Логические микросхемы. Часть 7. Триггеры: RS‑триггер взорвал мир памяти

Электронные устройства с двумя устойчивыми состояниями на выходе называют триггерами. В один из устойчивых состояний триггер переходит под воздействием входных импульсов.

Подобная формулировка встречается во всей технической литературе. Для новичка она может оказаться не совсем ясной. Что же это за два состояния и почему их называют устойчивыми?

Нагляднее всего это объяснить через простой бытовой пример. Аналогом служит обычная лампочка с выключателем: горит или не горит. Для триггера эти состояния соответствуют высоким и низким уровням сигнала. Иногда говорят: включён – выключен, установлен – сброшен.

Чтобы зажечь или погасить лампочку, достаточно коснуться выключателя. Однако лампочка может светиться долгое время без постоянного удержания выключателя. Это и есть устойчивость: перейти из одного устойчивого состояния в другое можно воздействием входного сигнала; каждое из состояний сохраняется сколь угодно долго до следующего внешнего воздействия.

Другим примечательным примером служит магнитный пускатель с двумя кнопками: нажали черную – мотор включился, нажали красную – выключился. Повторное нажатие кнопки «Пуск» не ускоряет вращение двигателя, если он уже запущен. Аналогично кнопке «Стоп» при остановке двигатель просто подтверждает состояние.

Из этих примеров очевиден импульсный характер входного сигнала и наличие двух устойчивых состояний, между которыми триггер переходит под действием входного импульса. Наиболее близким к рассмотренному является RS‑триггер.

RS‑триггер
Из всех видов триггеров RS‑триггер — самый простой как по принципу действия, так и по схеме. Ранее, при реализации на дискретных элементах (транзисторы, резисторы, конденсаторы, диоды), говорили, что триггер — это двухкаскадный усилитель, охваченный положительной обратной связью. Этот вариант здесь не рассматривается.

Достаточно простым получается триггер на логических элементах типа 2И–НЕ, например микросхемы К155ЛА3. Схема подобного триггера приведена на рисунке 1.

[Изображение RS‑триггера на элементах 2И–НЕ]

Рисунок 1. RS‑триггер на элементах 2И–НЕ.

Триггер формируется за счёт перекрёстных обратных связей выхода на вход между двумя логическими элементами. У него два выхода и два независимых входа. Один вход (верхний по схеме) называют S от английского Set — установить; другой вход — R от английского Reset — сбросить. Часто эти входы называют просто включить и выключить.

Помимо двух входов RS‑триггер имеет два выхода. Обычно выходы обозначаются буквой Q. Один выход прямой, другой — инверсный. Обозначение Q может дополняться как прямой выход, а /Q или −Q — инверсный. В нашей схеме прямой выход соответствует 3-му выводу DD1.1, инверсный — 6-му выводу DD1.2.

В качестве входных сигналов применяются кнопки; нажатием триггер переходит в соответствующее состояние. В реальных схемах сигналы могут подаваться с выходов микросхем. Для учебных опытах кнопки можно заменить отрезком проводника.

Следует отметить, что в данной схеме сигналы условны: входные сигналы не привязаны к конкретным ножкам микросхемы, как указано на схеме. В частности R и S можно поменять мимо, что повлияет на расположение прямого и инверсного выходов — здесь многое зависит от решения разработчика конкретной схемы.

Для индикации состояния триггера используются два светодиода: один горит, когда выход прямой выход имеет высокий уровень; другой светодиод будет погашен. Светодиоды можно не устанавливать; состояние выходов можно контролировать мультиметром, хотя это менее наглядно.

После сборки схемы на макетной плате следует проверить монтаж, затем включить питание. При включении загорается один из светодиодов. Точный индикатор заранее предсказать нельзя, поскольку влияние оказывают нестабильные переходные процессы и расхождение параметров элементов.

Предположим, что засветился светодиод HL1, что означает высокий уровень на прямом выходе триггера. Таким образом, триггер считается установленным. Инверсный выход /Q будет соответствующим образом низким.

Все рассуждения о состоянии триггера ведутся относительно состояния прямого выхода: если на прямом выходе высокий уровень — триггер установлен (включён, в единичном состоянии); если на прямом выходе низкий — триггер сброшен (выключен, в нулевом состоянии). Инверсный выход всегда противоположен прямому.

Итак, при включении питания зажигается HL1, что свидетельствует о высоком уровне на прямом выходе. HL2 гаснет — триггер находится в единичном состоянии.

Если в этом состоянии нажать SB1, изменения не произойдет — HL1 продолжит светиться, HL2 останется погашенным. Нажатие SB1 просто подтверждает единичное состояние триггера.

Вывести триггер из этого состояния можно только нажатием SB2: HL1 погаснет, HL2 зажжется. Повторное нажатие SB2 или длительное удержание не изменят состояние. В этом состоянии схему можно держать неограниченно долго, пока не нажмут SB1 или не отключат питание.

А что произойдёт, если нажать обе кнопки сразу? Ничего критичного — состояние триггера становится неопределённым, потому что на обоих выходах присутствует логическая единица. По принципу работы такое состояние считается запрещённым.

Если на обоих входах присутствует уровень логической единицы, состояние триггера не изменяется. Этот режим называется режимом хранения информации. Поэтому RS‑триггер часто применяется в запоминающих устройствах, например в статических ОЗУ разных типов.

Весь этот рассказ изложен в таблице истинности RS‑триггера, показанной на рисунке 1б. Подобный вариант RS‑триггера называется асинхронным, поскольку он не требует дополнительных сигналов разрешения или запрета работы входов S и R.

RS‑триггер часто применяется для подавления дребезга механических контактов и подсчёта импульсов в электронном счётчике. Такие счётчики, как правило, реализуются на триггерах типа D или JK, о которых будет рассказано в следующей части статьи.

Борис Аладышкин

Продолжение статьи: Логические микросхемы. Часть 8. D‑триггер

Популярные публикации:
— Логические микросхемы. Часть 6
— Как защититься от колебаний сетевого напряжения
— Контроллер светодиодных гирлянд своими руками