電子技術(shù)基礎(chǔ)數(shù)字部分

1、5鎖存器和觸發(fā)器教學(xué)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2、熟練掌握SR觸發(fā)器、JK觸發(fā)器、D觸發(fā)器及T觸發(fā)器的邏輯功能3、正確理存器、觸發(fā)器的動(dòng)態(tài)特性概述1、觸發(fā)器與時(shí)序邏輯電路：數(shù)字電路中除組合邏輯電路外，還包括另一類具有功能的電路時(shí)序邏輯電路.觸發(fā)器是時(shí)序邏輯電路的基本邏輯單元。時(shí)序邏輯電路的工作特點(diǎn)是任意時(shí)刻的輸出狀態(tài)不僅與該當(dāng)前的輸入信號(hào)有關(guān)，而且與此前電路的狀態(tài)有關(guān)。2、鎖存器與觸發(fā)器共同特點(diǎn)：都具有0和1兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，一旦狀態(tài)被確定，就能自行保持，即長(zhǎng)期一位二進(jìn)制碼，直到通過(guò)外部信號(hào)的作用才有可能改變不同點(diǎn)：鎖存器-對(duì)脈沖電平敏感，它們可以在特定輸入脈沖電平作用下改

2、變狀態(tài)。E觸發(fā)器-對(duì)脈沖邊沿敏感的電CP路，其狀態(tài)只有在被稱作時(shí)鐘脈沖的上升沿或下降沿的變化瞬間才能改變。CP雙穩(wěn)態(tài)單元電路5.15.1.1雙穩(wěn)態(tài)的概念雙穩(wěn)態(tài)單元電路1 、電路結(jié)構(gòu)反饋G1介穩(wěn)態(tài)Q穩(wěn)態(tài)穩(wěn)態(tài)QG2112、數(shù)字邏輯分析G 1G 110V O1 V O1 VV1I10I11QQ1011Q10QVV I2V O2 V O2 I2G 2G 2定義Q=0為電路的0狀態(tài)，而當(dāng)Q=1時(shí)則為1狀態(tài)。電路具有或1位二進(jìn)制數(shù)據(jù)的功能。13. 模擬特性分析VO1= VI2VI1= VO2VO1穩(wěn)態(tài)點(diǎn)dec介穩(wěn)態(tài)ba穩(wěn)態(tài)點(diǎn)0VI11I215.2 鎖存器5.2.1 SR鎖存器1. 簡(jiǎn)單的SR鎖存器1) 工

3、作原理R=0、S=0狀態(tài)不變0G100G10Q1Q11R S10QQRS100若初態(tài) Q n = 1若初態(tài) Qn = 0G21G21+VDD或非門或非門G1G2T3T6RST2T5R=0、S=1置1無(wú)論初態(tài)Q n為0或1，觸發(fā)器的次態(tài)為為1態(tài)。 信號(hào)后新的狀態(tài)將被下來(lái)。 0 G1 0 G11011QRRQG21QQS S0001若初態(tài) Q1若初態(tài)n = 1Q n = 0G21 置0R=1 、 S=0無(wú)論初態(tài)Q n為0或1，觸發(fā)器的次態(tài)為為0態(tài)。 信號(hào)后新的狀態(tài)將被下來(lái)。 1 G1 1 G10001QRR1QQQSS1110若初態(tài) Q0若初態(tài)n = 1Q n = 0G21 G21 S=1 、 R

4、=1狀態(tài)不確定Q n、Qn無(wú)論初態(tài)Q n為0或1，觸發(fā)器的次態(tài)都為0。此時(shí)如果兩個(gè)輸入信號(hào)同時(shí)發(fā)生由0到1的變化，則會(huì)出現(xiàn)所謂競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)象。由于兩個(gè)與非門的延遲時(shí)間無(wú)法確定，使得觸發(fā)器最終穩(wěn)定狀態(tài)也不能確定。01Q 1 G10RQS0約束條件:SR = 01G212）邏輯符號(hào)與邏輯功能邏輯功能表QSS不變RRQn :電路的初態(tài)Q置0信號(hào)輸入前的狀態(tài)置1Q n1:電路的次態(tài)信號(hào)輸入后的新態(tài)非定義狀態(tài)因此，稱S為置1端，R為置0端，都是有效RQ nQn 1S000011110011001101010101010011非定義非定義3）工作波形QS00010SS1000000RQ QRRQ不變置1不變 置

5、1不變 置0不變的SR鎖存器4）用與非門、100011S +R = 0約束條件:RSQQ11不變不變011001畫工作波形方法：1. 根據(jù)鎖存器信號(hào)敏感情況,確定狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)間2. 根據(jù)觸發(fā)器的邏輯功能確定Qn+1。QQ工作波形能直觀地表示其輸入信號(hào)與輸出的時(shí)序關(guān)系。SRS101 0111 0R111 1 101 0Q 0Q不1定不變 置1 不變 置1不變 置0 不變置1開關(guān)起始狀態(tài):接B,5、應(yīng)用舉例= 0S =1Q=0+5VR-去抖動(dòng)電路懸空時(shí) R = 1S=1RQ不變vO開關(guān)接A時(shí)振動(dòng),Q=1t0vOt1開關(guān)轉(zhuǎn)接A,+5V= 1S =0Q=1Rtt0t1S懸空時(shí)間開關(guān)接 B振動(dòng)SRQ+5

6、V100k1 74H C T 0S2QASB100kR+5 V5、應(yīng)用舉例FF31 DRS01&3Q3-四位數(shù)碼寄存器FF2RS0 D21第一步：清0(cr=0,LD=0)0&Q2數(shù)碼輸入FF1置00態(tài)不變S=1S=1R=0R=1RS01D&11Q1FF0RS10D0&第二步：置數(shù)(cr=1, LD=1)0Q0CrLDD3D2D1D0 =1010置1 輸入1輸入2. 邏輯門控SR鎖存器電路結(jié)構(gòu)：由簡(jiǎn)單SR鎖存器和使能信號(hào)控制門電路組成。RE S1R E11SQQG4G2&Q41QE1&QQ3G1G3國(guó)標(biāo)邏輯符號(hào)電路結(jié)構(gòu)2、工作原理E=0：狀態(tài)不變Q3 = SQ4 = RE=1：狀態(tài)發(fā)生變化。S

7、=0，R=0：Qn+1=Qn S=1，R=0：Qn+1=1 S=0，R=1：Qn+1=0S=1，R=1：Qn+1= 邏輯門控SR鎖存器的E、S、R的波形鎖存器的原始狀態(tài)為Q = 0，試畫出Q3、Q4、Q和Q 的波形。1234ESRSRQ3Q4QQ3、 邏輯功能的幾種描述方式：2) 特性方程1) 邏輯功能表 （E=1）n 1= fS(n )R QQRQn00011110S01次態(tài)S0n 1nQRQ SR約束條件010011SRQnQn+1說(shuō) 明00000101狀態(tài)不變00110100置011000111置1111101狀態(tài)不定邏輯功能表3)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖SRQnQn+1說(shuō) 明狀態(tài)不變S=0 R=1置

8、0S=0R=xS=x R=010置1S=1 R=0111101狀態(tài)不定4、)工作波形E=1期間的S 、 R信號(hào)影響觸發(fā)器的狀態(tài)。E=0為低電平期間其狀態(tài)不變。同步RS觸發(fā)器真值表SRQn+100110101Qn 01邏輯功能的四種描述方式:功能表、特性方程、狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖 、波形圖。ESR QRE S1R E11SQQ5.2.2 D鎖存器1. 邏輯門控D鎖存器S = DR=SE=0E=1不變D=0D=1S =0S =1R=1R=0Q = 0Q = 1D鎖存器的功能表E1101D功能0不變不變保持001置110置2. 傳輸門控D鎖存器(a) 電路結(jié)構(gòu)(b) E=1時(shí)(c) E=0時(shí)TG1導(dǎo)通，TG2

9、斷開Q = DTG2導(dǎo)通，TG1斷開Q 不變CCG1DTG1QTG1CTGC CTG201QG3CG4 G2110101 CE111(c) 工作波形CG11TGQDDTGC CTGECTGQQQCG3G4G211EC13. D鎖存器的動(dòng)態(tài)特性定時(shí)圖:表示電路動(dòng)作過(guò)程中，對(duì)各輸入信號(hào)的時(shí)間要求以及輸出對(duì)輸入信號(hào)的響應(yīng)時(shí)間。T4.典型集成電路74HC/HCT373的功能表L*和H*表示門控電平LE由高變低之前瞬間Dn的邏輯電平。工作模式輸 入鎖存器狀態(tài)輸 出OELEDnQn使能和讀鎖存器（傳送模式）LHLLLLHHHH鎖存和讀鎖存器LLL*LLLLH*HH鎖存和輸出HH5.3觸發(fā)器的電路結(jié)構(gòu)和工作

10、原理1.鎖存器與觸發(fā)器鎖存器在E的高(低)電平期間對(duì)信號(hào)敏感EE觸發(fā)器在CP的上升沿(下降沿)對(duì)信號(hào)敏感在VerilogHDL中對(duì)鎖存器與觸發(fā)器的描述語(yǔ)句是不同的CPCP 5.3 觸發(fā)器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理5.3.1邊沿觸發(fā)器1. 電路結(jié)構(gòu)主鎖存器從鎖存器 CCG1 QQQTG1TG3主鎖存器與從鎖存器結(jié)構(gòu)相同G311TGTGDTG4TG2C CC CTGTGCCTG1和TG4的工作狀態(tài)相同QG2G4TG2和TG3的工作狀態(tài)相同C1CPC2. 由傳輸門組成的CMOS邊沿D觸發(fā)器工作原理：C(1) CP=0時(shí):=1，C=0，DTG1導(dǎo)通，TG2斷開輸入信號(hào)D 送入主鎖存器。Q跟隨D端的狀態(tài)變化，

11、使Q=D。TG3斷開，TG4導(dǎo)通從鎖存器維持在原來(lái)的狀態(tài)不變。CPC C1工作原理：(2) CP由0跳變到1 :C=0，C=1，主鎖存器從鎖存器CC G1 QQQTG11TG3D=XG31011TGTGD0TG2TG4CCC CC CTGTG1CCCPQG2G4TG1斷開，TG2導(dǎo)通輸入信號(hào)D 不能送入主鎖存器。主鎖存器維持原態(tài)不變。TG3導(dǎo)通，TG4斷開從鎖存器Q的信號(hào)送Q端。觸發(fā)器的狀態(tài)僅僅取決于CP信號(hào)上升沿到達(dá)前瞬間的D信號(hào)112. 由傳輸門組成的CMOS邊沿D觸發(fā)器工作特點(diǎn)：在CP低電平期間信號(hào)，CP的上升沿狀態(tài)變化。（2） D觸法器的邏輯功能邏輯功能表Qn+1=D特性方程狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

12、0011D=1D=001D=1 D=0DQ nQn 101010011對(duì)CP上升沿敏感的邊沿觸發(fā)器工作波形CPDC1 1DQQ對(duì)CP下降沿敏感的邊沿觸發(fā)器工作波形邏輯符號(hào)CPQDQC1 1D2. 典型集成電路74HC/HCT7474HC/HCT74的功能表直接置1直接置0完成D功能具有直接置1、直接置0，正邊沿觸發(fā)的D功能觸發(fā)器SC1 1D RSC2 2D R輸 入輸 出S DRDCPDQQLHHLHLLHLLHHS DRDCPDQn+1Q n 1HHLLHHHHHL已知觸發(fā)器的輸入波形，試對(duì)應(yīng)畫出Q端輸出波形SDSC1QCPD RD1D RQCPRD SDD Q維持阻塞觸發(fā)器5.3.2電路結(jié)

13、構(gòu)與工作原理1.G1由3個(gè)SR鎖存器組成&Q1響應(yīng)輸入D和CP信號(hào)G5QS2&根據(jù)S R確定觸發(fā)器的狀態(tài)&QG2CPG3Q3&RQ&G6C&Q4DG45.1.4 維持阻塞D觸發(fā)器2、工作原理Q4= DQ1 = DCP = 0GQn+1=QnD信號(hào)存于Q4DQ1GQS12&5QG 0 PCG2Q&RQ3 1G6DQ4DGD 信號(hào)進(jìn)入觸發(fā)器,為狀態(tài)刷新作好準(zhǔn)備4Q n 1D當(dāng)CP 由0跳變?yōu)?在CP脈沖的上升沿，觸法器按此前的D信號(hào)刷新G&QD1GQ1S2 D&50QGPCG2Q&3DR01QG6&0QD4DG當(dāng)CP =1 D信號(hào)不影響 S 、R的狀態(tài)，Q的狀態(tài)不變置1維持線GQ置0 阻塞線01G

14、Q1S02&5QGPCG21Q&R3 0Q1G置0維持線Q4D在CP脈沖的上升沿到來(lái)瞬間使觸發(fā)器的狀態(tài)變化D 觸發(fā)器的邏輯功能表工作波形CPDQD0011Q n0101Qn100112. 典型集成電路SD&Q SRDDQCP D&Q&CQRD&DSC11D R5.2.4觸發(fā)器的動(dòng)態(tài)特性動(dòng)態(tài)特性反映其觸發(fā)器對(duì)輸入信號(hào)和時(shí)鐘信號(hào)間的時(shí)間要求，以及輸出狀態(tài)對(duì)時(shí)鐘信號(hào)響應(yīng)的延遲時(shí)間。保持時(shí)間脈沖寬度建立時(shí)間DtHtSUtCWttLTcminQ傳輸延時(shí)時(shí)間傳輸延時(shí)時(shí)間QttLHC DC1 1DQQDtHtSUtWCPTcmintt LHQQttLH建立時(shí)間tSU ：保證與D 相關(guān)的電路建立起穩(wěn)定的狀態(tài)，

15、使觸發(fā)器狀態(tài)得到正確的轉(zhuǎn)換。保持時(shí)間tH：保證D狀態(tài)可靠地傳送到QDtHtSUtWCPTcmintt LHQQttLH觸發(fā)脈沖寬度tW傳輸延遲時(shí)間t：保證各門正確翻轉(zhuǎn)。：時(shí)鐘脈沖CP上升沿至輸出端新狀態(tài)H和tL穩(wěn)定建立起來(lái)的時(shí)間最高觸發(fā)頻率fcmax：觸發(fā)器都要完成一系列動(dòng)作，需要一定的時(shí)間延遲，所以對(duì)于CP最高工作頻率有一個(gè)限制。觸發(fā)器的邏輯功能5.3J K 觸發(fā)器&J11DC1QQ1&KCD JQ KQ DQQn 1 JQ KQn 1Qn= 0Qn= 1Qn+1= 1Qn+1= 1Qn= 0Qn= 1Qn+1= 0Qn+1= 1置1不變Qn= 0Qn= 1Qn+1= 0Qn+1= 0Qn=

16、 0Qn= 1Qn+1= 1Qn+1= 0翻轉(zhuǎn)置01JC1 1K 特性方程2、 JK 觸發(fā)器的邏輯功能KQ n00011110J功能表00001Qn1 JQnKQn010狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖J=X K=1J=X K=0J=0 K=X10J=1 K=XJKQnQn+1說(shuō) 明狀態(tài)不變置 0置 1翻 轉(zhuǎn)01001101JK觸發(fā)器真值表JKQn+1工作波形0001Qn0J K 觸發(fā)器狀態(tài)變化產(chǎn)生在時(shí)鐘脈沖的上升沿，其次態(tài)決定于該時(shí)刻前瞬間輸入信號(hào)J K。1101 1QnCPQ1010JKCP0110KQQ1J C1 1KJJ CP K RDQQ畫出觸發(fā)器的工作波形SDCPRDSDJKQ1C1 1K R S邏輯符

17、號(hào)T觸發(fā)器T1TQTQCP CQQ特性方程Qn 1 TQnTQn功能表狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖T=1T=0T=001T=1TQ nQ n 10011010101101JC1 1K T觸發(fā)器上升沿觸發(fā)的T觸發(fā)器邏輯符號(hào)Q1QCP QQ時(shí)鐘脈沖每作用一次，觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)一次。特性方程1JC1 1K C5.3觸發(fā)器的邏輯功能上升沿觸發(fā)的不同功能的觸發(fā)器S CPR1SQC11RQ下降沿觸發(fā)的不同功能的觸發(fā)器S CPR1SQC11RQT1TC1QQCPJ CPK1JC1 1KQQT1TC1QQCPJ CPK1JC1 1KQQDCP1DC1QQDCP1DC1QQ5.3.4D觸發(fā)器功能的轉(zhuǎn)換1.D 觸發(fā)器J K 觸發(fā)器JDQQ組合電路Qn1 JQnKQnKCQn+1 = D&JDQKJ11DQQ1&KCC11DC12. D 觸發(fā)器T 觸發(fā)器Qn+1 = DTDQQQ組合電路n T1QnTnCTQDQTQTCQTCQQ=1DC1=11DC11DC13. D 觸發(fā)器T 觸發(fā)器Qn+1 = DDQnCP1D