Триггер из транзисторов своими руками

Добавил пользователь Владимир З.
Обновлено: 04.10.2024

Счетчики в составе микросхем

Счетчик на D-триггере

Сегодня я не буду распространяться о пользе и незаменимости счетчиков в цифровой технике – если вы читаете эту статью, то уже наверняка в этом не сомневаетесь. Поэтому перейдем сразу к делу. Поскольку все цифровые системы работают только с нулями и единичками, то и система счисления у них двоичная, где каждая цифра в числе может принимать […]

Делители частоты на D-триггерах

D-триггер с динамической синхронизацией (счетный триггер)

D-триггер со статической синхронизацией

Синхронный RS-триггер

Принцип работы этой разновидности Т-триггера схож с алгоритмом работы простого RS-триггера. Он так же может находиться в двух устойчивых состояниях и так же управляется по входам R и S, но имеет дополнительный вход С, который вносит в алгоритм работы его схемы некоторые и очень важные изменения: Итак, перед нами синхронный RS-триггер с прямым и инверсным […]

Одним из важнейших элементов цифровой техники является триггер (англ. Trigger - защёлка, спусковой крючок).

Сам триггер не является базовым элементом, так как он собирается из более простых логических схем. Семейство триггеров весьма обширно. Это триггеры: T, D, C, JK, но основой всех является самый простой RS-триггер.

Без RS триггеров невозможно было бы создание никаких вычислительных устройств от игровой приставки до суперкомпьютера. У триггера два входа S (set) - установка и R (reset) - сброс и два выхода Q-прямой и Q- инверсный. Инверсный выход имеет сверху чёрточку. Триггер бистабильная система, которая может находиться в одном из двух устойчивых состояний сколь угодно долго. На рисунке показан RS-триггер выполненный на элементах 2ИЛИ – НЕ.

Точно так же триггер может быть выполнен и на элементах 2И – НЕ.

Единственная разница это то, что триггер на элементах И – НЕ активируется, то есть переводится в другое состояние потенциалом логического нуля. Триггер, собранный на элементах ИЛИ – НЕ активируется логической единицей. Это определяется таблицей истинности логических элементов. При подаче положительного потенциала на вход S мы получим на выходе Q высокий потенциал, а на выходе Q низкий потенциал. Тем самым мы записали в триггер, как в ячейку памяти, единицу. Пока на вход R не будет подан высокий потенциал, состояние триггера не изменится.

На принципиальных схемах триггер изображается следующим образом.

Два входа R и S, два выхода прямой и инверсный и буква Т означающая триггер.

Хорошо отображает принцип работы RS-триггера несложная схема, собранная на двух элементах 2И – НЕ. Для этого используется микросхема 155ЛА3, которая содержит четыре таких элемента. Нумерация на схеме соответствует выводам микросхемы. Напряжение питания +5V подаётся на 14 вывод, а минус подаётся на 7 вывод микросхемы. После включения питания триггер установится в одно из двух устойчивых состояний.

Исходя из того, что сопротивление переходов транзисторов логических элементов не может быть абсолютно одинаковым, то триггер после включения питания, как правило, принимает одно и то же состояние.

Допустим, после подачи питания у нас горит верхний по схеме светодиод HL1. Можно сколько угодно нажимать кнопку SB1 ситуация не изменится, но достаточно на долю секунды замкнуть контакты кнопки SB2 как триггер поменяет своё состояние на противоположное. Горевший светодиод HL1 погаснет и загорится другой - HL2. Тем самым мы перевели триггер в другое устойчивое состояние.

На данной схеме всё достаточно условно, а на реальном триггере принято считать, что если на прямом выходе "Q" высокий уровень то триггер установлен, если уровень низкий то триггер сброшен.

Основной недостаток рассматриваемого триггера это, то, что он асинхронный. Другие более сложные схемы триггеров синхронизируются тактовыми импульсами общими для всей схемы и вырабатываемые тактовым генератором. Кроме того сложная входная логика позволяет держать триггер в установленном состоянии до тех пор пока не будет сформирован сигнал разрешения смены состояния триггера.

RS-триггер может быть и синхронным, но двух логических элементов для этого мало.

На рисунке изображена схема синхронного RS-триггера. Такой триггер может быть собран на микросхеме К155ЛА3, которая содержит как раз четыре элемента 2И – НЕ. В данной схеме переключение триггера из одного состояния в другое может быть осуществлено только в момент прихода синхроимпульса на вход "C".

Благодаря своей простоте и недорогой стоимости RS-триггеры широко применяются в схемах индикации. Часто для повышения надёжности и устранения возможности случайного срабатывания RS-триггер собирается по так называемой двухступенчатой схеме. Вот схема.

Здесь можно видеть два совершенно одинаковых синхронных RS-триггера, только для второго триггера синхроимпульсы инвертируются. Первый триггер в связке называют M (master) - хозяин, а второй триггер называется S (slave) - раб.

Допустим на входе "С" высокий потенциал. М-триггер принимает информацию, но низкий потенциал на входе синхронизации S-триггера блокирует приём информации. После того как потенциал поменялся на противоположный информация из M-триггера записывается в S-триггер, но приём информации в M-триггер блокируется.

Такая двухступенчатая система намного надёжнее обычного RS-триггера. Она свободна от случайных срабатываний.

Для более наглядного изучения работы RS-триггера рекомендую провести эксперименты с RS-триггером.

Триггер Шмитта на транзисторах, так же как и триггер Шмитта на ОУ, является системой двух устойчивых состояний, переход которого из одного состояния в другое связан с амплитудой запускающего импульса.

Подобные триггеры широко используются, в вычислительной технике и всевозможных промышленных приборах, где нужно менять форму сигнала, преобразовывать прямоугольные импульсы из синусоиды колебаний и регистрировать завышение сигнала определенного порога. Стандартная схема триггера Шмитта на двух биполярных транзисторах n-p-n приводится ниже.

Для правильного уяснения работы триггера Шмитта сперва допустим, что на входе транзистора VT1 нет сигнала. Сопротивления R1, R2 и R3, подключены к минусу и плюсу питания, и создают своеобразный делитель напряжения. По отношению к эмиттеру транзистора VT2, падение напряжения на сопротивлении R3 окажется положительным, по причине этого данный транзистор будет открыт.

От источника питания на коллектор транзистора VT2 через резистор R4 идет положительный потенциал. Когда транзистор открыт, ток эмиттера, протекающий через R4, создает на нем падение напряжения. Сквозь вторичную обмотку трансформатора Тр1, имеющего малое сопротивление, потенциал на резисторе R5 оказывается между базой и эмиттером VT1 и формирует обратное смещение на переходе Б-Э. В связи с этим VT1 закрыт. Данное устойчивое состояние схемы Шмитта является одним из двух вероятных состояний.

Вследствие падения напряжения на R4 по причине протекания через него тока, потенциал коллектора VT2 будет намного ниже напряжения питания. При поступлении на вход сигнала, он не окажет никакого воздействия на устойчивость триггера Шмитта, если его амплитуда будет меньше напряжения смещения между эмиттером и базой транзистора VT1, идущего с сопротивления R5.

В том случае если входной сигнал будет по амплитуде больше этого смещения, то произойдет открытие VT1. Из-за снижения потенциала на коллекторе VT1 снижается смещение на базе VT2, и в итоге его эмиттерный ток также снизится.

Из-за этого снизится падение напряжения на сопротивлении R5, а смещение на базе VT1 увеличится и инициирует последующий рост тока через VT1. Падение напряжения на R1 также значительно повысится, что в свою очередь уменьшит смещение на базе VT2 и снизит падения напряжения на R5. Этот алгоритм будет длиться до тех пор, пока VT1 до конца не откроется, а транзистор VT2, не закроется.

Как только ток коллектора VT2 достигнет нуля и на сопротивлении R4 начнет падать напряжение, потенциал же на его коллекторе станет увеличиваться, который пройдя через конденсатор С2 становится выходным сигналом.

Величина и форма сигнала на выходе триггера Шмитта находятся в прямой зависимости от постоянной времени (R4+Rн)C2 и сопротивления нагрузки Rн. Устойчивое положение, которое отвечает закрытому транзистору VT2 и открытому VT1, является вторым состоянием триггера Шмитта, и оно длится, пока есть входной сигнал. И как только входной сигнал пропадет, триггер Шмитта переходит в первоначальное состояние.

Если постоянная времени (R4+Rн)С2 существенно превышает продолжительность входного сигнала, то амплитуда сигнала на выходе триггера Шмитта практически оказывается стабильной, без изменений.

Электронный триггер - устройство с двумя устойчивыми состояниями предназначенное для хранения одного бита информации. Триггеры могут быть построены на электронных ключах. В предыдущей статье описан электронный ключ на биполярном транзисторе кт940А если два таких ключа соединить каскадно (выход первого со входом второго) после чего выход второго ключа соединить со входом первого то получится система с двумя устойчивыми состояниями представляющая собой неинвертирующий усилитель охваченный глубокой положительной обратной связью. Рассмотрим схему на рисунке 1:

Предположим что после подачи питания на схему открылся транзистор VT2 следовательно потенциал базы транзистора VT1, относительно земли, понизился и транзистор VT1 стал удерживаться в закрытом состоянии. Если на некоторое время замкнуть перемычкой коллектор и эмиттер транзистора VT1 то потенциал базы транзистора VT2, относительно земли, понизится, транзистор VT2 закроется следовательно повысится потенциал базы транзистора VT1 и он будет удерживаться в открытом состоянии таким образом триггер перейдет в другое состояние. Чтобы перевести триггер обратно в первое состояние можно на некоторое время замкнуть перемычкой коллектор и эмиттер транзистора VT2 или замкнуть перемычкой коллектор транзистора VT1 и плюс питания. Данный триггер можно использовать для запуска и остановки маломощного электродвигателя (например двигателя RF-310T-11400 рассчитанного на напряжение 5.9В) при этом триггер будет хранить одно из двух состояний: 1) когда двигатель запущен и работает или 2) когда двигатель остановлен и не работает.

Рисунок 2 - Схема триггера для запуска, остановки электродвигателя (например RF-310T-11400)

Схема на рисунке 2 обладает недостатками: когда двигатель работает часть тока проходит через открытый транзистор VT1, когда двигатель не работает ток проходит через открытый транзистор VT2. Данный триггер можно использовать для управления более мощными элементами коммутации силовых цепей.

На рисунке 3 приведен более безопасный но менее удобный вариант схемы:

В статье показано, каким образом, добавив цепь положительной обратной связи к паре Дарлингтона, можно создать триггер Шмитта с очень большим коэффициентом усиления тока (в типичном случае – 10,000). Я не знаю каких-либо решений, сравнимых по характеристикам, за исключением интегральных схем. Тем не менее, эта очень простая схема успешно выполняет универсальные функции. Схему можно рассчитать на работу с токами нагрузки от единиц миллиампер до ампер, причем при низких токах ее входное сопротивление может превышать 100 МОм.

На Рисунке 1 показана упрощенная схема в версии с входным NPN транзистором и активным низким уровнем, а на Рисунке 2 – с PNP транзистором и активным высоким уровнем. R₂ и R₃ (с учетом R_L) задают напряжение на эмиттере Q₁. Когда входное напряжение V_IN возрастает от нуля до значения V_IN(ON), определяемого выражением (1), Q₁ начинает включаться. Возрастающий ток его коллектора, усиливаемый транзистором Q₂, будет приводить к снижению выходного напряжения V_OUT, вследствие чего напряжение на эмиттере Q₁ будет уменьшаться, еще больше открывая транзистор. Процесс будет продолжаться до тех пор, пока Q₁ не войдет в насыщение. Предполагается, что положительная обратная связь через резистор R₃ больше, чем отрицательная, обусловленная током эмиттера Q₁.

Рисунок 1.

Триггер Шмитта на двух транзисторах.

В этом и последующих уравнениях V_BE и V_CE с соответствующими индексами обозначают напряжения база-эмиттер и коллектор-эмиттер транзисторов Q₁ и Q₂.

Последнее иллюстрируется неравенством (2), которое должно выполняться, по крайней мере, с двукратным запасом. (В этой формуле β₁ и β₂ обозначают коэффициенты усиления токов транзисторов Q₁ и Q₂, соответственно, а R_S – сопротивление источника сигнала V_IN). Чем строже неравенство, тем большей будет величина гистерезиса.

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

Решая неравенство (2), можно, в соответствии с выражениями (3) и (4), определить границы допустимых значений сопротивления нагрузки R_L и входного сопротивления R_IN (в нашей схеме оно обозначено как R₁). Кроме того, из (4) и (5) определяем граничное значение R₃, которое должно быть, по крайней мере, в β₂ раз больше, чем R_L, чтобы сопротивление R_IN было положительным. Типичное значение R₃ не превысит половины от этой величины. Очевидно, что это будет справедливо, если коэффициент усиления Q₂ велик. Выбрав R₃ и V_IN(ON), можно по формуле (6) рассчитать R₂.

Рисунок 2.

Версия с активным высоким уровнем.

Ток, протекающий через R_IN, увеличивает падение напряжения V_R2 на резисторе R₂ (уравнение 9), и если сопротивление R₁ слишком мало, этот ток станет чрезмерно большим. (В предельном случае, если R_IN равно 0, напряжение V_OUT будет повторять V_IN). При снижении входного напряжения V_IN выход останется включенным до тех пор, пока Q₁ не выйдет из насыщения. В этот момент положительная обратная связь выключит как Q₁, так и Q₂. Напряжение V_IN(OFF), при котором этом произойдет, можно найти с помощью выражения (8). В связи с тем, что, скорее всего, вы захотите выбирать сопротивление R₂, минимальным, чтобы минимизировать выходное напряжение низкого уровня, уровень V_IN(OFF) будет зависеть от сопротивления резистора R₁, но, опять же, значение V_IN(OFF) зависит от коэффициентов усиления β транзисторов Q₁ и Q₂.

(7)

(8)

(9)

Это неточное определение точки выключения является одним из недостатков предлагаемой схемы. Однако для множества приложений высокая точность и не требуется. Как правило, сопротивления R₂ и R₃ вы будете выбирать минимально допустимыми с точки зрения возможности практической реализации схемы, не забывая про ток покоя, протекающий через R_L. Сопротивление R₁ может быть настолько большим, насколько это необходимо, но с учетом как ограничения, задаваемого уравнением (4), так и желаемого уровня V_IN(OFF). Еще одним существенным недостатком можно считать относительно высокое напряжение на открытом транзисторе Q₂, что при токах, превышающих несколько ампер, делает использование схемы непрактичным. Все вышесказанное делает нишей целесообразного использования схемы устройства с более высокими напряжениями и токами, чем это возможно реализовать на большинстве интегральных схем.

Рисунок 3.

Дополнения для практической реализации.

На Рисунке 3 изображена схема из Рисунка 1, в которую добавлены три дополнительных компонента, сделавших ее пригодной для множества практических приложений. Диод D₁ защищает переход база-эмиттер транзистора Q₁ от пробоя в том случае, если в выключенном состоянии напряжение не эмиттере превысит 6…7 В. D₂ уменьшает вклад R₃ в выходное напряжение открытой схемы. D₂ особенно необходим в случае, если R₃ вы сделаете равным или меньшим R₂. R₄ способствует более уверенному закрыванию транзистора Q₂ и предохраняет его от включения током утечки Q₁.

В качестве Q₂ можно использовать транзистор Дарлингтона. (Аналогичная замена транзистора Q₁ существенного выигрыша не даст). Кроме того, любой из транзисторов, или оба можно заменить на MOSFET, соответствующим образом изменив расчетные уравнения.

Читайте также: