Функциональная и принципиальная схемы асинхронного «RS» триггера

Тверской государственный технический университет

В.И. Миронов

Принципы построения и в функционирования асинхронных «RS»-триггеров.

Учебно-методические указания по дисциплине «Электроника», направление подготовки бакалавров «информационные системы и технологии».

Издание 1-е

Тверь 2011

УДК 681.325 (075.8)

ББК 32.97-04я7

Миронов, В.И. Принципы построения и функционирования асинхронных «RS» триггеров. Учебно-методические указания по дисциплине «Электроника», направление подготовки бакалавров «информационные системы и технологии». / В.И. Миронов. Изд. 1-е. Тверь: ТГТУ, 2011. 11 с.

В учебно-методических указаниях рассмотрены вопросы функционирования простейшего асинхронного «RS» триггера, являющегося основным электронным элементом любой современной ЭВМ, на базе его принципиальной и функциональной схем, построены и обоснованы временные диаграммы его работы. Указания предназначены для более глубокого изучения и понимания дисциплин «Аппаратные средства вычислительных комплексов», «Электроника», «Архитектура ЭВМ и систем», «Организация ЭВМ и систем» и других дисциплин, связанных с эксплуатацией и использованием ЭВМ.

Рецензент: Григорьев В.А. - д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Электронно-вычислительных машин» Тверского государственного технического университета.

ISBN Тверской государственный

технический университет, 2011

Предисловие

История развития вычислительной техники занимает сравнительно небольшой интервал времени в развитии современного общества. За эти годы прошло, сменяя одно другим, четыре поколения электронно–вычислительных машин. Триггер, являющийся во всех поколениях основным и самым массовым элементом ЭВМ любого поколения, за эти годы претерпел колоссальные изменения. В 1940-1950 годах он представлял трехмерную громоздкую электронную схему, собранную из дискретных радиодеталей: резисторов, конденсаторов, электронных ламп,- общим весом, примерно, 400 граммов. Первые триггеры в качестве активных элементов использовали даже не электронные лампы, а реле. За прошедшие годы триггер конструктивно претерпел очень сильные изменения, сократившись в размерах в миллионы и миллиарды раз. В современных ЭВМ триггер – это несколько молекул полупроводникового материала с объемом и весом в 10⁶-10¹⁰ раз меньшим триггера ЭВМ 1- ого поколения. В результате, появилась реальная возможность в одних и тех же физических объемах размещать значительно большее количество триггеров, тем самым значительно увеличивать количество двоичной информации, одновременно зафиксированной и представленной в узлах, блоках и устройствах ЭВМ.

Сокращение размеров триггера сделало возможным создание переносных, а далее и карманных компьютеров, имеющих, более лучшие характеристики по быстродействию и объемам хранимой информации, чем у многотонных вычислительных машин 3-его поколения серии ЕС ЭВМ. Такая эволюция основного элемента ЭВМ - триггера потребовала огромных материальных затрат и многолетней напряженной работы многомиллионной армии научных сотрудников целого ряда стран, в том числе СССР и России. Та вычислительная техника, над созданием которой трудились ученые и о которой писали, как о чем-то фантастическом и почти несбыточном 30-40 лет назад, теперь доступна абсолютному большинству населения и свободно продается в магазинах.

Настоящие учебно-методические указания посвящены изучению физических процессов, протекающих в классическом «RS» триггере, начиная с момента подключения питания и подачи значений сигналов на входы «R» и «S». Рассмотрение режимов работы триггера с использованием принципиальных и функциональных схем, в современной методической литературе практически не встречается в силу целого ряда объективных и субъективных факторов, что, конечно, не совсем правильно. Целью данных указаний является устранение этого пробела в совокупном наборе знаний студентов, обучающимся по направлениям «прикладная информатика», «информационные системы и технологии», и оказание помощи в более глубоком изучения и понимании дисциплин «Аппаратные средства вычислительных комплексов», «Электроника», «Организация ЭВМ и систем» и других, связанных с эксплуатацией и использованием ЭВМ.

Функциональная и принципиальная схемы асинхронного «RS» триггера.

Простейший асинхронный RS-триггер на элементах «ИЛИ-НЕ» изображен на рис.1.1. Триггер реализован в виде электронной схемы, объединяющей два электронных ключа, включенных навстречу друг другу (рис. 1.1в).

.

Q R Q

S Q S Q

а) б)

+E_k

R_k1 R_k2

C₁ C₂

Q Q

T₁ T₂

D₁ D₂

R S

в)

Рис. 1.1. Асинхронный RS-триггер на элементах «ИЛИ-НЕ»:

а – функциональная схема; б – условное графическое изображение;

в – принципиальная схема на транзисторах n-p-n

Работа данного триггера, как и любого другого, представляется при помощи таблицы переходов (табл. 1.1).

Таблица. 1.1

Таблица переходов асинхронного RS-триггера на элементах «ИЛИ-НЕ»

Электронные триггеры предназначены не только для хранения информации, они являются также управляемыми элементами. При помощи определенных комбинаций входных сигналов можно управлять состояниями RS-триггера, переводя его либо в состояние «0», либо в состояние «1». При комбинации входных сигналов R=S=0 триггер будет хранить информацию, комбинация R=S=1 является запрещенной (табл. 1.1). В качестве активных элементов в принципиальной схеме триггера используются два транзистора Т₁ и Т₂ «n-p-n» типа (рис. 1.1в).

В свою очередь, транзисторы также могут находиться только в одном из двух устойчивых состояний:

-состояние «отсечки» – сопротивление «коллекторно-эмиттерного» перехода стремится к бесконечности, прямой ток в цепи «коллектор–эмиттер» отсутствует, имеет место возникновение обратного тока I_обр, по значению близкого к нулю, через закрытый «коллекторно-эмиттерный» переход. Эквивалентной схемой транзистора в таком состоянии является разомкнутый ключ.

-состояние «насыщения», при котором сопротивление «коллекторно-эмиттерного» перехода стремится к нулю и коллекторный ток I_к будет иметь максимальное значение. Эквивалентной схемой транзистора для такого состояния является замкнутый ключ.

Управление состояниями или режимами работы транзистора осуществляется при помощи значения разности потенциалов уровней напряжения, подаваемых на базу и эмиттер. Если значение разности потенциалов U_б – U_э ≥ 0, то транзистор находится в состоянии «насыщения», если U_б – U_э ≤ 0, транзистор находится в состоянии «отсечка».

Поскольку триггер является электронным элементом, рабочее состояние связано с подключением электрического питания. Причем в момент подключения питания триггер вероятностью 50% может принять одно из двух устойчивых состояний: «0» или «1» (строки 2 и 3 табл. 1.1). На условном графическом изображении триггера (рис. 1.1.б) изображены два входа и два выхода. Причем выходы обозначены буквами Q и Q, выход Q на схемах изображается с кружочком. Такое изображение выходов обусловлено тем, что значения электрических сигналов на выходах Q и Q, находятся в противофазе: если на выходе Q присутствует напряжение +5 В, соответствующее значению «1», то в то же самое время на выходе Q будет напряжение +0,2 В, соответствующее значению «0», и наоборот, если на выходе Q будет напряжение +0,2 В, соответствующее значению «0», то на выходе Q будет напряжение +5 В, соответствующее значению «1». В целом о состоянии триггера принято судить по значению сигнала на его прямом выходе Q: наличие высокого потенциала соответствует состоянию «1», низкого – «0». Триггер является типичным элементом хранения информации. При отсутствии входных сигналов R=S=0 триггер может сохранять состояние «1» или «0» столько времени, сколько будет поддерживаться напряжение на шинах питания.

Если провести осевую линию через центр схемы асинхронного RS-триггера (рис. 1.1в) и посмотреть на элементы, которые находятся справа и слева осевой линии, то можно сказать, что состав и сами элементы абсолютно идентичны. При изготовлении триггеров стремятся также добиться полного совпадения электрических параметров транзисторов, сопротивлений, конденсаторов и диодов, которые находятся по разным сторонам от осевой линии. Однако в силу технологических особенностей добиться полной идентичности всех электрических параметров не удается. Поэтому, несмотря на то, что данный асинхронный RS-триггер носит название «симметричного», 100%-ного совпадения всех электрических параметров ни в одном триггере не существует. В момент подключения питания какой-то из транзисторов Т₁ и Т₂ всегда чуть больше открыт. Предположим, что это транзистор Т₁, тогда потенциал на коллекторе транзистора Т₁ будет ниже потенциала на коллекторе транзистора Т₂. Эта изначальная разность потенциалов обеспечит более высокий потенциал на базе транзистора Т₁, и он начнет открываться быстрее, чем транзистор Т₂. В свою очередь, уменьшение потенциала на коллекторе транзистора Т₁ через конденсатор С₁ будет подаваться на базу второго транзистора Т₂, который начнет постепенно закрываться, в результате чего на коллекторе транзистора Т₂ (выход Q) будет формироваться положительный нарастающий потенциал. Этот нарастающий потенциал по обратной связи через конденсатор С₂ будет поступать на базу транзистора Т₁, который еще сильнее будет открываться. В результате таких взаимодополняющихся, лавинообразных процессов и имеющихся обратных связей транзистор Т₁ окончательно откроется и на его выходе будет низкое значении напряжения +0,2 В, соответствующее значению «0», а транзистор Т₂ окончательно закроется и на его выходе будет высокое значение напряжения +5 В, соответствующее значению «1». Итоговое состояние триггера после подключения питания – «0», в этом состоянии он будет находиться до тех пор, пока не будет подана комбинация сигналов R и S, которая может перевести триггер в состояние «1». Если предположить, что в момент подключения питания транзистор Т₂ чуть более открыт, чем транзистор Т₁, тогда в результате все тех же лавинообразных процессов транзистор Т₂ в конечном итоге полностью откроется и на его коллекторе установится напряжение +0.2 В, а транзистор Т₁ закроется и на его коллекторе сформируется высокий уровень напряжения +5 В, что в целом будет соответствовать установке триггера в состояние «1».

Поиск по сайту: