Одно- и двухпороговые ARS-триггеры с приоритетом R-входа

Дано описание принципов работы одно- и двухпороговых асимметричных RS-триггеров (ARS-триггеров), в которых отсутствует так называемое «Запрещенное состояние». ARS-триггеры отличаются от традиционных приоритетом R-входа. Также приведено описание двухпорогового ARS-триггера, управление работой которого возможно по двухпроводной линии связи.

В середине 1917 г. российско-советский ученый-радиотехник Михаил Александрович Бонч-Бруевич (1888–1940) для снижения уровня радиопомех при грозовых разрядах использовал в усилителе радиоприёмника первое переключающее устройство на вакуумных триодах, имевшее два устойчивых состояния. 27 апреля 1918 г. он сообщил на заседании Российского Общества Радиоинженеров о создании этого устройства, названного впоследствии триггером [1, 2].

21 июня 1918 г. английским физиками Уильямом Генри Эклсом (William Henry Eccles, 1875–1966) и Франком Уилфридом Джордоном (Frank Wilfred Jordan, 1881–1941) при исследовании усилителей с положительной обратной связью была разработана схема триггера, получившая затем название «Eccles – Jordan trigger circuit» («Триггерная схема Эклса – Джордона»). Патент Великобритании № 148582 под названием «Improvements in ionic relays» («Усовершенствования ионных реле») был выдан изобретателям 5 августа 1920 г. Варианты схем устройств под обобщающим названием «Триггерное реле, использующее трёхэлектродные термоионные вакуумные лампы» были опубликованы в журнальных статьях 1919 г. [3–5].

За последующее столетие появилось множество вариантов триггеров различного назначения и построения. Это динамические и статические, симметричные и асимметричные, синхронные и асинхронные, однотактные и двухтактные, с динамическим и статическим управлением и т.д. триггеры. По своему типу триггеры подразделяются на RS-; D-; T-; JK- и другие триггеры [6, 7]. Остановимся подробнее на самом простом из этих триггеров – RS-триггере.

Приведем современное определение триггера:

Триггер – электронное пороговое устройство, имеющее два или несколько устойчивых состояний, переключение которых происходит при воздействии внешних сигналов.

RS-триггер – триггер симметричного построения, имеющий входы S – Set (Установка) и R – Reset (Сброс), а также прямой и инверсный выходы, который сохраняет своё предыдущее устойчивое состояние при неактивных входах и переходит в другое устойчивое состояние при подаче на один из его входов сигнала надпорогового уровня.

Простейший RS-триггер – далеко не идеальное устройство. Не случайно такие триггеры обычно используют в учебных целях и довольно редко применяют в практических конструкциях. Формально, на бумаге, схема триггера, Рисунки 1 и 2, выглядит полностью симметричной. Однако симметрия – частный случай асимметрии. На практике всё выглядит не столь идеально, параметры транзисторов, их температура, номиналы пассивных элементов непременно отличаются друг от друга.

Рисунок 1.	RS-триггер на транзисторах и таблица его состояний.

При включении питания RS-триггер непредсказуемо принимает (с равной или неравной вероятностью) одно из двух состояний. Это приводит к необходимости выполнять первоначальную установку триггера в требуемое исходное состояние, то есть подавать сигнал сброса на асинхронные входы триггеров, счётчиков, регистров, и т.д. (например, с помощью RC-цепочки), а также учитывать, что ячейки ОЗУ, построенного на триггерах (память статического типа), содержат после включения произвольную информацию.

Рисунок 2.	RS-триггер на микросхемах 2ИЛИ-НЕ и его условное обозначение.

На Рисунках 1 и 2 приведены типовые схемы RS-триггеров, выполненных из дискретных элементов, Рисунок 1, и на основе логических элементов 2ИЛИ-НЕ, Рисунок 2. На следующем Рисунке 3 показана диаграмма электрических процессов, происходящих в RS-триггере классического построения при подаче на его входы управляющих сигналов. На Рисунке 3 отчетливо видна так называемая область «Запрещенного состояния» триггера. Точнее такое состояние триггера корректнее охарактеризовать термином «Неопределенное состояние (после одновременного снятия входных сигналов)».

Рисунок 3.	Временная диаграмма работы обычного RS-триггера при подаче управляющих сигналов на его входы.

Фактически термин «Запрещенное состояние» используется при описании работы триггера не обоснованно, а в силу исторических традиций. Дело в том, что при подаче на входы S и R триггера логических сигналов высокого уровня на его выходе однозначно устанавливается уровень логического нуля. Однако при одновременном снятии входных сигналов предсказать, каким установится уровень сигналов на выходах триггера, невозможно. Именно это обстоятельство резко ограничивает возможности практического использования RS-триггеров.

Полностью снять проблему «Запрещенного состояния» можно за счет преднамеренного введения асимметрии в состояние RS-триггера, в частности, введения элемента задержки по входу R, например, так, как это показано на Рисунке 4. Элемент задержки по R-входу обеспечивает этому входу приоритет над входом S. При одновременном снятии напряжения высокого уровня по входам S и R на входе R высокий уровень поддерживается на время задержки RC-цепи (времени разряда конденсатора C1). Поэтому на выходе Q1 однозначно устанавливается напряжение высокого уровня. Введение такой задержки, разумеется, сказывается на быстродействии триггера, однако для ряда прикладных задач такое ограничение не столь существенно.

Рисунок 4.	RS-триггер на транзисторах с RC-элементом задержки по входу R.

Временная диаграмма работы такого RS-триггера приведена на Рисунке 5.

Рисунок 5.	Временная диаграмма работы RS-триггера с RC-элементом задержки по входу R при подаче управляющих сигналов на его входы.

На Рисунке 6 приведено альтернативное решение схемы однопорогового ARS-триггера с приоритетом R-входа. Работает это устройство следующим образом. При подаче питания оба коммутирующих ключа микросхемы CD4066 разомкнуты. На выходе триггера присутствует уровень логического нуля. При подаче на вход S уровня логической единицы ключ коммутатора DA1.1 замыкается, на выходе триггера появляется уровень логической единицы. Через резистор R2 уровень логической единицы поступает на управляющий вход коммутатора DA1.1, в силу чего коммутатор самоблокируется. Диод VD1 препятствует разблокированию коммутатора DA1.1 при смене логического уровня на входе S.

Сбросить блокировку коммутатора DA1.1 возможно только при подаче напряжения высокого уровня на вход R, который имеет приоритет над входом S. Таблица состояний ARS-триггера с приоритетом R-входа приведена на Рисунке 6.

Рисунок 6.	Однопороговый ARS-триггер с приоритетом R-входа на основе двунаправленных ключей микросхемы CD4066.

Вариант ARS-триггера с приоритетом R-входа на основе логических элементов 2ИЛИ-НЕ микросхемы CD4001 приведен на Рисунке 7.

Рисунок 7.	Однопороговый ARS-триггер с приоритетом R-входа на основе логических элементов.

Еще одним недостатком RS-, впрочем, как и всех других, в том числе и ARS-триггеров является невозможность управления их работой с использованием двухпроводной линии. Решить эту проблему несложно с использованием двухпороговой схемы управления, изображенной на Рисунке 8.

Рисунок 8.	Двухпороговый ARS-триггер с приоритетом R-входа.

Работа двухпорогового триггера основана на использовании двух (или более) порогов его переключения. В приведённом примере, Рисунок 8, при замыкании удаленных по линии связи ключей S или R на входах триггера появляются управляющие сигналы соответствующих уровней, что обеспечивает его надежную работу.

Так, при замыкании ключа SA2 «S» на управляющий вход S триггера подается напряжение высокого уровня; на входе R триггера присутствует напряжение низкого уровня. Триггер переключает свое состояние. Если же замкнуть ключ SA1 «R», вне зависимости от состояния ключа SA2 «S» транзистор VT1 открывается, на вход R триггера поступает напряжение высокого уровня, на его выходе устанавливается напряжение логического нуля.

Литература

1. Бонч-Бруевич М.А. Комбинированные характеристики катодных реле // Телефония и телеграфия без проводов. – 1918. – № 2. – С. 62–69.
2. Частиков А.П., Котельников Г.П. Катодное реле М.А. Бонч-Бруевича – первый триггер в России: В кн.: Телевидение предельных возможностей / А.В. Петраков. – М.: Знание, 1991. – 64 с. – (Новое в жизни, науке, технике; № 3. Радиоэлектроника и связь). – С. 60–63.
3. Eccles W.H., Jordan F.W. Improvements in ionic relays. British patent GB148582. Filed: 21 June 1918; Published: 5 August 1920.
4. Eccles W.H., Jordan F.W. A trigger relay utilizing three-electrode thermionic vacuum tubes // The Electrician (London). – 1919. – Vol. 83. – № 9. – P. 298 (19 September 1919); Radio Review. – 1919. – Vol. 1. – № 3. – P. 143–146 (December 1919).
5. Шустов М.А. История электричества. – Москва; Берлин: Директ-Медиа, 2019. – 567 с.
6. Шустов М.А. Цифровая схемотехника. Основы построения. – СПб.: Наука и Техника, 2018. – 320 с.
7. Шустов М.А. Цифровая схемотехника. Практика применения. – СПб.: Наука и Техника, 2018. – 432 с.

Материалы по теме

1. Datasheet Texas Instruments CD4001B
2. Datasheet Texas Instruments CD4066B
3. Datasheet Fairchild BC558B