Лекция по теме Т-триггеры

Т-триггер, или счетный триггер, имеет только один информационный вход и является последовательностным бистабильным устройством.

 Принцип работы T-триггера заключается в том, что после поступления на вход T - импульса (в результате воздействия), состояние триггера меняется на прямо противоположное.  (Q =  ’)

Название «счетный» (или со «счетным запуском») связано с широким применением Т-триггеров в счетчиках импульсов.

T триггер как бы подсчитывает количество импульсов, поступивших на его вход. Однако считать этот триггер умеет только до одного. При поступлении второго импульса T-триггер снова сбрасывается в исходное состояние.

Т -триггер еще называют — счетчиком до двух, или делителем на 2 — так как он делит входную частоту на 2. Т-триггер реализует операцию сложения по модулю 2

Смена состояний здесь происходит всякий раз, когда входной сигнал меняет своё значение в определенном направлении.

Т-триггер – единственный вид триггера, текущее состояние которого определяется не информацией на входах, а состоянием его в предыдущем такте.

На рисунке приведены условное обозначение Т-триггера и схема на элементах
И-НЕ.

Принцип построения счетных триггеров состоит во введении обратной связи с выхода на входы так, чтобы обеспечить смену сигналов на информационных входах после каждого переброса.

T-триггеры строятся только на базе двухступенчатых триггеров.

Использование двух триггеров позволяет избежать неопределенного состояния схемы при разрешающем потенциале на входе синхронизации "C", так как счетные триггеры строятся при помощи схем с обратной связью

T триггер можно синтезировать из любого двухступенчатого триггера. При этом не важно ТТЛ или КМОП технология используется

Реализация данного режима работы с использованием простейшего элемента памяти требует подачи на последний для каждого последующего переключения инверсных значений входных сигналов. Такой режим обеспечивается введением в RS- или D-триггер цепей дополнительной обратной связи.

г) Т-триггер на основе синхронного RS-триггера. Т-триггер может быть сконструирован из синхронного RS-триггера посредством введения дополнительной обратной связи между R, S-входами и Q, Q-выходами.

Задание 1. Подробно описать каждый вид T-триггеров (а, б, в, г):

- Описание, что за триггер

- Схема

- Описание из чего состоит схема

- таблица истинности

- Принцип работы

- временная диаграмма

- Области применения

Т-триггеры бывают динамические и статические.

Динамические Т-триггеры сейчас практически не используются из-за некоторых недостатков, которые ограничивают их практическое применение

Динамическое управление — это управление, при котором разрешение на переключение триггера даётся только в момент перепада тактового сигнала (на его фронте или спаде). В остальное время независимо от уровня тактового сигнала триггер не воспринимает входные информационные сигналы и остаётся в неизменном состоянии.

Динамическое управление триггера означает, что на процессы переключения влияет только изменение значения входного сигнала. Смена состояний происходит, если входной сигнал меняет своё значение в определённом направлении. В зависимости от того, фронт или срез входного сигнала используется для управления (от логического нуля к логической единицы или от логической единицы до логического нуля), считается, что Т-триггер имеет соответственно прямой или инверсный динамические входы. 

В остальное время действия импульса синхронизации триггер не реагирует на входные сигналы и остаётся в прежнем состоянии независимо от уровня синхросигнала.

Недостатки

• Колебательный процесс. В течение всего времени, пока на входе Т присутствует активный уровень сигнала, происходит непрерывная смена состояний триггера на противоположные с частотой, равной обратной величине времени задержки триггера. В результате возникает колебательный процесс. Причиной этого явления служит то, что Т-триггер, обладая обратными связями, принимает информацию как из внешней среды, так и со своих собственных выходов. 

• Усложнение схемы устройства. Для записи определённой информации сигнал на информационных входах триггера должен оставаться неизменным на всём интервале действия активного логического сигнала на входе синхронизации. Это усложняет схему, а в некоторых случаях и вовсе является не решаемой задачей, поскольку информационные сигналы могут носить характер случайной последовательности импульсов. 

• Неработа при статических или низких тактовых частотах. При наличии достаточного времени пути утечки могут разрядить паразитную ёмкость настолько, что триггер перейдёт в недопустимое состояние. 

Эти недостатки ограничивают практическое применение динамических Т-триггеров, так как для устойчивой работы в цифровых схемах чаще используют другие типы триггеров, которые не имеют этих недостатков. 

Прямое динамическое управление — разрешение на переключение триггера при изменении тактового сигнала с нулевого значения на единичное.

Инверсное динамическое управление — при изменении тактового сигнала с единичного значения на нулевое.

На рис. 7 приведена таблица истинности и временные диаграммы работы динамического (по фронту информационного сигнала) T-триггера.

В цифровых схемах вместо динамических Т-триггеров применяют статические.

Статический Т-триггер - это триггер, который меняет своё состояние на противоположное каждый раз, когда на его вход T приходит активный сигнал. Часто такой триггер называют счётным триггером, счётчиком до двух или делителем на 2 — так как он делит входную частоту на 2.

Статический Т-триггер может быть:

• Синхронным — имеет вход разрешения счёта Т.

• Асинхронным — не имеет входа разрешения переключения Т, переключение триггера в противоположное состояние происходит при изменении логического уровня на входе С.

Задание 2. Подробно описать синхронный и асинхронный T-триггер:

- Схема

- Описание из чего состоит схема

- таблица истинности

- Принцип работы

- временная диаграмма

- применение

Рассмотрим пример синтеза счетного T-триггера из динамического D-триггера. Для того чтобы превратить D-триггер в счётный, необходимо ввести цепь обратной связи с инверсного выхода этого триггера на вход, как показано на рисунке.

Рисунок . Схема T триггера, построенная на основе D триггера

Временная диаграмма T-триггера приведена на рисунке 2. При построении этой временной диаграммы был использован триггер, работающий по заднему фронту синхронизирующего сигнала.

Рисунок 2. Временные диаграммы T триггера

Задание 3. Сравнительный анализ триггеров

Сравните T-триггер с другими типами триггеров (RS, D, JK) по следующим критериям:

• Количество входов и выходов.

• Условия переключения.

• Наличие запрещённых состояний.

• Области применения.

• Возможность построения на основе других триггеров.

Результаты оформите в виде таблицы.

Задание 4. Исследование динамических и статических T-триггеров

1. Объясните, чем отличается реакция динамического и статического T-триггера на:

   • Постоянный активный уровень на входе T.

   • Высокочастотные и низкочастотные тактовые сигналы.

2. Приведите примеры устройств, где предпочтительнее использовать каждый из типов.

3. Опишите, как можно устранить недостатки динамического T-триггера на практике.

Задание 5. Подготовить доклад про Триггер Шмидта

Контрольные вопросы:

1. Что такое T-триггер и какое у него второе распространенное название?

2. Какова основная функция T-триггера (что он делает с входным сигналом)?

3. Объясните смысл названия «счетный триггер». До скольких импульсов он может считать?

4. Почему T-триггер называют «делителем частоты на 2»?

5. Запишите логическое уравнение, описывающее работу T-триггера.

6. Чем определяется состояние T-триггера в текущем такте (в отличие от RS- или D-триггера)?

7. Каков принцип построения счетных триггеров? Какую роль играет обратная связь?

8. На базе каких триггеров (по структуре) строятся T-триггеры и почему?

9. Нарисуйте условное графическое обозначение T-триггера.

10. В чем заключается ключевая разница между динамическим и статическим T-триггером?

11. Что такое динамическое управление триггером?

12. Объясните, чем отличается прямое и инверсное динамическое управление.

13. Перечислите основные недостатки динамических T-триггеров, ограничивающие их применение.

14. Что такое «колебательный процесс» в динамическом T-триггере и чем он вызван?

15. Дайте определение статическому T-триггеру. Какие у него есть разновидности?

16. В чем разница между синхронным и асинхронным статическим T-триггером?

17. Какой сигнал управляет переключением в асинхронном T-триггере?

18. Нарисуйте и объясните схему T-триггера, построенного на элементах И-НЕ.

19. Как можно синтезировать T-триггер из D-триггера? Нарисуйте базовую схему.

20. Как синтезировать T-триггер из синхронного RS-триггера? Опишите принцип введения обратной связи.

21. Составьте таблицу истинности (таблицу переходов) для T-триггера.

22. Проанализируйте временную диаграмму работы T-триггера. Как связано изменение состояния с фронтом/спадом тактового сигнала?

23. Каково основное применение T-триггеров в цифровой технике? Приведите не менее двух примеров.

24. Почему T-триггеры широко используются в счетчиках импульсов и делителях частоты?

25. Как с помощью каскада T-триггеров построить делитель частоты на 8? Сколько триггеров для этого потребуется?

26. Объясните, почему T-триггер реализует операцию сложения по модулю 2 (XOR).

27. Какие проблемы помогает решить использование двухступенчатой структуры при построении T-триггера?

28. Сравните T-триггер с D-триггером по способу хранения и изменения информации.

29. Сравните T-триггер с JK-триггером. Можно ли считать T-триггер частным случаем JK-триггера?

30. В контексте каких практических задач (кроме счетчиков) знание о работе T-триггера может быть полезно? (Например, устранение дребезга, создание простых генераторов)

Практические задания:

1. Анализ работы T-триггера в генераторе случайных чисел

Ситуация:
В учебном проекте используется генератор псевдослучайных чисел на основе сдвигового регистра с обратной связью. В одной из ячеек регистра стоит T-триггер.

Задание:

1. Объясните, как T-триггер может использоваться в регистре сдвига.

2. Сравните поведение регистра с T-триггером и с D-триггером.

3. Постройте временную диаграмму выходов регистра (4 разряда) для 10 тактов.

4. Предложите, как с помощью T-триггеров можно увеличить период повторения последовательности.

2. Проектирование делителя частоты

Ситуация:

Вам необходимо спроектировать цифровую схему, которая будет делить входную частоту 100 кГц на 8. В вашем распоряжении только T-триггеры и логические элементы.

Задачи:

1. Сколько T-триггеров потребуется для реализации делителя на 8?

2. Нарисуйте схему соединения T-триггеров.

3. Постройте временную диаграмму для входного и выходных сигналов.

4. Объясните, почему T-триггеры подходят для этой задачи.

3.  Анализ нестабильной работы схемы

Ситуация:
Студент собрал схему на основе динамического T-триггера, но при подаче тактового сигнала схема вошла в режим непрерывных колебаний.

Задачи:

1. Объясните, почему возникает колебательный процесс в динамическом T-триггере.

2. Предложите способ устранения этой проблемы (например, использование другого типа триггера).

3. Нарисуйте схему на основе статического синхронного T-триггера, которая будет работать устойчиво.

4. Сравните поведение динамического и статического T-триггеров на временной диаграмме.

4. Поиск и устранение неисправности в схеме

Ситуация:
В устройстве на основе T-триггера обнаружена ошибка: триггер не всегда меняет состояние по фронту тактового импульса, иногда «пропускает» переключения.

Задачи:

1. Перечислите возможные причины такой неисправности (аппаратные, временные, проектные).

2. Предложите методы диагностики проблемы.

3. Как можно доработать схему (например, добавить элементы), чтобы повысить её надёжность?

4. Нарисуйте исправленную схему с пояснениями.