Лабораторная работа № 1 Тема “ Кафедра АСУ

АЗЕРБАЙДЖАНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ НЕФТЯНАЯ АКАДЕМИЯ
Факультет Автоматизации Производственных Процессов
Кафедра АСУ
Лабораторная работа № 1
Тема “ Исследование Функциональных Свойств Триггеров ”
Студент 606.0 группы
Мамедов Г.И.
Преподаватель_____________________________ доцент Агаева С.Р.
1) Цель лабораторной работы:
Изучение функциональных свойств триггеров, экспериментальное исследование
режимов и синтез цифрового автомата.
2) Теоретическое обоснование:
Триггеры. RS триггеры
Триггер (триггерная система) — класс электронных устройств, обладающих способностью длительно
находиться в одном из двух устойчивых состояний и чередовать их под воздействием внешних
сигналов. Каждое состояние триггера легко распознаётся по значению выходного напряжения. По
характеру действия триггеры относятся к импульсным устройствам — их активные элементы
(транзисторы, лампы) работают в ключевом режиме, а смена состояний длится очень короткое время.
Отличительной особенностью триггера как функционального устройства является свойство
запоминания двоичной информации. Под памятью триггера подразумевают способность оставаться в
одном из двух состояний и после прекращения действия переключающего сигнала. Приняв одно из
состояний за «1», а другое за «0», можно считать, что триггер хранит (помнит) один разряд числа,
записанного в двоичном коде.
На рисунке изображена схема триггера на логических элементах ИЛИ-НЕ.
Рис. 1 Схема простейшего RS-триггера.
Такая схема называется асинхронным RS-триггером. Первый (сверху) выход называется прямым,
второй - инверсным. Если на оба входа (R и S) подать лог. нули, то состояние выходов определить
невозможно. Триггер установится как ему заблагорассудится, т. е. в произвольное состояние. Допустим,
на выходе Q присутствует лог. 1, тогда на выходе не Q (Q с инверсией) обязательно будет лог. 0. И
наоборот. Чтобы установить триггер в нулевое состояние (когда на прямом выходе лог. 0, на инверсном
- лог. 1) достаточно на вход R подать напряжение высокого уровня (про уровни напряжений здесь).
Если высокий уровень подать на вход S, то это переведет его в состояние 1, или как говорят, в
единичное состояние (на прямом выходе лог. 1, на инверсном - лог. 0). И в том, и в другом случаях
напряжение соответствующего уровня может быть очень коротким импульсом - на грани физического
быстродействия микросхемы. То есть, триггер обладает двумя устоячивыми состояниями, причем эти
состояния зависят от ранее воздействующих сигналов, что позволяет сделать следующий вывод триггер является простейшим элементом памяти. Буквы R и S по-буржуйски set - установка, reset сброс (предустановка). На рис. 2 RS-триггер показан в "микросхемном исполнении".
Рис. 2 RS-триггер в интегральном исполнении.
RS-триггер можно соорудить и на элементах И-НЕ, как показано на рисунке 3. Такая конструкция
встречается довольно часто.
Рис. 3 RS-триггер на логических элементах И-НЕ.
Принцип работы такой же, как у триггера на элементах ИЛИ-НЕ, за исключением инверсии
управляющих сигналов, т. е. установка и сброс триггера производится не лог. 1, а лог. 0. Другими
словами, входы такого триггера инверсные. В описанных триггерах изменение состояния происходит
сразу после изменения состояния на входах R и S. Поэтому такие триггеры называются асинхронными.
Если схему асинхронного триггера немного дополнить, то получим вот такое:
Рис. 4 Синхронный RS-триггер на логических элементах И-НЕ.
В таком триггере вводится дополнительный вход С, называемый тактовым или синхронизирующим.
Изменение состояний триггера происходит при подаче сигналов лог. 1 на входы R и S и последующим
воздействием на вход С тактового (синхронизирующего) импульса. Если на тактовый вход импульс не
воздействует, то состояние триггера не изменится. Другими словами, изменение состояния триггера
происходит под действием синхроимпульса, поэтому такие триггеры называются синхронными.
D-триггер
D-триггер отличается от синхронного RS-триггера тем, что у него только один информационный вход
D. D-триггер показан на рисунке 5.
Рис. 5 D-триггер на логических элементах И-НЕ.
Если на вход D подать логическую единицу, затем на вход С подать импульс, то на выходе Q (прямой
выход) установится лог. 1. Если на вход D подать лог. 0, на С импульс, то на Q установится лог. 0. Т. е.
D-триггер осуществляет задержку информации, поступающей на вход D. При чем эта информация
хранится в D-триггере, пока не придет следующий бит (0 или 1) информации. По сути это ячейка
памяти.
Если вход D замкнуть с инверсным выходом, то останется только один вход С. При подаче на вход С
импульса триггер переключится, т. е. если на выходе был лог. 0, то станет лог. 1. При следующем
импульсе триггер снова переключится, т. е. лог. 1 сменится лог. 0. Таким образом, триггер осуществляет
деление частоты входных импульсов на 2 (ведь уровень сигнала на выходе меняется в два раза реже). В
таком режиме D-триггер называют счетным или Т-триггером. Этот режим (режим деления частоты)
используется довольно широко.
Нетрудно заметить, что для RS-триггера (рис. 1) существует запрещенная комбинация, когда на оба
входа поданы лог. 1, на его выходах также устанавливаются лог. 1 и триггер перестает выполнять свои
функции (зависает). Поэтому придумали так называемый JK-триггер. У него три входа - J, K, C. Вход J
вместо R, вход К вместо S, С так и остается - синхронизацией. Если на вход J подана лог. 1, на К - лог. 0
или наоборот, то он работает как синхронный RS-триггер, если на оба входа J и К поданы лог. 1, то он
работает как счетный Т-триггер.
Тригер J-K-типа
Триггером J-K-типа называется логическое устройство с двумя устойчивыми состояниями и
двумя информационными входами J и K, которое при условии J·K=1 осуществляет инверсию
предыдущего состояния (т.е. при J·K=1 Q
n 1
 Q n ),а в остальных случаях функционирует в
соответствии с таблицей истинности синхронного R-S-триггера, при этом вход J эквивалентен входу S,
а вход К – входу R.
Характеристическое уравнение J-K-триггера можно записать следующим образом:
Q n 1  K n  Q n  J n  Q n ,
Обозначение J-K-триггера показано на рис. 2.5
Триггер J-K-типа относится к разряду универсальных триггеров, поскольку на его
основе путем несложных внешних коммутационных изменений можно получить схемы,
выполняющие функции R-S, D и T-триггеров.
T-Тригер (Цифровой счетчик импульсов)
Цифровой счетчик импульсов - это цифровой узел, который осуществляет счет поступающих на его
вход импульсов. Результат счета формируется счетчиком в заданном коде и может храниться требуемое
время. Счетчики строятся на триггерах, при этом количество импульсов, которое может подсчитать
счетчик определяется из выражения N = 2n - 1, где n - число триггеров, а минус один, потому что в
цифровой технике за начало отсчета принимается 0. Счетчики бывают суммирующие, когда счет идет
на увеличение, и вычитающие - счет на уменьшение. Если счетчик может переключаться в процессе
работы с суммирования на вычитание и наоборот, то он называется реверсивным. Коль счетчики строят
на триггерах, посмотрим, как все это работает:
Рис. 1 - Схема счетчика с последовательным переносом на Т-триггерах и графики, поясняющие
принцип его работы.
В качестве исходного состояния принят нулевой уровень на всех выходах триггеров (Q1 - Q3), т. е.
цифровой код 000. При этом старшим разрядом является выход Q3. Для перевода всех триггеров в
нулевое состояние входы R триггеров объединены и на них подается необходимый уровень напряжения
(т. е. импульс, обнуляющий триггеры). По сути это сброс. На вход С поступают тактовые импульсы,
которые увеличивают цифровой код на единицу, т. е. после прихода первого импульса первый триггер
переключается в состояние 1 (код 001), после прихода второго импульса второй триггер переключается
в состояние 1, а первый - в состояние 0 (код 010), потом третий и т. д. В результате подобное
устройство может досчитать до 7 (код 111), поскольку 23 - 1 = 7. Когда на всех выходах триггеров
установились единицы, говорят, что счетчик переполнен. После прихода следующего (девятого)
импульса счетчик обнулится и начнется все с начала. На графиках изменение состояний триггеров
происходит с некоторой задержкой tз. На третьем разряде задержка уже утроенная. Увеличивающаяся с
увеличением числа разрядов задержка является недостатком счетчиков с последовательным переносом,
что, несмотря на простоту, ограничивает их применение в устройствах с небольшим числом разрядов.
Счетчики с параллельным переносом
Для повышения быстродействия применяют способ одновременного формирования сигнала переноса
для всех разрядов. Достигается это введением элементов И, через которые тактовые импульсы
поступают сразу на входы всех разрядов счетчика. Посмотрим на схему:
Рис. 2 - Счетчик с параллельным переносом и графики, поясняющие его работу.
С первым триггером все понятно. На вход второго триггера тактовый импульс пройдет только тогда,
когда на выходе первого триггера будет лог. 1 (особенность схемы И), а на вход третьего - когда на
выходах первых двух будет лог. 1 и т. д. Задержка срабатывания на третьем триггере такая же, как и на
первом. Такой счетчик называется счетчиком с параллельным переносом. Как видно из схемы, с
увеличением числа разрядов увеличивается число лог. элементов И, причем чем выше разряд, тем
больше входов у элемента. Это является недостатком таких счетчиков.
Реверсивный счетчик
Описанные выше счетчики однонаправленные и считают на увеличение, однако на практике часто
необходимо менять направление счета в процессе работы. Счетчики, которые в процессе работы могут
менять направление счета называются реверсивными.
Рис. 3 - Реверсивный счетчик.
Для счетных импульсов предусмотрены два входа: "+1" - на увеличение, "-1" - на уменьшение.
Соответствующий вход (+1 или -1) подключается ко входу С. Это можно сделать схемой ИЛИ, если
влепить ее перед первым триггером (выход элемента ко входу первого триггера, входы - к шинам +1 и 1). Непонятная фигня между триггерами (DD2 и DD4) называется элементом И-ИЛИ. Этот элемент
составлен из двух элементов И и одного элемента ИЛИ, объединенных в одном корпусе. Сначала
входные сигналы на этом элементе логически перемножаются, потом результат логически
складывается.
Число входов элемента И-ИЛИ соответствует номеру разряда, т. е. если третий разряд, то три входа,
четвертый - четыре и т. д. Логическая схема является двухпозиционным переключателем, управляемым
прямым или инверсным выходом предыдущего триггера. При лог. 1 на прямом выходе счетчик
отсчитывает импульсы с шины "+1" (если они, конечно, поступает), при лог. 1 на инверсном выходе - с
шины "-1". Элементы И (DD6.1 и DD6.2) формируют сигналы переноса. На выходе >7 сигнал
формируется при коде 111 (число 7) и наличии тактового импульса на шине +1, на выходе <0 сигнал
формируется при коде 000 и наличии тактового импульса на шине -1.
Все это, конечно, интересно, но красивей смотрится в микросхемном исполнении:
Рис. 4 Четырехразрядный двоичный счетчик.
Вот типичный счетчик с предустановкой. СТ2 означает, что счетчик двоичный, если он десятичный, то
ставится СТ10, если двоично-десятичный - СТ2/10. Входы D0 - D3 называются информационными
входами и служат для записи в счетчик какого-либо двоичного состояния. Это состояние отобразится на
его выходах и от него будет производится начало отсчета. Другими словами, это входы
предварительной установки или просто предустановки. Вход V служит для разрешения записи кода по
входам D0 - D3, или, как говорят, разрешения предустановки. Этот вход может обозначаться и другими
буквами. Предварительная запись в счетчик производится при подаче сигнала разрешения записи в
момент прихода импульса на вход С. Вход С тактовый. Сюда запихивают импульсы. Треугольник
означает, что счетчик срабатывает по спаду импульса. Если треугольник повернут на 180 градусов, т. е.
задницей к букве С, значит он срабатывает по фронту импульса. Вход R служит для обнуления
счетчика, т. е. при подаче импульса на этот вход на всех выходах счетчика устанавливаются лог. 0. Вход
PI называется входом переноса. Выход p называется выходом переноса. На этом выходе формируется
сигнал при переполнении счетчика (когда на всех выходах устанавливаются лог. 1). Этот сигнал можно
подать на вход переноса следующего счетчика. Тогда при переполнении первого счетчика второй будет
переключаться в следующее состояние. Выходы 1, 2, 4, 8 просто выходы. На них формируется
двоичный код, соответствующий числу поступивших на вход счетчика импульсов. Если выводы с
кружочками, что бывает намного чаще, значит они инверсные, т. е. вместо лог. 1 подается лог. 0 и
наоборот. Более подробно работа счетчиков совместно с другими устройствами будет рассматриваться
в дальнейшем.
3) Ход работы:
1.Ознакомиться с составом, назначением каждого функционального узла стенда. Уяснить
расположение и назначение тумблеров, кнопок и светодиодов на лицевой панели стенда.
2. Собрать функциональные схемы и исследовать работу триггеров типа RS, D, T, JK в
автономном статическом режиме формирования информационных и синхронизирующих
сигналов.
3. Начертить функциональные схемы и УГО RS, D, T, JK триггеров, привести их ФАЛ
4. Построить таблицы истинности указанных типов триггеров.
5. Исследовать работу интегрального JK-триггера, составить его таблицу истинности.
Определить приоритеты входов.
6. Реализовать на интегральных JK-триггерах RS, D, T триггеры и начертить
соответствующие функциональные схемы.
7. При выполнении лабораторной работы руководствоваться методическими указаниями
п.6.
4) Задание на лабораторную работу:
 Выполнить задание с помощью программы Electronics Workbench.
1.
2.
3.
4.
5.
Построить схему асинхронного RS триггера на логических элементах ИЛИ-НЕ.
Построить схему асинхронного RS триггера на логических элементах И-НЕ.
Построить схему синхронного RS-триггера на логических элементах И-НЕ.
Построить схему D-триггера на логических элементах И-НЕ.
Построить схему JK-триггера.
Построить схему асинхронного RS триггера на логических элементах ИЛИ-НЕ.
Триггер типа RS имеет два входа раздельной установки в нулевое и единичное состояния.
Воздействие по входу S (обозначен по первой букве слова set – установка) приводит триггер в
единичное состояние, а воздействие по входу R (от первой буквы слова reset – сброс) – в
нулевое. Одновременная подача сигналов S и R не допускается, что является недостатком
для RS-триггера.
Рис. Схема исследования RS-триггера(В Electronics Workbench)
Таблица переходов асинхронного RS-триггера на элементах ИЛИ-НЕ
R
S
Примеча
Q
ние
0
0
Q
Хранение
0
1
1
Установка
1
1
0
Установка
0
0
1
1
Запрещен
-
о
При R=1 и S=0 триггер устанавливается в нулевое состояние Q=0; при R=0 и S=1 он
устанавливается в единичное состояние Q=1; при R=S=0 триггер сохраняет состояние, в
котором он находился до момента поступления на его входы нулевых сигналов. При R=S=1 на
прямом и инверсном выходах устанавливается нулевой сигнал. Триггерное кольцо
превращается в два независимых инвертора, и при переходе к хранению (R=S=0) триггер
может устанавливаться в любое состояние. Поэтому такая комбинация входных сигналов
запрещена.
В Electronics Workbench RS-триггер обознается
.