рисунок внизу): DD 1 - это типичный счетчик с предустановкой. СТ 2 означает, что счетчик двоичный, если он десятичный, то ставится СТ 10, если двоичнодесятичный - СТ 2/10. Входы D 0 - D 3 называются информационными входами и служат для записи в счетчик какоголибо двоичного числа. Это число отобразится на его выходах и от него будет производится начало отсчета. Другими словами, это входы предварительной установки или просто предустановки.

Микросхемы счетчиков, назначение входов Вход V служит для разрешения записи кода по входам D 0 - D 3, или, как говорят, для разрешения предустановки. Этот вход может обозначаться и другими буквами. Предварительная запись в счетчик производится при подаче сигнала разрешения записи в момент прихода импульса на вход С. Вход С тактовый. Треугольник означает, что счетчик срабатывает по спаду импульса. Вход R служит для обнуления счетчика, т. е. при подаче импульса на этот вход на всех выходах счетчика устанавливаются лог. 0. Вход PI называется входом переноса.

Вопросы для самоконтроля n n n n Области применения триггеров. Для чего нужены антидребезговые устройства? Недостатки простейшего RS триггера. Принцип действия D-триггера. Назначение входов D-триггера. Поясните диаграмму работы JK-триггера. Какие счетчики вам известны? 44