71286

Триггеры как элементы памяти и двоичной информации

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Указанное свойство триггера обусловлено тем что факторами воздействующими на его состояния являются не только внешние управляющие сигналы но и сигналы самого триггера сигналы обратной связи. Их отличают функциональный признак определяющий поведение триггера при воздействии...

Русский

2014-11-04

180.5 KB

2 чел.

ПЕРЕДАЧА ИНФОРМАЦИИ В ДВОИЧНОЙ ФОРМЕ СЧИСЛЕНИЯ

Триггеры как элементы памяти и двоичной информации

В импульсной и цифровой технике широко используются функциональные узлы, способные сохранять двоичную информацию (состояния «0», «1») после окончания действия входных импульсов. Такие функциональные узлы называют триггерами.

Указанное свойство триггера обусловлено тем, что факторами, воздействующими на его состояния, являются не только внешние управляющие сигналы, но и сигналы самого триггера (сигналы обратной связи).

В интегральной микросхемотехнике триггеры выполняют либо на основе логических интегральных элементов, либо как завершенный функциональный элемент в виде микросхемы.

Интегральные триггеры характеризуются большим разнообразием. Их отличают функциональный признак, определяющий поведение триггера при воздействии сигнала управления, а также используемый способ управления. По функциональному признаку различают триггеры типов R-S, D, T, J-K и др. По способу управления триггеры подразделяют на асинхронные и тактируемые. В асинхронных триггерах переключение из одного состояния в другое осуществляется непосредственно с поступлением сигнала на информационный вход. В тактируемых триггерах помимо информационных входов имеется вход тактовых импульсов. Их переключение производится только при наличии разрешающего, тактирующего импульса.

Триггеры применяют при построении более сложных функциональных устройств: счетчиков импульсов, регистров и т. д.

R-S -триггеры. В зависимости от способа управления различают асинхронные и тактируемые R-S-триггеры.

Асинхронные R-S-триггеры являются простейшими, однако они получили широкое распространение в импульсной и цифровой технике. В частности, они служат основой триггеров других типов и требуют для своего построения два двухвходовых логических элемента типа И — НЕ либо ИЛИ — НЕ.

На рис. 3.39, а приведена структурная схема асинхронного триггера на логических элементах И — НЕ. Схема имеет два выхода: Q — прямой, «не Q» — инверсный.

Рис.  3.39.  Структурная схема асинхронного R-S -триггера  на логических элементах

И — НЕ (а), его таблица переходов (б) и временные  диаграммы (в)

Асинхронный R-S -триггер, как и триггер любого другого типа, характеризуется двумя состояниями: логической «1» и логического «0». Состоянию логической «1» соответствует Q = 1, «не Q» = 0; состоянию логического  «0» — Q = 0,  «не Q» = 1.

По информационному входу S производится установка триггера в состояние логической «1», а по информационному входу R — установка {перевод) триггера в исходное состояние логического «0». Этому соответствуют сокращенные обозначения входов и название триггера: Sset (установка), Rreset (возвращение в исходное состояние).

Принцип действия триггера определяется поведением в нем элементов И — НЕ. Он иллюстрируется таблицей переходов триггера (рис. 3.39, б), где указаны значения входных сигналов S и R в некоторый момент времени tn и состояние триггера (по значению его прямого выхода) в следующий момент времени tn+1 после прихода очередных импульсов.

При S = 0 и R = 1 подтверждается предшествующее состояние, если триггер находился в состоянии логической «1» (Q = 1, «не Q» = 0), и переход его в состояние «1», если триггер до этого находился в состоянии «0» (первая строка сверху в таблице на рис. 3.39, б). Пусть QI, «не Q» = 0. Если S = 0, то независимо от значения сигнала на втором входе элемента Э1 И — НЕ Q = 1 (см. рис. 3.32, в). На обоих входах элемента Э2 присутствуют логические «1». Это обеспечивает «не Q» = 0. При Q = 0 и «не Q» = 1 сигнал S = 0 вызывает переключение элемента Э1 в состояние логической «1» и соответственно элемента Э2 в состояние логического «0» вследствие появления и на его левом входе логической «1».

При противоположном соотношении сигналов (S =1, R = 0) происходит либо подтверждение нулевого состояния триггера (Q = 0, «не Q» = 1), либо его переключение из состояния «1» в состояние «0» (вторая строка сверху в таблице переходов). Положение доказывается аналогичным образом.

Значениям сигналов на входе S = R = 1 соответствует сохранение триггером предыдущего состояния (третья строка сверху в таблице переходов). Пусть до появления такой комбинации сигналов на входах в триггере была записана логическая «1» (Q = 1, «не Q» = 0). При наличии S = R = 1 имеем на обоих входах элемента Э2 по логической «1». Это обусловливает «не Q» = 0. На правом входе элемента Э1, будет логический  «0», что дает Q = 1.

При комбинации S = R = 0 (последняя строка снизу в таблице переходов) один из входов обоих элементов И — НЕ имеет логический «0». Согласно рис. 3.32, в, Q = «не Q» = 1. Такие значения выходных сигналов триггера не соответствуют ни его состоянию «1» (Q = 1, «не Q» = 0), ни его состоянию «0» (Q = 0, «не Q»  = 1). Триггер принимает неопределенное состояние. По указанной причине комбинация сигналов на входе S = R = 0 для асинхронного R- S-триггера на элементах И — НЕ является запрещенной. Рассмотренной схеме триггера соответствуют временные диаграммы, приведенные на рис. 3.39, в. Они построены с учетом таблицы переходов, приведенной на рис. 3.39, б.

D-триггеры. D-триггеры имеют один информационный вход. Состоянию логической «1» соответствует единица на входе триггера, а состоянию логического «О» — нулевой  уровень входного сигнала.

На практике наибольшее применение получили тактируемые (однотактные и двухтактные) D-триггеры. Их обозначение обусловлено свойством сохранять состояние логической «1» после снятия входного сигнала до прихода очередного тактового импульса (delay — задержка).

D-триггеры  широко  используют  при   построении регистров.

На рис. 3.42, а приведена структурная схема однотактного D-триггера,   выполненная   на   основе   асинхронного   R-S -триггера.

  

Рис. 3.42. Структурная схема тактируемого D-триггера (а)

и его временные диаграммы  (б)

Временные диаграммы,  поясняющие его принцип действия,  изображены на рис. 3.42, б.

Предположим, что к моменту прихода входного сигнала D-триггер находился в состоянии логического «0» (Q = 0, «не Q» = 1). В интервале времени tlt2, когда действует входной сигнал D, состояние триггера не изменяется, так как при этом Т = 0 и сигналы на входах элементов Э12 S = R = 1. Действие сигнала Т = 1 в момент времени t2 обусловливает на выходе элемента Э3 S = 0, а на выходе элемента Э4 R = 1. Это приводит к переключению триггера в состояние логической «1» (Q = 1, «не Q» = 0). Состояние «1» триггера не изменится до момента времени t4 так как при Т = 0 сигналы на входах асинхронного триггера S = R = 1. Появление в момент времени t4 сигнала Т = 1 дает R = 0, S = 1 и вызывает переключение триггера в состояние логического «0».

Т-триггер. Характерным свойством Т-триггера является его переключение в противоположное состояние с приходом каждого очередного входного импульса. Ввиду широкого применения в счетчиках импульсов его часто называют триггером со счетным запуском.

J-K -триггер. J-K -триггер получают на основе Т-триггера путем использования в его входных цепях трехвходовых элементов И — НЕ, позволяющих иметь два дополнительных входа J и К. Наличие двух дополнительных входов расширяет функциональные возможности триггера, в связи с чем J-K -триггер называют универсальным. При соответствующем подключении входов J-K-триггер, в частности, может выполнять функции R-S, D- и Т-триггеров.

СЧЕТЧИКИ   ИМПУЛЬСОВ

Подсчет числа импульсов является наиболее распространенной операцией в устройствах цифровой обработки информации. Повышенный интерес к таким устройствам объясняется их высокой точностью, возможностью применения регистрирующих приборов с непосредственным цифровым представлением результата, а также возможностью осуществления связи с ЭВМ.

В устройствах цифровой обработки информации измеряемый параметр (угол поворота, перемещение, скорость, частота, время, температура и т. д.) преобразуется в импульсы напряжения, число которых в соответствующем масштабе характеризует значение данного параметра. Эти импульсы подсчитываются счетчиками импульсов и выражаются в виде цифр.

По целевому назначению счетчики подразделяют на простые и реверсивные. Простые счетчики, в свою очередь, подразделяют на суммирующие и вычитающие.

Суммирующий счетчик предназначен для выполнения счета в прямом направлении, т. е. для сложения. С приходом очередного счетного импульса на вход счетчика его показание увеличивается  на единицу.

Вычитающий счетчик служит для осуществления счета в обратном направлении, т. е. для вычитания. Каждый счетный импульс, поступающий на вход вычитающего счетчика, уменьшает его показание на единицу.

Реверсивные счетчики предназначены для выполнения операции счета как в прямом, так и в обратном направлении, т. е. они могут работать в режиме сложения и вычитания.

Основными показателями счетчиков являются модуль счета (коэффициент счета К) и быстродействие.

Коэффициент счета определяет число импульсов, которое может быть сосчитано счетчиком.

Быстродействие счетчика характеризуется максимальной частотой fсч следования счетных импульсов и связанным с ней временем tуст установки счетчика. Величина tуст определяет максимальное время протекания переходных процессов во всех разрядах счетчика с поступлением на вход очередного счетного импульса.

Счетчики импульсов выполняются на основе триггеров.

Счет числа поступающих импульсов производится с использованием двоичной системы счисления.

Двоичные   суммирующие   счетчики   с   непосредственной   связью.

Двоичные   счетчики   производят счет поступающих импульсов в двоичной системе счисления. Основным узлом двоичного счетчика (служащим также его разрядом) является триггер со счетным запуском, осуществляющий подсчет импульсов по модулю 2.

Многоразрядные двоичные суммирующие счетчики с непосредственной связью выполняются путем последовательного соединения счетных триггеров. Счетные импульсы подаются на счетный вход первого триггера. Счетные входы последующих триггеров связаны непосредственно с прямыми выходами предыдущих триггеров: вход второго триггера соединен с выходом первого триггера, вход третьего — с выходом второго и т. д.

Принцип действия двоичного счетчика с непосредственной    связью   рассмотрим

на примере четырехразрядного счетчика, показанного на рис. 3.46, а. Схема выполнена на счетных Tt-триггерах с внутренней задержкой (см. рис. 3.44, а). Работу схемы иллюстрируют временные диаграммы, приведенные на рис. 3.46, б и в табл. 3.3.

 

Рис.  3.46.  Схема   двоичного счетчика (а) и его временные диаграммы (б)

Перед поступлением счетных импульсов все разряды счетчика устанавливаются в состояние «0» (Q1 = Q2 = Q3 = Q4 = 0) подачей импульса на вход «Установка нуля». При поступлении первого счетного импульса (рис. 3.46, б) первый разряд подготавливается к переключению в противоположное состояние и после окончания действия входного импульса переходит в состояние Q= 1. В счетчик записывается число 1. Уровень 1 с выхода Q1 воздействует на счетный вход второго разряда, подготавливая его к переключению. По окончании второго счетного импульса первый разряд счетчика переходит в состояние «О», а второй разряд переключается в состояние «1». В счетчике записывается число 2 с кодом 0010.

Таблица 3.3

Подобным образом осуществляется работа схемы с приходом последующих импульсов. Первый разряд счетчика, как видно из рис. 3.46, б, переключается с приходом каждого входного импульса, второй разряд — каждого второго, третий — каждого четвертого, а четвертый разряд срабатывает на каждый восьмой счетный импульс.

По окончании 15-го импульса все разряды счетчика устанавливаются в состояние «1» (рис. 3.46, б, табл. 3.3), а 16-й импульс переключает первый разряд счетчика в состояние «0». Уровень Q1 = 0 переводит второй разряд счетчика в состояние Q2 = 0, что, в свою очередь, вызывает Q3 = 0, а затем и Q4 = 0, т. е. счетчик переходит в исходное состояние.

В соответствии с рис. 3.46, 6 и табл. 3.3 установка в исходное состояние «0» двух последовательно включенных триггеров (Т1 и Т2) осуществляется четвертым счетным импульсом, трех триггеров (Т1 — Т3) — восьмым и четырех триггеров (Т1 — Т4)— 16-м счетным импульсом. Из этого следует, что модуль счета двухразрядного, трехразрядного и четырехразрядного двоичных счетчиков равен соответственно 4, 8 и 16. Модуль счета двоичного счетчика находят из соотношения Ксч = 2N, где N — число разрядов счетчика.

В процессе работы двоичного счетчика частота следования импульсов на выходе каждого последующего триггера уменьшается вдвое по сравнению с частотой его входных ипульсов (рис. 3.46, б). Это свойство схемы используют для построения делителей частоты. При использовании схемы в качестве делителя частоты входной сигнал подают на счетный вход первого триггера, а выходной снимают с последнего триггера.  Выходная и  входная  частоты связаны соотношением  fвых = fвх/Kсч.

Максимальное время установки tycт max в двоичных счетчиках с непосредственной связью характеризуется суммарной задержкой в последовательной передаче информации от младшего к старшему разряду счетчика. Другими словами, параметр tycт max определяется временем перехода счетчика из кода 2N — 1 в код00...0. Его находят из соотношения

                               

где tз.т. — задержка переключения Tt-триггера после окончания счетного импульса.

Время установки возрастает с увеличением числа разрядов, что сказывается на быстродействии счетчика. Максимальная частота следования счетных импульсов ограничивается величиной

                      

При работе счетчика в режиме деления частоты его предельная частота определяется предельной частотой переключения триггера первого разряда, т. е.

                          

Существенное сокращение времени установки двоичных счетчиков, а следовательно, повышение их быстродействия дает использование в счетчиках так называемой последовательной или параллельной переносной связи.

Счетчики с коэффициентом счета Ксч ≠ 2N. В рассмотренных двоичных счетчиках коэффициент счета связан определенной зависимостью с числом разрядов (триггеров) счетчика Ксч = 2N и может быть равен 2, 4, 8, 16, 32 и т. д. Однако на практике часто возникает необходимость в счетчиках, коэффициент счета которых не соответствует указанным значениям. В частности, требуются счетчики с коэффициентом счета Ксч = 3, 10 и т. д., т. е. счетчики, принимающие в процессе работы соответственно 3, 10 состояний и т. д.

Такие счетчики выполняются на основе двоичных счетчиков. Общий принцип их построения основывается на исключении у счетчика с Ксч = 2N соответствующего числа «избыточных» состояний. Число избыточных   (запрещенных)   состояний   s   определяется    разностью:

                                 

где 2N — количество состояний двоичного счетчика; Ксч — требуемый коэффициент счета.

Число триггеров синтезированного счетчика выбирают по минимуму величины s. Например, при построении счетчика с Ксч = 3 на двух триггерах и счетчика с Ксч = 10 на четырех триггерах следует исключить соответственно 1 и 6 состояний.

Способы построения счетчиков с коэффициентом счета Ксч ≠ 2N достаточно разнообразны. Наибольшее распространение получили способ принудительной установки в состояние «О» всех разрядов двоичного счетчика и способ принудительного насчета. По первому способу реализуются счетчики с естественным порядком счета, по второму — счетчики с принудительным насчетом.

В   счетчиках   с   естественным      порядком     счета порядок счета такой же, как в двоичных счетчиках. Отличие заключается в том, что путем введения дополнительных связей счет заканчивается раньше значения 2N. Так, у счетчика с Ксч = 10 переход разрядов в состояние «О» будет происходить с приходом не 16-го, а 10-го счетного импульса («система  16—6»),

Пример построения счетчика с естественным порядком счета при Ксч — 10 приведен на рис. 3.47.

Рис.   3.47.  Схема   декадного  счетчика с естественным порядком счета

Счетчик содержит четыре Tt-триггера и пять элементов Э1 — Э5, управляющих переключением   триггеров Tt2Tt4. Запуск триггера Tt1 осуществляется непосредственно счетными импульсами, а запуск триггеров Tt2Tt4 — счетными импульсами, проходящими через элементы Э1 — Э4.

До наступления 10-го счетного импульса последовательность переключения триггеров та же, что и у двоичного счетчика (табл. 3.4).

Действительно, к приходу счетного импульса на один из входов элементов Э1 — Э4 подается логический «О» с выхода Q1 = 0 и все они закрыты для пропускания первого счетного импульса на входы Tt2 — — Tt4. Первый счетный импульс переключает только триггер Tt1 первого разряда (см. табл. 3.4).

Таблица 3.4

К приходу второго счетного импульса подготовлен к пропусканию счетного импульса элемент Э1 (на левом его входе присутствует «1» с выхода Q1 = 1, а на правом — «1» с выхода «не Q4» = 1). Элемент Э2 закрыт по входу Q2 = 0, элемент Э3 — по входам Q2 = Q3 = 0, а элемент Э3 — по входу Q4 = = 0. Второй счетный импульс переключает в состояние «О» триггер Tt1 и в состояние «1» триггер Tt2. К приходу третьего счетного импульса элементы Э1 — Э4 закрыты по одному из их входов (Q1 = 0) Третий счетный импульс переключает только триггер Tt1. В соответствии с табл. 3.4 происходит переключение триггеров разрядов с приходом и последующих четвертого — девятого счетных импульсов.

После девятого счетного импульса триггеры счетчика принимают следующие состояния: Q1 = Q4 = 1, Q2 = Q3 = 0. Сигналы Q2 = Q3 = «не Q4» = 0 закрывают элементы Э1, Э2, Э3, а сигнал Q4 = 1 подготавливает элемент Э4 к отпиранию при поступлении 10-го счетного импульса.

Поступающий 10-й счетный импульс переводит триггеры Tt1 и Tt4 в состояние «О», обеспечивая нулевое исходное состояние всех разрядов счетчика.

Счетчики с Ксч= 10 называют десятичными или декадными. Они нашли широкое применение для регистрации числа импульсов с последующим- визуальным отображением результата (см. гл. 4). Десятичные счетчики часто включают последовательно (рис. 3.49).

Последовательное соединение двух схем десятичного счета дает пересчет на 100, трех — на 1000 и т.д. Первая декада производит счет единиц входных импульсов от 0 до 9. Десятый импульс устанавливает разряды первой декады в состояние «0», а формируемый ею на выходе импульс записывает «1» во вторую декаду, что соответствует числу 10. Вторая декада считает десятки (от 10 до 90), третья — сотни (от 100 до 900) и т. д.

Рис. 3.49.   Последовательное  соединение декадных счетчиков

Если в пределах всех декад счет ведется в двоичной системе счисления, то, например, числу 978 будет отвечать код 1001 0111 1000, характеризующий двоично-десятичную систему счисления   всего счетного устройства.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

72632. Операторы ввода и вывода 23.84 KB
  Опишем процедуру организации ввода-вывода с использованием файлов. В Фортране-90 различают два вида файлов: внешние файлы – это поименованная область во внешней памяти ЭВМ – и внутренние файлы. Файлы Фортрана подразделяются на файлы последовательного и прямого (произвольного) доступа.
72633. Типы данных в МS-Фортране 23.89 KB
  На многих микропроцессорах команды, необходимые для выполнения 16-битовой арифметики, значительно быстрее и короче соответствующих команд для выполнения 32-битовой арифметики. Поэтому, пока Вы не используете метакоманду МS-Фортрана...
72636. ПОДПРОГРАММЫ-ФУНКЦИИ 13.95 KB
  С использованием функции RRMX непосредственно возвращающей значение максимального элемента массива и с помощью функции NUMX возвращающей номер максимального элемента массива. Так в приведенном ниже примере имя функции NUMX типизировано как целое по умолчанию а для функции RRMX необходима явная типизация.
72637. DATA 16.89 KB
  В тех случаях, когда переменные нужно присваивать в начале программы какие-либо значения , которые не должны меняться от одного прогона программы к другому, вместо операторов присваивания можно с большей эффективностью воспользоваться оператором DATA.
72638. Оператор PARAMETER 13.2 KB
  С помощью этого оператора можно любой константе дать символьное имя. Этот неисполняемыми оператор должен находиться перед исполняемыми операторами программы. Часто в разных местах программы употребляются длинные константы, такие как 3.14159265.
72640. ОПЕРАТОРЫ ЦИКЛА 20.64 KB
  Операторы цикла предназначены для многократного выполнения некоторых операторов. Эти операторы называются телом цикла. Различаются операторы цикла с предусловием и с постусловием. Блок-схемы операторов цикла показана на рисунке 1.2.