Фронтовые защелки: от SR/D-защелок к триггерам

В предыдущих разделах мы изучали S-R и D-защелки, реагирующие на данные входы только когда сигнал разрешения (E) активен. Для многих цифровых дизайнов выгодно ограничить отзывчивость защелки очень кратким интервалом, а не всей длительностью высокого уровня линии разрешения.

Фронтовое управление (edge triggering) достигает этого, позволяя данным входам влиять на защелку только в момент перехода сигнала разрешения из одного уровня в другой. Это краткое окно генерируется детектором импульсов, производящим короткий импульс всякий раз, когда линия разрешения меняет состояние.

Ниже сравниваем временные диаграммы для обычной D-защелки и фронтово-управляемой D-защелки:

 

 

 

На первой диаграмме выход следует за входом D, пока разрешение (E) высоко. Как только E возвращается в низкий, схема удерживает последнее состояние. На второй диаграмме выход меняется только в краткий момент перехода E из низкого в высокое — это положительное фронтовое управление.

Отрицательное фронтовое управление ведет себя похоже, но реагирует на нисходящий фронт (высокое-в-низкое) сигнала разрешения:

 

 

Когда защелка управляется детектором импульса на фронте тактового сигнала, мы называем её триггером (flip-flop), а не защелкой. Следовательно, фронтовую S-R защелку называют S-R триггером, а фронтовую D-защелку — D-триггером. Вход разрешения переименовывается в такт (C), а данные входы (S, R или D) называются синхронными, потому что они влияют на выход только в момент тактового фронта.

Как реализовать такое фронтовое управление? Превращение обычной SR-защелки в управляемую просто с парой гейтов И, но генерация импульса, отмечающего только нарастающий или спадающий фронт цифрового сигнала, требует выделенного детектора импульсов. Этот детектор фактически является моностабильным мультивибратором, производящим короткий импульс при каждом переключении входа.

 

 

Ширина импульса определяется компонентами внутри детектора. В ледерной логике реле с очень короткой задержкой времени выполняет это:

 

 

В полупроводниковой логике мы используем задержку распространения, присущую логическим гейтам. Входной сигнал разделяется; один путь проходит через гейт или серию гейтов для небольшой задержки. Оригинальный и задержанный сигналы затем подаются на двухвходовой гейт, выдающий высокий выход только пока задержанный сигнал отстает от нарастающего фронта оригинала. Пример схемы, генерирующей импульс на переходе низкое-в-высокое, показан ниже:

 

 

Для обнаружения спадающего фронта просто замените финальный гейт И на NOR:

 

 

С детектором импульса на месте можно превратить защелку в триггер. Например, SR-триггер получается управлением линии разрешения SR-защелки детектором импульса:

 

 

Схема отзывчива к S и R только когда такт (C) переходит из низкого в высокое; иначе она остается защеленной. Ледерное представление того же SR-триггера:

 

 

В ледерной диаграмме контакт CR3 заменяет оригинальный контакт разрешения и замыкается только в краткое окно, когда и C, и задержанный контакт TR1 замкнуты. Будь то реализация гейтами или реле, входы S и R не имеют эффекта, пока C не переходит из 0 в 1.

Важно отметить, что недопустимое состояние SR-триггера существует только в короткий период, когда детектор импульса позволяет защелке быть включенной. После закрытия этого окна выходы замыкаются либо в установленное, либо в сброшенное состояние. Это кратковременная гонка — каждый гейт защелки соревнуется утверждать свой выход первым — гарантирует, что триггер устанавливается в валидное, взаимоисключающее состояние.

Блочные символы триггеров слегка отличаются от символов защелок. Треугольник рядом с тактовым входом указывает на фронтову устройство. Положительно-фронтовые триггеры показаны с простым треугольником, а отрицательно-фронтовые — с пузырьком на линии такта:

 

 

 

Обе диаграммы иллюстрируют триггеры, тактируемые по спадающему фронту (переход высокое-в-низкое) тактового сигнала.

 

ОБЗОР

• Триггер — защелка, оснащенная детектором импульса, позволяющей ей реагировать только на краткий нарастающий или спадающий фронт такта.
• Детекторы импульсов можно реализовать с реле задержки времени в ледерной логике или с полупроводниковыми гейтами, использующими задержку распространения.

 

СВЯЗАННЫЕ РАБОЧИЕ ЛИСТЫ

• Рабочий лист по триггерам