数字电子技术基础-第5章.ppt
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1、第5章 触发器 第第5章章 触发器触发器 5.1 基本基本RS触发器触发器 5.2 时钟控制的触发器时钟控制的触发器 5.3 集成触发器集成触发器 5.4 触发器的逻辑符号及时序图触发器的逻辑符号及时序图 第5章 触发器 5.1 基本基本RS触发器触发器 5.1.1 电路结构和工作原理电路结构和工作原理 图51基本RS触发器第5章 触发器 基本RS触发器是构成各种功能触发器的基本单元,所以称为基本触发器。它可以用两个与非门或两个或非门交叉耦合构成。图5-1(a)是用两个与非门构成的基本RS触发器,它有两个互补输出端Q和Q,一般用Q端的逻辑值来表示触发器的状态。Q=1,Q=0时,称触发器处于1状
2、态;Q=0,Q=1时,称触发器处于0状态。RD、SD为触发器的两个输入端(或称激励端)。当输入信号RD、SD不变化(即RDSD=11)时,该触发器必定处于Q=1或Q=0的某一状态保持不变,所以它是具有两个稳定状态的双稳态触发器。第5章 触发器 当输入信号变化时,触发器可以从一个稳定状态转换到另一个稳定状态。我们把输入信号作用前的触发器状态称为现在状态(简称现态),用Qn和Qn(或Q、Q)表示,把在输入信号作用后触发器所进入的状态称为下一状态(简称次态),用Qn+1和Qn+1表示。因此根据图5-1(a)电路中的与非逻辑关系,可以得出以下结果:当RD=0,SD=1时,无论触发器原来处于什么状态,其
3、次态一定为0,即Qn+1=0,Qn+1=1,称触发器处于置0(复位)状态。当RD=1,SD=0时,无论触发器原来处于什么状态,其次态一定为1,即Qn+1=1,Qn+1=0,称触发器处于置1(置位)状态。第5章 触发器 当RD=1,SD=1时,触发器状态不变,即Qn+1=Qn,Qn+1=Qn,称触发器处于保持(记忆)状态。当RD=0,SD=0时,两个与非门输出均为1(高电平),此时破坏了触发器的互补输出关系,而且当RD、SD同时从0变化为1时,由于门的延迟时间不一致,使触发器的次态不确定,即Qn+1=,这种情况是不允许的。因此规定输入信号RD、SD不能同时为0,它们应遵循RD+SD=1的约束条件
4、。第5章 触发器 从以上分析可见,基本RS触发器具有置0、置1和保持的逻辑功能,通常SD称为置1端或置位(SET)端,RD称为置0或复位(RESET)端,因此该触发器又称为置位复位(SetReset)触发器或RDSD触发器,其逻辑符号如图5-1(b)所示。因为它是以RD和SD为低电平时被清0和置1的,所以称RD、SD低电平有效,且在图5-1(b)中RD、SD的输入端加有小圆圈。第5章 触发器 5.1.2 基本基本RS触发器的功能描述方法触发器的功能描述方法 1.状态转移真值表状态转移真值表(状态表状态表)将触发器的次态Qn+1与现态Qn、输入信号之间的逻辑关系用表格形式表示出来,这种表格就称为
5、状态转移真值表,简称状态表。根据以上分析,图5-1(a)基本RS触发器的状态转移真值表如表5-1(a)所示,表5-1(b)是它的简化表。它们与组合电路的真值表相似,不同的是触发器的次态Qn+1不仅与输入信号有关,还与它的现态Qn有关,这正体现了时序电路的特点。第5章 触发器 表51基本RS触发器状态表第5章 触发器 图52次态卡诺图第5章 触发器 2.特征方程特征方程(状态方程状态方程)描述触发器逻辑功能的函数表达式称为特征方程或状态方程。对图5-2次态卡诺图化简,可以求得基本RS触发器的特征方程为(约束条件)特征方程中的约束条件表示RD和SD不允许同时为0,即RD和SD总有一个为1。第5章
6、触发器 3.状态转移图状态转移图(状态图状态图)与激励表与激励表状态转移图是用图形方式来描述触发器的状态转移规律。图5-3为基本RS触发器的状态转移图。图中两个圆圈分别表示触发器的两个稳定状态,箭头表示在输入信号作用下状态转移的方向,箭头旁的标注表示转移条件。激励表(也称驱动表)是表示触发器由当前状态Qn转至确定的下一状态Qn+1时,对输入信号的要求。基本RS触发器的激励表如表5-2所示。第5章 触发器 图53基本RS触发器的状态图第5章 触发器 表52基本RS触发器的激励表Qn Q n+1RDSD00011011110011第5章 触发器 4.波形图波形图 工作波形图又称时序图,它反映了触发
7、器的输出状态随时间和输入信号变化的规律,是实验中可观察到的波形。图54基本RS触发器波形图第5章 触发器 5.2 时钟控制的触发器时钟控制的触发器 5.2.1 钟控钟控RS触发器触发器 钟控RS触发器是在基本RS触发器基础上加两个与非门构成的,其逻辑电路及逻辑符号分别如图5-5(a)、(b)所示。图中C、D门构成触发引导电路,R为置0端,S为置1端,CP为时钟输入端。从图5-5(a)看出,其中基本RS触发器的输入函数为第5章 触发器 第5章 触发器 当CP=0时,C、D门被封锁,RD=1,SD=1,由基本RS触发器功能可知,触发器状态维持不变。当CP=1时,RD=R,SD=S,触发器状态将发生
8、转移。将RD、SD代入基本RS触发器的特征方程式(5-1)中,可得出钟控RS触发器的特征方程为(约束条件)其中RS=0表示R与S不能同时为1。该方程表明当CP=1时,钟控RS触发器的状态按式(5-2)转移,即时钟信号为1时才允许外输入信号起作用。(5-2)第5章 触发器 同理还可得出CP=1时,钟控RS触发器的状态转移真值表、激励表分别如表5-3和表5-4所示,状态转移图、时序图分别如图5-6(a)、(b)所示。钟控RS触发器是在R和S分别为1时清“0”和置“1”,称为R、S高电平有效,所以逻辑符号的R、S输入端不加小圆圈。表53钟控RS触发器状态转移真值表R SQn+100011011Qn1
9、01.第5章 触发器 表54钟控RS触发器激励表Qn Qn+1RDSD00011011101100第5章 触发器 图56钟控RS触发器的状态图和波形图(a)状态转移图;(b)时序波形第5章 触发器 5.2.2 钟控钟控D触发器触发器 为了解决R、S之间有约束问题,可以将图5-5(a)钟控RS触发器的R端接至D门的输出端,并将S改为D,便构成了图5-7(a)所示的钟控D触发器,其逻辑符号如图5-7(b)所示。图5-7(a)中,门A和B组成基本触发器,门C和D组成触发引导门。基本触发器的输入为当CP=0时,SD=1,RD=1,触发器状态维持不变。第5章 触发器 当CP=1时,SD=D,RD=D,代
10、入基本RS触发器的特征方程得出钟控D触发器的特征方程为同理,可以得出钟控D触发器在CP=1时的状态转移真值表(表5-5)、激励表(表5-6)和状态图(图5-8)。钟控D触发器在时钟作用下,其次态Qn+1始终和D输入一致,因此常把它称为数据锁存器或延迟(Delay)触发器。由于D触发器的功能和结构都很简单,因此目前得到普遍应用。第5章 触发器 图5-7D触发器(a)逻辑电路;(b)逻辑符号第5章 触发器 图5-8D触发器状态图第5章 触发器 表55D触发器状态转移真值表DQn+10101 Qn Qn+1D000110110101表表 5 6 触发器激励表触发器激励表 第5章 触发器 5.2.3
11、钟控钟控T触发器和触发器和T触发器触发器 钟控T触发器的逻辑电路及符号分别如图5-9(a)、(b)所示。从图中看出,它是将钟控RS触发器的互补输出Q和Q分别接至原来的R和S输入端,并在触发引导门的输入端加T输入信号而构成的。这时等效的R、S输入信号为由于Qn和Qn互补,它不可能出现SR=11的情况,因此这种结构也解决了R、S之间的约束问题。第5章 触发器 图59T触发器(a)逻辑电路;(b)逻辑符号第5章 触发器 由图5-9(a)可见:当CP=0时,SD=1,RD=1,触发器状态维持不变。当CP=1时,代入基本RS触发器的特征方程得出钟控T触发器的特征方程为第5章 触发器 表表 5-9 JK触
12、发器状态转移真值表触发器状态转移真值表 J KQn+100011011Qn01Qn表5-10JK触发器激励表 Qn Qn+1J K000110110110第5章 触发器 第5章 触发器 第5章 触发器 图5-12JK触发器状态图第5章 触发器 图5-13JK触发器转换为其它触发器第5章 触发器 5.2.5 电位触发方式的工作特点电位触发方式的工作特点 电位触发方式的特点是,在约定钟控信号电平(CP=1或0)期间,触发器的状态对输入信号敏感,输入信号的变化都会引起触发器的状态变化。而在非约定钟控信号电平(CP=0)期间,不论输入信号如何变化,都不会影响输出,触发器的状态维持不变。但是必须指出,这
13、种电位触发方式,对于T触发器,其状态转移为,当在CP=1且脉冲宽度较宽时,T触发器将在CP=1的期间一直发生翻转,直至CP=0为止,这种现象称为空翻。第5章 触发器 如果要求每来一个CP触发器仅发生一次翻转,则对钟控信号约定电平(通常CP=1)的宽度要求是极为苛刻的。例如,对T触发器必须要求触发器输出端的新状态返回到输入端之前,CP应回到低电平,就是CP的宽度tCP不能大于3tpd,而为了保证触发器能可靠翻转,至少在第一次翻转过程中,CP应保持在高电平,亦即宽度不应小于2tpd,因此CP的宽度应限制在2tpdtCP3tpd范围内。但TTL门电路的传输时间tpd通常在50ns以内,产生或传送这样
14、的脉冲很困难,尤其是每个门的延迟时间tpd各不相同。因此在一个包括许多触发器的数字系统中,实际上无法确定时钟脉冲应有的宽度。所以,为了避免空翻现象,必须对以上的钟控触发器在电路结构上加以改进。第5章 触发器 5.3 集集 成成 触触 发发 器器 5.3.1 主从触发器主从触发器 图5-14主从触发器框图第5章 触发器 1.主从主从JK触发器工作原理触发器工作原理主从JK触发器电路如图5-15所示。它由两个钟控RS触发器构成,其中1门4门组成从触发器,5门8门组成主触发器。当CP=1时,CP=0,从触发器被封锁,输出状态不变化。此时主触发器输入门打开,接收J、K输入信息,代入式(5-1)得出状态
15、方程为(5-7)第5章 触发器 图5-15主从JK触发器第5章 触发器 当CP=0时,CP=1,主触发器被封锁,输入J、K的变化不会引起主触发器状态变化;从触发器输入门被打开,从触发器按照主触发器的状态(即主触发器维持在CP下降沿前一瞬间的状态)翻转,其中:则即将主触发器的状态转移到从触发器的输出端,从触发器的状态和主触发器一致。将主代入式(5-7)可得第5章 触发器 这就是主从JK触发器的状态方程,说明CP=1时,可按JK触发器的特性来决定主触发器的状态,然后在CP下降沿(10时)从触发器的输出才改变一次状态。综上所述,主从JK触发器防止了空翻,其工作特点是:输出状态变化的时刻在时钟的下降沿
16、。输出状态如何变化,则由时钟CP下降沿到来前一瞬间的J、K值按JK触发器的特征方程来决定。第5章 触发器 2.主从主从JK触发器的一次翻转触发器的一次翻转 主从JK触发器虽然防止了空翻现象,但还存在一次翻转现象,可能会使触发器产生错误动作,因而限制了它的使用。所谓一次翻转现象是指在CP=1期间,主触发器接收了输入激励信号发生一次翻转后,主触发器状态就一直保持不变,它不再随输入激励信号J、K的变化而变化。第5章 触发器 例如,设,如果在CP=1期间J、K发生了多次变化,如图5-16所示。其中第一次变化发生在t1,此时J=K=1,从触发器输出Qn=0,因而RD主=KQn=1,从而主触发器发生一次翻
17、转,即。在t2瞬间,J=0,K=1,,主触发器状态不变。由于CP=1期间Qn=0,图5-15中7门一直被封锁,RD主=1,因此t3时刻K变化不起作用,一直保持不变。当CP下降沿来到时,从触发器的状态为。这就是一次翻转情况,它和CP下降沿来到时由当时的J、K值(J=0,K=1)所确定的状态Qn+1=0不一致,即一次翻转会使触发器产生错误动作。第5章 触发器 图5-16主从JK触发器的一次翻转第5章 触发器 若是在CP=1时,J、K信号发生了变化,就不能根据CP下降沿时的J、K值来决定输出Q。这时可按以下方法来处理:若CP=1以前Q=0,则从CP的上升沿时刻起J、K信号出现使Q变为1的组合,即JK
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