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SR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。1、時(shí)序邏輯電路與鎖存器、觸發(fā)器：

時(shí)序邏輯電路:概述鎖存器和觸發(fā)器：具有存儲(chǔ)功能的兩種邏輯單元電路，是構(gòu)成時(shí)序邏輯電路的基本邏輯單元。

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)刻的輸出狀態(tài)不僅與該當(dāng)前的輸入信號(hào)有關(guān)，而且與此前電路的狀態(tài)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5.1.2

雙穩(wěn)態(tài)存儲(chǔ)單元電路5.1.1

雙穩(wěn)態(tài)的概念0

雙穩(wěn)態(tài)的物理模型

雙穩(wěn)態(tài)存儲(chǔ)單元電路1

反饋5.1.2雙穩(wěn)態(tài)存儲(chǔ)單元電路

Q端的狀態(tài)定義為電路輸出狀態(tài)。電路有兩個(gè)互補(bǔ)的輸出端1.

電路結(jié)構(gòu)

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。

如Q=1如Q=01001101100電路只存在0和1兩種可以長(zhǎng)期保存的穩(wěn)定狀態(tài)。電路接通電源后，可能隨機(jī)進(jìn)入其中一種狀態(tài)，并能長(zhǎng)期保持不變。3.模擬特性分析

I1

=

O2

I2=

O1圖中兩個(gè)非門的傳輸特性5.2.1SR鎖存器5.2鎖存器5.2.1D鎖存器5.2.1基本SR鎖存器1.或非門構(gòu)成的SR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。電路有兩個(gè)輸入端，S端稱為置位（1）端，R端稱為復(fù)位端或清零（0）端。1)工作原理R=0、S=0狀態(tài)不變00若初態(tài)Qn=1101若初態(tài)

Qn=001000次態(tài)Qn+1=1次態(tài)Qn+1=0無(wú)論初態(tài)Qn為0或1，鎖存器的次態(tài)為1態(tài)。01若初態(tài)Qn=1101若初態(tài)Qn=0010010R=0、S=1置1無(wú)論初態(tài)Qn為0或1，鎖存器的次態(tài)為0態(tài)。若初態(tài)Qn=0100101R=1、

S=0置010若初態(tài)Qn=111001100S=1、

R=1無(wú)論初態(tài)Qn為0或1，鎖存器的次態(tài)、都為0。狀態(tài)不確定約束條件:

SR=0

即不允許:S=R=1當(dāng)S、R同時(shí)回到0時(shí)，由于兩個(gè)或非門的延遲時(shí)間無(wú)法確定，使得鎖存器最終穩(wěn)定狀態(tài)也不能確定。鎖存器的輸出既不是0態(tài)，也不是1態(tài)。SRQn

Qn+1000000110100011010011011110不確定111不確定2)邏輯符號(hào)與邏輯功能

國(guó)標(biāo)邏輯符號(hào)邏輯功能表保持不變置0置1不確定不變置1不變置0置1不變不變3）工作波形(設(shè)初態(tài)為0）01001000000010QQ畫工作波形方法：根據(jù)鎖存器信號(hào)敏感電平,確定狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)間。根據(jù)鎖存器的邏輯功能確定Qn+1。不確定111不確定011110110010110001011000000RS2.與非門構(gòu)成的基本SR鎖存器、a.電路圖c.功能表

110010100101不變11不變Q約束條件:即

SR=0特點(diǎn)：輸入信號(hào)以邏輯0作為有效信號(hào)，也稱基本鎖存器。b.表達(dá)式e.畫工作波形功能表

不定不定0010100101不變11不變Q不變不定置1不變置1不變置0不變110111011110110011d.國(guó)標(biāo)邏輯符號(hào)3、應(yīng)用舉例

---去抖動(dòng)電路開(kāi)關(guān)閉合時(shí)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)開(kāi)關(guān)接A時(shí)振動(dòng),Q=1

開(kāi)關(guān)接B振動(dòng)開(kāi)關(guān)起始狀態(tài):接B,=0=1Q=0RS開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)接A,=1=0Q=1RS懸空時(shí)

=1=1

Q不變RS去抖動(dòng)電路工作原理S懸空時(shí)

=1=1

Q不變SR4.邏輯門控SR鎖存器電路結(jié)構(gòu)

國(guó)標(biāo)邏輯符號(hào)簡(jiǎn)單SR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約束條件:SR=0SR的波形。

例：邏輯門控SR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

Q5、邏輯功能的幾種描述方式：

1)邏輯功能表

（E=1）

2)特性方程

狀態(tài)不定－－011111

置1010011

置0011100

狀態(tài)不變010000

說(shuō)明Qn+1QnRS010011=f(RSQn+1Qn)?í+=+1QRSQnn=0SR約束條件狀態(tài)不定－－011111置1010011置0011100狀態(tài)不變010000

說(shuō)明Qn+1QnRS010011

3)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

邏輯功能表S=1R=0S=0R=1S=0R=XS=XR=0狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖用于電路設(shè)計(jì)：已知狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，確定S、R的邏輯值

。4)工作波形

S R Qn+1

0 0 Qn

0 1 0 1 0 1 1 1 Ф 邏輯功能表E=1期間的S

、R信號(hào)影響鎖存器的狀態(tài)。E=0期間鎖存器狀態(tài)不變。功能表、特性方程、狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖、波形圖。邏輯功能的四種描述方式:5.2.2D鎖存器1.邏輯門控D鎖存器國(guó)標(biāo)邏輯符號(hào)邏輯電路圖=DS=0R=1D=0Q=0D=1Q=1E=0不變E=1=

DS=1R=0D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

E=0時(shí)E=1時(shí)(a)電路結(jié)構(gòu)TG2導(dǎo)通，TG1斷開(kāi)

TG1導(dǎo)通，TG2斷開(kāi)Q=DQ不變101010(b)工作原理Q

Q

(c)

工作波形

3.

鎖存器的動(dòng)態(tài)特性保持時(shí)間tH:確保數(shù)據(jù)的可靠鎖存的最少時(shí)間。延遲時(shí)間tpLH:輸出從低電平到高電平的延遲時(shí)間;脈沖寬度tW:為保證D信號(hào)正確傳送到Q和建立時(shí)間tSU:表示D信號(hào)對(duì)E下降沿的最少時(shí)間提前量。延遲時(shí)間tpHL:輸出高電平到低電平的延遲時(shí)間。CMOS八D鎖存器-74HC/HCT373OE=0三態(tài)門使能,數(shù)據(jù)輸出LE=0鎖存器的狀態(tài)不變LE=1鎖存器的狀態(tài)隨Dn變化OE=1三態(tài)門為高阻態(tài),數(shù)據(jù)不能輸出4.典型集成電路傳輸門控D

鎖存器傳輸門控制74HC/HCT373的功能表工作模式輸入內(nèi)部鎖存器狀態(tài)輸出LEDnQn使能和讀鎖存器

（傳送模式）LHLLLLHHHH鎖存和讀鎖存器LLL*LLLLH*HH鎖存和禁止輸出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5.3.1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)特性鎖存器與觸發(fā)器鎖存器在E的高(低)電平期間對(duì)信號(hào)敏感。觸發(fā)器在CP的上升沿(下降沿)對(duì)信號(hào)敏感。在VerilogHDL中對(duì)鎖存器與觸發(fā)器的描述語(yǔ)句是不同的。主鎖存器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)相同傳輸門控D鎖存器從鎖存器邏輯符號(hào)TG1導(dǎo)通，TG2斷開(kāi)——輸入信號(hào)D送入主鎖存器。TG3斷開(kāi)，TG4導(dǎo)通——從鎖存器維持在原來(lái)的狀態(tài)不變。(1)CP=0時(shí):

=1，C=0，DDD1.工作原理Q

跟隨D端的狀態(tài)變化，使Q

=D。

即觸發(fā)器的輸出狀態(tài)不變。1.工作原理：TG1導(dǎo)通，TG2斷開(kāi)——輸入信號(hào)D送入主鎖存器。TG3斷開(kāi)，TG4導(dǎo)通——從鎖存器維持在原來(lái)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。

即觸發(fā)器的輸出狀態(tài)不變。(2)CP由0跳變到1

:

=0，C=1，D觸發(fā)器的次態(tài)僅僅取決于CP信號(hào)上升沿到達(dá)前瞬間的D信號(hào)。

主鎖存器:TG1斷開(kāi)，TG2導(dǎo)通,從鎖存器:TG3導(dǎo)通，TG4斷開(kāi),Q

的信號(hào)送Q端。主鎖存器維持原態(tài)不變。

DDD3.特性方程2.邏輯功能

邏輯功能表111101010000DQn+1=D4.狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖5、典型集成電路-----CMOSD觸發(fā)器74HC/HCT74001010100101的直接置1和直接置0的作用

RD、

SD

RD=0

SD=1CP=0同理,可分析當(dāng)時(shí),當(dāng)CP=0時(shí),當(dāng)CP=0時(shí),1101001100001

R=0

S=1CP=1

RD、

的直接置1和直接置0的作用與CP無(wú)關(guān)

SD

R=0

S=1Q=0CP=1或CP=0

R=1

S=0Q=1CP=1或CP=0同理,可分析當(dāng)時(shí),

74HC/HCT74的功能表LHH↑HHHLL↑HHQn+1DCPHH××LLHL××LHLH××HLQDCP輸出輸入國(guó)標(biāo)邏輯符號(hào)直接置1直接置0D功能具有直接置1、直接置0，上升沿觸發(fā)的D功能觸發(fā)器注：L*和H*表示CP脈沖上升沿到來(lái)之前瞬間的電平。RDQCPSDD已知觸發(fā)器的輸入波形，試對(duì)應(yīng)畫出Q端輸出波形

5.3.2

維持阻塞觸發(fā)器1.電路結(jié)構(gòu)

由3個(gè)基本SR鎖存器組成置0維持線接受D、CP輸入信號(hào)根據(jù)確定觸發(fā)器的狀態(tài)011DD

1

&

CP

Q1

&

G33

&

&

&

Q2

Q3

S

RQ4

D

QQ&

CP=0

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=D2、工作原理:觸發(fā)器狀態(tài)不變G2G1G4G5G601DD

G1

&

CP

Q1

&

3

&

&

&

G5

Q2

Q3

S

R

G4

Q4

D

G

Q

Q

&

當(dāng)CP由0跳變?yōu)?100DD在CP脈沖的上升沿，觸發(fā)器按此前的D信號(hào)刷新11G2G4G6G5G3

1

&

CP

Q1

&

3

&

&

&

G5

Q2

Q3

S

R

G

Q4

D

G6

Q

Q

&

當(dāng)CP=1置0維持線110D信號(hào)不影響、的狀態(tài)，Q的狀態(tài)不變0置1阻塞線如Qn+1=0G1G2G3G4G5G601D不能改變Q3、Q21

1

&

CP

Q1

&

3

&

&

&

5

Q2

Q3

S

R

G

Q4

D

G

Q

Q

&

當(dāng)CP=101置1維持線置0阻塞線1結(jié)論：在CP脈沖的上升沿到來(lái)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?nèi)鏠n+1=1G1G2G3G4G5G6011

Q2、Q3狀態(tài)不變觸發(fā)器的次態(tài)與CP脈沖的上升沿到來(lái)前一瞬間D的狀態(tài)相同工作波形邏輯功能表維持阻塞D觸發(fā)器狀態(tài)變化產(chǎn)生在時(shí)鐘脈沖的上升沿，其次態(tài)決定于該時(shí)刻前瞬間輸入信號(hào)D。111101010000D2.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。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。觸發(fā)脈沖寬度tW

：保證內(nèi)部各門正確翻轉(zhuǎn)。傳輸延遲時(shí)間tPLH和tPHL

：時(shí)鐘脈沖CP上升沿至輸出端新?tīng)顟B(tài)穩(wěn)定建立起來(lái)的時(shí)間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5.4.3SR

觸發(fā)器5.4.4D

觸發(fā)器功能的轉(zhuǎn)換5.4.2T觸發(fā)器觸發(fā)器的邏輯功能：指次態(tài)與現(xiàn)態(tài)、輸入信號(hào)之間的邏輯關(guān)系，這種關(guān)系可以用特性表、特性方程或狀態(tài)圖來(lái)描述。注意：邏輯功能與電路結(jié)構(gòu)是兩個(gè)不同的概念。同一邏輯功能的觸發(fā)器可以用不同的電路結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，如主從D觸發(fā)器與維持阻塞D觸發(fā)器的電路結(jié)構(gòu)不同，而邏輯功能完全相同。同時(shí)，以同一基本電路結(jié)構(gòu)，也可以構(gòu)成不同邏輯功能的觸發(fā)器，例如5.4.5節(jié)將要討論的D觸發(fā)器邏輯功能的轉(zhuǎn)換。不同邏輯功能觸發(fā)器的國(guó)標(biāo)邏輯符號(hào)D觸發(fā)器JK觸發(fā)器T觸發(fā)器SR觸發(fā)器5.4.1D

觸發(fā)器

1.特性表

Qn

DQn+10000111001112.特性方程Qn+1=D

3.狀態(tài)圖3.狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

翻轉(zhuǎn)10011111

置111010011

置000011100狀態(tài)不變010