觸發(fā)器與同步時序邏輯電路

觸發(fā)器與時序電路觸發(fā)器RS觸發(fā)器D觸發(fā)器狀態(tài)機Mealy）模型摩爾(Moore)模型同步時序電路1觸發(fā)器掌握觸發(fā)器的基本類型及其狀態(tài)描述了解觸發(fā)器的結(jié)構(gòu)與工作原理掌握觸發(fā)器的基本應用電路2觸發(fā)器觸發(fā)器（Flip-Flop）：具有記憶功能的邏輯單元雙穩(wěn)態(tài)門，又稱雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，在兩種狀態(tài)下運行的電路。觸發(fā)器保持自身狀態(tài)，直到有輸入脈沖（觸發(fā)），輸出根據(jù)規(guī)則改變，并保持此狀態(tài)直到下一個觸發(fā)來臨。對脈沖邊沿敏感，在邊沿瞬間改變狀態(tài)。四類觸發(fā)器：RS，JK，D和T觸發(fā)器3鎖存器鎖存器（Latch）電平觸發(fā)的存儲單元，由觸發(fā)器構(gòu)成，不同的是他的數(shù)據(jù)存儲取決于輸入時鐘（使能），它可以使輸出狀態(tài)不隨輸入端狀態(tài)的變化而改變，處在保持狀態(tài)（如何區(qū)別觸發(fā)器的保持）。使能有效時，輸出隨輸入改變使能無效時，輸出保持（不隨輸入變化）4觸發(fā)器與鎖存器都具有保持觸發(fā)器保持在0或1，置1（置位）或置0（復位）鎖存器保持在前期鎖存的輸入值觸發(fā)器邊沿觸發(fā)，在邊沿瞬間改變輸出，隨后保持鎖存器電平鎖存，使能無效時，鎖存輸入值并保持；有效時，輸出隨輸入變化。5RS觸發(fā)器基本RS觸發(fā)器同步RS觸發(fā)器（時鐘脈沖控制的RS觸發(fā)器）主從RS觸發(fā)器6基本RS觸發(fā)器R=1、S=0時，則Q=1,Q=0,觸發(fā)器置1（置位）R=0、S=1時，則Q=0,Q=1,觸發(fā)器置0（復位）R與S狀態(tài)必須相異，觸發(fā)信號為S=0（R=1，稱置位）或為R=0（S=1，稱復位）R、S稱為觸發(fā)信號，在下降沿瞬間改變并使觸發(fā)器保持0或1狀態(tài)。R=1、S=1，Q與Q維持狀態(tài)不變R=0、S=0：Q與Q維持不明確，禁止使用7同步RS觸發(fā)器

——鎖存器當CP=0時Q3=Q4=1，觸發(fā)器保持原來狀態(tài)不變。當CP=1時若R=0，S=1；Q4=1，Q3=0，觸發(fā)器置1；若R=1，S=0；Q3=0，Q4=1，觸發(fā)器置0；若R=S=0；Q3=Q4=1，觸發(fā)器狀態(tài)保持不變；若R=S=1；Q3=Q4=0，觸發(fā)器狀態(tài)不定（Q3、Q4不可能同時置0）。8同步RS觸發(fā)器——鎖存器9D觸發(fā)器——鎖存器當CP=1時觸發(fā)器狀態(tài)隨D的狀態(tài)改變而改變當CP=0時Q3=Q4=1，觸發(fā)器保持原來狀態(tài)不變，即保持為CP下降沿以前的D的狀態(tài)。10D觸發(fā)器——鎖存器QnQn+1D000011100111DQn+10011激勵表狀態(tài)表11D觸發(fā)器——鎖存器動作特點在控制端CP等于邏輯1期間，輸出Q的狀態(tài)隨著輸入D的改變而改變；在控制端CP等于邏輯0期間，輸出Q的狀態(tài)被鎖存。被鎖存的狀態(tài)是控制信號CP從邏輯1到邏輯0轉(zhuǎn)變時刻的輸入D的狀態(tài)。由于在CP=1時，輸出和輸入的關系似乎是“透明”的，所以這個鎖存器也被稱為透明鎖存器。12JK觸發(fā)器JKQn+110101000Qn11Qn真值表與狀態(tài)方程QnQn+1JK=00JK=01JK=11JK=100001111001狀態(tài)表13JK觸發(fā)器激勵表QnQn+1JK000X011X10X111X014JK觸發(fā)器當JK=11時，在CP=1期間，JK鎖存器將不斷空翻。能夠保證觸發(fā)器正常翻轉(zhuǎn)的時鐘脈沖的寬度應該不小于3tpd。但是，為了避免再次翻轉(zhuǎn)，CP脈沖的寬度又不能大于3tpd。這個條件實際上是無法實現(xiàn)的。所以實際電路中只有RS鎖存器和D鎖存器，并不存在JK鎖存器。15T觸發(fā)器TQn+10Qn1QnQnQn+1T=0T=1001110QnQn+1T000011101110狀態(tài)表激勵表16T觸發(fā)器采用D觸發(fā)器構(gòu)成的T、T’觸發(fā)器17觸發(fā)器的簡單應用計數(shù)器計數(shù)是數(shù)字電路的一個基本功能。一個計數(shù)器通常由一組觸發(fā)器構(gòu)成，該組觸發(fā)器按照預先給定的順序改變其狀態(tài)。同步計數(shù)器（SynchronousCounter）：所有觸發(fā)器的狀態(tài)改變是在同一個時鐘脈沖的同一個有效邊沿上發(fā)生。異步計數(shù)器（AsynchronousCounter）：計數(shù)器中的每個觸發(fā)器的時鐘部分或全部不同。18二進制異步加法計數(shù)器（行波計數(shù)器）計數(shù)器實際上由n個T'觸發(fā)器構(gòu)成。第一個T'觸發(fā)器的C端連接系統(tǒng)時鐘，其后每一級觸發(fā)器都將前級觸發(fā)器的輸出（或輸出的非）作為本級的時鐘輸入。19二進制異步減法計數(shù)器（行波計數(shù)器）20行波計數(shù)器的時鐘和計數(shù)狀態(tài)的關系關于行波計數(shù)器，比較容易混淆的是加法計數(shù)與減法計數(shù)對應的時鐘來源以及觸發(fā)沿的組合關系。通過波形圖可以很方便地確定這些問題，現(xiàn)將它們的組合情況列表如下：注意在應用上表的時候，所有觸發(fā)器都以Q作為計數(shù)器的輸出。若以觸發(fā)器的作為計數(shù)器的輸出，則加法計數(shù)和減法計數(shù)的關系恰恰顛倒。21行波計數(shù)器計數(shù)過程中的不穩(wěn)定暫態(tài)問題由于二進制異步計數(shù)器的的時鐘信號是前后級串聯(lián)的，所以到達每個觸發(fā)器的時鐘信號不是同時的。這也是為何將它稱為異步計數(shù)器的原因。也有將它稱為行波計數(shù)器（RippleCounter）的。因為每個觸發(fā)器的時鐘不同步，結(jié)果造成在CP有效邊沿以后的一段時刻內(nèi)計數(shù)值可能發(fā)生混亂。例如，計數(shù)從7到8的轉(zhuǎn)換過程，實際的轉(zhuǎn)換為：0111→0110→0100→0000→1000。22寄存器（Register）寄存器由一組觸發(fā)器構(gòu)成，主要功能是存儲數(shù)據(jù)。因為一個觸發(fā)器可以存儲一位二進制數(shù)，所以要存儲n位二進制數(shù)，需要n個觸發(fā)器。根據(jù)輸入或輸出的模式，可分為并行方式和串行方式。并行方式：n位二進制數(shù)一次存入或讀出。只需要一個時鐘脈沖即可完成數(shù)據(jù)操作，但是需要n根輸入和輸出數(shù)據(jù)線。串行方式：n位二進制數(shù)以每次一位、分成n次存入或讀出。只需要1根輸入和輸出數(shù)據(jù)線，但要使用n個時鐘脈沖完成輸入或輸出操作。將兩種模式加以交叉，可以得到四種不同模式的寄存器：并行輸入/并行輸出；串行輸入/串行輸出；并行輸入/串行輸出以及串行輸入/串行輸出。23寄存器（Register）并行輸入/并行輸出寄存器結(jié)構(gòu)和圖形符號公共控制框24移位寄存器結(jié)構(gòu)和輸出波形25左移與右移一般將一個數(shù)據(jù)的最高位記為MSB（MostSignificantBit），最低位記為LSB（LeastSignificantBit）。若首先移入或移出移位寄存器的是MSB，則稱該操作為左移。反之，若首先移入或移出移位寄存器的是LSB，則稱該操作為右移。具體執(zhí)行哪種操作取決于最高位位置的指定。26累加器（Accumulator）27觸發(fā)器的基本特性具有兩個穩(wěn)定的輸出狀態(tài)，可以在輸入信號的作用下改變狀態(tài)。所以，觸發(fā)器具有記憶作用。由于觸發(fā)器是時序邏輯電路中的一個及其重要的部件，熟練掌握觸發(fā)器的邏輯功能和動作特性是十分必要的。直接運用觸發(fā)器可以構(gòu)成異步計數(shù)器和各種寄存器。這些單元電路廣泛應用在各種電子設備和計算機中。28時序電路注：這是一個一般的結(jié)構(gòu)，在實際的邏輯中可以合并某些輸出和狀態(tài)，也可以沒有輸入。輸入變量輸出變量狀態(tài)變量（現(xiàn)態(tài)）狀態(tài)變量（次態(tài)）29同步時序電路和異步時序電路同步時序電路：記憶電路一般由觸發(fā)器構(gòu)成，記憶電路中所有觸發(fā)器狀態(tài)的變化都是在同一時鐘信號操作下同時發(fā)生的。觸發(fā)器的時鐘信號不計在輸入之內(nèi)。異步時序電路：記憶電路可以由觸發(fā)器構(gòu)成，也可以由組合電路的反饋構(gòu)成。記憶電路狀態(tài)的變化不是同時發(fā)生的，可能有公共的時鐘信號，也可能沒有公共的時鐘信號。30現(xiàn)態(tài)與次態(tài)以兩次驅(qū)動（在同步時序邏輯中就是時鐘）的間隔時間作為時序電路的定時單位，把某個間隔時刻tk

作為“當前時刻”，將下一個間隔時刻tk+1

稱為“次時刻”。對于“當前時刻”和“次時刻”的表述，都是相對于時刻tk

而言。當前時刻的狀態(tài)為現(xiàn)態(tài)，次時刻的狀態(tài)為次態(tài)。驅(qū)動信號31時序電路的狀態(tài)方程與輸出方程次態(tài)是輸入與現(xiàn)態(tài)的函數(shù)（一般情況，也可以無輸入）輸出是輸入與現(xiàn)態(tài)的函數(shù)（一般情況，也可以無輸入）Y

是次態(tài)變量，通常是一個隱含的變量，不一定是觸發(fā)器的激勵輸入。只有記憶電路全部是D觸發(fā)器時，次態(tài)才與激勵相同。32狀態(tài)機JK觸發(fā)器，Q1、Q2是現(xiàn)態(tài)，X是輸入。Z是輸出，僅是現(xiàn)態(tài)的函數(shù)。次態(tài)隱含在J1、K1、J2、K2中。33計數(shù)器D觸發(fā)器，無輸入，Q0~Q3為狀態(tài)同時也是輸出。次態(tài)是D0~D3，可以通過組合邏輯顯式地寫出。34米利（Mealy）模型某時刻的輸出是該時刻的輸入和電路狀態(tài)的函數(shù)35摩爾(Moore)模型某時刻的輸出僅是該時刻電路狀態(tài)的函數(shù)，與該時刻的輸入無關。36米利模型和摩爾模型的區(qū)別米利模型的輸出直接同輸入有關，所以在輸入變化時，不管狀態(tài)是否改變，輸出立即產(chǎn)生變化。即輸入不僅影響次態(tài)，同時影響輸出。摩爾模型的輸出只同狀態(tài)有關，所以在整個狀態(tài)保持期間保持輸出不變。輸入的變化只影響次態(tài)。根據(jù)上述情況，若輸入與時鐘同步，則兩種模型的輸出在整個時鐘周期內(nèi)均保持不變，但米利模型比摩爾模型提前一個時鐘周期改變輸出。若輸入存在干擾，一般不會影響摩爾模型的輸出，但可以影響米利模型的輸出。37狀態(tài)轉(zhuǎn)換表現(xiàn)態(tài)次態(tài)/輸出輸入1輸入2輸入n現(xiàn)態(tài)1次態(tài)11/輸出11次態(tài)12/輸出12次態(tài)1n/輸出1n現(xiàn)態(tài)2次態(tài)21/輸出21次態(tài)22/輸出22次態(tài)2n/輸出2n現(xiàn)態(tài)m次態(tài)m1/輸出m1次態(tài)m2/輸出m2次態(tài)mn/輸出mn以表格的形式描述現(xiàn)態(tài)、輸入與次態(tài)、輸出的關系。米利模型的表格形式是：摩爾模型的表格形式是：現(xiàn)態(tài)次態(tài)輸出輸入1輸入2輸入n現(xiàn)態(tài)1次態(tài)11次態(tài)12次態(tài)1n輸出1現(xiàn)態(tài)2次態(tài)21次態(tài)22次態(tài)2n輸出2現(xiàn)態(tài)m次態(tài)m1次態(tài)m2次態(tài)mn輸出m38狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖以信號流圖形式顯示狀態(tài)轉(zhuǎn)換關系。米利模型形式將輸出寫在轉(zhuǎn)換線上，摩爾模型形式將輸出寫在狀態(tài)圈內(nèi)。米利模型摩爾模型39狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖的特點狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖中每個狀態(tài)射出的狀態(tài)轉(zhuǎn)換線的根數(shù)同系統(tǒng)輸入的組合數(shù)相同，轉(zhuǎn)換條件包含了所有的輸入組合。例如某系統(tǒng)輸入組合有3種：00、01和10，則無論哪個模型，每個狀態(tài)射出的狀態(tài)轉(zhuǎn)換線都是3根，分別對應3個輸入組合。這個特點常常被用來檢查狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖的正確性。摩爾模型的狀態(tài)數(shù)通常大于米利模型的狀態(tài)數(shù)。形成這個特點的原因是由于米利模型中一個狀態(tài)可以對應多個輸出，而摩爾模型一個狀態(tài)只能對應一個輸出。40例自動售飲料機?？梢酝度?元或5角的硬幣，飲料1.5元一杯。當先后投入的硬幣滿1元5角后，機器送出一杯飲料；當投入的硬幣滿2元后，機器送出一杯飲料以及送出一個5角硬幣。作出上述自動售飲料機問題的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖和狀態(tài)轉(zhuǎn)換表。分析1：輸出：設Z1=1→輸出飲料；Z2=1→輸出找零。所有的輸出情況為Z1Z2=00、Z1Z2=10、Z1Z2=11。輸入：當前投入的幣值，X1X2=00、幣值為0；X1X2=01、幣值為5角；X1X2=10、幣值為1元。狀態(tài)：記錄已經(jīng)投入的幣值，S0＝0、S1＝5角、S2＝1元。41米利模型的狀態(tài)圖初始狀態(tài)已收0.5元狀態(tài)投幣0.5元已收1元狀態(tài)輸出飲料投幣1元42米利模型的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表現(xiàn)態(tài)次態(tài)/輸出Z1Z2X1X2=00X1X2=01X1X2=10S0S0/00S1/00S2/00S1S1/00S2/00S0/10S2S2/00S0/10S0/1143摩爾模型分析：輸出：設Z1=1→輸出飲料；Z2=1→輸出找零。所有的輸出情況為Z1Z2=00、Z1Z2=10、Z1Z2=11。輸入：當前投入的幣值，X1X2=00、幣值為0；X1X2=01、幣值為5角；X1X2=10、幣值為1元。狀態(tài)：記錄已經(jīng)投入的幣值，S0＝0、S1＝5角、S2

＝1元、S2

＝1.5元、S2

＝2元。44摩爾模型的狀態(tài)圖初始狀態(tài)已收0.5元狀態(tài)輸出飲料已收1.5元狀態(tài)45摩爾模型的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表現(xiàn)態(tài)次態(tài)輸出Z1Z2X1X2=00X1X2=01X1X2=10S0S0S1S200S1S1S2S300S2S2S3S400S3S0S1S210S4S0S1S21146兩個模型的時序圖狀態(tài)：已經(jīng)投入的硬幣總值為1元輸入：再投入1個5角硬幣輸出：一杯飲料，即Z1=1米利模型的輸出摩爾模型的輸出47摩爾模型轉(zhuǎn)換為米利模型將摩爾模型狀態(tài)轉(zhuǎn)換表的最后一列輸出去掉。在每個次態(tài)后面加上“/輸出”。其中的輸出對應于該次態(tài)在原模型中的輸出。觀察修改后的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表，合并相同的狀態(tài)。48米利模型轉(zhuǎn)換為摩爾模型輸出同類狀態(tài)：所有指向某個狀態(tài)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換線都具有相同的輸出。這種類型的狀態(tài)，次態(tài)和輸出是統(tǒng)一的，所以只要將所有指向這個狀態(tài)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換線上的輸出改寫到表示狀態(tài)的圓圈中，就可以將米利模型轉(zhuǎn)換為摩爾模型。輸出非同類狀態(tài)：指向某個狀態(tài)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換線具有幾個不同的輸出。顯然這個狀態(tài)轉(zhuǎn)換成摩爾模型后將對應幾個狀態(tài)，所以按照下列步驟改畫這種類型的狀態(tài)：一、將此狀態(tài)分成幾個新狀態(tài)。每個新狀態(tài)對應一個輸出，寫在表示新狀態(tài)的圓圈中。二、按照不同的輸出，將原來的狀態(tài)轉(zhuǎn)換線分別改畫成指向具有對應輸出的新狀態(tài)。三、原來從輸出非同類狀態(tài)出發(fā)的所有狀態(tài)轉(zhuǎn)換線，都應該在每個新狀態(tài)中重新畫出來，并且它們的目的狀態(tài)應該與原來的相同。49同步時序電路的分析根據(jù)給定的電路，確定電路的類型。列出觸發(fā)器的激勵方程。將激勵方程代入觸發(fā)器的特征方程，寫出電路的狀態(tài)方程。同時寫出電路的輸出方程。由狀態(tài)方程和輸出方程，列出電路的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表或狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。分析電路的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表或狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖，得到電路的功能表示或者相應的時序圖。如果已知電路的功能，可以通過這一步的分析，驗證電路功能的正確性。50例：4位二進制同步加法計數(shù)器狀態(tài)方程：51時序圖二進制同步加法計數(shù)器的狀態(tài)方程的一般形式52二進制減法計數(shù)器——作業(yè)狀態(tài)方程二進制減法計數(shù)器的狀態(tài)方程的一般形式與加法計數(shù)器的差別