Классификация триггерных устройств

Триггерами (trigger или flip-flop) (триггерными устройствами, системами) называют большой класс электронных устройств, обладающих двумя и более устойчивыми состояниями электрического равновесия, способных под действием внешних (управляющих, переключающих) сигналов переключаться в любое из этих состояний и находиться в них сколь угодно долго после прекращения их действия. Состояние триггера – это значение, которое в нем хранится в настоящее время.

Если таких устойчивых состояний два, то триггеры называются бистабильными. Триггеры с числом состояний больше двух называются многостабильными. В бистабильных триггерах каждое состояние легко различимо по уровням напряжений на его выходах. Бистабильные триггеры, как правило, имеют два выхода (плеча): прямой выход обозначается Q и инверсный выход обозначается . Триггер с двумя выходами называется парафазным триггером. Ряд триггеров имеет один выход. Такие триггеры называются однофазными.

Приняв одно из состояний триггера за 1 (т.е. Q=1), второе за 0 (т.е. Q=0), можно считать, что триггер хранит один бит информации, записанной в двоичном коде. При этом в зависимости от того, какая форма сигнала принимается за 1 и 0, т.е. в зависимости от способа кодирования состояний, все триггеры подразделяются на триггеры с потенциальным и импульсным кодированием. Отличительной особенностью триггеров с потенциальным кодированием является то, что каждому состоянию триггера ставится в соответствие наличие сигнала постоянной амплитуды высокого (близкого к напряжению питания) и низкого (близкого к нулю) логических уровней. При этом, если сигнал на выходе триггера Q соответствует высокому уровню напряжения, говорят, что триггер находится в состоянии 1 (Q=1), а если низкого, то в состоянии 0 (Q=0).

Триггер с импульсным кодированием состояния характеризуется наличием импульсов определенной амплитуды и длительности, если он находится в состоянии 1, и отсутствием импульсов, если он находится в состоянии 0.

Триггеры с импульсным кодированием широко применялись на начальном этапе развития вычислительной техники, когда электронные лампы, а затем транзисторы были основными компонентами электронных устройств. В настоящее время они не находят применения и поэтому впредь будем рассматривать триггеры с потенциальным кодированием. Обобщенная структурная схема такого триггера показана на рис. 1.

Рис. 1 Обобщенная структурная схема триггера

Схема триггера состоит из элемента памяти (как правило, собственно триггера с двумя устойчивыми состояниями) и схемы управления с рядом входов .

Схема управления преобразует поступающую на её входы  информацию в одну из комбинаций сигналов 00,01,10,11 действующих непосредственно на входы  собственно триггера. Входы , на которые поступает записываемая информация, называют информационными или логическими. Кроме логических схема триггера может иметь тактовые входы или входы синхронизации ( ), разрешающие (управляющие) входы , а также входы Sd, Rd непосредственной установки триггера – установочные входы. Следует подчеркнуть, что всё многообразие применяемых триггеров определяется организацией схемы управления, которая сама может содержать дополнительные элементы памяти, и её связями с выходами триггера Q и .

Возможны и более простые схемы триггерных устройств, например такие, в которых отсутствуют разрешающие V или тактовые входы C, исключено устройство управления либо отсутствуют связи с выходов Q и  на входы устройства управления.

Цифровая схема, содержащая триггеры, называется последовательностной схемой, поскольку значение сигнала на её выходе в какой-то момент времени зависит не только от сигналов, имеющихся на входе схемы в этот момент времени, но так же и от предшествовавшей последовательности значений сигналов, которые были на её входе ранее. Другими словами, последовательностная схема обладает памятью (memory) по отношению к событиям происходившим ранее.

Классификация триггерных устройств приведена на рис. 2.

Рис. 2 Обобщенная классификация триггерных устройств

В основу классификации положены следующие признаки:

- способ схемной реализации;

- функциональный признак;

- способ записи информации в триггер;

- способ управления записью информации.

Способ схемной реализации.

Согласно этому признаку учитываются следующие основные особенности триггерных устройств:

- тип используемого элемента памяти (статический, динамический или оба одновременно);

- вид управляющего сигнала, с которым может работать триггер (импульсный, т.е. сигнал ограниченной длительности; потенциальный, т.е. сигнал неограниченной длительности, либо тот и другой);

- наличие или отсутствие в структурной схеме узлов, преобразующих потенциальные входные сигналы в импульсные. В соответствии с эти признаком все триггеры подразделяются на статические, импульсно-статические, динамические, квазистатические.

Функциональный признак — предполагает деление триггеров по виду характеристического уравнения, описывающего их поведение (функционирование). Это уравнение в общем случае записывается в виде

и отражает состояние выхода триггера в момент ( ) в зависимости от комбинации сигналов, действующих на входах триггера , и его состояния  в момент . Другими словами, характеристическое уравнение описывает реакцию триггера на комбинацию сигналов, поданных на его входы в момент , предшествующий моменту . В соответствии с функциональным признаком различают триггеры RS, D, JK, T, E, RST, R, S и других типов, т.е. по функциональному признаку присваивается название триггеру. Причем название триггера обычно дается по обозначению его информационных входов, которым вместо символов , на обобщенной структурной схеме рис. 3.1. присваиваются символы R, S, J, K, T и т.д., которые обозначают:

-S (Set — установка) — вход для раздельной установки триггера в стоянии “1”( );

-R (Reset — сброс) — вход для разделительной установки триггера в состоянии “0”( );

-T (Toggle — релаксатор(переключатель)) — счетный вход триггера;

-J (Jerk – внезапное включение) — вход для раздельной установки триггера в состояние “1” в универсальном JK-триггере;

-K (Kill – внезапное отключение ) — вход для раздельной установки триггера в состояние “0” в универсальном JK-триггере;

-D (Delay – задержка, Drive – передача ) — информационный вход для установки триггера в состояние “0” или “1”;

-V (Valve – клапан, вентиль) — управляющий (разрешающий) вход для разрешения приема либо информационных, либо тактовых сигналов;

-тактовый вход С (Clock — первичный источник сигналов синхронизации) — разрешает схеме управления запись информации в триггер.

Таким образом, по способу организации логических связей различают триггеры с раздельной установкой состояний “0” и “1” (RS-триггеры); со счетным входом (Т-триггеры); универсальные с раздельной установкой состояний “0” и “1” (JK-триггеры); с приемом информации по одному входу (D-триггеры); универсальные с управляемым приемом информации по одному входу (DV-триггеры); комбинированные (например, RST-, JKRS-,DRS-триггеры и т.п.). В некоторых случаях триггеры обозначаются одной буквой и имеют два и более информационных входа (например, триггер Е-типа).

Способы записи информации в триггер

В соответствии с этим признаком триггеры классифицируют по времени обновления информации с учетом её привязки к тактовой (синхронизирующей) частоте, действующей в устройстве. По этому признаку триггеры подразделяются на асинхронные и синхронные (тактируемые).

К асинхронным относятся триггеры, которые имеют только информационные входы. Запись информации в такие триггеры осуществляется асинхронно, т.е. в произвольные моменты времени относительно частоты синхронизирующих импульсов, а именно в момент поступления управляющих сигналов на информационные входы.

В отличие от асинхронных синхронные триггеры, кроме информационных, имеют дополнительные синхронизирующие (тактирующие) входы С. Запись информации в такие триггеры осуществляется только в момент действия тактирующего импульса (ТИ) на входе С.

В свою очередь синхронные триггеры подразделяются на триггеры однотактного и многотактного действия. Многотактные (n-тактные, n=2,3,4,…) триггеры характеризуются тем, что запись информации в триггер завершается с поступлением n-го тактирующего импульса.

Способ управления записью информации в триггер.

В ряду классификационных признаков этот признак следует считать важнейшим, так как он позволяет учесть основные моменты в работе триггера, а именно:

- какие части сигнала (фронты, уровни, их комбинации) используются для записи информации в схему управления;

- реакцию триггера на смену информации в процессе её записи;

- момент времени, когда записываемая информация появляется (фиксируется) на выходах триггера.

Можно выделить две группы триггеров, различаемых по способам управления записью информации:

- триггеры у которых прием и фиксация информации совмещены во времени;

- триггеры у которых прием и фиксация информации разнесены во времени.

К первой группе триггеров относятся триггеры, у которых для приема и фиксации информации используется только один фрагмент сигнала: уровень либо фронт. Обозначим уровни символами  и  (от слова Level – уровень), а фронты символами  и (от слова Front – фронт) (рис. 3.).

В соответствии с принятыми обозначениями триггеры, принимающие и фиксирующие информацию по уровням и фронтам, называются триггерами L- и F-типов (видов).

Ко второй группе относятся триггеры, у которых для приема и фиксации информации используются как минимум две части сигнала, например уровень и срез, уровень и фронт, фронт и срез и т.д. Такие триггеры будем обозначать двумя символами (первый указывает на интервал приема, а второй – на момент фиксации), например триггер -типа, принимающий информацию по уровню L с фиксацией на выходах по фронту (фронт 10). Возможны и другие разновидности триггеров этой группы, например -типа, принимающий информацию в схему управления по уровню (уровень 0) с фиксацией на выходе по фронту F (01) и т.д.

Объединив все классификационные признаки, получим обобщенное (символьное) обозначение (запись) триггера, позволяющее судить не только о выполняемой триггером функции, но и алгоритме его работы.

Приведем примеры такого символьного обозначения триггеров на примере статических триггеров RS-,D- и JK-типов:

тактируемый RS-триггер вида L, переключаемый по входам R и S сигналами высокого уровня (уровень L на рис. 3.3.).

Учитывая, что по входам R и S триггер управляется потенциальными сигналами уровня L, тот же триггер можно записать иначе:

 записи равноценны.

тактируемый RS-триггер вида , управляемый по входам R и S сигналами низкого уровня (уровня ). Этот же триггер можно записать иначе: .

тактируемый RS-триггер вида F, принимающий и фиксирующий информацию по фронту F (т.е. в течение небольшого интервала времени практически совпадающего с длительностью фронта).

тактируемый RS-триггер вида , принимающий информацию по уровню L с фиксацией на выходе по фронту .

тактируемый JK-триггер вида , управляемый по входам JK сигналами с уровнем логического 0.

тактируемый D-триггер вида .

асинхронный RS-триггер вида L.

асинхронный RS-триггер вида .

асинхронный RS-триггер вида F.

асинхронный RS-триггер вида .

RS-триггер RS-типа без указания классификационных признаков, учитывающих способ управления и записи (аналогично JK, D и других типов).

CRS-тактируемый RS-триггер без указания классификации признаков, учитывающих способ управления записью (аналогично CD, CJK и других типов).

R-S — асинхронный RS-триггер без указания способа управления.

Говоря об индексной классификации следует подчеркнуть, что её введение позволяет существенно упростить процедуру выбора и эффективного применения триггерных устройств, поскольку такая классификация позволяет по существу не только знать алгоритм работы триггера, но и представлять себе его выходную диаграмму, не знакомясь с его принципиальной схемой. Последнее является важным моментом в схемотехнике триггерных устройств, поскольку известно, что триггеры одного функционального типа, но различных по способам управления записью информации, имеют различные выходные диаграммы при идентичной входной.