第5章 鎖存器和觸發(fā)器

5

鎖存器和觸發(fā)器5鎖存器和觸發(fā)器5.1雙穩(wěn)態(tài)存儲(chǔ)單元電路5.2鎖存器5.3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RS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、正確理解鎖存器、觸發(fā)器的動(dòng)態(tài)特性5.1

雙穩(wěn)態(tài)存儲(chǔ)單元電路5.1

雙穩(wěn)態(tài)存儲(chǔ)單元電路5.1.1

雙穩(wěn)態(tài)的概念5.1.2

雙穩(wěn)態(tài)存儲(chǔ)單元電路1、時(shí)序邏輯電路與鎖存器、觸發(fā)器：

時(shí)序邏輯電路:概述基本邏輯單元:鎖存器和觸發(fā)器

結(jié)構(gòu)特征:由組合邏輯電路和存儲(chǔ)電路組成,電路中存在反饋。工作特征：任意時(shí)刻的輸出信號(hào)不僅取決于該時(shí)刻的輸入信號(hào)，而且還取決于電路原來的狀態(tài)，即與以前的輸入信號(hào)有關(guān)。2、鎖存器與觸發(fā)器共同點(diǎn)：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。一個(gè)鎖存器或觸發(fā)器能存儲(chǔ)一位二進(jìn)制碼。

不同點(diǎn)：鎖存器---對(duì)脈沖電平敏感的存儲(chǔ)電路，在特定輸入脈沖電平作用下改變狀態(tài)。觸發(fā)器---對(duì)脈沖邊沿敏感的存儲(chǔ)電路，在時(shí)鐘脈沖的上升沿或下降沿的變化瞬間改變狀態(tài)。

CP

CP

5.1雙穩(wěn)態(tài)存儲(chǔ)單元電路5.1.1

雙穩(wěn)態(tài)的概念反饋5.1.2雙穩(wěn)態(tài)存儲(chǔ)單元電路電路有兩個(gè)互補(bǔ)的輸出端1.

電路結(jié)構(gòu)

Q端的狀態(tài)定義為電路輸出狀態(tài)。

2.數(shù)字邏輯分析——電路具有記憶1位二進(jìn)制數(shù)據(jù)的功能。

3.模擬特性分析

I1

=

O2

O1=

I2圖中非門的傳輸特性(vO2)(vI2)5.2鎖存器5.2.1RS鎖存器5.2鎖存器5.2.1D鎖存器兩個(gè)輸入端反饋兩個(gè)輸出端反饋正是由于引入反饋，才使電路具有記憶功能!&a&b5.2.1基本RS鎖存器5.2鎖存器與非門組成的基本RS鎖存器初態(tài)：R、S信號(hào)作用前Q端的狀態(tài)，初態(tài)用Qn表示。次態(tài)：R、S信號(hào)作用后Q端的狀態(tài)，次態(tài)用Qn+1表示。輸入RD=0,SD=1時(shí)若原狀態(tài)：11001010輸出仍保持：&a&b若原狀態(tài)：01111010輸出變?yōu)椋褐谩?”！&a&b0輸入RD=1,SD=0時(shí)若原狀態(tài)：10101001輸出變?yōu)椋?a&b若原狀態(tài)：00110101輸出保持：&a&b置“1”！輸入RD=1,SD=1時(shí)若原狀態(tài)：10111001輸出保持原狀態(tài)：若原狀態(tài)：01110110輸出保持原狀態(tài)：&a&b&a&b保持！輸入RD=0,SD=0時(shí)0011輸出：全是1注意：該狀態(tài)為不定狀態(tài)。&a&b輸入RD=0,SD=0時(shí)1111輸出：搶翻

當(dāng)RD、SD同時(shí)由0變?yōu)?時(shí)，翻轉(zhuǎn)快的門輸出變?yōu)?，另一個(gè)不得翻轉(zhuǎn)。因此，該狀態(tài)為不定狀態(tài)。&a&b輸入RD=1,SD=1時(shí)1111&a&b0110

邏輯函數(shù)表達(dá)式：約束條件&a&b基本RS鎖存器的功能表Qn

---初態(tài)Qn+1---次態(tài)不定不定0011

01000001010011100101110111Qn+1RDSDQn

復(fù)位端置位端邏輯符號(hào)0100011110

RDSD

Qn111XX工作波形小結(jié)1.與非門基本RS鎖存器是雙穩(wěn)態(tài)器件，只要令RD=SD=1，鎖存器即保持原態(tài)。穩(wěn)態(tài)情況下，兩輸出互補(bǔ)。一般定義Q為觸發(fā)器的狀態(tài)。2.在控制端加入負(fù)脈沖，可以使鎖存器狀態(tài)變化。SD端加入負(fù)脈沖，使Q=1，SD稱為“置位”或“置1”端。RD端加入負(fù)脈沖，使Q=0，RD稱為“復(fù)位”或“清0”端。≥1a≥1b5.2.1基本RS鎖存器或非門組成的基本RS鎖存器兩個(gè)輸入端兩個(gè)輸出端

邏輯函數(shù)表達(dá)式：約束條件0100011110

RDSD

Qn111XX≧1a≧1b基本RS鎖存器的功能表Qn

---初態(tài)Qn+1---次態(tài)011100

不定不定000001010011100101110111Qn+1RDSDQn

復(fù)位端置位端邏輯符號(hào)工作波形小結(jié)1.或非門基本RS鎖存器是雙穩(wěn)態(tài)器件，只要令RD=SD=0，鎖存器即保持原態(tài)。穩(wěn)態(tài)情況下，兩輸出互補(bǔ)。一般定義Q為觸發(fā)器的狀態(tài)。2.在控制端加入正脈沖，可以使鎖存器狀態(tài)變化。SD端加入正脈沖，使Q=1，SD稱為“置位”或“置1”端。RD端加入正脈沖，使Q=0，RD稱為“復(fù)位”或“清0”端。例

機(jī)械開關(guān)觸點(diǎn)抖動(dòng)引起的脈沖輸出。消抖方案：與非門基本RS鎖存器消抖方案：與非門基本RS鎖存器A

B

RD

SD100kW

S+5V

+5V

100kWQ&a&b2.邏輯門控RS鎖存器（同步RS鎖存器）cdRSE“同步”的含義：由使能端E（脈沖輸入端CP）決定R、S能否對(duì)輸出端起控制作用。直接清零端直接置位端輸出端輸入端QQabRDSDRDSD1）邏輯門控與非門RS鎖存器QQRDSDabRDSDcdRSE平時(shí)常為1平時(shí)常為1直接清零端直接置位端直接清零端、置位端的處理：E=0時(shí)011觸發(fā)器保持原態(tài)E=1時(shí)&a&b&c&dE11&a&b&c&dE111觸發(fā)器傳送數(shù)據(jù)門控RS鎖存器的功能表Qn+1

---次態(tài)Qn

---初態(tài)基本RS鎖存器的功能表ERSQnQn+10XXX不變1000010011101011011111000110101110不定1111不定不定不定0011

01000001010011100101110111Qn+1RDSDQn

RS鎖存器的功能表

特征方程式：0100011110

RSQn111XX約束條件RDSDRSCQ邏輯符號(hào)ERSQnQn+10XXX不變1000010011101011011111000110101110不定1111不定RS鎖存器的功能表RS鎖存器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖用來表示鎖存器在使能端E作用后狀態(tài)的轉(zhuǎn)換情況01011000100001狀態(tài)0狀態(tài)1ERSQnQn+10XXX不變1000010011101011011111000110101110不定1111不定簡化的功能表

由它的功能表可見：在R、S不相等時(shí)，Q服從于S!ERSQn+10XX不變100Qn10111100111不定例：畫出RS鎖存器的輸出波形。假設(shè)Q的初始狀態(tài)為0。ERSQ使輸出全為1E撤去后狀態(tài)不定2）邏輯門控或非門RS鎖存器電路結(jié)構(gòu)國標(biāo)邏輯符號(hào)簡單RS鎖存器使能信號(hào)控制門電路工作原理

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=ФE=1：E=0：狀態(tài)發(fā)生變化。狀態(tài)不變Q3=SQ4=R簡化的功能表

由它的功能表可見：在R、S不相等時(shí)，Q服從于S!ERSQn+10XX不變100Qn10111100111不定例：邏輯門控RS鎖存器的E、S、R的波形如下圖虛線上邊所示，鎖存器的原始狀態(tài)為Q=0，試畫出Q3、Q4、Q和Q的波形。

Q3Q4QQESR1234

同步R-S鎖存器的小結(jié)1.當(dāng)CP=0時(shí),無論R、S為何種取值組合，輸出端均“保持原態(tài)”；

2.只有當(dāng)CP=1時(shí),將c門和d門打開，控制端R、S的取值組合才會(huì)在輸出端有所反映，即有所謂“功能表”。

QQRDSDabcdRSCP邏輯符號(hào)這根紅顏色的線表示一重含義：“高電平有效”，即“只有在時(shí)鐘CP＝1時(shí)，它才表現(xiàn)出應(yīng)有的邏輯功能；如果CP＝0，輸出端Q則保持原狀態(tài)”。QQRDSDRSC邏輯符號(hào)這根綠顏色的線也表示一重含義：“低電平有效”，即“只有在時(shí)鐘CP＝0時(shí)，它才表現(xiàn)出應(yīng)有的邏輯功能；如果CP＝1，輸出端Q則保持原狀態(tài)”。QQRDSDRSC作業(yè)：P237

5.2.55.2.2D鎖存器1.邏輯門控D鎖存器國標(biāo)邏輯符號(hào)邏輯電路圖=SS=0R=1D=0Q=0D=1Q

=1E=0Q不變E=1=

DS=1R=0邏輯門控D鎖存器的功能表置10111置01001保持不變不變×0功能QDEQ邏輯功能2.傳輸門控D鎖存器

(b)工作原理(a)電路結(jié)構(gòu)TG1斷開，TG2導(dǎo)通TG1導(dǎo)通，TG2斷開Q=D(傳送數(shù)據(jù))Q不變(鎖存)

E=1時(shí)

C=1，C=0E=0時(shí)C=1，C=011000110011100(c)

工作波形DEQQ3.D鎖存器的動(dòng)態(tài)特性定時(shí)圖:表示電路動(dòng)作過程中，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。

74HC/HCT373八D鎖存器

4.

典型集成電路傳輸門控D鎖存器“1”輸出禁止輸出高阻傳輸控制74HC/HCT373的功能表工作模式輸入內(nèi)部鎖存器狀態(tài)輸出EDnQn傳送模式LHLLLLHHHH鎖存LLL*LLLLH*HH禁止輸出H×××高阻H×××高阻L*和H*表示門控電平LE由高變低之前瞬間Dn的邏輯電平。5.3觸發(fā)器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理5.3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5.3.2維持阻塞觸發(fā)器*5.3.3利用傳輸延時(shí)的觸發(fā)器5.3.4觸發(fā)器的動(dòng)態(tài)特性5.3觸發(fā)器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理主鎖存器與從鎖存器結(jié)構(gòu)相同1.電路結(jié)構(gòu)5.3.1主從觸發(fā)器TG1和TG4的工作狀態(tài)相同TG2和TG3的工作狀態(tài)相同由傳輸門組成的CMOS邊沿D觸發(fā)器

2.工作原理：TG1導(dǎo)通，TG2斷開——輸入信號(hào)D送入主鎖存器。TG3斷開，TG4導(dǎo)通——從鎖存器維持在原來的狀態(tài)不變。(1)CP=0時(shí):

=1，C=0，Q跟隨D端的狀態(tài)變化，使Q=D。

(2)CP由0跳變到1

:

=0，C=1，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)TG3導(dǎo)通，TG4斷開——從鎖存器Q的信號(hào)送Q端。TG1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。

2.工作原理：。

3.典型集成電路74HC/HCT74中D觸發(fā)器的邏輯圖

74HC/HCT74的功能表LHH↑HHHLL↑HHQn+1DCPHH××LLHL××LHLH××HLQDCP輸出輸入國標(biāo)邏輯符號(hào)74HC/HCT74的邏輯符號(hào)和功能表具有直接置1、直接置0，正邊沿觸發(fā)的D功能觸發(fā)器1.電路結(jié)構(gòu)由RS鎖存器組成的邊沿觸發(fā)器

cdQabCPghefiQRSQ’Q’(1)CP=1時(shí):

=0，C=1，2.工作原理(2)CP=0時(shí):

=1，C=0，Q’由RS決定

Q’鎖定，并送至Q

課堂作業(yè)：P239

5.3.15.3.25.3.2維持阻塞觸發(fā)器1.電路結(jié)構(gòu)與工作原理置0維持線響應(yīng)輸入D和CP信號(hào)根據(jù)確定觸發(fā)器的狀態(tài)響應(yīng)輸入D和CP信號(hào)CP=0

2、工作原理

Qn+1=QnD信號(hào)進(jìn)入觸發(fā)器,為狀態(tài)刷新作好準(zhǔn)備Q1=DQ4=DD信號(hào)存于Q4G11

&CPQ1

&

G2

G33

&

&

&

G5

Q2Q3

SD

RD

Q4

DG6

Q

Q

&

G4011DD當(dāng)CP

由0跳變?yōu)?G11

&

CPQ1

&

G2G33

&

&

&

G5

Q2

Q3S

R

G4Q4

DG6Q

Q

&

在CP脈沖的上升沿，觸法器按此前的D信號(hào)刷新01DD100DD當(dāng)CP=1時(shí)在CP脈沖的上升沿到來瞬間使觸發(fā)器的狀態(tài)變化D信號(hào)不影響、的狀態(tài)，Q的狀態(tài)不變置1維持線置0阻塞線G11

&

CPQ1

&

G2G33

&

&

&

G5

Q2

Q3S

R

G4Q4

DG6Q

Q

&

1101010若：Qn=0當(dāng)CP=1時(shí)在CP脈沖的上升沿到來瞬間使觸發(fā)器的狀態(tài)變化。

D信號(hào)不影響、的狀態(tài)，Q的狀態(tài)不變。G11

&

CPQ1

&

G2G33

&

&

&

G5

Q2

Q3S

R

G4Q4

DG6Q

Q

&

001111若：Qn=1當(dāng)CP=1在CP脈沖的上升沿到來瞬間使觸發(fā)器的狀態(tài)變化D信號(hào)不影響、的狀態(tài)，Q的狀態(tài)不變置1維持線置0阻塞線G11

&

CPQ1

&

G2G33

&

&

&

G5

Q2

Q3S

R

G4Q4

DG6Q

Q

&

010101若：Qn=12.典型集成電路-----74LS74

5.3.4

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。建立時(shí)間保持時(shí)間脈沖寬度傳輸延時(shí)時(shí)間傳輸延時(shí)時(shí)間5.3.4

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tH

：保證D狀態(tài)可靠地傳送到Q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)，使觸發(fā)器狀態(tài)得到正確的轉(zhuǎn)換。觸發(fā)脈沖寬度tW

：保證內(nèi)部各門正確翻轉(zhuǎn)。最高觸發(fā)頻率fcmax

：觸發(fā)器內(nèi)部都要完成一系列動(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。傳輸延遲時(shí)間tPLH和tPHL

：時(shí)鐘脈沖CP上升沿至輸出端新狀態(tài)穩(wěn)定建立起來的時(shí)間5.4

觸發(fā)器的邏輯功能5.4.1D觸發(fā)器5.4

觸發(fā)器的邏輯功能5.4.2JK觸發(fā)器5.4.4SR

觸發(fā)器5.4.5D

觸發(fā)器功能的轉(zhuǎn)換5.4.3T觸發(fā)器5.4

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(hào)D觸發(fā)器JK觸發(fā)器T觸發(fā)器RS觸發(fā)器5.4.1D

觸發(fā)器1.特性表

DQn

Qn+10000101011112.特性方程Qn+1=D

3.狀態(tài)圖DQn+10011簡化特性表

001101DCP正沿處翻轉(zhuǎn)RDSDDCQ邏輯符號(hào):CPDQ例：畫出D觸發(fā)器的輸出波形。3.狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖1.特性表

2.特性方程5.4.2JK

觸發(fā)器10010000,110110,1101JK

翻轉(zhuǎn)10011111

置111010011

置000011100狀態(tài)不變01010000

說

明Qn+1QnKJ簡化的功能表JK觸發(fā)器的功能小結(jié)：1.當(dāng)J=0、K=0時(shí)，具有保持功能（輸出不變）；2.當(dāng)J=1、K=1時(shí)，具有翻轉(zhuǎn)功能（輸出變反）；3.當(dāng)J=0、K=1時(shí)，具有復(fù)位功能（輸出為0）；4.當(dāng)J=1、K=0時(shí)，具有置位功能（輸出為1）。00不變，11變；JK不等看J?？跊Q：時(shí)序圖JQCPKJQ

保持變QQKJC

例1：設(shè)下降沿觸發(fā)的JK觸發(fā)器時(shí)鐘脈沖和J、K信號(hào)的波形如圖所示，試畫出輸出端Q的波形。設(shè)觸發(fā)器的初始狀態(tài)為0。CPJKQ0