第5章時序電路的基本單元-觸發(fā)器

第5章

時序電路的基本單元－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)時序電路與組合電路不同。它在任何時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)。為實現(xiàn)時序電路的邏輯功能，就必須在電路內(nèi)部包含具有存儲或記憶功能的器件，用以保存與過去輸入信號有關(guān)的信息。具有存儲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）的電子器件來實現(xiàn)這種存儲或記憶功能。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)。5.1RS觸發(fā)器

5.1.1基本RS觸發(fā)器如圖5.1所示，用兩個“與非”門相互交叉耦合，就可以構(gòu)成一個具有存儲或記憶功能的最簡單的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Q為觸發(fā)器的兩個輸出端，在正常工作時這兩個輸出端的邏輯電平總是相反的。

5.1基本RS觸發(fā)器

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，即可以從一個穩(wěn)定狀態(tài)翻轉(zhuǎn)到另一個穩(wěn)定狀態(tài)。分析：當(dāng)R=0，S=1時，無論觸發(fā)器原來處于哪種狀態(tài)，因為R=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）當(dāng)R=1，S=0時，無論觸發(fā)器原來處于哪種狀態(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，觸發(fā)器的兩個輸出端電平由A門和B門的各自反饋輸入條件而定，即此時觸發(fā)器的狀態(tài)不能由輸入條件R和S來確定，而是保持原來狀態(tài)不變。當(dāng)R=0，S=0時，兩個輸出端Q和均為“1”，不允許。歸納以上4種情況，可得基本RS觸發(fā)器輸入、輸出邏輯關(guān)系真值表，如表5-1所示。

表5-1基本RS觸發(fā)器真值表圖5.2基本RS觸發(fā)器的圖形符號基本RS觸發(fā)器的圖形符號如圖5.2所示，圖中的R、S輸入端帶有小圓圈，表示該觸發(fā)器為低電平觸發(fā)。這種觸發(fā)器要求輸入觸發(fā)負(fù)脈沖的寬度（）必須大于2tPd（tpd為一級門的平均延遲時間），否則將不能可靠的工作（原因分析見P95）。RSQ0110100111保持原狀00不允許5.1.2鐘控RS觸發(fā)器在基本RS觸發(fā)器的基礎(chǔ)上，再增加兩塊“與非”門，并用一個時鐘脈沖CP來控制觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)動作，則形成圖5.4所示的鐘控RS觸發(fā)器。

圖5.4鐘控RS觸發(fā)器鐘控RS觸發(fā)器的CP脈沖為正脈沖。在CP脈沖沒有到來時，由于CP輸入端總是處于低電平，G3和G4門被封鎖，此時，無論R、S端輸入什么信號，G3和G4的輸出都是1，使上面的基本RS觸發(fā)器的狀態(tài)保持不變。當(dāng)CP脈沖到來時，CP端為高電平，此時R、S端的輸入信號就能通過G3和G4門去觸發(fā)基本RS觸發(fā)器，使它置1或置0。也就是說，對于鐘控RS觸發(fā)器，時鐘脈沖CP只控制觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)時間，而觸發(fā)器到底被置成什么狀態(tài)，是由R、S輸入條件決定的。鐘控RS觸發(fā)器的輸入、輸出邏輯關(guān)系真值表如表5-2所示。從表中可以看到，對于鐘控RS觸發(fā)器，在R和S均為0時，其狀態(tài)保持不變；在R和S均為1時，是不允許的情況。

表5-2鐘控RS觸發(fā)器真值表RSQ0101101000保持原狀11不允許鐘控RS觸發(fā)器在CP脈沖期間，輸入條件的變化會導(dǎo)至輸出狀態(tài)的變化，即如果在CP=1時，輸入條件R和S發(fā)生跳變，將會使觸發(fā)器發(fā)生一次以上的翻轉(zhuǎn)，也就是所謂“空翻”現(xiàn)象?！翱辗睍斐上到y(tǒng)工作的混亂和不穩(wěn)定。這就要求這種觸發(fā)器在CP脈沖期間的輸入信號嚴(yán)格保持不變。鐘控RS觸發(fā)器也要求CP脈沖的寬度不能小于2tpd，否則會造成“觸而不翻”即不能達(dá)到使它穩(wěn)定翻轉(zhuǎn)的目的。由于鐘控RS觸發(fā)器的這些缺點，使它的應(yīng)用受到很大的限制。一般只用它作數(shù)碼寄存而不宜用來構(gòu)成具有移位和計數(shù)功能的邏輯部件。5.2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5.3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，簡稱維阻D觸發(fā)器。工作原理：維持線和阻塞線的作用。QQCP&&&&&RDSDDG5G6G3G1G2Q5Q6Q3&G4Q4

D為數(shù)據(jù)輸入端，SD和RD稱為置1端和置0端，低電平有效,即當(dāng)SD=0、RD=1時，必定有Q=1(置1)；當(dāng)SD=1、RD=0時，必定有Q=0(置0)。其作用是作為數(shù)據(jù)預(yù)置或清零。QQCP&&&&&RDSDDG5G6G3G1G2Q5Q6Q3&G4Q4

邏輯電路的化簡2

G1、G2組成一個基本RS觸發(fā)器，代入符號化簡。

一般來說，本觸發(fā)器正常工作時有RD=SD=1，所以本邏輯電路可進(jìn)行簡化。QQCP&&&&&DG5G6G3G1G2Q5Q6Q3&G4Q4RS2.工作原理

(1)CP=0(1)CP=0(2)CP(由0變1時)CP&&&&&G5G6G3G1G2&G4QQDQ5Q6Q3Q4RSCP000G3、G4關(guān)門。&&11111&&G5、G6開門。數(shù)據(jù)允許輸入并等待。DDDDDD1

工作原理2.工作原理

(1)CP=0CP&&&&&&G5G6G1G2RS0&&11&&G5G6DDD&&G3G411G3、G4開門。QQDQ5Q6Q3Q4(1)CP=0(2)CP(由0變1時)(2)CPCP&&&&&&G5G6G1G2RS0G3、G4開門。&&DD&&G5G6DDD&&G3G4DD

因為基本RS觸發(fā)器的狀態(tài)方程為

Qn+1=S+RQn

此時S=D，R=D，代入上式得：Qn+1=DDD(3)CP=11QQDQ5Q6Q3Q4(1)CP=0(2)CP(由0變1時)(3)CP=1

且D=0時CP&&&&&&G5G6G1G2RS011G3、G4開門。&&DD&&G5G6DDD&&G3G4DDDD1若D=0QQDQ5Q6Q3Q4(3)CP=1(1)CP=0(2)CP(由0變1時)

維持阻塞工作過程分析CP&&&&&&G5G6G1G2RS011若D=0&&10&&G6110&&G3G410011&G5G5被封鎖1111G3、G4開門。QQDQ5Q6Q3Q40沿此線反饋

此時觸發(fā)器處于鎖存狀態(tài)，保持觸發(fā)器置0，D端受到的任何干擾均對觸發(fā)器的狀態(tài)不起作用。(3)CP=1(1)CP=0(2)CP(由0變1時)

置0和阻1線CP&&&&&&G5G6G1G2RS011&&10&&G610&&G3G410011&G51QQDQ5Q6Q3Q4若D=0G5被封鎖G3、G4開門。0沿此線反饋Q3與Q5之間的反饋線起到了使觸發(fā)器維持在0狀態(tài)和阻止觸發(fā)器變?yōu)?狀態(tài)的作用，故該反饋線稱為置0維持線，置1阻塞線。(3)CP=1(1)CP=0(2)CP(由0變1時)

若D=1時

維持阻塞工作過程分析CP&&&&&&G5G6G1G2RS011&&01&&G5DD1&&011若D=1&G600000&G3G4

由圖可以看出,由于G3、G6關(guān)閉，所有通往RS觸發(fā)器的通道全被堵塞，所以D端的任何干擾均對觸發(fā)器不起作用。10QQDQ5Q6Q3Q4(3)CP=1(1)CP=0(2)CP(由0變1時)

置1維持線CP&&&&&&G5G6G1G2RS011&&01&&G5DD1&&011&G60&G3G4Q4至G6的反饋線使S=0(置1)，起到使觸發(fā)器維持在1狀態(tài)的作用，故稱作置1維持線。10QQDQ5Q6Q3Q4若D=1(3)CP=1(1)CP=0(2)CP(由0變1時)

置0阻塞線&&&&&&G5G6G1G2011&&01&&G5DD1&&011&G60Q4至G3的反饋線使R=1,起到阻止觸發(fā)器置0的作用(因為只有R=0才能使觸發(fā)器有可能置0)，所以此線稱作置0阻塞線。10&G3G4QQDQ5Q6Q3Q4若D=1CPRS(3)CP=1(1)CP=0(2)CP(由0變1時)&&&&&&G5G6G1G2011&&01&&G5DD1&&011&G60經(jīng)分析可知：不管D=1或0,本觸發(fā)器都可通過自身的反饋在CP=1期間自行關(guān)閉所有通道而起到抗干擾的作用。10&G3G4QQDQ5Q6Q3Q4若D=1CPRS(3)CP=1(1)CP=0(2)CP(由0變1時)&&&&&&G5G6G1G2011&&01&&G5DD1&&011&G60

本觸發(fā)器的抗干擾能力很強，根據(jù)其反饋的作用稱為維持阻塞D觸發(fā)器，屬邊沿觸發(fā)器的一種。10&G3G4繼續(xù)本頁完QQDQ5Q6Q3Q4若D=1CPRS(3)CP=1(1)CP=0(2)CP(由0變1時)

維持阻塞D觸發(fā)器結(jié)束頁&&&&&&G5G6G1G2011&&01&&G5DD1&&011&G6010&G3G4QQDQ5Q6Q3Q4若D=1CPRS(3)CP=1(1)CP=0(2)CP(由0變1時)

本觸發(fā)器的抗干擾能力很強，根據(jù)其反饋的作用稱為維持阻塞D觸發(fā)器，屬邊沿觸發(fā)器的一種。在時鐘脈沖的上升沿將D輸入端的數(shù)據(jù)可靠的置入。在上升沿過后的時鐘脈沖期間內(nèi)，D輸入值可以隨意改變，觸發(fā)器的輸出狀態(tài)仍以時鐘脈沖上升沿時所采樣的值為準(zhǔn)。通常被稱為邊沿觸發(fā)的觸發(fā)器，可以用來構(gòu)成移位寄存器、計數(shù)器等。工作時間圖維阻D觸發(fā)器的邏輯符號、次態(tài)真值表及次態(tài)卡諾圖如圖5.11所示。

圖5.11D觸發(fā)器的三種表示形式由次態(tài)卡諾圖可得維阻D觸發(fā)器的次態(tài)方程為：

Qn+1=D在圖5.11(a)

所示D觸發(fā)器的邏輯符號中，R、S為異步直接置0、置1端，其輸入端的小圓圈表示低電平有效；C1為時鐘CP輸入端，C1中的C是控制關(guān)聯(lián)標(biāo)記，C1表示受其影響的輸入是以數(shù)字1標(biāo)記的數(shù)據(jù)輸入，如1D、1J、1K等；C1端所加的動態(tài)符號“>”表示邊沿觸發(fā)，該觸發(fā)信號端未帶小圓圈表示上升沿觸發(fā)。5.4主從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。5.4.1主從觸發(fā)器構(gòu)成：由兩個鐘控RS觸發(fā)器構(gòu)成；加在主觸發(fā)器上的時鐘脈沖CP經(jīng)反相后再加到從觸發(fā)器上去。&&&&&&&&1G1G2G3G4G5G6G7G8CPSRG5-G8門組成主觸發(fā)器；G1-G4門組成從觸發(fā)器。&&&&&&&&1G1G2G3G4G5G6G7G8CPSR從觸發(fā)器主觸發(fā)器Q，Q，QQCP

G7G8

G3、G4

工作情況CP=1CP=0打開封鎖封鎖打開主觸發(fā)器工作從觸發(fā)器保持從觸發(fā)器工作主觸發(fā)器保持2、工作原理Q’的狀態(tài)根據(jù)R、S端的觸發(fā)情況改變Q

=Q’注意：在CP的一個變化周期中，觸發(fā)器輸出狀態(tài)只改變一次。在

CP=1期間，主觸發(fā)器隨R、S端狀態(tài)的改變而多次改變，但在CP下降沿到來時，從觸發(fā)器最多只能改變一次。動作特點：

主從觸發(fā)器的工作特點：在CP脈沖期間，主觸發(fā)器接收輸入信號并把它暫存起來。在此期間從觸發(fā)器被~CP=0所封鎖，保持原來狀態(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)。也就是說就整個觸發(fā)器而言，其輸出狀態(tài)在CP脈沖期間是不會發(fā)生變化的。可以構(gòu)成移位寄存器或計數(shù)器等邏輯部件。5.4.2JK觸發(fā)器

對于鐘控RS觸發(fā)器，對輸入R和S有一個明確的限制，即R和S不能同時為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，并將原來的S改成J,將R改成K表示，故稱JK觸發(fā)器。對于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*

。5.4.3主從JK觸發(fā)器主從RS觸發(fā)器的缺點：使用時有約束條件

RS=01．電路結(jié)構(gòu)

為此，將觸發(fā)器的兩個互補的輸出端信號通過兩根反饋線分別引到輸入端的G7、G8門，這樣，就構(gòu)成了JK觸發(fā)器。2．工作原理110101101010110110JCPQQKQnQn&&JK觸發(fā)器RS主從觸發(fā)器SR2．工作原理Qn+1JK功能QnJK觸發(fā)器功能表0101輸出狀態(tài)同J狀態(tài)00011010輸出狀態(tài)同J狀態(tài)1101111101100000保持0101Qn=Qn1101011010101101103．主從JK觸發(fā)器邏輯功能的表示方法(1）功能表：（2）特性方程：Qn+1JK功能QnJK觸發(fā)器功能表0101輸出狀態(tài)同J狀態(tài)00011010輸出狀態(tài)同J狀態(tài)1101111101100000保持0101Qn=Qn在圖5.15(a)

所示的主從觸發(fā)器的邏輯符號中，R和S為異步直接置0、置1端，其輸入端的小圓圈表示低電平有效。C1的含義與前面的D觸發(fā)器中C1的含義類似，其輸入端的小圓圈表示在CP脈沖的上升沿出現(xiàn)后將輸入數(shù)據(jù)接收并暫存在主觸發(fā)器中，在CP脈沖的下降沿出現(xiàn)后才將主觸發(fā)器的狀態(tài)傳送到從觸發(fā)器，并置定輸出狀態(tài)。由于這種觸發(fā)器是在CP脈沖的電平為1期間接收輸入數(shù)據(jù)，因而在C1端沒有動態(tài)符號“>”。輸出端的符號“﹁”表示延遲輸出，即在CP脈沖返回0以后觸發(fā)器的輸出狀態(tài)才改變。把JK觸發(fā)器的J、K輸入端接在一起成為一個輸入端，并稱之為T輸入端，就可構(gòu)成T觸發(fā)器。如圖5.16所示。若T=1，即相當(dāng)于JK觸發(fā)器的J=1，K=1，那么每來一個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，則每來一個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、次態(tài)真值表和次態(tài)卡諾圖如圖5.17所示。5.5T觸發(fā)器圖5.16T觸發(fā)器的邏輯結(jié)構(gòu)圖5.17T觸發(fā)器的三種表示形式由圖5.17（c）的次態(tài)卡諾圖容易得到次態(tài)方程為：

Qn+1=Q*T+QT*5.6觸發(fā)器的主要參數(shù)5.6.1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)器某個輸入端接地，其他各輸入、輸出端懸空時，從接地輸入端流向地的電流為低電平輸入電流IIL，它反映了對前級驅(qū)動電路輸出為低電平時的加載情況。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流入這個輸入端的電流就是其高電平輸入電流IIH，它反映了對前級驅(qū)動電路輸出為高電平時的加載情況。4.輸出高電平VOH和輸出低電平VOL觸發(fā)器輸出端（Q和Q*）輸出高電平時的電平值為VOH，輸出低電平時的電平值為VOL。5.6.2觸發(fā)器的時間參數(shù)維阻D觸發(fā)器的數(shù)據(jù)輸入信號（D）、時鐘脈沖信號（CP）以及輸出信號（Q和Q*）之間的時間關(guān)系如圖5.18所示。圖5.18維阻D觸發(fā)器的時間參數(shù)圖5.18表明，輸入數(shù)據(jù)信號D在時鐘有效邊沿之前和之后都要有一段穩(wěn)定不變的時間，否則，這個數(shù)據(jù)信號就不能可靠置入觸發(fā)器。相應(yīng)的兩個時間參數(shù)的定義是：⑴

建立時間

tset

：輸入數(shù)據(jù)信號必須在時鐘有效邊沿之前提前到來的時間。⑵

保持時間

th

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

時鐘高電平寬度tWH

：時鐘信號保持為高電平的最小持續(xù)時間。⑵

時鐘低電平寬度

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

fmax

≤1/(tWH

＋

tWL)從時鐘信號CP前沿到達(dá)時算起，直至觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)完畢，或者說直到新的輸出狀態(tài)穩(wěn)定下來，也需要有一段時間，稱之為觸發(fā)器的傳輸延遲時間。通常將輸出端由低電平變?yōu)楦唠娖降膫鬏斞舆t時間記為tPLH，將輸出端高電平變?yōu)榈碗娖降膫鬏斞舆t時間記為tPHL。圖5.18中分別表示了這兩個時間參數(shù)。通過分析維阻D觸發(fā)器的工作過程可以發(fā)現(xiàn)，tPHL大于tPLH。

5.7不同類型觸發(fā)器之間的轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換步驟：（1）寫出已有觸發(fā)器和待求觸發(fā)器的特性方程。（2）變換待求觸發(fā)器的特性方程，使之形式與已有觸發(fā)器的特性方程一致。（3）比較已有和待求觸發(fā)器的特性方程，根據(jù)兩個方程相等的原則求出轉(zhuǎn)換邏輯。（4）根據(jù)轉(zhuǎn)換邏輯畫出邏輯電路圖。轉(zhuǎn)換方法：利用令已有觸發(fā)器和待求觸發(fā)器的特性方程相等的原則，求出轉(zhuǎn)換邏輯。1D觸發(fā)器轉(zhuǎn)換成RS觸發(fā)器

。（1）畫出RS觸發(fā)器的邏輯框圖為把D輸入轉(zhuǎn)換為RS輸入，需設(shè)計一

組合電路，以實現(xiàn)從RS到D的變換。（2）求組合邏輯的邏輯表達(dá)式

D觸發(fā)器的特征方程：

RS觸發(fā)器的特征方程：令：即有：（3）畫由D觸發(fā)器組成RS觸發(fā)器的電路圖。

組合電路5.7.1D觸發(fā)器轉(zhuǎn)換成其它觸發(fā)器2.D觸發(fā)器→JK觸發(fā)器3.D觸發(fā)器→T觸發(fā)器5.7.2

JK觸發(fā)器轉(zhuǎn)換為其它觸發(fā)器1.JK觸發(fā)器→RS觸發(fā)器RS觸發(fā)器特性方程

變換RS觸發(fā)器的特性方程，使之形式與JK觸發(fā)器的特性方程一致：JK觸發(fā)器多余項*比較得：電路圖*2.JK觸發(fā)器→D觸發(fā)器

D觸發(fā)器的特性方程:Qn+1=D與JK觸發(fā)器的特性方程比較，得：電路圖JK觸發(fā)器的特性方程：T觸發(fā)器特性方程：nnnQTQTQ+=+1比較得：電路圖3.JK觸發(fā)器→T觸發(fā)器JK觸發(fā)器

5.8觸發(fā)器的激勵表

觸發(fā)器的激勵表（Excitati