電子技術(shù)與數(shù)字電路（第二版）08 時(shí)序電路的基本單元－觸發(fā)器

第8章

時(shí)序電路的基本單元－觸發(fā)器本章主要內(nèi)容(1)各類觸發(fā)器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理(2)觸發(fā)器的邏輯特性描述(3)觸發(fā)器的主要參數(shù)時(shí)序電路與組合電路不同。它在任何時(shí)刻的輸出不僅與電路的當(dāng)前輸入狀態(tài)有關(guān)，而且還與先前的輸入狀態(tài)有關(guān)。為實(shí)現(xiàn)時(shí)序電路的邏輯功能，就必須在電路內(nèi)部包含具有存儲(chǔ)或記憶功能的器件，用以保存與過(guò)去輸入信號(hào)有關(guān)的信息。具有存儲(chǔ)或記憶功能的器件很多。在數(shù)字系統(tǒng)中通常是采用稱為觸發(fā)器（Flip-Flop）的電子器件來(lái)實(shí)現(xiàn)這種存儲(chǔ)或記憶功能。觸發(fā)器也稱雙穩(wěn)態(tài)電路，它是具有兩種穩(wěn)定狀態(tài)的電路，用于保存二進(jìn)制信息。在某一時(shí)間內(nèi)，它只能處于一種穩(wěn)定狀態(tài)；只有在一定的觸發(fā)信號(hào)作用下，才能從一種穩(wěn)定狀態(tài)翻轉(zhuǎn)到另一種穩(wěn)定狀態(tài)。8.1RS觸發(fā)器

8.1.1基本RS觸發(fā)器用兩個(gè)“與非”門相互交叉耦合，就可以構(gòu)成一個(gè)具有存儲(chǔ)或記憶功能的最簡(jiǎn)單的RS觸發(fā)器，也稱基本RS觸發(fā)器。R和S為觸發(fā)器的兩個(gè)輸入端：R為復(fù)位端（Reset），也稱置“0”端；S為置位端（Set），又稱置“1”端。Q和為觸發(fā)器的兩個(gè)輸出端，在正常工作時(shí)這兩個(gè)輸出端的邏輯電平總是相反的。

ABQRS狀態(tài)轉(zhuǎn)換分析觸發(fā)器的兩種穩(wěn)定狀態(tài)，在一定的輸入條件下可以相互轉(zhuǎn)化，即可以從一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)翻轉(zhuǎn)到另一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。分析：當(dāng)R=0，S=1時(shí)，無(wú)論觸發(fā)器原來(lái)處于哪種狀態(tài)，因?yàn)镽=0，必有“與非門”A的輸出=1；的“1”電平又反饋到“與非門”B的左輸入端，而此時(shí)S=1，從而使“與非門”B的輸出Q=0。Q端輸出的“0”電平又反饋到A門的輸入端，使A門輸出的“1”保持不變。最后使觸發(fā)器置成穩(wěn)定的“0”狀態(tài)。（Q=0，=1）同樣，當(dāng)R=1，S=0時(shí)，無(wú)論觸發(fā)器原來(lái)處于哪種狀態(tài)，最終使觸發(fā)器置成穩(wěn)定的“1”狀態(tài)。（Q=1，=0）。當(dāng)R=1，S=1時(shí)，觸發(fā)器的兩個(gè)輸出端電平由A門和B門的各自反饋輸入條件而定，即此時(shí)觸發(fā)器的狀態(tài)不能由輸入條件R和S來(lái)確定，而是保持原來(lái)狀態(tài)不變。當(dāng)R=0，S=0時(shí)，兩個(gè)輸出端Q和均為“1”，不允許。歸納以上四種情況，可得右表（輸入輸出邏輯關(guān)系真值表）這種觸發(fā)器要求輸入觸發(fā)負(fù)脈沖的寬度（）必須大于2ty（ty為一級(jí)門的平均延遲時(shí)間），否則將不能可靠的工作（原因分析見(jiàn)P216）。

RSQ0110100111不變00不允許8.1.2鐘控RS觸發(fā)器

這種觸發(fā)器是在基本RS觸發(fā)器的基礎(chǔ)上再增加兩塊“與非門”，并用一個(gè)時(shí)鐘脈沖CP（ClockPulse）來(lái)控制觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)動(dòng)作，故稱鐘控RS觸發(fā)器，也稱有同步脈沖控制的RS觸發(fā)器。CP脈沖為正脈沖。12QRS34CP鐘控RS觸發(fā)器輸入輸出邏輯關(guān)系真值表

注意，鐘控RS觸發(fā)器要求在CP脈沖期間（即CP=1時(shí)），輸入條件R和S不能改變，否則將會(huì)發(fā)生一次以上的翻轉(zhuǎn)（也稱“空翻”現(xiàn)象）。另外，它還要求CP脈沖的寬度不能小于2ty，否則，會(huì)造成“觸而不翻”的現(xiàn)象。由于鐘控RS觸發(fā)器的上述缺點(diǎn)，使它的應(yīng)用受到限制，一般只用它作數(shù)碼寄存器，而不宜作為具有移位和計(jì)數(shù)功能的邏輯部件。RSQ0101101000保持原狀11不允許8.2觸發(fā)器外部邏輯特性現(xiàn)態(tài)：觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)前的狀態(tài)，用Q表示。次態(tài)：觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)后的狀態(tài)，用Qn+1

表示。觸發(fā)器的次態(tài)取決于它的現(xiàn)態(tài)和輸入，即觸發(fā)器的次態(tài)是觸發(fā)器的現(xiàn)態(tài)和輸入的函數(shù)。

觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)前與翻轉(zhuǎn)后不同時(shí)刻的變量之間的函數(shù)關(guān)系可以用如下兩種方式描述：真值表（次態(tài)真值表）邏輯方程（次態(tài)方程）次態(tài)真值表是根據(jù)觸發(fā)器的工作原理歸納出來(lái)的，以次態(tài)卡諾圖為橋梁可以導(dǎo)出次態(tài)方程。例：鐘控RS觸發(fā)器的

次態(tài)真值表輸入現(xiàn)態(tài)次態(tài)RSQQn+1

000000110101011110001010110d111dRSQ00011110001d0111d0次態(tài)卡諾圖次態(tài)方程8.3維阻D觸發(fā)器

目前被廣泛使用的D觸發(fā)器，是采用“維持-阻塞”結(jié)構(gòu)的D觸發(fā)器，簡(jiǎn)稱維阻D觸發(fā)器。工作原理：維持線和阻塞線的作用。工作時(shí)間圖在時(shí)鐘脈沖的上升沿將D輸入端的數(shù)據(jù)可靠的置入。在上升沿過(guò)后的時(shí)鐘脈沖期間內(nèi)，D輸入值可以隨意改變，觸發(fā)器的輸出狀態(tài)仍以時(shí)鐘脈沖上升沿時(shí)所采樣的值為準(zhǔn)。通常被稱為邊沿觸發(fā)的觸發(fā)器，可以用來(lái)構(gòu)成移位寄存器、計(jì)數(shù)器等。邏輯符號(hào)：次態(tài)真值表：DQQn+1

000010101111次態(tài)方程：Qn+1=D8.4主從結(jié)構(gòu)的JK觸發(fā)器主從結(jié)構(gòu)的JK觸發(fā)器是另一種被廣泛使用的觸發(fā)器類型。1.主從觸發(fā)器構(gòu)成：由兩個(gè)鐘控RS觸發(fā)器構(gòu)成；加在主觸發(fā)器上的時(shí)鐘脈沖CP經(jīng)反相后再加到從觸發(fā)器上去。主從觸發(fā)器的構(gòu)成從主

主從觸發(fā)器的工作特點(diǎn)：在CP脈沖期間，主觸發(fā)器接收輸入信號(hào)并把它暫存起來(lái)。在此期間從觸發(fā)器被~CP=0所封鎖，保持原來(lái)狀態(tài)不變。只有在CP脈沖的后沿出現(xiàn)后，從觸發(fā)器才依據(jù)主觸發(fā)器的輸出狀態(tài)而被置成相應(yīng)的狀態(tài)。也就是說(shuō)就整個(gè)觸發(fā)器而言，其輸出狀態(tài)在CP脈沖期間是不會(huì)發(fā)生變化的。可以構(gòu)成移位寄存器或計(jì)數(shù)器等邏輯部件。2.JK觸發(fā)器

對(duì)于鐘控RS觸發(fā)器，對(duì)輸入R和S有一個(gè)明確的限制，即R和S不能同時(shí)為1，否則輸出狀態(tài)將不確定。在鐘控RS觸發(fā)器的基礎(chǔ)上加兩條交叉反饋線，并將原來(lái)的S改成J,將R改成K表示，故稱JK觸發(fā)器。對(duì)于J＝0,K＝0；J＝0,K＝1；J＝1,K＝0，其邏輯功能與鐘控RS觸發(fā)器完全相同。對(duì)于J=1,K=1：由于兩條交叉反饋線的引導(dǎo)作用，使觸發(fā)器在CP脈沖的作用下一定翻轉(zhuǎn)，即：Qn+1=Q*。JK觸發(fā)器邏輯圖~QQKJCP3.主從JK觸發(fā)器Q~QmQmCPKJ~Q

主從JK觸發(fā)器次態(tài)真值表JKQQn+1

00000011010001101001101111011110JKQ000111100001111001次態(tài)卡諾圖次態(tài)方程邏輯符號(hào)RDSDQQCPKJ邏輯符號(hào)中，RD、SD端的小圓圈表示低電平有效，CP端的小圓圈表示該觸發(fā)器是負(fù)邊沿觸發(fā)，即它是在CP脈沖的下降沿才將主觸發(fā)器的狀態(tài)傳送到從觸發(fā)器，并置定輸出狀態(tài)。把JK觸發(fā)器的J、K輸入端接在一起成為一個(gè)輸入端，并稱之為T輸入端，就可構(gòu)成T觸發(fā)器。如圖8.16所示。若T=1，即相當(dāng)于JK觸發(fā)器的J=1，K=1，那么每來(lái)一個(gè)CP脈沖，觸發(fā)器必定翻轉(zhuǎn)一次；若T=0，即相當(dāng)于JK觸發(fā)器的J=0，K=0，則每來(lái)一個(gè)CP脈沖，觸發(fā)器的狀態(tài)總是保持不變。T觸發(fā)器的邏輯符號(hào)、次態(tài)真值表和次態(tài)卡諾圖如圖8.17所示。8.5T觸發(fā)器圖8.16T觸發(fā)器的邏輯結(jié)構(gòu)

圖8.17T觸發(fā)器的三種表示形式由圖8.17（c）的次態(tài)卡諾圖容易得到次態(tài)方程為：

Qn+1=Q*T+QT*8.6觸發(fā)器的主要參數(shù)8.6.1觸發(fā)器的直流參數(shù)1.電源電流IE

所有輸入端和輸出端懸空時(shí)電源向觸發(fā)器提供的電流為電源電流IE，它反映了該電路的空載功耗。2.低電平輸入電流IIL

當(dāng)觸發(fā)器某個(gè)輸入端接地，其他各輸入、輸出端懸空時(shí)，從接地輸入端流向地的電流為低電平輸入電流IIL，它反映了對(duì)前級(jí)驅(qū)動(dòng)電路輸出為低電平時(shí)的加載情況。3.高電平輸入電流IIH將觸發(fā)器各輸入端分別接高電平時(shí)流入這個(gè)輸入端的電流就是其高電平輸入電流IIH，它反映了對(duì)前級(jí)驅(qū)動(dòng)電路輸出為高電平時(shí)的加載情況。4.輸出高電平VOH和輸出低電平VOL觸發(fā)器輸出端（Q和Q*）輸出高電平時(shí)的電平值為VOH，輸出低電平時(shí)的電平值為VOL。8.6.2觸發(fā)器的時(shí)間參數(shù)

維阻D觸發(fā)器的數(shù)據(jù)輸入信號(hào)（D）、時(shí)鐘脈沖信號(hào)（CP）以及輸出信號(hào)（Q和Q*）之間的時(shí)間關(guān)系如圖8.18所示。圖8.18維阻D觸發(fā)器的時(shí)間參數(shù)圖8.18表明，輸入數(shù)據(jù)信號(hào)D在時(shí)鐘有效邊沿之前和之后都要有一段穩(wěn)定不變的時(shí)間，否則，這個(gè)數(shù)據(jù)信號(hào)就不能可靠置入觸發(fā)器。相應(yīng)的兩個(gè)時(shí)間參數(shù)的定義是：⑴

建立時(shí)間

tset

：輸入數(shù)據(jù)信號(hào)必須在時(shí)鐘有效邊沿之前提前到來(lái)的時(shí)間。⑵

保持時(shí)間

th

：輸入數(shù)據(jù)信號(hào)在時(shí)鐘有效邊沿之后繼續(xù)保持不變的時(shí)間。時(shí)鐘脈沖信號(hào)的時(shí)間參數(shù)也有兩個(gè)，分別是：⑴

時(shí)鐘高電平寬度tWH

：時(shí)鐘信號(hào)保持為高電平的最小持續(xù)時(shí)間。⑵

時(shí)鐘低電平寬度

tWL：時(shí)鐘信號(hào)保持為低電平的最小持續(xù)時(shí)間。tWH與tWL之和是保證觸發(fā)器能正常工作的最小時(shí)鐘周期，進(jìn)而可以確定觸發(fā)器的最高工作效率

fmax

≤1/(tWH

＋tWL)另外，從時(shí)鐘信號(hào)CP前沿到達(dá)時(shí)算起，直至觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)完畢，或者說(shuō)直到新的輸出狀態(tài)穩(wěn)定下來(lái)，也需要有一段時(shí)間，稱之為觸發(fā)器的傳輸延遲時(shí)間。通常將輸出端由低電平變?yōu)楦唠娖降膫鬏斞舆t時(shí)間記為tPLH，將輸出端高電平變?yōu)榈碗娖降膫鬏斞舆t時(shí)間記為tPHL。圖8.18中分別表示了這兩個(gè)時(shí)間參數(shù)。通過(guò)分析維阻D觸發(fā)器的工作過(guò)程可以發(fā)現(xiàn)，tPHL大于tPLH。

8.8觸發(fā)器的激勵(lì)表

觸發(fā)器的激勵(lì)表（ExcitationTable）與次態(tài)真值表的表示形式有所不同，它是把觸發(fā)器的現(xiàn)態(tài)和次態(tài)作為自變量，把輸入作為因變量的一種真值表。激勵(lì)表說(shuō)明的是觸發(fā)器從現(xiàn)態(tài)轉(zhuǎn)換到次態(tài)時(shí)，對(duì)輸入條件的要求，因此，也稱激勵(lì)表為輸入表。各類觸發(fā)器的激勵(lì)表可以從前面介紹的次態(tài)真值表直接推出。下面具體給出四類觸發(fā)器（鐘控RS觸發(fā)器、D觸發(fā)器、T觸發(fā)器和JK觸發(fā)器）的激勵(lì)表，如表8-5（a）、（b）、（c）、（d）所示。表8-5（a）鐘控RS觸發(fā)器激勵(lì)表表8-5（b）D觸發(fā)器激勵(lì)表現(xiàn)態(tài)Q次態(tài)Qn+1輸入D

0011

0101

0101現(xiàn)態(tài)Q次態(tài)Qn+1輸入RS

0011

0101

d001100d表8-5（c）T觸發(fā)器激勵(lì)表表8-5（d）JK觸發(fā)器激勵(lì)表現(xiàn)態(tài)Q次態(tài)Qn+1輸入T

0011

0101

0

110現(xiàn)態(tài)Q次態(tài)Qn+1輸入JK

0011

0101

0d1dd1d0鐘控RS觸發(fā)器的