Триггеры на транзисторах (Шмитта) и реле (на логических элементах)

История

Функциональный триггер можно сделать из обычного реле с электромеханическим приводом. Правильно установив контакты схемы управления, обеспечивают включение токовой группы после определенного сочетания входных сигналов. Сброс осуществляется отдельным ключом.

Электронные аналоги собирались в начале прошлого века из ламповых блоков. Нынешние схемы были впервые опубликованы русскими и британскими исследователями в 1918-20 гг. Позже стали использовать полупроводниковые транзисторы. Сегодня соответствующие устройства изготавливаются с использованием микроэлектронных технологий.

Определения

Учитывая чрезмерное разнообразие, следует уточнить используемую терминологию. Следующий список содержит правильные ответы на вопрос, что такое триггер):

• устройство записи (хранения) данных, поддерживающее два состояния равновесия;
• базовая ячейка памяти;
• соединительный элемент с несколькими положениями устойчивости;
• логический компонент, способный переходить в состояние «1» или «0» с прямым и инверсным (инверсным) выходом.

Устройство триггера

Триггер по схеме очень похож на простейшее электронное устройство — мультивибратор. Но в отличие от него, у него есть две стабильные позиции. Эти состояния задаются изменениями входного сигнала, когда он достигает определенного значения.

Переход из одной позиции в другую называется переводом. В результате на выходе логического элемента возникает скачок напряжения, форма которого зависит от скорости процессов, протекающих в радиоустройствах.

Наиболее часто используемый триггер, работает на транзисторах. Это связано со способностью последнего функционировать в ключевом режиме. Биполярный транзистор представляет собой полупроводниковый прибор с тремя выводами. Эти электроды называются:

• эмиттер;
• база;
• собирает.

В грубом приближении транзистор — это два диода, соединенных электрическим соединением. Он состоит из двух p-n переходов. Биполярный элемент получил свое название из-за того, что в нем используются одновременно два типа носителей заряда.

В триггерных схемах транзистор работает в ключевом режиме, суть которого заключается в управлении током коллектора путем изменения значения на базе. При этом ток коллектора превышает по своей величине ток базы.

При таком включении важны только токи, а напряжения особой роли не играют. Поэтому при возникновении определенного тока на базе транзистор открывается и посылает через себя сигнал. Сигнал на коллекторе полупроводникового прибора будет противоположным входному знаку, то есть инвертированным. Так когда на выходе базы есть разность потенциалов, на выходе коллектора она будет равна нулю, и наоборот.

Эта способность транзисторов используется в триггерах, схема которых построена на двух ключах с перекрестной обратной связью. При использовании транзисторных ключей с одинаковой обвязкой триггер считается симметричным, в другом случае несимметричным.

Принцип работы

Классический триггер Шмитта имеет один вход и один выход. И как положено триггеру, есть два состояния: на выходе 0 (низкий потенциал) или 1 (высокий потенциал).

На вход может поступать аналоговый сигнал сложной формы. При достижении определенного порога на входе триггер переходит из одного состояния в другое.

Но главной особенностью является наличие гистерезиса, то есть порог переключения зависит от текущего состояния самого триггера.

Допустим, изначально наш триггер находится в состоянии 0, и мы начинаем плавно увеличивать напряжение на входе. При достижении порога U1 триггер переключится в состояние 1. И теперь, чтобы вернуть его в состояние 0, уже недостаточно снизить входное напряжение ниже U1, переключение произойдет только при значительно меньшем напряжении U0. Для большей ясности взгляните на эти графики:

Постройте входные и выходные сигналы триггера Шмитта

Ну а если построить график зависимости выходного сигнала от входного, то получится вот такая аккуратная петля гистерезиса ⎎. Если вы видите такое обозначение на схеме, скорее всего, где-то прячется триггер Шмитта.

Место триггеров в цифровой схемотехнике

В отличие от комбинационных логических схем, которые изменяют состояние на основе фактических сигналов, подаваемых на их входы в определенный момент времени, последовательные логические схемы имеют встроенную в них форму встроенной «памяти», позволяющую им учитывать как предыдущее, так и фактическое состояние своих входов и выходов. Общая блок-схема последовательного устройства показана ниже.

Триггер РС как цифровой регулятор включает собственно память и схему комбинационного управления на основе типовых логических элементов, реализующих алгоритм логического ввода. Если рассматривать эту схему применительно к простейшим триггерным схемам, то они не имеют конструктивно выделенной памяти в виде какой-то специализированной микросхемы или схемного узла.

Память триггера существует на функциональном уровне, как бы встроенная в алгоритм работы его схемы комбинационного управления.

Проявлением этой «памяти» является так называемая бистабильность триггера, выходы которого могут находиться в одном из двух основных состояний: логической единице (далее — 1) или логическом нуле (далее — 0). Триггер запоминает установленные значения выходов («запирает» их) и сохраняет до следующего изменения входных сигналов.

Классификация

Изделия данной категории делятся на две основные группы по принципу управляющих сигналов. В первом генерируется заданная последовательность выходных сигналов, если установлено состояние «1». После перехода в «0» генерация прекращается. Другой способен соответствующим образом переключать выходное напряжение. Как правило, «1» примерно соответствует уровню питания.

Триггеры также характеризуются следующими параметрами:

• синхронизация рабочих циклов;
• статические (динамические) методы контроля;
• сложность логических схем;
• один-два шага.

Триггеры на логических элементах и на операционном усилителе

Для реализации статических триггеров хорошо подходит схема двухкаскадного усилителя. Связь между ними организуется напрямую или с помощью ограничительных резисторов в соответствующих цепях.

Триггер (Trigger) Шмитта

Продукты в этой категории могут быть изготовлены с использованием различных баз данных. В этом разделе обсуждается триггер Шмитта на транзисторах. Он управляется изменением аналогового сигнала. В зависимости от уровня напряжения состояние памяти переключается в соответствующее положение «0» или «1».

Триггер что это такое

Общие принципы работы элементов памяти представлены выше. Триггер — это устройство, способное поддерживать 2 и более устойчивых состояния, изменяющихся под воздействием входных сигналов. Фактически речь идет о способе хранения минимального количества информации — 1 бит.

Любой спусковой автомат состоит из двух основных блоков. Первый предназначен для сравнения или другого вида обработки входных сигналов. Другой обеспечивает хранение данных и отображение состояния соответствующих выходных сигналов:

• «1» — высокий уровень, прямой, Q;
• «0» — низкое напряжение, реверс (преобразователь), /Q.

Как правило, обратная связь организуется между функциональными блоками. Входные сигналы также делятся на группы:

• информативные — Р, Т, С;
• менеджеры — В, С.

К вашему сведению. Рабочие циклы описываются в табличной форме, которая наглядно показывает состояние памяти при различных сочетаниях входных сигналов.

Читайте также: Стабилизаторы переменного напряжения

Типы триггеров

В следующих разделах представлены принципы работы стандартных устройств. Они могут работать независимо или в различных комбинациях. Комбинации триггеров в электронике используются для построения сложных логических схем.

Что такое trigger RS типа

Эти элементы разделены на группы по способам управления. Для простоты далее пояснения сделаны с использованием логических компонентов. При необходимости можно собрать аналогичный триггер на реле или транзисторах.

RS-триггер асинхронный

Полезную схему можно собрать из двух типовых элементов «И-НЕ».

Схемы, таблица состояний, графики сигналов

RS-триггер синхронный

В этой схеме при подаче «1» на С устройство обеспечивает режим «прозрачности». Изменения на входах R и S с минимальной внутренней задержкой отображаются в промежуточных точках /R и /S. После установки управляющего сигнала «0» активируется сохранение данных.

Состояния переключения возникают только при наличии управляющего сигнала (часы

D-триггеры

Устройства этой категории характеризуются временной задержкой рабочего цикла.

D-триггер синхронный

Графики работы показывают, что изменение выходного сигнала происходит только при наличии «1» на входе C. Данные сохраняются без изменений до прихода следующего импульса синхронизации. В этом цикле обеспечивается беспрепятственная передача данных.

Эти устройства имеют отдельный вход для информационных сигналов

D-триггер двухступенчатый

Как и в предыдущем примере, здесь используется один канал данных — D. На схеме показано, как из двух однокаскадных блоков делается более сложное устройство.

Двухступенчатый замок с часовым управлением

T-триггеры

Эти устройства выполняют функции элементарных счетчиков.

Т-триггер асинхронный

Реализация счетчика на элементах «И-НЕ»

T-триггер синхронный

Такие устройства подходят для удвоения частоты. На рисунке показаны счетчики, собранные на основе триггеров типа RS и D.

Один выходной сигнал генерируется для каждых двух тактовых импульсов

JK-триггер

Рабочие циклы этого устройства аналогичны рассмотренному выше триггеру типа RS. Основное отличие заключается в изменении выхода на противоположное значение (инверсия) выхода после подачи «1» на K и J одновременно. Необходимо указать, что в информационных каналах нет запрещенных комбинаций.

Синхронные и асинхронные триггеры

Эти группы создаются по принципу зависимости выходных состояний от тактовых импульсов.

Асинхронные триггеры

Продукты этого типа меняют состояние хранимой информации после получения корректных входных данных. Небольшая задержка объясняется временем прохождения сигнала по цепи коммутационных элементов схемы.

Синхронные триггеры с динамическим тактированием

В эту группу входят изделия, управляемые синхронизирующими импульсами. Изменение состояния выполняется по переднему или заднему фронту. При отсутствии активности в C данные сохраняются в неизменном состоянии вне зависимости от поступления новой информации.

Троичные триггеры

Триггер на троичном транзисторе

Четверичные триггеры

По аналогии с предыдущим примером рассчитываются более сложные схемы.

Из двухтактных D-триггеров можно сделать регистры сдвига с четырьмя и более битами

Триггеры с любым числом устойчивых состояний

Для улучшения количественных показателей при обработке информации используется не только механическое увеличение количества логических элементов. Также используются различные комбинации управляющих сигналов.

Физические реализации триггеров

Базовый элемент изготовлен из полупроводниковых приборов с использованием современных технологических процессов миниатюризации функциональных изделий.

Логический элемент МОП-транзистора

Триггеры с тиристорами

Для увеличения мощности подключаемой нагрузки можно собрать триггер с использованием тиристоров. Вход S подключен к управляющему электроду, а R к затвору. Для поддержания постоянного напряжения на аноде подойдет транзистор, включенный в соответствующую схему.

Триггеры на релейно-контакторной базе

Несмотря на общие тенденции миниатюризации, сделать из реле функциональный триггер вполне допустимо. В частности, такие решения используются для защиты силовых цепей при включении мощных электростанций.

Преимущества применения триггерных схем логики

Узнав, что означает триггер, полученные знания легко использовать для решения практических задач. Использование логических элементов:

• автоматизировать работу систем освещения;
• обеспечить безопасное подключение станков и других тяжелых грузов;
• предотвращение опасных режимов с помощью сигналов от внешних датчиков.

Для создания качественного устройства на основе триггеров рекомендуется использовать информацию, представленную в комплексе. Следует учитывать фактические условия эксплуатации, чтобы выбрать соответствующие функциональные компоненты конструкции.