Цифровые устройства строятся на логических элементах, поэтому подчиняются законам алгебры логики. Основными устройствами цифровой техники, на ряду с логическими устройствами, являются триггеры.
Триггер (англ. trigger – курок) - электронное устройство, обладающее двумя устойчивыми состояниями и способное скачком переходить из одного состояния в другое под воздействием внешнего импульса.
Триггерами или точнее триггерными системами называют большой класс электронных устройств, обладающих способностью длительно находиться в одном из двух устойчивых состояний и чередовать их под воздействием внешних сигналов. Каждое состояние триггера легко распознается по значению выходного напряжения.
Каждому состоянию триггера соответствует определённый (высокий или низкий) уровень выходного напряжения:
1) триггер установлен в единичное состояние – уровень «1».
2) триггер сброшен в нуль - уровень «0» на выходе.
Установившееся состояние сохраняется сколь угодно долго и может быть изменено внешним импульсом или отключением напряжения питания. Т.о. триггер являются элементарным элементом памяти, способным хранить наименьшею единицу информацию (один бит) «0» или «1».
Триггеры могут быть построены на дискретных элементах, логических элементах, на ИМС или входят в состав ИМС.
К основным типам триггеров относят: RS-, D-, T- и JK-триггеры. Кроме того, триггеры делятся на асинхронные и синхронные. В асинхронных триггерах переключение из одного состояния в другое осуществляется непосредственно с поступлением сигнала на информационный вход. В тактируемых триггерах помимо информационных входов имеется вход тактовых импульсов. Их переключение производится только при наличии разрешающего, тактирующего импульса.
RS-триггер имеет минимум два входа: S (set – устанавливать) - производится установка триггера в состояние уровня «1» и R (reset) - сброс триггера в состояние уровня «0». (рис. 1).
При наличии входа С триггер является синхронным – переключение триггера (изменение состояния выхода) может происходить только в момент прихода тактирующего (синхронизирующего) импульса на вход С.
Рисунок 1 - Условно-графическое обозначение RS-триггера и назначение выводов а) асинхронный, б) синхронный
Кроме прямого выхода, триггер может иметь также инверсный выход, сигнал на котором будет противоположным.
В таблице 1 представлены состояния, которые может принимать триггер в процессе работы. В таблице указаны значения входных сигналов S и R в некоторый момент времени tn и состояние триггера (на прямом выходе) в следующий момент времени tn+1 после прихода очередных импульсов. На новое состояние триггера влияет также предыдущее состояние Q n.
Т.о. если необходимо записать в триггер «1» - подаем импульс на вход S, если «0» - подаем импульс на вход R.
Комбинация S = 1, R =1 является запретной комбинацией, т.к. нельзя предугадать какое состояние установится на выходе.
Таблица 1 - Таблица состояний синхронного RS-триггера
Работу триггера также можно рассматривать с помощью временных диаграмм (рис. 2).
Рисунок 2 – Временные диаграммы работы асинхронного RS-триггера
D-триггер (от англ. delay – задержка) имеет один информационный вход и тактируемый (синхронизирующий) вход (рис. 3).
D-триггер запоминает и хранит на выходе Q сигнал, который был на информационном входе D в момент прихода тактового импульса С. Т.о. триггер хранит информацию, записанную при С=1.
Таблица 2 - Таблица состояний D-триггера
Рисунок 3 – D-триггер: а) условно-графическое обозначение, б) временные диаграммы работы
T-триггеры (от англ. tumble – опрокидываться, кувыркаться), называемые также счётными триггерами, имеют один информационный вход Т. Каждый импульс (спад импульса) на Т-входе (счетном входе) переключает триггер в противоположное состояние.
На рисунке 4 показа условно-графическое обозначение (а) Т-триггера и временные диаграммы работы (б).
Рисунок 4 – T-триггер а) условно-графическое обозначение, б) временные диаграммы работы в) таблица состояний
JK-триггер (от англ. jump – скачок, kеер – держать) имеет два информационных входа J и К, и тактируемый вход С. Назначение выводов J и К аналогично назначению выводов R и S, но при этом триггер не имеет запретных комбинаций. Если J = К = 1 он изменяет свое состояние на противоположное (рис. 5).
При соответствующем подключении входов, триггер может выполнять функции RS-, D-, T-триггеров, т.е. является универсальным триггером.
Рисунок 5 – JK -триггер а) условно-графическое обозначение, б) сокращённая таблица состояний
Компаратор (compare – сравнивать) – устройство, сравнивающее два напряжения – входное Uвх с опорным Uоп. Опорное напряжение представляет собой неизменное по величине напряжение положительной или отрицательной полярности, входное напряжение изменяется во времени. Простейшая схема компаратора на операционном усилителе приведена на рисунке 6, а. Если Uвх Uоп на выходе U –нас (рис. 6, б).
Рисунок 6 – Компаратор на ОУ: а) простейшая схема б) характеристика работы
Компаратор с положительной обратной связью называется триггером Шмитта. Если у компаратора переключение с «1» на «0» и обратно происходит при одном и том же напряжении, то у триггера Шмитта - при разных напряжениях. Опорное напряжение создает цепь ПОС R1R2, входной сигнал подается на инвертирующий вход ОУ. На рисунке 7, б, приведена передаточная характеристика триггера Шмитта.
При отрицательном напряжении на инвентирующем входе ОУ Uвых = U+нас. Значит на неинвертирующем входе действует положительное напряжение. При увеличении входного напряжения в момент Uвх > Uнеинв. (Uср – срабатывания) компаратор переключается в состояние Uвых = U-нас. На неинвертирующем входе действует отрицательное напряжение. Соответственно при уменьшении входного напряжения в момент Uвх < Uнеинв. (Uср – срабатывания) компаратор переключается в состояние Uвых = U+нас.
Рисунок 7 – Триггер Шмитта на ОУ: а) простейшая схема б) характеристика работы
Пример. На рисунке 8 представлена релейно-контакторная схема управления электродвигателем, позволяющая выполнять его пуск, остановку и реверс.
Рисунок 8 – Релейно-контакторная схема управления электродвигателем
Коммутацию электродвигателя выполняют магнитные пускатели КМ1, КМ2. Свободно замкнутые контакты КМ1, КМ2 предотвращают одновременное срабатывание магнитных пускателей. Свободно разомкнутые контакты КМ1, КМ2 обеспечивают самоблокировку кнопок SB2 и SB3.
Для повышения надёжности работы требуется заменить релейно-контакторные цепи управления и силовые цепей на бесконтактную систему с использованием полупроводниковых приборов и устройств.
На рисунке 9 представлена бесконтактная схема управления электродвигателем.
Силовые контакты магнитных пускателей заменены оптосимистрами: КМ1 – VS1-VS3, КМ2 – VS4-VS6. Применение именно оптосисимистров позволяет обеспечить изоляцию слаботочной цепи управления от мощной силовой цепи
Триггеры обеспечивают самоблокировку кнопок SB2, SB3. Логические элементы И обеспечивают одновременное включение только одного из магнитных пускателей.
При открывании транзистора VT1 ток протекает через светодиоды первой группы оптосимистров VS1-VS3, обеспечивая тем самым протекание тока через обмотки электродвигателя. Открывание транзистора VT2 запитывает вторую группу оптосимистров VS4-VS6, обеспечивая вращение электродвигателя в другую сторону.
Рисунок 9 – Бесконтактная схема управления электродвигателем
Регистр – электронное устройство, предназначенное для кратковременного хранения и преобразования многоразрядных двоичных чисел. Регистр состоит из триггеров, количество которых определяет, сколько разрядов двоичного числа может хранить регистр – разрядность регистра (рис. 10, а). Для организации работы триггеров могут быть использованы логические элементы.
Рисунок 10 – Регистр: а) общее представление, б) условно-графическое обозначение
По способу ввода и вывода информации регистры подразделяются на параллельные и последовательные.
В последовательном регистре триггеры соединены последовательно, т. е. выходы предыдущего триггера передают информацию на входы последующего. Тактовые входы С триггеров соединены параллельно. Такой регистр имеет один информационный вход и вход управления - тактовый вход С.
В параллельном регистре запись в триггеры происходит одновременно, для чего имеется четыре информационных входа.
На рисунке 10, представлено УГО и назначение выводов четырёхразрядного параллельно-последовательного регистра.