Лаброб4(тригери)
.pdfЛАБОРАТОРНА РОБОТА 4
Дослідження тригерів
Влабораторній роботі виконуються такі досліди:
•Дослідження RS - тригера;
•Дослідження D - тригера;
•Дослідження JK - тригера.
Мета роботи:
Ознайомлення з принципами побудови тригерів та їх експериментальне дослідження в пакеті Electronics Workbench v5.12.
План виконання лабораторної роботи
1 Вивчити розділ «4.1 Теоретичні відомості».
2 Відповісти на контрольні питання розділу «4.4 Контрольні питання».
3Ознайомитись з віртуальними приладами, які використовуються в лабораторній роботі (розділ «4.2 Опис контрольно-вимірювальних приладів»).
4 Виконати лабораторну роботу згідно розділу «4.3 Завдання лабораторної роботи».
5 Оформити звіт по лабораторній роботі.
1
4.1 Теоретичні відомості
До тригерів прийнято відносити всі запам’ятовуючі пристрої, що мають два стійких стани. В основі будь-якого тригера лежить схема, що має два стійких стани – бістабільна схема (БС) і схема керування (СК) (рис. 4.1 а).
Схема керування перетворює вхідні сигнали таким чином, щоб виконувався заданий закон перемикання тригера в цілому. Для забезпечення надійного перемикання в точках A
для деяких типів тригерів повинні бути застосовані затримки.
Для цієї мети можуть використовуватись запам'ятовуючі елементи на основі БС того ж типу, що вже є в тригері (рис. 4.1 б).
а)
б)
Рис. 4.1 – Будова тригерів
Схему такого тригера називають схемою типу M − S (від англ. “master-slave”), оскільки стан основної БС, названої відомою, повторює стан додаткової БС, названої ведучою.
2
Вхідні сигнали в залежності від ролі, яку вони виконують, поділяються на три категорії:
-інформаційні (логічні);
-підготовчі;
-виконавчі (командні).
Сигнали на інформаційних входах визначають інформацію, яка буде записана в тригер. Роль підготовчих і виконавчих сигналів – допоміжна: за допомогою підготовчих сигналів можна в потрібний момент часу перервати дію тригера або групи тригерів,
зберігаючи при цьому інформацію на виході.
Виконавчі сигнали задають момент прийому вхідної інформації тригером і служать для синхронізації роботи ряду пристроїв, що утворюють функціональний вузол. Ці сигнали часто так і називають – синхронізуючими або тактовими.
Входи тригера за характером вхідних сигналів поділяються на ті ж три категорії:
-інформаційні (логічні);
-попереднього встановлювання (підготовчі);
-тактові (синхронізуючі).
Класифікацію тригерів можна проводити за різними ознакам.
За способом організації логічних зв’язків розрізняють:
-тригери з роздільним встановленням станів «0» і «1» ( RS - тригери);
-з лічильним входом ( T - тригери);
-універсальні з роздільним встановленням станів «0» і «1» ( JK - тригери);
-з прийомом інформації по одному входу ( D - тригери);
-універсальні з керованим прийомом інформації по одному входу ( DV - тригери);
-комбіновані (наприклад RST -, JKRS -, DRS - тригери і т. д.);
-з складною вхідною логікою.
За записом інформації тригери поділяються на:
-асинхронні;
-синхронні.
3
Тригери, стани яких змінюються в інтервалі дії рівнів «1» або «0» тактового імпульсу,
називаються тригерами, що спрацьовують за рівнем, а тригери, стани яких змінюються по закінченні дії рівнів «1» або «0» тактового імпульсу, називаються тригерами з внутрішньою затримкою. Інформаційні сигнали впливають на тригер тільки на протязі дії тактового імпульсу.
В синхронних тригерах з динамічним керуванням записувана інформація надходить в момент зміни амплітуди тактового імпульсу в певних напрямках, тобто під час наростання або спаду його фронту.
За кількістю інформаційних входів тригери можуть бути:
-одновходові;
-двухвходові;
-багатовходові.
Найпоширенішими є одно- і двухвходові тригери. Не слід плутати кількість інформаційних входів з кількістю фактичних входів, на які поступають інформаційні сигнали, так як реально діючий інформаційний вхід в структурі тригера може бути кон’юнкцією, диз’юнкцією або якою-небудь функцією декількох логічних змінних, діючих на інформаційних входах.
За кількістю тактових входів розрізняють:
-однотактні тригери;
-двохтактні тригери;
-багатотактні тригери.
Іноді до двохтактних відносять двохступінчаті тригери ( MS - схеми), але необхідно пам’ятати, що основне призначення останніх – отримання ефекту часової затримки інформаційних сигналів в структурі тригера, якщо такий ефект не можна реалізувати з використанням яких-небудь фізичних методів, наприклад з допомогою накопичення зарядів тощо.
За видом вихідних сигналів тригери поділяють на
-статичні;
-динамічні.
4
Статичні тригери – тригери, в яких вихідні сигнали в стійких станах залишаються незмінними у часі.
Динамічні тригери – тригери, у яких вихідні сигнали в стійких станах змінюються в часі.
За способом запам’ятовування інформації тригери можуть бути:
-з логічною організацією пам’яті;
-з фізичною організацією пам’яті.
Тригери з логічною організацією пам’яті виконуються на логічних елементах “І”, “АБО’, “НІ”, “І-НІ”, “АБО-НІ”, “І-АБО-НІ’ тощо, а тригери з фізичною організацією пам’яті є елементами запам’ятовуючих пристроїв, в яких використовуються нелінійні властивості матеріалів або вольт-амперні характеристики компонентів.
За способом зберігання інформації розрізняють:
-тригери з активним зберіганням інформації (вхідний інформаційний сигнал діє постійно);
-тригери з пасивним зберіганням інформації (вихідний інформаційний сигнал може бути отриманий тільки за допомогою спеціального опитувального сигналу).
До схемотехнічних параметрів відносять параметри логічних елементів, на яких
виконаний |
тригер: |
||
- |
K ОБ |
– |
коефіцієнт об’єднання по входу; |
- |
K РОЗ |
– |
коефіцієнт розгалуження по виходу; |
-рівні «0» і «1»;
-вхідні і вихідні струми і т. д.
На відміну від логічних елементів, параметрами тригера є:
-дозволяючий час тригера tдозв. .
Це найменший інтервал часу між вхідними сигналами мінімальної тривалості, які викликають безперебійне перемикання тригера. Очевидно, що t залежить від того, яке значення вкладається в слова “безперебійне перемикання тригера”.
5
Прийнято рахувати, що тригер перемикається безперебійно, якщо будь-яке значення вихідного сигналу, що визначається правилами роботи, має тривалість не меншу ніж
середній час затримки поширення t одного логічного елемента схеми;
-максимальна частота перемикання тригера f max :
f max = |
1 |
. |
(4.1) |
|
|
||||
t дозв. |
||||
|
|
|
Так як, як було показано вище, вихідні сигнали тригера під дією вхідних сигналів з частотою f max мають тривалість t зт.п.сер. , то, враховуючи тривалість фронтів наростання і спадання, можна зробити висновок, що ці вихідні сигнали є недостатніми для надійної передачі інформації в логічні кола, так як рівні «1» і «0» в цьому випадку не будуть фіксуватись.
Для забезпечення їхньої фіксації прийнято зменшувати частоту в 1,5 рази і вважати її робочою, тобто:
f = f max . (4.2)
роб.
1,5
(параметр f роб. вказується в паспорті або ТУ для найгірших умов роботи);
-мінімальна тривалість вхідного сигналу tі :
k |
|
tі = ∑t зт.п.сер. , |
(4.3) |
i =1
де:
k– кількість елементів в ланцюгу від входу інформаційного або тактового сигналу до входу елемента, на якому замикається тригерне кільце оберненого зв’язку;
6
-час затримки переключення тригера t зат.пер. :
l |
|
t зат.пер. = ∑t зт.п.сер. , |
(4.4) |
i =1
де:
l– кількість елементів в ланцюгу від входу інформаційного або тактового сигналу до виходу елемента, на якому підтверджується стан тригера.
Звизначення tі і t зат.пер. випливає, що l = k + 1 . Одиниця характеризує затримку
поширення одного з |
логічних |
елементів, на яких виконується елементарна |
запам’ятовуюча комірка тригера. |
|
|
Сукупність параметрів |
f роб. , tі , |
t зат.пер. визначає швидкодію тригерів і в загальному |
випадку швидкодію цифрових пристроїв, які виконані на їхній основі.
Тригери являють собою елементарні послідовні автомати і характеризуються:
-числом інформаційних входів не більше трьох (більшість реалізованих схем тригерів мають не більше двох входів);
-числом внутрішніх станів для споживача інформації з тригера, рівним двом, чому відповідає одна внутрішня змінна, яку прийнято позначати символом Q ;
-числом вихідних змінних Y не більше однієї, причому значення Y співпадає з значенням Q ; як правило, в тригерах поряд з значенням Q утримується інверсна змінна
Q ; |
|
|
- функцією переходів або |
зв’язку внутрішніх змінних для моменту часу |
t з |
значеннями вхідних і вихідних |
змінних для моменту часу t + 1 , які називаються |
|
характеристичними рівняннями |
|
|
|
Qt +1 = f (xt ,Qt ), |
(4.5) |
і є повними, тобто тригери володіють повною системою переходів.
7
Тригер RS типу містить два входи:
-вхід S (від англ. “set” – установлювати) – вхід установки тригера в стан Q =1;
-вхід R (від англ. “reset” – скидати) – вхід установки тригера в стан Q =0.
Схема RS - тригера на елементах “АБО-НІ” та його умовне графічне позначення наведені на рисунку 4.2.
Si |
Ri |
Qi |
Qi+1 |
0 |
0 |
- |
- |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
1 |
x |
x |
а) |
б) |
в) |
Рис. 4.2 – Схема RS - тригера на елементах “АБО-НІ” (а), його умовне графічне позначення (б) та таблиця істинності (в)
Роботу такого тригера можна описати таким чином:
-при управляючих сигналах Si = Ri =0 стан тригера не змінюється, тобто, якщо Qi =0,
то і Qi +1 =0, якщо Qi =1, то і Qi +1 =1,
де:
Si , Ri , Qi – стани входів і виходу в i -ий момент часу;
Qi +1 – стан виходу в (i + 1) -ий момент часу;
-при Si =1, Ri =0 на виході тригера встановлюється сигнал Qi +1 =1;
при цьому якщо Qi =0, то стан тригера зміниться, якщо Qi =1, то тригер зберігає свій стан;
-при Si =0, Ri =1 на виході тригера встановлюється сигнал Qi +1 =0;
при цьому якщо Qi =0, то тригер зберігає свій стан, якщо Qi =1, то стан зміниться на
протилежний;
- поєднання вхідних сигналів Si = Ri =1 є забороненим для даного типу тригера, стан
Qi +1 при цьому є невизначеним.
8
З опису випливає, що стан RS - тригера на елементах “АБО-НІ” (тригера з прямими входами) змінюється при переході відповідного вхідного сигналу з «0» у «1».
На рисунку 4.3 наведено схему та умовне графічне зображення RS - тригера на елементах “І-НІ” (інверсний тригер).
Його функціонування аналогічне функціонуванню тригера з прямими входами з тією лише різницею, що стан тригера змінюється при зміні вхідного сигналу з «1» у «0», а
забороненою комбінацією є комбінація Si = Ri =0.
а) |
|
|
|
б) |
|
|
|
|
|
Si |
Ri |
Qi |
Qi+1 |
|
0 |
0 |
x |
x |
|
1 |
0 |
1 |
0 |
|
0 |
1 |
0 |
1 |
|
1 |
1 |
- |
- |
|
в)
Рис. 4.3 – Схема інверсного RS - тригера на елементах “І-НІ” (а) , його умовне графічне позначення (б) та таблиця істинності (в)
Розглянуті два типи тригерів є асинхронними, тому що їхнє спрацьовування відбувається в моменти відповідних змін вхідних сигналів.
9
У синхронних тригерах є додатковий вхід C для синхронізуючих сигналів. Інформація,
яка подається на входи R та S , записується в тригер тільки при C =1.
На рисунку 4.4 зображений синхронний RS - тригер на елементах “І-НІ”. Синхронні тригери порівняно з асинхронними характеризуються більш високою завадостійкістю.
|
а) |
|
|
|
б) |
|
|
|
|
|
|
|
|
Si |
|
Ri |
|
Ci |
Qi |
Qi+1 |
|
0 |
|
0 |
0 |
- |
- |
|
0 |
|
0 |
1 |
- |
- |
|
1 |
|
0 |
0 |
- |
- |
|
1 |
|
0 |
1 |
1 |
0 |
|
0 |
|
1 |
0 |
1 |
0 |
|
0 |
|
1 |
1 |
0 |
1 |
|
1 |
|
1 |
0 |
0 |
1 |
|
1 |
|
1 |
1 |
x |
x |
в)
Рис. 4.4 – Схема синхронного RS - тригера на елементах “І-НІ” (а), його умовне графічне позначення (б) та таблиця істинності (в)
RS - тригери за структурою M − S можуть бути реалізовані на основі синхронних RS -
тригерів.
У схемі, зображеній на рисунку 4.5 між основною (елементи D8 , D9 ) і допоміжною
(елементи D3 , D4 ) БС включений інвертор, що блокує передачу інформації на основну БС при записі її на допоміжну БС.
Дійсно, при C =1 сигнал R або S записується в RS - тригер на елементах D3 , D4 .
Однак зміна на його виходах не передається на входи другого RS - тригера (на елементах
D8 , D9 ), тому що сигнал з виходу інвертора перешкоджає цьому.
10