Ein Trigger ist ein Element der Digitaltechnik, ein bistabiles Gerät, das in einen der Zustände wechselt und unbegrenzt darin bleiben kann, auch wenn externe Signale entfernt werden. Es ist aus logischen Elementen der ersten Ebene (UND-NICHT, ODER-NICHT usw.) aufgebaut und gehört zu den logischen Geräten der zweiten Ebene.
In der Praxis werden Flip-Flops in Form von Mikroschaltungen in einem separaten Gehäuse hergestellt oder sind als Elemente in großen integrierten Schaltungen (LSI) oder programmierbaren Logikarrays (PLM) enthalten.
Inhalt
Klassifikation und Arten der Trigger-Synchronisation
Auslöser lassen sich in zwei große Klassen einteilen:
- asynchron;
- synchron (getaktet).
Der grundlegende Unterschied zwischen ihnen besteht darin, dass sich bei der ersten Kategorie von Geräten der Ausgangssignalpegel gleichzeitig mit der Änderung des Signals am Eingang (Eingänge) ändert.Bei synchronen Triggern erfolgt ein Zustandswechsel nur dann, wenn am dafür vorgesehenen Eingang ein synchronisierendes (Clock, Strobe) Signal anliegt. Dafür ist ein spezieller Ausgang vorgesehen, der mit dem Buchstaben C (Clock) gekennzeichnet ist. Je nach Art der Verknüpfung werden Synchronglieder in zwei Klassen eingeteilt:
- dynamisch;
- statisch.
Beim ersten Typ ändert sich der Ausgangspegel abhängig von der Konfiguration der Eingangssignale zum Zeitpunkt des Auftretens der Front (Anstiegsflanke) oder des Abfalls des Taktimpulses (abhängig von der spezifischen Art des Triggers). Zwischen dem Auftreten von Synchronfronten (Flanken) können beliebige Signale an die Eingänge angelegt werden, der Zustand des Triggers ändert sich nicht. Bei der zweiten Option ist das Vorzeichen der Taktung keine Pegeländerung, sondern das Vorhandensein von Eins oder Null am Takteingang. Es gibt auch komplexe Auslösegeräte, die klassifiziert sind nach:
- die Anzahl stabiler Zustände (3 oder mehr, im Gegensatz zu 2 für die Hauptelemente);
- die Anzahl der Ebenen (auch mehr als 3);
- andere Eigenschaften.
Komplexe Elemente sind in bestimmten Geräten von begrenztem Nutzen.
Arten von Triggern und wie sie funktionieren
Es gibt mehrere grundlegende Arten von Triggern. Bevor Sie die Unterschiede verstehen, sollte eine gemeinsame Eigenschaft beachtet werden: Wenn Strom angelegt wird, wird der Ausgang eines beliebigen Geräts in einen willkürlichen Zustand versetzt. Wenn dies für den Gesamtbetrieb der Schaltung kritisch ist, müssen Voreinstellschaltungen vorgesehen werden. Im einfachsten Fall ist dies ein RC-Glied, das ein Signal zum Setzen des Ausgangszustandes erzeugt.
RS-Flipflops
Der gebräuchlichste Typ eines asynchronen bistabilen Geräts ist das RS-Flip-Flop. Es bezieht sich auf Flip-Flops mit getrenntem Setzen von Zustand 0 und 1.Dafür gibt es zwei Eingänge:
- S - Set (Installation);
- R - zurücksetzen (zurücksetzen).
Es gibt einen direkten Ausgang Q, es kann auch einen invertierten Ausgang Q1 geben. Der Logikpegel darauf ist immer das Gegenteil des Pegels auf Q - dies ist nützlich beim Entwerfen von Schaltungen.
Wenn ein positiver Pegel an den Eingang S angelegt wird, wird der Ausgang Q auf eine logische Einheit gesetzt (bei einem invertierten Ausgang geht er auf Pegel 0). Danach kann sich das Signal am Eingang des Setups nach Belieben ändern - dies hat keinen Einfluss auf den Ausgangspegel. Bis am Eingang R eine 1 erscheint. Dadurch wird das Flip-Flop auf den Zustand 0 gesetzt (1 am invertierten Ausgang). Eine Änderung des Signals am Reset-Eingang beeinflusst nun nicht den weiteren Zustand des Elements.
Wichtig! Die Option, wenn an beiden Eingängen eine logische Einheit vorhanden ist, ist verboten. Der Trigger wird auf einen beliebigen Zustand gesetzt. Beim Entwerfen von Schemata sollte diese Situation vermieden werden.
Ein RS-Flip-Flop kann auf der Basis weit verbreiteter NAND-Elemente mit zwei Eingängen aufgebaut werden. Dieses Verfahren wird sowohl auf herkömmlichen Mikroschaltungen als auch innerhalb programmierbarer Matrizen implementiert.
Einer oder beide Eingänge können invertiert werden. Das bedeutet, dass an diesen Pins der Trigger nicht durch das Auftreten eines hohen, sondern eines niedrigen Pegels gesteuert wird.
Baut man ein RS-Flip-Flop auf AND-NOT-Elementen mit zwei Eingängen auf, dann sind beide Eingänge invers – gesteuert durch die Zuführung einer logischen Null.
Es gibt eine Gated-Version des RS-Flipflops. Es hat einen zusätzlichen Eingang C. Die Umschaltung erfolgt, wenn zwei Bedingungen erfüllt sind:
- das Vorhandensein eines hohen Pegels am Set- oder Reset-Eingang;
- das Vorhandensein eines Taktsignals.
Ein solches Element wird in Fällen verwendet, in denen das Schalten verzögert werden muss, beispielsweise zum Zeitpunkt des Endes von Transienten.
D-Flipflops
D-Trigger ("transparenter Trigger", "Latch", Latch) gehören zur Kategorie der synchronen Geräte, getaktet durch Eingang C. Es gibt auch einen Dateneingang D (Data). In Bezug auf die Funktionalität gehört das Gerät zu Triggern mit dem Empfang von Informationen über einen Eingang.
Solange am Takteingang eine logische Eins anliegt, wiederholt das Signal am Ausgang Q das Signal am Dateneingang (Transparenzmodus). Sobald der Strobe-Pegel in den Zustand 0 geht, bleibt der Pegel am Ausgang Q derselbe wie zum Zeitpunkt der Flanke (Latches). So können Sie jederzeit den Eingangspegel am Eingang fixieren. Es gibt auch D-Flip-Flops mit Taktung auf der Vorderseite. Sie speichern das Signal an der positiven Flanke des Strobes.
In der Praxis können zwei Arten von bistabilen Bauelementen in einem Mikroschaltkreis kombiniert werden. Zum Beispiel D- und RS-Flip-Flop. In diesem Fall haben die Set/Reset-Eingänge Vorrang. Wenn auf ihnen eine logische Null steht, verhält sich das Element wie ein normales D-Flip-Flop. Beim Auftreten eines High-Pegels an mindestens einem Eingang wird der Ausgang auf 0 oder 1 gesetzt, unabhängig von den Signalen an den Eingängen C und D.
Die Transparenz eines D-Flip-Flops ist nicht immer ein nützliches Merkmal. Um dies zu vermeiden, werden doppelte Elemente verwendet (Flip-Flop, „Klatsch“-Trigger), die mit den Buchstaben TT gekennzeichnet sind. Der erste Trigger ist ein normaler Latch, der das Eingangssignal an den Ausgang weiterleitet. Der zweite Auslöser dient als Speicherelement. Beide Geräte werden mit einem Strobe getaktet.
T-Flipflops
Der T-Trigger gehört zur Klasse der zählbaren bistabilen Elemente. Die Logik seiner Arbeit ist einfach - es ändert seinen Zustand jedes Mal, wenn die nächste logische Einheit an seinen Eingang kommt.Wenn am Eingang ein Impulssignal anliegt, ist die Ausgangsfrequenz doppelt so hoch wie die Eingangsfrequenz. Am invertierten Ausgang ist das Signal gegenüber dem direkten phasenverschoben.
So funktioniert ein asynchrones T-Flip-Flop. Es gibt auch eine synchrone Option. Wenn ein Impulssignal an den Takteingang angelegt wird und am Ausgang T eine logische Einheit vorhanden ist, verhält sich das Element wie ein asynchrones - es teilt die Eingangsfrequenz in zwei Hälften. Wenn der T-Pin logisch Null ist, wird der Q-Ausgang unabhängig von der Anwesenheit von Strobes auf Low gesetzt.
JK-Flip-Flops
Dieses bistabile Element gehört zur Kategorie der universellen. Es kann separat über Eingänge gesteuert werden. Die Logik des JK-Flipflops ähnelt der Arbeit des RS-Elements. Der Eingang J (Job) wird verwendet, um den Ausgang auf Eins zu setzen. Ein High-Pegel am K-Pin (Keep) setzt den Ausgang auf Null zurück. Der grundlegende Unterschied zum RS-Trigger besteht darin, dass das gleichzeitige Auftreten von Einsen an zwei Steuereingängen nicht verboten ist. In diesem Fall ändert der Ausgang des Elements seinen Zustand in das Gegenteil.
Werden die Ausgänge Job und Keep verbunden, so verwandelt sich das JK-Flip-Flop in ein asynchron zählendes T-Flip-Flop. Wenn eine Rechteckwelle an den kombinierten Eingang angelegt wird, hat der Ausgang die halbe Frequenz. Wie das RS-Element gibt es eine getaktete Version des JK-Flipflops. In der Praxis werden hauptsächlich Anschnittelemente dieser Art verwendet.
Praktischer Nutzen
Die Eigenschaft von Triggern, die aufgezeichneten Informationen auch bei Wegnahme externer Signale beizubehalten, ermöglicht ihre Verwendung als Speicherzellen mit einer Kapazität von 1 Bit.Aus einzelnen Elementen kann man eine Matrix zur Speicherung binärer Zustände aufbauen – nach diesem Prinzip werden statische Direktzugriffsspeicher (SRAM) aufgebaut. Ein Merkmal eines solchen Speichers ist eine einfache Schaltung, die keine zusätzlichen Controller erfordert. Daher werden solche SRAMs in Controllern und PLAs verwendet. Aber die geringe Aufzeichnungsdichte verhindert die Verwendung solcher Matrizen in PCs und anderen leistungsstarken Computersystemen.
Die Verwendung von Flip-Flops als Frequenzteiler wurde oben erwähnt. Bistabile Elemente können in Ketten verbunden werden und unterschiedliche Teilungsverhältnisse erhalten. Derselbe String kann als Impulszähler verwendet werden. Dazu muss der Zustand der Ausgänge von den Zwischenelementen zu jedem Zeitpunkt gelesen werden - es wird ein Binärcode erhalten, der der Anzahl der Impulse entspricht, die am Eingang des ersten Elements ankamen.
Abhängig von der Art der angewendeten Trigger können Zähler synchron oder asynchron sein. Seriell-zu-Parallel-Wandler sind nach dem gleichen Prinzip aufgebaut, aber hier werden nur Gatterelemente verwendet. Auch digitale Verzögerungsleitungen und andere Elemente der Binärtechnologie sind auf Triggern aufgebaut.
RS-Flip-Flops werden als Pegelklemmen (Prellunterdrücker) verwendet. Wenn mechanische Schalter (Knöpfe, Schalter) als Logikpegelquellen verwendet werden, erzeugt der Bounce-Effekt beim Drücken viele Signale statt eines. Das RS-Flip-Flop bekämpft dies erfolgreich.
Der Anwendungsbereich bistabiler Bauelemente ist breit. Das Spektrum der mit ihrer Hilfe gelösten Aufgaben hängt weitgehend von der Vorstellungskraft des Designers ab, insbesondere im Bereich der nicht standardmäßigen Lösungen.
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