10 Лабораторная работа №10 “Исследование синхронных двухступенчатых триггеров“

10.1 Цель работы

Приобрести практические навыки использования методики логического проектирования синхронных двухступенчатых триггеров, получить навыки в сборке, наладке и экспериментальном исследовании заданного типа триггеров.

10.2 Основные положения

Основным недостатком одноступенчатых синхронных триггеров является малая надежность функционирования при наличии обратных связей с выхода на вход триггера. Такие обратные связи имеют место в T- и JK-триггерах, т.к. новое состояние триггера зависит от предыдущего. Одноступенчатые структуры не обеспечивают надежной работы, так как запоминающий триггер, входящий в его состав, играет двойственную роль: с одной стороны он служит источником информации (хранит предыдущее состояние), а с другой – приемником (устанавливается в новое состояние). Совмещение этих функций в одном триггере невозможно.

В двухступенчатых триггерах противоречие между процессами сохранения старой и приема новой информации решается введением второго запоминающего элемента. Таким образом двухступенчатый триггер имеет две ступени памяти: первая служит для записи нового состояния триггера, а вторая - для сохранения предыдущего состояния на время переключения первой ступени. Запись информации в разные ступени триггера осуществляется в различные моменты времени. Обычно эти моменты соответствуют переднему и заднему фронтам синхронизирующего импульса. Такие триггеры называют также триггерами с внутренней задержкой или триггерами типа MS (master-slave). Структурная схема двухступенчатого триггера приведена на рисунке 10.1.

Синтез двуступенчатого триггера сводится к синтезу входной комбинационной схемы, формирующей функции возбуждения f1 и f2 триггера первой ступени.

Рассмотрим синтез двуступенчатого триггера на примере триггера типа JK, используя известную методику синтеза последовательностных автоматов. Порядок переключения триггера зададим таблицей переходов в таблице 10.1.

Таблица 10.1- Таблица переходов JK-триггера при С = 1

Входы		Выход
E1	E2	Q(t+1)
0 0 1 1	0 1 0 1	Q(t) 0 1 ~Q(t)

В таблице 10.1 вход E1 соответствует входу J, E2 - входу K, знаком ~ обозначена операция логического инвертирования.

Первая и вторая ступени триггера, как показано на рисунке 10.2, выполнены в виде асинхронных RS-триггеров с инверсными входами, следовательно, переключения ступеней триггера осуществляются в соответствии с таблицей переходов RS-триггера в зависимости от функций возбуждения f1 и f2. При этом вторая ступень триггера повторяет состояние первой ступени с задержкой на один такт синхронизирующего импульса.

Таким образом, переключения триггера из состояния Q(t) в состояние Q(t+1) полностью определяются функциями возбуждения f1 и f2 первой ступени триггера.

Составим таблицу функций возбуждения f1 и f2, обеспечивающих возможные переходы синтезируемого триггера из состояния Q(t) в состояние Q(t+1). При составлении этой таблицы необходимо учитывать таблицу переходов RS-триггера.

Таблица 10.2 - Таблица функций возбуждения f1 и f2

Переход		Значение функции
Q(t)	Q(t+1)	│ f1	│ f2
0 0 1 1	0 1 0 1	1 0 1 Х	Х 1 0 1

Поясним методику составления таблицы 10.2. Для переключения триггера из состояния 0 в состояние 0 (первая строка таблицы 10.2) необходимо, чтобы триггер находился либо в режиме хранения, либо в режиме записи нуля. Режим хранения в RS-триггере будет выполняться при f1=1 и f2=1, а режим записи нуля - при f1=1 и f2=0. Таким образом, переход 0 -> 0 выполняется при f1=1 и f2=X (X означает, что на этом входе состояние сигнала безразлично (0 или 1)). Триггер переключается из состояния 0 в состояние 1 (вторая строка таблицы 10.2), если для RS-триггера выполняется режим записи единицы, что обеспечивается при f1=0 и f2=1. Аналогично формируются следующие две строки в таблице 10.2.

Составим полную таблицу переходов проектируемого триггера (таблица 10.3). Остановимся кратко на методике составления таблицы 10.3. В левой части таблицы перебираются возможные наборы входных переменных комбинационной схемы: C -синхронизирующий сигнал; E1, E2 - входы триггера; Q(t) - выход первой ступени триггера. Для каждой комбинации входных переменных устанавливается, в соответствии с таблицей 10.1, новое состояние первой ступени Q(t+1). Если C=0, то первая ступень не должна переключаться Q(t+1) = Q(t).

При С=1 первая ступень переключается в соответствии с заданной таблицей переходов (таблица 10.1). Требуемые значения выходов комбинационной схемы f1 и f2, обеспечивающие заданный переход Q(t) -> Q(t+1), определяются в соответствии с таблицей 10.2.

Составим карты Карно для функций возбуждения в соответствии с таблицей 10.3.

________ E1 ________ E1

f1 --────── Q(t) f2 ─────── Q(t)

\┌───┬───┬───┬───┐ \┌───┬───┬───┬───┐

│ 1 │ X │ X │ 1 │ │ X │ 1 │ 1 │ X │

├───┼───┼───┼───┤ ├───┼───┼───┼───┤

E2│ │ 1 │ X │ X │ 1 │ E2│ │ X │ 1 │ 1 │ X │

│ ├───┼───┼───┼───┤ │ ├───┼───┼───┼───┤

││ │ 1 │ 1 │ 1 │ 0 │ ││ │ X │ 0 │ 0 │ 1 │

│ ├───┼───┼───┼───┤ │ ├───┼───┼───┼───┤

C│ │ 1 │ X │ X │ 0 │ C│ │ X │ 1 │ 1 │ 1 │

└───┴───┴───┴───┘ └───┴───┴───┴───┘

Из карт Карно следует

f1 = ~(C*E1*(~Q(t))), f2 = ~(C*E2*Q(t)).

Здесь знаком ~ обозначена инверсия функции.

На основе полученных выражений выбираются конкретные типы интегральных микросхем и строится электрическая принципиальная схема триггера.

На заключительном этапе строятся временные диаграммы работы триггера. Рекомендуется следующий порядок размещения эпюр напряжений на диаграммах: C, E1, E2,...,Q1 ,Q2. Число периодов синхросигналов на диаграммах должно быть не менее 2**p, где p-число входных переменных комбинационной схемы.

10.3 Подготовка к выполнению работы

10.3.1. Изучить структуру и принцип работы двухступенчатого триггера, методику его синтеза.

10.3.2. Соглаcно заданному номеру варианта (таблица 10.4) выполнить синтез двуступенчатого триггера. Комбинационная схема должна быть построена на элементах типа И-ИЛИ-НЕ, что обеспечит ее реализацию на лабораторном стенде, схема которого приведена на рисунке 10.2.

При синтезе может оказаться полезным исключить инверсные входы триггера первой ступени и инверсные выходы логики комбинационной схемы.

10.3.3. Начертить схему разработанного триггера, построить ожидаемые временные диаграммы его работы.

10.4 Порядок выполнения работы

10.4.1 Собрать схему триггера.

10.4.2 Исследование триггера в статическом режиме. Для этого на вход С триггера подавать сигнал от генератора одиночных импульсов. Нажатая кнопка на макете соответствует единичному значению сигнала С, отпущенная - нулевому. Нулевые уровни на входы триггера подавать, соединяя вход с общей шиной, единичные - оставляя вход свободным. Убедиться в соответствии порядка переключения триггера заданному варианту.

10.4.3 Исследование триггера в динамическом режиме. Для этого подать на его входы сигналы, обеспечивающие работу триггера в счетном режиме. Зарисовать временные диаграммы работы триггера, наблюдая их на осциллографе.