Логические микросхемы. Часть 7. Триггеры. RS — триггер

Электронные устройства с двумя устойчивыми состояниями на выходе называются триггерами. В одно из устойчивых состояний триггер переводится входными импульсами.

Подобная формулировка дается, как правило, во всей технической литературе. Для того, кто столкнулся с нею в первый раз, она может быть не совсем понятна. Какие же это два состояния, и почему их называют устойчивыми?

Проще всего это объяснить на простом и доступном примере. Достаточно близким и понятным аналогом может служить обычная лампочка с выключателем. Здесь налицо два состояния: горит – не горит. Для триггера эти состояния высокий уровень, низкий уровень. Также иногда говорят, включен – выключен, установлен – сброшен.

Для того, чтобы зажечь или погасить лампочку, достаточно лишь прикоснуться к выключателю. Чтобы лампочка продолжала гореть вовсе не обязательно удерживать выключатель пальцем: лампочка будет гореть сколь угодно долго.

Другими словами она находится в устойчивом состоянии. Вывести ее из этого состояния, можно только выключив, при помощи все того же выключателя. Или, иначе говоря, перейти к другому устойчивому состоянию. Это состояние также будет устойчивым, то есть сохраняется сколь угодно долго, до тех пор, пока ее не включат.

В качестве другого похожего примера можно вспомнить обычный магнитный пускатель с двумя кнопками: нажали черную кнопку – электромотор включился, нажали красную – выключился. При этом следует обратить внимание на то, что повторное нажатие кнопки «Пуск» (если двигатель уже включен) ни в коем случае не увеличит его частоту вращения. В точности так же можно нажимать кнопку «Стоп», когда мотор остановлен: это просто подтверждение состояния «Стоп».

В этих примерах явно просматривается импульсный характер входного сигнала (нажатие выключателя или кнопки). Также налицо два состояния «включено – выключено», каждое из которых является устойчивым: продолжается до тех пор, пока не будет воздействия входного сигнала. Наиболее близким к рассмотренным примерам является RS – триггер.

RS – триггер

Из всех видов триггеров RS – триггер, как по принципу действия, так и по схемотехнике самый простой. Раньше, когда триггеры выполнялись на дискретных деталях (транзисторы, резисторы, конденсаторы, диоды) говорили, что триггер это двухкаскадный усилитель, охваченный положительной обратной связью. Этот вариант мы рассматривать не будем.

Достаточно простым получается триггер из логических элементов 2И – НЕ микросхемы К155ЛА3. Схема такого триггера показана на рисунке 1.

Рисунок 1. RS – триггер на элементах 2И – НЕ.

Триггер получается путем перекрестных обратных связей с выхода на вход между двумя логическими элементами. Такой триггер имеет два выхода и два независимых входа. Один из входов (верхний по схеме) называется S от английского SET – установить, другой вход носит название R от английского RESET – сбросить. Часто эти входы и соответственно сигналы называют просто включить и выключить.

Кроме двух входов RS – триггер имеет два выхода. Чаще всего выходы обозначаются на схемах буквой Q. Один из выходов носит название прямой, а другой выход инверсный. Буква Q обозначающая инверсный выход сверху подчеркнута. Допускается также обозначение /Q или –Q. На нашей схеме прямой выход это 3 вывод элемента DD1.1, а инверсный выход – вывод 6 элемента DD1.2.

В качестве входных сигналов используются просто кнопки, нажатием которых триггер переводится в соответствующее состояние. В реальных схемах входные сигналы могут подаваться с выходов микросхем. Для проведения учебных опытов кнопки можно заменить просто отрезком провода.

Сразу следует заметить, что в данной схеме все условно: входные сигналы не принадлежат конкретным ножкам микросхемы, как указано на схеме. В данном случае R и S можно поменять местами, при этом изменится и расположение прямого и инверсного выходов. Здесь все просто зависит от фантазии разработчика конкретной схемы.

Для индикации состояния триггера используются два светодиода: один из них светится, когда на выходе состояние высокого уровня. Другой же будет погашен. Светодиоды можно и не устанавливать, состояние выходов триггера можно проконтролировать обычным вольтметром, хотя это будет не очень удобно и наглядно.

После того, как схема собрана на макетной плате, следует проверить правильность монтажа, после чего включать. При включении зажжется один из светодиодов. Какой именно, заранее сказать нельзя, так как все определяется нестабильными переходными процессами при включении и разбросом параметров логических элементов.

Предположим, что засветился светодиод HL1, что говорит о том, что на прямом выходе триггера Q высокий уровень. В этом случае говорят, что триггер установлен. На инверсном выходе /Q будет соответственно низкий уровень (уровень сигнала на инверсном выходе всегда противоположен уровню на прямом выходе).

Все рассуждения о состоянии триггера ведутся относительно состояния прямого выхода. Если на прямом выходе высокий уровень, триггер установлен (включен, находится в единичном состоянии), а если на прямом выходе низкий уровень, то считается, что триггер сброшен (выключен, в нулевом состоянии). Как уже было сказано выше состояние инверсного выхода всегда противоположно прямому.

Итак при включении питания зажегся светодиод HL1, что говорит о высоком уровне на прямом выходе. Светодиод HL2 будет погашен – триггер находится в единичном состоянии.

Если в таком состоянии триггера нажать на кнопку SB1, то ничего не произойдет — будет продолжать светиться светодиод HL1 а HL2 погашен. Таким образом, нажатие кнопки SB1 просто подтвердило единичное состояние триггера.

Вывести триггер из этого состояния можно только нажатием на кнопку SB2: светодиод HL1 погаснет, а HL2 начнет светиться. Как и в предыдущем случае повторное нажатие или длительное удержание кнопки SB2 этого состояния не изменить не сможет. В этом состоянии схема будет оставаться сколь угодно долго, а именно до нажатия кнопки SB1, либо до выключения питания.

А что произойдет, если нажать обе кнопки сразу? Страшного ничего, не считая того, что состояние триггера будет неопределенным, так как на обоих выходах присутствует уровень логической единицы. По логике работы триггера такое состояние считается запрещенным, поэтому оно недопустимо.

Если на обоих входах присутствует уровень логической единицы, то состояние триггера не меняется. Этот режим называется режимом хранения информации. Поэтому RS – триггер часто применяется в запоминающих устройствах, например в микросхемах статического ОЗУ разных типов.

Весь этот рассказ представлен в таблице истинности RS – триггера, показанной на рисунке 1б. Подобный вариант RS – триггера называется асинхронным, поскольку не требует каких либо дополнительных сигналов, разрешающих или запрещающих работу RS входов.

Достаточно часто RS – триггер используется в качестве подавителя дребезга механических контактов, если требуется подсчитать количество импульсов с помощью электронного счетчика. Такие счетчики также выполняются на триггерах. Как правило, это D или JK триггеры, о которых будет рассказано в следующей части статьи.

Продолжение статьи: Логические микросхемы. Часть 8. D — триггер