觸發(fā)器是數(shù)字電路中的一種基本單元

1、第5章 觸發(fā)器5.1 概述觸發(fā)器是數(shù)字電路中的一種基本單元，它與門電路配合，能構成各種各樣的時序邏輯部件，如記數(shù)器、寄存器、序列信號發(fā)生器等。一個觸發(fā)器具有如下的特點：兩個互補的輸出端Q和Q； “O”和“1”兩個穩(wěn)態(tài)；觸發(fā)器翻轉的特性； 記憶能力。1對觸發(fā)器的基本要求 1）應該具有兩個穩(wěn)定狀態(tài)0狀態(tài)和1狀態(tài) 2）能夠接收、保存和輸出信號2觸發(fā)器的現(xiàn)態(tài)和次態(tài)現(xiàn)態(tài)觸發(fā)器接收輸入信號之前的狀態(tài)叫做現(xiàn)態(tài)，用Qn表示。次態(tài)觸發(fā)器接收輸入信號之后的狀態(tài)叫做次態(tài)，用Qn+1表示。3觸發(fā)器的分類 1）按照電路結構和工作特點分 基本觸發(fā)器、同步觸發(fā)器、主從觸發(fā)器和邊沿觸發(fā)器 2）按照（在時鐘控制下的）功能分 R

2、S型觸發(fā)器、D觸發(fā)器、JK觸發(fā)器、T觸發(fā)器和T´觸發(fā)器4時序邏輯電路組合邏輯電路的特點是電路的輸出僅取決于當時的輸入，與電路的歷史狀態(tài)無關。即Z=F(X)。時序邏輯電路的輸出狀態(tài)不僅與該時刻的輸入有關，而且還與電路的歷史狀態(tài)有關。由現(xiàn)在的輸入狀態(tài)和現(xiàn)在的輸出狀態(tài)共同決定下一次的輸出狀態(tài)。電路特點輸入、輸出之間至少有一條反饋路徑；組合電路輸入X輸出ZWP存儲電路Q1W1××××××××××××QKCPZ1ZmX1Xn觸發(fā)器的狀態(tài)輸出觸發(fā)器的控制輸入電路中含有貯存單元。

3、時序電路的一般結構如圖。X為輸入變量；Z為輸出變量；Q為觸發(fā)器的輸出，稱為狀態(tài)變量。Q n表示現(xiàn)態(tài)，Q n+1表示次態(tài)；狀態(tài)是時序電路的一個重要概念。W為觸發(fā)器的輸入，也是時序電路的控制變量；CP為時鐘脈沖。5描述時序電路邏輯功能的方法(1)方程式：輸出方程：Z=F1 (X，Q n)驅動方程：W=F2 (X，Q n)狀態(tài)方程：Q n+1= F3 (W，Q n)(2)狀態(tài)表反映輸入、輸出、現(xiàn)態(tài)、次態(tài)之間的關系的表格。(3)狀態(tài)圖反映時序邏輯電路的狀態(tài)轉換規(guī)律及相應輸入出取值情況的幾何圖形。(4)時序圖表示各信號，電路狀態(tài)等的取值在時間上的對應關系。構成時序邏輯電路常用存儲單元是觸發(fā)器。5.2 基

4、本RS觸發(fā)器 由與非門組成直接置0、置1，是構成各種不同功能觸發(fā)器的基本單元。&&SDQRDQ用與非門構成的RS觸發(fā)器及邏輯符號如圖。1功能分析觸發(fā)器的狀態(tài)指Q端的狀態(tài)。(1)RD=0，SD=1，則觸發(fā)器置0。在RD端加一負脈沖（寬度2tpd），電路將可靠地翻轉為Q=0狀態(tài)，并保持下來。Q=0態(tài)，稱為“復位狀態(tài)”。RD端稱為“復位端”或稱直接置0端。S1R2112QQSetReset(2)RD=1，SD=0，則觸發(fā)器置1。在SD端加一負脈沖（寬度2tpd），電路將可靠地翻轉為Q=1狀態(tài)，并保持下來。Q=1態(tài)，稱為“置位狀態(tài)”。SD端稱為“置位端”或稱直接置1端。(3)RD=1，

5、SD=1，則觸發(fā)器保持原來的狀態(tài)。例如： Q=1，Q、RD的全1使Q=0，Q的0又維持了Q的1，這是觸發(fā)器的一個穩(wěn)態(tài)。同理，若Q=0，則觸發(fā)器將保持另一個穩(wěn)態(tài)0態(tài)。(4)RD=0，SD=0，將迫使Q、端同時出現(xiàn)1態(tài)，破壞了正常的互補狀態(tài)。對一個存儲單元來說，這既不是“0”態(tài)，也不是“1”態(tài)，沒有意義。當RD、SD端的負脈沖同時撤消以后，則兩門的輸入有同時出現(xiàn)全1，于是，兩門有爭先恐后地向低電平翻轉，觸發(fā)器的狀態(tài)不能確定。（若是有先有后地撤消RD、SD端的負脈沖，則觸發(fā)器的狀態(tài)是確定的。）使用時，不許在RD、SD同時加信號！2描述功能的方法狀態(tài)轉移真值表RDSDQnQn+100111100110

6、011000101010101Q n不定001101××有狀態(tài)轉移真值表、特性方程、狀態(tài)轉移圖和時序圖(工作波形)等。(1)狀態(tài)轉移真值表以表格的形式描述文字定義，也叫特性表。根據(jù)上述分析，可列出基本RS觸發(fā)器的狀態(tài)轉移真值表?，F(xiàn)態(tài)Qn：觸發(fā)器接收信號前的狀態(tài)；簡化真值表RDSDQn+10110101001Qn×次態(tài)Qn+1：觸發(fā)器接收信號后的狀態(tài)；Qn與R、S一起決定Qn+1。故列表時把Qn也視為一個輸入變量。 簡化真值表×001×011QnRDSD0100011110(2)特性方程次態(tài)的函數(shù)表達式。表示了Qn+1與Qn及輸入(RD、SD)之

7、間的關系。（約束條件）或者 RD+SD=1(3)狀態(tài)轉移圖和激勵表激勵表Qn Qn+1激勵輸入Qn Qn+1RDSD00110101×101101×狀態(tài)轉移圖：說明狀態(tài)轉換方向及條件的圖形。01RD=1,SD=0RD=0,SD=1RD=0SD=×RD=×SD=1激勵表：欲使觸發(fā)器從QnQn+1的各種情況下，要求輸入所具有的條件。也稱驅動表。 狀態(tài)圖和激勵表是分析設計時序電路的重要工具。通過它們，不但能看出在某種數(shù)據(jù)輸入下觸發(fā)器的次態(tài)，而且也能知道要觸發(fā)器從一種狀態(tài)變?yōu)榱硪环N狀態(tài)時所必須的輸入條件。 由或非門組成的RS觸發(fā)器由或非門構成的RS觸發(fā)器簡化真值

8、表RDSDQn+100110101Qn10×1RDQSDQ1 S1R2112QQSetReset01RD=0,SD=1RD=1,SD=0RD=0SD=×RD=×SD=0特性方程（約束條件）由正脈沖觸發(fā)。注意真值表、特性方程和狀態(tài)圖的差別。分析從略。4基本RS觸發(fā)器的應用可以存放一位二進制數(shù)碼；構成消抖動電路。（也稱單脈沖發(fā)生器，見教材P177之圖）基本RS觸發(fā)器結構簡單，是構成其它類型觸發(fā)器的基礎。存在問題：RS之間有約束，直接控制。 集成基本觸發(fā)器1.CMOS集成基本觸發(fā)器CC4044-4RS基本觸發(fā)器 與非門構成、16腳、三態(tài)輸出、輸入低電平有效、違約Q和端均

9、輸出0；CC4043-4RS基本觸發(fā)器 或非門組成、16腳、三態(tài)輸出、輸入高電平有效、違約Q和端均輸出1； 2.TTL集成基本觸發(fā)器74279、74LS279- 4個基本RS觸發(fā)器、違約Q和端均輸出1，內部電路及管腳如下。 5.3 鐘控觸發(fā)器&&CPQRQ&&S基本RS觸發(fā)器是直接置“0”、置“1”的。有時，我們希望R、S信號只在特定時間內起作用?；蛘哒f，按一定的時間節(jié)拍把R、S信號送入觸發(fā)器中。這需要在基本RS觸發(fā)器的基礎上，再加兩個引導門及一個控制端，從而出現(xiàn)了各種時鐘控制的觸發(fā)器，也稱同步觸發(fā)器。鐘控RS觸發(fā)器關于CP后沿前沿不使能CP是一個標準矩形脈沖信

10、號，稱為使能“時鐘脈沖”（Clock Pulse）。CP=1期間記為“使能”；1S1RQQC1CP=0期間記為“不使能”。關于邏輯符號C1為影響輸入；1R、1S為受影響輸入，受C1的控制。在CP=0期間，觸發(fā)器不接收R、S信號，保持原狀態(tài)；RS觸發(fā)器的簡化真值表CPRSQn+101111×0011×0101QnQn10×在CP=1期間，R、S信號經(jīng)過引導門G3、G4取反后送到基本RS觸發(fā)器中，故邏輯功能仍為： ，CP=1有效。（約束條件）例子：同步RS觸發(fā)器的輸入波形見下圖，試對應畫出Q端的波形。設初態(tài)為“0”。CPSRQ 保持 置1 置0 置1 置0 R=0 R

11、=0 R=1 R=0 R=0 S=0 S=1 S=0 S=1 S=1RS信號對Q端狀態(tài)的控制必須通過CP來實現(xiàn)，這就是同步。同步RS觸發(fā)器增加了CP控制端，但在CP=1期間仍有直接控制問題，RS之間仍有約束。同步RS觸發(fā)器也可以用其它門構成，比如“與或非”門等。&&CPQQ&&(S)1R=SD鐘控D觸發(fā)器邏輯電路如圖。CP=1期間，總有R=S，故解除了R、S之間的約束；把R=代入同步RS觸發(fā)器的特性方程：&&CPQQ&&DQn+1=S+Qn=S把原來的S端改稱D，可得D觸發(fā)器的特性方程：Qn+1=D (CP=1有效)其功能是：D的

12、狀態(tài)確定之后，在CP的操作下，Q端的狀態(tài)隨之被確定為與D相同的狀態(tài)。或者說在CP的作用下，Q的狀態(tài)總與D相同，但比D信號的確定晚一段時間。DDelayD觸發(fā)器也可以由與或非門構成；D觸發(fā)器不存在約束，但CP1期間，輸入仍直接控制輸出。5.4 主從觸發(fā)器 主從 RS 觸發(fā)器 1.電路結構和符號 2.工作原理(1)接收信號CP = 1,主觸發(fā)器接收輸入信號 約束條件：SR=0(2)輸出信號CP= 0，主觸發(fā)器保持不變；從觸發(fā)器由CP下降沿到來之前的確定3波形4.主要特點主從控制，時鐘脈沖觸發(fā)CP=1主觸發(fā)器接受輸入信號CP下降沿從觸發(fā)器按照主觸發(fā)器的內容更新狀態(tài)。從觸發(fā)器輸出端的變化只能發(fā)生在CP

13、 的下降沿。 主從JK觸發(fā)器 1.電路結構解決 R、S 之間有約束的問題，增加功能，引入JK觸發(fā)器。由于，所以S和R不會同時為1。 2.工作原理CP高電平時觸發(fā)器接收信號并暫存（即主觸發(fā)器狀態(tài)由J、K決定，從觸發(fā)器狀態(tài)保持不變）。C下降沿從觸發(fā)器翻轉（從觸發(fā)器狀態(tài)與主觸發(fā)器狀態(tài)一致）。CP低電平時, 主觸發(fā)器封鎖J、K不起作用, 要求CP高電平期間J、K的狀態(tài)保持不變。J=K=0，觸發(fā)器保持原狀態(tài)。J=0，K=1，若現(xiàn)態(tài)為0，則保持0；若現(xiàn)態(tài)為1，則觸發(fā)器被置0。J=1，K=0，若現(xiàn)態(tài)為0，則觸發(fā)器被置1；若現(xiàn)態(tài)為1，則保持1。J=1，K=1，若現(xiàn)態(tài)為0，則觸發(fā)器被置1；若現(xiàn)態(tài)為1，則觸發(fā)器被

14、置0。JK觸發(fā)器的簡化真值表CPJKQn+101111×0011×0101QnQn01Qn3.JK觸發(fā)器的狀態(tài)表簡化真值表 4.JK觸發(fā)器的特性方程由狀態(tài)表填入卡諾圖，求得特性方程為：Qn+1=JK觸發(fā)器的激勵表Qn Qn+1激勵輸入QnQn+1JK0011010101××××105.JK觸發(fā)器的狀態(tài)圖和激勵表01J=1,K=×J=×,K=1J=×K=0J=0K=×狀態(tài)圖和激勵表是選用JK觸發(fā)器設計時序電路的工具，圖、表形式不同，掌握一種即可 6.主要特點第一步：CP由01和=1期間，主觸發(fā)器打

15、開，接收信號。在這一步中，輸入信號僅決定了主觸發(fā)器的狀態(tài)，并不能直接影響從觸發(fā)器的狀態(tài)，即不能直接控制輸出。第二步：CP由1返回到0時：從觸發(fā)器打開，接收CP=1期間存入主觸發(fā)器的信號，并更新狀態(tài)。此時，由于CP變?yōu)?，故主觸發(fā)器被封鎖，不接收輸入信號，這就徹底解決了直接控制問題。一次變化問題影響了抗干擾能力。5.5 集成邊沿觸發(fā)器 邊沿 D 觸發(fā)器 本著“了解原理，掌握功能”的原則，現(xiàn)在介紹一下CMOS邊沿觸發(fā)器。1.電路結構QQ11TG2TG1TG311TG4CPCPCPCPCPCPCPCPG3G4G2G1DRDSD主觸發(fā)器從觸發(fā)器QQ2.工作原理CC4013功能表CPDRDSD Qn+1

16、×××10×××00011001011010001010CP=0期間，TG1通、TG2斷，主觸發(fā)器接收D信號，送到Q(=D)端。此時TG3斷，Q不會影響從觸發(fā)器。TG4通，G3、G4構成基本RS觸發(fā)器，從觸發(fā)器保持原來的狀態(tài)。CP由01和CP=1期間，TG1斷，D信號不影響主觸發(fā)器。TG2通，G1、G2構成基本RS觸發(fā)器，保持CP由01這一短暫時間內反映到Q端的信號。TG3通，TG4斷，Q端的信號傳到輸出端，使Q=D。特性方程：Q n+1= D CP(CP可以隱含，不用寫出來。)可見D觸發(fā)器的狀態(tài)轉換發(fā)生在CP由01瞬間，即CP上升沿

17、。且僅接受上升沿之前瞬間的D信號。所以，現(xiàn)態(tài)與次態(tài)的劃分以CP上升沿為基準。SD、RD為直接置1、置0端，與CP無關，所以也叫異步置1、置0端。從集成雙D觸發(fā)器CC4013的功能表看出，當SD、RD同為“1”時，將出現(xiàn)Q和端均為“0”態(tài)的不正?，F(xiàn)象，所以SD與RD之間有約束，應保證SDRD=0這一條件。不需要SD、RD的時候應接“0”。3.波形由于D觸發(fā)器的狀態(tài)轉換發(fā)生在CP由01瞬間，即CP上升沿。因此畫波形時，現(xiàn)態(tài)與次態(tài)的劃分以CP上升沿為基準。假設初始狀態(tài)為 0 邊沿JK觸發(fā)器1電路結構11CPQQ1111TG4TG1CPCPTG2CPCPTG3CPCPCPCPG3G4G2G1DRDSD

18、Q1&&JKQCC4027的功能表CPJKRDSD Qn+1×××××0011×××0101×0100001100000110Qn 0100110Qn0從上圖看出，與D觸發(fā)器的不同點僅在于輸入端增加了控制門。符號為：其特性方程為：D=(J+Qn)=因此 Q n+1=D=產品CC4027的功能表如表所示2. 主要特點(1)CP 的上升沿或下降沿觸發(fā)(2)抗干擾能力極強，工作速度很高，在觸發(fā)沿瞬間，按的規(guī)定更新狀態(tài)；(3)功能齊全(保持、置 1、置 0、翻轉)，使用方便。3集成觸發(fā)器的邏輯符號

19、S1DC1DSDCPRDQQRS1DC1DSDCPRDQQRS1JC11KRSDJCPKRDQQS1JC11KSDJCPKRDQQ&R&S1JC11KRSDJCPKRDQQ 邊沿觸發(fā)器功能分類、功能表示方法及轉換1邊沿觸發(fā)器邏輯功能分類(1)JK型觸發(fā)器 1）定義: 在CP作用下，J、K取值不同時， 具有保持、置0、置1、翻轉功能的電路，都叫做JK型觸發(fā)器。 2）邏輯符號、特性表和特性方程CPJKQn+101111×0011×0101QnQn01符號 特性表特性方程 (2)D 型觸發(fā)器 1）定義: 在CP作用下，D 取值不同時， 具有置0、置1功能的電路，都叫做 D 型觸發(fā)器2）邏輯符號、特性表和特性方程符號 特性表CPDQn+1011×01Qn01特性方程 (3)T 型觸發(fā)器1）定義: 在CP作用下，當T = 0時保持狀態(tài)不變，T =1 時狀態(tài)翻轉的電路，叫T 型時鐘觸發(fā)器。符號 特性表CPTQn+1011×01QnQn特性方程