T-триггер

T-триггер (от англ. toggle — переключать) — это логическое устройство с двумя устойчивыми состояниями, которое изменяет своё состояние на противоположное при поступлении каждого активного сигнала на вход T. Относится к классу синхронных или асинхронных триггеров и является одним из базовых элементов цифровой электроники, используемым для построения счётчиков, делителей частоты и регистров сдвига.

Принцип работы

T-триггер имеет один информационный вход T (счётный) и два выхода: прямой Q и инверсный Q̅ (иногда обозначается как ¬Q или /Q). Выход Q может находиться в состоянии логического «0» или «1». Каждый раз, когда на вход T подаётся активный фронт импульса (обычно положительный или отрицательный перепад напряжения), состояние триггера переключается на противоположное. Если до импульса Q = 0, то после него Q становится 1, и наоборот.

В асинхронном исполнении (без тактового входа) переключение происходит немедленно по каждому изменению сигнала на входе T. В синхронном варианте переключение разрешено только при наличии тактового импульса на дополнительном входе C (Clock), что позволяет синхронизировать работу нескольких триггеров в схеме.

Таблица переходов

Из таблицы видно, что при T = 0 состояние триггера не меняется, а при T = 1 — инвертируется. Это свойство позволяет использовать T-триггер как делитель частоты: если на вход подавать импульсы частотой f, то на выходе Q будет сигнал частотой f/2.

Разновидности

Асинхронный T-триггер

Реализуется на основе JK-триггера или D-триггера с обратной связью. В простейшем виде может быть собран из двух логических элементов «И-НЕ» или «ИЛИ-НЕ», образующих RS-триггер, с дополнительной цепью обратной связи. Асинхронный триггер реагирует на любой перепад сигнала на входе T, что может приводить к нестабильной работе при наличии помех.

Синхронный T-триггер

Имеет дополнительный тактовый вход C. Переключение происходит только в момент активного фронта тактового сигнала при условии, что на входе T присутствует логическая «1». Это обеспечивает более надёжную работу в составе сложных цифровых устройств, так как все триггеры переключаются одновременно по одному тактовому сигналу.

T-триггер с асинхронными входами сброса и установки

Многие промышленные микросхемы T-триггеров (например, в сериях 155, 555, 1533) имеют дополнительные входы R (Reset — сброс) и S (Set — установка). При подаче сигнала на вход R выход Q принудительно устанавливается в 0, а при сигнале на S — в 1, независимо от состояния входа T и тактового сигнала. Эти входы обычно активны по низкому уровню (логический «0»).

Способы реализации

На основе JK-триггера

JK-триггер является универсальным: при подаче на входы J и K логической «1» он работает как T-триггер. Для этого достаточно соединить входы J и K вместе и подать на них сигнал T. Такая реализация широко используется в интегральных схемах, так как JK-триггеры доступны в стандартных сериях (например, К155ТВ1).

На основе D-триггера

D-триггер преобразуется в T-триггер путём подключения инверсного выхода Q̅ к входу D. При каждом тактовом импульсе состояние на входе D будет противоположно текущему состоянию, что обеспечивает переключение. Этот способ удобен при использовании D-триггеров в ПЛИС (программируемых логических интегральных схемах) и микросхемах памяти.

На дискретных логических элементах

T-триггер может быть собран из двух логических элементов «И-НЕ» (микросхема К155ЛА3) и двух конденсаторов, образующих дифференцирующие цепи. Однако такая схема нестабильна и чувствительна к помехам, поэтому на практике применяется редко.

Применение

Делители частоты

T-триггер делит частоту входного сигнала на 2. Каскадное соединение нескольких T-триггеров позволяет получить деление на 4, 8, 16 и так далее. Такие схемы используются в таймерах, часах, частотомерах и синтезаторах частоты.

Двоичные счётчики

Последовательное включение T-триггеров образует двоичный счётчик. Каждый триггер представляет один разряд двоичного числа. Например, на трёх триггерах можно построить счётчик от 0 до 7. Такие счётчики применяются в цифровых вольтметрах, микропроцессорных системах и устройствах автоматики.

Регистры сдвига

В кольцевых регистрах сдвига T-триггеры используются для циклического перемещения бита данных. Это применяется в генераторах псевдослучайных последовательностей, шифраторах и устройствах тестирования.

Формирователи импульсов

T-триггер может использоваться для формирования импульсов заданной длительности. Например, в схеме одновибратора (ждущего мультивибратора) на T-триггере можно получить импульс, длительность которого равна периоду входного сигнала.

Примеры микросхем

В советской и российской электронике T-триггеры выпускались в составе серий:

• К155ТВ1 — JK-триггер, который может работать как T-триггер при соединении входов J и K.
• К555ТВ1 — аналог К155ТВ1 на более быстрой технологии ТТЛШ (транзисторно-транзисторная логика с диодами Шоттки).
• К561ТМ2 — два D-триггера в одном корпусе, которые могут быть преобразованы в T-триггеры.
• КР1533ТВ1 — современный аналог с повышенным быстродействием.

В зарубежной номенклатуре распространены микросхемы серий 74xx: 7473 (два JK-триггера), 7474 (два D-триггера), 74HC74 (высокоскоростные КМОП-триггеры).

История

Принцип работы триггера как переключающего элемента был впервые описан в 1918 году британскими физиками Уильямом Экклзом и Фрэнком Джорданом в контексте релейных схем. Однако выделение T-триггера в отдельный тип произошло в 1940-х годах с развитием цифровых вычислительных машин. Первые электронные счётчики на T-триггерах были реализованы на вакуумных лампах (например, в компьютере ENIAC). С появлением транзисторных и интегральных схем в 1960-х годах T-триггер стал стандартным элементом цифровой логики.

Источники

1. Угрюмов Е. П. Цифровая схемотехника. — 3-е изд. — СПб.: БХВ-Петербург, 2010. — 800 с.
2. Титце У., Шенк К. Полупроводниковая схемотехника. — 12-е изд. — М.: ДМК Пресс, 2008. — 942 с.
3. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники. — 7-е изд. — М.: Мир, 2016. — 704 с.
4. Марше Ж. Цифровые интегральные схемы. — М.: Техносфера, 2005. — 560 с.
5. ГОСТ 2.743-91. Единая система конструкторской документации. Обозначения условные графические в схемах. Элементы цифровой техники. — М.: Издательство стандартов, 1992.