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(gòu)成各種各樣的時(shí)序邏輯部件，如記數(shù)器、寄存器、序列信號(hào)發(fā)生器等。一個(gè)觸發(fā)器具有如下的特點(diǎn)：兩個(gè)互補(bǔ)的輸出端Q和Q； “O”和“1”兩個(gè)穩(wěn)態(tài)；觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)的特性； 記憶能力。1對(duì)觸發(fā)器的基本要求 1）應(yīng)該具有兩個(gè)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(hào)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(hào)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(hào)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(jié)構(gòu)和工作特點(diǎn)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(shí)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(shí)序邏輯電路組合邏輯電路的特點(diǎn)是電路的輸出僅取決于當(dāng)時(shí)的輸入，與電路的歷史狀態(tài)無(wú)關(guān)。即Z=F(X)。時(shí)序邏輯電路的輸出狀態(tài)不僅與該時(shí)刻的輸入有關(guān)，而且還與電路的歷史狀態(tài)有關(guān)。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(diǎn)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(chǔ)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(shí)序電路的一般結(jié)構(gòu)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(shí)序電路的一個(gè)重要概念。W為觸發(fā)器的輸入，也是時(shí)序電路的控制變量；CP為時(shí)鐘脈沖。5描述時(shí)序電路邏輯功能的方法(1)方程式：輸出方程：Z=F1 (X，Q n)驅(qū)動(dòng)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(guān)系的表格。(3)狀態(tài)圖反映時(shí)序邏輯電路的狀態(tài)轉(zhuǎn)換規(guī)律及相應(yīng)輸入出取值情況的幾何圖形。(4)時(shí)序圖表示各信號(hào)，電路狀態(tài)等的取值在時(shí)間上的對(duì)應(yīng)關(guān)系。構(gòu)成時(shí)序邏輯電路常用存儲(chǔ)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(gòu)成各種不同功能觸發(fā)器的基本單元。&&SDQRDQ用與非門構(gòu)成的RS觸發(fā)器及邏輯符號(hào)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(fù)脈沖（寬度2tpd），電路將可靠地翻轉(zhuǎn)為Q=0狀態(tài)，并保持下來(lái)。Q=0態(tài)，稱為“復(fù)位狀態(tài)”。RD端稱為“復(fù)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(fù)脈沖（寬度2tpd），電路將可靠地翻轉(zhuǎn)為Q=1狀態(tài)，并保持下來(lái)。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(lái)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(gè)穩(wěn)態(tài)。同理，若Q=0，則觸發(fā)器將保持另一個(gè)穩(wěn)態(tài)0態(tài)。(4)RD=0，SD=0，將迫使Q、端同時(shí)出現(xiàn)1態(tài)，破壞了正常的互補(bǔ)狀態(tài)。對(duì)一個(gè)存儲(chǔ)單元來(lái)說(shuō)，這既不是“0”態(tài)，也不是“1”態(tài)，沒(méi)有意義。當(dāng)RD、SD端的負(fù)脈沖同時(shí)撤消以后，則兩門的輸入有同時(shí)出現(xiàn)全1，于是，兩門有爭(zhēng)先恐后地向低電平翻轉(zhuǎn)，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(fù)脈沖，則觸發(fā)器的狀態(tài)是確定的。）使用時(shí)，不許在RD、SD同時(shí)加信號(hào)！2描述功能的方法狀態(tài)轉(zhuǎn)移真值表RDSDQnQn+100111100110

6、011000101010101Q n不定001101××有狀態(tài)轉(zhuǎn)移真值表、特性方程、狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖和時(shí)序圖(工作波形)等。(1)狀態(tài)轉(zhuǎn)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(zhuǎn)移真值表?，F(xiàn)態(tài)Qn：觸發(fā)器接收信號(hào)前的狀態(tài)；簡(jiǎn)化真值表RDSDQn+10110101001Qn×次態(tài)Qn+1：觸發(fā)器接收信號(hào)后的狀態(tài)；Qn與R、S一起決定Qn+1。故列表時(shí)把Qn也視為一個(gè)輸入變量。 簡(jiǎn)化真值表×001×011QnRDSD0100011110(2)特性方程次態(tài)的函數(shù)表達(dá)式。表示了Qn+1與Qn及輸入(RD、SD)之

7、間的關(guān)系。（約束條件）或者 RD+SD=1(3)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖和激勵(lì)表激勵(lì)表Qn Qn+1激勵(lì)輸入Qn Qn+1RDSD00110101×101101×狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖：說(shuō)明狀態(tài)轉(zhuǎn)換方向及條件的圖形。01RD=1,SD=0RD=0,SD=1RD=0SD=×RD=×SD=1激勵(lì)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(qū)動(dòng)表。 狀態(tài)圖和激勵(lì)表是分析設(shè)計(jì)時(shí)序電路的重要工具。通過(guò)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(shí)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(gòu)成的RS觸發(fā)器簡(jiǎn)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(yīng)用可以存放一位二進(jìn)制數(shù)碼；構(gòu)成消抖動(dòng)電路。（也稱單脈沖發(fā)生器，見(jiàn)教材P177之圖）基本RS觸發(fā)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，是構(gòu)成其它類型觸發(fā)器的基礎(chǔ)。存在問(wèn)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(gòu)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(gè)基本RS觸發(fā)器、違約Q和端均輸出1，內(nèi)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(shí)，我們希望R、S信號(hào)只在特定時(shí)間內(nèi)起作用?；蛘哒f(shuō)，按一定的時(shí)間節(jié)拍把R、S信號(hào)送入觸發(fā)器中。這需要在基本RS觸發(fā)器的基礎(chǔ)上，再加兩個(gè)引導(dǎo)門及一個(gè)控制端，從而出現(xiàn)了各種時(shí)鐘控制的觸發(fā)器，也稱同步觸發(fā)器。鐘控RS觸發(fā)器關(guān)于CP后沿前沿不使能CP是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)矩形脈沖信

10、號(hào)，稱為使能“時(shí)鐘脈沖”（Clock Pulse）。CP=1期間記為“使能”；1S1RQQC1CP=0期間記為“不使能”。關(guān)于邏輯符號(hào)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(hào)，保持原狀態(tài)；RS觸發(fā)器的簡(jiǎn)化真值表CPRSQn+101111×0011×0101QnQn10×在CP=1期間，R、S信號(hào)經(jīng)過(guò)引導(dǎo)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(jiàn)下圖，試對(duì)應(yīng)畫(huà)出Q端的波形。設(shè)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(hào)對(duì)Q端狀態(tài)的控制必須通過(guò)CP來(lái)實(shí)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(wèn)題，RS之間仍有約束。同步RS觸發(fā)器也可以用其它門構(gòu)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(lái)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)?；蛘哒f(shuō)在CP的作用下，Q的狀態(tài)總與D相同，但比D信號(hào)的確定晚一段時(shí)間。DDelayD觸發(fā)器也可以由與或非門構(gòu)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(jié)構(gòu)和符號(hào) 2.工作原理(1)接收信號(hào)CP = 1,主觸發(fā)器接收輸入信號(hào) 約束條件：SR=0(2)輸出信號(hào)CP= 0，主觸發(fā)器保持不變；從觸發(fā)器由CP下降沿到來(lái)之前的確定3波形4.主要特點(diǎn)主從控制，時(shí)鐘脈沖觸發(fā)CP=1主觸發(fā)器接受輸入信號(hào)CP下降沿從觸發(fā)器按照主觸發(fā)器的內(nèi)容更新?tīng)顟B(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(jié)構(gòu)解決 R、S 之間有約束的問(wèn)題，增加功能，引入JK觸發(fā)器。由于，所以S和R不會(huì)同時(shí)為1。 2.工作原理CP高電平時(shí)觸發(fā)器接收信號(hào)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(zhuǎn)（從觸發(fā)器狀態(tài)與主觸發(fā)器狀態(tài)一致）。CP低電平時(shí), 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(jiǎn)化真值表CPJKQn+101111×0011×0101QnQn01Qn3.JK觸發(fā)器的狀態(tài)表簡(jiǎn)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(lì)表Qn Qn+1激勵(lì)輸入QnQn+1JK0011010101××××105.JK觸發(fā)器的狀態(tài)圖和激勵(lì)表01J=1,K=×J=×,K=1J=×K=0J=0K=×狀態(tài)圖和激勵(lì)表是選用JK觸發(fā)器設(shè)計(jì)時(shí)序電路的工具，圖、表形式不同，掌握一種即可 6.主要特點(diǎn)第一步：CP由01和=1期間，主觸發(fā)器打

15、開(kāi)，接收信號(hào)。在這一步中，輸入信號(hào)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(shí)：從觸發(fā)器打開(kāi)，接收CP=1期間存入主觸發(fā)器的信號(hào)，并更新?tīng)顟B(tài)。此時(shí)，由于CP變?yōu)?，故主觸發(fā)器被封鎖，不接收輸入信號(hào)，這就徹底解決了直接控制問(wèn)題。一次變化問(wèn)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(jié)構(gòu)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(hào)，送到Q(=D)端。此時(shí)TG3斷，Q不會(huì)影響從觸發(fā)器。TG4通，G3、G4構(gòu)成基本RS觸發(fā)器，從觸發(fā)器保持原來(lái)的狀態(tài)。CP由01和CP=1期間，TG1斷，D信號(hào)不影響主觸發(fā)器。TG2通，G1、G2構(gòu)成基本RS觸發(fā)器，保持CP由01這一短暫時(shí)間內(nèi)反映到Q端的信號(hào)。TG3通，TG4斷，Q端的信號(hào)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(xiě)出來(lái)。)可見(jiàn)D觸發(fā)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)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(hào)。所以，現(xiàn)態(tài)與次態(tài)的劃分以CP上升沿為基準(zhǔn)。SD、RD為直接置1、置0端，與CP無(wú)關(guān)，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(dāng)SD、RD同為“1”時(shí)，將出現(xiàn)Q和端均為“0”態(tài)的不正常現(xiàn)象，所以SD與RD之間有約束，應(yīng)保證SDRD=0這一條件。不需要SD、RD的時(shí)候應(yīng)接“0”。3.波形由于D觸發(fā)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換發(fā)生在CP由01瞬間，即CP上升沿。因此畫(huà)波形時(shí)，現(xiàn)態(tài)與次態(tài)的劃分以CP上升沿為基準(zhǔn)。假設(shè)初始狀態(tài)為 0 邊沿JK觸發(fā)器1電路結(jié)構(gòu)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(diǎn)僅在于輸入端增加了控制門。符號(hào)為：其特性方程為：D=(J+Qn)=因此 Q n+1=D=產(chǎn)品CC4027的功能表如表所示2. 主要特點(diǎn)(1)CP 的上升沿或下降沿觸發(fā)(2)抗干擾能力極強(qiáng)，工作速度很高，在觸發(fā)沿瞬間，按的規(guī)定更新?tīng)顟B(tài)；(3)功能齊全(保持、置 1、置 0、翻轉(zhuǎn))，使用方便。3集成觸發(fā)器的邏輯符號(hào)

19、S1DC1DSDCPRDQQRS1DC1DSDCPRDQQRS1JC11KRSDJCPKRDQQS1JC11KSDJCPKRDQQ&R&S1JC11KRSDJCPKRDQQ 邊沿觸發(fā)器功能分類、功能表示方法及轉(zhuǎn)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(shí)， 具有保持、置0、置1、翻轉(zhuǎn)功能的電路，都叫做JK型觸發(fā)器。 2）邏輯符號(hào)、特性表和特性方程CPJKQn+101111×0011×0101QnQn01符號(hào) 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(shí)， 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(hào)、特性表和特性方程符號(hào) 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(dāng)T = 0時(shí)保持狀態(tài)不變，T =1 時(shí)狀態(tài)翻轉(zhuǎn)的電路，叫T 型時(shí)鐘觸發(fā)器。符號(hào) 特性表CPTQn+1011×01QnQn特性方程