Лабораторная работа № 2

СИНТЕЗ И ИССЛЕДОВАНИЕ ТРИГГЕРОВ

Цель работы: изучение функционирования и схемных разновидностей триггеров, приобретение навыков в синтезе триггеров и определении их характеристик.

Краткие теоретические положения

Триггеры представляют собой устройство с двумя устойчивыми состояниями, описываемое переходной функцией Qk+1=F(Qk,x1,....,xn,c1,...,cm) и содержащее запоминающий элемент (ЗЭ) Qk+1=Fзэ(Qk,f1,f2) и схему управления (СУ) fi=Fсу(x1,...,xn,c1,..,cm), показанные на рис. 1.



рис. 1. Структурная схема триггера (X1...Xn – информационные входы; С1...Сm – необязательные тактирующие входы; f1,f2 – функции возбуждения ЗЭ)

В зависимости от наличия тактирующих входов различает синхронные (имеющие тактирующие входы) и асинхронные (не имеющие тактирующих входов) триггеры. Наиболее широкое распространение среди синхронных получили однотактные триггеры, имеющие только один тактирующий вход.

Функциональная классификация триггеров определяется переходной функцией. Так, RS – триггер описывается функцией

, где R_k*S_k=0; (1)

D – описывается функцией

(2)

T – триггер описывается функцией

(3)

JK – триггер описывается функцией

(4)

По виду перепада тактирующего сигнала различают синхронные триггеры с положительным перепадом тактирующего сигнала, если триггер изменяет свое состояние при перепаде тактирующего сигнала из “0” в “1”, и с отрицательным перепадом, если триггер изменяет свое состояние при перепаде тактирующего сигнала из “1” в “0”.

По способу записи информации различают следующие типы синхронных триггеров:

1) триггеры, тактируемые уровнем (со статическим управлением записью);

2) двухступенчатые триггеры (MS - типа);

3) триггеры, тактируемые фронтом (с динамическим управлением записью).

Последние два типа триггеров обладают внутренней задержкой и поэтому их иногда называют триггерами с внутренней задержкой.

Особенность синхронных триггеров со статическим управлением записью состоит в том, что при С=1 они могут переключаться столько раз, сколько раз изменяются информационные сигналы.

Особенность двухступенчатых триггеров состоит в том, что триггер содержит два запоминающих элемента: Основной M и вспомогательный S. Передача информации из ЗЭ М в 3Э S производится через вентили В. Запись в ЗЭ М тактируется сигналом С, а в 3Э S (рис. 2) сигналом F. Наибольшее распространение получили MS-триггеры с инвертором в цепи тактирующего сигнала С и MS-триггеры с запрещающими связями (рис. 3).



рис. 2. Структура двухступенчатая триггера



рис. 3. Структура MS – триггера: а – с инвертором; б – с запрещенными связями

Особенность триггеров с динамическим управлением состоит в том, что запись информации в ЗЭ производится по перепаду тактирующего сигнала (положительному или отрицательному в зависимости от типа триггера), а состояние ЗЭ не может быть изменено при С=1 или С=0 до появления нового перепада сигнала С. Структура такого триггера состоит из трех элементарных триггеров, один из которых представляет собой ЗЭ, а два других – блокирующие триггеры, запоминающие значения сигналов возбуждения f₁ и f₂ (рис. 4).

Временные диаграммы работы триггеров трех видов типа показаны на рис. 5 (при tзд(ЗЭ)Tc).



рис. 4. Структура триггера с динамическим управлением записью

Синтез схемы триггера заключается:

1) в выборе его структуры;

2) в синтезе СУ.

Синтез СУ для любого типа триггера производится по полной таблице переходов триггера, в которой отражают значения Q для каждого вектора входных сигналов. Затем получают выражения для f₁ и f₂ и реализуют эти функции в заданном элементном базисе.

Так, для JK-триггера со структурой MS-типа с инвертором (см.рис. 3,а) полная таблица переходов строится в соответствии с переходной функцией (4) для 4 входов (С_K, J_K, K_K, Q_K) определяющих состояние выхода Q_K+1. Анализируя полученные переходы QKQK+1, следует заполнить столбцы таблицы для f₁ и f₂. Минимальная дизъюнктивная нормальная форма (МДНФ) полученных функций - имеет вид

а в базисе, например, элементов И-НЕ - вид

Быстродействие триггера оценивается следующими параметрами :

– временем задержки переключения tзд п;

– минимальной длительностью входного импульса tи (информационного или тактового);

– разрешающим временем триггера tp ;

– максимальной частотой переключения f max;

– предельной рабочей частотой fпр.

Все перечисленные параметры составляют группу динамических параметров триггера. Они могут быть непосредственно измерены.

рис. 5. Временные диаграммы работы синхронных триггеров: Q1 – со статическим управлением записью; Q2 – двухступенчатые; Q3 – с динамическим управлением записью

При этом tзд п определяется как интервал времени между фронтом управляющего сигнала (информационного или тактового) и фронтом выходного сигнала на прямом или инверсном выходе триггера. Минимальная длительность tи определяется как длительность входного импульса, при которой еще не нарушается нормальное переключение триггера. Разрешающее время определяется как минимальный временной интервал между двумя переключающими сигналами минимальной длительности, при котором сохраняется нормальная работа ненагруженного триггера. Частота f max определяется по выражению f max = 1/tp .

Предельная частота fпр определяется как наибольшая частота переключения ненагруженного триггера и для заданной нагрузки может быть найдена как fпр = 1/tпр, где tпр – минимальный временной интервал между двумя переключающимися сигналами, при котором сохраняется нормальная работа нагруженного триггера.

В результате схема триггера имеет вид, показанный на рис. 6.

Пунктиром на рис. 6 показана организация асинхронных входов предварительной установки триггера в "0" (вход R ) и в "1" (вход S ).

Для каждого типа триггера с внутренней задержкой может быть организован счетный режим, обеспечивающий переключение триггера на каждый тактирующий импульс.

рис. 6. Схема JK – триггера MS – типа с инвертором на элементах И-НЕ

Задание на работу

1) Синтезировать схему триггера со статическим управлением записью в соответствии с заданием (см. табл. 1).

2) Синтезировать схему триггера MS-типа с запрещающими связями в соответствии с заданием (см. табл. 1).

3) Синтезировать схему триггера с динамическим управлением записью в соответствии с заданием (см. табл. 1).

4) Для каждой схемы измерениями на макете определить минимальную длительность тактирующего сигнала tи, время переключения триггера tзд п, разрешающее время tp триггера.

5) Для каждой схемы триггера построить временную диаграмму его работы, определить по ней временные параметры ( tи, tзд п, tр) и сравнить их с измеренными значениями.

6) Определить временные параметры микросхем триггера в соответствии с заданием.

Таблица 1. Варианты заданий

Номер варианта	1	2	3	4	5	6
Тип триггера	RS	D	Т	табл. 3	табл. 2	JK

Таблица 2 Таблица 3

Информационный вход Х0	Информационный вход Х0	Выход (QK+1)	Информационный вход Х0	Информационный вход Х0	Выход (QK+1)
0	0	Qk	0	0	1
0	1	0	0	1
1	0	Qk	1	0	0
1	1	1	1	1	Qk

Порядок выполнения работы

Работа выполняется на установках УМ-11, УМ-16. В качестве измерительной аппаратуры используется осциллограф (типа CI-69 или CI-75). Для набора схем триггеров используются коммутационные шнуры. Для этой работы, кроме логических элементов установки УМ-11, потребуются генератор синхроимпульсов (ГСИ), генератор одиночных импульсов (ГОИ), тумблерный регистр и ламповые индикаторы.

Генератор одиночных импульсов - синхронизируемый, вырабатывает импульс при нажатии кнопки "Пуск" и наличии синхроимпульсов на гнезде "Вход". Выходы ГСИ и ГОИ - парафазные, выполнены на ИС К155ЛАб.

Необходимо всегда помнить, что нельзя соединять выходы микросхем с гнездами "+" и "-".

– До занятия подготовиться к работе, изучив теоретические положения и синтезировав схемы заданных триггеров.

– Собрать и отладить схемы на макете УМ-11, убедиться в правильности их функционирования.

– Проверить работу триггеров в статическом режиме, подавая при этом тактирующие сигналы с выхода ГОИ, а входные информационные сигналы с тумблерного регистра. Состояние триггеров определить с помощью элементов индикации.

– Измерить времена переключения триггеров в динамическом режиме, подавая при этом тактирующие сигналы с выходов ГСИ 1 МГц, а входные информационные сигналы с выходов ГСИ 500 КГц или организуя счетный режим триггера.

– Измерить остальные временные параметры триггеров, используя ГПИ-I, ГПИ-2 с макета УМ-16.

– Измерить временные параметры заданной микросхемы на макете УМ-16. Снять зависимость t_p от емкости нагрузки С_н, подключаемой к выходу триггера.

Разрешающее время триггера можно измерить с помощью схемы, приведенной на рис. 7.

Величина t_p определяется изменением задержки t_з импульсов ГПИ-1 относительно импульсов ГПИ-2.

При t_з = t_р триггер перестает различать два импульса и переключается как один, перейдя в счетный режим.

рис. 7. Схема измерения tp триггера и определения зависимости tпр от нагрузки

Контрольные вопросы

1. Составьте таблицы переходов RS- , D- , Т- , DE - и JК -триггеров.

2. В чем различие между синхронными и асинхронными триггерами?

3. В каких случаях необходимо использовать триггеры с внутренней задержкой?

4. Нарисуйте временные диаграммы работы для трех типов триггеров: со статическим управлением записью; с динамическим; MS -типа.

5. Объясните работу двухступенчатых триггеров.

6. Объясните работу триггеров с динамическим управлением записью.

7. В чем недостатки триггеров со статическим управлением записью?

8. Назовите основные временные параметры триггеров.

9. Как построить Т -триггер на основе RS- , D - , JK -триггеров?

10. Какие изменения необходимо осуществить в триггере MS-типа, чтобы изменить фронт тактирующего сигнала, по которому осуществляется переключение триггера?