《數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)》第4章.觸發(fā)器

4.1RS鎖存器4.2同步觸發(fā)器4.3主從觸發(fā)器4.4邊沿觸發(fā)器4.5觸發(fā)器的應(yīng)用舉例第4章觸發(fā)器組合邏輯電路雖然可以輸出0和1兩種狀態(tài)，但輸入信號(hào)撤掉之后，輸出隨之改變，不能保持輸出信號(hào)，不具備記憶功能。這是由于電路信號(hào)只是單向傳遞信號(hào)，沒有反饋回路的原因。4.1RS鎖存器4.1.1與非門構(gòu)成的RS鎖存器（1）當(dāng)時(shí)，Q及保持原狀態(tài)不變。（2）當(dāng)時(shí)，不論鎖存器的初始狀態(tài)如何，輸出端為1，輸出Q端為0，鎖存器處于0狀態(tài)。（3）當(dāng)時(shí)，不論鎖存器的初始狀態(tài)如何，Q端為1，端為0，鎖存器處于1狀態(tài)。（4）當(dāng)時(shí)，不論觸發(fā)器的初始狀態(tài)如何，輸出。4.1RS鎖存器1.RS鎖存器的工作原理表4.1.1與非門構(gòu)成的RS鎖存器特征表4.1RS鎖存器2.特征表與特征方程特征方程描述各種鎖存器和觸發(fā)器的邏輯功能。4.1RS鎖存器4.1.2與非門構(gòu)成的RS鎖存器激勵(lì)表RS鎖存器邏輯功能除了用特征表描述外，還可以用狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖和狀態(tài)轉(zhuǎn)換表表示。4.1RS鎖存器3.狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖和狀態(tài)轉(zhuǎn)換表RS鎖存器的輸出狀態(tài)隨輸入信號(hào)轉(zhuǎn)變也可用波形圖的方法描述。4.1RS鎖存器4.RS鎖存器的波形表示RS鎖存器輸出狀態(tài)的變化依賴于輸入信號(hào)或的低電平有效信號(hào)。由于門電路的延遲時(shí)間，輸出狀態(tài)的變化滯后于輸入信號(hào)。因此要輸出狀態(tài)保證可靠的翻轉(zhuǎn)，輸入信號(hào)需要維持一定的時(shí)間，即輸入信號(hào)的寬度保持有效的最小值。4.1RS鎖存器5.RS鎖存器的延遲時(shí)間或非門構(gòu)成的鎖存器和與非門構(gòu)成的鎖存器方法是一樣的，只是將與非門換成或非門，兩個(gè)或非門構(gòu)成的RS鎖存器的邏輯圖如圖4.1.5（a）所示，圖4.1.5（b）是它的邏輯符號(hào)，表4.1.3是或非門構(gòu)成的RS鎖存器特征表，工作原理由讀者自己分析。4.1RS鎖存器4.1.2或非門構(gòu)成的RS鎖存器由圖4.2.1（a）可知，CP=0時(shí)，G3和G4同時(shí)被封鎖，其輸出均為高電平。S和R信號(hào)無法通過G3和G4影響鎖存器的輸出，故同步RS鎖存器的輸出狀態(tài)不變。只有當(dāng)觸發(fā)信號(hào)CP=1時(shí)，S和R信號(hào)才能通過G3和G4，使輸入端S、R的信號(hào)改變同步觸發(fā)器的輸出狀態(tài)。下面用圖4.2.2所示的波形圖研究同步RS觸發(fā)器的工作原理，設(shè)輸出初始狀態(tài)Q為低電平。時(shí)鐘脈沖CP為高電平時(shí)，輸入信號(hào)R和S保持不變。4.2同步觸發(fā)器4.2.1與非門構(gòu)成的同步RS觸發(fā)器1.同步RS觸發(fā)器的工作原理4.2.1與非門構(gòu)成的同步RS觸發(fā)器圖4.2.1同步RS觸發(fā)器圖4.2.2同步RS觸發(fā)器的波形圖4.2同步觸發(fā)器表4.2.1同步RS觸發(fā)器的特征表4.2同步觸發(fā)器2.特征表與特征方程

有些集成電路在使用前需要預(yù)先清零或者置數(shù)，對(duì)于單個(gè)觸發(fā)器則稱為復(fù)位和置位。等到時(shí)鐘有效信號(hào)到來以后進(jìn)行復(fù)位和置位，稱為同步復(fù)位和同步置位。如果復(fù)位、置位和時(shí)鐘信號(hào)無關(guān)稱為異步復(fù)位和異步置位。4.2同步觸發(fā)器3.具有異步復(fù)位、置位的同步RS觸發(fā)器（1）CP為高電平，D=0時(shí)，輸入信號(hào)D通過G5使R為1，G3輸出為1，G4輸出為0，相當(dāng)于RS鎖存器復(fù)位，即Qn+1=0。（2）CP為高電平，D=1時(shí)，輸入信號(hào)D通過G5使R為0，G3輸出為0，G4輸出為1，相當(dāng)于RS鎖存器置位，即Qn+1=1。4.2同步觸發(fā)器1.同步D觸發(fā)器的工作原理4.2.2與非門構(gòu)成的同步D觸發(fā)器4.2同步觸發(fā)器2.特征表與特征方程主從RS觸發(fā)器由兩個(gè)同步RS觸發(fā)器和一個(gè)非門組成，圖4.3.1（a）是主從RS觸發(fā)器的邏輯圖，圖4.3.1（b）是主從RS觸發(fā)器的邏輯符號(hào)。圖4.3.1主從RS觸發(fā)器4.3主從觸發(fā)器4.3.1主從RS觸發(fā)器當(dāng)時(shí)鐘CP為高電平時(shí)，主觸發(fā)器輸出A、B按照同步RS觸發(fā)器的邏輯功能翻轉(zhuǎn)，此時(shí)由于為低電平，從觸發(fā)器的輸出狀態(tài)不變，即Q和狀態(tài)保持。當(dāng)時(shí)鐘CP變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，變?yōu)楦唠娖剑饔|發(fā)器的輸出信號(hào)A、B作為從觸發(fā)器的輸入信號(hào)S、R，從觸發(fā)器的動(dòng)作發(fā)生在CP由1變?yōu)?時(shí)候，即CP剛剛為低電平的一個(gè)時(shí)間段里。當(dāng)CP為低電平以后，主觸發(fā)器維持原狀態(tài)不變，故從觸發(fā)器的狀態(tài)也不再發(fā)生變化，因此主從RS觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)只發(fā)生在CP的下降沿。圖4.3.1（b）框圖中折線符號(hào)表示時(shí)鐘變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，輸出獲得主觸發(fā)器傳遞來的信號(hào)。4.3主從觸發(fā)器1.主從RS觸發(fā)器的工作原理主從T′觸發(fā)器的連接電路如圖4.3.2所示。4.3主從觸發(fā)器2.主從T′觸發(fā)器4.3主從觸發(fā)器3.主從D觸發(fā)器

分析如圖4.3.7（a）所示的JK觸發(fā)器邏輯圖，將上式代入同步RS觸發(fā)器的特征方程，得整理方程后，得到JK觸發(fā)器的特征方程圖4.3.7主從JK觸發(fā)器4.3主從觸發(fā)器1.主從JK觸發(fā)器的特征方程和特征表4.3.2主從JK觸發(fā)器（1）當(dāng)輸入信號(hào)J=0，K=1時(shí)，CP為高電平時(shí)主觸發(fā)器輸出為0。（2）當(dāng)輸入信號(hào)J=1，K=0時(shí)，CP為高電平時(shí)主觸發(fā)器輸出為1。（3）當(dāng)輸入信號(hào)J=K=0時(shí)，封鎖主觸發(fā)器輸出不變。（4）當(dāng)輸入信號(hào)J=K=1時(shí)，代入特征方程

，得

。4.3主從觸發(fā)器2.主從JK觸發(fā)器的工作原理4.3主從觸發(fā)器3.狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖和激勵(lì)表表4.3.2激勵(lì)表表4.3.3簡化激勵(lì)表將特征表4.3.1作幾點(diǎn)變化成為激勵(lì)表,如表4.3.2所示。通過上面的分析，可以看到主從JK觸發(fā)器在時(shí)鐘脈沖CP=1期間，主觸發(fā)器接受激勵(lì)信號(hào)，主觸發(fā)器輸出狀態(tài)改變，從觸發(fā)器輸出狀態(tài)不變；在CP由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，從觸發(fā)器輸出狀態(tài)按照主觸發(fā)器的輸出信號(hào)改變。圖4.3.9畫出了主從JK觸發(fā)器J、K端發(fā)生變化時(shí)，輸出狀態(tài)的變化波形。主從JK觸發(fā)器波形圖4.3主從觸發(fā)器4.主從JK觸發(fā)器對(duì)激勵(lì)信號(hào)和時(shí)鐘的要求（1）當(dāng)時(shí)鐘CP為0時(shí)，與或非G3及G4其中一個(gè)與門被封鎖，h和g端為1，RS觸發(fā)器的輸出狀態(tài)維持不變。（2）當(dāng)時(shí)鐘CP為1時(shí)，觸發(fā)器的狀態(tài)可以由下面的表達(dá)式表示。

（3）當(dāng)時(shí)鐘CP由1變?yōu)?時(shí)（時(shí)鐘下降沿），RS觸發(fā)器的輸出狀態(tài)由g、h電平的高低決定，g端相當(dāng)于端，h端相當(dāng)于端。1.邊沿JK觸發(fā)器工作原理4.4.1傳輸延遲邊沿JK觸發(fā)器4.4邊沿觸發(fā)器

輸入端信號(hào)J、K在時(shí)鐘脈沖CP下降沿前一個(gè)門的延遲時(shí)間tpd里保持不變，就能傳遞到G1、G2的輸出端。若使g和h穩(wěn)定地傳遞到輸出，時(shí)鐘CP變?yōu)榈碗娖胶髴?yīng)保持4tpd。在時(shí)鐘脈沖CP變?yōu)?后，即使輸入信號(hào)J、K再發(fā)生變化，由于門G1、G2的延遲作用，觸發(fā)器的輸出狀態(tài)不再受輸入信號(hào)變化的影響。2.邊沿JK觸發(fā)器的工作特性4.4邊沿觸發(fā)器（1）當(dāng)CP=0時(shí)，G6和G5輸出同時(shí)為1，觸發(fā)器的輸出狀態(tài)維持不變。（2）當(dāng)CP=0時(shí)，設(shè)D=0，則G3輸出1，G4輸出0。（3）當(dāng)CP=0時(shí)，設(shè)D=1，則G3輸出為0，G4輸出為1。（4）圖4.4.3（b）中的直接接到G1、G2所構(gòu)成的RS鎖存器的輸入端，起到異步復(fù)位和異步置位的作用，且低電平有效。4.4邊沿觸發(fā)器1.工作原理4.4.2維持阻塞邊沿D觸發(fā)器4.5觸發(fā)器的應(yīng)用舉例4.5.1串行寄存器圖4.5.3是邊沿D觸發(fā)器構(gòu)成的并行寄存器電路圖，有4個(gè)并行數(shù)據(jù)A、Ｂ、Ｃ、Ｄ作為每個(gè)觸發(fā)器的輸入信號(hào)。外加時(shí)鐘信號(hào)CP連接在4個(gè)觸發(fā)器的時(shí)鐘端,異步復(fù)位端連接在一起可以提供復(fù)位信號(hào)。4.5觸發(fā)器的應(yīng)用舉例4.5.2并行寄存器圖4.5.4所示電路為8路開關(guān)控制照明電路。8個(gè)開關(guān)安裝在不同的位置都能控制燈L的亮與滅。使用的是JK觸發(fā)器，而且激勵(lì)信號(hào)都是高電平，JK觸發(fā)器每接收到一個(gè)時(shí)鐘的下降沿，輸出狀態(tài)翻轉(zhuǎn)一次。4.5觸發(fā)器的應(yīng)用舉例4.5.3多路開關(guān)照明電路圖4.5.4所示電路中的開關(guān)按鍵產(chǎn)生的脈沖輸入信號(hào)，產(chǎn)生時(shí)刻和持續(xù)時(shí)間長短是隨機(jī)不定的，而且存在因開關(guān)簧片引起的電平抖動(dòng)現(xiàn)象，必須在每個(gè)開關(guān)后面安排一個(gè)消抖同步電路，以保證系統(tǒng)能捕捉到一個(gè)輸入脈沖，并保證每按下一次按鍵只形成一個(gè)寬度的脈沖。消抖同步電路的形式很多，圖4.5.5是一種既有消抖功能又有同步功能的電路，應(yīng)用較廣。4.5觸發(fā)器的應(yīng)用舉例4.5.4消抖同步電路本章小結(jié)門電路是組成組合邏輯電路的基本單元，觸發(fā)器是組成時(shí)序邏輯電路的基本單元。觸發(fā)器的輸出既與輸入信號(hào)有關(guān)，又與電路的原來狀態(tài)有關(guān)。觸發(fā)器的控制信號(hào)可歸納為三種。一是復(fù)位和置位信號(hào)，即對(duì)觸發(fā)器輸出置0和置1。復(fù)位和置位有異步方式和同步方式，異步方式復(fù)位和置位不考慮時(shí)鐘的信號(hào)完成操作，同步方式復(fù)位和置位要考慮時(shí)鐘的有效才能完成操作。二是影響觸發(fā)器輸出的激勵(lì)信號(hào)，如D觸發(fā)器的D信號(hào)，JK觸發(fā)器的J、K信號(hào)。三是時(shí)鐘信號(hào)，決定觸發(fā)器何時(shí)輸出狀態(tài)的改變。觸發(fā)器的觸發(fā)方式由電路的組成結(jié)構(gòu)決定，使觸發(fā)器輸出狀態(tài)改變的觸發(fā)信號(hào)CP方式有三種：電平觸發(fā)（同步觸發(fā)器）、脈沖觸發(fā)（主從觸發(fā)器）和邊沿觸發(fā)（邊沿觸發(fā)器）?？垢蓴_能力從強(qiáng)到弱的排序是邊沿觸發(fā)器、脈沖觸發(fā)器和電平觸發(fā)器。第4章觸發(fā)器本章小結(jié)從邏輯功能的特征考慮，有RS觸發(fā)器、JK觸發(fā)器、T觸發(fā)器和D觸發(fā)器等。值得注意的是由電平方式觸發(fā)的RS觸發(fā)器轉(zhuǎn)換成D觸發(fā)器以后，觸發(fā)方式不變，還是電平觸發(fā)。邊沿觸發(fā)方式的RS觸發(fā)器轉(zhuǎn)換成JK觸發(fā)器仍然是邊沿觸發(fā)。描述觸發(fā)器邏輯功能的方式有特征表、特征方程、狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖和狀態(tài)轉(zhuǎn)換表，雖然描述的方式不同，但各種描述方式是等價(jià)的，可以相互轉(zhuǎn)換。除了本章介紹的TTL晶體管構(gòu)成的觸發(fā)器，還有CMOS電路構(gòu)成的觸發(fā)器，其觸發(fā)方式、邏輯功能的分類和TTL電路相同。第4章觸發(fā)器本章小結(jié)由于不同結(jié)構(gòu)觸發(fā)器門電路的級(jí)數(shù)不同，從觸發(fā)器的輸入到輸出總的門