48

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №6

Триггеры

Цель работы – Ознакомление с устройством, работой и областью применения RS-, D- и JK-триггеров.

Общие сведения

Триггером называют логическую схему с положительной обратной связью и имеющую два устойчивых состояния (обладающую памятью). Переход из одного состояния в другое происходит под воздействием внешнего управляющего сигнала.

Такую логическую схему можно сформировать с помощью электромеханического реле и выключателей. На рис. 6.1 представлена схема триггера, в основу которого взято реле с самоподхватом (самоблокировкой).

Рис. 6.1. Принципиальная схема триггера.

К1 – обмотка электромеханического реле,

К1.1, К1.2 – нормально открытые контакты реле, SB1, SB2 – выключатели;

NL – электрическая лампочка, GB – источник питания.

При включении SB1 напряжение от источника питания GB поступает на обмотку реле К1 и реле срабатывает. При срабатывании реле замыкаются контакты реле К1.1 и К1.2. Через контакты К1.1 подается напряжение на электрическую лампочку NL, по свечению которой можно судить о состоянии триггера (лампочка светится – триггер находится в одном состоянии, лампочка не светится – триггер находится в другом состоянии). Контакты К1.2 блокируют выключатель SB1 (образуют положительную обратную связь). В результате этого питание на обмотку реле будет поступать и через эти контакты. Поэтому, даже после отключения выключателя SB1, реле останется включенным, и поэтому лампочка будет светиться. Такое состояние схема может сохранять сколь угодно долго, т. е. это состояние является устойчивым. Для отключения обмотки реле К1 служит выключатель SB2. При отключении SB2 обмотка реле К1 обесточивается, контакты реле К1.1 и К1.2 размыкаются, триггер вернется в начальное устойчивое состояние и лампочка NL погаснет.

Триггеры составляют основу большинства функциональных узлов, обладающих внутренней памятью: регистров, счетчиков, делителей частоты и т. д.

Триггеры классифицируют по ряду признаков.

По функциональным возможностям:

а) триггер с двумя установочными входами (RS-триггер);

б) триггер с приемом информации по одному входу (D-триггер), другое название: триггер задержки;

в) триггер со счетным входом (Т-триггер);

г) универсальный триггер (JK-триггер).

По способу приема информации:

а) асинхронный триггер (нетактируемый);

б) синхронный триггер (тактируемый).

Асинхронный триггер реагируют на информационные сигналы в момент их появления на входах триггера. Синхронный триггер реагируют на информационные сигналы при наличии разрешающего сигнала на специально предусматриваемом входе С.

Синхронные триггеры разделяются по способу управления:

а) триггер со статическим управлением,

б) триггер с динамическим управлением.

Триггер со статическим управлением реагирует на информационные сигналы при подаче на вход С лог.1 (прямой вход) или лог.0 (инверсный вход).

Триггер с динамическим управлением реагирует на информационные сигналы в момент изменения сигнала на входе С от лог.0 к лог.1 (прямой динамический вход) или от лог.1 к лог.0 (инверсный динамический вход).

Выполнение работы:

Задание 1. Изучить логику работы асинхронного RS-триггера. Составить таблицу состояний триггера. Определить правильную схему формирователя импульсов.

Простейшим триггером является асинхронный RS-триггер. Этот триггер является базовым элементом для построения других триггеров. RS-триггер состоит из двух инверторов, охваченных перекрестными связями (рис. 6.2). Он имеет два информационных входа R и S и два выхода - прямой Q и инверсный . Состояние триггера отождествляется с сигналом на его прямом выходе. Триггер находится в единичном состоянии, если на прямом выходе лог.1 (соответственно на инверсном выходе лог.0), и триггер находится в нулевом состоянии, если на прямом выходе лог.0 (соответственно на инверсном выходе лог.1).

Рис.6.2. Асинхронный RS-триггер.

а) – структурная схема на логическом элементе ИЛИ-НЕ, б) – условное обозначение,

в) – структурная схема на логическом элементе И-НЕ, г) – условное обозначение.

Для управления работой RS-триггера сигналы подаются одновременно на оба входа. У микросхем серии ТТЛ триггеры выполняются на логических элементах ИЛИ-НЕ и И-НЕ. Поскольку логические элементы ИЛИ-НЕ и И-НЕ выполняют различные логические операции, логика работы триггеров, выполненных на этих элементах, различается.

Работа RS-триггера на логических элементах ИЛИ-НЕ определяется следующей логикой:

1) Установка триггера в нулевое состояние (R=1, S=0).

Из таблицы истинности логического элемента ИЛИ-НЕ, полученной в лабораторной работе №5, следует, что для установки логического элемента в нулевое состояние на его вход (в данном случае вход R) нужно подать лог.1. Второй вход при этом блокируется. С прямого выхода Q лог.0 поступает на вход другого логического элемента. Если на вход S подать лог.0, то на инверсном выходе установится лог.1.

Таким образом, комбинация входных сигналов R=1, S=0 устанавливает триггер в нулевое состояние.

2) Установка триггера в единичное состояние (R=0, S=1).

На вход S подается лог.1. Это приведет к установлению на инверсном выходе  лог.0 и блокировки второго входа логического элемента. С инверсного выхода  лог.0 поступает на вход первого логического элемента. Если на вход R подать лог.0, то на прямом выходе Q установится лог.1.

Таким образом, комбинация входных сигналов R=0, S=1 устанавливает триггер в единичное состояние.

3) Запрещенное состояние (R=1, S=1).

Лог.1 на входе R устанавливает лог.0 на прямом выходе Q. Лог.1 на входе S устанавливает лог.0 на инверсном выходе . Такое состояние триггера является запрещенным, так как нарушается назначение прямого и инверсного выходов. Кроме того, при переходе триггера в режим хранения, состояние триггера будет неопределенным.

4) Режим хранения (R=0, S=0).

При лог.0 на входах R и S триггер переходит в режим хранения предыдущего состояния. Это состояние является устойчивым благодаря имеющимся положительным обратным связям.

В отличие от логических элементов ИЛИ-НЕ, у логических элементов И-НЕ сигналом, блокирующим второй вход, является лог.0 (инверсный относительно лог.1). Поэтому сигналы, управляющие работой RS-триггера на логических элементах И-НЕ, так же будут инверсными. На условном обозначении триггера входы для инверсных сигналов обозначаются кружочком, а на структурной схеме – знаком инверсии над символом входа (рис. 6.2б).

Соберите на лабораторном стенде асинхронный RS-триггер на логических элементах ИЛИ-НЕ, схема которого представлена на рис. 6.3.

Рис. 6.3. Монтажная схема асинхронного RS-триггера на логических элементах

ИЛИ-НЕ с индикацией состояний выходов

Подавая на входы R и S лог.0 или лог.1 составьте таблицу состояний триггера. Сигналы подавайте обязательно в порядке, представленном в табл. 6.1.

Таблица 6.1. Таблица состояний триггера на элементах ИЛИ-НЕ.

№п/п	R	S	Q
1	1	0
2	0	0
3	0	1
4	0	0
5	1	1

Определите, при какой комбинации входных сигналов триггер переходит в режим хранения предыдущего состояния, и какая комбинация входных сигналов приводит к нарушению закона работы триггера.

Соберите RS-триггер на логических элементах И-НЕ. Составьте таблицу состояний триггера, подавая на входы и лог.0 или лог.1 обязательно в порядке, представленном в табл. 2.

Таблица 2. Таблица состояний триггера на элементах И-НЕ.

№п/п			Q
1	0	1
2	1	1
3	1	0
4	1	1
5	0	0

Определите, при какой комбинации входных сигналов триггер переходит в режим хранения предыдущего состояния, и какая комбинация входных сигналов приводит к нарушению закона работы триггера.

RS-триггеры используется при формировании импульсов от механических контактов. На рис. 6.4 представлены два варианта схем такого применения триггеров. По описанию работы механических контактов, приведенного ниже, определите, какая из схем позволяет устранить дребезг контактов переключателя при формировании импульса.

Рис. 6.4. Схема формирователя импульса от механических контактов с помощью асинхронного RS-триггера: а) RS-триггер на логических элементах И-НЕ, б) RS-триггер на логических элементах ИЛИ-НЕ.

При работе любых механических контактов в момент их замыкания происходит многократный переход от замкнутого состояния в разомкнутое и обратно (дребезг контактов). Изменение сигнала на контактах механического переключателя при его работе показано на рис.6.5, а подробное описание приведено в таблице 6.3.

Рис. 6.5. Изменение напряжения на контактах механического переключателя при его работе: а) на контакте К1; б) на контакте К2

Таблица 6.3. Изменение состояния триггера в процессе работы переключателя

Состояние переклю чателя	Время переклю чения t	Состояние контактов	Сигнал на контактах		Состояние триггера на лог. элементах ИЛИ-НЕ		Состояние триггера на лог. элементах И-НЕ
			К1	К2	Q		Q
	0-t1	Устойчивый контакт между К3 и К2	1	0
Включение	t1-t2	Контакт К3 находится между контактами К1 и К2	1	1
	t2-t3	Дребезг контактов К3 и К1	0	1
			1	1
			0	1
	t3-t4	Устойчивый контакт между К3 и К1	0	1
Выклю чение	t4-t5	Контакт К3 находится между контактами К1 и К2	1	1
	t5-t6	Дребезг контактов К3 и К2	1	0
			1	1
			1	0
	>t6	Устойчивый контакт между К3 и К2	1	0

По сигналам на контактах К1 и К2 и по данным таблицы состояний RS-триггеров на логических элементах ИЛИ-НЕ и И-НЕ заполните таб. 6.3.

Определите, какая из схем позволяет устранить дребезг контактов переключателя при формировании импульса.

Задание 2. Изучить принцип работы D-триггера. Составить временную диаграмму работы триггера в счетном режиме. Изучить работу делителя частоты на D-триггере.

D-триггер является дальнейшим развитием RS-триггера. Он имеет один информационный вход D. Принцип работы D-триггера ясен из его структурной схемы (рис. 6.6).

Рис. 6.6. Структурная схема D-триггера

Для увеличения функциональных возможностей логику D-триггера усложняют. На рис. 6.7а приведено условное обозначение D-триггера микросхемы К555ТМ2. Этот триггер кроме входа D имеет три дополнительных входа: C, R и S. По способу приема информации триггер микросхемы К555ТМ2 относится к тактируемому (синхронному), а по способу управления - к динамическому управлению. С приходом тактового импульса на вход С, триггер по фронту этого импульса (переход от лог.0 к лог.1) принимает состояние, определяемое сигналом на входе D. На условном обозначении триггера управление по фронту обозначается косой чертой «/» на входе С.

Входы R и S называются установочными. Они служат для предварительной установки триггера в нулевое (R) или единичное (S) состояние и являются приоритетными по отношению к другим входам триггера. Входы R и S являются инверсными, поэтому установка триггера в нулевое состояние происходит при подаче лог.0 на вход R, а установка триггера в единичное состояние – при подаче лог.0 на вход S. При работе триггера на эти входы должна быть подана лог.1.

D-триггер с динамическим управлением может работать в счетном режиме (в качестве Т-триггера). Для этого вход D соединяется с инверсным выходом триггера (рис. 6.7б). При работе в счетном режиме вход С является счетным, а импульсы, поступающие на этот вход, называются счетными.

Соберите на лабораторном стенде счетный триггер, схема которого представлена на рис. 6.7б.

Рис. 6.7. D-триггер:

а) - условное обозначение (микросхема К555ТМ2); б) - монтажная схема счётчика на D-триггере

Установите триггер в нулевое состояние, и, подавая на вход счетные импульсы, составьте временную диаграмму работы триггера (рис. 6.8).

Рис. 6.8. Временная диаграмма работы D-триггера в счетном режиме

При работе в счетном режиме происходит деление частоты входных импульсов. Соберите делитель частоты, схема которого представлена на рис. 6.9.

Рис. 6.9. Монтажная схема делителя частоты на D-триггере

Изменяя длительность развёртки осциллографа или параметры импульсов генератора, получите на экране осциллографа (канал II) не менее 3-х импульсов. Сравните полученную осциллограмму с временной диаграммой работы триггера на рис. 6.8. Зарисуйте полученные осциллограммы с соблюдением масштаба. Определите амплитуду, длительность и период следования импульсов.

Задание 3. Изучить принцип работы JK-триггера. Составить таблицу состояний триггера.

JK-триггер является результатом дальнейшего развития схемотехники триггеров. Этот триггер является универсальным, так как он может быть использован в качестве RS, D или Т триггеров.

Структура JK-триггера аналогична структуре синхронного RS-триггера и отличается наличием дополнительных перекрестных обратных связей. Назначение входов J (установка в единичное состояние) и K (установка в нулевое состояние) подобно назначению входов S и R в RS-триггере. Однако у JK-триггера нет запрещенной комбинаций входных сигналов, так как благодаря дополнительным перекрестным связям он в этом случае будет работать в счетном режиме. В этом режиме при подаче на счетный вход С импульсов, JK-триггер меняет свое состояние на противоположное.

Для увеличения функциональных возможностей логику JK-триггера усложняют. На рис. 6.10а приведено условное обозначение JK-триггера микросхемы К555ТВ15. Кроме входов J и K этот триггер имеет еще три дополнительных входа: C, R и S. Из условного обозначения следует, что триггер микросхемы К555ТВ15 по способу приема информации относится к тактируемому (синхронному), а по способу управления – к динамическому управлению. С приходом тактового импульса на вход С, триггер по фронту этого импульса (переход от лог.0 к лог.1) принимает состояние, согласно информационным сигналам на входах J и K. На условном обозначении триггера управление по фронту обозначается косой чертой «/» на входе С.

Входы R и S называются установочными. Они служат для предварительной установки триггера в нулевое (R) или единичное (S) состояние и являются приоритетными по отношению к другим входам триггера. Входы R и S являются инверсными, поэтому установка триггера в нулевое состояние происходит при подаче лог.0 на вход R, а установка триггера в единичное состояние – при подаче лог.0 на вход S. При работе триггера на эти входы должна быть подана лог.1.

Соберите на лабораторном стенде триггер, схема которого представлена на рис. 6.10б.

Рис. 6.10. JK-триггер:

а) - условное обозначение (микросхема К555ТВ15); б) - монтажная схема с индикацией состояний выходов.

Составьте таблицу состояний JK-триггера (таб. 6.4). Для этого на входы J и K подайте лог.0 или лог.1.

Таблица 6.4. Таблица состояний JK-триггера.

Сигналы на информационных входах		Предварительная установка триггера с помощью входов R или S	Состояние триггера в зависимости от порядкового номера тактового импульса
			1-й импульс	2-й импульс	3-й импульс	4-й импульс
J	K
0	0	0
		1
1	0	0
		1
0	1	0
		1
1	1	0
		1

Предварительно установите триггер с помощью входов R и S в нулевое или в единичное состояние. Запишите в состояние выхода триггера в зависимости от порядкового номера тактового импульса.

По полученной таблице состояний определите, при каких комбинациях сигналов на J и K входах триггер устанавливается:

а) в нулевое состояние,

б) в единичное состояние,

в) работает в счетном режиме

г) переходит в режим хранения записанной ранее информации.