Импульсная и цифровая техника

Работа асинхронного RS-триггера начинается с принудительной установки его внешним управляющим сигналом «Гашение» (или «Очистка») в исходное нулевое состояние. Это производится вручную или автоматически всякий раз после подключения источника питания. Условимся, что при рассмотрении работы триггеров кодом хранимого «0» будем считать стабильное пребывание транзистора VT1 в закрытом, а VT2 – в открытом состоянии, а кодом «1» - наоборот, их противоположное состояние.
Итак, после подключения триггера к источнику питания и подачи на его R-вход управляющего сигнала «Установка нуля (У»0»)» триггер примет одно из двух возможных стабильно устойчивых состояний, а именно - VT1 – закрыт (подачей на его базу управляющего сигнала отрицательной полярности) и его Iк₁ = 0, а Uк₁ = Uип, поэтому VT2 – открыт, т.к. Uб₂ = U_R6 – Есм = 0,5 Uип – Е см > 0, при этом Uк₂ = 0 и Uб₁ = U_R5 – Есм = 0– Е см < 0, что и удерживает VT1 в закрытом состоянии и после окончания действия запирающего его управляющего сигнала с R – входа. Теперь, если нужно будет воспроизвести хранимый состоянием триггера «0» в прямом коде, будем использовать Q – выход, если в обратном – выход «НЕ Q». Если на вход R подать после этого ёще один или несколько импульсов подряд, то состояние схемы триггера не изменится.


3. Схема, принцип действия и характеристики триггера
с общим (счётным) запуском

Итак, поскольку цель управления триггером состоит в том, чтобы с помощью внешних сигналов (УС) задавать требуемое из двух устойчивых состояний или изменять данное устойчивое состояние на противоположное, то наряду с режимом (способом) управления триггером с раздельными входами, например, RS-триггером, существует и режим счётного (общего) входа, например, в Т-триггерах.

Т-триггер – это, как и другие триггеры, двухпозиционная спусковая схема, имеющая помимо раздельных R- и S-входов общий (счётный) запуск (Т-вход). Кроме функции запоминания и обращения кода одного разряда двоичного числа с его помощью может быть организован подсчёт числа электрических импульсов, последовательно поступивших на его Т-вход.
В основу построения схемы Т-триггера может быть положена базовая схема RS-триггера, приведённая на рис. 16.2. В неё дополнительно вводятся ещё два клапанирующих диода VD3 и VD4, которые анодами подсоединены соответственно к коллекторам транзисторов VТ1 и VТ2, а катодами - к выходу дифференцирующей RC-цепи, вход которой и получил название счётного, общего или Т-входа. Проиллюстрируем это «дополнение» схемой рис. 16. 3, которую легко можно подключить к элементам схемы рис. 16 2.



Рис. 16.3. Принципиальная схема организации Т-входа


Работу Т-входа проиллюстрируем следующим примером. Пусть триггер находится в нулевом состоянии и его Т-вход подключён к одному их выходов триггера предыдущего разряда, тогда потенциал Т-входа может изменяться скачками, то есть УС имеет форму прямоугольного импульса напряжения положительной полярности с передним и задним фронтами. Дифференцирующая цепь ( ) превращает каждый перепад напряжения на её входе (фронт или срез) в остроконечные импульсы соответствующей полярности: перепад вверх – плюс, перепад вниз – минус. По способу включения диодов можно заключить, что они отпираются только при действии сигналов отрицательной полярности, которые через коллектор закрытого транзистора поступают на базу открытого и запирают его (обычно U_{вх m} ≥ (0,6 – 0,8) U_ип). В процессе работы диоды VD3 и VD4 отпираются поочерёдно в момент дифференцирования среза (заднего фронта) очередного входного импульса.
Из анализа состояния элементов схемы Т-триггера следует, что на катоды обоих диодов VD3 и VD4 через резистор R_дц всегда приложен один и тот же потенциал +U_ип. В то же время аноды этих диодов находятся под разными потенциалами, как подключённые к коллекторам соответствующих транзисторов, которые работают в ключевом режиме и обязательно находятся в противоположном состоянии (если один из них закрыт, то второй открыт).
В частности, если триггер хранит код «0», то на выходе Q потенциал U_{К VT2} = U_{А VD4}= 0, а на выходе потенциал U_{К VT1} = U_{А VD3} = +U_ип. Это означает, что оба диода заперты, но заперты по-разному: VD3 – незначительной разностью потенциалов p-n-перехода, а VD4 – глубоко высоким уровнем напряжения U_ип. Следовательно, в рассматриваемом случае первый отрицательный импульс, сформированный дифференцирующей цепью, откроет диод VD3 и через него и коллектор закрытого транзистора VТ1 поступит на базу открытого транзистора VТ2 и закроет его, вызвав инвертирование (опрокидывание) схемы, то есть переход её в единичное состояние. В новом состоянии уже потенциал U_{А VD4} = U_{К VT2} = +U_ип, а U_{А VD3} = U_{К VT1} = 0, то есть Т-вход подготовлен к пропуску очередного импульса отрицательной полярности через диод VD4, поскольку теперь диод VD3 закрыт высоким уровнем напряжения U_ип. Таким образом, после воздействия на Т-вход каждого очередного управляющего импульса состояние триггера изменяется на противоположное, что наглядно иллюстрируют временные диаграммы, приведённые на рис. 16.4.



Рис. 16.4. Временные диаграммы работы Т-триггера

Анализ графиков напряжений, действующих на выходах Т-триггера (ВПК и ВОК), приводит к выводу о возможности его использования также в качестве генератора прямоугольных импульсов длительностью, определяемой промежутком времени между подачей соответствующих управляющих сигналов. В частности, генерирование прямоугольных колебаний основной триггерной схемой используется для создания стробирующих или синхронизирующих сигналов в схемах двоичных счётчиков.

4. Схема, принцип действия и характеристики триггера Шмитта

Ещё одной бистабильной ячейкой может быть служить несимметричный триггер или триггер Шмитта. В основном он применяется для преобразования синусоидальных, пилообразных (линейно-изменяющихся) и других колебаний в колебания напряжения прямоугольной формы. Для простоты его устойчивые состояния тоже опредлим «нулевым» и «единичным», но главная его функция – формирование прямоугольных импульсов. Принципиальная схема типового триггера Шмитта представлена на рис. 16.5.

Рис. 16.5. Принципиальная схема триггера Шмитта

Все компоненты триггера знакомы по ранее рассмотренным схемам:

– два резисторных усилителя на транзисторах VT1 и VT2, где R3 > R6;
– два резисторных делителя напряжений U_ип (R1, R2) и U_{К VT1} (R4, R6);
– резистор общей эмиттерной нагрузки – элемент отрицательной обратной связи R7.
При подключении схемы к источнику постоянного напряжения U_ип она самопроизвольно принимает исходное – нулевое состояние: транзистор VT1 – закрыт и VT2 – открыт (подобно начальному состоянию одновибратора). При этом в схеме протекают четыре постоянных тока I_дел1, I_дел2, I_Б2 и I_К2, которые создают на соответствующих резисторах прямо пропорциональные им падения напряжения (закон Ома). В результате их действия к базам транзисторов приложены следующие напряжения (разности потенциалов):
– U_{Б VT1} = I_{дел 1}R2 – U_R7 = I_{дел 1}R2 – (I_Б2 + I_К2)R7 < 0 и U_{К VT1} = U_ип;
– U_{Б VT2} = I_{дел 2}R6 – U_R7 = I_{дел 2}R6 – (I_Б2 + I_К2)R7 > 0 и U_{К VT2} = 0.
При этом напряжение – U_{Б VT1} = I_дел1R2 – U_R7 = –Е₁ называется первым пороговым напряжением, величина которого всецело определяется параметрами схемы. Это состояние устойчиво, так как нет внутренних причин для его изменения. Открыть транзистор VT1 можно только подачей внешнего напряжения положительной полярности и амплитудой U_{вх m} > Е₁. При этом напряжение U_{К VT1} становится равным 0 и через цепь второго делителя уже не может компенсировать запирающее действие напряжение обратной связи, формируемое в этот период токами транзистора VT1:
– U`<sub>Б VT1</sub> = I<sub>дел1</sub>R2 – U`_R7 = I_дел1R2 – (I_Б1 + I_К1)R7 > 0 и U_{К VT1} = 0;
– U`<sub>Б VT2</sub> = I<sub>дел2</sub>R6 – U`_R7 = 0 – (I_Б1 + I_К1)R7 < 0 и U_{К VT2} = U_ип.
При этом напряжение +U`<sub>Б VT1</sub> = I<sub>дел 1</sub>R2 – U`_R7 = +Е₂ называется вторым пороговым напряжением. Такое состояние схемы (VT1 – открыт и VT2 – закрыт) тоже не может измениться по внутренним причинам и будет сохраняться до тех пор, пока отрицательное напряжение на входе схемы не скомпенсирует уровень второго порога, то есть U_{вх m} должно оказаться «отрицательнее», чем уровень –Е₂.
Временные диаграммы, характеризующие работу триггера Шмитта показаны на рис. 16. 6.
В общем, триггер Шмита можно отнести как к классу асинхронных триггеров с одним входом, управляемым разнополярными импульсами, так и ждущих генераторов прямоугольных импульсов. Кроме того, его можно использовать и как пороговое устройство.





Рис. 16.6. Временные диаграммы работы триггера Шмитта


Наряду с асинхронными триггерами в настоящее время активно совершенствуются и используются синхронные или тактируемые триггеры. В них действие установочных сигналов возможно только в моменты подачи специальных синхронизирующих¹ импульсов, поступающих через отдельный управляющий С-вход.
Из синхронных триггеров наиболее распространён универсальный JK-триггер с динамическим С-входом синхроимпульсов, УГО которого при выполнении функций JK-, T- и RS-триггеров показаны на рис. 16.7.



Рис. 16.7. УГО JK-триггера (а) и его использование как T-триггер (б)
и RS-триггер (в)

Название универсальный JK-триггер получил потому, что он позволяет

путём несложной коммутации его J-,K- и С- входов организовать выполнение функций асинхронных Т- и RS- триггеров.
Более сложную функциональную нагрузку может нести JK-триггер (рис. 13.6.8). J и K – входы такого уст­ройства – управляющие, а C - тактовый. Подавая на входы J и K логические "1" и "0" можно установить не­обходимое состояние выхода Q, т.е. JK-триггер работает как RS-триггер. Когда J=K=1 данное устройство перебрасыва­ется в противоположное состояние (по приходу тактового импульса) т.е. работает как двоичный счетчик (или Т – триггер). Состояние J=K=0 – хранение информации. Кроме J и K входов схема может иметь и нетактируемые R и S входы. Работа JK-триггера описывается таблицей истинности 16.1, из анализа данных которой следует, что при комбинациях УС: J = 1 и К = 0 (третья строка), J = 1 и К = 1 (четвертая и восьмая строки) а также при J = 0 и К = 1 (шестая строка) триггер инвертирует (изменяет) своё предыдущее состояние Q^t в Q^t+1.