数电知识之锁存器和触发器.pptx

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1、5.1 概述概述 锁存器、触发器与逻辑门一样，是组成数字系统的基本单元电路。与逻辑门不同的是它们具有记忆功能。把能够存储一位二进制的基本单元电路统称为触发器（触发器（Flip-FlopFlip-Flop）。为了实现记忆一位二值信号的功能，触发器必须具备以下两个特点：1、具有两个能自行保持信号的功能，用来表示逻辑状态的0和1；2、在触发信号的操作下，根据不同的输入信号可以置成1或0状态即从一种稳定状态转换成另一种稳定状态，当触发信信号消失后，新的状态被保持下来。第1页/共59页 由于采用的电路不同，触发的信号的触发方式不同：电平触发、脉冲触发和边沿触发三种。分类：根据触发器逻辑功能的不同分为：S

2、R触发器 JK触发器 D触发器 T触发器 根据锁存器的逻辑功能不同分为 SR锁存器和D锁存器5.1 概述概述第2页/共59页锁存器与触发器电路都有两个互补的输出端Q和Q，其中其中其中其中QQ的状态定义为其输出状态。的状态定义为其输出状态。的状态定义为其输出状态。的状态定义为其输出状态。将触发器在接收信号之前所处的状态称为现态现态（初态），（初态），用Qn表示；而将接收信号之后建立的新的稳定状态称为次态（新态）次态（新态）以Qn+1表示。锁存器与触发器的差异：锁存器与触发器的差异：锁存器对脉冲电平脉冲电平脉冲电平脉冲电平敏感的存储单元电路，它只在输入脉冲的高电平（或低电平）期间对输入信号敏感并改

3、变状态。触发器对脉冲边沿脉冲边沿脉冲边沿脉冲边沿敏感的存储单元电路，它只在触发脉冲的上升沿（或下降沿）瞬间改变其状态。5.1 概述概述第3页/共59页AA、SRSR锁存器锁存器锁存器锁存器 1、基本SR锁存器 I、由与非门构成的SR锁存器5.2 锁存器锁存器第4页/共59页5.2 锁存器锁存器根据与非门的逻辑特点，锁存器的逻辑表达式为：第5页/共59页工作原理：5.2 锁存器锁存器0101R SQ0 10第6页/共59页结论1：R=0、S=1时：由于R=0，不论原来Q为0还是1，都有Q=1；再由S=1、Q=1可得Q0。即不论锁存器原来处于什么状态都将变成0状态，这种情况称将锁存器置0或复位。R

4、端称为锁存器的置0端或复位端。5.2 锁存器锁存器0110R SQ0 101 01第7页/共59页结论2：R=1、S=0时：由于S=0，不论原来Q为0还是1，都有Q=1；再由R=1、Q=1可得Q0。即不论锁存器原来处于什么状态都将变成1状态，这种情况称将锁存器置1或置位。S端称为锁存器的置1端或置位端。5.2 锁存器锁存器1110 01R SQ0 101 011 1不变第8页/共59页结论3：R=1、S=1时：根据与非门的逻辑功能不难推知，锁存器保持原有状态不变，即原来的状态被锁存器存储起来，这体现了锁存器有记忆能力。5.2 锁存器锁存器0011？R SQ0 101 011 1不变0 0不定第

5、9页/共59页结论4：R=0、S=0时：Q=Q=1，不符合触发器的逻辑关系。并且由于与非门延迟时间不可能完全相等，在两输入端的0同时撤除后，将不能确定触发器是处于1状态还是0状态。所以触发器不允许出现这种情况，这就是基本SR锁存器的约束条件。5.2 锁存器锁存器第10页/共59页II、由或非门构成的基本SR锁存器 逻辑图 逻辑符号5.2 锁存器锁存器第11页/共59页5.2 锁存器锁存器RSQ00不变011100110不定功能表逻辑表达式约束条件：RS=0第12页/共59页2、逻辑门控SR锁存器（同步SR锁存器）这种锁存器在基本SR锁存器前增加了一对逻辑门。5.2 锁存器锁存器RS第13页/共

6、59页工作原理：5.2 锁存器锁存器CP0时，G1和G2门同时被封锁，且输出为1，此时R、S的状态不会影响锁存器的输出，同步SR锁存器状态不变。01101CP1时，G1和G2打开，此时R、S端的信号传送到基本SR锁存器中，从而使锁存器发生翻转。第14页/共59页5.2 锁存器锁存器根据逻辑图可得此时的逻辑表达式：在等式中出现两个一样的Q，它们含义不一样，右边的Q表示每个CP作用前锁存器的状态，即现态Qn，左边的Q表示CP作用后锁存器的新状态，即次态 Qn+1。第15页/共59页5.2 锁存器锁存器功能表第16页/共59页特征方程（特性方程）：波形图：5.2 锁存器锁存器第17页/共59页B B

7、、DD锁存器锁存器锁存器锁存器 1、逻辑门控D锁存器 这种锁存器能消除SR锁存器中不确定状态。5.2 锁存器锁存器第18页/共59页5.2 锁存器锁存器它只有两个输入端：数据输入D和时钟控制输入CP。当CP0时，G3、G4门封锁，输出为0，使G1和G2构成的基本SR锁存器处于保持状态，无论D信号如何，输出不变。当CP1时，G3、G4门打开，输出信号取决于D。CPDQ0不变 不变10011110第19页/共59页2、传输门控D锁存器5.2 锁存器锁存器这种电路结构常见CMOS集成电路当中。它与逻辑门控D锁存器逻辑功能完全一样。第20页/共59页AA、主从触发器、主从触发器、主从触发器、主从触发器

8、 主从触发器是目前使用较多的触发器之一，主从触发器是目前使用较多的触发器之一，它克服了同步它克服了同步RS触发器抗干扰能力差的特点，触发器抗干扰能力差的特点，提高了电路的可靠性。主从触发器由两级触发提高了电路的可靠性。主从触发器由两级触发器构成，其中一级接收输入信号，其状态直接器构成，其中一级接收输入信号，其状态直接由输入信号决定，称为由输入信号决定，称为主触发器主触发器，还有一级的，还有一级的输入与主触发器的输出相连，其状态由主触发输入与主触发器的输出相连，其状态由主触发器的状态决定，称为器的状态决定，称为从触发器从触发器。5.3 触发器的电路结构和工作原理触发器的电路结构和工作原理第21页

9、/共59页I I、由两个同步、由两个同步SRSR触发器组成的主从触发器触发器组成的主从触发器5.3 触发器的电路结构和工作原理触发器的电路结构和工作原理第22页/共59页1）组成：与非门1、2、3、4构成主触发器，与非门5、6、7、8构成从触发器。时钟CP直接作用于主触发器，反相后作用于从触发器。5.3 触发器的电路结构和工作原理触发器的电路结构和工作原理第23页/共59页2）工作原理：a）当CP=1时，主触发器的输入门G1和G2门打开，主触发器根据SR的状态进行翻转，而对于从触发器，CP经G9反相后加于它的输入门为0电平，G5和G6门封锁，其状态不受主触发器输出影响，或者说保持状态不变。5.

10、3 触发器的电路结构和工作原理触发器的电路结构和工作原理1011第24页/共59页5.3 触发器的电路结构和工作原理触发器的电路结构和工作原理b）当CP由1变成0后，情况则相反，G1和G2封锁，R、S不影响主触发器的状态，而这时从触发器的G5和G6则打开，从触发器可以翻转。此时从触发器是在CP的下降沿发生翻转，CP一旦达到0电平后，主触发器被封锁，其状态不受RS的影响。从触发器的状态也不可能再改变。0111第25页/共59页5.3 触发器的电路结构和工作原理触发器的电路结构和工作原理Qn+1R S功能Qn 0 1 0 1置1 11101 1 0 1 0置0 000011 11 101不定0 0

11、0 0保持0101 主触发器的状态主触发器的状态在在CP=1期间均可以期间均可以发生变化，从触发发生变化，从触发器的状态只在器的状态只在CP从从10时发生变化，时发生变化，解决了电平触发方解决了电平触发方式的空翻问题。式的空翻问题。第26页/共59页结论：结论：1 1、由两个同步、由两个同步SRSR触发器组成主从触发器，触发器组成主从触发器，它们受互补的时钟脉冲控制；它们受互补的时钟脉冲控制；2 2、只在时钟脉冲的跳变沿触发翻转；、只在时钟脉冲的跳变沿触发翻转；3 3、对于负跳沿触发的，输入信号必须在、对于负跳沿触发的，输入信号必须在CPCP正跳沿前加入，为主触发器触发翻转作好准正跳沿前加入，

12、为主触发器触发翻转作好准备，而备，而CPCP正跳沿后的高电平要有一定的延迟时正跳沿后的高电平要有一定的延迟时间，以确保主触发器达到新的稳定状态；同理，间，以确保主触发器达到新的稳定状态；同理，CPCP负跳沿使从触发器发生翻转后，负跳沿使从触发器发生翻转后，CPCP的低电平的低电平也必须有一定的延迟时间，以确保从触发器达也必须有一定的延迟时间，以确保从触发器达到新的稳定状态。到新的稳定状态。5.3 触发器的电路结构和工作原理触发器的电路结构和工作原理第27页/共59页II II、由传输门组成的、由传输门组成的CMOSCMOS主从触发器主从触发器5.3 触发器的电路结构和工作原理触发器的电路结构和

13、工作原理D触发器只有一个输入端，主从锁存器都由传输门TG和反相器经交叉连接构成的双稳态电路。TG1、TG2、G1、G2组成主触发器，TG3、TG4、G3、G4组成从触发器。CP和CP为互补时钟脉冲。第28页/共59页工作原理：1、CP正跳变后，TG1导通，TG2截止，输入信号D送入主锁存器。假设D为1时，经TG1传到G1的输入端，使Q=1。同时，TG3截止，TG4导通，显然G3输入端和G4输出端经TG4连通，使从触发器维持在原来的状态不变。5.3 触发器的电路结构和工作原理触发器的电路结构和工作原理第29页/共59页2、CP负跳变后，TG1截止，TG2导通，由此切断了D 端与主锁存器的相连，同

14、时TG2将G1的输入端与G2的输出端相通，使主锁存器维持现态不变。从触发器的情况是：TG3导通，TG4截止，主锁存器的状态送入从触发器。=0经TG3传给G3，于是Q15.3 触发器的电路结构和工作原理触发器的电路结构和工作原理第30页/共59页B B、边沿触发器、边沿触发器 主从触发器对激励信号的要求比较严格，抗干主从触发器对激励信号的要求比较严格，抗干扰能力弱，而边沿触发器具有较强抗干扰能力，扰能力弱，而边沿触发器具有较强抗干扰能力，可靠性高。它只要求激励信号在时钟触发边沿可靠性高。它只要求激励信号在时钟触发边沿的前后几个延迟时间保持不变，触发器就可以的前后几个延迟时间保持不变，触发器就可以

15、稳定地工作。边沿触发器的时钟触发方式为稳定地工作。边沿触发器的时钟触发方式为上上升沿触发升沿触发和和下降沿触发下降沿触发。1、维持阻塞边沿触发器、维持阻塞边沿触发器 维持阻塞式边沿维持阻塞式边沿D触发器为例。触发器为例。5.3 触发器的电路结构和工作原理触发器的电路结构和工作原理第31页/共59页电路结构 由6个与非门构成，其中G1和G2构成基本SR存锁器。5.3 触发器的电路结构和工作原理触发器的电路结构和工作原理第32页/共59页工作原理：工作原理：I、SD和和RD接至基本接至基本SR锁存器的输入端，分别锁存器的输入端，分别是是预置端预置端和和清零端清零端，且，且低电平有效。低电平有效。I

16、I、假设：、假设：SD=RD=1。CP0时：时：与非门与非门G3和和G4封锁，其输出封锁，其输出Q3=Q4 =1，触发器状态不变。，触发器状态不变。同时由于同时由于Q3至至Q5和和Q4至至Q6的反馈信号将的反馈信号将G5和和G6两门打开，故可接两门打开，故可接收信号收信号D。5.3 触发器的电路结构和工作原理触发器的电路结构和工作原理11011D第33页/共59页当CP由0变1时触发器翻转。这时G3和G4门打开，它们的输出Q3和Q4的状态由G5和G6的输出状态决定。G4输出的 一方面使Q的状态为D，另一方面使G3的输出为D避免使触发器置零；另外G4至G6的反馈线使G6输出维持D，继续维持G4的

17、输出为 。5.3 触发器的电路结构和工作原理触发器的电路结构和工作原理110 1DDD第34页/共59页结论：结论：不论不论D触发器的初态如何，在时钟触发器的初态如何，在时钟CP上升上升沿的作用下，触发器的状态与沿的作用下，触发器的状态与D一致。一致。D触发器触发器在在CP的上升沿前两个门的延迟时间接受输入信的上升沿前两个门的延迟时间接受输入信号，上升沿时触发器输出变化，上升沿作用后号，上升沿时触发器输出变化，上升沿作用后D信号只要保持三个门的延迟时间，触发器就开信号只要保持三个门的延迟时间，触发器就开始封锁输入信号。由于始封锁输入信号。由于D触发器维持了正确状态，触发器维持了正确状态，阻塞了

18、不正确状态，故称维持阻塞阻塞了不正确状态，故称维持阻塞D触发器触发器。特性方程：特性方程：Qn+1=D 总之，触发器是在总之，触发器是在CP上升沿前接受信号，上升沿前接受信号，上升沿时触发跳转，上升沿后输入被封锁，这上升沿时触发跳转，上升沿后输入被封锁，这三步都是在上升沿前后完成，所以称为三步都是在上升沿前后完成，所以称为边沿触边沿触发器发器。5.3 触发器的电路结构和工作原理触发器的电路结构和工作原理第35页/共59页2、利用传输延迟的边沿触发器（、利用传输延迟的边沿触发器（边沿边沿JK触发器触发器）5.3 触发器的电路结构和工作原理触发器的电路结构和工作原理电路结构：由电路结构：由G11、

19、G12、G13、和和G21、G22、G23构成两个与或非门（构构成两个与或非门（构成成SR锁存器），作为锁存器），作为触发器的输出电路，而触发器的输出电路，而G3和和G4两个与非门则两个与非门则构成触发器的输入电路构成触发器的输入电路接收输入信号接收输入信号J、K。另外在工艺上要保证另外在工艺上要保证G3和和G4门的传输延迟门的传输延迟时间大于时间大于SR锁存器的锁存器的翻转时间。翻转时间。第36页/共59页工作原理：工作原理：I、CP0时，触发时，触发器处于一个稳态器处于一个稳态 此时，此时，G3和和G4被封锁，被封锁，不论不论J、K为何状态，为何状态，Q3和和Q4均为均为1，另一方，另一方

20、面，面，G12、G22也被也被CP封锁，因而与或非门封锁，因而与或非门组成的触发器处于一组成的触发器处于一个稳定状态，使输出个稳定状态，使输出状态不变。状态不变。5.3 触发器的电路结构和工作原理触发器的电路结构和工作原理00011Q3Q4SR第37页/共59页II、CP由由0变变1时，触时，触发器不翻转，为接收发器不翻转，为接收信号作准备。信号作准备。设触发器现态为设触发器现态为0，当，当CP由由0变变1时，时，G12和和G22打开，打开，G3和和G4打打开，开，G22的输出首先由的输出首先由0变变1，此时无论，此时无论G23为为何种状态，都使何种状态，都使Q为为0。由于由于Q同时连接同时连

21、接G12和和G13的输入，故它们的的输入，故它们的输出均为输出均为0，使，使G11的的输出为输出为1，触发器状态，触发器状态不变。说明，此时在不变。说明，此时在作接收作接收J、K信号的准信号的准备。备。5.3 触发器的电路结构和工作原理触发器的电路结构和工作原理Q3Q4SR11001第38页/共59页III、CP由由1变变0时时触发器翻转触发器翻转设输入信号设输入信号J=1、K0时，则时，则Q30、Q4=1，G13和和G23的的输出均为输出均为0，当，当CP下降沿到来时，下降沿到来时，G22的输出由的输出由1变变0，则，则Q1，触发器翻转。，触发器翻转。特性方程：特性方程：Qn+1=JQn+K

22、Qn5.3 触发器的电路结构和工作原理触发器的电路结构和工作原理Q3Q4SR0110抢先封锁抢先封锁0011000抢先封锁抢先封锁010第39页/共59页触发器的逻辑功能是指次态与现态、输入信号之间的逻辑关系，触发器的逻辑功能是指次态与现态、输入信号之间的逻辑关系，这种关系可以用特性表、特性方程或状态图来描述。这种关系可以用特性表、特性方程或状态图来描述。触发器的种类很多，不同的触发器所具备的功能也不尽相同，触发器的种类很多，不同的触发器所具备的功能也不尽相同，但归纳起来，触发器的功能不外乎：但归纳起来，触发器的功能不外乎：置置0、置置1、保持保持和和翻转翻转。触发器功能的描述采用：触发器功能

23、的描述采用：特征方程特征方程（特性方程）、（特性方程）、功能表功能表、状状态转换图态转换图和和激励表激励表。5.4 触发器的逻辑功能触发器的逻辑功能第40页/共59页AA、SRSR触发器触发器 1、特征方程：、特征方程：5.4 触发器的逻辑功能触发器的逻辑功能2、功能表、功能表SRQnQn+1SRQnQn+100001001001110110100110不定0110111不定第41页/共59页3、状态转换图：、状态转换图：5.4 触发器的逻辑功能触发器的逻辑功能10S=1 R=0S=0 R=1S=0 R=S=R=0图中：两个圆圈内标以图中：两个圆圈内标以1和和0表示触发器的状态，带箭表示触发器

24、的状态，带箭头的弧线表示状态转换的方向，箭头指向触发器的次头的弧线表示状态转换的方向，箭头指向触发器的次态，箭尾为触发器的现态，弧线旁边标出了状态转换态，箭尾为触发器的现态，弧线旁边标出了状态转换的条件。的条件。第42页/共59页4、激励表：5.4 触发器的逻辑功能触发器的逻辑功能01 1011 0100 100 0SRQn Qn+1第43页/共59页B B、JKJK触发器触发器触发器触发器 主从触发器是在主从触发器是在RS触发器的基础上稍加改动触发器的基础上稍加改动而产生，它在而产生，它在RS触发器的触发器的R端和端和S端分别增加一端分别增加一个两输入端的与非门，将个两输入端的与非门，将Q端

25、与原端与原S端的与非门端的与非门的一个输入端连接，另一输入端作为的一个输入端连接，另一输入端作为J端；同样端；同样将将Q端与原端与原R端的与门的一个输入端连接，另一端的与门的一个输入端连接，另一个作为个作为K端。端。1、特征方程：、特征方程：5.4 触发器的逻辑功能触发器的逻辑功能当J=1，K0时，Qn+1=1；J=0，K=1时，Qn10；J=K=1时Qn+1=Qn第44页/共59页2、功能表：5.4 触发器的逻辑功能触发器的逻辑功能JK触发器与触发器与SR触发器的不同之处是，它没有约束条件，触发器的不同之处是，它没有约束条件，在在J=K=1时每输入一个时钟脉冲后，触发器翻转一次，这时每输入一

26、个时钟脉冲后，触发器翻转一次，这种工作状态称为种工作状态称为计数状态计数状态。第45页/共59页状态转换图：5.4 触发器的逻辑功能触发器的逻辑功能10J=1 K=J=K=1J=0 K=J=K=0激励表：01 111 010 100 0KJQn Qn+1第46页/共59页For example:已知已知J、K端的波形，画出端的波形，画出Q端的端的波形，设触发器的初始状态为波形，设触发器的初始状态为0。（设触发器下。（设触发器下降沿触发）降沿触发）5.4 触发器的逻辑功能触发器的逻辑功能第47页/共59页注意：主从J-K触发器在画波形时应注意下面几点：I、先看电路的现态是什么，若为1时，则由K决

27、定其次态，而和J无关，若为0时，则由J有关，和K无关。II、电路的触发时刻为下降沿，因而状态的改变都应对着下降沿处。III、在CP1期间，若J、K有变化，应注意一次变化问题，即主触发器在CP1期间，只能翻转一次，一旦翻转后，无论J、K怎样改变，主触发器的状态不再会变化。若为边沿触发器无此问题。5.4 触发器的逻辑功能触发器的逻辑功能第48页/共59页C C、T T触发器触发器 将JK触发器的J和K端连接在一起，称为T端，当T0时，Qn+1=Qn；当T1时，在时钟脉冲的作用下Qn+1=Qn，这种触发器称为T触发器。5.4 触发器的逻辑功能触发器的逻辑功能第49页/共59页5.4 触发器的逻辑功能

28、触发器的逻辑功能 1、特征方程：、特征方程：T触发器的功能是触发器的功能是T为为1时，为计数状态，时，为计数状态，T为为0时，为时，为保持状态。保持状态。2、功能表、功能表TQnQn+1000011101110第50页/共59页3、状态转换图、状态转换图5.4 触发器的逻辑功能触发器的逻辑功能10T=1T=1T=0T=04、激励图、激励图01 111 010 100 0TQn Qn+1第51页/共59页DD、DD触发器触发器 1、特征方程：特征方程：Qn+1=D 2、功能表：、功能表：5.4 触发器的逻辑功能触发器的逻辑功能DQnQn+1000010101111第52页/共59页3、状态转换图

29、、状态转换图5.4 触发器的逻辑功能触发器的逻辑功能10D=1D=0D=0D=1 4、激励表、激励表11 101 010 100 0DQn Qn+1第53页/共59页E E、触发器逻辑功能之间的转换、触发器逻辑功能之间的转换 在实际应用中，经常需要将一种功能的触发器在实际应用中，经常需要将一种功能的触发器转换成另一种功能的触发器。根据触发器的逻转换成另一种功能的触发器。根据触发器的逻辑功能，通过一些连线或附加的逻辑门，就可辑功能，通过一些连线或附加的逻辑门，就可以实现触发器逻辑功能转换。以实现触发器逻辑功能转换。方法：方法：对比两种触发器的特征方程式，得到转对比两种触发器的特征方程式，得到转换

30、电路的逻辑表达式，进而可画出转换电路。换电路的逻辑表达式，进而可画出转换电路。1 1、DD触发器转换为其他功能的触发器触发器转换为其他功能的触发器触发器转换为其他功能的触发器触发器转换为其他功能的触发器 I、D触发器转换为触发器转换为JK触发器触发器 D触发器：触发器：Qn+1D JK触发器：触发器：5.4 触发器的逻辑功能触发器的逻辑功能第54页/共59页比较两式，可得：5.4 触发器的逻辑功能触发器的逻辑功能II、将、将D触发器转换成触发器转换成T触发器触发器 T触发器：触发器：第55页/共59页比较式子，可以得到：根据式子，只需在D输入端前加一个异或门或同或门即可实现触发器D功能到T功能的转换。5.4 触发器的逻辑功能触发器的逻辑功能第56页/共59页5.4 触发器的逻辑功能触发器的逻辑功能2、将、将JK触发器转换成其他功能的触发器触发器转换成其他功能的触发器 I、将、将JK触发器转换成触发器转换成T触发器触发器 根据特征方程可知，根据特征方程可知，J=KTII、将、将JK触发器转换成触发器转换成D触发器触发器比较比较JK触发器的特征方程可得触发器的特征方程可得:第57页/共59页可得用JK触发器构成的D触发器：5.4 触发器的逻辑功能触发器的逻辑功能第58页/共59页感谢您的观看！第59页/共59页