Справочное руководство по Electronics Workbench

Раздел: Цифровая схемотехника

Теоретическое введение:

Триггер - цифровой автомат, имеющий два устойчивых состояния равновесия либо 0, либо 1. Состояние триггера распознается по его входному сигналу. Под влиянием входного сигнала триггер скачкообразно переходит из одного устойчивого состояния в другое, при этом скачкообразно изменяется уровень напряжения его выходного сигнала. Для удобства использования в схемах вычислительных устройств триггеры обычно имеют два выхода: прямой Q (называется также “выход 1”) и инверсный Q^ (“ выход 0”). В единичном состоянии триггера на выходе Q имеют высокий уровень сигнала, а в нулевом – низкий. На выходе Q^ наоборот.

Если хотя бы с одного входа информации в триггер заносится принудительно под воздействием синхронизирующего сигнала, то триггер называется синхронизируемым (синхронным). Если занесение информации в триггер с любого входа производится без синхронизирующего сигнала, то триггер называется несинхронизируемым (асинхронным).

Состояние триггера определяется сигналом Q на прямом выходе триггера (или сигналом Q^ на его инверсном выходе).

Законы функционирования триггеров задаются таблицами переходов с компактной записью, при которой в столбце состояний может быть указано, что новое состояние совпадает с предыдущим либо является его отрицанием

Типы триггеров.

Триггер типа RS имеет два входа раздельной установки в нулевое и единичное состояния. Воздействие по входу S (обозначен по первой букве слова set – установка) приводит триггер в единичное состояние, а воздействие по входу R (от первой буквы слова reset – сброс) – в нулевое. Одновременная подача сигналов S и R не допускается, что является недостатком для RS-триггера.

Асинхронный RS-триггер на элементах И-НЕ показан на рисунке 3.3.1.1. Триггер образован из двух комбинационных схем И-НЕ, соединенных таким образом, что возникают положительные обратные связи, благодаря которым в устойчивом состоянии выходной транзистор одной схемы ИЛИ-НЕ закрыт, а другой открыт. Таблица 3.1.1.1 определяет закон функционирования триггера. На рисунке 3.3.1.2 приведена временная диаграмма иллюстрирующая работу асинхронного RS-триггера.

Рисунок 3.3.1.1 - Схема асинхронного RS-триггера на элементах И-НЕ

Таблица 3.3.1.1 - Таблица переходов асинхронного RS-триггера на элементах ИЛИ-НЕ

Рисунок 3.3.1.2 - Диаграмма работы асинхронного RS-триггера

При R=1 и S=0 триггер устанавливается в нулевое состояние Q=0; при R=0 и S=1 он устанавливается в единичное состояние Q=1; при R=S=0 триггер сохраняет состояние, в котором он находился до момента поступления на его входы нулевых сигналов. При R=S=1 на прямом и инверсном выходах устанавливается нулевой сигнал. Триггероное кольцо превращается в два независимых инвертора, и при переходе к хранению (R=S=0) триггер может устанавливаться в любое состояние. Поэтому такая комбинация входных сигналов запрещена.

Синхронизируемый однотактный RS-триггер приведен на рисунке 3.3.1.3. Такие RS-триггеры имеют два информационных входа R и S и вход синхронизации C. Кроме того, триггер может иметь несинхронизируемые входы R и S. В этом случае функционирование триггера осуществляется либо под воздействием несинхронизируемых входов при С=0, либо под воздействием синхронизируемых входов. В последнем случае на несинхронизируемых входах должны присутствовать сигналы, которые не влияют на состояние схемы. На рисунке 3.3.1.4 приведена временная диаграмма иллюстрирующая работу синхронного однотактного RS-триггера. 

Рисунок 3.3.1.3 - Схема синхронного RS-триггера

Рисунок 3.3.1.4 - Диаграмма работы синхронного RS-триггера

Таблица 3.3.1.2 определяет переходы RS-триггера  для синхронизируемых входов R и S. Работа в соответствии с данной таблицей осуществляется при сигнале несинхронизируемого входа R=1 и при С=1.

Таблица 3.3.1.2 - Таблица переходов для однотактного RS-триггера

Входная информация заносится в синхронизируемый однотактный RS-триггер через элементы входной логики 1 и 2 в момент поступления сигнала синхронизации С. В отсутствие сигнала синхронизации триггер может быть установлен в состоянии 0 путем подачи на несинхронизируемые вход R сигнала R=0.

Двухтактный RS-триггер. Устойчивая работа однотактных RS- триггеров в схеме с передачей информации между триггерами возможно только в случае, если занесение в триггер информации осуществляется после завершения передачи информации о прежнем его состоянии в другой триггер (см. рисунок 3.3.1.5). Это достаточно просто обеспечивается при использовании двух серий находящихся в противофазе синхросигналов. Таблица 3.3.1.3 задает закон функционирования такого двухтактного триггера. Этот тирггер изменяет свои состояния только после окончания действия сигнала синхронизации С=1 (переход в режим хранения информации). Поэтому из двухтактных триггеров можно строить произвольные схемы, в том числе подавать сигналы с выхода триггера на его вход.

Таблица 3.3.1.3 - Таблица переходов для двухтактного RS-триггера

Такой принцип обмена информации реализован в двухтактных RS- триггерах.

Рисунок 3.3.1.5 - Схема двухтактного RS-триггера

Простейшая схема двухвходного двухтактного RS-триггера показана на рисунке 3.3.1.5, она состоит из двух однотактных RS-триггеров и инвектора в цепи синхронизации. При поступлении на вход RS-триггера сигнала C=1 входная информация заносится в первый однотактный RS- триггер, а второй при этом будет хранит информацию, относящуюся к предыдущему периоду представления. По окончании действия сигнала синхронизации, когда С=0, а С^=1, первый RS- триггер перейдет в режим хранения, а второй примет то же состояние, что и первый. В результате к следующему такту на входе двухтактного RS- триггера появится сигнал нового состояния. На рисунке 3.3.1.6, приведена временная диаграмма иллюстрирующая работу двухтактного RS-триггера.

Рисунок 3.3.1.6 - Диаграмма работы двухтактного RS-триггера

Проектирование схем в Electronics Workbench

При проектировании схем в Electronics Workbench использовались элементы панели инструментов "Digital" и соответствующие функциональные элементы : Or, Nor, And, Nand.

Рисунок 3.3.1.7 - Панель инструментов "Digital"

Триггер типа D (от слова delay – задержка) принимает информацию по одному входу и реализует функцию временной задержки. D-триггер имеет только режимы установки 1 и 0. В связи с этим несинхронизируемый D-триггер не применяется, т.к. его выход будет просто повторять входной сигнал. Синхронизируемы однотактный D-триггер задерживает рапространение входного сигнала на время паузы между синхросигналами (задержка на полпериода). Для задержки на период (на один такт) используется двухтактный D-триггер.

Таблица 3.3.1.4 - Таблица истинности D-триггера

Рисунок 3.3.1.8 - Условное обозначение D-триггера

Параметры синхронного D- триггера:

D - информационный вход триггера
C - синхронизирующий вход
S - установка 1
R - установка 0
Q - информационный выход
Q^ - инверсный информационный выход
Параметры S и R служат для задания начальных условий

Триггер типа JK - универсален, с раздельной установкой нулевого и единичного состояния, в зависимости от соединения его входов он может работать как RS, T, D триггера. В отличие от триггера типа RS в нем не запрещена одновременная подача сигналов на оба входа. Входы J и K эквивалентны входам S и R установки триггера соответственно в состояния “1” и “0”.При объединении входов J и K и при подаче на них счетных импульсов.Вход J при раздельном использовании входов играет роль входа установки в единицу, а вход K - роль входа установки в нуль.

Рисунок 3.3.1.9 - Условное обозначение JK-триггера

Параметры синхронного JK-триггера:

C - синхронизирующий вход
J и K - информационные входы триггера
S - установка 1
R - установка 0
Q - информационный выход
Q^ - инверсный информационный выход
Параметры S и R служат для задания начальных условий (см. таблицу 3.3.1.5)

Таблица 3.3.1.5 - Таблица истинности синхронного JK-триггера

Триггер типа T называется триггером со счетным входом (или счетным триггером). Он изменяет свое состояние на противоположное каждый раз, когда на его вход приходит очередной сигнал. Обозначение триггера пришло от первой буквы анг.слова toggle-защелка.

Т.к. в Electronics Workbench не приводится T-триггер его можно получить объединив информационные входы JK-триггера.

Задание:

1. Используя пакет Electronics Workbench спроектировать схемы RS, D, JK, T-триггеров на основе элементов, используя для составления схемы таблицу истинности и проанализировать работы триггеров.
2. Составить отчет о выполнении лабораторной работы в MS Word. В отчет включить:
   - схемы триггеров;
   - временные диаграммы работы триггеров.

1. Схема двухтактного RS-триггера на базе элементов ИЛИ-НЕ;
2. Схема двухтактного RS-триггера с использованием микросхемы приведенной Electronics Workbench;
3. Схема D -триггера с использованием микросхемы приведенной в Electronics Workbench;
4. Схема JK-триггера с использованием микросхемы приведенной в Electronics Workbench;
5. Схема T-триггера с использованием микросхемы приведенной в Electronics Workbench.

Примечание: Для построения и анализа работы T, D и JK триггеров используйте их условные обозначения.