5 Цифровые устройства последовательностного типа
Цифровые устройства последовательностного типа или цифровые автоматы с памятью — это электронные цифровые устройства, логические значения на выходах которых определяются не только совокупностью логических сигналов на входах в данный момент времени, но и состоянием внутренних элементов памяти по результатам его предшествующей работы. Запоминание предшествующих состояний выполняется при помощи триггеров и регистров памяти.
Типичными примерами логических автоматов с памятью являются счётчики импульсов и сдвиговые регистры.
5.1 Триггеры
Триггеры — это электронные устройства, обладающие двумя устойчивыми состояниями равновесия и способные скачком переходить из одного устойчивого состояния в другое под воздействием внешних управляющих сигналов.
Состояние называется устойчивым, если слабое внешнее воздействие не нарушает этого состояния. Для перехода триггера из одного состояния в другое необходимо, чтобы входной сигнал превысил пороговое значение.
Триггер Тр (Рисунок 41) в общем случае можно представить как устройство, состоящее из ячейки памяти ЯП и логического устройства (ЛУ) управления, преобразующего входную информацию в комбинацию сигналов, под воздействием которых ЯП принимает одно из двух устойчивых состояний.
Рисунок 41 Обобщённое устройство триггера а):
RS-триггеры с прямыми б) и инверсными статическими входами в).
Информационные сигналы поступают на входы A и В ЛУ и преобразуются в сигналы, поступающие на внутренние входы S и R ЯП. Процесс преобразования информационных сигналов осуществляется под воздействием сигналов, подаваемых на вход V разрешения приёма информации и вход C синхронизации, обеспечивающей тактируемый приём информации.
При наличии входа C триггер называют синхронным, а при его отсутствии — асинхронным. Управляющие сигналы на асинхронный триггер воздействуют непосредственно с началом своего появления на их входах, а в синхронных — только с приходом сигнала на входе C.
Триггеры могут иметь статические или динамические входы. Как статические, так и динамические входы могут быть прямыми или инверсными.
Входы называются статическими, если они имеют непосредственную связь с источником входных сигналов. Сигналом для управления статическим триггером с прямыми статическими входами является уровень лог. «1», а для управления триггером с инверсными входами — уровень лог «0».
Входы называются динамическими, если они соединены с источником входных сигналов через развязывающие цепи: магнитные, электронные или RC-цепи. Они реагируют только на перепады входных сигналов. Если срабатывание триггера происходит при изменении входного сигнала от «0» к «1», то входы называются прямыми, а если при изменении сигнала от «1» к «0», то — инверсными.
Входы Ś и Ŕ называются входами асинхронной установки триггера. Они предназначены для подачи приоритетных сигналов установки триггера в исходное состояние (0 или 1) в начале цикла работы независимо от воздействия информационных сигналов, то есть в обход схемы управления.
5.1.1 RS-триггеры
Наибольшее применение находят триггеры с раздельным запуском, которые называются RS-триггерами. Их условное графическое обозначение приведено на рисунке 41. В простейшем RS-триггере информационные сигналы подаются непосредственно на входы S и R ячейки памяти.
Входы, на которые подаются запускающие импульсы, называются установочными. Буквой S (Set — установка) обозначают вход, на который подаётся сигнал, устанавливающий триггер в единичное состояние (Q=1,
). Буквой R (Reset — сброс) обозначают вход, на который подаётся сигнал сброса, переводящий триггер в состояние «0»
. Буквой Q обозначается прямой выход, а
— инверсный.
RS-триггеры применяются как самостоятельно, так и в составе других более сложных триггеров, а также входят в состав регистров и счётчиков.
RS-триггеры на логических элементах
Функционирование логических устройств последовательностного типа описывается таблицами переходов, которые отличаются от таблиц истинности тем, что в них учитываются только результативные переходы, когда изменение комбинации сигналов на входе приводит к изменению выходного состояния. Однако таблица переходов может быть сведена к таблице истинности, если состояние внутренних элементов памяти считать входными сигналами.
Полная таблица функционирования (таблица истинности) приведена на рисунке 42,а, в которой предыдущее состояние триггера Qn до подачи входных сигналов является одним из входных сигналов. Выходное состояние триггера после подачи входных сигналов обозначено символом Qn+1. Таблица переходов триггера приведена на рисунке 42,б.
| Qn | S | R | Qn+1 | Режим работы |
| 0 | 0 | 0 | 0 | Хранение «0» |
| 0 | 0 | 1 | 0 | Подтверждение «0» |
| 0 | 1 | 0 | 1 | Установка в «1» |
| 0 | 1 | 1 | ф | Запрещённое состояние |
| 1 | 0 | 0 | 1 | Хранение «1» |
| 1 | 0 | 1 | 0 | Сброс в «0» |
| 1 | 1 | 0 | 1 | Подтверждение «1» |
| 1 | 1 | 1 | ф | Запрещённое состояние |
а)
| S | R | Qn+1 |
| 0 | 0 | Qn |
| 0 | 1 | 0 |
| 1 | 0 | 1 |
| 1 | 1 | ф |
б)
Рисунок 42 Таблица истинности а) и таблица переключений RS-триггера б)
Таблица истинности позволяет применить рассмотренную выше методику синтеза логических устройств комбинационного типа для синтеза устройств последовательностного типа, в том числе и RS-триггеров.
Для минимизации структурной формулы RS-триггера заполним карту Карно, приведённую на рисунке 43,а.
Рисунок 43 Карты Карно для минимизации структурной формулы RS-триггера
В соответствии с теорией минимизации неопределённых логических функций, для определения прямого значения функции Qn+1 неопределённые значения карты Карно «ф» (Рисунок 43,а) заменим «1» (Рисунок 43,б), а для определения инверсного значения
— заменим «0» (Рисунок 43,в). Для получения функции
минимизация производится по нулям.
Минимизированные значения функций Qn+1 и
на элементах основного базиса имеют вид:
Рисунок 44 RS-триггеры: а), б) — на логических элементах ИЛИ-НЕ,
в), г) — на логических элементах И-НЕ.
