第五章 觸發(fā)器與寄存器ppt課件

1、5 鎖存器和觸發(fā)器鎖存器和觸發(fā)器5.1 雙穩(wěn)態(tài)存儲單元電路雙穩(wěn)態(tài)存儲單元電路5.2 鎖存器鎖存器5.3 觸發(fā)器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理觸發(fā)器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理5.4 觸發(fā)器的邏輯功能觸發(fā)器的邏輯功能教學基本要求教學基本要求1、掌握鎖存器、觸發(fā)器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理、掌握鎖存器、觸發(fā)器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理2、熟練掌握、熟練掌握SR觸發(fā)器、觸發(fā)器、JK觸發(fā)器、觸發(fā)器、D觸發(fā)器及觸發(fā)器及T 觸發(fā)器的邏輯功能觸發(fā)器的邏輯功能3、正確理解鎖存器、觸發(fā)器的動態(tài)特性、正確理解鎖存器、觸發(fā)器的動態(tài)特性1 1、時序邏輯電路與鎖存器、觸發(fā)器、時序邏輯電路與鎖存器、觸發(fā)器 時序邏輯電路時序邏輯電路: :鎖存器和觸發(fā)器

2、是構(gòu)成時序邏輯電路的基本邏輯單元鎖存器和觸發(fā)器是構(gòu)成時序邏輯電路的基本邏輯單元 。 結(jié)構(gòu)特征結(jié)構(gòu)特征: :由組合邏輯電路和存儲電路組成由組合邏輯電路和存儲電路組成, ,電路中存在反饋。電路中存在反饋。工作特征：時序邏輯電路的工作特點是任意時刻的輸出狀態(tài)不工作特征：時序邏輯電路的工作特點是任意時刻的輸出狀態(tài)不僅與該當前的輸入信號有關，而且與此前電路的狀態(tài)有關。僅與該當前的輸入信號有關，而且與此前電路的狀態(tài)有關。 2、 鎖存器與觸發(fā)器的異同鎖存器與觸發(fā)器的異同共同點：具有共同點：具有0 0 和和1 1兩個穩(wěn)定狀態(tài)，一旦狀態(tài)被確定，就能自行兩個穩(wěn)定狀態(tài)，一旦狀態(tài)被確定，就能自行保持。一個鎖存器或觸發(fā)

3、器能存儲一位二進制碼。保持。一個鎖存器或觸發(fā)器能存儲一位二進制碼。 不同點：鎖存器鎖存器-對脈沖電平敏感的存儲對脈沖電平敏感的存儲電路，在特定輸入脈沖電平作用下電路，在特定輸入脈沖電平作用下改變狀態(tài)。改變狀態(tài)。觸發(fā)器觸發(fā)器-對脈沖邊沿敏感的存儲電對脈沖邊沿敏感的存儲電路，在時鐘脈沖的上升沿或下降沿路，在時鐘脈沖的上升沿或下降沿的變化瞬間改變狀態(tài)。的變化瞬間改變狀態(tài)。 E E CP CP 5.1 雙穩(wěn)態(tài)存儲單元電路雙穩(wěn)態(tài)存儲單元電路5.1.1 雙穩(wěn)態(tài)的概念雙穩(wěn)態(tài)的概念 穩(wěn)穩(wěn) 態(tài)態(tài)穩(wěn)穩(wěn) 態(tài)態(tài)介介 穩(wěn)穩(wěn) 態(tài)態(tài) 1 Q Q 1 G1 G2 1 Q Q 1 G1 G2 反響反響5.1.2 雙穩(wěn)態(tài)存儲單元

4、電路雙穩(wěn)態(tài)存儲單元電路 Q端的狀態(tài)定義為電路輸出狀態(tài)。端的狀態(tài)定義為電路輸出狀態(tài)。電路有兩個互補的輸出端電路有兩個互補的輸出端1. 電路結(jié)構(gòu)電路結(jié)構(gòu) 2、數(shù)字邏輯分析、數(shù)字邏輯分析電路具有記憶電路具有記憶1 1位二進制數(shù)據(jù)的功能。位二進制數(shù)據(jù)的功能。 如如 Q = 1如如 Q = 0 1 1 Q Q G1 G2 VO1 VO2 VI1 VI2 10011 1 1 Q Q G1 G2 VO1 VO2 VI1 VI2 011003. 模擬特性分析模擬特性分析 1 1 Q Q G1 G2 VO1 VO2 VI1 VI2 I1 = O2 O1 = I2 0 穩(wěn)穩(wěn)態(tài)態(tài)點點(Q=1) 穩(wěn)穩(wěn)態(tài)態(tài)點點( (Q

5、 Q= =0 0) ) 介介穩(wěn)穩(wěn)態(tài)態(tài)點點 I1(=O2) O1(=I2) a b c d e G1 G2 圖中兩個非門的傳輸特性圖中兩個非門的傳輸特性5.2.1 SR 鎖存器鎖存器5.2 鎖存器鎖存器5.2.1 D 鎖存器鎖存器5.2.1 SR 鎖存器鎖存器5.2 鎖存器鎖存器 1 1 Q Q R G1 G2 1 1 S +VDD T4 T2 T6 T5 T1 T3 Q Q S R 或或非非門門 G1 或或非非門門 G2 1. 1. 基本基本SRSR鎖存器鎖存器初態(tài)：初態(tài)：R R、S S信號作用前信號作用前Q Q端的端的狀態(tài)，初態(tài)用狀態(tài)，初態(tài)用Q nQ n表示。表示。次態(tài)：次態(tài)：R R、S S

6、信號作用后信號作用后Q Q端的端的狀態(tài)次態(tài)用狀態(tài)次態(tài)用Q n+1Q n+1表示。表示。1) 工作原理工作原理R=0、S=0狀態(tài)不變狀態(tài)不變0 00 0若初態(tài)若初態(tài) Q n = 11 10 01 1 1 1 Q Q R G1 G2 1 1 S 若初態(tài)若初態(tài) Q n = 00 01 10 00 00 0 1 1 Q Q R G1 G2 1 1 S 無論初態(tài)無論初態(tài)Q n為為0或或1，鎖存器的次態(tài)為為，鎖存器的次態(tài)為為1態(tài)。態(tài)。 信號消失信號消失后新的狀態(tài)將被記憶下來。后新的狀態(tài)將被記憶下來。 S 1 Q Q 1 R G1 G2 0 01 1若初態(tài)若初態(tài) Q n = 1Q n = 11 10 01

7、1 S 1 Q Q 1 R G1 G2 若初態(tài)若初態(tài) Q n = 0Q n = 00 01 10 00 01 10 0R=0、S=1置置1無論初態(tài)無論初態(tài)Q n為為0或或1，鎖存器的次態(tài)為，鎖存器的次態(tài)為0態(tài)。態(tài)。 信號消失后信號消失后新的狀態(tài)將被記憶下來。新的狀態(tài)將被記憶下來。 S 1 Q Q 1 R G1 G2 1 10 0若初態(tài)若初態(tài) Q n = 1Q n = 11 11 10 0若初態(tài)若初態(tài) Q n = 0Q n = 0 S 1 Q Q 1 R G1 G2 1 10 00 01 10 01 1R=1 、 S=0置置0 S 1 Q Q 1 R G1 G2 1 11 10 00 0S=1

8、、 R=1無論初態(tài)無論初態(tài)Q n為為0或或1，觸發(fā)器的次態(tài)，觸發(fā)器的次態(tài) 、 都為都為0 。nQnQ狀態(tài)不確定狀態(tài)不確定約束條件約束條件: SR = 0當當S、R 同時回到同時回到0時，由于兩個與非時，由于兩個與非門的延遲時間無法確定，使得觸發(fā)器門的延遲時間無法確定，使得觸發(fā)器最終穩(wěn)定狀態(tài)也不能確定。最終穩(wěn)定狀態(tài)也不能確定。觸發(fā)器的輸出既不是觸發(fā)器的輸出既不是0態(tài)，也不是態(tài)，也不是1態(tài)態(tài)3工作波形工作波形 S R Q Q 置置 1 置置 0 1 1 Q Q R S 4 4用與非門構(gòu)成的基本用與非門構(gòu)成的基本SRSR鎖存器鎖存器、 S Q Q R R S c.國標邏輯符號國標邏輯符號a.電路圖電

9、路圖b.b.功能表功能表 RSQ不定不定10010100101不變不變11不變不變Q約束條件約束條件: S +R = 0 例例 運用基本運用基本SR鎖存器消除機械開關觸點抖動引起的脈沖輸出。鎖存器消除機械開關觸點抖動引起的脈沖輸出。 R vO t0 t1 vO t0 t1 t +5V +5V 100k A B Q 1 2 74HCT00 R S 100k S +5V +5V R S Q 2. 邏輯門控邏輯門控SR鎖存器鎖存器 R E S & & 1 1 1 1 G3 G1 G2 G4 Q4 Q3 Q Q 電路結(jié)構(gòu)電路結(jié)構(gòu) 1R E1 1S Q Q E S R 國標邏輯符號國標邏

10、輯符號簡單簡單SR鎖存器鎖存器使能信號控制門電路使能信號控制門電路 R E S & & 1 1 1 1 G3 G1 G2 G4 Q4 Q3 Q Q 2、工作原理、工作原理 S=0，R=0：Qn+1=Qn S=1，R=0：Qn+1=1 S=0，R=1：Qn+1=0 S=1，R=1：Qn+1= E=1：E=0：狀態(tài)發(fā)生變化。狀態(tài)發(fā)生變化。 狀態(tài)不變狀態(tài)不變Q3 = S Q4 = R E S R Q3 Q4 Q Q 1 2 3 4 的波形。的波形。 邏輯門控邏輯門控SR鎖存器的鎖存器的E、S、R的波形如下圖虛線上邊所示，的波形如下圖虛線上邊所示，鎖存器的原始狀態(tài)為鎖存器的原始狀態(tài)為Q

11、 = 0， 試畫出試畫出Q3、Q4、Q和和Q R E S & & 1 1 1 1 G3 G1 G2 G4 Q4 Q3 Q Q 5.2.2 D 鎖存器鎖存器1. 邏輯門控邏輯門控D鎖存器鎖存器 1D E1 Q Q E D 國標邏輯符號國標邏輯符號 R E D & & 1 1 1 1 G3 G1 G2 G4 Q4 Q3 Q Q S 1 1 G5 邏輯電路圖邏輯電路圖 R E D & & 1 1 1 1 G3 G1 G2 G4 Q4 Q3 Q Q S 1 1 G5 =SS =0 R=1D=0Q = 0D=1Q = 1E=0不變不變E=1= DS =1

12、R=0D鎖存器的功能表鎖存器的功能表置置10111置置01001堅持堅持不變不變不不變變0功能功能QDEQ邏輯功能邏輯功能2. 傳輸門控傳輸門控D鎖存器鎖存器 1 1 TG2 TG1 1 1 G1 G2 G4 G3 E C Q Q C C C D C C 1 1 G1 TG2 G2 Q Q TG1 D 1 1 G1 TG2 G2 Q Q TG1 D (c) E=0時時(b) E=1時時(a) 電路結(jié)構(gòu)電路結(jié)構(gòu)CTG2導通，導通，TG1斷開斷開 TG1導通，導通，TG2斷開斷開Q = DQ 不變不變 1 1 TG TG 1 1 G1 TG2 G2 G4 G3 E C Q Q C C C TG1

13、D C C (c) 工作波形工作波形 D E Q Q 3. D鎖存器的動態(tài)特性鎖存器的動態(tài)特性時序圖時序圖: :表示電路動作過程中，對各輸入信號的表示電路動作過程中，對各輸入信號的時間要求以及輸出對輸入信號的響應時間。時間要求以及輸出對輸入信號的響應時間。 D Q tSU tH tW TpLH E TpHL 74HC/HCT373 八八D鎖存器鎖存器 LE 1 1 OE 1 E 1 E 1 E Q1 Q7 Q0 D1 D7 D0 1D C1 C1 1 1D C1 C1 1D C1 C1 4. 典型集成電路典型集成電路74HC/HCT373的功能表的功能表OE工作模式工作模式輸輸 入入內(nèi)部鎖存器

14、內(nèi)部鎖存器狀狀 態(tài)態(tài)輸輸 出出LEDnQn使能和讀鎖存器使能和讀鎖存器（傳送模式）（傳送模式）LHLLLLHHHH鎖存和讀鎖存器鎖存和讀鎖存器LLL*LLLLH*HH鎖存和禁止輸出鎖存和禁止輸出H高阻高阻H高阻高阻L*和和H*表示門控電平表示門控電平LE由高變低之前瞬間由高變低之前瞬間Dn的邏輯電平。的邏輯電平。5.3 觸發(fā)器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理觸發(fā)器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理5.3.1 主從觸發(fā)器主從觸發(fā)器5.3.2 維持阻塞觸發(fā)器維持阻塞觸發(fā)器*5.3.3 利用傳輸延時的觸發(fā)器利用傳輸延時的觸發(fā)器5.3.4 觸發(fā)器的動態(tài)特性觸發(fā)器的動態(tài)特性 E 5.3 觸發(fā)器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理觸發(fā)器的電路結(jié)構(gòu)

15、和工作原理1. 鎖存器與觸發(fā)器鎖存器與觸發(fā)器 CP CP 鎖存器在鎖存器在E的高的高(低低)電平期間電平期間對信號敏感對信號敏感觸發(fā)器在觸發(fā)器在CP的上升沿的上升沿(下降下降沿沿)對信號敏感對信號敏感在在VerilogHDL中對鎖存器與中對鎖存器與觸發(fā)器的描述語句是不同的觸發(fā)器的描述語句是不同的 E 5.3 觸發(fā)器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理觸發(fā)器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理 1 1 TG TG TG2 Q C C C TG1 D C 主主鎖鎖存存器器 1 1 TG TG TG4 Q Q C C C TG3 C 從從鎖鎖存存器器 Q CP 1 C C G1 G4 G3 G2 主鎖存器與從鎖存器主鎖存器與從鎖存

16、器結(jié)構(gòu)相同結(jié)構(gòu)相同1. 電路結(jié)構(gòu)電路結(jié)構(gòu)5.3.1 主從觸發(fā)器主從觸發(fā)器TG1和和TG4的工作狀的工作狀態(tài)相同態(tài)相同TG2和和TG3的工作狀的工作狀態(tài)相同態(tài)相同2. 由傳輸門組成的由傳輸門組成的CMOS邊沿邊沿D觸發(fā)器觸發(fā)器 工作原理：工作原理：TG1導通，導通，TG2斷開斷開輸入信號輸入信號D 送入主鎖存器。送入主鎖存器。TG3斷開，斷開，TG4導通導通從鎖存器維持在原來的狀態(tài)不變。從鎖存器維持在原來的狀態(tài)不變。 (1) CP=0時時: 1 1 TG TG TG2 Q C C C TG1 D C 主主鎖鎖存存器器 1 1 TG TG TG4 Q Q C C C TG3 C 從從鎖鎖存存器器

17、Q G1 G4 G3 G2 C =1，C=0，Q跟隨跟隨D端的狀態(tài)變化，使端的狀態(tài)變化，使Q=D。 CP 1 C C 工作原理：工作原理：(2) CP由由0跳變到跳變到1 : 1 1 TG TG TG2 Q C C C TG1 D C 主主鎖鎖存存器器 1 1 TG TG TG4 Q Q C C C TG3 C 從從鎖鎖存存器器 Q G1 G4 G3 G2 C =0，C=1， CP 1 C C 觸發(fā)器的狀態(tài)僅僅取決于觸發(fā)器的狀態(tài)僅僅取決于CP信號上升沿到達前瞬間的信號上升沿到達前瞬間的D信號信號 TG3導通，導通，TG4斷開斷開從鎖存器從鎖存器Q的信號送的信號送Q端。端。TG1斷開，斷開，TG

18、2導通導通輸入信號輸入信號D 不能送入主鎖存器。不能送入主鎖存器。主鎖存器維持原態(tài)不變。主鎖存器維持原態(tài)不變。 。 1 TG TG TG2 C C C TG1 D C 1 TG TG TG4 Q Q C C C TG3 C 1 G3 1 1 1 G1 1 1 1 1 RD SD CP 1 C C G4 G2 2. 典型集成電路典型集成電路 74HC/HCT74 中中D觸發(fā)器的邏輯圖觸發(fā)器的邏輯圖 74HC/HCT74的功能表DSQDSDR1nQLHHHHHLLHHQn+1DCPHHLLHLLHLHHLQDCP輸輸 出出輸輸 入入DR S C1 1D R S C2 2D R 1SD 1RD 1C

19、P 1D 1Q 1Q 2SD 2RD 2CP 2D 2Q 2Q 國標邏輯符號國標邏輯符號74HC/HCT74的邏輯符號和功能表的邏輯符號和功能表具有直接置具有直接置1、直接置、直接置0，正邊沿觸發(fā)的，正邊沿觸發(fā)的D功能觸發(fā)器功能觸發(fā)器5.3.2 維持阻塞觸發(fā)器維持阻塞觸發(fā)器1. 1. 電路結(jié)構(gòu)與工作原理電路結(jié)構(gòu)與工作原理 C置置0維持線維持線響應輸入響應輸入D和和CP信號信號根據(jù)根據(jù) 確定確定觸發(fā)器的狀態(tài)觸發(fā)器的狀態(tài) RS G1 & CP Q1 & G2 G3 & & & G5 Q2 Q3 S R G4 Q4 D G6 Q Q & CP = 00

20、11DD G1 & C P Q1 & G2 G3 & & & G5 Q2 Q3 S R Q4 D G6 Q Q & 2、工作原理、工作原理 Qn+1=QnD 信號進入觸發(fā)器信號進入觸發(fā)器,為狀態(tài)刷新作好準備為狀態(tài)刷新作好準備Q1 = DQ4= DD信號存于信號存于Q4當當CP 由由0 跳變?yōu)樘優(yōu)?0 01 1D DD D G1 & C P Q1 & G2 G3 & & & G5 Q2 Q3 S R GQ4 D G6 Q Q & 1 10 00 0D DD DDQn 1在在CP脈沖的上升沿，觸法器按

21、此前的脈沖的上升沿，觸法器按此前的D信號刷新信號刷新當當CP =1在在CP脈沖的上升沿到來瞬間使觸發(fā)器的狀態(tài)變化脈沖的上升沿到來瞬間使觸發(fā)器的狀態(tài)變化D信號不影響信號不影響 、 的狀態(tài)，的狀態(tài)，Q的狀態(tài)不變的狀態(tài)不變RS G1 & C P Q1 & G2 G3 & & & G5 Q2 Q3 S R GQ4 D GQ Q & 1 10 01 1置置1維持線維持線置置0 阻塞線阻塞線1 11 10 00 02. 典型集成電路典型集成電路-74LS74 & CP & & & & D Q Q & SD RD

22、 S C1 1D R SD RD CP D Q Q D Q tSU tH tW tPLH CP tPHL Tcmin Q tPHL tPLH 5.3.4 觸發(fā)器的動態(tài)特性觸發(fā)器的動態(tài)特性 C1 1D Q Q D C 動態(tài)特性反映其觸發(fā)器對輸入信號和時鐘信號間的時間要求，動態(tài)特性反映其觸發(fā)器對輸入信號和時鐘信號間的時間要求，以及輸出狀態(tài)對時鐘信號響應的延遲時間。以及輸出狀態(tài)對時鐘信號響應的延遲時間。 建立時間建立時間保持時間保持時間脈沖寬度脈沖寬度傳輸延時時間傳輸延時時間傳輸延時時間傳輸延時時間保持時間保持時間tH tH ：保證：保證D D狀態(tài)可靠地傳送到狀態(tài)可靠地傳送到Q Q建立時間建立時間t

23、SU ：保證與：保證與D 相關的電路建立起穩(wěn)定的狀態(tài)，使相關的電路建立起穩(wěn)定的狀態(tài)，使觸發(fā)器狀態(tài)得到正確的轉(zhuǎn)換。觸發(fā)器狀態(tài)得到正確的轉(zhuǎn)換。最高觸發(fā)頻率最高觸發(fā)頻率fcmax ：觸發(fā)器內(nèi)部都要完成一系列動作，需：觸發(fā)器內(nèi)部都要完成一系列動作，需要一定的時間延遲，所以對于要一定的時間延遲，所以對于CP最高工作頻率有一個限制。最高工作頻率有一個限制。觸發(fā)脈沖寬度觸發(fā)脈沖寬度tW ：保證內(nèi)部各門正確翻轉(zhuǎn)。：保證內(nèi)部各門正確翻轉(zhuǎn)。傳輸延遲時間傳輸延遲時間tPLH和和tPHL ：時鐘脈沖：時鐘脈沖CP上升沿至輸出端上升沿至輸出端新狀態(tài)穩(wěn)定建立起來的時間新狀態(tài)穩(wěn)定建立起來的時間5.4.1 D 觸發(fā)器觸發(fā)器

24、5.4 觸發(fā)器的邏輯功能觸發(fā)器的邏輯功能5.4.2 JK 觸發(fā)器觸發(fā)器 5.4.3 SR 觸發(fā)器觸發(fā)器 5.4.4 D 觸發(fā)器功能的轉(zhuǎn)換觸發(fā)器功能的轉(zhuǎn)換 5.4.2 T 觸發(fā)器觸發(fā)器 5.4 觸發(fā)器的邏輯功能觸發(fā)器的邏輯功能不同邏輯功能的觸發(fā)器國際邏輯符號不同邏輯功能的觸發(fā)器國際邏輯符號 1D C1 Q Q D CP D 觸發(fā)器觸發(fā)器 1J C1 1K Q Q J CP K JK 觸發(fā)器觸發(fā)器 1T C1 Q Q T CP T 觸發(fā)器觸發(fā)器 1S C1 1R Q Q S CP R RS 觸發(fā)器觸發(fā)器5.4.1 D 觸發(fā)器觸發(fā)器 1. 特性表特性表 Qn DQn+10000111001112.

25、特性方程特性方程Qn+1 = D D=1 D=0 D=0 D=1 0 1 3. 狀態(tài)圖狀態(tài)圖3.狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖 翻 轉(zhuǎn)10011111 置 111010011 置 000011100狀態(tài)不變01010000 說 明Qn+1QnKJ1.特性表特性表 1nnnQJQKQ2.特性方程特性方程 0 1 0 0 1 1 0 1 J 1 KQn 0 00 01 11 10 5.4.2 JK 觸發(fā)器觸發(fā)器 J=0 K= J= K=0 J=1 K= J= K=1 0 1 J K 1 2 3 4 5 6 7 CP 例例5.4.1 設下降沿觸發(fā)的設下降沿觸發(fā)的JK觸發(fā)器時鐘脈沖和觸發(fā)器時鐘脈沖和J、K信號的波形信號的波形如圖所示試畫出輸出端如圖所示試畫出輸出端Q的波形。設觸發(fā)器的初始狀態(tài)為的波形。設觸發(fā)器的初始狀態(tài)為0。 Q 5.4.3 T觸發(fā)器觸發(fā)器 特性方程特性方程狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖特性表特性表nQ1n Q011101110000TnnnQTQTQ1 T=1 T=1 T=0 T=0 0 1 1T C1 Q Q T CP 邏輯符號邏輯符號 4. T觸發(fā)器觸發(fā)器 Q Q CP C 國際邏輯符號國際邏輯符號 特性方程特性方程nnQQ1時鐘脈沖每作用一次，觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)一次。時鐘脈沖每作用一次，觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)一次。 5.4.4 SR