Что такое триггер, для чего он нужен, их классификация и принцип работы

Значения слова триггер

Прежде, нежели окунаться в дебри цифровой техники, заметим: термин триггер используется в разных отраслях синонимом спускового механизма, переключателя. Геймеры называют словцом гашетку, программисты – тестовый скрипт, помогающий оценить наличие объекта в виртуальной реальности.

Геймерам заметим, игра Dead Trigger 2 (продолжение одноименного шутера) неудачная, если бы целиком не предназначалась владельцам мобильных устройств. Операционная система Андроид. Представьте примитивную смесь Quake и Counter Strike, чтобы скудно понять, с чем придется столкнуться главному герою. На ограниченной размерами карте бродит куча зомби, которых герой обязан перебить. Попаданиями в голову значительно ускорите процесс, хотя каждое в отдельности не фиксируется. Вылитый Counter Strike.

Понятно, термин триггер для геймеров звучит уныло. Максимум – вариант убить время.

RS-триггер на логических элементах

Простейший способ его сделать – соединить вместе пару двухвходовых логических элементов И-НЕ. При этом обратная связь с выхода одного элемента подается на вход другого (см. схему ниже).

Как правило, в данной схеме входные сигналы показывают инверсными (с верхним подчеркиванием), хотя в дальнейшем при анализе работы используют обозначения прямых (неинвертированных) входов. Это сильно затрудняет понимание логики работы триггера. Поэтому мы не будем вводить инвертирование входов на этапе рассмотрения работы схемы на элементах И-НЕ, а учтем это в дальнейшем при ее модификации.

Сколько входов и выходов имеет RS-триггер? Из схемы выше видно, что он содержит S-вход и R-вход, которые служат, соответственно, для установки и сброса схемы, а также прямой Q и инверсный Q̃ выходы. Но данный простейший триггер относится к виду асинхронных, его условное обозначение показано ниже.

В синхронном устройстве имеется еще и вход C для тактовых импульсов.

Принцип работы RS-триггера

Триггер – это электронное устройство, которое предназначается для записи и хранения информации. Обычно он имеет два выхода: прямой и инверсный; и некоторое количество входов, в зависимости от выполняемой задачи. Под действием входных сигналов, изменяется состояние выходов. Напряжение на выходах изменяется резко – скачкообразно. Для изготовления триггеров обычно используютсябиполярные,униполярные транзисторы (полупроводниковые приборы).

Информация может записываться в триггеры свободно (непрерывно), то есть при подаче сигналов на вход, состояние выхода меняется в реальном времени. Такие триггеры называются асинхронными. А может информация записываться, только когда активен синхронизирующий сигнал. При отсутствии положительного уровня напряжении на нем, информация на выходах измениться не может – синхронные (тактируемые) триггеры.

RS-триггер именуется так из-за названия его входов:

Он оснащен двумя входами, как говорилось, и двумя выходами:

АсинхронныйRS-триггерможно реализовать на логических элементах двумя схемами:

*Синий провод – «0», красный – «1»

Рисунок 1 – Схема асинхронногоRS-триггера на логических «2ИЛИ-НЕ» элементах

Первая схема реализована на двух логических ИЛИ-НЕ, по рисунку 1 рассмотрим принцип работы приведенногоRS-триггера. В нулевой момент времени, когда ни на один вход (R и S) не подана логическая единица, прямой выходQ=0, соответственно, инверсный=1. Если на входSподать напряжение, уровень которого будет соответствовать единице, то выходQскачкообразно изменит свое значение на 1, ана 0. Это произойдет запись информации. Если убрать единицу с “Set”, тогда выходы не изменят свое состояние, останутся такими, какими были – проявление свойства памяти. При подаче положительного сигнала на вход сброса, то естьR=1, инверсный выход резко станет равен 1, а прямойQ– 0. В работеRS-триггера есть недостаток: существует запрещенная комбинация. Нельзя одновременно подавать единичные сигналы на оба входа, нормальная работа триггера в этом случае невозможна.

Рисунок 2 – Схема асинхронногоRS-триггера на логических «2И-НЕ» элементах

Вторая схема собрана с помощью двух логических элементов И-НЕ. Разница между ними заключается в том, что управление в прошлой схеме осуществлялось положительным сигналом (единицей), а в текущей активный уровень – ноль. Работают обе схемы идентично, поэтому описание принципа действия здесь не требуется.

Работу выше описанных устройств иллюстрирует временная диаграмма:

Рисунок 3 – Временная диаграмма RS-триггера

По вышеприведенному описанию работы триггера составим таблицу истинности («*» – невозможное состояние):

На схемах RS-триггер показывается как отдельное устройство, а не совокупность логических элементов, и имеет свое условное обозначение:

Рисунок 4 – Графическое обозначение асинхронногоRS-триггера

СинхронныйRS-триггер запоминает значения поданные на SилиRвход, только при наличии единицы на С (Clock) сигнале – синхронизирующий или тактовый. Он позволяет избежать переходных процессов в схемах, а если быть точнее, переходных состязаний, когда один сигнал на вход может поступить раньше другого, и схема будет работать неправильно. Именно для этого предусмотрен синхронизирующий сигнал, который позволяет «включать» триггер в нужный нам момент времени.

Принцип действия синхронного RS-триггера легко понять по размещенному выше рисунку. Пока на вход С не подана единица, из-за наличия логических блоков ИЛИ, записываться сигналы с S или R входов не будут. При наличии 1 на входе С, работа синхронного триггера от асинхронного ничем не отличается. Составим таблицу истинности, где «крестиком» показывается невозможность записи сигнала, а «*» – запрещенная комбинация:

Графическое представление синхронногоRS-триггера:

Недостаточно прав для комментирования

Триггер Шмитта. Схема, принцип работы

Триггером Шмитта называется схема (рис. 1), в которой оба каскада соединены ветвью, в которой происходят суммирование сиг­налов из двух каскадов и обратная подача этих сигналов на выходы

Такое решение используется в мультивибраторах с общим эмиттерным резистором. Для каждого из каскадов на этом резисторе возни­кает ООС, одновременно образуется ПОС, так как часть выходного напряжения второго каскада через этот резистор подводится к пер­вому каскаду. Отрицательная обратная связь стабилизирует рабо­чую точку, а, кроме того, при соответствующем подборе элементов цепи (например, при большом сопротивлении эмиттерного резистора) может не допускать возникновения «перевозбуждения» в схеме. При этом схема работает без захода в область насыщения, благодаря чему получают импульсы с крутыми фронтами и малой временной задержкой, называемой гистерезисом по отношению к запускающим импульсам. Связь с выхода первого каскада на вход второго осу­ществляет резистор или диод. Это связь по постоянному току. Триг­геры Шмитта применяют в качестве схем с одним или двумя устой­чивыми состояниями, а также для формирования прямоугольных колебаний.

Рисунок 1 −

Схема триггера Шмитта и формы управляющегои вы­ходного напряжения

Достоинство схемы заключается, в частности, в том, что вход схемы не охвачен петлей ОС и поэтому на входе отсутствуют сигналы, генерируемые схемой. Кроме того, выход схемы хорошо развязан от входа.

Работа схемы протекает следующим образом. Если напряжение на входе (управ­ляющее напряжение) равно нулю, транзистор Т

1 заперт. В это время проводит транзисторТ 2, так как на него поступает соответствующее смещение с делителяR k,R 1,R 2. Делитель, смещающий транзисторТ 2 (в основномR k), подобран таким образом, чтобы транзисторТ 2 не работал в режиме насыщения Протекающий через транзисторТ 2 ток создает падение напряжения на эмиттерном резисторе Rэ, а это в свою очередь вызывает еще более глубокое запирание тран­зистораТ 1. Увеличение входного напряжения выше определенного уровня вызывает отпирание транзистораТ 1 и быстрый переход схе­мы в другое состояние. В этом состоянии напряжение на коллекторе транзистораТ 1 убывает и, следовательно, уменьшается напряжение на базе транзистораТ 2 и он закрывается. Триггер остается в этом состоянии до тех пор, пока входной сигнал выше порогового уровня. Выходное напряжение в этом состоянии достигает своего максималь­ного значения. Если управляющее транзисторомТ 1 напряжение уменьшается ниже порогового уровня, наступает рост напряжения на коллекторе транзистораТ 1, а следовательно, увеличение напря­жения на базе транзистораТ 2, так что транзисторТ 2 начинает про­водить ток и происходит переброс схемы в первое состояние.

Из приведенного описания вытекает одно из типичных приме­нений триггера Шмитта − использование его в качестве генератора прямоугольных колебаний. Триггер Шмитта применяется также в качестве амплитудного дискриминатора или порогового детектора.

РАЗДЕЛ 3 ЦИФРОВЫЕ И ИМПУЛЬСНЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ УСТРОЙСТВА

Устройства импульсной и цифровой электроники существенно отличается от устройств аналоговой электроники видом используемых сигналов (цифровые сигналы) и приёмами проектирования. Цифровой сигнал может принимать два значения (высокого уровня и низкого уровня). Устройства, работающие с цифровыми сигналами, называются цифровыми. Цифровыми сигналами сигналом представляются двоичные числа. Элементами сигнала являются нуль(0) и единица(1). Цифровой сигнал может быть потенциальным или импульсивным:

Элементами потенциального уровня (рисунок а)) являются потенциалы уровней u и u1. Каждый уровень остаётся неизменным в течении тактового интервала. Потенциалу u1 соответствует 1, потенциалу u  — 0. Элементами импульсивного сигнала (рисунок б)) являются импульсы неизменной амплитуды и их отсутствие. Импульс представляет 1, а отсутствие импульса представляет 0. Обоим цифровым сигналам, изображённым на рисунке, соответствует двоичное число: 10011010. В природе практически все сигналы аналоговые, которые чувствительны к действию паразитных сигналов — шумов, наводок, помех. В отличии от аналоговых, цифровые сигналы, имеющие всего два разрешённых уровня, защищены от действий паразитных сигналов гораздо лучше. Для преобразования аналоговых сигналов в цифровые применяются специальные схемы, например АЦП.

Регистры на триггерах

RS-триггер способен сохранять 1 бит цифровой информации. Если необходимо хранить несколько бит, например, цифровое двоичное слово из нескольких двоичных разрядов (в микроконтроллерах обычно 8 или 16), то триггеры могут соединяться параллельно, образуя регистры. Это простейшие устройства для временного хранения набора двоичных цифровых разрядов, в которых каждый триггер сохраняет значение одного разряда (0 или 1. т. е. один бит). Так, показанный ниже 4-разрядный регистр на RS-триггерах содержит четыре отдельных триггера.

Любое двоичное число от (0000)2 до (1111)2 может быть сохранено в этом регистре просто путем установки или сброса соответствующего триггера. Давайте предположим, что первый триггер установлен (Q1 = 1), второй сброшен (Q2 = 0), третий также сброшен (Q3 = 0), а четвертый установлен (Q4 = 1). Тогда двоичное число, записанное в регистр, будет (1001)2.

Кроме параллельных регистров, предназначенных для хранения цифровых слов, на RS-триггерах делаются и так называемые регистры сдвига, в которых разряды цифрового слова последовательно с приходом каждого тактового импульса сдвигаются влево или вправо на один разряд. Схема такого устройства на синхронных триггерах показана ниже.

Подобные регистры находят применение в схемах последовательных интерфейсов, когда поступающие из управляющего контроллера цифровые слова побитно передаются в линию связи.

Принцип работы триггера Шмитта

В идеальном случае передаточная характеристика триггера Шмитта имеет вид изображённый на рисунке выше. В случае если входное напряжение триггера не превышает напряжение срабатывания U₁ (U_ВХ < U₁), то триггер находится в одном из устойчивых состояний, а напряжение на выходе находится на уровне Е (U_ВЫХ = Е). Когда же напряжение на входе превысит порог срабатывания (U_BX > U₁), то триггер моментально перейдёт в другое устойчивое состояние и напряжение на выходе станет равным рабочему напряжению триггера Е₁ (U_ВЫХ = Е₁). После этого напряжение на входе может изменяться в некоторых пределах, но на выходе останется постоянным и равным рабочему напряжению Е₁.

Чтобы вернуть триггер Шмитта в исходное состояние, необходимо, чтобы напряжение на входе уменьшилось до некоторого уровня, называемого порогом отпускания триггера. Как только напряжение на входе уменьшится до некоторого уровня напряжения U₂ (U_ВХ < U₂), то триггер скачкообразно перейдёт в исходное состояние, при котором напряжение на выходе будет равным Е (U_ВЫХ = Е).

Величины напряжений пороговых уровней срабатывания и отпускания триггера полностью определяются элементами электронной схемы данного типа триггера.

Как правило, в настоящее время триггеры Шмитта изготавливаются в интегральном исполнении, параметры которого удовлетворяют в большинстве случаев. Но в некоторых случаях имеет место изготовление данного типа триггеров и в дискретном исполнении, например, в экспериментальной или высоковольтной отраслях. Давайте рассмотрим схему триггера Шмитта в дискретном исполнении на транзисторах.

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.

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.

История

Функциональный триггер можно создать из обычного реле с электромеханическим приводом. Установив нужным образом контакты управляющей цепи, обеспечивают включение силовой группы после определенной комбинации входных сигналов. Отдельной клавишей выполняют сброс.

Схема RS триггера на одном реле

Электронные аналоги были собраны в начале прошлого века из ламповых приборов. Действующие схемы впервые опубликованы российскими и английскими учеными в 1918-20 гг. Позднее стали применять полупроводниковые транзисторы. В наши дни соответствующие устройства создают с применением микроэлектронных технологий.

Аналого-цифровые преобразователи (АЦП или ADC)

АЦП преобразует аналоговые сигналы в цифровые, поступающие на цифровые устройства для дальнейшей обработки обработки или хранения. В общем случае микросхему АЦП можно в виде блока, имеющего один аналоговый вход, один или два входа для подачи опорного (образцового) напряжения, а также цифровые выходы для выдачи кода, соответствующего текущему значению аналогового сигнала.

Часто микросхема АЦП имеет так же входы для подачи тактового сигнала CLK, сигнала разрешения работы CS и выход для выдачи сигнала RDY, указывающего на готовность выходного цифрового кода. На микросхему подаётся одно или два питающих напряжения. Опорное напряжение АЦП задаёт диапазон входного напряжения, в котором производится преобразование. Оно может быть постоянным или же допускать изменение в некоторых пределах. Иногда предусматривается подача на АЦП двух опорных напряжений с разными знаками, тогда АЦП способен работать как с положительными, так и с отрицательными входными напряжениями. Выходной цифровой код N (n — разрядный) однозначно соответствует уровню входного напряжения. Код может принимать 2n значений, то есть АЦП может различать уровней входного напряжения. Количество разрядов выходного кода n представляет собой важнейшую характеристику АЦП. В момент готовности выходного кода выдаётся сигнал окончания преобразования RDY, по которому внешнее устройство может читать код N. Управляется работа АЦП тактовым сигналом CLK, который задаёт частоту преобразования, то есть частоту выдачи выходных кодов. Предельная тактовая частота — второй важнейший параметр АЦП. В некоторых микросхемах имеется встроенный генератор тактовых сигналов, поэтому к их выводам подключается кварцевый генератор или конденсатор, задающий частоту преобразования. Сигнал CS разрешает работу микросхемы. Выпускается множество самых разнообразных микросхем АЦП, различающихся скоростью работы (частота преобразования от сотен килогерц до сотен мегагерц), разрядностью (от 6 до 24), допустим диапазонами входного сигнала, величинами погрешностей, уровнями питающих напряжений, методами выдачи выходного кода (параллельный или последовательный), другими параметрами. Обычно микросхемы с большой количеством разрядов имеют невысокое быстродействие, а наиболее быстродействующие микросхемы имеют небольшое число разрядов. В качестве базового элемента любого АЦП используется компаратор напряжения, который сравнивает два входных аналоговых напряжения и в зависимости от результата сравнения выдаёт выходной цифровой сигнал (0 или 1). Существует два основных принципа построения АЦП: параллельный и последовательный. Принцип преобразования параллельного типа заключается в одновремённом сравнении входного напряжения с n опорными напряжениями и определением, между какими двумя опорными напряжениями оно лежит. Схема 3-х разрядного параллельного так же представлено на рисунке:

Схема такого АЦП содержит резистивный делитель из резисторов, который делит опорное напряжение Uоп на (2n-1) уровней. Входное напряжение Uвх сравнивается с помощью (2n-1) компараторов с уровнями (). Выходные сигналы компараторов (X1,X2….X7) с помощью кодирующего преобразователя преобразуется в n — разрядный (n = 3) двоичный код Z0 Z1 Z2. Процесс преобразования происходит очень быстро, поэтому частота преобразования может достигать сотен МГц. Правда, они требуют применения большого количества компараторов, что вызывает технологические трудности при большом количестве разрядов (при n = 12 требуется 4095 компараторов). Поэтому АЦП параллельного типа выпускают с числом разрядов n = 4…8 При необходимости иметь больше 8 разрядов применяют АЦП последовательного преобразования, недостатком которых являются малое быстродействие, что приводит к апертурной погрешности АЦП. Апертурная погрешность связана со скоростью изменения измеряемого сигнала (Uвх/dt). За время преобразования (tпр) в цифровой сигнал Uвх изменяется и возникает неопределённость, какое мгновенное значение Uвх(t) преобразовано в код. Для уменьшения апертурной погрешности перед АЦП последовательного преобразования устанавливается схема выборки и хранения.

Сведения о триггерах

Все триггеры действуют, фактически, как импульсные устройства. Они состоят из активных элементов, в том числе ламп и транзисторов, функционирующих в ключевом режиме. Перемена каждого состояния продолжается в течение очень короткого времени.

Все данные устройства отличаются особым свойством, заключающимся в способности запоминать двоичную информацию. На этом принципе и основано функционирование этих приборов. Сама память триггера заключается в возможности сохранять каждое состояние, после того, как прекратит свое действие переключающий сигнал. Если одно состояние принять за единицу, а другое – за ноль, то по факту получается запоминание одного числового разряда, из которого состоит двоичный код.
Изготовление триггеров осуществляется с использованием, в основном, полупроводниковых приборов. Как правило, это различные виды полевых и биполярных транзисторов. Ранее, для этих приборов применялись электронные лампы и электромагнитные реле. В современной электронике триггеры используются в логических схемах различных видов вычислительной техники и являются основными компонентами процессоров, счетчиков и прочих аналогичных систем.

Заключение

Достоинство схем заключается в том, что входное напряжение меняется незначительно, когда выходное изменяется резко к высокому или низкому пороговому значению. Процесс проводится благодаря устройству обратной связи и делителя напряжения.

В чём польза триггера Шмитта? Они весьма востребованы тогда, где на входе присутствуют шумы. Применяется для преобразования входного сигнала в прямоугольные, пренебрегая высокочастотными помехами. Такая входная цепь осуществляет гистерезис, эффективно фильтрующий различные типы шумов. Использование устройства будет гарантировать, что на входе цифрового устройства всегда будет либо «один» или «ноль» и ничего между ними.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните накарту сайта, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное.