Как работает триггер

Момент перехода из одного состояния в другое происходит максимально быстро, поэтому временем переходных процессов на практике можно принебречь. Триггеры это основной логический элемент для построения различных запоминающих устройств и схем. Их можно легко использоваться для хранения информации, но объем их память совсем не большой. Также он может хранить биты, отдельные коды или сигналы.

Эти цифровые устройства способны сохранять свою память только при наличии напряжения питания. Поэтому признаку их можно относить к элементарным схемам оперативной памяти. Если отключить питание схемы, а затем снова включить, триггер окажется в совершенно случайном состояние, то-есть на его прямом выходе может появиться как логический ноль, так и уровень логической единицу. Именно поэтому, осуществляя проектирование цифровых схем, надо обязательно учитывать момент приведения триггера в стартовое состояние.

В основу абсолютно любого триггера положена схема, состоящая из двух логических элементов И-НЕ или ИЛИ-НЕ, которые охвачены положительной обратной связью.

Принцип работы RS триггера

Как видим из схемы, триггер имеет два инверсных входа: первый сброс – обозначен на рисунке R (сокращение от английского слова Reset) и установка – S (сокращенно с ангийского Set), а так же два выхода прямой Q и инверсный, обозначенный как – Q.

RS триггер относится к асинхронным о , так как в нем отсутствует вход управления записью информации.

Для закрепления понимания работы RS триггера, предлагаю собрать на макетной плате или даже простым навесным монтажем схему классического RS триггера, дополнив ее двумя тумблерами на входах, и двумя светодиодами на выходах. В момент подачи пяти вольтового питающего напряжения загорается например светодиод HL2, подключенный к инверсному выходу. При подачи "0" на прямой вход, с помощью кратковременного нажатия кнопки SB1. Загорится другой светодиод, т.к триггер переключится в единичное состояние. Для сброса триггера в нулевое сосотояние нажимаем кнопку SB2.

На этой схеме всё достаточно условно, а в реальном триггере принято говорить, что если на прямом выходе имеется высокий уровень то триггер установлен, если уровень логического нуля то триггер считается сброшенным или обнуленным. Основной минус RS триггера это, то, что он асинхронный. Другие более интересные схемы триггеров синхронизируются различными тактовыми импульсами и вырабатываются тактовым генератором.

По результатам эксперимента нетрудно составить таблицу состояний работы RS-Триггера

На этой схеме всё достаточно условно, а в реальном триггере принято говорить, что если на прямом выходе имеется высокий уровень то триггер установлен, если уровень логического нуля то триггер считается сброшенным или обнуленным. Основной минус RS триггера это, то, что он асинхронный. Другие более интересные схемы триггеров синхронизируются различными тактовыми импульсами и вырабатываются тактовым генератором. В принципе, RS-триггер может быть и синхронным, но двух логических элементов для этого недостаточно.

Одним из наиболее часто применяемых триггеров является D-триггер. Название его связано с назначением — это триггер задержки (Delay— задержка). Он имеет два входа D и С. Вход D — информационный, а вход С — управляющий. Сигнал со входа D записывается в триггер только при наличии разрешающего сигнала на входе синхронизации С.

D-триггер задержки, применяют для создания регистров сдвига и регистров хранения, и он является неотъемлемой частью любого микропроцессора.

Как я уже отметил, он имеет два входа – информационный и синхронизации. При состоянии входа синхронизации С=0 сигнал на выходе не зависит от сигналов, поступающих на информационный вход. При С=1 на прямом выходе информация будет точно повторять ту, что поступает на вход D. На временной диаграмме приведен принцип работы D-триггера

Можно сказать, что это самый сложный по исполнению триггер наиболее широко применяется в цифровой технике, в первую очередь благодаря своей универсальности. JK-триггер имеет пять входов R – сброс, S  – установка, С - тактовый, J и K, и два выхода прямой и инверсный.

По принципу работы JK-триггер похож на RS-триггеру, но при этом нет состояния неопределенности, вызванной при одновременном поступлении на вход двух «логических единиц».

В данном случае он просто переключится в режим счетного триггера. На практике это приводит к тому, что при одновременном поступлении на вход «единичных» сигналов, триггер меняет свое состояние – на противоположное. Ниже приводится таблица истинности для JK-триггера:

Логика работы входов C, J, K следующая. Если на входе J - единица, а на входе K – ноль, то триггер переключится в единичное состояние, но только по спаду тактового импульса на входе С. Если на входе J – ноль, а на входе К - еденица то по спаду тактового импульса триггер переключится в нулевое состояние.

Если  J=K=0 , то состояние триггера не меняется. А еслиJ=K=1, то при каждом тактового импульсе на входе C состояние триггера будет изменятся. Данный случай можно использовать в схеме делителя частоты.

При наличии на J- и K-входах уровня 1 по каждому тактовому сигналу, поступающему на вход С, триггер изменяет свое состояние, т.е. работает как счетный Т-триггер. При любых других комбинациях на входах J и К он работает как RS-триггер (вход J соответствует входу S, а вход К— входу R), а при определенном постоянном сигнале на одном из этих входов — как D- триггер.

JK триггеры – считаются универсальными цифровыми устройствами. С одной стороны, они успешно применяются в цифровых схемах в чистом виде: в цифровых счетчиках, регистрах, делителях частоты и т.д. С другой стороны – очень легко из JK-триггера, соединив нужные выводы, получить любой требуемый тип триггера.

T-триггер, или счетный триггер, имеет только один информационный T-вход . Этот триггер изменяет свое состояние после каждой смены сигналов на входе, т.е. он как бы подсчитывает количество импульсов, поступивших на его вход.

Другое название этого типа - счетные триггеры, на основе их создают двоичные счетчики и делители частоты. Все триггеры этого типа имеют только один вход. Принцип его работы прост, когда счетный импульс следует на его вход, его состояние переключается на противоположное, при поступлении следующего импульса – возвращается в исходное. Ниже рассмотрена временная диаграмма работы.

Переключение триггера осуществляется в момент, когда на его вход поступает передний фронт синхроимпульса. Поэтому частота, с которой следуют импульсы на выходе триггера, будет в 2 раза ниже исходной – частоты синхроимпульсов, следующих на вход. Если использование одного счетного триггера позволяет частоту импульсов поделить на два, то два последовательно подсоединенных триггер, соответственно, снижают эту частоту в четыре раза.

Выпускаемые в интегральном исполнении триггеры обозначаются следующими буквами: ТВ — JK- триггер, ТМ — D-триггер, TP — RS-триггер. Например, К555ТВ1, К555ТМ2.

Одна из основных задач, для выполнения которых активно применяются триггеры является формирование сигнала с определенной длительностью какого-либо процесса в цифровой схеме. Выходной сигнал может играть двойственную роль:

Выходной сигнал при этом разрешает этот процесс, а может информировать остальные части цепи о том, что процесс идет. На схеме ниже приведен пример подобной работы

Для синхронизации требуется синхросигнал, который сопровождает информационные входные сигналы на время t_з. Когда синхросигнал поступает на вход С, а выходной сигнал на вход D этого же триггера, то на выходе схемы (на графике Вых. 2) сигнал будет полностью свободен от наличия паразитных импульсов.

При разработке цифровых схем, чья работа синхронизируются единым тактовым генератором, очень часто необходима синхронизация работающей схемы и поступающего внешнего сигнала. Простыми словами – этот сигнал из асинхронного должен превратиться синхронным для всей работающей схемы, в которую он идет. Эта задача решается всего-лишь путем установки триггера.

Он представляет собой типовую логическую схему, которая использует в принципах своей работы гистерезис для использования положительной обратной связи к неинвертирующему входу компаратора или дифференциального усилителя. Это дает возможность выходному сигналу схемы сохранять свое значение до того момента, пока вход не изменится настолько, чтобы вызвать изменение в самом триггере Шмидта.

Эти логические компоненты обычно применяются в различных схемах для сравнения сигналов с целью устранения помех. Элементы Шмидта особенно эффективны при удалении шума, вызванного контактным отскоком в выключателях. Основная функция элемента Шмитта заключается в удалении шумов в различных волновых формах, чтобы исключить колебания от непредсказуемых выходных изменений. Простая схема, которая выиграла бы от применения триггера Шмитта, может быть построена на светодиоде, который иногда включается при его активации кнопкой. Добавление триггера Шмитта в эту простейшую схему упростит определения уровней сигнала ВЫКЛ и ВКЛ, и светодиод не будет мерцать при отключении или включении.

Триггеры Шмидта используются в различных электронных устройствах из-за необходимости снижения шума в схемах, особенно в цепях, которые должны взаимодействовать между цифровыми и аналоговыми частями. Хотя большинство элементов Шмитта включены в логические ИС или входят в дискретные сборки. На рисунке ниже представлена временная диаграмма сигналов, которая наглядно демонстрирует принцип работы триггера Шмитта.

Триггер Шмитта, как и многие схемы в электроники, был назван в честь своего первооткрывателя Отто Шмитта. Он придумал этот компонент в 1937 году, который он первоначально назвал «термоэлектронным триггером». Но изобретение Шмитта оказало значительное влияние на всю электронику, что его решили назвать триггером Шмитта в честь создателя этого электронного устройства. Отто Шмитту также приписывают изобретение катодного следящего устройства, стабилизированного усилителя, дифференциального усилителя, а также создание направления биомедицинской инженерии.

Отто Шмитт отбывал срок в нашей планетарной тюрьме с 1913 по 1998 год. Он добился степени бакалавра и доктора философии в области зоологии и физики. Шмитт всю свою жизнь был близок к математике и электронике и изобрел несколько типов схем, которые все еще используются в настоящее время. Среди них, например, можно особо отметить искусственные конструкции, имитирующие образование импульсов нервных волокон.