Триггеры – Цифровая техника

July 19, 2015 by admin Комментировать »

Триггер — цифровая микросхема, способная запоминать входной цифровой сигнал. Также он может стереть и (или) проинвертировать записанный в него сигнал.

Триггеры гораздо сложнее логических элементов — большинство триггеров состоит из 2…10 хитроумно соединенных между собой логических элементов с разной логикой работы, — поэтому у триггера впервые появляются специализированные входы, которые присущи всем микросхемам, кроме логических элементов. Для логического элемента (например, 2И — двухвходового элемента И) безразлично, на какой из входов подать уровень лог. «0», чтобы на выходе также появился «ноль», — оба входа равнозначны. У микросхем же со специализированными Входами каждый сигнал должен подаваться на свой вход, в противном случае работа устройства (микросхемы) нарушится. Но выход микросхемы из строя при этом не произойдет, как уже отмечалось выше, в современных микросхемах защита «от дурака» организована на высочайшем уровне, и микросхема «переваривает» даже взаимоисключающие сигналы. Поэтому экспериментировать с ними можно без опаски.

Рассмотрим простейший триггер типа RS (он называется RS-триггер). Этот триггер самый простой из всех известных науке (после триггера Шмитта, но этот триггер ближе к логическим элементам), поэтому он в виде «бесплатного приложения» встроен в большинство более сложных триггеров. Для экспериментов с RS можно выбрать любую микросхему: К561ТМ2, ТВ1 или ТР2 (рис. 1.54). В первых двух случаях все неиспользуемые входы (только входы!) нужно соединить с общим проводом.

У RS-триггера обычно бывает один (прямой) или два (прямой и инверсный) выхода и два входа: установки — S (set — установка) и сброса — R (reset — сброс). Работает RS-триггер очень просто. В исходном (нерабочем) состоянии на обоих входах должны присутствовать уровни лог. «0». При подаче уровня лог. «1»на вход сброса R триггер обнулится и на его прямом выходе появится уровень лог. «0», а на инверсном (если он есть) — уровень лог. «1». При подаче уровня лог. «1»на Вход S (на входе сброса в это время лог. «0») уровни на выходах изменятся: на Прямом — уровень лог. «1», а на инверсном — лог. «0». Когда на обоих входах триггера присутствуют уровни лог. «0». триггер находится в

Рис. 1.54. Триггеры режиме хранения информации — на его выходе бесконечно долго (пока не отключите питание) будет поддерживать тот уровень, который был активизирован последним. То есть, если на входе R поддерживается нулевой уровень (он соединен с общим проводом), а на вход 5 поступил короткий «единичный» импульс, на выходе будет оставаться уровень лог. «1»до тех пор, пока «единица» не поступит на вход сброса R.

Если подать уровни лог. «1» одновременно на оба входа, то на обоих выходах (прямом и инверсном) установятся уррвни лог. «1». Если теперь на оба входа одновременно подать уровни лог. «0», то на выходах установятся некоторые «правильные» уровни (т. е. сигнал на инверсном выходе будет противоположным по амплитуде сигналу на прямом).

Уровень выходного сигнала зависит от ‘того, на каком из входов уровень лог. «1»сохранился дольше (т. е. на каком из входов уровень лог. «0» появился позже); если же уровень лог. «0» появился абсолютно одновременно на обоих входах, то полярность выходного сигнала зависит от того, у какого из входов меньше напряжение переключения.

Такой режим работы микросхемы называется запрещенным, так как предсказать поведение микросхемы после снятия уровней лог. «1»с обоих входов очень сложно. Но это вовсе не значит, что такой режим нельзя допускать, — во многих схемах микросхемы работают именно в запрещенном режиме. Такое включение микросхем(ы) зовется нестандартным. Если бы это включение было бы «под запретом», то, скорее всего, не было бы и самой электроники, так как почти все генераторы и одновибраторы, собранные на логических элементах (кроме триггеров Шмитта), работают только благодаря тому, что один из элементов включен нестандартно.

RS-триггер можно собрать из логических элементов (рис. 1.55). Инверторы DD1.3 и DD1.4 необязательны, но они есть во всех выпускаемых промышленностью микросхемах.

Разберемся в работе этой схемы. Допустим, что на вход S (выв. 1 DD1.1) поступает уровень лог. «1». На выходе этого элемента устанавливается уровень лог. «0» независимо от уровня на втором входе, т. е. на прямом выходе триггера (OUT) устанавливается уровень лог. «1». На обоих входах элемента DD1.2 в это

Рис. 1.55. RS-триггер на основе логических элементов время присутствуют уровни лог. «0», на его выходе — уровень лог. «1». который, во-первых, устанавливает на выводе OUT уровень лог. «0», а во-вторых, поддерживает уровень лог. «0» на выходе элемента DD1.1 даже после пропадания «единичного» потенциала на входе S. Если теперь подать уровень лог. «1» на вход R, уровни на выходах триггера сменяются на противоположные. Если на оба входа подать уровни лог. «1», то на выходах обоих элементов (DD1.1 и DD1.2) установятся уровни лог. «0», а на обоих выходах триггера — уровни лог. «1».

Из этого рисунка видно, что, во-первых, выходы триггера названы прямым и инверсным не совсем точно — в запрещенном режиме инверсный выход утрачивает свою «инверсность», — во-вторых, работа в запрещенном режиме не опасна для микросхемы и, в-третьих, длина «единичных» импульсов на входах R и S триггера может быть сколь угодно короткой, кроме того, у этих импульсов могут быть не крутые, а очень плавные фронты.

Благодаря последнему свойству RS-триггера он очень широко используется для работы с «искрящими» кнопками (рис. 1.56). Принципиальное отличие триггера от одновибратора — у него нет задержки как включения, так и отключения. Поэтому на кнопку можно нажимать сколь угодно быстро и не бояться, что два отдельных нажатия «сольются» в одно, как это бывает у одновибраторов.

Рис. 1.56. Схема включения «искрящей» кнопки ко входам RS-триггера

Работает эта схема очень просто. Пока движок кнопки находится в верхнем по схеме положении (для работы в этой схеме подходят только те кнопки, у которых переключающиеся контакты, т. е. которые имеют три вывода), на прямом выходе триггера (выход элемента DD1.1) присутствует уровень лог. «0». Он будет там до тех пор, пока движок кнопки не прикоснется ко входу элемента DD1.2, после чего на выходе появится уровень лог. «1». Возвращение триггера в исходное состояние произойдет только после того, как движок кнопки перейдет в верхнее по схеме положение.

Так как ни у одной кнопки амплитуда дребезга (механических колебаний движка) не достигает такой величины, при которой движок «стучится» попеременно в оба контакта кнопки, то на выходе триггера появляется ровно один импульс, что нам и нужно. Но некоторые кнопки-переключатели без гистерезиса переключения совместно с RS-триггером работают очень плохо: у них очень часто верхний и нижний контакты расположены слишком близко и в процессе переключения многократно замыкаются через движок друг с другом. В результате, так как задержки переключения у этой схемы нет, на выходах триггера появляются высокочастотные импульсы. Но такие кнопки встречаются очень редко (а среди современных таковых вообще нет), поэтому этот недостаток можно не учитывать. К тому же основного преимущества RS-триггера — отсутствие задержки переключения — нет ни у одного одновибратора и у большинства (если не у всех) остальных схем.

Сопротивление резисторов R1 и R2 можно взять любое — от единиц ом до единиц мегом. Эти резисторы нужны для того, чтобы поддерживать уровень лог. «0» на одном из входов. При сопротивлении менее 1 кОм сидьно возрастает потребляемый схемой ток, а при сопротивлении более 10 МОм ухудшается помехоустойчивость триггера. Оптимальное сопротивление резисторов — по

100..    . 1000 кОм.

Также на основе RS-триггера можно построить одновибратор (рие. 1.57, а) или генератор (1.57,’6). Рассмотрим их работу подробнее.

При подаче уровня лог. «1»на вход R верхнего одновибратора на рис. 1.57, а, на прямом выходе триггера устанавливается уровень лог. «0», а на инверсном — лр!\ «1». Начинает заряжаться конденсатор С1 через резистор R1. Как только он зарядится до напряжения переключения и более, на инверсном выходе одновибратора (им служит прямой выход триггера: на прямом выходе какой-то схемы (одновибратора, повторителя…) сигнал имеет ту же амплитуду, что и на входе; на инверсном выходе сигнал имеет противоположную амплитуду. Не нужно путать сложную схему (одновибратор на рис. 1.57, а) с отдельным «кирпичиком»-триггером: выходы у сложной могут не совпадать по названию с выходами триггера (появится уровень лог. «1«). На прямом выходе одновибратора уровень лог. «1»после этого будет удерживаться до тех пор, пока на входе R не появится уровень лог. «0» (см. диаграммы), и если запускающий импульс на входе R имеет очень небольшую продолжительность, то смена уровней на обоих выходах произойдет практически одновременно, после заряда конденсатора С1.

Как только на инверсном выходе триггера появится уровень лог. «0». конденсатор С1 практически мгновенно разрядится через диод VD1 до напряжения на

Рис. 1.57. Нестандартные схемы включения RS-триггеров: а — одновибратор; б — генератор импульсов; в — повторитель уровня (во всех схемах желательно использовать микросхему Κ56ΙΤΜ2, ее входы С и D соединены с общим проводом)

его обкладках, равном 0,7 В, и потом будет постепенно разряжаться через резистор R1; сопротивление Kotoporo гораздо больше прямого сопротивления диода, до нуля. Поэтому при небольшом Напряжении питания и, следовательно, небольшом напряжении переключения (у триггеров оно несколько больше, чем у логических элементов и примерно равно половине напряжения питания) длительность выходных импульсов будет Незначительно зависеть от периода следования импульсов: ведь если конденсатор «йе успеет» разрядиться через резистор до нуля и начнет заряжаться у переключившегося одновибратора не от 0, а, например, 0,7 В, то длительность выходного импульса будет несколько меньше — ведь в таком случае конденсатор зарядится до напряжения переключения быстрее.

Чем выше напряжение переключения триггера, тем более «ничтожными» становятся эти 0,7 В и их влияние на длительность импульса постепенно ослабевает. Длительность импульса на инверсном выходе одновибратора можно вычислить по эмпирической формуле Т « 0,7 · RC: где R — в мегомах (омах), С — в микрофарадах (фарадах) В скобках приведены «правильные» единицы (по международной системе СИ), но с ними работать гораздо сложнее — слишком много нулей в числах.

Абсолютно аналогично вышеописанной работает и нижняя схема одновибратора (рис. 1.57, а). У этой схемы есть только два незначительных отличия, не отражающиеся на работе, надеюсь, вы их найдете самостоятельно. Длительность выходного импульса у этой схемы равна аналогичному параметру верхней схемы, а временные диаграммы, нарисованные под рисунками, — общие для обеих схем.

Скорее всего, вы уже заметили, что вход R через интегрирующую RC-цепь подключен к прямому выходу триггера, а вход S — к инверсному. А заметив это, у вас наверняка возникло желание подключить к обоим входам и обоим выходам триггера две интегрирующие цепочки. Сделав это, вы получите генератор прямоугольных колебаний (рис. 1.57, б).

Сразу после включения питания генератора оба конденсатора разряжены, и на обоих входах триггера присутствуют уровни дог. «0». На одном из выходов триггера присутствует уровень лог. «1», который заряжает один из конденсаторов — С1 или С2. Как только конденсатор зарядится до напряжения переключения, — триггер переключится, этот конденсатор очень быстро разрядится до почти нулевого напряжения (на соответствующем входе благодаря этому практически мгновенно устанавливается уровень лог. «0», не мешающий работе триггера по второму входу), и через соответствующий резистор начнет заряжаться второй конденсатор. Потом триггер снова переключится и все вышеописанные процессы повторятся.

Преимущество такого генератора — длительность импульса и паузы можно изменять независимо друг от друга, изменяя параметры RC-цепочек в обоих каналах. Его очень серьезный недостаток — генератор может самоблокироваться. В процессе работы генератора может возникнуть такая ситуация, когда на обоих входах RS-триггера окажутся уровни лог. «1». В результате на обоих выходах также появятся уровни лог. «1», конденсаторы не смогут разряжаться и генерация сорвется (генератор самоблокируется). Для возобновления генерации один из входов нужно замкнуть на общий провод через резистор сопротивлением от нуля до 1/3 сопротивления соответствующего (R1 или R2) резистора.

Этот недостаток очень сильно ограничивает область использования генератора на основе RS-триггера. В устройствах с повышенными требованиями к безотказной работе такой генератор использовать нельзя — лучше отдать предпочтение генераторам на основе триггера Шмитта или двух инверторов. Впрочем, при работе RS-триггера на частоте меньше 1 кГц самоблокировка практически никогда не случается.

Но в некоторых устройствах, требующих триггерного включения и выключения генератора (т. е. подал короткий импульсгенератор включился, подал второй — выключился), такая схема незаменима, хотя бы потому, что она требует минимального по сравнению с другими схемами количества деталей. Включить этот генератор несложно — это уже было нами рассмотрено. А вот выключить го» раздо сложнее — для этого нужно хотя бы на одном из входов триггера удерживать в течение одного периода колебаний уровень лог. «1». Сделать это очень непросто, так как соответствующий диод (VD1 или VD2) «всячески противится» блокировке триггера (на соответствующем выходе триггера — уровень лог. «0», который течет через открытый диод на вход микросхемы). Поэтому для блокировки генератора на вход триггера нужно подать мощный «единичный» импульс, ток которого в несколько раз больше выходного тока триггера. Усилить сигнал блокировки можно с помощью эмиттерного повторителя. Выход микросхемы из строя вследствие такого обращения с ней не происходит, максимальный ток через ее выход течет только очень непродолжительное время, в течение которого заряжается «противоположный» конденсатор. После его заряда на обоих выходах установятся уровни лог. «1»и протекающий через диод ток снизится до нуля.

Благодаря некоторым особенностям работы RS-триггера в запрещенном режиме на его основе можно собрать повторитель уровня (рис. 1.57, в). Главнейшее отличие такого повторителя от всех рассмотренных ранее — наличие у него очень небольшого (около 0,03 В) гистерезиса переключения. Благодаря этому гистерезису повторитель на основе RS-триггера весьма близок к идеальному логическому элементу, напряжение на выходе которого при любом входном напряжении всегда равно какому-нибудь логическому уровню. Обычным логическим элементам до звания «идеальный» очень далеко, а у триггера Шмитта слишком большое напряжение гистерезиса (несколько вольт).

Единственный недостаток такого повторителя — несмотря на наличие у триггера Инверсного выхода, он позволяет получить только прямой сигнал; такжё при работе повторителя на одном из выходов триггера постоянно поддерживается уровень лог. «1».

Обе схемы повторителя, изображенные на рис. 1.57, в, работают совершенно одинаково, но в литературе более распространена верхняя схема, так как не все триггеры (например, К561ТР2) имеют инверсные выходы.

Когда на вход S поступает уровень лог. «0», на прямом выходе триггера устанавливается уровень лог. «0», а на инверсном — уровень лог. «1»(так как активизирована функция обнуления триггера — вход R подключен к уровню лог. «1»). При подаче на вход S уровня лог. «1»на обоих выходах триггера устанавливаются уровни лог. «1». Как видно из описания, на инверсном выходе постоянно поддерживается уровень лог. «1».

У микросхем серии К176, в отличие от серии К561, гистерезиса переключения нет, поэтому в режиме повторителя они работают как обычные логические элементы. Кроме того, генератор (рис. 1.57, б), собранный на микросхеме из этой серии, работать не будет — при заряде одного из конденсаторов до напряжения переключения напряжения на выходах триггера начнут плавно изменяться, и, пока напряжение на одном из выходов станет меньше напряжения переключения (чтобы конденсатор начал разряжаться), второй конденсатор обычно успевает зарядиться до напряжения переключения, особенно если его отношение R · С меньше, чем во втором плече. В результате на обоих входах и обоих выходах триггера устанавливаются уровни лог. «1».

Этот недостаток (самоблокировку) можно полностью устранить, если одну из интегрирующих цепочек подключить не к выходу триггера, а к выходу инвертора, вход которого соединен со вторым выходом триггера (к этому выходу подключена вторая RC-цепочка). В таком случае при исправном инверторе одинаковые уровни на обоих выходах никогда не появятся. Также свободен от этого недостатка генератор на RS-триггере, на выходе которого нет инверторов (см.

рис. 1.56). У него при уровне лог. «I» на обоих входах, на обоих выходах появятся уровни лог. «0».

RS-триггер, изображенный на рис. 1.56, можно собрать по той же схеме на элементах 2И НЕ. Входы у получившегося в результате триггера будут инверсными: в ждущем режиме на обоих входах должны быть уровни лог. «1», а для активизации какой-нибудь функции («сброс» или «установка») на соответствующий вход нужно подать уровень лог. «0» (для активизации прямого входа на него нужно подать уровень лог. «1»). В остальном работа ничем не отличается от работы триггера, собранного на элементах 2ИЛИ НЕ. Небольшие отличия вы, надеюсь, сможете отыскать сами, зная таблицы истинности (см. рис. 1.42) использующихся логических элементов. «Смешивать элементы 2ИЛИ-НЕ и 2И-НЕ в одной схеме RS-триггера нельзя.

Следующим после RS-триггера в «цифровой лестнице» триггеров идет D-триггер (рис. 1.58, а). У него, кроме уже известных нам входов R и S, еще два входа — С и D. Вход D называется информационным (data — информация), а вход С (clock) — входом синхронизации. Благодаря этим двум входам триггер получает возможность в определенное время заполнить пришедшую на его вход информацию. По входам R и S D-триггер работает так же, как и RS-триггер, рассмотренный ранее.

Простейший D-триггер (он называется асинхронным и из-за некоторых недостатков встречается очень редко) при уровне лог. «1»на входе С (здесь и далее подразумевается, что все входы прямые, а не инверсные) принимает информацию со входа D и передает ее на свои выходы. То есть в этом режиме он работает как повторитель-инвертор уровня, объединенный вход которых обозначен буквой D. При уровне лог. «0» на входе С триггер как бы закрывается (кстати, в иностранной литературе такой триггер называется триггер-защелка) и перестает реагировать на логические уровни на входе D, независимо от сигнала на этом входе на выходе сохраняется та информация, которая была там в момент перехода уровня лог. «1»в уровень лог. «0» на выходе С. И изменить ее можно только по входам R и S. Кстати, эти входы преобладающие (приоритетные), и если на входах D, С, R присутствуют уровни лог. «1», а на входе S — уровень лог. «0», то на выходе триггера устанавливается уровень лог. «0» — вход R «главнее», чем вход D, поэтому триггер обнуляется. Если на вход R подать уровень лог. «0». то триггер будет работать как обычно, -у. е. «запишет» на свой выход «единицу» со входа D. Аналогично работает и вход S, только он устанавливает на прямом выходе уровень лог. «1».

Этот триггер простейший (примитивный — надеюсь, он не обидится) как по внутренней схеме строения, так и по функционированию. Довольно часто возникает ситуация, когда на входе D присутствует высокочастотный прямоугольный сигнал, а его прохождение на выход триггера по какой-нибудь причине недопустимо. В таком случае импульс сигнала с уровнем лог. «1»на входе С должен быть очень коротким — короче половины периода сигнала на входе D. Обычно для формирования короткого импульса ко входу С подключают дифференцирующую RC-цепочку, расчет которой не так прост, как это кажется на первый взгляд. К тому же из-за нее входное сопротивление триггера по входу снижает-

Рис. 1.58. D-триггеры: а — асинхронный; б — синхронный; е — счетный триггер; г — 4-х разрядный двоичный счетчик; д — 4-х разрядный сдвигающий регистр; е — 4-х разрядный регистр памяти («заи\елка»); ж — одновибраторы с запуском по фронту импульса ся с практически бесконечного значения до сопротивления резистора R в составе цепочки… В общем, чтобы у разработчиков радиоэлектронной аппаратуры не было лишней головной боли, промышленность наладида выпуск так называемых синхронных триггеров, информация в которые записывается по перепаду уровня на входе С (обычно по фронту импульса, но существуют также микросхемы, работающие по спаду). Входы R и S у таких триггеров обычно асинхронные (т. е. не синхронные), и триггер реагирует на сигналы, присутствующие на этих входах, абсолютно одинаково, вне зависимости от уровня и перепада уровней на входе С. У некоторых микросхем (они не относятся к триггерам) вход R — синхронный, и такая микросхема обнуляется при разрешающем уровне на входе R только по перепаду уровня на входе С.

Обозначение синхронного триггера на схемах отличается от обозначения асинхронного только тем, что у первого возле входа синхронизации (вход С) нарисована маленькая косая палочка (рис. 1.58, б), символизирующая «рабочий» перепад уровней. Триггер, нарисованный на этом рисунке, реагирует на перепад уровней лог. «0» -» лог. «1»(даже китайские радиолюбители читают схемы слева направо, а не наоборот, как это у них принято), т. е. работает по фронту импульса. У микросхем, работающих по спаду сигнала, палочка смотрит сверху вниз.

По старому советскому стандарту, последствия которого до сих пор встречаются на схемах, тип синхронной микросхемы обозначается не палочкой, а треугольником. У микросхемы, работающей по фронту, острие треугольника смотрит «внутрь» микросхемы (как на рис. 1.58, б), а у работающей по спаду — смотрит наружу. Это нужно помнить, но на своих схемах лучше воспользоваться более удобными для рисования и восприятия «палочками». Как я люблю повторять, самое главное в схеме — наглядность. В противном случае ее никто, кроме автора, не поймет.

К сожалению, хотя обозначение «рабочего» перепада уровней у синхронной микросхемы на схеме является обязательным требованием, придерживаются этого правила далеко не все. Кроме того, даже в справочниках (для радиолюбителя — «последняя инстанция») иногда не указывают, какого типа — синхронная или асинхронная — эта микросхема. Поэтому подобную информацию нужно попросту знать. А узнать ее можно, испытав микросхему на макете, т. е, подключить ко входу синхронизации (вход С) выход одновибратора с кнопкой, а на вход D подавать сигналы разных уровней. А ротом нужно только заметить, при каком уровне или перепаде уровней информация на выходе триггера изменяется. Для большего удобства к выходу триггера можно подключить какой-нибудь логический пробник, например изображенный на рис. 1.47. Так «одним махом» узнать практически всю информацию об исследуемой микросхеме: на какой уровень или перепад уровней реагирует микросхема, какой из ее выходов прямой, а какой — инверсный… Поэтому, прежде чем использовать в схеме какую-нибудь новую для вас микросхему (подразумевается новый тип микросхемы), обязательно «поиздевайтесь» над ней на макете, подавая на ее разные входы разные уровни и следя за тем, что «творится» на ее выходах. Только так вы сможете узнать все тонкости ее работы, без знания которых попытки создать «что-то свое» так и останутся навсегда всего лишь попытками. А все подробности при описании работы микросхемы, которые встретятся вам в этой и других книгах, нужно воспринимать только как «руководство к действию». Лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать (или прочитать).

Но вернемся к синхронным триггерам. Такие триггеры информацию со входа D воспринимают только во время действия рабочего перепада напряжения на входе С. Если принять, что продолжительность этого перепада невелика (т. е. фронты и спады импульса синхронизации довольно крутые, именно поэтому я уделял так много внимания крутизне выходных импульсов у генераторов и одновибраторов), то появляется возможность соединить вход D с инверсным выходом микросхемы, в результате у нас получится так называемый счетный триггер (рис. 1.58, в). Как он работает, видно из диаграмм внизу рисунка.

Допустим, в начальный момент времени на инверсном выходе триггера соответственно на входе D уровень лог. «1». По приходу фронта импульса на вход С в триггер запишется «единица» и на его инверсном выходе через некоторое время появится уровень лог. «0». Это время гораздо больше времени нарастания входного напряжения (продолжительности фронта импульса синхронизаций на входе С), поэтому к моменту появления уровня лог. «0» на входе С будет не фронт импульса, а, скорее всего, постоянный уровень лог. «1». То есть переключение триггера в уровень лог. «0» не произойдет — это возможно только по фронту следующего импульса синхронизации.

Как видно из диаграмм, счетный триггер делит частоту входного сигнала на 2. Объединив несколько триггеров определенным образом (рис. 1.58, г), можно получить двоичный счетчик. Выходы у счетчиков обозначаются цифрами 1, 2, 4, 8, 16 и т. д., умножая предыдущее число на 2. Как работает двоичный счетчик, понятно из таблицы на рис. 1.59. Как видно, уровень лог. «0» на выходе 1 будет «удерживаться» только в течение одного импульса, на выходе 2 — двух, выходе 4 — четырех и т. д. Поэтому выходы счетчика и обозначили этими цифрами.

Кроме деления входной частоты, счетчики часто используют и по своему назначению — для подсчета числа импульсов. Делают они это в двоичном счислении, но перевести двоичный код В привычный нам десятичный — дело техники, и с этим прекрасно справляются специализированные цифровые микросхемы, которые называются дешифраторами. Так, после подачи Шести импульсов На вход С счетчика, изображенного на рис. 1.58, г, на его выходах 2 и 4 будут уровни лог. «1», а на всех остальных выходах — уровни лог. «0». То есть на выходе будет число «ПО». Если этот код подать На вход Дешифратора, то он обработает его в соответствии с таблицей на рис. 1.59 и напряжение появится на его выходе «6». Если соединить входы и выходы триггера несколько иначе (соединив вместе входы С всех триггеров), то у нас получится регистр. Регистры бывают разными — последовательными (рис. 1.58, д) и параллельными (рис. 1.58, е). В простонародье Первый тип регистров обычно называют сдвигающим регистром, а второй — регистром-защелкой. Эти названий, хоть и не принятые официально, все равно Довольно точно описывают работу микросхем, поэтому в дальнейшем я буду Пользоваться только ими. Регистр-«защелку» иногда называют триггером-«защелкой».

Принцип действия регистров, несмотря на сложность схемы, довольно прост.

Рис. 1.59. Таблица соответствия двоичных, десятичных и шестнадцатиричных чисел

Рассмотрим работу сдвигающего регистра (рис. 1.58, /)). Допустим, что первоначально во всех триггерах регистра записаны «нули» (кстати, у большинства выпускаемых серийно счетчиков регистров — у них все соединения между отдельными элементами выполнены внутри микросхемы, и наружу «торчат» только входы вы ходы — есть вход сброса R, к которому подключены соответствующие входы всех триггеров. При подаче на этот вход уровня лог. «1» (если он прямой) на всех прямых выходах микросхем записываются «нули». Впрочем, подробнее об этом чуть позже). Подадим на вход D уровень лог. 0, а на вход С — фронт импульса на выходе Первого триггера (выход 0 — у регистров, в отличие от счетчиков, выходы нумеруются по порядку) появится уровень лог. И», а на выходах всех остальных триггеров останутся «нули», так как время задержки первого триггера гораздо больше времени нарастания фронта импульса. Соединим теперь вход D с общим проводом, а на вход С подадим еще один импульс. Уровень лог. «1»«сдвинется» вправо — он появится на выходе 1, а на всех остальных выходах будут «нули». После следующего импульса уровень лог. «1» появится на выходе 2, потом — на выходе

3.             После четвертого импульса «единица» «исчезнет», т. е. во всех разрядах регистра будут записаны лог. «0». Но если выход 3 соединить со входом D первого триггера, она снова появится на выходе 0. Таким образом, в сдвигающий регистр можно «записать» любое двоичное число, причем кнопка, подключенная ко входу D, может быть любой, в том числе и «искрящей».

Регистр-»защелка» (рис. 1.58, е) работает еще проще. По сути, это несколько отдельных D-триггеров, которые объединены по входам С (и иногда по входам сброса R). Работают они так же, как и D-триггер, описанный выше.

Среди триггеров есть микросхема К561ТМЗ (см. рис. 1.54), которая является как бы «переходным звеном» между триггерами и регистрами. Эта микросхема состоит из 4 асинхронных D-триггеров с прямыми и инверсными выходами и объединенными входами С. Она имеет два входа С, которые объединены в «дин вход по схеме «ИСКЛЮЧАЮЩИЕ ИЛИ» (см. рис. 1.42), — об этом свидетельствует значок «=1» внутри изображения микросхемы над названием входа, и который является гербом для соответствующего логического элемента. Вообще на схематических изображениях цифровых микросхем вертикальной чертой отделяют друг от друга разные входы/выходы, не зависящие друг от друга (например, входы R и S). Одинаковые по принципу действия входы (например, несколько входов D) или входы, которые являются взаимозависимыми (входы С и D у D-триггера), отделять чертой друг от друга нельзя. Но разные группы одинановых входов (как у микросхемы К561ТМЗ — 4 входа Dm2 — С) нужно обязательно отделить друг от друга.

Соблюдая эти правила, вы значительно облегчите «жизнь» как себе, так и тем, кто будет пытаться разобраться в нарисованной вами схеме.

Я опять сел на своего любимого конька… Но вернемся к микросхеме К561ТМЗ. Работает она, несмотря на кажущуюся сложность, очень просто. Когда логические уровни на обоих входах С совпадают (т. е. на обоих входах или лог. «0», или лог. «1»), микросхема работает как повторйтель/инвертор уровня и информация со входов DI (data in — входная информация) беспрепятственно проходит на выходы DO (data out — выходная информация). Как только сигналы на входах С станут разными (на одном — уровень лог. «0», на втором — лог. «U), «мышеловка» захлопнется и на выходах DO установятся «навсегда» те уровни, которые были на входах DI непосредственно перед изменением сигналов на входах С.

Такая схема объединения входов С была выбрана не случайно, благодаря ей триггер стал воистину многофункциональным и управлять процессом записи информации можно любым уровнем. Допустим, нам нужно, чтобы запись происходила при уровне лог. «0» на одном из входов. Для этого второй вход нужно соединить с шиной питания (+U). Если же запись должна происходить при уровне лог. «1». то один из входов (любой — вывод 5 или 6) нужно соединить с общим проводом. У большинства остальных триггерных микросхем (триггеры, счетчики, регистры) «рабочим» является какой-нибудь определенный уровень или перепад уровней, поэтому иногда для согласования разных микросхем между выходом управляющей микросхемы и входом синхронизации управляемой приходится включать инвертор.

D-триггер можно использовать во всех схемах, в которых применяются простейшие RS-триггеры (см. рис. 1.56, 1.57). При использовании D-триггера в качестве одновибратора работу последнего можно значительно улучшить, если запускать его по синхронным входом (рис. 1.58, ж). В этом случае длительность Входных импульсов на входе С не влияет на Длительность выходных, а сами выходные сигналы изменяются абсолютно синхронно (т. е. одновременно) друг относительно друга, без всякой задержки, как это бывает у RS-триггера при слишком большой длительности запускающего Импульса. И еще несколько слов о крутизне импульсов на входах синхронизации С как триггеров, так и большинства других микросхем, обладающих таким входом. Если микросхема работает по перепаду уровней (а таких большинство), тб максимально возможную крутизну должен иметь как «рабочий» перепад (у микросхем, работающих по фронту, «рабочим» является перепад лог. «0» -» лог. «1»), так и «Нерабочий». Если же крутизна импульсов будет невелика, т. е. они «похожи» не на спичечный коробок, а на стог сена, то события внутри микросхемы могут развиваться по двум путям:

1)             микросхема никак не отреагирует на такой импульс и информация «в ней» не изменится;

2)             микросхема сосчитает за время действия перепада логических уровней не менее десятка импульсов, а не один-единственный, как это нужно нам.

Те же требования предъявляются и к «нерабочему» перепаду уровней. Если его крутизна будет достаточной, то микросхема «считать» его не будет, как это И задумано. Но если он будет слишком «пологий», то микросхема, работающая по фронту, плавное уменьшение напряжения на входе С может воспринять как плавное увеличение напряжения на этом входе, т. е. как «рабочий» фронт импульса. Дальше события будут развиваться по упомянутым выше двум пунктам, причем пункт 2 по закону подлости встречается гораздо чаще пункта ].

Все рассмотренные в этой книге генераторы и одновибраторы по крутизне выходных импульсов соответствуют самым строгим нормам, и, используя их, можно не ожидать от микросхем со счетным входом всяких «сюрпризов». Но если на входе С нужно сформировать короткий импульс или задержать фронт (спад) этого импульса на некоторое время, то подключать конденсаторы (соответственно дифференцирующая и интегрирующая RC-цепочки) ни в коем случае нельзя! Это можно сделать только с помощью одновибратора, который будет передавать на вход С импульсы с нужной длительностью и задержкой и обладающими при этом очень крутыми перепадами напряжения. Другого пути (выхода) в этой ситуации нет. К сожалению, разработчики цифровых микросхем до сих пор не догадались ни в одну микросхему на вход С поставить триггер Шмитта или аналогичную ему схему, которые, как известно, способны работать даже с переменным напряжением. Почему они до этого не догадались — мне неизвестно. Но внедрение триггера Шмитта, состоящего максимум из 6 полевых транзисторов, в микросхему, которая содержит несколько сотен транзисторов, на стоимости и сложности изготовления последней практически не отразилось бы. Поэтому все «беды» приходится списывать на дураков и бюрократов.

У D-триггера есть «старший брат», который несколько сложнее и универсальнее D-триггера. Называется эта микросхема JK-триггером (рис. 1.60). У этого триггера вместо одного входа D есть два — J и К, которые так же, как и вход D, зависят от входа синхронизации С.

Рис. 1.60. JK-триггер: а — изображение на схемах; б — замена JK-триггером

D-триггера

Этот триггер — самый сложный из всех ныне существующих и поэтому наиболее универсальный: им можно заменить RS- и D-триггеры, но обратная замена невозможна. Работает он гораздо сложнее, чем D-триггер, а в схемах он используется очень редко — не очень больших возможностей более простого D-триггера чаще всего хватает для большинства схем.

Для большей простоты предположим, что входы R и S триггера соединены с общим проводом, а на вход С поступают низкочастотные импульсы с очень большой крутизной перепадов уровней. Входы J и К через резисторы сопротивлением 1 кОм.,.1 МОм соединены с общим проводом.

Подключив к микросхеме напряжение питания, а к ее выходам и выходу генератора импульсов три логических пробника, собранных по любой схеме (например, по рис. 1.41), можно заметить, что микросхема никак не реагирует на сигнал генератора и уровни на ее выходах остаются неизменными. При подаче на вход К уровня лог. «1»по фронту сигнала на входе С на прямом выходе триггера устанавливается уровень лог. «0». а если «единицу» подать на вход J — на прямом выходе установится уровень лог. «1». Информация на инверсном выходе будет противоположной. То есть в этом режиме (когда на одном из входов J или К уровень лог. «1») JK-триггер работает как синхронный RS-триггер — вход J соответствует входу S, а вход К — входу R. Именно поэтому входы JK-триггера «назвали» такими буквами: буква j очень похожа на букву S, а К — на R. Поэтому, если вы уже усвоили, как работает RS-триггер, вам не составит труда разобраться в работе триггера типа JK. Нужно только помнить. Что у него входы J и К — синхронные и микросхема анализирует информацию на них только по фронту синхроимпульса на входе С.

Если на оба входа J и К подать уровни лог. «1», то микросхема превратится в счетный триггер и информация на его выходах будет изменяться в такт с импульсами синхронизации (см. диаграммы на рис. 1.58, в). Но, в отличие от D-триггера, ни с чем инверсный выход соединять не надо. Еще одно отличие счетчика на основе JK-триггера — при уровнях лог. «0» на обоих входах J и К он «останавливается» и перестает реагировать на входные импульсы.

Из JK-триггера несложно изготовить «обычный» D-триггер. Для этого необходимо проинвертировать сигнал на входе К и объединить оба входа (рис. 1.60, б). При уровне лог. «1» на входе D «единица» будет только на входе J триггера, а при уровне лог. «0» — только на входе К. Соединив вход D с инверсным выходом триггера, мы получим счетный триггер. Кстати, у некоторых микросхем с JK-триггером на входе, информация со входа К инвертируется внутри микросхемы (к таковым относится регистр К561ИР9), поэтому у них инвертор не нужен. Но у микросхемы К561ТВ1, состоящей из двух независимых JK-тритеров, все входы прямые. Инверсный вход, так же как и инверсный выход, обозначается на схемах кружком на границе «корпуса» микросхемы, а над его названием ставится мапенькая палочка (вектор без стрелки). Оба эти обозначения используются одновременно, но иногда, если название входа или выхода не указывается (т. е. вектор ставить не над чем), ограничиваются кружком. Наличие кружка возне какого-то вывода однозначно свидетельствует о том, что этот вывод инверсный (т. е. уровень на нем противоположен уровню на прямом; уровень на прямом можно определить из таблиц истинности или из описания работы микросхем) и исключений из Этого правила (аксиомы) нет.

JK-триггером можно заменить все рассмотренные выше типы триггеров (кроме триггера Шмитта, но он больше логический элемент, чем триггер). По входам R и S он работает так же, как и RS-триггер, при этом на всех остальных его входах, так же как и у D-триггера, могут быть любые уровни, т. е. их можно соединить или с шиной «+U», или с общим проводом. Если на одном или обоих входах R и S есть уровень лог. «1». то по синхронным входам триггер не пере-

Рис. 1.61. Таблицы истинности триггеров: а — muna»RS»; б — типа «D»; в — типа «JK» (знак «А’« означает режим хранения, в нем информация на выходах неизменна; знак «?» означает, что на выходах устанавливаются некоторые уровни, предсказать которые невозможно; «0//» — на входе установлен или уровень «0> или «/», но не перепад уровней)

ключается. При подаче на оба входа R и S уровней лог. «1»такой же уровень устанавливается и на обоих выходах.

Из всех триггеров чаще всего в схемах используются триггеры типа D и RS, поэтому их принцип действия должен «отлетать от зубов».

На рис. 1.61 даны таблицы истинности для всех типов триггеров. Их заучивать не надо: человек — не попугай. Нужно только знать, как каждый вход влияет на выходную информацию.

Источник: А. С. Колдунов, Радиолюбительская азбука. Том 1. Цифровая техника. / А. С. Колдунов — М.: СОЛОН-Пресс, 2003. 272 с. — (Серия «СОЛОН — радиолюбителям» Выпуск 18)

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты