Электроника:Цифровая электроника/Мультивибраторы/Защёлки с запуском по фронту сигнала: триггеры

Содержание

Теория

Практика

Проверка знаний

Рецепты

Эксперименты

Резерв

Резерв

Резерв

Резерв

Перевод: Макаров В. (valemak)

Проверка/Оформление/Редактирование: Мякишев Е.А.

Защёлки с запуском по фронту сигнала: триггеры

До сих пор мы рассматривали схемы SR- и D-защёлок с разрешающими входами. Защёлка (будь то SR или D) реагирует на входные данные только тогда, когда активирован вход разрешения. Однако во многих цифровых приложениях желательно ограничить срабатывание схемы-защёлки очень коротким периодом времени, а не в течение всего времени, пока активирован разрешающий вход.

Один из методов включения схемы мультивибратора называется запуском по фронту, когда входы управляют выходом только в то время, пока разрешающий вход переходит из одного состояния в другое.

Сравним временны́е диаграммы для обычной D-защёлки и для той, что запускается по фронту:

Рис. 1. Обычный отклик D-защёлки.

Рис. 2. Отклик D-защёлки, запускаемой по положительному фронту.

На первой временно́й диаграмме выходы реагируют на вход D всякий раз, когда вход разрешения (E) имеет «высокий» уровень, независимо от того, насколько долго он остаётся «высоким». Когда сигнал разрешения возвращается в «низкое» состояние, схема остаётся «защёлкнутой».

На второй временно́й диаграмме видим совершенно другую реакцию на выходе(-ах) схемы: она реагирует на вход D только в тот короткий промежуток времени, когда сигнал разрешения изменяется или переходит с «низкого» уровня на «высокий». Это явление известно как запуск по положительному фронту.

Существует также такая вещь, как запуск по отрицательному фронту, и он даёт такой отклик на те же входные сигналы:

Рис. 3. Отклик D-защёлки при запуске по отрицательному фронту.

Всякий раз, когда мы включаем схему мультивибратора на переходном фронте прямоугольного сигнала включения, мы называем это триггером, а не защёлкой.

Следовательно, SR-схема с запуском по фронту более известна как SR-триггер, а D-схема с запуском по фронту – как D-триггер. Сигнал включения в этом случае известен как тактовый сигнал. Кроме того, входы данных (S, R и D соответственно) этих триггеров мы называем синхронными входами, поскольку они действуют только во время фронта (перехода) тактового импульса, тем самым синхронизируя любые изменения выхода размером с этот тактовый импульс, а не зависимо от входных данных.

Но как именно реализуется данный запуск по фронту? Создать «вентильную» SR-защёлку из обычной SR-защёлки достаточно просто с помощью пары логических элементов И, но как нам реализовать логику, которая реагирует только на нарастающий или спадающий фронт изменяющегося цифрового сигнала?

Что нам нужно, так это цифровая схема, которая выдаёт короткий импульс всякий раз, когда вход активируется в течение произвольного периода времени, и мы можем использовать выход этой схемы для кратковременного включения защёлки. Слегка забегая вперёд, скажу, что, на самом деле это своего рода моностабильный мультивибратор (о нём в следующих разделах), который пока что будем называть просто детектором импульсов.

Рис. 4. Схема детектора импульсов.

Длительность каждого выходного импульса задаётся компонентами в самой импульсной цепи. В лестничной логике это может быть легко достигнуто за счёт использования временно́го реле с очень коротким временем задержки:

Рис. 5. Лестничная схема триггера, в которой используется реле с задержкой времени.

Реализация этой временно́й функции с полупроводниковыми компонентами на самом деле довольно проста, поскольку она использует присущую каждому логическому элементу временну́ю задержку (известную как задержка распространения сигнала). Что нужно сделать, так это взять входной сигнал и разделить его на две части, затем поместить вентиль(-и) на пути сигнала, просто чтобы немного задержать его, а затем исходный сигнал и его задержанный аналог входят в вентиль с двумя входами, который выдаёт сигнал высокого уровня в течение короткого промежутка времени, когда задержанный сигнал ещё не догнал изменённый сигнал, для которого не было без задержки от «низкого» к «высокому». Пример схемы для создания тактового импульса при переходе входного сигнала от «низкого» к «высокому» показан здесь:

Рис. 6. Переход от «низкого» к «высокому» входному сигналу.

Эта схему можно преобразовать в схему детектора импульсов по отрицательному фронту только с изменением конечного вентиля с И на ИЛИ-НЕ:

Рис. 7. Схема детектора импульсов с запуском по отрицательному фронту.

Теперь, когда нам известно, как можно сделать детектор импульсов, мы можем показать его подключённым к разрешающему входу защёлки, превращая его в триггер. В этом случае схема представляет собой SR-триггер:

Рис. 8. Схема SR-триггера.

Только когда тактовый сигнал (вход C) переходит от «низкого» значения к «высокому», схема реагирует на входы S и R. Для любого другого состояния тактового сигнала (значение «x») схема будет заблокирована.

Здесь показана релейная версия SR-триггера:

Рис. 9. Версия SR-триггера в терминах лестничной логики.

Релейный контакт CR₃ на лестничной диаграмме занимает место старого контакта E в цепи SR-защёлки и замыкается только на то короткое время, когда замыкаются как C, так и контакт TR₁ с задержкой времени. В любом варианте (вентильном или релейном) схемы мы видим, что входы S и R не воздействуют на выход, если C не переходит из «низкого» (0) в «высокое» (1) состояние. В противном случае выходы триггера фиксируются в своих предыдущих состояниях.

Важно отметить, что недопустимое состояние SR-триггера сохраняется только в тот короткий период времени, в течение которого схема детектора импульсов позволяет активировать защёлку. По истечении этого непродолжительного промежутка времени выходы фиксируются либо в состоянии «Установка», либо в состоянии «Сброс». И снова проявляется проблема состояния гонки сигналов. Без разрешающего сигнала недопустимое состояние выхода не может поддерживаться. Однако действительные «защёлкнутые» состояния мультивибратора – «Установка» и «Сброс» – взаимно исключают друг друга. Таким образом, два вентиля схемы мультивибратора будут «соперничать» друг с другом за «первенство», и тот из них, кто раньше достигнет «высокого» выходного состояния, тот и «победит».

Схемные обозначения блоков для триггеров несколько отличаются от соответствующих им аналогов-защёлок:

Рис. 10. Схемные обозначения блоков для триггеров.

Символ треугольника рядом с тактовыми входами свидетельствует, что это устройства, запускаемые фронтом, и, следовательно, это именно триггеры, а вовсе не защёлки. Приведённые выше символы запускаются положительным фронтом: то есть они «тактируют» по нарастающему фронту (переходу от «низкого» значения к «высокому») тактового сигнала. Устройства, запускаемые отрицательным фронтом, обозначаются с помощью «пузырька» на «часовой стрелке»:

Рис. 11. Схемное обозначение устройства, запускаемого отрицательным фронтом.

Оба вышеприведённых триггера будут «тактировать» по отрицательному фронту (переходу от «высокого» уровня к «низкому») тактового сигнала.

Итог

• Триггер представляет собой схему защёлки со схемой «детектора импульсов», подключённой к входу разрешения (E), так что он активируется только на короткий период времени либо на положительном, либо на отрицательном фронте тактового импульса.
• Схему детектора импульсов можно выполнить из реле с задержкой времени для приложений лестничной логики или из полупроводниковых затворов (используя явление задержки распространения сигнала).