Для вопросов 11 и 12 по ЭУ, часть 1

Триггер - это устройство, обладающее двумя состояниями устойчивого равновесия. Триггер еще можно назвать устройством с обратными связями. На рисунке изображена схема триггера на логических элементах ИЛИ-НЕ.

 

Рис. 1 Схема простейшего RS-триггера

Такая схема называется асинхронным RS-триггером. Первый (сверху) выход называется прямым, второй - инверсным. Если на оба входа (R и S) подать лог. нули, то состояние выходов определить невозможно. Триггер установится как ему заблагорассудится, т. е. в произвольное состояние. Допустим, на выходе Q присутствует лог. 1, тогда на выходе не Q (Q с инверсией) обязательно будет лог. 0. И наоборот. Чтобы установить триггер в нулевое состояние (когда на прямом выходе лог. 0, на инверсном - лог. 1) достаточно на вход R подать напряжение высокого уровня (про уровни напряжений здесь). Если высокий уровень подать на вход S, то это переведет его в состояние 1, или как говорят, в единичное состояние (на прямом выходе лог. 1, на инверсном - лог. 0). И в том, и в другом случаях напряжение соответствующего уровня может быть очень коротким импульсом - на грани физического быстродействия микросхемы. То есть, триггер обладает двумя устоячивыми состояниями, причем эти состояния зависят от ранее воздействующих сигналов, что позволяет сделать следующий вывод - триггер является простейшим элементом памяти. Буквы R и S по-буржуйски set - установка, reset - сброс (предустановка). На рис. 2 RS-триггер показан в "микросхемном исполнении".

 

Рис. 2 RS-триггер в интегральном исполнении

RS-триггер можно соорудить и на элементах И-НЕ, как показано на рисунке 3. Такая конструкция встречается довольно часто.

 

Рис. 3 RS-триггер на логических элементах И-НЕ

Принцип работы такой же, как у триггера на элементах ИЛИ-НЕ, за исключением инверсии управляющих сигналов, т. е. установка и сброс триггера производится не лог. 1, а лог. 0. Другими словами, входы такого триггера инверсные. В описанных триггерах изменение состояния происходит сразу после изменения состояния на входах R и S. Поэтому такие триггеры называются асинхронными.

Если схему асинхронного триггера немного дополнить, то получим вот такое:

 

Рис. 4 Синхронный RS-триггер на логических элементах И-НЕ

В таком триггере вводится дополнительный вход С, называемый тактовым или синхронизирующим. Изменение состояний триггера происходит при подаче сигналов лог. 1 на входы R и S и последующим воздействием на вход С тактового (синхронизирующего) импульса. Если на тактовый вход импульс не воздействует, то состояние триггера не изменится. Другими словами, изменение состояния триггера происходит под действием синхроимпульса, поэтому такие триггеры называются синхронными.

D-триггер

D-триггер отличается от синхронного RS-триггера тем, что у него только один информационный вход D. D-триггер показан на рисунке 5.

 

Рис. 5 D-триггер на логических элементах И-НЕ

Если на вход D подать логическую единицу, затем на вход С подать импульс, то на выходе Q (прямой выход) установится лог. 1. Если на вход D подать лог. 0, на С импульс, то на Q установится лог. 0. Т. е. D-триггер осуществляет задержку информации, поступающей на вход D. При чем эта информация хранится в D-триггере, пока не придет следующий бит (0 или 1) информации. По сути это ячейка памяти.

Если вход D замкнуть с инверсным выходом, то останется только один вход С. При подаче на вход С импульса триггер переключится, т. е. если на выходе был лог. 0, то станет лог. 1. При следующем импульсе триггер снова переключится, т. е. лог. 1 сменится лог. 0. Таким образом, триггер осуществляет деление частоты входных импульсов на 2 (ведь уровень сигнала на выходе меняется в два раза реже). В таком режиме D-триггер называют счетным или Т-триггером. Этот режим (режим деления частоты) используется довольно широко.

Нетрудно заметить, что для RS-триггера (рис. 1) существует запрещенная комбинация, когда на оба входа поданы лог. 1, на его выходах также устанавливаются лог. 1 и триггер перестает выполнять свои функции (зависает). Поэтому придумали так называемый JK-триггер. У него три входа - J, K, C. Вход J вместо R, вход К вместо S, С так и остается - синхронизацией. Если на вход J подана лог. 1, на К - лог. 0 или наоборот, то он работает как синхронный RS-триггер, если на оба входа J и К поданы лог. 1, то он работает как счетный Т-триггер.

Триггер Шмидта

Триггер Шмидта - это специфический вид триггера, имеющего один вход и один выход. Такой триггер Еще называют нессиметричным. В триггере Шмидта переход из одного устойчивого состояния в другое осуществляется при определенных уровнях входного напряжения, называемых пороговыми уровнями. Триггер Шмидта изображен ниже.

 

Рис. 6 Триггер Шмидта и графики, поясняющие принцип его работы

Если на вход триггера Шмидта подавать нарастающее напряжение (нижний график), то при некотором уровне U_п1 в момент t₁ напряжение на выходе скачком переходит из состояния 0 в состояние 1. Если уменьшать напряжение на входе до некоторого напряжения U_п2 в момент t₂ напряжение на выходе скачком переходит из состояния 1 в состояние 0. Явление несовпадения уровней U_п1 и U_п2 называется гистерезисом. Соответственно, передаточная характеристика триггера Шмидта обладает гистерезисным характером. Триггер Шмидта, в отличие от других триггеров, не обладает памятью и используется для формирования прямоугольных импульсов из напряжения произвольной формы.

Триггеры используются довольно широко как самостоятельные устройства, так и в качестве основы для более сложных устройств - счетчиков, регистров, запоминающих устройств. В финале поглядим на типичную схемку использования RS-триггера:

 

Рис. 7 Генератор одиночного импульса

В исходном состоянии на выходе Q микросхемы DD1 высокий уровень напряжения (триггер установлен в единичное состояние). При нажатии на кнопусик SB1 триггер обнуляется. При отпускании кнопусика триггер переходит в прежнее состояние (на выходе Q лог. 1). Суть работы заключается в устранении дребезга контактов кнопусика SB1. Следует помнить, что RS-триггеры в ТТЛ-микросхемах (серии 133, 155, 1533, 531 и пр.) управляются лог. 0, в КМОП-микросхемах (серии 176, 561, 564, 1564 и пр.) - лог. 1.

2) ГЛИН

Генераторы линейно изменяющегося (пилообразного) напряжения (ГЛИН) применяют для развертки электронного луча в электроннолучевых трубках телевизионных, осциллографических и радиолокационных устройств, а также в схемах сравнения для задержки импульсов во временя и т. п.

ГЛИН могут работать в режиме самовозбуждения и в ждущем режиме, когда период повторения пилообразного напряжения определяется запускающими импульсами. Режим самовозбуждения применяют, например, для получения непрерывной развертки в осциллографах, а ждущий режим - для получения ждущей развертки.

Напряжением пилообразной формы называется напряжение, которое в течение определенного времени нарастает или убывает пропорционально времени (линейно), а затем быстро возвращается к исходному уровню. Пилообразное напряжение может быть линейно нарастающим (рис. 1) или линейно падающим (рис. 2).

 

Рис. 1 - Линейно изменяющееся нарастающее напряжение

 

Рис. 2 - Линейно изменяющееся падающее напряжение

Пилообразное напряжение характеризуется длительностью прямого или рабочего хода t_р.х.в течении которого напряжение изменяется линейно; длительностью обратного хода t_о.х., в течении которого напряжение обычно изменяется по экспоненте, и амплитудой U_max.

Принцип получения пилообразного напряжения заключается в медленном заряде (или разряде) кондера через большое сопротивление во время прямого хода и в быстром его разряде (или заряде) через малое сопротивление во время обратного хода. В упрощенном виде это показано на рисунке 3.

 

Рис. 3 - Принцип получения пилообразного напряжения

Кондер С заряжается при разомкнутом ключе К через резик R_з, а разряжается при замкнутом ключе К через резик R_р.

Такая схема не позволяет получить напряжения высокой линейности, поскольку повышение напряжения на кондере уменьшает зарядный ток. Для получения линейного напряжения кондер необходимо заряжать постоянным во все время заряда током. Поэтому смотрим на схемку:

 

Рис. 4 - Генератор пилообразного напряжения на транзисторах

Электронный ключ собран на транзисторе VT1 и управляется импульсами положительной полярности, транзистор VT2 - эмиттерный повторитель - является следящей связью. В исходном состоянии, когда на входе отсутствует прямоугольный импульс (рис. 5), транзистор VT1 закрыт и кондер С3 заряжается. Ток заряда все время остается постоянным, т. к. напряжение на верхнем выводе R2 следит за напряжением на кондере С3 на его нижнем выводе. Диод VD1 закроется и в течение всего времени дальнейшего формирования линейного нарастания напряжения будет закрыт. Формируется рабочий ход пилообразного напряжения.

 

Рис. 5 - Формирование прямого и обратного хода

При воздействии входного импульса транзистор VT1 открывается и кондер С3 быстро через него разряжается. Формируется обратный ход пилообразного напряжения. В это время кондер С2 подзаряжается до своего первоначального значения.

Различают синусоидальные (гармонические) и релаксационные (разрывные) колебания. В предыдущих главах были рассмотрены как раз генераторы гармонических колебаний, где используются колебательные контуры и различные фазовращающие цепи. Для получения релаксационных колебаний, которые могут быть почти прямоугольной формы, используется несколько иной принцип. Колебания возникают вследствие "освобождения" запаса энергии клапаном (ключом), отдающим энергию импульсами. Обычно в качестве клапанов или ключей применяют транзисторы, работающие в ключевом режиме, или приборы с отрицательным сопротивлением. Когда ключ закрыт, происходит накопление энергии, когда открыт - отдача энергии. При этом частота колебаний определяется параметрами схемы, режимом работы транзистора и напряжением источника питания. Колебания подобных генераторов легко и просто синхронизируются внешними импульсами различной формы.

Основное различие генераторов состоит в том, что в генераторах синусоидальных колебаний за период расходуется малая мощность, а в релаксационном генераторе - вся мощность, запасенная в реактивном элементе. Этим и объясняется разница в форме колебаний. Знакомство с релаксаторами начнем с мультивибраторов (не путать с вибратором).

Мультивибраторы

Мультивибратор представляет собой релаксационный генератор колебаний почти прямоугольной формы. Он является двухкаскадным усилителем на резисторах с положительной обратной связью, в котором выход каждого каскада соединен со входом другого. Само название "мультивибратор" происходит от двух слов: "мульти" - много и "вибратор" - источник колебаний, поскольку колебания мультивибратора содержат большое число гармоник. Мультивибратор может работать в автоколебательном режиме, режиме синхронизации и ждущем режиме. В автоколебательном режиме мультивибратор работает как генератор с самовозбуждением, в режиме синхронизации на мультивибратор действует извне синхронизирующее напряжение, частота которого определяет частоту импульсов, ну а в ждущем режиме мультивибратор работает как генератор с внешним возбуждением.