Симметричные триггеры

Общие сведения

III.БЕСКОНТАКТНЫЕ УСТРОЙСТВА РЕЛЕЙНОГО ДЕЙСТВИЯ

Переключающие устройства служат для приведения в действие (включения и выключения) различных исполнительных механизмов, осуществления коммутации в электрических цепях, построения логических блоков и вычислительных систем. Все переключающие устройства характеризуются двумя состояниями: включенным и выключенным. Первое из этих состояний условились именовать состоянием логической единицы (логическая 1), второе — состоянием логического нуля (логический 0). Во включенном состоянии переключающее устройство должно обеспечивать беспрепятственное протекание электрического тока от источника питания к нагрузке, в выключенном состоянии — исключать его протекание.

Включение и выключение самих переключающих устройств осуществляется воздействием, также характеризующимся всего двумя состояниями, или уровнями. Если входное воздействие ниже некоторого определенного уровня, переключающее устройство остается во включенном состоянии. Если же входное воздействие превышает некоторый порог, именуемый порогом срабатывания, переключающее устройство выключается. По этой причине входные воздействия переключающих устройств также характеризуются всего двумя уровнями: логический 0 и логическая 1.

В качестве примера переключающих устройств можно привести разнообразные электромагнитные реле, всевозможные кнопки, транзисторные ключи, тиристорные коммутаторы и т. д. Все эти устройства работают по одному и тому же принципу. Для приведения их в действие нужно преодолеть некоторый пороговый уровень, от чего и происходит смена исходного состояния. В частности, если к обмотке реле приложить напряжение, которое превышает напряжение срабатывания, реле возбуждается и замыкает свои фронтовые контакты (тыловые контакты при этом размыкаются). Аналогичным образом работают кнопка, транзисторный ключ и тиристор, с той лишь разницей, что для включения и выключения кнопки нужно приложить определенное усилие, а для включения транзисторного ключа требуется определенное значение тока в цепи базы.

На основе переключающих устройств можно осуществлять как простейшие логические операции, так и сложнейшие математиче­ские вычисления. Получившие в последнее время достаточно широкое распространение мини- и микроЭВМ, персональные компьютеры и другая вычислительная техника в качестве основного исходного элемента используют транзисторный ключ. На рис. 66 показано, как одна и та же логическая функция И может быть реализована с помощью различных переключающих устройств. На практике такие функции используют во всех тех случаях, когда интересуются совпадением двух или более событий или каких-то условий. Например, нужно составить схему, решающую логическую задачу автоматического отправления поезда метрополитена со станции. Поезд может быть отправлен при выполнении двух условий: двери поезда закрыты, на выходном светофоре — зеленый огонь. Релейная схема, реализующая эти условия, приведена на рис. 66, а. При замыкании фронтовых контактов реле закрытия дверей Д и сигнального реле зеленого огня 3 возбуждается реле хода X и своими фронтовыми контактами замыкает цепь управления включения тяговых двигателей в режим Ход.

Подобным образом функционирует и бесконтактное переключающее устройство, приведенное на рис. 66, б. Устройство представляет собой двухвходовой инвертор, использующий транзистор VT1 в режиме ключа. На первый вход инвертора подается логический сигнал 1, который формируется схемой контроля закрытия дверей поезда, на второй вход — логический сигнал 1 наличия зеленого огня на выходном светофоре. Логическую операцию И осуществляет диодная часть схемы (VD1, VD2, R1). Для связи этой части схемы с инвертором служит стабилитрон VD3, который совместно с резистором R2 обеспечивает надежное запирание транзистора при невысоком, но положительном потенциале точки А, соответствующем логическому нулю элемента И. Условимся при этом сигналом логической еди­ницы считать потенциал, близкий к напряжению источника пита­ния +U _п.

Если двери поезда открыты и на выходном светофоре отсутствует разрешающее показание, на соответствующих входах устройства Вх.1 и Вх.2 присутствуют сигналы логического нуля. Транзисторный ключ при этом заперт, вследствие того что электрический ток не может проходить через его базовый вывод и протекает от «плюса» источника питания через резистор R1 и включенные в прямом направлении диоды VD1 и VD2 на общую точку схемы. Через стабилитрон VD3 и переход база — эмиттер транзистора ток не протекает, так как открытые диоды VD1 и VD2 представляют для него значительно меньшее сопротивление. Схема управления двигателями при этом отключена от питания. Присутствие логической единицы только на входе Вх.1 или только на входе Вх.2 ничего не меняет, ключ остается в закрытом состоянии ввиду того, что ток по-прежнему протекает через один из двух открытых диодов VD1 или VD2. Только при наличии сигнала логической единицы на обоих входах (когда одновременно закрыты двери и горит зеленый огонь) ток пройдет через резистор R1, стабилитрон VD3 и переход база—эмиттер ключа VT1. Сопротивление резистора R1 и тип стабилитрона VD3 подбирают таким образом, чтобы протекающий через транзистор базовый ток обеспечил его надежное отпирание. Таким образом, ключ VT1 отпирается, подключая схему управления тяговых двигателей к источнику питания.

Возможна реализация и других, более сложных логических зависимостей, также требующая использования переключающих устройств. В настоящее время эти зависимости в подавляющем числе случаев реализуют с помощью бесконтактных полупроводниковых устройств и схем. Реле используют только тогда, когда на логиче­ские зависимости накладывают высокие требования по безопасности их исполнения.

Схемы, в которых выходные сигналы зависят только от сигналов поступающих на их входы в данный момент времени, называют комбинационными. Позволяя решать разнообразные логические задачи преобразования электрических сигналов, комбинационные схемы обладают одним существенным недостатком — отсутствием элементов памяти. Между тем уже такая простейшая операция, как последовательный счет импульсов, требует запоминания накопленной суммы. Могут возникнуть и более сложные задачи построения логических схем, в которых выходные сигналы в общем случае зависят не только от сигналов, поступающих на их входы в данный момент времени, но и от сигналов, воздействовавших на них ранее и хранящихся в элементах памяти. Роль таких запоминающих устройств в электронных приборах и преобразователях играют триггеры.

Триггером называется переключающее устройство, обладающее двумя устойчивыми состояниями и способное скачком переключаться из одного состояния в другое под действием внешнего управляющего сигнала. Триггер (рис. 67) представляет собой симметричное устройство, составленное из двух инверторов. Всегда, если это не оговаривается особо, сопротивления резисторов в схеме триггера попарно равны между собой: R1 = R6, R2 = R5 и R3 = R4. Триггер имеет два входа, один из которых обозначен буквой S (установка в единицу), а другой — буквой R (установка в нуль) и снабжен двумя выходами — прямым Qи инверсным . Состояние инверсного выхода всегда противоположно состоянию прямого выхода. Если, например, на прямом выходе триггера устанавливается потенциал логической единицы (потенциал, близкий к напряжению + U _П), то на инверсном выходе в этот же момент времени устанавливается потенциал логического нуля (малое положительное напряжение), и наоборот.

Пусть до момента времени t _l(см. рис. 67) триггер находится в нулевом состоянии: на выходе Q присутствует логический нуль, на инверсном выходе — логическая единица. Это означает, что транзистор VT2 открыт, а транзистор VT1 закрыт. Подадим в момент времени t _lна вход S импульс с уровнем логической единицы. Положительное напряжение на входе S открывает транзистор VT1. Напряжение на его коллекторе уменьшается; он начинает шунтировать цепь базы транзистора VT2. Ток базы этого транзистора уменьшится, что приведет к запиранию VT2 и увеличению напряжения на его коллекторе. Это, в свою очередь, приведет к появлению нарастающего во времени базового тока транзистора VT1, протекающего через резисторы R 6и R 5, и к еще большему отпиранию транзистора VT1. За счет наличия положительной обратной связи этот процесс будет неудержимо нарастать. Устойчивое состояние достигается в момент перехода транзистора VT1 в режим полного насыщения. Транзистор VT2 окажется запертым (т. е. окажется в режиме отсечки), а транзистор VT1 будет поддерживаться в открытом состоянии током базы, протекающим через резисторы R6 и R5. Триггер устанавливается в состояние 1. Переключение триггера происходит практически мгновенно. После окончания этого процесса наличие или отсутствие импульсов на входе 5 триггера не меняет его состояния (момент t ₂). Триггер возвращается в исходное состояние, если положительный импульс будет подан на вход сброса R. В силу симметрии схемы б этом случае происходит аналогичный процесс переключения транзисторов. Теперь уже транзистор VT2 начнет открываться, что вызовет запирание VT1, увеличение базового тока транзистора VT2, его дальнейшее открытие и так далее, вплоть до его полного насыщения. Триггер возвратится в исходное нулевое состояние, когда транзистор VT2 будет полностью открыт, a VT1 закрыт. Подача импульса на вход R в момент t ₄и в этом случае не изменит его состояния. Когда оба входных напряжения равны нулю, схема остается в последнем установившемся состоянии и может неограниченно долго сохранять, «помнить» его. Это свойство триггера и определило его использование в качестве элемента памяти и накопителя информации.

При работе триггера необходимо исключать одновременную подачу на входы S и R импульсов с уровнем логической единицы (момент времени t ₅), так как по окончании их действия триггер случайным образом устанавливается в одно из двух устойчивых состояний: 1 или 0. Рассмотренный триггер носит название RS-триггера.

Дата добавления: 2013-12-13