ЛАБОРАТОРНА РОБОТА 4 - Sethost · ЛАБОРАТОРНА РОБОТА 4 ... 2 Відповісти на контрольні питання розділу «4.4 Контрольні

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


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


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


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


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.

15

4.2 Опис контрольно-вимірювальних приладів

4.2.1 Генератор цифрових сигналів (розділ Instruments>Word Generator)

Генератор цифрових сигналів призначений для формування різних комбінацій

цифрових сигналів (логічних «1» та «0») з різною частотою. Генерація може бути

організована циклічно, пошагово або з перериванням. Реалізована функція сигналу

«готовність даних».

Графічне позначення та лицева панель генератора цифрових сигналів зображені на

рисунку 4.10.

Рис. 4.10 – Графічне позначення та лицева панель генератора цифрових сигналів

4.2.2 Цифровий логічний аналізатор (розділ Instruments>Logic Analyzer)

Цифровий логічний аналізатор призначений для перегляду осцилограм цифрових

сигналів.

В цифровому логічному аналізаторі реалізовані такі функції, як: можливість

використання внутрішнього та зовнішнього сигналів синхронізації, регулювання частоти

розгортки.

Графічне позначення та лицева панель цифрового логічного аналізатора зображені на

рисунку 4.11.

16

Рис. 4.11 – Графічне позначення та лицева панель цифрового графічного аналізатора

4.2.3 RS- тригер (розділ Digital>RS Flip-Flop)

Графічне позначення RS - тригера зображено на рисунку 4.12.

Рис. 4.12 – Графічне позначення RS - тригера

4.2.4 D- тригер (розділ Digital>D Flip-Flop)

Графічне позначення D - тригера зображено на рисунку 4.13.

17

Рис. 4.13 – Графічне позначення D - тригера

4.2.5 JK- тригер (розділ Digital>JK Flip-Flop with Active High Asynch Inputs)

Графічне позначення JK - тригера зображено на рисунку 4.14.

Рис. 4.14 – Графічне позначення JK - тригера

18

4.3 Завдання лабораторної роботи

Дослід 1. Дослідження RS - тригера.

1.1 Запустити Electronics Workbench.

1.2 Підготувати новий файл до роботи. Для цього необхідно виконати такі операції:

File>New та File>Save as, після чого буде необхідно вказати ім’я файлу і каталог у

якому буде зберігатися схема.

1.3 Задати необхідні параметри моделювання (рисунок 4.15).

Рис. 4.15 – Параметри моделювання

1.4 Зібрати досліджувану схему RS - тригера та схему RS - тригера на елементах

“АБО-НІ” (схема рис. 4.2).

1.5 Дослідити реакцію схеми на всі можливі комбінації вхідних сигналів. Для цього

під’єднати до входу схеми генератор цифрових сигналів та згенерувати

послідовність вхідних сигналів згідно таблиці істинності елементу.

1.6 До виходу схеми під’єднати цифровий логічний аналізатор.

19

1.7 Коли схема зібрана і готова до запуску, натиснути кнопку вмикання живлення на

панелі інструментів.

1.8 Спостерігати за зміною стану виходу схеми відповідно до комбінації вхідних

сигналів.

1.9 Замалювати отримані цифрові осцилограми.

1.10 Згідно отриманих цифрових осцилограм побудувати таблицю станів

досліджуваної схеми та зробити висновки.

Дослід 2. Дослідження D - тригера.



2.3 File>New та File>Save as, після чого буде необхідно вказати ім’я файлу і каталог у



2.5 Зібрати досліджувану схему D - тригера (схема рис. 4.8).

2.6 Дослідити реакцію схеми згідно п. 1.5-1.10 попереднього досліду.

Дослід 3. Дослідження JK - тригера.



3.3 File>New та File>Save as, після чого буде необхідно вказати ім’я файлу і каталог у



3.5 Зібрати досліджувану схему JK - тригера (схема рис. 4.9).

3.6 Дослідити реакцію схеми згідно п. 1.5-1.10 попереднього досліду.

По закінченню виконання дослідів оформити звіт по лабораторній роботі на підставі

отриманих експериментальним шляхом даних.

Звіт повинен складатися з схем проведених дослідів та отриманих результатів

відповідно, а також висновків зроблених по закінченню кожного досліду.

20

4.4 Контрольні питання

Питання 4.1

Тригер – це: Вибір правильної відповіді:

1. запам’ятовувальний пристрій, що

має два стійких стана

2. логічний пристрій здатний

зберігати два біта інформації

3. пристрій, що має декілька стійких

станів

Питання 4.2

Параметрами тригера є: Вибір правильної відповіді:

1. максимальна частота

перемикання, тривалість

вхідного сигналу

2. тривалість вихідного сигналу

Питання 4.3

Синхронні тригери, порівняно з асинхронними,

мають:

Вибір правильної відповіді:

1. вхід синхронізації

2. більшу швидкодію

Питання 4.4

Тригер, поточний стан якого визначається

станом в попередньому такті, називається:


1. RS - тригер

2. MS - тригер

3. T - тригер

4. JK - тригер

21

Питання 4.5

Тригери, в яких вихідні сигнали в стійких

станах залишаються незмінними у часі

називаються:


1. статичними

2. динамічними

Питання 4.6

Стан байдужості для RS - тригера це стан

коли:


1. 1== RS

2. 0== RS

Питання 4.7

Заборонений стан для інверсного RS - тригера

це стан коли:


1. 1== RS

2. 0== RS

Питання 4.8

Як перетворити JK - тригер в T - тригер? Вибір правильної відповіді:

1. 1== RJ , T - імпульси підрахунку

2. 1=J , 0=K , T - імпульси

підрахунку

22

4.5 Література

1. Гусев В.Г.,Гусев Ю.М. Электроника.- М.: Высшая школа, 1991. – 562 с.

2. Опадчий Ю.Ф. и др. Аналоговая и цифровая электроника (Полный курс): Учебник

для вузов. – М.: Телеком, 1999. – 768 с.

3. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. /Пер. с англ. - М.: Мир, 1998. – 704 с.

4. Богданович М.И., Грель И.Н. Цифровые интегральные микросхемы: Справочник.-

Минск: Беларусь, 1991.-91 с.

5. Шило В.Л. Популярные цифровые микросхемы: Справочник. – М.: Радио и связь,

1987. – 352 с.

6. Пухальский Г.И., Новосельцева Т.Я. Цифровые устройства: Учебное пособие для

ВТУЗов. – СПб.: Политехника, 1996. – 885 с.

Documents

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА 4 - Sethost · ЛАБОРАТОРНА РОБОТА 4 ... 2 Відповісти на контрольні питання розділу «4.4 Контрольні