数字电路触发器详解

第5章触发器《数字电子技术基础》教学课件SR锁存器5.2脉冲触发的触发器5.4电平触发的触发器5.3概述5.1目录广东工业大学自动化学院5.5触发器的逻辑功能及其描述方法5.6边沿触发的触发器5.1概述Flip-Flop，简写为FF，又称双稳态触发器。广东工业大学自动化学院在各种复杂的数字电路中不但需要对二值信号进行数值运算和逻辑运算，还经常需要将运算结果保存下来。为此，需要使用具有记忆功能的基本逻辑单元。能够存储1位二值信号的基本单元电路统称为触发器。触发器是构成时序逻辑电路的基本单元电路。本章的重点:1.各种电路结构的触发器所具有的特点；2.触发器逻辑功能的分类和触发器逻辑功能的描述方法。3.要注意区分触发器的电路结构和逻辑功能这两个不同的概念。5.1概述广东工业大学自动化学院一、触发器的特点(1)有两个稳定状态(简称稳态)，用来示逻辑0和1。一个触发器可存储1位二进制数码(2)在输入信号作用下，触发器的两个稳定状态可相互转换(称为状态的翻转)。(3)输入信号消失后，新状态可长期保持下来，具有记忆功能。5.1概述广东工业大学自动化学院二、触发器的分类 按触发方式分2.按逻辑功能分三、触发器逻辑功能的描述方法　　主要有特性表、特性方程、驱动表(激励表)、状态转换图（状态图）和波形图(时序图)等。5.2SR锁存器广东工业大学自动化学院SR（Set-Reset）锁存器（又叫基本RS触发器）是各种触发器构成的基本部件，也是最简单的一种触发器。锁存器---不需要触发信号，由输入信号直接完成置0或置1操作。触发器---需要一个触发信号（称为时钟信号CLOCK)，只有触发信号有效时，才按输入信号完成置0或置1操作。5.2SR锁存器一、电路结构与工作原理广东工业大学自动化学院1.用或非门组成的锁存器 电路组成信号输入端互补输出端Q和Q′为互补输出端，正常工作时，它们的输出状态相反。通常用Q的状态表示触发器的状态，即:Q=0，Q′=1时，称为触发器的“0”态。Q=1，Q′=0时，称为触发器的“1”态。5.2SR锁存器广东工业大学自动化学院 工作原理0a.RD＝0，SD＝1时1001锁存器为“1”态Q＝0Q＝1b.RD＝1，SD＝0时10001锁存器为“0”态Q＝1Q＝05.2SR锁存器广东工业大学自动化学院 工作原理0C.RD＝0，SD＝0时0110锁存器为“0”态Q＝1Q＝0000锁存器为“1”态Q＝0Q＝1 若Q=0001 若Q=11010锁存器的状态保持不变0105.2SR锁存器广东工业大学自动化学院 工作原理1d.RD＝1，SD＝1时100“禁止”态Q＝0Q＝0 Q和Q'违背互补输出的条件。 当RD和SD同时去掉高电平加低电平时不允许输入RD=SD=1的信号即SR锁存器存在约束条件。0000111100输出状态不定5.2SR锁存器　　触发器次态与输入信号和电路原有状态之间关系的真值表。广东工业大学自动化学院 特性表（或功能表）保持清“0”置“1”不允许SR锁存器存在约束条件。 SD RD Q Q* 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 1 1 0 1 1 1 1 0 0① 1 1 1 0①5.2SR锁存器广东工业大学自动化学院 图形（逻辑）符号输入没有小圆圈表示高电平有效置位端或置1输入端复位端或置0输入端5.2SR锁存器广东工业大学自动化学院2.用与非门组成的锁存器 电路组成 特性表（或功能表） S'D R'D Q Q* 1 1 0 0 1 1 1 1 1 0 0 0 1 0 1 0 0 1 0 1 0 1 1 1 0 0 0 1① 0 0 1 1①5.2SR锁存器广东工业大学自动化学院 图形（逻辑）符号置位端或置1输入端复位端或置0输入端输入有小圆圈表示低电平有效5.2SR锁存器广东工业大学自动化学院波形分析举例解：[例]设下图中触发器初始状态为0，试对应输入波形画出Q和Q'的波形。保持初态为0，故保持为0。置0保持Q'置1输入有小圆圈表示低电平有效置05.2SR锁存器广东工业大学自动化学院假设Q的初态为0，试对应输入波形画出Q和Q'的波形。a、信号同时存在时，两输出端均为高电平；b、信号同时撤消时，Q的状态无法确定；c、信号分时撤消时，Q的状态由输入决定。0011010110保持保持结论：不允许在两个输入端同时加输入信号:5.2SR锁存器广东工业大学自动化学院二、动作特点直接控制：输入信号直接加在输出门上，在输入信号全部作用时间内，都能直接改变输出端的状态（即只要有输入信号，就能作用于电路)。故又称该电路为直接复位、置位锁存器。5.2SR锁存器广东工业大学自动化学院三、应用举例　利用SR锁存器的记忆功能可消除机械开关振动引起的干扰脉冲。干扰　脉冲开关由断开变至稳定闭合的uo波形5.2SR锁存器广东工业大学自动化学院A有0就置1B有0就置0SD’RD’开关切换到A开关切换到B5.3电平触发的触发器广东工业大学自动化学院在数字系统中，为协调各部分的动作，常常要求某些触发器在同一时刻动作（即改变状态，也称为翻转），这就要求有一个同步信号来控制，这个控制信号叫做时钟信号（Clock），简称时钟，用CLK表示。电平触发器（也称同步触发器）是其中最简单的一种。Clock是一串周期和脉宽一定的矩形脉冲。　　具有时钟脉冲控制的触发器统称为时钟触发器，又称钟控触发器。5.3电平触发的触发器广东工业大学自动化学院一、电平触发SR触发器（同步SR触发器）1.电路结构和工作原理 电路组成SR锁存器触发信号控制门 工作原理CLK=0时，G3、G4被封锁，输入信号R、S不起作用。SR锁存器的输入均为1，触发器状态保持不变。011CLK=1时，G3、G4解除封锁，将输入信号R和S取非后送至SR锁存器的输入端。1只有在CLK＝1时，S、R才能起作用S'R'5.3电平触发的触发器广东工业大学自动化学院CLK=0，触发器状态保持不变CLK=1，触发器状态受输入信号控制SR触发器存在约束条件2.特性表（或功能表）保持置1置05.3电平触发的触发器广东工业大学自动化学院时钟控制信号输入没有小圆圈表示高电平有效3.图形（逻辑）符号1S1RC15.3电平触发的触发器广东工业大学自动化学院解：[例]试对应输入波形画出下图中Q端波形。假设触发器的初态为“0”。Q00100001CLK=0时，触发器状态不变。CLK=1时，触发器根据S、R取值翻转。只在CLK=1期间接受输入信号5.3电平触发的触发器广东工业大学自动化学院假设触发器的初态为“0”。01100000115.3电平触发的触发器广东工业大学自动化学院 异步输入端(S'D、R'D)---不受时钟信号（CLK）控制在某些应用场合，有时需要在时钟CLK到来之前，先将触发器预置成制定状态，故实际的同步SR触发器设置了异步置位端S'D和异步复位端R'D。异步置1端异步置0端小圆圈表示低电平有效5.3电平触发的触发器广东工业大学自动化学院[例]试对应输入波形画出下图中Q端波形。解：原态未知VCCR'D00100001异步置05.3电平触发的触发器广东工业大学自动化学院二、电平触发D触发器（D型锁存器）1.电路组成与SR触发器结构相同，只是S=D，R=D′，所以只出现S=0，R=1或S=1，R=0的情况。SR5.3电平触发的触发器广东工业大学自动化学院2.特性表（或功能表）3.图形（逻辑）符号保持置“1”置“0” CLK D Q Q* 0 X 0 0 0 X 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1 0 1 05.3电平触发的触发器广东工业大学自动化学院解：[例]试对应输入波形画出下图中Q端波形(设触发器初始状态为0)。101010初始状态5.3电平触发的触发器广东工业大学自动化学院三、电平触发方式的动作特点（1）只有当CLK变为有效电平时，触发器才能接受输入信号，并根据输入信号将触发器的输出置成相应的状态。（2）在CLK为有效电平的全部时间里，输入信号的变化都将引起触发器输出状态的变化。（3）在CLK有效电平期间,若输入信号多次发生变化，则触发器状态将多次翻转，从而降低了电路的抗干扰能力。电平触发器在CLK=有效电平期间，输出发生多次翻转的现象称为空翻。CLK=1期间翻转的称正电平触发式；CLK=0期间翻转的称负电平触发式。5.3电平触发的触发器广东工业大学自动化学院123空翻例：CLK空翻可能会造成误动作！5.4脉冲触发的触发器一、主从SR触发器广东工业大学自动化学院为了避免空翻现象，提高触发器工作的可靠性，希望在每个CLK期间输出端的状态只改变一次，则在电平触发的触发器的基础上设计出脉冲触发的触发器（也称为主从触发器）。脉冲触发的SR触发器（即主从SR触发器）是由两个同样的电平触发SR触发器组成。5.4脉冲触发的触发器广东工业大学自动化学院1.电路结构和工作原理 电路组成主触发器从触发器CLKCLK'主触发器与从触发器的结构相同，只是主触发器由CLK控制，而从触发器由CLK'控制。5.4脉冲触发的触发器广东工业大学自动化学院1001★CLK=1期间，主触发器接受输入信号，从触发器被封锁，使主从RS触发器状态保持不变。 工作原理5.4脉冲触发的触发器广东工业大学自动化学院2.特性表表示输出状态的变化发生在CLK的下降沿没有CLK时，触发器状态保持不变有CLK到来时，触发器才改变状态S00000111100000001111111100R0111QQ*××5.4脉冲触发的触发器广东工业大学自动化学院3.图形（逻辑）符号┐表示延迟输出，即下降沿动作没有小圆圈表示CLK=1期间接收信号5.4脉冲触发的触发器广东工业大学自动化学院[例]试对应输入波形画出下图中Q端波形(设触发器初始状态为0)。解：CLK=1时，触发器状态不变。CLK下降沿到达时，触发器根据S、R取值翻转。0001101100初始状态S00000111100000001111111100R0111QQ*××5.4脉冲触发的触发器二、主从JK触发器广东工业大学自动化学院主从SR触发器克服了同步SR触发器（即电平触发的SR触发器）在CLK＝1期间多次翻转的问题；但在CLK＝1期间，主触发器的输出仍会随输入的变化而变化，当S=R=1时仍存在不定状态，输入信号仍要遵守SR＝0（约束条件）。为了使主从SR触发器在S＝R＝1时也有确定的状态，则将输出端Q和Q'反馈到输入端，这种触发器称为JK触发器。实际上这对反馈线通常在制造集成电路时内部已接好。5.4脉冲触发的触发器广东工业大学自动化学院1.电路结构和工作原理 电路组成5.4脉冲触发的触发器广东工业大学自动化学院 工作原理与SR触发器相比，相当于S=JQ´，R=KQ。当JK=00、01、10时与SR触发器的功能相同；当JK=11时，相当于S=Q´，R=Q。若Q=0，Q*=1若Q=1，Q*=0即当JK=11时，Q*=Q´5.4脉冲触发的触发器广东工业大学自动化学院2.特性表S00000111100000001111111100R0111QQ*××J00000111100000001111111100K0111QQ*105.4脉冲触发的触发器广东工业大学自动化学院2.特性表J00000111100000001111111100K0111QQ*105.4脉冲触发的触发器广东工业大学自动化学院3.图形（逻辑）符号注：在有些集成触发器中，输入端J和K不止一个，这些输入端是“与”的关系。其逻辑符号为：或5.4脉冲触发的触发器广东工业大学自动化学院[例]设触发器初始状态为0，试对应输入波形画出Q端波形。解：CLK=1时，触发器状态不变。CLK下降沿到达时，触发器根据J、K取值翻转。10011100初始状态5.4脉冲触发的触发器三、脉冲触发方式的动作特点广东工业大学自动化学院1.触发器的翻转分两步动作。第一步：在CLK＝1（有效电平）时，主触发器接受输入信号，从触发器被封锁，Q的状态保持不变；第二步：在CLK到达后，从触发器按主触发器状态翻转。即Q的状态变化发生在CLK的下降沿。触发器在每个CLK期间输出状态只能改变一次。5.4脉冲触发的触发器广东工业大学自动化学院┐表示延迟输出，即上升沿动作有小圆圈表示CLK=0期间接收信号注：若CLK以低电平为有效状态时，则Q的状态变化发生在CLK的上升沿（↑）。见课本P251图P5.115.4脉冲触发的触发器广东工业大学自动化学院2.在CLK=1（有效电平）期间，输入信号都将对主触发器起作用。 出现的问题：在CLK=1（有效电平）的期间，如果输入信号发生变化，若直接用CLK下降沿到达时的输入信号去判断输出状态，有可能出现判断错误。主从JK触发器在CLK＝1期间，不论JK端发生了多少次变化，主触发器只可能翻转一次。称为JK触发器的一次变化问题5.4脉冲触发的触发器广东工业大学自动化学院010010初始状态5.4脉冲触发的触发器广东工业大学自动化学院1000011100初始状态5.4脉冲触发的触发器广东工业大学自动化学院 脉冲触发的触发器对输入信号的要求：只有在CLK=1的全部时间里，输入信号保持不变，用CLK下降沿到达时的输入状态来决定触发器的次态才能保证是正确的。否则，就必须考虑在CLK=1期间输入状态的全部变化过程，才能确定CLK下降沿到来时触发器的次态。5.5边沿触发的触发器广东工业大学自动化学院由于脉冲触发的触发器在CLK=1的期间，如果输入信号发生变化时，若直接用CLK下降沿到达时的输入信号去判断输出状态，有可能出现判断错误，所以抗干扰能力差。为了提高触发器工作的可靠性，希望触发器的次态（新的状态）仅决定于CLK的下降沿（或上升沿）到达时刻输入信号的状态，与CLK的其它时刻的信号无关。这样出现了各种边沿触发器。目前主要有利用CMOS传输门的边沿触发器、维持阻塞触发器、利用门电路传输延迟时间的边沿触发器以及利用二极管进行电平配置的边沿触发器等等几种。5.5边沿触发的触发器一、利用CMOS传输门的边沿触发器广东工业大学自动化学院1.电路结构 TG1和TG4的工作状态相同 TG2和TG3的工作状态相同5.5边沿触发的触发器广东工业大学自动化学院2.工作原理（1）CLK=0时010导通截止TG1导通，TG2断开——输入信号D送入FF1，Q1跟随D端的状态变化，即Q1=D。DDD截止导通TG3断开，TG4导通——反馈通路接通，FF2自锁，维持原来的状态不变。5.5边沿触发的触发器广东工业大学自动化学院2.工作原理（2）CLK↑(上升沿)到达时101截止导通TG1断开，TG2导通——输入不能D送到FF1，Q1保持原输入状态不变。导通DD截止DDTG3导通，TG4断开——FF1的状态送到Q端，Q=Q1=D。这是一个上升沿触发的D触发器。5.5边沿触发的触发器广东工业大学自动化学院3.特性表4.图形（逻辑）符号触发器的状态仅仅取决于CLK信号上升沿到达前瞬间的D信号CLK没有小圆圈表示上升沿触发>表示边沿触发表示CLK的上升沿触发5.5边沿触发的触发器广东工业大学自动化学院 带异步输入端的边沿D触发器5.5边沿触发的触发器广东工业大学自动化学院[例]设触发器初态为0，试对应输入波形画出Q的波形。解：10初始状态在波形图时，应注意以下两点：（1）触发器的触发翻转发生在CLK的上升沿。（2）判断触发器次态的依据是CLK上升沿前一瞬间输入端的状态。上升沿动作5.5边沿触发的触发器广东工业大学自动化学院[例]给定的触发器如下图所示，试对应输入波形画出Q的波形。1111011110异步输入端有小圆圈表示低电平有效异步置00异步置05.5边沿触发的触发器广东工业大学自动化学院注意(1)弄清时钟触发沿是上升沿还是下降沿？(2)弄清有无异步输入端？异步置0端和异步置1端是低电平有效还是高电平有效？(4)边沿触发器的逻辑功能与脉冲触发器的相同，但由于触发方式不一样，因此，它们的逻辑功能成立的时间不同。边沿触发器的逻辑功能只在时钟的上升沿(或下降沿)成立。(3)异步端不受时钟CLK控制，将直接实现置0或置1。触发器工作时，应保证异步端接非有效电平。5.5边沿触发的触发器广东工业大学自动化学院例：试画下图所示电路的Q1和Q2的波形。设各触发器初态为0。初始状态00D2=Q1D1=Q'15.5边沿触发的触发器二、维持阻塞触发器*（自学）广东工业大学自动化学院三、利用门电路传输延迟时间的边沿触发器*（自学）注：1.边沿触发器也有JK触发器、SR触发器等不同的逻辑功能。2.边沿触发器有上升沿触发的，也有下降沿触发的。5.5边沿触发的触发器广东工业大学自动化学院例：下降沿触发的JK触发器的特性表和逻辑符号。CLK有小圆圈表示下降沿触发表示CLK的下降沿触发5.5边沿触发的触发器广东工业大学自动化学院四、边沿触发方式的动作特点 触发器的次态（Q*）变化（翻转）只发生在CLK的上升沿或下降沿。即触发器的次态（Q*）仅取决于CLK的上升沿或下降沿到达时输入的逻辑状态，而与此前、后的状态无关。具有较强的抗干扰能力，可靠性高。边沿触发器只有在CLK的上升沿或下降沿瞬间才能接受控制输入信号，改变状态，因此在一个时钟脉冲下，触发器最多只能翻转一次，从根本上杜绝了空翻的现象。5.6触发器的逻辑功能及其描述方法广东工业大学自动化学院一、触发器按逻辑功能的分类按照逻辑功能的不同特点，触发器可分为SR触发器、JK触发器、D触发器和T触发器等四种。　　触发器逻辑功能的描述方法主要有特性表（功能表）、特性方程、驱动表(又称激励表)、状态转换图和波形图(又称时序图)等。　下面介绍四种触发器的逻辑功能及其描述方法。5.6触发器的逻辑功能及其描述方法广东工业大学自动化学院1.SR触发器 特性表 SR Q* 功能 00 Q 保持 01 0 置0 10 1 置1 11 × 约束5.6触发器的逻辑功能及其描述方法广东工业大学自动化学院 特性方程（又称状态方程、次态方程）由特性表和约束条件可画出输出端Q*的卡诺图：111××则可写出SR触发器输出端的方程为特性方程指触发器次态与输入信号和电路原有状态之间的逻辑关系式。5.6触发器的逻辑功能及其描述方法用圆圈及其内的标注表示电路的所有稳态，用箭头表示状态转换的方向，箭头旁的标注表示状态转换的条件。广东工业大学自动化学院 状态转换图状态0状态15.6触发器的逻辑功能及其描述方法广东工业大学自动化学院2.JK触发器 特性表 JK Q* 功能 00 Q 保持 01 0 置0 10 1 置1 11 Q′ 翻转5.6触发器的逻辑功能及其描述方法广东工业大学自动化学院 特性方程 状态转换图5.6触发器的逻辑功能及其描述方法广东工业大学自动化学院3.D触发器 特性表 特性方程 状态转换图 D Q* 功能 0 0 置0 1 1 置15.6触发器的逻辑功能及其描述方法广东工业大学自动化学院4.T触发器 特性表 特性方程 状态转换图 T Q* 功能 0 Q 保持 1 Q' 翻转5.6触发器的逻辑功能及其描述方法广东工业大学自动化学院[例]给定的触发器如下图所示，试对应输入波形画出Q的波形。设触发器初态为0。CLK有小圆圈表示下降沿触发1010初始状态 T Q* 功能 0 Q 保持 1 Q' 翻转5.6触发器的逻辑功能及其描述方法广东工业大学自动化学院二、触发器逻辑功能间的转换 转换方法利用令已有触发器和待求触发器的特性方程相等的，求出转换逻辑。5.6触发器的逻辑功能及其描述方法广东工业大学自动化学院 转换步骤（1）写出已有触发器和待求触发器的特性方程。（2）变换待求触发器的特性方程，使之形式与已有触发器的特性方程一致。（3）比较已有和待求触发器的特性方程，根据两个方程相等的原则求出转换逻辑。（4）根据转换逻辑画出逻辑电路图。5.6触发器的逻辑功能及其描述方法广东工业大学自动化学院例：利用JK触发器构成D触发器和T触发器。（1）写出已有触发器和待求触发器的特性方程。解：（2）变换待求触发器的特性方程，使之形式与已有触发器的特性方程一致。（3）比较已有和待求触发器的特性方程，根据两个方程相等的原则求出转换逻辑。形式相同无需变换5.6触发器的逻辑功能及其描述方法广东工业大学自动化学院（4）根据转换逻辑画出逻辑电路图。用JK触发器构成的D触发器用JK触发器构成的T触发器5.6触发器的逻辑功能及其描述方法广东工业大学自动化学院三、触发器的电路结构和逻辑功能、触发方式的关系1.电路结构和逻辑功能触发器的电路结构和逻辑功能之间不存在固定的对应关系。如SR触发器可以是电平触发的同步结构，也有脉冲触发的主从结构。同样的JK触发器有主从结构的和维持阻塞结构的。5.6触发器的逻辑功能及其描述方法广东工业大学自动化学院2.电路结构和触发方式触发器的触发方式是由电路结构决定的，即电路结构形式与触发方式之间有固定的对应关系。凡是采用同步SR结构的触发器，无论其逻辑功能如何，一定是电平触发方式。凡是采用主从SR结构的触发器，无论其逻辑功能如何，一定是脉冲触发方式。凡是采用两个电平触发D触发器结构成的、维持阻塞结构的以及利用门传输延迟时间构成的触发器，无论其逻辑功能如何，一定是边沿触发方式。5.6触发器的逻辑功能及其描述方法广东工业大学自动化学院 根据逻辑符号来判断其触发方式触发器的应用举例广东工业大学自动化学院解：[例]试对应输入波形画出下图电路的输出波形。当异步端无信号时，触发器将在CP↑时翻转。RD和SD为非有效电平异步输入端没有小圆圈表示高电平有效00触发器的应用举例广东工业大学自动化学院[例]下图为分频器电路，设触发器初态为0，试画出Q1、Q2的波形，并求其频率。已知fcp=4MHz解：fQ1=fCP/2=2MHz，fQ2=fCP/4=1MHzCP对CP二分频对CP四分频D触发器构成计数型触发器广东工业大学自动化学院带锁存的抢答器《数字电子技术基础》教学课件