Триггерная схема¶

Триггерная схема (триггер) — это электронное устройство, способное находиться в одном из двух устойчивых состояний и переключаться между ними под воздействием внешних управляющих сигналов. Триггеры относятся к классу импульсных устройств и являются базовыми элементами цифровой электроники, в частности, регистров, счётчиков, оперативных запоминающих устройств (ОЗУ) и других узлов вычислительной техники. Основное свойство триггера — способность хранить один бит информации (0 или 1) в течение неограниченного времени, пока на него не поступит сигнал, изменяющий это состояние.

¶История

Первые теоретические основы работы триггерных схем были заложены в 1918 году британскими физиками Уильямом Генри Икклзом и Фрэнком Уилфредом Джорданом. Они разработали и описали двухламповый релаксационный генератор, который мог находиться в двух устойчивых состояниях. Это устройство, названное «триггером Икклза — Джордана», стало прототипом всех последующих триггеров. В 1940-х годах, с развитием транзисторов, триггеры начали реализовываться на полупроводниковых элементах, что позволило значительно уменьшить их размеры и энергопотребление. В 1950-х годах, с появлением интегральных микросхем, триггеры стали выпускаться в виде отдельных микросхем малой степени интеграции (например, серии ТТЛ — транзисторно-транзисторная логика). В дальнейшем триггеры вошли в состав более сложных цифровых микросхем, таких как счётчики и регистры, а также в программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС).

¶Классификация триггеров

Триггеры классифицируются по нескольким признакам: способу записи информации, типу используемых логических элементов, количеству входов и реакции на управляющие сигналы.

¶По способу записи информации

• Асинхронные триггеры — переключаются непосредственно в момент поступления управляющего сигнала на вход. Не имеют тактового входа. Пример: RS-триггер на элементах И-НЕ.
• Синхронные триггеры — переключаются только при наличии разрешающего сигнала на тактовом входе (C). Тактовый сигнал синхронизирует работу триггера с другими устройствами системы. Пример: D-триггер, JK-триггер.

¶По типу логических элементов

• На элементах И-НЕ — реализуются на логических элементах «И-НЕ» (NAND). Входы активны низким уровнем (логический 0).
• На элементах ИЛИ-НЕ — реализуются на логических элементах «ИЛИ-НЕ» (NOR). Входы активны высоким уровнем (логическая 1).

¶По количеству входов и функциональности

• RS-триггер — имеет два входа: S (Set — установка в 1) и R (Reset — сброс в 0). Простейший тип триггера. Комбинация S=1, R=1 является запрещённой (неопределённое состояние).
• D-триггер — имеет один информационный вход D (Data) и тактовый вход C. Состояние на выходе Q повторяет состояние на входе D в момент прихода тактового импульса. Используется как элемент задержки и хранения данных.
• JK-триггер — универсальный триггер с входами J и K. При J=1, K=0 — устанавливается в 1; при J=0, K=1 — сбрасывается в 0; при J=1, K=1 — переключается в противоположное состояние (режим счёта); при J=0, K=0 — хранит состояние. Лишён запрещённых комбинаций, свойственных RS-триггеру.
• T-триггер (счётный триггер) — имеет один вход T. Каждый импульс на входе T переключает триггер в противоположное состояние. Используется в счётчиках и делителях частоты.

¶По реакции на фронт тактового сигнала

• Триггеры, управляемые уровнем — переключаются в течение всего времени, пока тактовый сигнал активен. Могут быть чувствительны к помехам.
• Триггеры, управляемые фронтом — переключаются только в момент перехода тактового сигнала из 0 в 1 (положительный фронт) или из 1 в 0 (отрицательный фронт). Более помехоустойчивы.

¶Устройство и принцип работы

Основой любого триггера является кольцо из двух инверторов (логических элементов с отрицанием), образующих бистабильную ячейку. В простейшем случае — это два транзистора, соединённых перекрёстными обратными связями. Выход каждого элемента соединён со входом другого. Такая схема может находиться в одном из двух устойчивых состояний: на выходе Q — логическая 1, на выходе /Q (инверсный выход) — логический 0, или наоборот.

¶RS-триггер на элементах И-НЕ

Схема состоит из двух логических элементов И-НЕ. Входы S и R активны низким уровнем (логический 0). При подаче 0 на вход S (S=0, R=1) триггер устанавливается в состояние Q=1. При подаче 0 на вход R (S=1, R=0) — сбрасывается в Q=0. При S=1, R=1 — состояние хранится. Комбинация S=0, R=0 является запрещённой, так как оба выхода становятся равными 1, что нарушает логику работы.

¶JK-триггер

JK-триггер обычно реализуется на основе синхронного RS-триггера с дополнительными логическими элементами, исключающими запрещённую комбинацию. Он имеет два информационных входа (J и K) и тактовый вход C. В зависимости от комбинации сигналов на J и K, триггер может устанавливаться, сбрасываться, переключаться или хранить состояние. Благодаря отсутствию запрещённых состояний JK-триггер широко используется в цифровых схемах.

¶Применение

Триггерные схемы являются фундаментальными элементами цифровой электроники и находят применение в самых разных устройствах:

• Регистры — группы триггеров, используемые для хранения многоразрядных двоичных чисел. Например, регистры сдвига, регистры общего назначения в микропроцессорах.
• Счётчики — последовательно соединённые T-триггеры, подсчитывающие количество импульсов на входе. Применяются в таймерах, делителях частоты, цифровых измерительных приборах.
• Оперативные запоминающие устройства (ОЗУ) — ячейки памяти статического типа (SRAM) строятся на основе триггеров. Каждая ячейка хранит один бит.
• Триггеры Шмитта — разновидность триггера с гистерезисом, используемая для формирования прямоугольных импульсов из сигналов произвольной формы, а также для подавления дребезга контактов.
• Цифровые автоматы — конечные автоматы, реализующие алгоритмы управления, строятся на триггерах и комбинационной логике.
• Микропроцессоры и микроконтроллеры — триггеры используются в составе регистров состояния, счётчиков команд, блоков управления.

¶Интересные факты

• Название «триггер» происходит от английского trigger — спусковой крючок, что отражает способность устройства «срабатывать» при подаче сигнала.
• Первый триггер на транзисторах был создан в 1954 году в США. Он содержал два транзистора и несколько резисторов.
• В современных микросхемах один триггер может занимать площадь менее 1 квадратного микрометра.
• Триггеры лежат в основе всех современных цифровых компьютеров. Без них невозможно было бы хранить и обрабатывать информацию.

¶Критика и ограничения

Несмотря на широкое распространение, триггерные схемы имеют ряд ограничений. Асинхронные триггеры чувствительны к помехам и дребезгу контактов, что может приводить к ложным переключениям. Синхронные триггеры требуют точного соблюдения временных соотношений между тактовым и информационными сигналами (времена установки и удержания). При проектировании сложных цифровых схем необходимо учитывать задержки распространения сигналов через триггеры, что может ограничивать максимальную тактовую частоту. Кроме того, триггеры потребляют энергию даже в статическом состоянии (ток утечки), что является проблемой для энергоэффективных устройств.

¶Источники

• У. Г. Икклз, Ф. У. Джордан. «A Trigger Relay Utilizing Three-Electrode Thermionic Vacuum Tubes». The Electrician, 1919.
• Хоровиц П., Хилл У. «Искусство схемотехники». — М.: Мир, 2003.
• Титце У., Шенк К. «Полупроводниковая схемотехника». — М.: ДМК Пресс, 2008.
• ГОСТ 2.743-91. «Обозначения условные графические в схемах. Элементы цифровой техники».
• Рабаи Дж. М., Чандракасан А., Николич Б. «Цифровые интегральные схемы. Методология проектирования». — М.: Вильямс, 2007.