Научная статья на тему 'Триггеры'

Триггеры Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
355
26
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ТРИГГЕР / TRIGGER / ДВОИЧНЫЙ / BINARY / ТРОИЧНЫЙ / НА НЕПРЕРЫВНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ / CONTINUOUS ELEMENTS / СХЕМОТЕХНИЧЕСКОЕ РЕШЕНИЕ / CIRCUIT DECISION / TERNARY

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Волошиновский Кирилл Иванович

Работа над топологией триггера заставляет получить триггер наиболее надежный и при этом более простой, а сам синтез триггера заставляет задуматься о поэтапном закономерном получении схемы и математической модели триггера, чтобы за длительный интервал не накапливалась ошибка. Задача получения триггера без насыщения приводит к «целой» вариации решений на базе дискретных и непрерывных элементов. Область применения триггеров широка, в частности они применяются в устройствах преобразования данных в формате Манчестер. например в триггер-преобразователях ячеек AIT MIL STD 1553 для станций National Instruments PXI. При разработке практических задач схемы решений оказываются громоздкими [5], поэтому вспомогательные блоки должны быть заранее проработаны в виде готовых схемотехнических решений, в т.ч. для триггера. Использование триггера может быть востребовано даже в тестовой задаче.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

TRIGGERS

Elaboration of a layout of a trigger makes it possible to produce the most reliable and simpler trigger, and the process of synthesizing a trigger engenders thinking on step-by-step regular construction of a scheme and a mathematical model of a trigger, such that a longer interval brings no error accumulation. The task of obtaining a trigger without saturation leads to a variety of solutions based on discrete and continuous elements. Triggers have wide application area, for instance, in data conversion mechanisms using Manchester encoding, e.g. trigger-converters for PXI AIT MIL STD 1553 modules of National Instruments. Even the simplest solution schemes appear complicated when developing real-world problems [5], and auxiliary blocks and schemes are to be prepared beforehand, in the form of ready-made circuit decisions, including triggers. Trigger may be needed even in solving a test problem.

Текст научной работы на тему «Триггеры»

УДК 621.37, 621.39

К.И. Волошиновский

ТРИГГЕРЫ

Работа над топологией триггера заставляет получить триггер наиболее надежный и при этом более простой, а сам синтез триггера заставляет задуматься о поэтапном закономерном получении схемы и математической модели триггера, чтобы за длительный интервал не накапливалась ошибка. Задача получения триггера без насыщения приводит к «целой» вариации решений на базе дискретных и непрерывных элементов. Область применения триггеров широка, в частности они применяются в устройствах преобразования данных в формате Манчестер. например в триггер-преобразователях ячеек AIT MIL STD 1553 для станций National Instruments PXI. При разработке практических задач схемы решений оказываются громоздкими [5], поэтому вспомогательные блоки должны быть заранее проработаны в виде готовых схемотехнических решений, в т.ч. для триггера. Использование триггера может быть востребовано даже в тестовой задаче.

Ключевые слова: триггер, двоичный, троичный, на непрерывных элементах, схемотехническое решение.

Введение

В процессе схемотехнического синтеза триггера не ставится задача получить простую схему, важно получить схему которая технически реализуема и может быть представлена в виде топологии. В ряде источников, например в [7], в состав

Constants

Рис. 1. Применяемые схемы элементарной логики

ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2017. № 2. С. 24-45. © 2017. К.И. Волошиновский.

Рис. 2. Многотактный триггер на непрерывных элементах с коррекцией первого такта с помощью однотактного триггера в форсирующей связи

схемы включаются другие блоки, которые имеют собственные внутренние топологии, что усложняет задачу получения оконечной топологии, т.е. еще до того как задача решена, в состав

И 0ut GLOBAL 1 о I El ийЫ'

fi>I а и ш 0 в

аии еа-ч?

П 1 п h п п n h п

1

.51-1-i-1-1-1-1-i-1-1-

t 2 4 С * 11 12 U 1С 11 2*

Рис. 3. Переходные процессы в триггере на непрерывных элементах

схемы включаются готовые громоздкие блоки. Важно получить не однотактовое срабатывание, а множественное переключение разными способами с возможностью перезагрузки, причем таким образом, чтобы структура схемотехнического решения была прозрачно и было понятно из каких укрупненных блоков состоит оконечная схема.

Простейшая идея для получения схемотехнического решения триггера на непрерывных блоках получить контур, который хранит знак переключения на следующем такте, однако, как будет показано, такой подход приводит к схеме более громоздкой, но топология такой схемы не очень-то и громоздкая, поэтому есть смысл. Второй контур накапливает бит информации, который меняется под воздействие переключателя. Двух-контурная схема не так уж и сложна. Контур хранения знака можно построить по-разному, в том числе, применяя формулу замкнутой ПФ САУ.

Триггер на непрерывных элементах. Многотакный и однотакный в составе многотактного

Топология триггера делает интересными решения на простых блоках, которые имеют стандартные схемы аппаратной реализации. Реализация триггера — объект авторского права, поэтому решение должно с одной стороны отличаться от известных, но с другой стороны быть похожей на известные признанные решения, поэтому нельзя ограничиться рассмотрением одной или двух схем.

Рис. 4. Коррекция первого такта форсирующей связью с операционным усилителем в триггере на непрерывных элементах

На рис. 3. показано, что интервал поступления импульсов может варьироваться. Переходные процессы приведены для постоянного минимального квантования, однако саму схему можно проверить для переменной частоты следования импульсов на входе. Проблемой такого схемотехнического подхода становится устранения насыщения в схеме, но саму схему можно сделать более компактной.

Двоичный триггер со счетчиком-накопителем

В ряде подходов схема триггера может оказаться компактной, но содержит дискретные блоки или блоки, содержащие нелинейности, например Quantizer. Поэтому их аппаратная реализация иногда затруднительно, однако все же возможна, если реализовать Quantizer или воспользоваться его готовой топологией. Модуль напряжения — все лишь, диодный мост (рис. 5).

Двоичный триггер с дискретным счетчиком-накопителем. Выравнивание фронтов импульсов

В современных средах моделирования, таких как Ма^аЬ 2007R, 2013. 2014 счетчик накопитель можно построить на дис-

Рис. 5. Переходные процессы и схема двоичного триггера

Constants

Рис. 6. Схема двоичного триггера с ровными прямоугольными фронтами импульсов

Рис. 7. Переходные процессы в схеме (рис. 6)

кретных блоках, что позволяет легко выровнять переходные процесс и получить «идеально-ровные» фронты импульсов.

Формульный триггер для MSExcel

Постановку задачи триггера в виде формулы можно представить в виде алгоритма программы MSExcel VBA:

Public Function TriggerF(I As Variant, O As Variant) As Variant ' returns Onew

' Идея в том, чтобы не сравнивать старое значение с новым,

' а подсчитать вектор по формуле

vector = I * (1 - O * 2)

Onew = O + vector

TriggerF = Onew

End Function

Рис. 8. Диаграмма (график) срабатывания формулы триггера в MSExcel

Двочный триггер со переменной полярностью на входе и меандрой на выходе

Задача получения смены и поддержания единичного и нулевого уровня на выходе САУ значительно упрощается при обеспечении смены полярности по входу, но следует понимать, что смену полярности по входу сначала требуется обеспечить.

Рис. 9. Триггер с поддержание уровня на выходе при смене полярности на входе

Рис. 10. Два такта разной полярности на выходе двухтактного триггера

Двухтактный триггер на непрерывных элементах

В основу схемы многотактного триггера можно положить 3-тактный триггер. Такой подход предает схеме возможность многократного срабатывания, но не исключает аппаратного насыщения. Однако, прежде чем получить три такта сначала нужно получить два такта.

Рис. 11. 3-тактный триггер

Рис. 12. 3-тактный триггер: переходные процессы входа, вектора, выхода

Трехтактный триггер на непрерывных элементах

Триггер (рис. 2) построен на базе 3-тактного триггера (рис. 10).

Полнотактный триггер (w-тактный триггер) с блоком

округления

Иногда я-тактный триггер удается построить на базе 2-такт-ного триггера. Однако, один из необходимых блоков оказывается более сложным, например блок округления Floor. Идея такой схемы состоит в том, что после срабатывания сразу перевести вектор в ноль, т.е. не переключать вектор. Для такой схемы можно предложить другой инвертор.

Cciiitanll Soope2

л a 0j»> j а а @\ в а -щ

—Р 1 1 1- 1 -

1_ _ _

-(

Рис. 13. Триггер с блоком округления

Рис. 14. Триггер с амплитудой A

Рис. 15. Триггерная схема со «сложным» триггер-эффектом

Триггер с амплитудой A, хранящий sgn входного сигнала с прошлого такта

Триггер можно построить для случайного входа, применяя формулу замкнутой ПФ САУ, такой триггер хранит знак последнего не нулевого входного сигнала. А в течении интервала с нулевом входом, определенный знак поддерживается по выходу (рис. 14).

Триггер-эффект c алгоритмом для его наблюдения и триггер на его основе

Часто возникает вопрос, как проиллюстрировать, и как получается, сложный триггер эффект, и как сложный триггер-эффект применить. Триггер эффект можно получить, например, с помощью схемы (рис. 15). Найденный триггер-эффект можно превратить в триггер (рис. 16).

Однотактный двоичный триггер с интегратором (операционным усилителем) в прямом тракте

См. рис. 17.

Рис. 16. Алгоритм двухтактоного триггера в среде MatLab2007b на базе триггер-эффекта

Рис. 17. Двоичный триггера с операционным усилителем Троичный триггер

Счетчик двоичного триггера можно применить для компактного троичного триггера.

Рис. 18. Троичный триггер просто считает 0, 1, 2; 0, 1, 2

Рис. 19. Троичный триггер на базе интегратора с перезагрузкой Троичный триггер с ровным прямоугольным фронтом

Рис. 20. Троичный триггер с ровными прямоугольным фромнтами

Двоичный триггер на базе интегратора

Рис. 21. Триггер с интегратором и quantizer

Триггер на базе блоков дискретного запаздывания

Рис. 22. Триггер с двумя запаздываниями при соблюдении нормированной длительности

Триггер с амплитудой А с «меандрой» переменной частоты без счетчика

_ ____Ос* РгооисМ ___

Ш-ЧЗ нэ

Н*дг»*.ог 5с©р«5 |__|

~<Г---

Рис. 23. Валидный трапециидальный выход триггера с амплитудой А<=1

Двоичный триггер на базе триггера с амплитудой А с меандрой переменной частоты со счетчиком

Рис. 24. Образование апериодического процесса, близкого к меандре, на производной после интегратора в триггерной схеме

Полуторатактный триггер («полтора такта»)

Прежде чем получить полноценный много тактовый триггер с обеспечением смены полярности на промежуточном входе второго контура, получим «полтора такта».

Рис. 25. 1,5-тактный триггер

Четырехтактный триггер со сменой полярности на промежуточном входе второго контура

: Ы а -ч Егы

Рис. 26. Четырехтактный триггер с необходимостью корректировки первого такта

Рис. 27. Четырехтактовый промежуточный выход для «триггера с амплитудой А» с математическая моделью [6] и сменой полярности

Двоичный триггер на базе триггера с амплитудой А

Рис. 28. Двоичный триггер на базе «триггера с амплитудой А»

Двоичный триггер на базе апериодического звена

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

На базе емкости, т.е. по сути апериодического звена с обратной связью, можно построить счетчик.

Рис. 29. Счетчик организованный на апериодическом звене с обратной связью

Из счетчика легко получить один такт, а затем превратить его в многотактный триггер.

Рис. 30. Двоичный однотактовый триггер с необходимостью корректировки первого такта на базе апериодического звена

Многотактный триггер со сменой полярности на промежуточном входе

Рис. 31. Многотактный триггер

'§« И1* А «1

1 3 2 1 • •2 •3 1

1 11111

1 23456719 11

Рис. 32. Переходные процессы на выходах многотактного триггера

Рис. 33. Смена полярности на промежуточном входе

Триггер с возможностью перезагрузки на непрерывных элементах

Рис. 34. Многотактный триггер на непрерывных элементах

Рис. 35. Переходной процесс на выходе с учетом входа перезагрузки

В 01Л2 х |

АНЦЛЬР^ЧАВВ! е А и

1 0 -1 •2

II

г 4 в 8 10 12 14 16 18 20

Рис. 36. Импульсный сигнал входа перезагрузки 42

Многотактный триггер со сменой полярности на промежуточном входе без блока round

Рис. 37. Многотактный триггер со сменой полярности промежуточного входа «триггера с амплитудой А» без блока round

Заключение

Задача получения схемотехнического решения триггера решаема, даже для компактных топологий. Сложные блоки округления и дискретизации можно исключить из схемотехнического решения и представить его в виде схемы на непрерывных элементах, которая может быть реализована, хотя бы на микросхемах с целью аппаратной проверки и выявления аппаратных особенностей работы таких схем.

g® и«* i

1 3 2 1 • -1 •2 •3 •4 !

1 I I I

J 1 234567191

Рис. 38. Переходные процессы в триггере без блока round

В целом можно выделить триггеры двоичные (троичные, я-ичные) со счетчиком и без, с ровным и трапециидальными фронтами; на непрерывных элементах двухконтурные, с накоплениям вектора смены знака, с корректирокой первого такта форсирующей связью и накоплением бита; триггеры с обратной связью. Могут быть построены триггеры на базе интеграторов и апериодического звена, так же как и счетчики. Элементами схемы могут быть условные операторы сравнения чисел по величине, а также логические инверторы. В процессе корректировки первого бита можно использовать разные решения для однотактного триггера, приведенные выше.

Для громоздких схем в NI LabView или Step7 можно предложить алгоритмы для программной реализации триггеров на базе контроллеров Siemens, станций National Instruments PXI, а также любых других контроллеров, микропроцессоров и/или макетно-отладочных плат, что позволяет программно проверить предлагаемое решение триггера, а затем закономерно реализовать его аппаратно.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Волошиновский К. И. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2015619051, 24 августа 2015 г. Переключательные триггеры на непрерывных элементах и двоичные (Matlab Simulink).

2. Волошиновский К. И. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2016613022, 15 марта 2016 г. Программный комплекс: Триггеры: 2-х и n-тактные, троичный, с амплитудой А (sgn) и триггер-эффект (Matlab Simulink).

3. Волошиновский К. И. Заявка на государственную регистрацию программы для ЭВМ № 2016611276/69, 10.02.2016 г. Триггеры: многотакт-ные, 1- и 2-х тактные на базе 1/s и 1/Tp+1, без 1/s и с чередованием полярности на входе (Matlab Simulink).

4. Волошиновский К. И. Заявка № 206108645 от 11.03.2016. на государственную регистрацию заявления о выдаче патента Российской Федерации на изобретение: Способ преобразования электрических импульсов в код Манчестер и устройство для его осуществления.

5. Волошиновский К. И. Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2016611624, 08 февраля 2016 г. Прозвон клемм-ных соединений (LabView).

6. Деч Г. Руководство к практическому применению преобразования Лапласа и z-Преобразования с приложением таблиц, составленных Р. Гершелем. - М.: Наука, 1971. - 288 с.

7. Зельдин Е. А. Триггеры. — М.: Энергоатомиздат, 1983. — 96 с.

8. Китов А. И., Криницкий Н. А. Электронные цифровые машины и программирование. — М.: Физматгиз, 1959. — 572 с. КПЗ

КОРОТКО ОБ АВТОРЕ

Волошиновский Кирилл Иванович — кандидат технических наук, доцент, e-mail: gas7dev@gmail.com, МГИ НИТУ «МИСиС».

UDC 621.37, 621.39

Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2017. No. 2, pp. 24-45. K.I. Voloshinovskiy

TRIGGERS

Elaboration of a layout of a trigger makes it possible to produce the most reliable and simpler trigger, and the process of synthesizing a trigger engenders thinking on step-by-step regular construction of a scheme and a mathematical model of a trigger, such that a longer interval brings no error accumulation. The task of obtaining a trigger without saturation leads to a variety of solutions based on discrete and continuous elements. Triggers have wide application area, for instance, in data conversion mechanisms using Manchester encoding, e.g. trigger-converters for PXI AIT MIL STD 1553 modules of National Instruments. Even the simplest solution schemes appear complicated when developing real-world problems [5], and auxiliary blocks and schemes are to be prepared beforehand, in the form of ready-made circuit decisions, including triggers. Trigger may be needed even in solving a test problem.

Key words: trigger, binary, ternary, continuous elements, circuit decision.

AUTHOR

Voloshinovskiy K.I., Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor, e-mail: gas7dev@gmail.com,

Mining Institute, National University of Science and Technology «MISiS», 119049, Moscow, Russia.

REFERENCES

1. Voloshinovskiy K. I. Svidetel'stvo ob ofitsial'noy registratsii programmy dlya EVM no 2015619051 (Certificate of official registration of computer programs no 2015619051),

24.08.2015.

2. Voloshinovskiy K. I. Svidetel'stvo ob ofitsial'noy registratsii programmy dlya EVM no 2016613022 (Certificate of official registration of computer programs no 2016613022),

15.03.2016.

3. Voloshinovskiy K. I. Zayavka na gosudarstvennuyu registratsiyu programmy dlya EVM no 2016611276/69 (Application for the state registration of the computer program no 2016611276/69), 10.02.2016.

4. Voloshinovskiy K. I. Zayavka na gosudarstvennuyu registratsiyu zayavleniya o vy-dache patenta Rossiyskoy Federatsii na izobretenie no 206108645 (Application for the state registration of applications for grant of a patent of the Russian Federation for the invention no 206108645), 11.03.2016.

5. Voloshinovskiy K. I. Svidetel'stvo ob ofitsial'noy registratsii programmy dlya EVM no 2016611624 (Certificate of official registration of computer programs no 2016611624), 08.02.2016.

6. Dech G. Rukovodstvo k prakticheskomu primeneniyu preobrazovaniya Laplasa i z-Preobrazovaniya sprilozheniem tablits, sostavlennykh R. Gershelem (A guide to the practical application of Laplace transform and z-transform with the application of tables, compiled by R. Herschel), Moscow, Nauka, 1971, 288 p.

7. Zel'din E. A. Triggery (Triggers), Moscow, Energoatomizdat, 1983, 96 p.

8. Kitov A. I., Krinitskiy N. A. Elektronnye tsifrovye mashiny iprogrammirovanie (Electronic digital machines and programming), Moscow, Fizmatgiz, 1959, 572 p.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.