JK-триггер

JK-триггер — это логическое устройство (триггер), относящееся к классу синхронных триггеров с двумя информационными входами (J и K), используемое в цифровой электронике для хранения одного бита информации. Является универсальным триггером, так как на его основе могут быть построены все остальные типы триггеров (RS, D, T). Название происходит от обозначения входов: J (от англ. jump — прыжок, переключение) и K (от англ. kill — убить, сброс).

История

JK-триггер был разработан в середине XX века как усовершенствование RS-триггера. Основной проблемой RS-триггера была неопределённость состояния при подаче на оба входа (R и S) активного сигнала (так называемое «запрещённое состояние»). В JK-триггере эта комбинация была переопределена: при активных сигналах на обоих входах триггер переключается в противоположное состояние (инвертирует своё текущее значение). Название «JK» было предложено инженерами компании Texas Instruments в 1953 году в документации на интегральные схемы серии SN74xx.

Принцип работы

JK-триггер имеет два информационных входа (J и K), тактовый вход (C или CLK) и, в зависимости от реализации, входы асинхронной установки/сброса (S и R). Выходы — прямой (Q) и инверсный (¬Q). Работа триггера определяется таблицей истинности, где Q<sub>n</sub> — текущее состояние, Q<sub>n+1</sub> — состояние после тактового импульса.

Таблица истинности (для синхронного JK-триггера)

J	K	Q<sub>n+1</sub>	Описание
0	0	Q<sub>n</sub>	Режим хранения (состояние не меняется)
0	1	0	Сброс (Reset) — Q становится 0
1	0	1	Установка (Set) — Q становится 1
1	1	¬Q<sub>n</sub>	Инверсия (Toggle) — Q меняется на противоположное

Условное обозначение и логика

На принципиальных схемах JK-триггер обозначается прямоугольником с буквами J, K, C (или CLK) и выходами Q и ¬Q. Наличие кружка на тактовом входе указывает на срабатывание по спаду (отрицательному фронту) импульса; отсутствие кружка — по фронту (положительному перепаду).

Классификация

JK-триггеры классифицируются по нескольким признакам:

По способу синхронизации

Синхронные — изменение состояния происходит только при наличии тактового импульса на входе C.
Асинхронные — состояние меняется немедленно при изменении сигналов на входах J и K (встречаются редко, обычно в составе интегральных схем).

По типу управления

С динамическим управлением — срабатывают по фронту (положительному или отрицательному) тактового импульса. Наиболее распространённый тип.
Со статическим управлением — срабатывают при определённом уровне тактового сигнала (например, при высоком уровне).

По количеству ступеней (MS-триггеры)

Одноступенчатые — простая схема, чувствительная к помехам.
Двухступенчатые (Master-Slave) — состоят из двух последовательно соединённых триггеров (ведущего и ведомого). Обеспечивают высокую помехоустойчивость и чёткое переключение. В таких триггерах информация сначала записывается в ведущий триггер, а затем, после окончания тактового импульса, передаётся в ведомый.

Устройство и схемотехника

Внутренняя схема JK-триггера строится на логических элементах (И-НЕ, ИЛИ-НЕ) или на транзисторных ключах. Наиболее распространённая реализация — на элементах И-НЕ с обратными связями. В интегральном исполнении (например, микросхема SN7472 — JK-триггер с динамическим управлением) схема включает в себя несколько логических вентилей, обеспечивающих описанную таблицу истинности.

Типовая схема на элементах И-НЕ

Схема содержит два основных RS-триггера (ведущий и ведомый) и дополнительные логические элементы, формирующие сигналы на входах в зависимости от J, K и текущего состояния Q. Обратная связь с выходов Q и ¬Q на входные элементы обеспечивает инверсию при J=K=1.

Применение

JK-триггер является базовым элементом цифровой электроники и используется в различных устройствах:

Регистры

JK-триггеры применяются для построения регистров хранения и сдвига. Благодаря возможности инверсии, они позволяют реализовывать сдвиговые регистры с циклическим переносом.

Счётчики

На основе JK-триггеров строятся двоичные счётчики (асинхронные и синхронные). Каждый триггер в счётчике делит частоту входных импульсов на 2. Соединяя триггеры последовательно, можно получить счётчики с любым модулем счёта (делители частоты).

Делители частоты

Благодаря режиму инверсии (J=K=1), JK-триггер работает как T-триггер (счётный триггер), который меняет состояние на каждом тактовом импульсе. Это позволяет использовать его для деления частоты в 2 раза.

Генераторы псевдослучайных последовательностей

В схемах с обратной связью JK-триггеры применяются для построения генераторов псевдослучайных чисел (ПСП) и линейных регистров сдвига (LFSR).

Системы управления

JK-триггеры используются в автоматах с памятью (конечных автоматах), где требуется хранение состояния и переключение по определённым условиям.

Преимущества и недостатки

Преимущества

Универсальность — позволяет реализовать любой другой тип триггера (RS, D, T) путём соответствующего подключения входов.
Отсутствие запрещённых состояний — комбинация J=K=1 чётко определена (инверсия).
Высокая помехоустойчивость (в двухступенчатых вариантах).

Недостатки

Более сложная схема по сравнению с RS-триггером (больше логических элементов).
Чувствительность к длительности тактового импульса (в одноступенчатых вариантах может возникнуть «гонка» — многократное переключение за один импульс).
Ограничение по быстродействию — время переключения определяется задержками в логических элементах.

Примеры интегральных микросхем

В сериях ТТЛ (транзисторно-транзисторная логика) и КМОП (комплементарная логика) выпускаются следующие JK-триггеры:

SN7472 — JK-триггер с динамическим управлением (срабатывает по спаду).
SN7473 — сдвоенный JK-триггер с раздельными тактовыми входами.
SN7476 — сдвоенный JK-триггер с предустановкой и сбросом.
CD4027 (КМОП) — сдвоенный JK-триггер с динамическим управлением.

Интересные факты

JK-триггер является одним из немногих цифровых устройств, название которого не является аббревиатурой, а происходит от произвольных букв, выбранных разработчиками.
В некоторых источниках буквы J и K интерпретируются как первые буквы фамилий изобретателей (Jack Kilby и Robert Noyce), однако документально это не подтверждено.
JK-триггер используется в качестве базового элемента в учебных курсах по цифровой электронике для демонстрации принципов работы триггеров и автоматов.

Источники

Титце У., Шенк К. — «Полупроводниковая схемотехника» (глава 8 — «Триггеры»)
Хоровиц П., Хилл У. — «Искусство схемотехники» (том 1, глава 8 — «Цифровые схемы»)
Техническая документация Texas Instruments на микросхемы серии SN74xx (datasheet SN7472, SN7473)
ГОСТ 2.743-91 — «Обозначения условные графические в схемах. Элементы цифровой техники»

BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.

На главную BFOmetr →