RS-тригер. Принцип роботи RS-тригера. Схема

RS-тригер являє собою найпростіший керуючий автомат, реалізований зазвичай у вигляді цифрової електронної схеми, що відноситься до класу последовательностних схем. Як відомо, в цифровій схемотехніці до функціональних пристроїв последовательностного типу належать регістри, лічильники, генератори чисел і керуючі автомати, включаючи тригери різних видів.

Місце тригерів в цифровій схемотехніці

На відміну від комбінаційних логічних схем, які змінюють стан в залежності від фактичних сигналів, поданих на їх входи в певний час, последовательностние логічні мають деяку форму притаманною їм вбудованою «пам'яті», так що вони можуть враховувати як попереднє, так і фактичний стан їх входів і виходів. Загальна структурна схема последовательностного пристрою показана нижче. RS-тригер як цифровий керуючий автомат включає власне пам'ять і комбінаційну схему управління на типових лигических елементах, реалізує його вхідний логічний алгоритм. Якщо розглядати цю схему стосовно до найпростіших схем тригерів, то вони не мають структурно виділеної пам'яті у вигляді якоїсь спеціалізованої мікросхеми або схемного сайту. Пам'ять тригера існує на рівні функції, вона немов вбудована в алгоритм роботи його комбінаційної схеми управління. Проявом цієї «пам'яті» є так звана бистабильность тригера, виходи якого можуть знаходитися в одному з двох основних станів: логічної одиниці (далі - 1) або логічного нуля (далі - 0). Усталені значення своїх виходів тригер запам'ятовує («фіксує» їх) і зберігає, поки не виникне чергова зміна його вхідних сигналів.

Класифікація

Якщо стандартні логічні елементи є будівельними блоками комбінаційних схем, бістабільні схеми, включаючи і RS-тригер, є основними компонентами побудови последовательностних логічних пристроїв, таких, як регістри зберігання даних, регістри зсуву, пам'яті пристрою або лічильники. У будь-якому випадку розглядаються тригери (зрозуміло, як і всі последовательностние схеми) можуть бути виконані у вигляді наступних основних типів: 1. Асинхронний RS-тригер – схема, яка змінює стан відразу при зміні вхідних сигналів. Для розглянутого типу пристроїв ними є сигнали на інформаційних входах R (скидання) і S (установка). Відповідно до усталеної практики, відповідні входи називають так само, як і сигнали на них.




2. Синхронний RS-тригер, керований статично , робота якого синхронізована з рівнем певного тактового сигналу. 3. Тригер п. 2 з динамічним управлінням , робота якого синхронізована з моментами появи фронтів (або спадів) тактового сигналу. Таким чином, якщо зміни стану виходів відбуваються тільки при наявності тактового сигналу, який подається на окремий тактовий вхід C, то тригер є синхронним. В іншому випадку схема вважається асинхронної. Щоб зберегти свій поточний стан, последовательностние схеми використовують зворотний зв'язок, тобто передачу частини вихідного сигналу на її вхід.

RS-тригера на логічних елементах

Найпростіший спосіб його зробити – з'єднати разом пару двухвходових логічних елементів І-НЕ. При цьому зворотний зв'язок з виходу одного елемента подається на вхід іншого (см. схему нижче). Як правило, в даній схемі вхідні сигнали показують инверсними (з верхнім підкресленням), хоча в подальшому при аналізі роботи використовують позначення прямих (неинвертированних) входів. Це сильно ускладнює розуміння логіки роботи тригера. Тому ми не будемо вводити інвертування входів на етапі розгляду роботи схеми на елементах І-НЕ, а врахуємо це в подальшому при її модифікації. Скільки входів і виходів має RS-тригер? З вище схеми видно, що він містить S-вхід і R-вхід, які служать, відповідно, для установки і скидання схеми, а також прямий Q та інверсний виходи Q. Але цей найпростіший тригер відноситься до увазі асинхронних, його умовне позначення показано нижче. У синхронному пристрої є ще й вхід C для тактових імпульсів.

Стан «Встановлений»

Розглянемо, як відбувається робота RS-тригера у цьому стані, що задається значеннями R = 0 і S = 1. Оскільки на вхід R елемента І-НЕ Y поданий рівень 0 то Q =1 (логіка І-НЕ). З виходу Y сигнал Q також подано назад на елемент X (вхід "A"). Оскільки S = A = 1 то Q = 0. Якщо встановлюється R = 1 а вхід S дорівнює 1 то на входах Y маємо B = 0 і R = 1 а його вихід Q =1 тобто він не змінився. Отже, якщо S = 1 то RS-схема тригера «замикається» в стані «Встановлений» Q = 0 і Q = 1 а зміна сигналу R його не змінює.

Стан «Скинутий»

В цьому другому стійкому стані Q = 0 Q = 1 і задається воно входами R = 1 і S = 0. Оскільки у елемента Х вхід S = 0 то його вихід Q =1 (логіка І-НЕ). Сигнал Q подається назад на елемент Y (вхід "В"), і так як R = B = 1 то Q = 0. Якщо S стає рівним 1 при R = 1 то Q залишається дорівнює лог 0 тобто він не змінюється. Отже, при R =1 схема тригера знову «замикається» в стані «Скинутий» Q = 0 і Q = 1 що зберігається при будь-якому сигналі S.

Зводимо результати в таблицю

Ми можемо визначити стан сигналів Q і Q за наступною таблицею істинності:

Стан



S



R



Q



Q



Опис



Установка



1



0



0



1



Вихід Q =1



1



1



0



1



без змін



Скидання



0



1



1



0



Вихід Q =0



1



1



1



1



без змін



Неприпустиме



0



0



1



1



стан помилки

Видно, що коли S = R = 1 то Q і Q можуть бути рівними як 1 так і 0 (але не одночасно!) в залежності від рівнів входів S або R перед виникненням даного стану виходів. Таким чином, за умови S = R = 1 не можна змінити стан виходів Q і Q. Воно може змінитися тільки при зміні рівня з 1 на 0 на одному з входів. Значення S = R = 0 є небажаним або неприпустимим станом, і його слід уникати. Стан S = R = 0 викликає установку обох виходів Q і Q на рівні 1 в той час як стан Q завжди повинно бути назад Q. Результатом є те, що тригер втрачає контроль над Q і Q, і якщо два входи тепер перейдуть до стану 1 то схема стає нестійкою і переключається в невизначений стан.

Діаграма перемикання RS-тригера

Сказане в попередньому розділі ілюструє наступна діаграма перемикання. Як видно, при S = R = 0 виникає дисбаланс (невизначеність) стану виходів. Він може призвести до перемикання одного з виходів швидше, ніж іншого, в результаті чого відбудеться перемикання тригера в той або інший стан, який може не збігатися з необхідним, і дані будуть пошкоджені. Це нестійкий стан зазвичай називають мета-стабільним. Таким чином, подібний тригер-засувка може бути переведений в стан «Встановлений» шляхом подачі 0 на його S-введення (при наявності 1 на R-введенні) і переведений в стан «Скинутий» подачею 0 на R-введення (при наявності 1 на S-введення). Тригер входить в невизначений стан (мета-стабільний), якщо на обидва його входу одночасно подається рівень 0. Перемикання стану виходів відбувається з невеликою затримкою щодо зміни сигналу на одному з входів без використання тактового сигналу. Отже, розглянута вище схема являє асинхронний RS-тригер.

Модифікуємо схему тригера

Як ми бачили вище, базові елементи І-НЕ розглянутого RS-тригера працюють так, що при його установці Q = 1 і Q = 0 а при його зменшенні Q = 0 і Q = 1 хоча логічніше було б у першому змозі мати Q = 1 а у другому - Q = 0. При цьому виходить, що зміна станів відбувається при падінні рівня сигналу з 1 до 0. Таким чином, для правильної роботи схеми тригера його вхідні сигнали потрібно проинвертировать. Тоді перемикання його станів будуть відбуватися при подачі позитивних вхідних сигналів. Для цього в схему потрібно додати два додаткових І-елемент, приєднаних як інвертори до S - і R-входам, як показано на малюнку нижче. Тут на входах елементів І-НЕ вже представлені інверсні вхідні сигнали. Так само, як і з використанням І-НЕ елементів, можна побудувати простий RS-тригер з використанням двох ЧИ елементів, з'єднаних за такою ж схемою. Вона буде працювати аналогічним чином, як і розглянута вище схема І-НЕ. При цьому активним є високий рівень сигналів на входах, а неприпустиме стан виникає, коли на обидва входи поданий рівень логічної "1", як це показано в таблиці істинності на малюнку нижче.

Як синхронізувати роботу тригера

Іноді бажано в последовательностних логічних схемах мати бістабільні тригер, що змінює свій стан, коли дотримані певні умови, незалежно від стану S - або R-входів. Така схема може бути створена підключенням двухвходного елемента І послідовно з кожного входом тригера. Об'єднавши два входи елементів І, отримаємо новий вхід тригера. Додавання його означає, що виходи Q і Q змінюють стан, коли сигнал на ньому є високим, і, отже, він може бути використаний в якості тактового C-введення, як показано на малюнку нижче. Коли сигнал на С-вході знаходиться на рівні 0 то виходи двох елементів І - також на рівні 0 (логіка елемента), незалежно від стану двох входів S і R, а два виходи Q і Q «защелкнути» в останньому сталому стані. Коли сигнал на С-вході змінюється на рівень 1 то схема відповідає як звичайний бістабільні тригер, стаючи прозорою для установки і скидання станів. Цей додатковий C-вхід також може бути підключений до виходу генератора тактової частоти синхронізації, утворюючи тоді синхронний RS-тригер. Таким чином, дана схема працює як стандартна бистабильная тригерна «клямка», але виходи активуються тільки тоді, коли рівень 1 подано на C-вхід, і відключаються при появі рівня логічного нуля.

Регістри на тригерах

RS-тригер здатний зберігати 1 біт цифрової інформації. Якщо необхідно зберігати декілька біт, наприклад, цифрове двійкове слово з декількох двійкових розрядів (в мікроконтролерах зазвичай 8 або 16), то тригери можуть з'єднуватися паралельно, утворюючи регістри. Це найпростіші пристрої для тимчасового зберігання набору двійкових цифрових розрядів, в яких кожен тригер зберігає значення одного розряду (0 або 1. тобто один біт). Так, показаний нижче 4-розрядний регістр на RS-тригерах містить чотири окремих тригера. Будь-яке двійкове число від (0000) 2 до (1111) 2 може бути збережено в цьому регістрі просто шляхом установки або скидання відповідного тригера. Давайте припустимо, що перший тригер встановлений (Q1 = 1), другий скинутий (Q2 = 0), третій також скинутий (Q3 = 0), а четвертий встановлено (Q4 = 1). Тоді двійкове число, записане в регістр, буде (1001) 2. Крім паралельних регістрів, призначених для зберігання цифрових слів, на RS-тригерах робляться і так звані регістри зсуву, в яких розряди цифрового слова послідовно з приходом кожного тактового імпульсу зсуваються вліво або вправо на один розряд. Схема такого пристрою на синхронних тригерах показана нижче. Подібні регістри знаходять застосування в схемах послідовних інтерфейсів, коли надходять з керуючого контролера цифрові слова побітно передаються в лінію зв'язку.