1 ЛАБОРАТОРНА РОБОТА 4 Дослідження тригерів В лабораторній роботі виконуються такі досліди: • Дослідження RS - тригера; • Дослідження D - тригера; • Дослідження JK - тригера. Мета роботи: Ознайомлення з принципами побудови тригерів та їх експериментальне дослідження в пакеті Electronics Workbench v5.12. План виконання лабораторної роботи 1 Вивчити розділ «4.1 Теоретичні відомості». 2 Відповісти на контрольні питання розділу «4.4 Контрольні питання». 3 Ознайомитись з віртуальними приладами, які використовуються в лабораторній роботі (розділ «4.2 Опис контрольно-вимірювальних приладів»). 4 Виконати лабораторну роботу згідно розділу «4.3 Завдання лабораторної роботи». 5 Оформити звіт по лабораторній роботі.
22
Embed
ЛАБОРАТОРНА РОБОТА 4 - Sethost · ЛАБОРАТОРНА РОБОТА 4 ... 2 Відповісти на контрольні питання розділу «4.4 Контрольні
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
1
ЛАБОРАТОРНА РОБОТА 4
Дослідження тригерів
В лабораторній роботі виконуються такі досліди:
• Дослідження RS - тригера;
• Дослідження D - тригера;
• Дослідження JK - тригера.
Мета роботи:
Ознайомлення з принципами побудови тригерів та їх експериментальне
дослідження в пакеті Electronics Workbench v5.12.
План виконання лабораторної роботи
1 Вивчити розділ «4.1 Теоретичні відомості».
2 Відповісти на контрольні питання розділу «4.4 Контрольні питання».
3 Ознайомитись з віртуальними приладами, які використовуються в лабораторній
роботі (розділ «4.2 Опис контрольно-вимірювальних приладів»).
4 Виконати лабораторну роботу згідно розділу «4.3 Завдання лабораторної роботи».
5 Оформити звіт по лабораторній роботі.
2
4.1 Теоретичні відомості
До тригерів прийнято відносити всі запам’ятовуючі пристрої, що мають два стійких
стани. В основі будь-якого тригера лежить схема, що має два стійких стани – бістабільна
схема (БС) і схема керування (СК) (рис. 4.1 а).
Схема керування перетворює вхідні сигнали таким чином, щоб виконувався заданий
закон перемикання тригера в цілому. Для забезпечення надійного перемикання в точках A
для деяких типів тригерів повинні бути застосовані затримки.
Для цієї мети можуть використовуватись запам'ятовуючі елементи на основі БС того ж
типу, що вже є в тригері (рис. 4.1 б).
а)
б)
Рис. 4.1 – Будова тригерів
Схему такого тригера називають схемою типу SM − (від англ. “master-slave”), оскільки
стан основної БС, названої відомою, повторює стан додаткової БС, названої ведучою.
3
Вхідні сигнали в залежності від ролі, яку вони виконують, поділяються на три категорії:
- інформаційні (логічні);
- підготовчі;
- виконавчі (командні).
Сигнали на інформаційних входах визначають інформацію, яка буде записана в
тригер. Роль підготовчих і виконавчих сигналів – допоміжна: за допомогою підготовчих
сигналів можна в потрібний момент часу перервати дію тригера або групи тригерів,
зберігаючи при цьому інформацію на виході.
Виконавчі сигнали задають момент прийому вхідної інформації тригером і служать для
синхронізації роботи ряду пристроїв, що утворюють функціональний вузол. Ці сигнали
часто так і називають – синхронізуючими або тактовими.
Входи тригера за характером вхідних сигналів поділяються на ті ж три категорії:
- інформаційні (логічні);
- попереднього встановлювання (підготовчі);
- тактові (синхронізуючі).
Класифікацію тригерів можна проводити за різними ознакам.
За способом організації логічних зв’язків розрізняють:
- тригери з роздільним встановленням станів «0» і «1» ( RS - тригери);
- з лічильним входом (T - тригери);
- універсальні з роздільним встановленням станів «0» і «1» ( JK - тригери);
- з прийомом інформації по одному входу ( D - тригери);
- універсальні з керованим прийомом інформації по одному входу ( DV - тригери);
- комбіновані (наприклад RST -, JKRS -, DRS - тригери і т. д.);
- з складною вхідною логікою.
За записом інформації тригери поділяються на:
- асинхронні;
- синхронні.
4
Тригери, стани яких змінюються в інтервалі дії рівнів «1» або «0» тактового імпульсу,
називаються тригерами, що спрацьовують за рівнем, а тригери, стани яких змінюються по
закінченні дії рівнів «1» або «0» тактового імпульсу, називаються тригерами з
внутрішньою затримкою. Інформаційні сигнали впливають на тригер тільки на протязі дії
тактового імпульсу.
В синхронних тригерах з динамічним керуванням записувана інформація надходить в
момент зміни амплітуди тактового імпульсу в певних напрямках, тобто під час наростання
або спаду його фронту.
За кількістю інформаційних входів тригери можуть бути:
- одновходові;
- двухвходові;
- багатовходові.
Найпоширенішими є одно- і двухвходові тригери. Не слід плутати кількість
інформаційних входів з кількістю фактичних входів, на які поступають інформаційні
сигнали, так як реально діючий інформаційний вхід в структурі тригера може бути
кон’юнкцією, диз’юнкцією або якою-небудь функцією декількох логічних змінних, діючих на
інформаційних входах.
За кількістю тактових входів розрізняють:
- однотактні тригери;
- двохтактні тригери;
- багатотактні тригери.
Іноді до двохтактних відносять двохступінчаті тригери ( MS - схеми), але необхідно
пам’ятати, що основне призначення останніх – отримання ефекту часової затримки
інформаційних сигналів в структурі тригера, якщо такий ефект не можна реалізувати з
використанням яких-небудь фізичних методів, наприклад з допомогою накопичення
зарядів тощо.
За видом вихідних сигналів тригери поділяють на
- статичні;
- динамічні.
5
Статичні тригери – тригери, в яких вихідні сигнали в стійких станах залишаються
незмінними у часі.
Динамічні тригери – тригери, у яких вихідні сигнали в стійких станах змінюються в часі.
За способом запам’ятовування інформації тригери можуть бути:
- з логічною організацією пам’яті;
- з фізичною організацією пам’яті.
Тригери з логічною організацією пам’яті виконуються на логічних елементах “І”, “АБО’,
“НІ”, “І-НІ”, “АБО-НІ”, “І-АБО-НІ’ тощо, а тригери з фізичною організацією пам’яті є
елементами запам’ятовуючих пристроїв, в яких використовуються нелінійні властивості
матеріалів або вольт-амперні характеристики компонентів.
За способом зберігання інформації розрізняють:
- тригери з активним зберіганням інформації (вхідний інформаційний сигнал діє
постійно);
- тригери з пасивним зберіганням інформації (вихідний інформаційний сигнал може
бути отриманий тільки за допомогою спеціального опитувального сигналу).
До схемотехнічних параметрів відносять параметри логічних елементів, на яких
виконаний тригер:
- ОБK – коефіцієнт об’єднання по входу;
- РОЗK – коефіцієнт розгалуження по виходу;
- рівні «0» і «1»;
- вхідні і вихідні струми і т. д.
На відміну від логічних елементів, параметрами тригера є:
- дозволяючий час тригера .дозвt .
Це найменший інтервал часу між вхідними сигналами мінімальної тривалості, які
викликають безперебійне перемикання тригера. Очевидно, що .дозвt залежить від того, яке
значення вкладається в слова “безперебійне перемикання тригера”.
6
Прийнято рахувати, що тригер перемикається безперебійно, якщо будь-яке значення
вихідного сигналу, що визначається правилами роботи, має тривалість не меншу ніж
середній час затримки поширення ... серпзтt одного логічного елемента схеми;
- максимальна частота перемикання тригера maxf :
.
max
1
дозвtf = . (4.1)
Так як, як було показано вище, вихідні сигнали тригера під дією вхідних сигналів з
частотою maxf мають тривалість ... серпзтt , то, враховуючи тривалість фронтів наростання і
спадання, можна зробити висновок, що ці вихідні сигнали є недостатніми для надійної
передачі інформації в логічні кола, так як рівні «1» і «0» в цьому випадку не будуть
фіксуватись.
Для забезпечення їхньої фіксації прийнято зменшувати частоту maxf в 1,5 рази і
вважати її робочою, тобто:
51
max
,
ff роб. = . (4.2)
(параметр роб.f вказується в паспорті або ТУ для найгірших умов роботи);
- мінімальна тривалість вхідного сигналу іt :
∑=
=k
i
зт.п.сер.і tt1
, (4.3)
де:
k – кількість елементів в ланцюгу від входу інформаційного або тактового
сигналу до входу елемента, на якому замикається тригерне кільце
оберненого зв’язку;
7
- час затримки переключення тригера ..перзатt :
∑=
=l
i
зт.п.сер.зат.пер. tt1
, (4.4)
де:
l – кількість елементів в ланцюгу від входу інформаційного або тактового
сигналу до виходу елемента, на якому підтверджується стан тригера.
З визначення іt і ..перзатt випливає, що 1+= kl . Одиниця характеризує затримку
поширення одного з логічних елементів, на яких виконується елементарна
запам’ятовуюча комірка тригера.
Сукупність параметрів роб.f , іt , ..перзатt визначає швидкодію тригерів і в загальному
випадку швидкодію цифрових пристроїв, які виконані на їхній основі.
Тригери являють собою елементарні послідовні автомати і характеризуються:
- числом інформаційних входів не більше трьох (більшість реалізованих схем
тригерів мають не більше двох входів);
- числом внутрішніх станів для споживача інформації з тригера, рівним двом, чому
відповідає одна внутрішня змінна, яку прийнято позначати символом Q ;
- числом вихідних змінних Y не більше однієї, причому значення Y співпадає з
значенням Q ; як правило, в тригерах поряд з значенням Q утримується інверсна змінна
Q ;
- функцією переходів або зв’язку внутрішніх змінних для моменту часу t з
значеннями вхідних і вихідних змінних для моменту часу 1+t , які називаються
характеристичними рівняннями
( )ttt QxfQ ,1 =+, (4.5)
і є повними, тобто тригери володіють повною системою переходів.
8
Тригер RS типу містить два входи:
- вхід S (від англ. “set” – установлювати) – вхід установки тригера в стан Q =1;
- вхід R (від англ. “reset” – скидати) – вхід установки тригера в стан Q =0.
Схема RS - тригера на елементах “АБО-НІ” та його умовне графічне позначення
наведені на рисунку 4.2.
а) б) в)
Рис. 4.2 – Схема RS - тригера на елементах “АБО-НІ” (а), його умовне графічне
позначення (б) та таблиця істинності (в)
Роботу такого тригера можна описати таким чином:
- при управляючих сигналах iS = iR =0 стан тригера не змінюється, тобто, якщо iQ =0,
то і 1+iQ =0, якщо iQ =1, то і 1+iQ =1,
де:
iS , iR , iQ – стани входів і виходу в i -ий момент часу;
1+iQ – стан виходу в )1( +i -ий момент часу;
- при iS =1, iR =0 на виході тригера встановлюється сигнал 1+iQ =1;
при цьому якщо iQ =0, то стан тригера зміниться, якщо iQ =1, то тригер зберігає свій
стан;
- при iS =0, iR =1 на виході тригера встановлюється сигнал 1+iQ =0;
при цьому якщо iQ =0, то тригер зберігає свій стан, якщо iQ =1, то стан зміниться на
протилежний;
- поєднання вхідних сигналів iS = iR =1 є забороненим для даного типу тригера, стан
1+iQ при цьому є невизначеним.
Si Ri Qi Qi+1
0 0 - - 1 0 1 0 0 1 0 1 1 1 x x
9
З опису випливає, що стан RS - тригера на елементах “АБО-НІ” (тригера з прямими
входами) змінюється при переході відповідного вхідного сигналу з «0» у «1».
На рисунку 4.3 наведено схему та умовне графічне зображення RS - тригера на
елементах “І-НІ” (інверсний тригер).
Його функціонування аналогічне функціонуванню тригера з прямими входами з тією
лише різницею, що стан тригера змінюється при зміні вхідного сигналу з «1» у «0», а
забороненою комбінацією є комбінація iS = iR =0.
а) б)
Si Ri Qi Qi+1
0 0 x x
1 0 1 0 0 1 0 1 1 1 - -
в)
Рис. 4.3 – Схема інверсного RS - тригера на елементах “І-НІ” (а) , його умовне графічне
позначення (б) та таблиця істинності (в)
Розглянуті два типи тригерів є асинхронними, тому що їхнє спрацьовування
відбувається в моменти відповідних змін вхідних сигналів.
10
У синхронних тригерах є додатковий вхід C для синхронізуючих сигналів. Інформація,
яка подається на входи R та S , записується в тригер тільки при C =1.
На рисунку 4.4 зображений синхронний RS - тригер на елементах “І-НІ”. Синхронні
тригери порівняно з асинхронними характеризуються більш високою завадостійкістю.
а) б)
Si Ri Ci Qi Qi+1
0 0 0 - - 0 0 1 - - 1 0 0 - - 1 0 1 1 0
0 1 0 1 0 0 1 1 0 1 1 1 0 0 1 1 1 1 x x
в)
Рис. 4.4 – Схема синхронного RS - тригера на елементах “І-НІ” (а), його умовне графічне
позначення (б) та таблиця істинності (в)
RS - тригери за структурою SM − можуть бути реалізовані на основі синхронних RS -
тригерів.
У схемі, зображеній на рисунку 4.5 між основною (елементи 8D , 9D ) і допоміжною
(елементи 3D , 4D ) БС включений інвертор, що блокує передачу інформації на основну БС
при записі її на допоміжну БС.
Дійсно, при C =1 сигнал R або S записується в RS - тригер на елементах 3D , 4D .
Однак зміна на його виходах не передається на входи другого RS - тригера (на елементах
8D , 9D ), тому що сигнал з виходу інвертора перешкоджає цьому.
11
Тільки після того, як сигнал C прийме “нульове” значення і на виході інвертора з'явиться
одиничний сигнал, інформація перепишеться з першого тригера в другий. Якщо в якості
сигналу синхронізації використовується імпульс з одиничною амплітудою, то двохтактний
тригер спрацьовує по переходу імпульсу з «1» у «0».
а) б)
Рис. 4.5 – Схема синхронного RS - тригера за структурою SM − на елементах “І-НІ” (а)
та його умовне графічне позначення (б)
Тригер з лічильним входом або T - тригер (від англ. “toggle” – перекидатися) є тригером
з одним інформаційним входом. Він змінює свій стан на протилежний при черговому
переході сигналу на вході T з «1» у «0».
Це досягається за рахунок введення зворотних зв'язків з виходу основної БС на вхід
додаткової СК.
Принципова схема T - тригера та його умовне графічне зображення приведені на
рисунку 4.6.
12
а) б)
Ti Qi Qi+1
0 - - 1 1 0 0 - -
1 0 1
в)
Рис. 4.6 – Схема T - тригера (а), його умовне графічне позначення (б) та таблиця
істинності (в)
В залежності від того, фронт чи зріз вхідного сигналу використовується для управління
(від «0» до «1», або від «1» до «0»), вважається, що T - тригер має прямий або інверсний
динамічний вхід.
Тригери з інверсним управлінням іноді ще називають T - тригером. За способом
введення інформації T - тригери можуть бути синхронними і асинхронними.
T - тригер – єдиний вид тригера, поточний стан якого визначається не інформацією на
входах, а станом його в попередньому такті.
RST - тригер має крім лічильного входу T два установочних входи S та R .
Принципова схема RST - тригера та його умовне графічне зображення приведені на
рисунку 4.7.
13
а) б)
Рис. 4.7 – Схема RST - тригера (а) та його умовне графічне позначення (б)
Тригер затримки або D - тригер (від англ. “delay” – затримка) зображений на рисунку
4.8.
а) б)
Di Ci Qi Qi+1
0 0 - - 0 1 0 1 1 0 - -
1 1 1 0
в)
Рис. 4.8 – Схема D - тригера (а), його умовне графічне позначення (б) та таблиця
істинності (в)
14
Інформація, встановлена на D вході, записується в тригер по переходу сигналу з «0» у
«1» на вході C , але з'являється на виході тригера по переходу сигналу на вході C з «1» у
«0», тобто затримується щодо моменту запису на час, рівний тривалості синхроімпульсу.
Універсальний JK - тригер (рисунок 4.9) на відміну від RS - тригера не має заборонених
комбінацій вхідних сигналів.
а) б)
Ji Ki Ci Qi Qi+1
0 0 0 - - 0 1 1 0 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1
в)
Рис. 4.9 – Схема JK - тригера (а), його умовне графічне позначення (б) та таблиця
істинності (в)
Вхід J еквівалентний входу S , а вхід K – входу R .
При J = K =1 тригер змінює свій стан на протилежний при надходженні кожного
чергового синхроімпульсу, тобто починає функціонувати як T - тригер.