Принципы работы триггеров

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

В настоящее время в интегральном исполнении производится много триггеров, как в виде самостоятельных изделий, так и в составе различных функциональных устройств -- счетчиков, регистров, запоминающих устройств и т. п. Они имеют сложные электрические схемы и различаются числом входов, способами ввода входной информации, реализуемой функцией переходов, элементной базой, электрическими и временными параметрами, конструктивным оформлением и другими показателями.

Триггер представляет устройство, логическую структуру которого в общем виде можно представить как систему, состоящую из собственно триггера, играющего роль ячейки памяти, и устройства управления из логических элементов, преобразующего входную информацию в комбинацию сигналов, под воздействием которых собственно триггер принимает одно из двух устойчивых состояний.

Триггер (триггерная система) -- класс электронных устройств, обладающих способностью длительно находиться в одном из двух устойчивых состояний и чередовать их под воздействием внешних сигналов. Каждое состояние триггера легко распознаётся по значению выходного напряжения. По характеру действия триггеры относятся к импульсным устройствам -- их активные элементы (транзисторы, лампы) работают в ключевом режиме, а смена состояний длится очень короткое время.

В работе была поставлена задача, исследовать D-триггер типа “защёлка”, триггер M-S типа с асинхронной установкой в 0 и 1 с помощью программных средств OrCAD и SPICE. Рассмотрены принципы работы триггеров. В качестве элементной базы были выбраны логические элементы 2ИЛИ-НЕ, ключ и инвертор, изготовляемые по КМОП технологии.

1. Общее понятие о триггерах и их разновидность

Триггерами или, точнее, триггерными системами называют большой класс электронных устройств, обладающих способностью длительно находиться в одном из двух или более устойчивых состояний и чередовать их под воздействием внешних сигналов. Каждое состояние триггера легко распознается по значению выходного напряжения. По характеру действия триггеры относятся к импульсным устройствам -- их активные элементы работают в ключевом режиме, а смена состояний длится очень короткое время.

Слово «триггер» по-английски означает спусковое устройство, курок. В технической литературе на английском языке термин trigger обычно применяют в значении глагола «запускать», а сам триггер в зависимости от функциональных свойств называют flip-flop (щелчок-хлопок) или latch (защелка, задвижка). Понятие «триггер» охватывает много устройств, которые существенно различаются между собой по выполняемым функциям, способам управления, по электрическим и конструктивным параметрам.

Отличительной особенностью триггера как функционального устройства является свойство запоминания двоичной информации. Под памятью триггера подразумевают способность оставаться в одном из двух состояний и после прекращения действия переключающего сигнала. Приняв одно из состояний за 1, а другое за 0, можно считать, что триггер хранит (помнит) один разряд числа, записанного в двоичном коде.

Разрывные характеристики электронных ламп, на которых основано действие триггеров, впервые под названием «катодное реле» были описаны М. А. Бонч-Бруевичем в 1918 г. Практическая схема триггера была опубликована годом позже У. Г. Икклзом и Ф. У. Джорданом.

Триггеры можно разделить на: не тактируемые и тактируемые. Не тактируемый (асинхронный) триггер может менять свое состояние переключающими сигналами в любое время. Тактируемый (синхронный) триггер переключается синхронно с поступлением специального тактирующего импульса. Эти и другие типы триггеров показаны в таблице:

Триггеры могут быть собраны на транзисторах, на логических элементах в интегральном исполнении, а также выпускаются как готовые изделия в виде микросхем (один или несколько триггеров в общем корпусе). Независимо от того из каких компонентов составлен триггер, его можно представить в виде «черного ящика», имеющего входы и выходы.

2. Параметры триггеров и логические элементы

Информация, с которой оперирует цифровая техника, в основном представляется в двоичной системе счисления. В этой системе используются только две цифры -- 1 и О В качестве электрических эквивалентов этих цифр используют два вида сигналов, значения которых легко различить. В современных цифровых устройствах двоичная информация представляется двумя уровнями напряжения (потенциалов) -- высоким, близким к напряжению источника питания, и низким -- близким к нулю. Логический элемент «инвертор» (НЕ) имеет один вход и один выход. Сигнал на его выходе всегда противоположен по значению сигналу на входе, т. е. если на входе действует логическая 1, то на выходе будет логический 0, и наоборот (рис. 1):

Элемент ИЛИ-НЕ (функция равна 0, если хотя бы одна из переменных, образующих функцию, равна 1(рис. 2):

С помощью этих элементов, а также других в различных их представлениях, и собираются различные триггеры.

В настоящее время, в интегральном исполнении производится много триггеров как в виде самостоятельных изделий, так и в составе различных функциональных устройств -- счетчиков, регистров, запоминающих устройств и т. п. Они имеют сложные электрические схемы и различаются числом входов, способами ввода входной информации, реализуемой функцией переходов, элементной базой, электрическими и временными параметрами, конструктивным оформлением и другими показателями.

Триггер представляет устройство, логическую структуру которого в общем виде можно представить как систему, состоящую из собственно триггера, играющего роль ячейки памяти, и устройства управления из логических элементов, преобразующего входную информацию в комбинацию сигналов, под воздействием которых собственно триггер принимает одно из двух устойчивых состояний.

Характерная черта современных триггерных систем в интегральном исполнении -- собственно триггер и устройство управления составляют единый функциональный узел и в схемном, и в конструктивном отношениях. Термин «триггерная система» обычно не применяется, но применительно к микросхемам под словом «триггер» подразумевают именно всю систему -- совокупность ячейки памяти вместе с управляющим устройством.

3. Важные параметры триггеров и способы управления

Триггеры, в зависимости от того, какой параметр входных сигналов используется для ввода информации, подразделяются на три категории: триггеры со статическим управлением записью (управляемые по уровню входного сигнала), с динамическим управлением (управляемые по фронту или срезу) и двухступенчатые триггеры.

Каждый конкретный тип триггера, помимо переключательных свойств, оценивается рядом дополнительных параметров, обусловленных его схемотехническим и конструктивным исполнением. Некоторые из этих параметров специфические, триггерные, другие -- характеризуют конкретную серию микросхем в целом и относятся не только к триггерам, но и к другим изделиям данной серии. Быстродействие триггера характеризуется максимальной частотой смены входных сигналов, при которой еще не нарушается нормальное функционирование.

Быстродействие -- один из важнейших параметров триггера, как, впрочем, и других узлов цифровой техники, так как определяет время обработки входной информации. Инерционность полупроводниковых приборов и паразитные емкости служат причиной того, что каждое переключение сопровождается переходными процессами, отчего фронты импульсов растягиваются.

Напряжение питания триггеров определяется видом логики и серией микросхем, к которой принадлежит конкретный тип. Микросхемы ТТЛ питаются напряжением 5 В. Некоторые микросхемы КМОП - структуры питаются напряжением 9 В, другие могут работать в широком диапазоне питающих напряжений--от 3 до 15 В.

С напряжением питания связаны уровни сигналов логической единицы V^х и логического нуля U⁰, а также перепад логических уровней

и_л = U^l--U°.

Для устройств ТТЛ и ДТЛ логический размах сигнала составляет примерно 0,7 U_{n. п}, для КМОП - структур он, практически, равен напряжению источника питания.

Пороговое напряжение Ј/_пор (чувствительность) -- наименьшее напряжение на входе, при котором триггер переходит из одного устойчивого состояния в другое.

Количество входов разных видов (информационных, подготовительных, исполнительных, побочных) характеризует функциональные возможности триггера помимо логических, определяемых его названием. Так, например, триггер вида 3J-3K-RS помимо переключательных функций способен выполнять операции ЗИ по входам / и К и допускает асинхронную установку в 1 и в 0 по входам S и R.

Коэффициент разветвления К_раз. по выходу (коэффициент нагрузки) характеризует нагрузочную способность микросхем, в том числе и триггеров. Этот параметр определяет максимальное количество входов логических элементов и триггеров той же серии, которым можно нагружать выходы данной микросхемы без нарушения режимов ее работы. Для триггеров ТТЛ, выпускаемых в качестве самостоятельных изделий, как" правило, /С_раз -- = 10. Для схем КМОП коэффициент разветвления много больше: входы КМОП - структур имеют огромное сопротивление. Единственная причина, ограничивающая коэффициент нагрузки в этом случае, -- паразитные емкости, внутренние и монтажа, от шунтирующего действия которых зависит максимальное гарантированное быстродействие.

Потребляемая мощность (Р_пот) характеризуется произведением напряжения питания на ток потребления:

P_пот=U_и.п*I_пот.

Эта мощность складывается из двух составляющих -- статической и динамической:

P_пот=P_ст+P_дин.

Помехоустойчивость характеризует способность триггера нормально функционировать при наличии помех, поступающих на вход наряду с полезными сигналами. Различают статическую и динамическую помехоустойчивость. Статическая помехоустойчивость оценивается наибольшей амплитудой статической помехи на входе U_n С^т, при которой еще не происходит переброс триггера. Динамическая помехоустойчивость характеризует этот параметр в режиме переключения.

Надежность Р (t) характеризуется тремя взаимосвязанными показателями: интенсивностью отказов X, наработкой на отказ Т и вероятностью безотказной работы в течение заданного промежутка времени t. Надежность триггера зависит от элементной базы, схемотехнического решения и способа изготовления триггера. В интегральных микросхемах отсутствует перегрев, они мало подвержены вибрациям и ударам, технология производства обеспечивает высокое качество изделий, и поэтому их надежность в десятки раз выше, чем триггеров, собранных из отдельных деталей.

4. Общее понятие D-триггера

D-триггеры, в отличие от рассмотренных ранее типов, имеют для установки в состояния 1 и 0 один информационный вход D. Функциональная особенность этого типа триггеров состоит в том, что сигнал на выходе Q в такте n+1повторяет значение входного сигнала Dⁿ в предыдущем такте п и сохраняет (запоминает) это состояние до следующего такта. Другими словами, D-триггер задерживает на один такт информацию, существовавшую на входе D.

D-триггер характеризуется тем, что сигналы на прямом выходе Q принимают значение, противоположное сигналам на входе D. Наименование метки D идет от первой буквы английского слова delay -- задержка, промедление. D-триггеры часто так и называют -- триггерами задержки. Временная диаграмма представлена на рис. 1.

Рис. 1

Рис. 2

На рис. 2 сокращение произведено за счет исключения первых четырех строк, характеризующих поведение триггера в отсутствие тактовых импульсов. Кроме того, опущено указание на очевидный факт, что смена состояний триггера происходит под действием тактового импульса С= 1.

Хранение информации у D-триггеров обеспечивается за счет цепей синхронизации, и поэтому все реальные D-триггеры тактируемые. Управление по тактовому входу может быть статическим, динамическим, а также двухступенчатым. D-триггер можно образовать из любого синхронного RS-триггера, а также из его разновидностей.

D-триггер на КМОП элементах. По установочным входам S и R триггер приводится соответственно в состояние логической единицы и логического нуля. Эти входы имеют приоритет по отношению к остальным: подача установочного импульса на вход S или R обеспечивает требуемое переключение независимо от сочетания сигналов на остальных входах. Минимальная длительность импульсов на этих входах 150нс при U_n = 5 В. Время задержки сигнала от входов S и R до выходов Q или равно примерно 50 и 100 нc для U_n=0 В и U_n = 5 В соответственно. Вход D -- информационный (вход данных), вход С -- тактовый. Уровень сигнала, действующий на входе D (высокий или низкий), с подачей тактового импульса устанавливается на выходе Q. Сигналы на этом входе должны опережать тактовые хотя бы на 20...40 нc и длиться не менее 15 нc. Триггер срабатывает по фронту тактовых импульсов (перепаду от низкого уровня к высокому), поступающих на вход С.

5. Принцип действия D-триггера

На рисунке изображено схемное обозначение D-триггера. Как мы видим из рисунка, у D-триггера четыре входа и два выхода. Два входа вам могут быть уже знакомы. Такие входы имеет RS-триггер. Это вход S - служащий для установки триггера в единичное состояние (от Set - установить). И вход R - вход сброса (от Reset - сбросить). Аналогично RS-триггеру у D-триггера имеется два выхода: прямой и инверсный.

Все, эти входы и выходы, работают точно так же, как и в самом RS-триггере. То есть для нормальной работы на входы R и S должен быть подан сигнал логической единицы. При поступлении сигнала логического нуля на вход S, триггер устанавливается в единичное состояние (это, когда на выходе Q - сигнал логической единицы, а на выходе Q - сигнал логического нуля). При поступлении на вход R сигнала логического нуля, триггер сбрасывается в нулевое состояние (на Q - ноль, а на Q - единица).

Кроме описанных выше входов, D-триггер имеет еще два дополнительных. Это вход данных D (именно он дал название триггеру) и вход синхронизации C. Вход C служит для синхронизации записи логического сигнала поступающего на вход D. Происходит это следующим образом: на вход D подается некий логический уровень. Например, логическая единица. Затем на вход синхронизации подается синхронизирующий импульс. По заднему фронту этого импульса происходит запись сигнала со входа D в триггер. Триггер переходит в единичное состояние. Точно так же, если на вход D триггера ноль подать логический ноль то по спаду синхроимпульса он запишется в триггер.

В данном случае под задним фронтом следует понимать момент перехода сигнала на входе C с единичного уровня в нулевой. Переход с нулевого уровня в единичный, называется передним фронтом импульса. Иногда, вместо понятия "передний фронт" импульса употребляют термин "фронт" импульса. При этом вместо понятия "задний фронт" импульса, говорят "спад" импульса. Вход C в данном случае работает не по уровню входного сигнала, как все остальные входы, а срабатывает в момент перехода из одного уровня в другой. Поэтому, такой вход называется импульсным. Импульсный вход, в соответствии с ГОСТом изображается со стрелкой у основания. Так же напомню, что инверсный выход (так же, как и инверсный вход) изображается с кружочком.

Как следует из вышеизложенного, типовой D-триггер, по сути дела, может выступать в роли как RS-триггера, так и собственно в роли D-триггера. При этом функция RS-триггера имеет приоритет. То есть при поступлении, например, на вход установки (S) низкого логического уровня, триггер установится в единичное состояние, не зависимо от состояния сигналов на входах C или D. Тот же принцип приоритета распространяется и на вход R.

Внутреннее строение D-триггера (рис. 4) гораздо сложнее, чем, к примеру, RS-триггера. Существует много разных схем его реализации. Ниже приведена одна из таких схем.

триггер работа асинхронный установка

Рис. 4

Внутреннее устройство D-триггера.

Схема триггера двухступенчатая. Первая ступень состоит из двух RS-триггеров (DD1, DD2 и DD3, DD4). Оба триггера замкнуты в кольцо обратной связи (выход DD2 соединен с входом DD3, а выход DD4 с входом DD1). На элементах DD5 и DD6 собрана вторая ступень триггера.

Если на входе C присутствует сигнал логического нуля, происходит запись информации в первую ступень триггера. При этом, в зависимости от сигнала на входе D, изменяется состояние сигналов на выходах элементов DD1 и DD4. На выходах DD2 и DD3, напротив, в этом режиме постоянно присутствует уровни логической единицы.

Если на вход C приходит сигнал логической единицы, то триггеры первой ступени, в зависимости от их состояния в момент прихода этого самого входного импульса, замирают в одном из двух возможных состояний:

Одновременно происходит перезапись сигнала из триггеров первой ступени в триггеры второй. Перезапись информации из первой ступени во вторую происходит в момент смены уровня сигнала на входе C с низкого на высокий (то есть, по переднему фронту). Именно поэтому этот вход считается инверсным. Инверсный потому, что в исходном варианте (см. начало этой статьи) запись происходит по заднему фронту. А этот самый исходный вариант считается базовым. Однако, и новую схему легко привести к первоначальной. Достаточно только поставить инвертор по входу C, и мы получим первоначальный результат.

6. Исследование логических элементов НЕ, Ключ, 2ИЛИ-НЕ

В схеме логического элемента "2ИЛИ-НЕ" в качестве нагрузки используются последовательно включенные p-МОП транзисторы. В ней ток от источника питания на выход микросхемы будет поступать только если все транзистора в верхнем плече будут открыты, т.е. если сразу на всех входах будет присутствовать низкий потенциал (уровень логического нуля). Если же хотя бы на одном из входов будет присутствовать уровень логической единицы, то верхнее плечо будет закрыто и ток от источника питания поступать на выход микросхемы не будет.

Таблица истинности схемы, выполняющей логическую функцию "2ИЛИ-НЕ" :

Результаты анализа работы элемента 2-ИЛИ-НЕ в статическом режиме(OrCAD):

Элемент “Инвертор”:

Результаты анализа работы элемента НЕ в статическом режиме(OrCAD):

Из рисунка видно, что состояние на выходе инвертора противоположно состоянию на его входе; при высоком уровне на входе инвертора на выходе устанавливается ноль, и наоборот. Таблица истинности инвертора:

Транзисторный ключ является основным элементом устройств цифровой электроники:

Результат работы логического ключа(OrCAD):

Основными параметрами ключа являются:

1. быстродействие, определяемое максимально возможным числом переключений в секунду;

2. длительность фронтов выходных сигналов;

3. внутренние сопротивления в открытом и закрытом состоянии;

4. потребляемая мощность;

5. помехоустойчивость, равная уровню помехи на входе, вызывающей ложное переключение;

6. стабильность пороговых уровней, при которых происходит переключение;

7. надежность работы в реальных условиях эксплуатации.

7. Анализ работы схемы D-триггера типа “защёлка”

Для построения D-триггера типа “защёлка” мне понадобились 2 логических элемента: КЛЮЧ и НЕ (инвертор). С помощью этих двух элементов, я и собрала D-триггер типа “защёлка”:

Результаты анализа работы D-триггера типа “защёлка”:

Из рисунка видно, что триггер-защелка хранит данные на выходе только при нулевом уровне на входе синхронизации. Если же на вход синхронизации подать активный высокий уровень, то напряжение на выходе триггера будет повторять напряжение, подаваемое на его вход.

Входное напряжение запоминается только в момент изменения уровня напряжения на входе синхронизации с высокого уровня на низкий уровень. Входные данные как бы "защелкиваются" в этот момент, отсюда и название -- триггер-защелка.

Принципиально в этой схеме входной переходной процесс может беспрепятственно проходить на выход триггера. Поэтому там, где это важно, необходимо сокращать длительность импульса синхронизации до минимума. Чтобы преодолеть такое ограничение были разработаны триггеры, работающие по фронту.

8. Анализ работы схемы D-триггера M-S типа с асинхронной установкой в 0

Для построения D-триггера M-S типа с асинхронной установкой в 0 мне понадобились 3 логических элемента: 2-ИЛИ-НЕ, КЛЮЧ и НЕ (инвертор).

Результаты анализа работы D-триггера M-S типа с асинхронной установкой в 0:

На рисунке можно заметить, что в отличие от обычного D-триггера, у этого на один вход больше(NC). На этот вход подаётся сигнал, противоположный входу С. В принципе при самом сборе схемы D-триггера M-S типа с асинхронной установкой в 0 мне понадобилось два D-триггера, соединенных между собой. Такие триггеры часто используются в качестве регистров, а если точнее, то только в регистрах.

Структура типа M-S (master/slave - ведущий/ведомый). Эта структура предполагает последовательное соединение двух D-триггеров, тактируемых уровнем. При этом фаза тактирования первого триггера (ведущего M) противоположна фазе тактирования второго (ведомого S).

9. Анализ работы схемы D-триггера M-S типа с асинхронной установкой в 1

Результаты анализа работы D-триггера M-S типа с асинхронной установкой в 1:

Заключение

В настоящее время в интегральном исполнении производится много триггеров как в виде самостоятельных изделий, так и в составе различных функциональных устройств -- счетчиков, регистров, запоминающих устройств и т. п.

Триггеры имеют сложные электрические схемы и различаются числом входов, способами ввода входной информации, реализуемой функцией переходов, элементной базой, электрическими и временными параметрами, конструктивным оформлением и другими показателями.

Триггер представляет устройство, логическую структуру которого в общем виде можно представить как систему, состоящую из собственно триггера, играющего роль ячейки памяти, и устройства управления из логических элементов, преобразующего входную информацию в комбинацию сигналов, под воздействием которых собственно триггер принимает одно из двух устойчивых состояний.

В работе был рассмотрен D-триггер типа “защёлка”, триггер M-S типа с асинхронной установкой в 0 и 1 с помощью программных средств OrCAD и SPICE. Рассмотрены принципы работы триггеров. В качестве элементной базы были выбраны логические элементы 2ИЛИ-НЕ, ключ и инвертор, изготовляемые по КМОП технологии.

Список используемой литературы

1. Димитрова М.И., Пунджев В.П.-«33 схемы на триггерах» Ленингр. Энергоатомиздат. 1990г.

2. Зельдин Е.А. -«Триггеры» Москва Энергоатомиздат. 1983г.

3. Угрюмов Е. П. -«Цифровая схемотехника» . СПб.: БХВ-Петербург, 2004. 101-120с.

4. Джон Ф. Уэйкерли. - «Проектирование цифровых устройств том I». Москва Постмаркет. 2002г.

5. И. Букреев, В. Горячев, Б. Мансуров «Микроэлектронные схемы цифровых устройств» «Understanding CMOS Integrated Circuits» Roger Melen and Harry Garland».

Размещено на Allbest.ru