Исследование триггеров, построенных из логических элементов и являющихся примитивами стандартной библиотеки, а также устройств на их основе

Санкт-Петербургский Государственный политехнический университет

Кафедра автоматики и вычислительной техники

Лабораторная работа №2

«Триггеры»

Выполнил

3081/4

Проверил

Санкт-Петербург, 2009

Цель работы

Исследование триггеров, построенных из логических элементов и являющихся примитивами стандартной библиотеки, а также устройств на их основе.

Выполнение работы

Был выполнен ввод схемы асинхронного RS-триггера, к которому позднее была добавлена синхронизация уровнем.

Временное моделирование первоначального устройство показало ожидаемое функционирование во всех допустимых режимах.

При подаче на входы запрещенной комбинации на обоих выходах появляются сигналы, соответствующие единице.

Диаграмма работы триггера, синхронизируемого уровнем, разделена на три части: показана аналогичная работа при наличии синхросигнала, показано отсутствие реакции на входы R и S при его нулевом значении, продемонстрирован переход триггера из особого состояния в состояние хранения.

Можно говорить о том, что синхронизация осуществляется именно уровнем, так как состояние триггера изменяется даже при отсутствии фронта или спада синхросигнала. При подаче запрещенной комбинации при активном синхросигнале значение выходов то же, что в предыдущем случае: две единицы; после перевода в режим хранения триггер устанавливается в состояние хранения единицы.

Третьей моделью было исследование режима генерации.

Видно, что длительность генерируемых импульсов зависит от длительности поданого короткого сигнала, а также что при подаче импульса продолжительностью около 0,4 нс на обоих выходах появляются периодические сигналы, а при 0,2 нс (что сопоставимо со сдвигом между противоположными фазами выходов во втором случае) — только на одном.

Следующим объектом исследования стал D-триггер.

Функционирование на макете полностью совпало с представленными ниже результатами моделирования:

Была изучена работа триггеров, представленных примитивами DFFE и JKFFE.

Моделирование работы JK-триггера:

В левой части рассматриваются различные комбинации входных сигналов, в правой демонстрируется приоритет асинхронных установок: при активном уровне на входе PRN триггер устанавливается в единичное состояние несмотря на сигнал K, аналогично активный CLRN подавляет активный J.

Модель DFFE:

Первая треть демонстрирует режимы работы, а также то, что синхронизация осуществляется по фронту. Во второй трети видна приоритетность асинхронных установок перед синхронными входами, наряду с тем, что при одновременно присутствующих активных уровнях результируящий режим работы — нулевой (впрочем, в самом конце диаграммы видно, что при одновременном их появлении на выходе появляется короткий единичный сигнал). Последняя часть отмечает факт влияния входа ENA лишь на информационные входы, но не на установочные.

Временные характристики (худшая характеристика среди информационных входов для t_su и t_h):

Было проведено моделирование работы при нарушении этих характеристик.

При фронте D, который появляется раньше, чем фронт синхросигнала, на время, меньшее времени установки (примерно 0,33 нс) триггер не меняет свое состояние. Следующий синхросигнал демонстрирует явно отрицательное значение времени удержания: при совпадающих спаде на информационном входе и фронте на синхровходе переключение все же происходит. Для нарушения же этой временной характеристики спад и фронт пришлось разнести на значительно большее время, чем утверждалось в отчете о компиляции: на 1,2 нс вместо 0,02 нс.

Была создана схема из двух генераторов коротких импульсов, одно из которых реагировало на фронт входного сигнала, второе — на спад. После объединения их выходов функцией ИЛИ было получено устройство удвоения частоты.

Длительность импульса на выходе — примерно 1,3 нс.

Диаграмма показывает тестирование функционирования устройств одиночным импульсом, затем — работу в качестве удвоителя частоты периодического сигнала.

Было реализовано устройство выявления фронта, формирующее импульс длительностью в один такт при положительном перепаде на входе.

Исследование состояло из проверки функционирования в принципе, а также нескольких произвольных коротких импульсов с короткими интервалами между ними.

Очевидно, что для надежной работы импульсы и паузы должны быть длиннее одного такта (на сколько именно зависит от различного рода задержек), в противном случае будет ли выявлен фронт зависит от взаимного расположения фронтов на входе и синхронизационного.

Затем данное устройство было рассмотрено на стенде.

На вход подавался сигнал с одной из кнопок макета, защищенный от дребезга. Выход шел на счетчик, который через дешифратор (для более простого восприятия результата) был подключен к светодиодам. Эксперимент показал, что при каждом нажатии действительно формировался только один импульс, вне зависимости от длительности этого нажатия.

Выводы

Триггеры, являясь устройствами, построенными на сравнительно небольшом количестве логических элементов, демонстрируют значительную гибкость различных вариантов использования. В первую очередь, это базовые элементы памяти (как они и занесены в библиотеку Quartus II, в категорию «storage»), однако рассмотренные в ходе выполнения данной лабораторной работы способы применения показывают, насколько широк спектр возможностей триггеров. Другой аспект, на который обращают внимание проделанные исследования — временные характеристики. Уже первое устройство — асинхронный RS-триггер — демонстрирует влияние длительности импульса на функционирование. Далее было промоделировано влияние времени установления и удержания, причем второе оказалось отрицательным, и существенно большим непосредственно на модели по модулю, чем сообщалось в отчете о компиляции. Для устройства удвоения частоты подаваемые импульсы должны были быть длиннее, чем формируемые первой, реагирующей на фронт, составной частью. Ограничения снизу накладываются и на длительность импульсов в устройсте выделения фронта.