metod_7 - Тюменский государственный нефтегазовый
advertisement
Тираж: 10. экз. МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЕГАЗОВЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Методические указания к лабораторной работе «Исследование триггеров» по курсу «Электроника и микросхемотехника» для студентов направлений «Автоматизация и управление» и «Информатика и вычислительная техника» дневной и заочной формы обучения. Тюмень 2002 ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЕГАЗОВЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Утверждено редакционно-издательским советом Тюменского государственного нефтегазового университета Составили: к.т.н. доцент Крамнюк А.И. ст. преп. Гурьева Л.В. ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЕГАЗОВЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Электронную копию данных материалов Исполнил студент группы АТПс-1 заочного отделения ТГНГУ Харченко Г.Г. адрес: ЯНАО, Надымский район, пос. Пангоды, ул. Энергетиков, 29, к.7. 2002 г 2 23 ДЛЯ ЗАМЕТОК 22 1. ИССЛЕДОВАНИЕ ТРИГГЕРОВ Триггером называют логическую схему с положительной гальванической связью, которая представляет собой цифровой элемент с двумя (или несколькими) устойчивыми состояниями, в каждом из которых он может находиться бесконечно долго. Переход из одного состояния в другое осуществляется при подаче на вход (входы) запускающего импульса или соответствующего перепада напряжения. Если у триггера число устойчивых состояний два, то такие триггеры называются бистабильными. Триггеры с числом устойчивых состояний больше двух называются многостабильными, но используются они довольно редко. Триггеры применяются для точного деления частоты следования импульсов; в счетчиках импульсов; в качестве элементов памяти; в системе преобразования и передачи информации; в цифровой и вычислительной технике. Т.е область применения их очень широка. В настоящее время, в основном, используется статические триггеры с потенциальным и импульсным управлением, обозначение которых приведено на рис.1. Выводы Х1…Х5 у него являются входными шинами. У триггера имеется два выхода: Q прямой выход и Q - инверсный выход. Сигналы на выходах взаимно инвертированы. Состояние триггера Рис.1. определяется по выходу Q. Если на выходных шинах создалась ситуация при которой Q=1, а Q =0, то говорят, что триггер находится в состоянии [1], и это соответствует одному из устойчивых состояний. Если же Q=0, а Q =1, то говорят, что триггер находится в состоянии [0] - это соответствует другому устойчивому состоянию. Для такого симметричного триггера оба состояния равнозначны. Как начальное состояние, так и переход триггера из одного состояния в другое определяется комбинацией запускающих сигналов (Xi), подаваемых на входные шины управления или информационные входы. По способу записи информации в триггер они 3 подразделяются на асинхронные и синхронные (тактируемые). К асинхронным относятся триггеры, которые имеют только информационные входы. Запись информации в такие триггеры осуществляется именно в момент поступления управляющих сигналов на информационные входы. Синхронные триггеры, помимо информационных, имеют дополнительные синхронизирующие (тактирующие) входы «С». Запись информации в такие триггеры осуществляется только в момент действия тактирующего импульса на входе «С». Кроме перечисленных входов у триггеров могут быть дополнительные установочные входы «R» и «S», подавая сигналы на которые триггер можно принудительно установить в нужное исходное состояние. В зависимости от реакции триггера на комбинацию поданных на его входы входных сигналов, различают RS-, Т-, D-, JK-триггеры и т.д. Причем, название триггеру обычно даётся по обозначению его информационных входов. Рассмотрим несколько примеров построения потенциальных триггеров на логических элементах. 2. ТРИГГЕРЫ С РАЗДЕЛЬНЫМ ЗАПУСКОМ К триггерам с раздельным запуском (или триггерам с установочными входами) относятся RS-триггеры. RS-триггеры, также как и другие типы, могут быть выполнены на элементах «ИЛИ-НЕ» - триггеры с прямым управлением (см. рис.2а, 2б) и «И-НЕ» - триггеры с инверсным управлением (рис.3а, 3б). На примере триггера, приведенного на рис.2, покажем наличие двух устойчивых состояний. Предположим, что на выходе Q присутствует [1] (Q=1), а на входах R и S присутствует [0] (R=S=0). Покажем, что на Q в этой ситуации будет присутствовать сигнал равный [0] ( Q =0), а в схеме будут созданы условия, обеспечивающие значение Q=1. С учетом исходных условий, на входы 3, 4 нижнего элемента «ИЛИ-НЕ» поступит [0] с входа S и [1] - с выхода Q. На выходе Q в соответствии с логической операцией сложения-инвертирования, которую выполняет 4 ДЛЯ ЗАМЕТОК 21 19. Для какой цели, наряду с основными, дополнительные RS-входы в триггерах Т, D и JK- типа? предусмотрены элемент «ИЛИ-НЕ», появится сигнал, [0] ( Q =0), т.е. инверсное значение по отношению к выходу Q. Нулевой сигнал с выхода Q поступит в это время на вход 2 верхнего элемента «ИЛИ-НЕ», на первый вход которого с входа R также поступит нулевой сигнал. Два сигнала, равные [0], которые поступают на входы элемента «ИЛИ-НЕ», обеспечивают на выходе уровень (Q=1), т.е. состояние верхнего элемента не изменяется. Таким образом, в схеме будет поддерживаться то состояние, которое было задано 20. Какую функцию выполняет триггер Шмита? Какими факторами определяется длительность и амплитуда импульса на выходе триггера Шмита? 21. Что подразумевается под «порогом срабатывания» и «порогом отпускания»? Рис.2. RS-триггер с прямым управлением. 22. Приведите принципиальную схему триггера Шмита. Поясните принцип действия. Проанализируйте факторы, влияющие на значение порогов срабатывания и отпускания. 23. Используя справочник по интегральным микросхемам, приведите технические характеристики всех названных выше типов триггеров, для двух – трёх серий микросхем, серийно выпускаемых промышленностью. в начале. Приняв в качестве исходного состояния Q=0, и приводя аналогичные рассуждения, легко показать, что триггер может находиться и во втором устойчивом состоянии (Q=0, а Q =1). Подобные доказательства можно привести и для триггера с инверсным управлением на элементах «И-НЕ» (умножение-инвертирование), только имея в виду, что в исходном состоянии у такого триггера R=S=1. Реакцию триггера на управляющие сигналы (как и других импульсных и цифровых устройств) показывают в виде таблицы переходов состояний (или таблицы истинности). Таблица 1 определяет состояние триггера с прямым управлением, а Таблица 2 – с инверсным управлением. Индекс «п» определяет момент времени, когда входная комбинация сигналов Rn и Sn уже поступила на вход триггера, но триггер еще не среагировал. А индекс «n+1» определяет момент времени, когда триггер среагировал на поступившую входную комбинацию и перешел в состояние Qn+1. Для Рис.3. RS–триггер с инверснымым управлением 13. ЛИТЕРАТУРА 1. Потемкин И.С. «Функциональные узлы цифровой автоматики» - М. Энергоатомиздат, 1988. 2. Букреев И.Н. и др. «Микроэлектронные схемы цифровых устройств» М. Радио и связь, 1990. 3. Гусев В.В. Зелененко К.В. и др. «Основы импульсной и цифровой техники» - М. Советское радио. 1975. 20 5 Таблица 1. Состояние не изменяется (режим хранения) Запрещённая комбинация Таблица 2. Запрещённая комбинация Состояние не изменяется (режим хранения) 6 примера рассмотрим строку 2 Таблицы 1. В исходном состоянии триггер находился в нулевом состоянии (Qn=0). После поступления на его входы сигналов Rn=0 и Sn=1 триггер переходит в состояние [1] (Qn+1=1). После снятия входных сигналов (Rn=0 и Sn=0) триггер останется в единичном состоянии. Остановимся чуть подробно на запрещенных комбинациях сигналов. Если на входы триггера прямого управления подать комбинацию R=S=1 (табл.1, строка 6), а на входы триггера с инверсным R = S =0, управлением (табл.2, строка 1), то на выходах обоих триггеров образуется ситуация, когда Q= Q , что не характерно для триггеров любых типов. После снятия с входов указанных выше сигналов триггер может установиться в произвольное непредсказуемое состояние, что может привести к сбоям в схеме. Поэтому такие комбинации и являются запрещёнными. 10. Приведите схемы RS-триггеров с установочными входами на элементах «ИЛИ-НЕ» и «И-НЕ». Поясните принцип работы. Составьте таблицы переходов. Проанализируйте результаты, приведенные в таблицах. Рассмотрите ситуации, когда на входы триггеров поступают запрещенные комбинации входных сигналов. 11. Для какой цели исполняют синхронизируемые триггеры? Как схемным путем реализуется режим синхронизации? 12. Какую функцию выполняет D-триггер? Приведите схему. Поясните принцип действия и определите области его применения. 13. Как вы понимаете выражение: «счетный режим работы триггера»? 14. Приведите развернутую блок-схему и обозначение Т-триггера. Покажите возможность работы его в счетном режиме. Какое максимальное количество импульсов можно сосчитать, используя п-ное количество триггеров? 15. Покажите развернутую блок-схему и обозначение JK-триггера. Поясните принцип работы. Составьте таблицу переходов. На основе таблицы переходов покажите, как JK-триггер можно использовать в качестве RS - триггера, Т-триггера или D-триггера. 16. Каким образом D - триггер можно перевести в счетный режим? 17. Приведите схему 4-х разрядного двоичного счетчика, работающего в режиме суммирования и вычитания. Приведите диаграммы напряжений на выходах триггеров. На основе диаграмм докажите возможность использования указанной схемы: а) для подсчета количества импульсов, поступающих на ее вход; б) для точного деления частоты; в) в качестве элемента памяти. 18. Используя триггеры, работающие в счетном режиме, спроектируйте делители частоты на 2, 5, 7, 10. 19 12. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ 3. СИНХРОНИЗИРУЕМЫЙ RS-ТРИГГЕР 1. Дайте понятие триггера - как элемента импульсной и цифровой техники. Приведите условное обозначение триггера. Для обеспечения записи информации в триггер только в определенный момент времени у триггера организуют дополнительный синхровход «С» (см. рис.4а,). При условии, что С=0, входы S и R закрыты для приема информации, на выходах S' и R' появляются две единицы, которые удерживают RS-триггер в предыдущем состоянии. И только при поступлении синхроимпульса (С=1), входные элементы «И-НЕ» открываются и пропускают сигналы S и R на вход RS– триггера. Обозначение синхронизируемого RS-триггера приведено на рис.4б. 2. Перечислите основные области применения триггеров. 3. Как вы понимаете определение: «триггер - это элемент с двумя устойчивыми состояниями»? По какому из выходов, как правило, определяется состояние триггера? 4. Какое количество выходов имеет триггер? 5. Какое количество входов может иметь триггер? 6. Сигналы какой формы поступают на входы триггера, и какой формы сигналы снимаются с выходов триггера? 7. Какими факторами обусловлены следующие параметры сигналов на выходе триггера: а) частота следования импульсов; б) длительности импульсов; в) длительности фронтов импульсов; г) амплитуда импульсов? 8. Какая элементная база используется для построения триггеров? 9. Проведите принципиальную схему триггера на транзисторах. На ее примере покажите: а) наличие положительной обратной связи, способствующей появлению регенеративных процессов; б) наличие двух устойчивых состояний; в) рассмотрите процессы перехода триггера из одного устойчивого состояния в другое при поступлении запускающих импульсов. 18 Рис.4. Синхронизируемый RS-триггер. 4. ТРИГГЕР СО СЧЁТНЫМ ВХОДОМ (Т-ТРИГГЕР) Под счетным режимом понимают такой режим, при котором на каждый запускающий импульс или соответствующий перепад напряжения триггер изменяет свое состояние на противоположное. Как правило, триггеры, работающие в счетном режиме, имеют один информационный вход. Но у них могут быть дополнительные установочные входы (R и S) и синхровход (С). Способов организации триггеров, работающих в счетном режиме, имеется большое количество. В качестве примера рассмотрим Т-триггер, выполненный на двух синхронизируемых RS-триггерах (см. рис.5). Первый из них называется М-триггером (от masters - хозяин), второй - S-триггером или ведомым (от slave - раб). Благодаря общему синхросигналу, вся система 7 функционирует как единое целое. Эпюры напряжений такого триггера приведены на рис.6). Триггер работает в два такта. В первый такт, когда сигнал А=0 (см. рис.6, участок 1), а вход А в триггере соответствует входу Т, входные элементы «И1» и «И2» закрыты. При этом S1=R1=0, и триггер Т1, сохраняет исходное состояние. В это же время А =1. Входы у «И3» и «И4» открыты и информация с выходов триггера Т1 переписывается в триггер Т2. Например, если Q1=0, Q 1=1 то и Q2=0, Q 2=1 (см. рис.6, участок 2). С выхода Q 2 второго триггера на верхний вход элемента «И1» поступает [1], а на нижний вход «И2» с выхода Q2 поступает [0]. Во втором такте А=1, А =0 (см. рис.6, участок 3). Входы «И3» и «И4» закрываются для передачи информации, S2 и R2 становится равным [0] и триггер Т2 переходит в режим хранения информации в соответствии со строками 0 и 1 Таблицы 1. Элементы «И1» и «И2» открываются для передачи информации, т.к. А=1. Во втором такте выход S1=1, т.к. на входы «И1» поступают две единицы, а R1=0 и на входы «И2» поступает единица и ноль. 2.Собрать схему вычитающего трехразрядного счетчика. Измерить Uвх и Uвых. Зарисовать осциллограммы с выходов каждого разряда и с суммирующего резистора R0. 3.В отчете привести таблицы состояний входов и выходов триггеров. 11. МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ 1. Запуск счетчиков осуществлять с помощью стендового генератора прямоугольных импульсов ГН-2. Для этого на гнезда макета «+12» и «» подать с него напряжение питания +12В. На гнездах макета «f» или «4f» проверить наличие импульсов. 2. Необходимо организовать счетный режим работы триггеров. Для этого ввести обратную связь в каждом разряде, соединив вход D триггера со своим же выходом Q . D-триггеры выполнены на RS-триггерах с инверсным управлением (155ТМ2), поэтому при работе в счетном режиме запуск триггера будет осуществляться передним фронтом запускающего импульса. Для реализации суммирующего счетчика вход каждого последующего триггера соединить с выходом Q предыдущего, а для вычитающего счетчика - с выходом Q. Матрицу суммирующих резисторов подключить к выходам Q триггеров. При этом резистор с максимальным значением сопротивления подключается к младшему разряду счетчика. 3. В выводах к работе предоставить: Рис.5. Т-триггер (функциональная схема). Входная комбинация S1=1 и R1=0 соответствует второй строке Таблицы 1. Такая входная комбинация переводит первый триггер в состояние [1]: Q1=1, а Q2=0 (см. рис.6, участок 4), т.е. изменяет его состояние на противоположное, а второй триггер своё состояние пока 8 3.1. объяснение деления частоты на 2 каждым триггером; 3.2. причины формирования ступенчато-падающего напряжения на выходе суммирующей матрицы резисторов; 3.3. перечень узлов цифровой и вычислительной техники, где используются триггеры и счетчики импульсов. 17 Если в схеме, приведенной на рис. 13, входы последующих триггеров подключить к выходам Q предыдущих триггеров, то счетчик будет работать в режиме вычитания, т.е. получим вычитающий счетчик. Если в счетчике предусмотрены указанные переключения, то такой счетчик называется реверсивным. В-третьих, рассмотренная цепь триггеров обладает свойством памяти, т.к. после прекращения поступления импульсов на вход, на выходах триггеров сохраняется комбинация, которая соответствует числу импульсов, пришедших на вход первого триггера, до момента ее прекращения. 8. СХЕМА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ТРИГГЕРОВ И СЧЁТЧИКОВ Рис.6. Циклическая диаграмма состояний Т-триггера сохраняет (участок 2а, рис.6). При поступлении на вход А очередного перепада, при котором А=0, А =1 (см. рис.6, участок 5), информация из первого триггера переписывается во второй и появляется на выходе (см. рис. 6, участок 6). Из приведенных эпюр видно, что срабатывание триггера происходит при наличии отрицательного перепада на входе, когда входной сигнал изменяется от уровня логической единицы до уровня логического нуля, что показано стрелкой (см. рис.6, участок 7), т.е. на задний фронт входного сигнала. 9.ЦЕЛЬ РАБОТЫ Ознакомление с работой триггеров RS-, D-, T-, JK-типов и счётчиков, построенных на их основе. 10. ПРОГРАММА ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТ 1.Собрать схему суммирующего трехразрядного счетчика. Зарисовать осциллограммы с выходов разрядов чисел и с суммирующего резистора R0. Измерить Uвх и Uвых. В результирующем сигнале замерить уровень ступеньки. 16 5. ТРИГГЕР ЗАДЕРЖКИ (D-ТРИГГЕР) D-триггер может быть выполнен на двух синхронизируемых RSтриггерах (см. рис.7). На практике применяются и другие модификации D-триггеров. Кроме информационного D-входа у триггера имеется синхровход «С». Запись информации, поступающей на вход «D», осуществляется в первый триггер после прихода синхронизирующего (тактирующего) импульса на вход «С», но появляется на выходе Т2 только после его окончания. На рис.8 приведены эпюры, поясняющие принцип действия D-триггера. Следует иметь в виду, что на выходе второго триггера (Q2) появится уровень сигнала, который присутствовал 9 на входе D (см. рис.8, участок 1 – жирная линия) в момент перехода сигнала синхроимпульса из единичного уровня в нулевой (см. рис. 8, участок 2). Рис.7. D-триггер (функциональная схема). Как видно из приведенных графиков, при С=1 сигнал на выходе первого триггера (Q1) повторяет форму сигнала на входе D, но на Q2 сигнал не изменяется. На выходе Q2 появится единичный уровень (см. рис.8, участок 3) только при изменении сигнала входа С на нулевой уровень (см. рис.8, участок 2). D-триггер, схема которого приведена на рис.7, можно легко перевести в счетный Рис.8. Циклическая диаграмма состояний D-триггера. режим. Для этого необходимо вход D соединить с выходом Q Вход D при этом не используется, а в качестве информационного входа Т-триггера будет служить синхровход С. На рис. 9а приводится обозначение Dтриггера и схема его включения в счетном режиме (см. рис. 9б). Рис.9 10 Рис.14. Циклическая диаграмма счётчика импульсов. Если же на вход поступит еще один импульс, то состояние триггеров будет определяться моментом времени 11, на выходах появится комбинация 111, что соответствует числу 7 в десятичной системе исчисления. Таким образом, к числу, записанному в счетчике от поступления предыдущей пачки импульсов, добавится еще один, т.е. осуществляется суммирование. Поэтому такой счетчик называется суммирующим. Максимальное число импульсов, которое может однозначно сосчитать такая цепь триггеров, определяется в виде: Nmax = 2n - 1 где: п - число триггеров, использованных в счетчике. При поступлении на вход импульса, номер которого кратен числу (2n), все триггеры сбрасываются в нулевое состояние, счет начинается заново, а информация о предыдущих (2n) импульсах теряется. 15 входных запускающих импульсов, так и на выходе каждого предыдущего триггера. Проанализируем работу счетчика на основе эпюр, приведенных на рис. 14. Во-первых, можно отметить, что частота следования импульсов на выходе каждого последующего триггера точно в два раза меньше, чем на его входе. Т.е. такую цепь триггеров можно использовать как точный делитель частоты с коэффициентом деления кратного 2n , где п - число последовательно включенных триггеров. 6. УНИВЕРСАЛЬНЫЙ JK-ТРИГГЕР JK-триггер принято считать универсальным потому, что он может функционировать как RS-триггер. Его можно преобразовать и в Dтриггер и в Т-триггер, и у него имеется вход синхронизации. Схема одного из возможных вариантов построения двухступенчатого JK-триггера приведена на рис.10, а закон функционирования (или таблица истинности) JK-триггера приведен в Таблице 3 (при сигнале на входе С=1). ВЫХОДНЫЕ ШИНЫ ВХОД ШИНА СБРОСА Рис.13. Счётчик импульсов. Следует заметить, что можно выполнить точные делители частоты следования импульсов с коэффициентом деления в любое целое число раз, организовав в счётчике дополнительные обратные связи. Во-вторых, предлагаемая схема обладает способностью считать количество импульсов, поступивших на ее вход. Предположим, что в момент времени 7 (см. рис. 14) входные импульсы прекратились, и первый триггер установился в нулевое положение, то есть Q1=0, у второго триггера выход Q2=1, у третьего Q3=1 (участки 8, 9, 10). Если считать, что на выходах Qi записано число в двоичной системе исчисления, где Q1 соответствует младшему разряду, то, после перевода числа 110 в десятичную систему, получим число 6, что и равно числу импульсов, поступивших на вход. 14 Рис.10. Двухступенчатый универсальный JK-триггер (функциональная схема). Как и любой синхронизируемый триггер, JK-триггер будет реагировать на сигналы, поступающие по входам J и K только в том случае, когда на входе «С» будет присутствовать единица (С=1). В рассматриваемом триггере с выходов Q2 и Q 2 организована обратная связь на входные элементы «И-НЕ» (см. рис.10, цепи 1, 2). Поэтому при анализе работы триггера необходимо учитывать влияние необходимых сигналов, поступающих обратно на его вход. Триггер работает в два такта. С первым тактом (когда С=1) информация поступает на входы J и К и записывается в первый триггер. Второй триггер в это время находится в режиме хранения исходной информации, которая была в него записана на предыдущем такте. В этот момент S2=R2=1(см. Таблица 2, строки 6, 7). 11 Таблица 3. Во второй такт, когда на J и К присутствует ноль (или С=0), входные элементы «И-НЕ» закрываются для передачи Состояние сигналов со входов J и К. не изменится Первый триггер переходит в режим хранения, так как теперь S1=R1=1, а информация, записанная в первый триггер, переписывается во второй и появляется на выходах Q2 и Состояние Q 2. изменяется на противоположное Кратко остановимся на (счётный режим) таблице переходов (Таблица 3). Строки 0 и 1, где J = К = 0: триггер в этом случае не будет реагировать на входные сигналы - сохраняет свое состояние (режим хранения). Строки 2-5: будет происходить запись информации, поступающей на входы J и К, конечно, при условии, что С=1. Причем реакция рассматриваемого JK-триггера на входные сигналы будет аналогична реакции RS-триггера с прямым управлением (сравните табл. 1 и табл. 3). Это и позволяет использовать JK-триггер, как RS-триггер с установочными входами. Если объединить входы J и К, т.е. подавать на них одинаковые сигналы, то JK-триггер будет изменять свое состояние на противоположное при изменении уровней входных сигналов от единичного до нулевого, т.е. он будет работать в счетном режиме. На рис. 11 показана работа JK-триггера в счетном режиме. Видно, что JK триггер реагирует на входные сигналы только в тот промежуток времени, когда С=1. На рис.12. приводится: общепринятое обозначение JK-триггера (см. рис. 12а), использование JK-триггера в качестве D-триггера (см. рис. 12б) и использование JK-триггера в качестве Т-триггера (см. рис. 12в). Рис.12. JK-триггер, JK - D-триггер и JK - Т-триггер 7. ПРИМЕНЕНИЕ ТРИГГЕРОВ В СЧЁТЧИКЕХ ИМПУЛЬСОВ Рис.11. Циклическая диаграмма JK-триггера (счётчик). Организовать счетчик импульсов на триггерах можно, включив последовательно несколько триггеров, работающих в счетном режиме, как это показано на рис. 13 Вход R служит для одновременного установления (сброса) всех триггеров перед началом счета в исходное нулевое состояние. Эпюры напряжений, поясняющие работу счетчика, приведены на рис.14. Будем считать, что использован такой тип триггеров (с инверсным управлением), у которого: если вход R = 0, то выход Qi = 0 (см. рис. 14 участки 1, 2, 3). Триггеры реагируют на отрицательный перепад запускающего импульса (участки 4, 5, 6), формируемого как у 12 13