數(shù)電知識之鎖存器和觸發(fā)器

數(shù)電知識之鎖存器和觸發(fā)器第一頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三5.1概述鎖存器、觸發(fā)器與邏輯門一樣，是組成數(shù)字系統(tǒng)的基本單元電路。與邏輯門不同的是它們具有記憶功能。把能夠存儲一位二進(jìn)制的基本單元電路統(tǒng)稱為觸發(fā)器（Flip-Flop）。

為了實現(xiàn)記憶一位二值信號的功能，觸發(fā)器必須具備以下兩個特點：

1、具有兩個能自行保持信號的功能，用來表示邏輯狀態(tài)的0和1；

2、在觸發(fā)信號的操作下，根據(jù)不同的輸入信號可以置成1或0狀態(tài)即從一種穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)換成另一種穩(wěn)定狀態(tài)，當(dāng)觸發(fā)信信號消失后，新的狀態(tài)被保持下來。第二頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三由于采用的電路不同，觸發(fā)的信號的觸發(fā)方式不同：電平觸發(fā)、脈沖觸發(fā)和邊沿觸發(fā)三種。

分類：根據(jù)觸發(fā)器邏輯功能的不同分為：

SR觸發(fā)器

JK觸發(fā)器

D觸發(fā)器

T觸發(fā)器根據(jù)鎖存器的邏輯功能不同分為

SR鎖存器和D鎖存器5.1概述第三頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三鎖存器與觸發(fā)器電路都有兩個互補的輸出端Q和Q，其中Q的狀態(tài)定義為其輸出狀態(tài)。將觸發(fā)器在接收信號之前所處的狀態(tài)稱為現(xiàn)態(tài)（初態(tài)），用Qn表示；而將接收信號之后建立的新的穩(wěn)定狀態(tài)稱為次態(tài)（新態(tài)）以Qn+1表示。

鎖存器與觸發(fā)器的差異：

鎖存器對脈沖電平敏感的存儲單元電路，它只在輸入脈沖的高電平（或低電平）期間對輸入信號敏感并改變狀態(tài)。觸發(fā)器對脈沖邊沿敏感的存儲單元電路，它只在觸發(fā)脈沖的上升沿（或下降沿）瞬間改變其狀態(tài)。5.1概述第四頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三A、SR鎖存器

1、基本SR鎖存器

I、由與非門構(gòu)成的SR鎖存器5.2鎖存器第五頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三5.2鎖存器根據(jù)與非門的邏輯特點，鎖存器的邏輯表達(dá)式為：第六頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三工作原理：5.2鎖存器0101RSQ0

10第七頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三結(jié)論1：R=0、S=1時：由于R=0，不論原來Q為0還是1，都有Q=1；再由S=1、Q=1可得Q＝0。即不論鎖存器原來處于什么狀態(tài)都將變成0狀態(tài)，這種情況稱將鎖存器置0或復(fù)位。R端稱為鎖存器的置0端或復(fù)位端。5.2鎖存器0110RSQ0101

01第八頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三結(jié)論2：R=1、S=0時：由于S=0，不論原來Q為0還是1，都有Q=1；再由R=1、Q=1可得Q＝0。即不論鎖存器原來處于什么狀態(tài)都將變成1狀態(tài)，這種情況稱將鎖存器置1或置位。S端稱為鎖存器的置1端或置位端。5.2鎖存器111001RSQ0101011

1不變第九頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三結(jié)論3：R=1、S=1時：根據(jù)與非門的邏輯功能不難推知，鎖存器保持原有狀態(tài)不變，即原來的狀態(tài)被鎖存器存儲起來，這體現(xiàn)了鎖存器有記憶能力。5.2鎖存器0011？RSQ01010111不變0

0不定第十頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三結(jié)論4：R=0、S=0時：Q=Q=1，不符合觸發(fā)器的邏輯關(guān)系。并且由于與非門延遲時間不可能完全相等，在兩輸入端的0同時撤除后，將不能確定觸發(fā)器是處于1狀態(tài)還是0狀態(tài)。所以觸發(fā)器不允許出現(xiàn)這種情況，這就是基本SR鎖存器的約束條件。5.2鎖存器第十一頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三II、由或非門構(gòu)成的基本SR鎖存器邏輯圖邏輯符號5.2鎖存器第十二頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三5.2鎖存器RSQ00不變011100110不定功能表邏輯表達(dá)式約束條件：RS=0第十三頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三2、邏輯門控SR鎖存器（同步SR鎖存器）這種鎖存器在基本SR鎖存器前增加了一對邏輯門。5.2鎖存器RS第十四頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三工作原理：5.2鎖存器CP＝0時，G1和G2門同時被封鎖，且輸出為1，此時R、S的狀態(tài)不會影響鎖存器的輸出，同步SR鎖存器狀態(tài)不變。01101CP＝1時，G1和G2打開，此時R、S端的信號傳送到基本SR鎖存器中，從而使鎖存器發(fā)生翻轉(zhuǎn)。第十五頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三5.2鎖存器根據(jù)邏輯圖可得此時的邏輯表達(dá)式：在等式中出現(xiàn)兩個一樣的Q，它們含義不一樣，右邊的Q表示每個CP作用前鎖存器的狀態(tài)，即現(xiàn)態(tài)Qn，左邊的Q表示CP作用后鎖存器的新狀態(tài)，即次態(tài)Qn+1。第十六頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三5.2鎖存器功能表第十七頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三特征方程（特性方程）：波形圖：5.2鎖存器第十八頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三B、D鎖存器

1、邏輯門控D鎖存器這種鎖存器能消除SR鎖存器中不確定狀態(tài)。5.2鎖存器第十九頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三5.2鎖存器它只有兩個輸入端：數(shù)據(jù)輸入D和時鐘控制輸入CP。當(dāng)CP＝0時，G3、G4門封鎖，輸出為0，使G1和G2構(gòu)成的基本SR鎖存器處于保持狀態(tài)，無論D信號如何，輸出不變。當(dāng)CP＝1時，G3、G4門打開，輸出信號取決于D。CPDQ0×不變不變10011110第二十頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三2、傳輸門控D鎖存器5.2鎖存器這種電路結(jié)構(gòu)常見CMOS集成電路當(dāng)中。它與邏輯門控D鎖存器邏輯功能完全一樣。第二十一頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三A、主從觸發(fā)器

主從觸發(fā)器是目前使用較多的觸發(fā)器之一，它克服了同步RS觸發(fā)器抗干擾能力差的特點，提高了電路的可靠性。主從觸發(fā)器由兩級觸發(fā)器構(gòu)成，其中一級接收輸入信號，其狀態(tài)直接由輸入信號決定，稱為主觸發(fā)器，還有一級的輸入與主觸發(fā)器的輸出相連，其狀態(tài)由主觸發(fā)器的狀態(tài)決定，稱為從觸發(fā)器。5.3觸發(fā)器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理第二十二頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三I、由兩個同步SR觸發(fā)器組成的主從觸發(fā)器5.3觸發(fā)器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理第二十三頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三1）組成：與非門1、2、3、4構(gòu)成主觸發(fā)器，與非門5、6、7、8構(gòu)成從觸發(fā)器。時鐘CP直接作用于主觸發(fā)器，反相后作用于從觸發(fā)器。5.3觸發(fā)器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理第二十四頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三2）工作原理：

a）當(dāng)CP=1時，主觸發(fā)器的輸入門G1和G2門打開，主觸發(fā)器根據(jù)SR的狀態(tài)進(jìn)行翻轉(zhuǎn)，而對于從觸發(fā)器，CP經(jīng)G9反相后加于它的輸入門為0電平，G5和G6門封鎖，其狀態(tài)不受主觸發(fā)器輸出影響，或者說保持狀態(tài)不變。5.3觸發(fā)器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理1011第二十五頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三5.3觸發(fā)器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理b）當(dāng)CP由1變成0后，情況則相反，G1和G2封鎖，R、S不影響主觸發(fā)器的狀態(tài)，而這時從觸發(fā)器的G5和G6則打開，從觸發(fā)器可以翻轉(zhuǎn)。此時從觸發(fā)器是在CP的下降沿發(fā)生翻轉(zhuǎn)，CP一旦達(dá)到0電平后，主觸發(fā)器被封鎖，其狀態(tài)不受RS的影響。從觸發(fā)器的狀態(tài)也不可能再改變。0111第二十六頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三5.3觸發(fā)器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理Qn+1RS功能Qn

0101置11101

1010置00001111101××不定0000保持0101主觸發(fā)器的狀態(tài)在CP=1期間均可以發(fā)生變化，從觸發(fā)器的狀態(tài)只在CP從10時發(fā)生變化，解決了電平觸發(fā)方式的空翻問題。第二十七頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三結(jié)論：

1、由兩個同步SR觸發(fā)器組成主從觸發(fā)器，它們受互補的時鐘脈沖控制；

2、只在時鐘脈沖的跳變沿觸發(fā)翻轉(zhuǎn)；

3、對于負(fù)跳沿觸發(fā)的，輸入信號必須在CP正跳沿前加入，為主觸發(fā)器觸發(fā)翻轉(zhuǎn)作好準(zhǔn)備，而CP正跳沿后的高電平要有一定的延遲時間，以確保主觸發(fā)器達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)；同理，CP負(fù)跳沿使從觸發(fā)器發(fā)生翻轉(zhuǎn)后，CP的低電平也必須有一定的延遲時間，以確保從觸發(fā)器達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)。5.3觸發(fā)器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理第二十八頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三II、由傳輸門組成的CMOS主從觸發(fā)器5.3觸發(fā)器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理D觸發(fā)器只有一個輸入端，主從鎖存器都由傳輸門TG和反相器經(jīng)交叉連接構(gòu)成的雙穩(wěn)態(tài)電路。TG1、TG2、G1、G2組成主觸發(fā)器，TG3、TG4、G3、G4組成從觸發(fā)器。CP和CP為互補時鐘脈沖。第二十九頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三工作原理：1、CP正跳變后，TG1導(dǎo)通，TG2截止，輸入信號D送入主鎖存器。假設(shè)D為1時，經(jīng)TG1傳到G1的輸入端，使Q’=1。同時，TG3截止，TG4導(dǎo)通，顯然G3輸入端和G4輸出端經(jīng)TG4連通，使從觸發(fā)器維持在原來的狀態(tài)不變。5.3觸發(fā)器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理第三十頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三2、CP負(fù)跳變后，TG1截止，TG2導(dǎo)通，由此切斷了D端與主鎖存器的相連，同時TG2將G1的輸入端與G2的輸出端相通，使主鎖存器維持現(xiàn)態(tài)不變。從觸發(fā)器的情況是：TG3導(dǎo)通，TG4截止，主鎖存器的狀態(tài)送入從觸發(fā)器。=0經(jīng)TG3傳給G3，于是Q＝15.3觸發(fā)器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理第三十一頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三B、邊沿觸發(fā)器

主從觸發(fā)器對激勵信號的要求比較嚴(yán)格，抗干擾能力弱，而邊沿觸發(fā)器具有較強抗干擾能力，可靠性高。它只要求激勵信號在時鐘觸發(fā)邊沿的前后幾個延遲時間保持不變，觸發(fā)器就可以穩(wěn)定地工作。邊沿觸發(fā)器的時鐘觸發(fā)方式為上升沿觸發(fā)和下降沿觸發(fā)。

1、維持－阻塞邊沿觸發(fā)器維持－阻塞式邊沿D觸發(fā)器為例。5.3觸發(fā)器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理第三十二頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三電路結(jié)構(gòu)由6個與非門構(gòu)成，其中G1和G2構(gòu)成基本SR存鎖器。5.3觸發(fā)器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理第三十三頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三工作原理：I、SD和RD接至基本SR鎖存器的輸入端，分別是預(yù)置端和清零端，且低電平有效。II、假設(shè)：SD=RD=1。CP＝0時：與非門G3和G4封鎖，其輸出Q3=Q4=1，觸發(fā)器狀態(tài)不變。同時由于Q3至Q5和Q4至Q6的反饋信號將G5和G6兩門打開，故可接收信號D。5.3觸發(fā)器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理11011D第三十四頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三當(dāng)CP由0變1時觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)。這時G3和G4門打開，它們的輸出Q3和Q4的狀態(tài)由G5和G6的輸出狀態(tài)決定。

G4輸出的一方面使Q的狀態(tài)為D，另一方面使G3的輸出為D避免使觸發(fā)器置零；另外G4至G6的反饋線使G6輸出維持D，繼續(xù)維持G4的輸出為。5.3觸發(fā)器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理1101DDD第三十五頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三結(jié)論：

不論D觸發(fā)器的初態(tài)如何，在時鐘CP上升沿的作用下，觸發(fā)器的狀態(tài)與D一致。D觸發(fā)器在CP的上升沿前兩個門的延遲時間接受輸入信號，上升沿時觸發(fā)器輸出變化，上升沿作用后D信號只要保持三個門的延遲時間，觸發(fā)器就開始封鎖輸入信號。由于D觸發(fā)器維持了正確狀態(tài)，阻塞了不正確狀態(tài)，故稱維持－阻塞D觸發(fā)器。

特性方程：Qn+1=D

總之，觸發(fā)器是在CP上升沿前接受信號，上升沿時觸發(fā)跳轉(zhuǎn)，上升沿后輸入被封鎖，這三步都是在上升沿前后完成，所以稱為邊沿觸發(fā)器。5.3觸發(fā)器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理第三十六頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三2、利用傳輸延遲的邊沿觸發(fā)器（邊沿JK觸發(fā)器）5.3觸發(fā)器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理電路結(jié)構(gòu)：由G11、G12、G13、和G21、G22、G23構(gòu)成兩個與或非門（構(gòu)成SR鎖存器），作為觸發(fā)器的輸出電路，而G3和G4兩個與非門則構(gòu)成觸發(fā)器的輸入電路接收輸入信號J、K。另外在工藝上要保證G3和G4門的傳輸延遲時間大于SR鎖存器的翻轉(zhuǎn)時間。第三十七頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三工作原理：I、CP＝0時，觸發(fā)器處于一個穩(wěn)態(tài)此時，G3和G4被封鎖，不論J、K為何狀態(tài)，Q3和Q4均為1，另一方面，G12、G22也被CP封鎖，因而與或非門組成的觸發(fā)器處于一個穩(wěn)定狀態(tài)，使輸出狀態(tài)不變。5.3觸發(fā)器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理00011Q3Q4SR第三十八頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三II、CP由0變1時，觸發(fā)器不翻轉(zhuǎn)，為接收信號作準(zhǔn)備。設(shè)觸發(fā)器現(xiàn)態(tài)為0，當(dāng)CP由0變1時，G12和G22打開，G3和G4打開，G22的輸出首先由0變1，此時無論G23為何種狀態(tài)，都使Q為0。由于Q同時連接G12和G13的輸入，故它們的輸出均為0，使G11的輸出為1，觸發(fā)器狀態(tài)不變。說明，此時在作接收J(rèn)、K信號的準(zhǔn)備。5.3觸發(fā)器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理Q3Q4SR11001第三十九頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三III、CP由1變0時觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)設(shè)輸入信號J=1、K＝0時，則Q3＝0、Q4=1，G13和G23的輸出均為0，當(dāng)CP下降沿到來時，G22的輸出由1變0，則Q＝1，觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)。特性方程：

Qn+1=JQn+KQn5.3觸發(fā)器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理Q3Q4SR0110搶先封鎖0011000搶先封鎖010第四十頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三觸發(fā)器的邏輯功能是指次態(tài)與現(xiàn)態(tài)、輸入信號之間的邏輯關(guān)系，這種關(guān)系可以用特性表、特性方程或狀態(tài)圖來描述。觸發(fā)器的種類很多，不同的觸發(fā)器所具備的功能也不盡相同，但歸納起來，觸發(fā)器的功能不外乎：置0、置1、保持和翻轉(zhuǎn)。觸發(fā)器功能的描述采用：特征方程（特性方程）、功能表、狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖和激勵表。5.4觸發(fā)器的邏輯功能第四十一頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三A、SR觸發(fā)器

1、特征方程：5.4觸發(fā)器的邏輯功能2、功能表SRQnQn+1SRQnQn+100001001001110110100110不定0110111不定第四十二頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三3、狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖：5.4觸發(fā)器的邏輯功能10S=1R=0S=0R=1S=0R=×S=×R=0圖中：兩個圓圈內(nèi)標(biāo)以1和0表示觸發(fā)器的狀態(tài)，帶箭頭的弧線表示狀態(tài)轉(zhuǎn)換的方向，箭頭指向觸發(fā)器的次態(tài)，箭尾為觸發(fā)器的現(xiàn)態(tài)，弧線旁邊標(biāo)出了狀態(tài)轉(zhuǎn)換的條件。第四十三頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三4、激勵表：5.4觸發(fā)器的邏輯功能×01101

010010×00SRQnQn+1第四十四頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三B、JK觸發(fā)器主從觸發(fā)器是在RS觸發(fā)器的基礎(chǔ)上稍加改動而產(chǎn)生，它在RS觸發(fā)器的R端和S端分別增加一個兩輸入端的與非門，將Q端與原S端的與非門的一個輸入端連接，另一輸入端作為J端；同樣將Q端與原R端的與門的一個輸入端連接，另一個作為K端。

1、特征方程：5.4觸發(fā)器的邏輯功能當(dāng)J=1，K＝0時，Qn+1=1；J=0，K=1時，Qn＋1＝0；J=K=1時Qn+1=Qn第四十五頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三2、功能表：5.4觸發(fā)器的邏輯功能JK觸發(fā)器與SR觸發(fā)器的不同之處是，它沒有約束條件，在J=K=1時每輸入一個時鐘脈沖后，觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)一次，這種工作狀態(tài)稱為計數(shù)狀態(tài)。第四十六頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖：5.4觸發(fā)器的邏輯功能10J=1K=×J=×K=1J=0K=×J=×K=0激勵表：0×111×

0×101×000KJQnQn+1第四十七頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三Forexample:

已知J、K端的波形，畫出Q端的波形，設(shè)觸發(fā)器的初始狀態(tài)為0。（設(shè)觸發(fā)器下降沿觸發(fā)）5.4觸發(fā)器的邏輯功能第四十八頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三注意：主從J-K觸發(fā)器在畫波形時應(yīng)注意下面幾點：

I、先看電路的現(xiàn)態(tài)是什么，若為1時，則由K決定其次態(tài)，而和J無關(guān)，若為0時，則由J有關(guān)，和K無關(guān)。

II、電路的觸發(fā)時刻為下降沿，因而狀態(tài)的改變都應(yīng)對著下降沿處。

III、在CP＝1期間，若J、K有變化，應(yīng)注意一次變化問題，即主觸發(fā)器在CP＝1期間，只能翻轉(zhuǎn)一次，一旦翻轉(zhuǎn)后，無論J、K怎樣改變，主觸發(fā)器的狀態(tài)不再會變化。若為邊沿觸發(fā)器無此問題。5.4觸發(fā)器的邏輯功能第四十九頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三C、T觸發(fā)器將JK觸發(fā)器的J和K端連接在一起，稱為T端，當(dāng)T＝0時，Qn+1=Qn；當(dāng)T＝1時，在時鐘脈沖的作用下Qn+1=Qn，這種觸發(fā)器稱為T觸發(fā)器。5.4觸發(fā)器的邏輯功能第五十頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三5.4觸發(fā)器的邏輯功能

1、特征方程：T觸發(fā)器的功能是T為1時，為計數(shù)狀態(tài)，T為0時，為保持狀態(tài)。

2、功能表TQnQn+1000011101110第五十一頁，共五十九頁，編輯于2023年，星期三3、狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖5.4觸發(fā)器的邏輯功能10T=1T=1T=0T=04、激勵圖0111

0101000TQnQn