RS-триггер

RS-триггер — это базовый цифровой логический элемент, используемый для хранения одного бита информации. Он относится к классу триггеров — устройств, способных находиться в одном из двух устойчивых состояний, обозначаемых как логический «0» и логическая «1». RS-триггер является простейшим типом триггера и служит основой для построения более сложных запоминающих устройств, таких как D-, JK- и T-триггеры, а также регистров и ячеек статической оперативной памяти (SRAM).

История

Принцип работы RS-триггера был впервые описан в 1918 году английскими физиками Уильямом Генри Экклзом и Фрэнком Уилфредом Джорданом в статье «Переключающее реле с использованием термоэлектронных ламп». Они предложили схему на двух электронных лампах (триодах), которая могла находиться в двух устойчивых состояниях и переключаться между ними под действием входных импульсов. Это устройство, названное «триггером» (от англ. trigger — спусковой крючок), стало основой для развития цифровой электроники.

С развитием полупроводниковой техники в середине XX века ламповые триггеры были заменены транзисторными и интегральными схемами. RS-триггер на логических элементах «И-НЕ» или «ИЛИ-НЕ» стал стандартным компонентом цифровых микросхем, таких как серии 74xx (ТТЛ) и 4000 (КМОП). В СССР и России RS-триггеры выпускались в составе микросхем, например, К155ТМ1 (два D-триггера, построенных на основе RS-триггеров) и К155ТВ1 (JK-триггер).

Принцип работы

RS-триггер имеет два входа: S (от англ. Set — установка) и R (от англ. Reset — сброс), а также два выхода: Q и Q̅ (инверсный выход). Выход Q обычно считается основным, а Q̅ — его логическим дополнением. Состояние триггера определяется значением на выходе Q: если Q = 1, триггер находится в «установленном» состоянии; если Q = 0 — в «сброшенном».

Логика работы

Работа RS-триггера описывается таблицей истинности:

• S = 0, R = 0: Триггер сохраняет предыдущее состояние. Это режим хранения информации.
• S = 0, R = 1: На выходе Q устанавливается 0 (сброс). Триггер переходит в состояние «сброшен».
• S = 1, R = 0: На выходе Q устанавливается 1 (установка). Триггер переходит в состояние «установлен».
• S = 1, R = 1: Комбинация является запрещённой для базового RS-триггера. В этом случае оба выхода Q и Q̅ становятся равными 0, что нарушает инверсную связь между ними (в нормальном режиме Q̅ = NOT Q). После снятия сигналов S и R состояние триггера становится непредсказуемым и зависит от разброса параметров элементов схемы. В некоторых реализациях эта комбинация может приводить к генерации колебаний.

Реализация на логических элементах

RS-триггер может быть построен на двух логических элементах с обратной связью. Наиболее распространены две схемы:

На элементах «И-НЕ» (NAND)

Схема на элементах «И-НЕ» является асинхронной (не имеет тактового входа). Входы S и R в этой схеме являются инверсными (активный уровень — логический 0). Поэтому часто такие входы обозначают как S̅ и R̅. Выходы Q и Q̅ получаются с выходов элементов.

• S̅ = 0, R̅ = 1: Установка (Q = 1).
• S̅ = 1, R̅ = 0: Сброс (Q = 0).
• S̅ = 1, R̅ = 1: Хранение.
• S̅ = 0, R̅ = 0: Запрещённое состояние.

На элементах «ИЛИ-НЕ» (NOR)

Схема на элементах «ИЛИ-НЕ» является прямой реализацией таблицы истинности, где активный уровень — логическая 1.

• S = 1, R = 0: Установка (Q = 1).
• S = 0, R = 1: Сброс (Q = 0).
• S = 0, R = 0: Хранение.
• S = 1, R = 1: Запрещённое состояние.

Классификация RS-триггеров

RS-триггеры классифицируются по способу управления:

Асинхронный RS-триггер

Асинхронный RS-триггер реагирует на изменение входных сигналов S и R немедленно, без синхронизации по тактовому сигналу. Он является простейшей формой триггера и используется в простых схемах управления, например, для подавления дребезга контактов механических переключателей.

Синхронный RS-триггер

Синхронный RS-триггер имеет дополнительный тактовый вход C (от англ. Clock). Изменение состояния триггера происходит только при наличии активного уровня на тактовом входе (например, по фронту или по уровню). Это позволяет синхронизировать работу нескольких триггеров в цифровых схемах. Синхронный RS-триггер строится на основе асинхронного, дополненного входной логикой, управляемой тактовым сигналом.

Применение

RS-триггеры находят широкое применение в различных областях цифровой техники:

• Хранение одного бита данных: Являются основой для построения регистров, сдвиговых регистров и ячеек статической оперативной памяти (SRAM). В SRAM каждая ячейка представляет собой RS-триггер, построенный на транзисторах.
• Подавление дребезга контактов: При нажатии механических кнопок и переключателей возникают кратковременные колебания (дребезг), которые могут быть восприняты цифровой схемой как серия импульсов. RS-триггер, подключённый к контактам, фиксирует первое переключение и игнорирует последующие колебания, обеспечивая однократное и чёткое срабатывание.
• Схемы управления: Используются в качестве запоминающих элементов в автоматах управления, таймерах, счётчиках и других логических устройствах.
• Формирователи импульсов: Применяются для формирования импульсов заданной длительности или для выделения фронтов сигналов.
• Основа для других триггеров: D-триггер, JK-триггер и T-триггер строятся на основе RS-триггера путём добавления дополнительной логики на входах. Например, D-триггер получается из синхронного RS-триггера, если на вход S подать сигнал D, а на вход R — его инверсию.

Ограничения и недостатки

Основным недостатком базового RS-триггера является наличие запрещённого состояния при одновременной подаче активных сигналов на оба входа (S = 1, R = 1 для схемы на «ИЛИ-НЕ» или S̅ = 0, R̅ = 0 для схемы на «И-НЕ»). В этом случае поведение триггера становится непредсказуемым, что может привести к сбоям в работе цифровых схем. Для устранения этого недостатка были разработаны другие типы триггеров, такие как JK-триггер, в котором комбинация J = 1, K = 1 приводит к переключению (инверсии) состояния, а не к запрещённому состоянию.

Источники

1. Экклз, У. Г., Джордан, Ф. У. «Переключающее реле с использованием термоэлектронных ламп». The Electrician, 1918.
2. Хоровиц, П., Хилл, У. «Искусство схемотехники». 3-е издание, 2001.
3. Титце, У., Шенк, К. «Полупроводниковая схемотехника». 12-е издание, 2008.
4. Угрюмов, Е. П. «Цифровая схемотехника». 2-е издание, 2004.
5. ГОСТ 2.743-91. «Обозначения условные графические в схемах. Элементы цифровой техники».