Электрификация

Справочник домашнего мастера

Триггер электроника

RS-триггер

Устройство и принцип работы RS-триггера

Одним из важнейших элементов цифровой техники является триггер (англ. Trigger — защёлка, спусковой крючок).

Сам триггер не является базовым элементом, так как он собирается из более простых логических схем. Семейство триггеров весьма обширно. Это триггеры: T, D, C, JK, но основой всех является самый простой RS-триггер.

Без RS триггеров невозможно было бы создание никаких вычислительных устройств от игровой приставки до суперкомпьютера. У триггера два входа S (set) — установка и R (reset) — сброс и два выхода Q-прямой и Q- инверсный. Инверсный выход имеет сверху чёрточку. Триггер бистабильная система, которая может находиться в одном из двух устойчивых состояний сколь угодно долго. На рисунке показан RS-триггер выполненный на элементах 2ИЛИ – НЕ.

Точно так же триггер может быть выполнен и на элементах 2И – НЕ.

Единственная разница это то, что триггер на элементах И – НЕ активируется, то есть переводится в другое состояние потенциалом логического нуля. Триггер, собранный на элементах ИЛИ – НЕ активируется логической единицей. Это определяется таблицей истинности логических элементов. При подаче положительного потенциала на вход S мы получим на выходе Q высокий потенциал, а на выходе Q низкий потенциал. Тем самым мы записали в триггер, как в ячейку памяти, единицу. Пока на вход R не будет подан высокий потенциал, состояние триггера не изменится.

На принципиальных схемах триггер изображается следующим образом.

Два входа R и S, два выхода прямой и инверсный и буква Т означающая триггер.

Хорошо отображает принцип работы RS-триггера несложная схема, собранная на двух элементах 2И – НЕ. Для этого используется микросхема 155ЛА3, которая содержит четыре таких элемента. Нумерация на схеме соответствует выводам микросхемы. Напряжение питания +5V подаётся на 14 вывод, а минус подаётся на 7 вывод микросхемы. После включения питания триггер установится в одно из двух устойчивых состояний.

Исходя из того, что сопротивление переходов транзисторов логических элементов не может быть абсолютно одинаковым, то триггер после включения питания, как правило, принимает одно и то же состояние.

Допустим, после подачи питания у нас горит верхний по схеме светодиод HL1. Можно сколько угодно нажимать кнопку SB1 ситуация не изменится, но достаточно на долю секунды замкнуть контакты кнопки SB2 как триггер поменяет своё состояние на противоположное. Горевший светодиод HL1 погаснет и загорится другой — HL2. Тем самым мы перевели триггер в другое устойчивое состояние.

На данной схеме всё достаточно условно, а на реальном триггере принято считать, что если на прямом выходе «Q» высокий уровень то триггер установлен, если уровень низкий то триггер сброшен.

Основной недостаток рассматриваемого триггера это, то, что он асинхронный. Другие более сложные схемы триггеров синхронизируются тактовыми импульсами общими для всей схемы и вырабатываемые тактовым генератором. Кроме того сложная входная логика позволяет держать триггер в установленном состоянии до тех пор пока не будет сформирован сигнал разрешения смены состояния триггера.

RS-триггер может быть и синхронным, но двух логических элементов для этого мало.

На рисунке изображена схема синхронного RS-триггера. Такой триггер может быть собран на микросхеме К155ЛА3, которая содержит как раз четыре элемента 2И – НЕ. В данной схеме переключение триггера из одного состояния в другое может быть осуществлено только в момент прихода синхроимпульса на вход «C».

На рассмотренной выше схеме переключение триггера осуществляется с помощью кнопок. Такой вариант используется достаточно часто и именно для кнопочного управления какой-либо аппаратурой. В электронике существует понятие «дребезг контактов» то есть, когда мы нажимаем кнопку, на вход устройства проникает целый пакет импульсов, который может привести к серьёзным нарушениям в работе. Использование RS-триггера позволяет избежать этого.

Благодаря своей простоте и недорогой стоимости RS-триггеры широко применяются в схемах индикации. Часто для повышения надёжности и устранения возможности случайного срабатывания RS-триггер собирается по так называемой двухступенчатой схеме. Вот схема.

Здесь можно видеть два совершенно одинаковых синхронных RS-триггера, только для второго триггера синхроимпульсы инвертируются. Первый триггер в связке называют M (master) — хозяин, а второй триггер называется S (slave) — раб.

Допустим на входе «С» высокий потенциал. М-триггер принимает информацию, но низкий потенциал на входе синхронизации S-триггера блокирует приём информации. После того как потенциал поменялся на противоположный информация из M-триггера записывается в S-триггер, но приём информации в M-триггер блокируется.

Такая двухступенчатая система намного надёжнее обычного RS-триггера. Она свободна от случайных срабатываний.

Для более наглядного изучения работы RS-триггера рекомендую провести эксперименты с RS-триггером.

Главная &raquo Цифровая электроника &raquo Текущая страница

Также Вам будет интересно узнать:

  • Базовые логические элементы.

О горном велосипеде —
Выбор переключателя: триггерный или грипшифт?

Многие велосипедисты негативно относятся к грипшифтам. Так вышло из-за того, что данный тип манеток чаще всего устанавливается на бюджетных моделях.

Но стоит отметить, что вышесказанное в сторону грипшифтов справедливо только для одного бренда – Shimano, ведь Sram, например, выпускает манетки такого типа и в дорогих линейках. Столкнувшись с муками выбора между грипшифтами и триггерными манетками, можно обратиться к советам ниже.
Триггеры лучше, так как…
У манеток данного типа более высокая скорость переключения. Взять для сравнения тот же Sram: триггеры произведут переключение гораздо быстрее любого грипшифта аналогичного уровня.
Гораздо комфортнее управлять трансмиссией в процессе торможения, ведь крутить барабан грипшифта, одновременно тормозя указательным пальцем, не совсем удобная процедура даже для опытного велосипедиста.

Также есть возможность установки манетки и ручки тормоза, используя специальный адаптер (matchmaker), что сэкономит место на руле велосипеда. Одним из недостатков грипшифта как раз и есть тот факт, что они занимают слишком много места на руле и требуют особенные грипсы.
Триггеры самовольно не переключаются, что не скажешь о грипшифтах, для которых не редкость самостоятельное перещелкивание. Особенно часто это случается во время сильной тряски и крепком удерживании руля.

Триггерная система будет работоспособной в практически в любых условиях – она будет удобной и в дождь, и в грязь. А мокрый барабан грипшифта, если необходимо быстро переключиться перед резким подъемом, потребует больших усилий при переключении.
Грипшифты лучше, так как…
Они могут мгновенно переключить скорости с первой до последней. Если необходимо одним движением пальца проскочить всю кассету, то они будут подходящим выбором. При резких переходах спусков в подъемы и наоборот – это очень сильное преимущество.
Привычка ездить с грипшифтами играет огромную роль, ведь тогда с передачами управляться гораздо удобней, так как барабан грипшифта является, по сути, продолжением грипсы. Следствие из этого: руки занимают более органичное положение на руле.

Они интуитивно понятны в сравнении с триггерными, что особенно актуально для начинающих велолюбителей, так как с ними проще разобраться в логике переключения разных скоростей.
Вес наилучшего в линейке грипшифта меньший, чем триггерных манеток. Стоит отметить, что данный пункт не так уж важен для рядового любителя велоспорта, но для спортсменов играет роль.

В итоге имеем то, что имеем. У каждого из видов переключения есть свои плюсы и минусы. Но факт остается фактом, что агрессивно катающиеся велосипедисты, которых ни за какие деньги не заставишь перейти на триггеры, тоже есть (хоть их и очень мало). Но это уже, скорее, дело привычки.
Оригинальная публикация — на cortobike.ru


Включение-отключение нагрузки одной кнопкой
Дата: 27.01.2012
Раздел: Электроника

Перед разработчиком иногда может встать задача управления нагрузкой с помощью только одной кнопки. Схемы, позволяющие это сделать могут быть весьма простыми, но чтобы не придумывать их заново, соберем в эту заметку некоторые из них, как заготовки для своих будущих конструкций.
Схема 1.
Первая мысль, которая приходит на ум, когда нужно при одном нажатии на кнопку включить нагрузку, а при повтором — отключить — это использовать счётный триггер в качестве делителя частоты на два. В интернете встречаются схемы, собранные по этому принципу. .

Рис.1. Схема переключателя на D-триггере.
На Рис.1. использован один из 2-х триггеров, находящихся в корпусе микросхемы CD4013 (отечественный аналог К561ТМ2).
Выход триггера управляет на первом рисунке полевым, а на втором — биполярным транзистором, который включает или отключает нагрузку. Цепочка из параллельных резистора и конденсатора служит для подавления дребезга контактов кнопки переключения. Вторая схема, фактически отличается только антидребезговой цепочкой. Верхние выводы резисторов во второй схеме подключены к плюсу питания.
Схема 2.
использует схему генератора на таймере NE555 в качестве переключателя.

Рис.2. Схема переключателя на таймере.
Как видно, обычную схему генератора, состоящую из таймера и RC-цепочки R4,C1, пущенной с его выхода на вход, дополнили двумя резисторами R2,R3 и кнопкой S1. Без этих дополнительных резисторов при замыкании кнопки S1 таймер бы постоянно генерировал меандр на своем выходе, включая и выключая нагрузку с высокой частотой. Резистивный же делитель, являясь значительно более низкоомным, чем R4, просто «задавливает» колебания, не позволяя проходить сигналу с выхода таймера на вход.

Однако, т.к. кнопка S1 в нормальном состоянии разомкнута, то напряжение с выхода таймера зарядит конденсатор С1 до напряжения питания или земли. При подключении же ко входу таймера через кнопку S1, конденсатор не может мгновенно разрядиться через низкоомные R2 или R3, и на входе таймера какое-то время присутствует напряжение, достаточное для его переключения в противоположное текущему состояние.
Таймер управляет в данной схеме не полевым, а биполярным транзистором, который включает или отключает обычное механическое реле. Естественно, биполярный транзистор может быть заменен на полевой.
Вообще говоря, вместо таймера можно использовать любой инвертор с гистерезисом на входе. Например, тот же триггер Шмитта 74HC14.
Схема 3.
Следующая схема построена полностью на дискретных элементах. (источник в Интернете уже найти не могу)

Рис.3. Схема на дискретных элементах.
Схема работает следующим образом. При подаче питания ёмкость затвора транзистора VT2 разряжена и, следовательно, транзистор закрыт, поэтому напряжение на его выходе равно нулю. Транзистор VT3 при этом также закрыт. В результате, ключ VT2 поддерживается в закрытом состоянии, т.к. его затвор соединен с истоком через R1.
При кратковременном нажатии на кнопку ON/OFF, затвор ключа VT2 подключается к земле через конденсатор С1, который разряжен, т.е. напряжение на нём равно нулю. Ключ при этом открывается, т.е. на его стоке (Out2) появляется напряжение равное питанию Upit. Это напряжение открывает транзистор VT3, который подключает затвор ключа VT2 к земле через резистор R2. Если теперь отпустить кнопку, то это новое состояние будет сохранено, т.к. все транзисторы открыты.
При повторном нажатии на кнопку, напряжение с конденсатора С1, равное Upit, т.к. он заряжен через резистор R3, подается на затвор ключа VT2, закрывая его. При этом тут же закрывается и VT3 и уже не может поддерживать ключ в открытым. Всё, схема зафиксировалась в закрытом состоянии. Конденсатор постепенно разряжается через R3, R4, R5 на землю до нуля.
У данной схемы есть несколько особенностей, которые надо учесть при её повторении.
1. Схема корректно работает только с резистивной нагрузкой по выходу Out2.
Представим, на выходе 2 подключен электролитический конденсатор приличной ёмкости. Мы закрываем кнопкой ключ VT2, при этом должен бы закрыться и VT3, чтобы зафиксировать отключение, но этого не происходит до тех пор, пока электролит не разрядится. Т.е. схема будет отключаться только после его разряда.
Чтобы этого не случилось, параллельно управляющему ключу VT2 подключен основной переключающий полевик VT1 (Out1), который уже и управляет мощной нагрузкой, уже неважно, ёмкостной или резистивной.
2. Второй особенностью, которую надо учесть, та, что сопротивления резисторов в цепочке R3…R5 должны быть подобраны таким образом, чтобы VT3 открывался через R4,R5 и не мог открыться через делитель, где в верхнем плече будет R3+R4, а в нижнем R5. Т.е. сопротивление R3 должно быть достаточно велико (на схеме стоит 33К, но лучше 100К…1М).
Величину ёмкости С1 выбирают, как минимум, раз в десять большей ёмкостей затворов полевых ключей, чтобы они не влияли на работу схемы.

Похожую схему можно собрать на полевых транзисторах. .

Рис.4. Схема на дискретных полевиках.
Особенности её те же, что и на биполярных, т.е. хорошая работа только на активную нагрузку. Для иных нагрузок лучше ставить параллельный мощный ключ для Q1, а затвор Q2 соединять с землёй через резистор, много меньшего сопротивления, чем R3, чтобы заряд ёмкости С1 не влиял на работу схемы после отключения.
———————————-

Как работает схема триггера на транзисторах

Широкое применение в импульсной технике получил триггер на транзисторах. Чаще всего он используется в качестве счётчика и элемента памяти. Кроме того, в различных приборах логическое устройство заменило собой электромеханическое реле. На основе эпитаксиальных транзисторных триггеров создаются микросхемы, без которых невозможна работа любого современного цифрового прибора.

Устройство триггера

Триггер по своей схемотехнике очень похож на простейшее электронное устройство — мультивибратор. Но в отличие от него, он имеет два устойчивых положения. Эти состояния обеспечиваются изменениями входного сигнала при достижении им определённого значения. Переход из одного положения в другое называют перебросом. В результате на выходе логического элемента возникает скачок напряжения, форма которого зависит от скорости процессов, проходящих в радиоприборах.

Наибольшее применение получил триггер, работающий на транзисторах. Связанно это со способностью последних работать в ключевом режиме. Биполярный транзистор — это полупроводниковый прибор, имеющий три вывода. Эти электроды называются:

  • эмиттер;
  • база;
  • коллектор.

В грубом приближении транзистор представляет собой два диода, объединённых электрической связью. Состоит он из двух p-n переходов. Название биполярный элемент получил из-за того, что одновременно в нём используются два типа носителей заряда. В триггерных схемах транзистор работает в режиме ключа, суть которого заключается в управлении силой тока коллектора путём изменения значения на базе. При этом коллекторный ток по своей величине превышает базовый.

При таком включении важны лишь токи, а напряжения особой роли не играют. Поэтому при возникновении определённого тока на базе транзистор открывается и пропускает через себя сигнал. Сигнал на коллекторе полупроводникового прибора будет обратным по входному знаку, то есть инвертированным. А значит, когда на базовом выходе будет присутствовать разность потенциалов, на коллекторном она будет равна нулю, и наоборот.

Эта способность транзисторов и используется в триггерах, схема которых построена на двух ключах с перекрёстными обратными связями. Когда используются транзисторные ключи с одинаковой обвязкой, то триггер считается симметричным, в другом же случае — несимметричным.

Принцип работы

Устойчивые состояния выхода триггера обеспечиваются двумя транзисторными ключами, охваченными положительной обратной связью (ПОС). Такие положения соответствуют состоянию, когда один из транзисторов открыт и находится в режиме насыщения, а второй ключ закрыт. При этом на коллекторе закрытого элемента присутствует разность потенциалов, равная его значению на входе — логическая единица, а на выводе открытого ключа напряжение отсутствует — логический ноль.

Биполярные компоненты при таком включении относительно друг друга всегда будут находиться в противоположном состоянии из-за обратной связи. Через неё один из транзисторов (закрытый) с высоким уровнем напряжения на своём коллекторном выводе обязательно будет поддерживать другой в открытом состоянии.

Если предположить, что после подачи питания на устройство оба транзистора VT1 и VT2 окажутся открытыми, то через время из-за отличия характеристик радиоэлементов, стоящих в их плечах, возникнет перекос в коллекторных токах. А это благодаря ПОС приведёт к закрытию одного из ключей. То есть обратная связь спровоцирует лавинообразный процесс перехода одного транзистора в режим насыщения, а другого в режим отсечки.

Делители, собранные на резисторах R1, R4 и R2, R3, подбираются так, чтобы их коэффициент передачи был меньше единицы. Причём для поддержания уровня сигнала они шунтируются ёмкостью, ускоряющей скорость прохождения лавинообразных процессов и повышающей надёжность состояния.

Таким образом, принцип работы триггера заключается в прохождении следующих процессов. Если на схему подаётся напряжение Ek и Eb, то биполярный ключ VT1 начинает работать в режиме насыщения, а VT2 — отсечки. Импульс, пришедший на базу VT1, приводит к уменьшению величины тока, протекающего через коллектор и увеличению напряжения на переходе коллектор-эмиттер U1ke. Напряжение через С1 и R4 прикладывается к базе VT2. Это приводит к увеличению коллекторного тока на втором ключе и уменьшению напряжения на переходе U2ke, передаваемого через C2 и R3 на базу VT1.

Итогом этих процессов станет запирание VT1 и отпирание VT2. Такое состояние останется неизменным, пока на базу VT2 не придёт отрицательный уровень сигнала. Результатом этого будут обратные электрические процессы, и VT1 закроется, а VT2 откроется.

Характеристики приборов

Триггер условно можно назвать «автоматом», способным хранить один бит информации. Простейшего вида прибор имеет два выхода, находящихся по отношению друг к другу в инверсном состоянии. Важные параметры устройства связаны с синхронизацией (тактированием) выходов, зависящей от времени предустановки и выдержки. Первый параметр характеризуется интервалом времени, в течение которого поступает разрешающий фронт синхросигнала, а второй определяется временем нахождения устойчивого состояния в неизменном положении. Ряд других характеристик триггера связывают с сигналом, проходящим через него. К ним относится:

  • нагрузочная способность — характеризуется коэффициентом разветвления (Кр) и обозначает способность прибора управлять определённым количеством параллельно подключённых элементов к выходу устройства;
  • Ко — коэффициент объединения, обозначает наибольшее число входных напряжений, которые возможно завести на вход прибора;
  • tи — минимальная продолжительность входного сигнала, то есть длительность импульса, при котором триггер ещё может перейти в инверсное состояние;
  • tзд — коэффициент задержки, указывает на временной промежуток между подачей входного сигнала и появлением напряжения на выходе;
  • tр — длительность разрешения, определяется минимальным временем прошедшим между двумя импульсами сигнала на входе и спровоцировавшего переход триггера в другое состояние.

Но наряду с этим выделяют и следующие технические параметры триггеров:

  • напряжение на входе — наибольшая величина разности потенциалов, которую может выдержать устройство без повреждения своей внутренней электрической схемы;
  • ток потребления — зависит от используемых элементов, обычно не превышает 2 мА;
  • разность потенциалов переключения — это минимальное значение, при котором происходит инвертирование выхода;
  • ток входа — обозначает минимальное значение необходимое для работы триггера;
  • ток выхода — значение тока, появляющееся на выходе и определяемое отдельно для логического нуля и единицы;
  • температурный диапазон — интервал, в котором технические параметры устройства не изменяются;
  • напряжение гистерезиса — разность амплитуд входного сигнала, приводящая к изменению состояния выхода устройства.

Виды и классификация

Для работы устройства на вход необходимо подать внешний сигнал, называемый установочным. Форма напряжения, приводящая к появлению логической единицы на выходе триггера, обозначается латинской буквой S (установка), а появлению ноля — R (сброс). Состояние устройства определяется по прямому входу. Для элемента ИЛИ-НЕ активным уровнем считается единица, а И-НЕ — ноль. Одновременная подача R и S приведёт к неопределённому неустойчивому состоянию.

Такой принцип используется для построения элемента памяти. Поэтому все триггеры классифицируются по способу записи информации на асинхронные и синхронные. Первые разделяются по способу управления, а вторые по виду переключения и могут быть одно- или двухступенчатыми. Устройства, зависящие от уровня сигнала, называются триггерами статического управления, а от фронта — динамического.

По типу работы логики триггеры могут быть:

  • RS — состоящими из двух входов;
  • D — имеющих один информационный вход и схему задержки;
  • T — инвертирующих сигнал каждый раз при подаче импульса напряжения на вход;
  • JK — универсальными, допускающими одновременную подачу на свои выводы R и S сигналов;
  • комбинированными — совмещающими несколько устройств, например, RST-триггер.

Наиболее распространёнными видами триггеров являются D и RS схемы. При этом триггерные устройства разделяются также по числу устойчивых состояний (двоичные, троичные, четверичные и т. д.) и составу логических элементов.

Триггер RS типа

Одной из простейших в цифровой электронике является схема RS-триггера на транзисторах. Внешним воздействием на вход прибора можно установить его выход в нужное устойчивое состояние. Схема устройства представляет собой каскады, выполненные на транзисторах. Вход каждого из них подключается к выходу противоположного. Два состояния определяются присутствием на выходе напряжения, а переход между ними происходит с помощью управляющих сигналов.

Работает схема следующим образом. Если в начальный момент времени VT2 будет закрыт, тогда через сопротивление R3 и коллектор будет течь ток, поддерживающий VT1 в режиме насыщения. Одновременно первый транзистор начнёт шунтировать базу VT2 и резистор R4. Режим отсечки VT2 соответствует значению логической единицы на выходе Q = 1, открытое состояние VT1 нулю, Q = 0. Амплитуда сигнала на коллекторе закрытого ключа определяется выражением: Uз = U * R3 / (R2+R3).

Для инверсии сигнала необходимо на вход R или S подать импульс. При этом если S = 1, то и Q = 1, а если R=1, то на выходе будет ноль. При значениях R1 = R2 и R3 = R4 триггер называется симметричным. Особенностью работы устройства является способность удерживать установленное состояние между импульсами R и S, что и используется для создания на нём элементов памяти.

На схемах RS-триггер обозначается в виде прямоугольника с подписанными входами S и R, а также возможными состояниями выхода. Прямой подписывается символом Q, а инверсный – Q. Информация может поступать на входы непрерывным потоком или только при появлении синхроимпульса. В первом случае устройство называют асинхронным, а во втором – синхронным (трактируемым).

Работа устройства наглядно описывается с помощью таблицы истинности.

Она наглядно показывает всевозможные комбинации, которые могут возникнуть на выходе прибора. Такая таблица составляется отдельно для триггера с прямыми входами и инверсными. В первом случае действующий сигнал равен единице, а во втором — нулю.

Схема D-trigger

Управление логическими элементами в приборе такого типа осуществляется с помощью входов, которые разделяются на информационные и вспомогательные. Первый фиксирует приходящий импульс и в зависимости от формы переводит триггер в устойчивое то или иное состояние. Вспомогательный вход предназначен для синхронной работы.

Английская буква D в названии обозначает, что устройство является триггером задержки (delay). Эта задержка выражается в том, что приходящий импульс подаётся на вход не сразу, а через один такт. Определяет её частота импульсов синхронизации.

На схемах D-триггер на транзисторах обозначается также в виде прямоугольника, но входы триггера подписываются как D и C. Состояние устройства определяется по форме импульса, в частности срезу, приходящему на вход C, и импульсом синхронизации, поступающим на D. Но если на C будут приходить синхроимпульсы, а сигнал на входе D не будет изменяться, то выход останется без изменений.

Таблица истинности для логического элемента выглядит следующим образом:

Использование RS и D триггеров достаточно распространено из-за простоты, универсальности и удобства построения на них логических схем. Эти элементы являются важными составляющими для создания цифровых микросхем, используются в качестве регистров сдвига и хранения.

admin

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Наверх