第五章鎖存器和觸發(fā)器

第5章鎖存器和觸發(fā)器2024/4/182單穩(wěn)態(tài)電路只有一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)，只有一種輸出是穩(wěn)定的，當(dāng)電路由于某種原因使得本身的狀態(tài)改變時(shí)，總會(huì)在一定的時(shí)間后恢復(fù)到穩(wěn)定的狀態(tài)。例如：彈簧2024/4/183雙穩(wěn)態(tài)雙穩(wěn)態(tài)電路，它有兩個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)，具有記憶功能，可以儲(chǔ)存1位二進(jìn)制數(shù)碼。在輸入信號(hào)作用下，電路可以從一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，若沒(méi)有新的外來(lái)信號(hào)作用，它將長(zhǎng)期處于這個(gè)狀態(tài)不變，相當(dāng)于記住了電路的狀態(tài)。2024/4/184鎖存器

VS

觸發(fā)器鎖存器（Latch）是一種對(duì)脈沖電平敏感的電路觸發(fā)器（FlipFlop，簡(jiǎn)寫(xiě)為FF）是一種對(duì)脈沖邊沿敏感的電路鎖存器和觸發(fā)器都是時(shí)序電路，其輸出狀態(tài)不僅與當(dāng)前的輸入有關(guān)，而且還與電路先前的狀態(tài)有關(guān)2024/4/185基本鎖存器介紹2024/4/186（一）基本RS(ResetSet)鎖存器低電平有效2024/4/187SRQ/Q邏輯圖邏輯符號(hào)邏輯表達(dá)式SRQ/Q011011

001001

不變不變

11S:(Set):置1端，置位R:(Reset):置0端，復(fù)位電路結(jié)構(gòu)：由兩個(gè)與非門(mén)電路交叉反饋構(gòu)成。輸出：互補(bǔ)的Q和/Q當(dāng)Q=1，/Q＝0時(shí)，稱為觸發(fā)器的1狀態(tài)當(dāng)Q=0，/Q＝1時(shí)，稱為觸發(fā)器的0狀態(tài)輸入：S,R（一）基本RS鎖存器2024/4/188R、S從00→11情況與非門(mén)一端輸入為1，等效為非門(mén)。RS：00→11變化后，系統(tǒng)處于非穩(wěn)定的B點(diǎn)2024/4/189SRQnQn+10101101011110000011100

1000110不定

1不定

當(dāng)S和R輸入端同時(shí)為0時(shí)，其Q和/Q輸出端均為1。隨后，若S和R輸入又同時(shí)由0跳為1，則Q和/Q輸出端都想翻轉(zhuǎn)到0，但由于半導(dǎo)體工藝上的原因，兩個(gè)門(mén)電路的傳輸延遲時(shí)間（tpd）存在著差異，或者由于噪聲的影響，任何一個(gè)門(mén)電路都可能先翻轉(zhuǎn)，因而導(dǎo)致鎖存器輸出的不定狀態(tài)。狀態(tài)轉(zhuǎn)移真值表Qn：現(xiàn)態(tài)，當(dāng)前態(tài)Qn+1：次態(tài)基本RS鎖存器的不定態(tài)2024/4/1810Qn+1的卡諾圖基本RS鎖存器的特征方程：約束條件：基本RS鎖存器的特征方程2024/4/1811應(yīng)用：一般只用作為其它實(shí)用鎖存器和觸發(fā)器的基本組成部分基本與非門(mén)式RS鎖存器的工作特點(diǎn)具有兩個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)：1和0，因而可以存儲(chǔ)一個(gè)二進(jìn)制碼輸入信號(hào)低電平有效輸入信號(hào)的低電平持續(xù)時(shí)間應(yīng)大于2tpd，才能得到穩(wěn)定的輸出為防止邏輯混亂，必須滿足約束條件：

S+R=12024/4/1812基本RS鎖存器的應(yīng)用舉例

——數(shù)碼寄存器清零指令/CR，低有效置數(shù)指令LD，高有效清零過(guò)程/CR加低電平脈沖LD加低電平各觸發(fā)器輸出為0態(tài)置數(shù)過(guò)程LD加高電平脈沖必須先清零后置數(shù)數(shù)碼輸出數(shù)碼輸入2024/4/1813邏輯符號(hào)邏輯圖

實(shí)際應(yīng)用時(shí)，常常要求系統(tǒng)中的各觸發(fā)器在規(guī)定的時(shí)刻按各自輸入信號(hào)所決定的狀態(tài)同步觸發(fā)翻轉(zhuǎn)（解決競(jìng)爭(zhēng)——冒險(xiǎn)），這個(gè)時(shí)刻可由外加時(shí)鐘脈沖CP(ClockPulse)來(lái)決定。由外部時(shí)鐘信號(hào)來(lái)同步觸發(fā)翻轉(zhuǎn)的RS觸發(fā)器被稱為：同步RS鎖存器工作原理：CP=0：

門(mén)3和門(mén)4均被封鎖，S和R信號(hào)對(duì)觸發(fā)器沒(méi)有影響CP=1：

門(mén)3和門(mén)4被打開(kāi)，S，R信號(hào)被送入基本RS鎖存器，使鎖存器翻轉(zhuǎn)（二）門(mén)控RS鎖存器加門(mén)控后，RS相當(dāng)于加了反相器，輸入為高電平有效2024/4/1814單端信號(hào)輸入的同步RS鎖存器

——

D鎖存器2024/4/1815同步鎖存器存在的問(wèn)題——空翻由于在CP=1期間，G3、G4門(mén)都是開(kāi)著的，都能接收R、S信號(hào)，所以，如果在CP=1期間R、S發(fā)生多次變化，則鎖存器的狀態(tài)也可能發(fā)生多次翻轉(zhuǎn)。

有效翻轉(zhuǎn)

空翻在一個(gè)時(shí)鐘脈沖周期中，鎖存器發(fā)生多次翻轉(zhuǎn)的現(xiàn)象叫做空翻。只要是電平敏感的電路都存在空翻問(wèn)題。2024/4/1816同步RS鎖存器的工作特點(diǎn)具有兩個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)：1和0，因而可以存儲(chǔ)一個(gè)二進(jìn)制數(shù)碼類似于基本RS鎖存器，為防止邏輯混亂，必須滿足一個(gè)約束條件：S?R=0（高電平有效）在CP=1期間，鎖存器狀態(tài)隨輸入S，R的變化而變化，故稱同步RS鎖存器為電平觸發(fā)器。因此，在CP脈沖作用期間（CP=1）期間，S,R輸入應(yīng)保持不變，否則會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤輸出（空翻現(xiàn)象）從某種意義上講，同步RS鎖存器的觸發(fā)翻轉(zhuǎn)只是控制在一段時(shí)間間隔上，并不是控制在某一時(shí)刻進(jìn)行。這正是同步RS鎖存器的一個(gè)大的缺陷。2024/4/1817觸發(fā)器(FlipFlop)的工作原理2024/4/1818（1）主從觸發(fā)器CP=0：

/C=1，C=0。主鎖存器工作2024/4/1819（1）主從觸發(fā)器CP=1：

/C=0，C=1。從鎖存器工作Q的輸出只和CP信號(hào)由0變到1瞬間時(shí)刻的D狀態(tài)有關(guān)2024/4/1820D觸發(fā)器(DFlipFlop,

DFF)：

觸發(fā)器的狀態(tài)僅取決于CP信號(hào)上升沿到達(dá)前瞬間D的信號(hào)改進(jìn)型D觸發(fā)器，增加了異步Reset和Set輸入2024/4/1821（2）維持阻塞觸發(fā)器（D觸發(fā)器）CP=02024/4/1822維持阻塞觸發(fā)器（D觸發(fā)器）CP=0→1G2、G3門(mén)放開(kāi)，Q2、Q3裝載數(shù)據(jù)，進(jìn)入狀態(tài)2024/4/1823維持阻塞觸發(fā)器（D觸發(fā)器）CP=1時(shí)，如果之前的輸入信號(hào)D=1，則Q4=0→Q1=1→Q2=0。Q2=0導(dǎo)致G1、G3兩個(gè)門(mén)關(guān)閉，使D信號(hào)無(wú)法再影響R、S，維持R、S的狀態(tài)不變2024/4/1824維持阻塞觸發(fā)器（D觸發(fā)器）CP=1時(shí)，如果之前D=0，則Q3=0。Q3信號(hào)導(dǎo)致G4門(mén)關(guān)閉，同樣阻塞D信號(hào)再去影響R、S信號(hào)2024/4/1825（3）利用傳輸延遲實(shí)現(xiàn)的觸發(fā)器當(dāng)/CP=0時(shí)，G12,G22,G3,G4鎖閉，J、K信號(hào)無(wú)法進(jìn)入電路，觸發(fā)器處于穩(wěn)態(tài)2024/4/1826利用傳輸延遲的觸發(fā)器/CP=1時(shí)觸發(fā)器保持狀態(tài)不變:2024/4/1827利用傳輸延遲的觸發(fā)器（JK觸發(fā)器）當(dāng)/CP=1→0時(shí)，G12和G22首先工作，后半部分電路等效成一個(gè)RS觸發(fā)器；由于G3，G4延時(shí)較大，RS信號(hào)仍將保留一段時(shí)間下降沿敏感電路利用G12，G22和G3，G4延時(shí)時(shí)間的微小差別，使得電路只在一個(gè)很窄的時(shí)間間隔內(nèi)產(chǎn)生動(dòng)作JKQ/Q/CP2024/4/1828觸發(fā)器的脈沖工作特性集成觸發(fā)器的主要參數(shù)直流參數(shù)(DCCharacter)開(kāi)關(guān)參數(shù)(ACCharacter)觸發(fā)器的脈沖工作特性及主要參數(shù)2024/4/1829觸發(fā)器的脈沖工作特性CPD/QQtsutCPLHthtCPHL2024/4/1830觸發(fā)器的脈沖工作特性CPD/QQtsutCPLHthtCPHL2024/4/1831觸發(fā)器的脈沖工作特性CPD/QQtsutCPLHthtCPHL2024/4/1832觸發(fā)器的幾個(gè)重要參數(shù)Tsu建立時(shí)間（SETUP），輸入信號(hào)必須在時(shí)鐘信號(hào)的沿到來(lái)之前保持一定的時(shí)間不變。Th保持時(shí)間（HOLD），輸入信號(hào)必須在沿到來(lái)之后保持一定的時(shí)間，使得RS觸發(fā)器的輸入信號(hào)穩(wěn)定。Tp傳輸延時(shí)（PROPAGATION），包括L→H延時(shí)和H→L延時(shí)最高時(shí)鐘頻率f，因?yàn)橛薪r(shí)間、保持時(shí)間以及傳輸延時(shí)的存在使得觸發(fā)器地反轉(zhuǎn)速度受到一定的限制雖然觸發(fā)器是沿敏感器件，但是在沿變前后一小段時(shí)間內(nèi)輸入信號(hào)的變化也會(huì)影響到輸出信號(hào)。所以更準(zhǔn)確的說(shuō)，觸發(fā)器實(shí)際上是一個(gè)窄時(shí)間窗口電平敏感器件。2024/4/1833觸發(fā)器的邏輯功能2024/4/1834功能表CPDQnQn+1

/Qn+1

LL

L

H

HL

HHLXQnLHLHHLHLQn

/Qn輸出狀態(tài)與D輸入端狀態(tài)相同10D=0D=1D=0D=1D觸發(fā)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖特征方程：Qn+1=DD觸發(fā)器2024/4/1835功能表JKQnQn+1/Qn+1

000

001

010011100101

110111

01

10

01011010

1001特征方程：10J=XK=1JK觸發(fā)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖J=1K=XJ=0K=XJ=XK=0JK觸發(fā)器的分析狀態(tài)不變同J狀態(tài)同J狀態(tài)計(jì)數(shù)狀態(tài)

2024/4/1836功能表CPTQnQn+1/Qn+1

↓LL

↓L

H

↓HL

↓

HHHXQnLHHLHLLHQn/Qn10T=1T=1T=0T=0T觸發(fā)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖特征方程：T=1T=0或：電路結(jié)構(gòu)：在JK觸發(fā)器中，若令：T=J=K，即將J和K連在一起