1、1 第5章触发器 A类 5学时B类 3学时 2 目录 5 1概述5 2触发器的结构与工作原理5 3触发器工作特性5 4触发器的逻辑功能及相互转换5 5触发器应用举例5 6用MultiSim2001分析JK触发器 3 作业 5 3 5 7 5 9 5 12 5 13Q1 Q3 Q7 Q10 5 17 5 19 4 5 1概述 在数字系统中 不但要对数字信号进行算术运算和逻辑运算 而且需要将数据和运算结果等信息保存起来 这就需要具有记忆功能的逻辑单元 能够存储1位二进制数字信号的基本单元电路叫做触发器 触发器是构成各种复杂数字系统的基本逻辑单元 5 5 1概述 触发器的分类功能分类 RS型触发器J
2、K型触发器D型触发器T型触发器T 型触发器 6 结构分类 基本 RS 同步 RS 主从 RS JK 边沿 维持阻塞 CMOS边沿 7 5 2触发器的结构与工作原理 5 2 1基本RS触发器 1 电路组成 如图所示 两个与非门交叉耦合或首尾连接就构成了基本RS触发器 8 定义Q 1 Q 0为1状态 Q 0 Q l为0状态 为 直接 置位端或置1端 低电平有效 为 直接 复位端或置0端 低电平有效 2 工作原理 9 3 逻辑功能 1 置1功能当时 电路为置1状态 2 置0功能当时 电路为置0状态 3 保持功能当时 电路维持原状态 4 不定状态当时 Q Q 1 10 4 波形图 阴影部分表示不定状态
3、 11 为了以后分析方便 规定 触发器在接收信号之前所处的状态称为原态 初态 用Qn表示 触发器在接收信号之后建立的新的稳定状态 叫做次态 新态 用Qn 1表示 显然 触发器的次态Qn 1是由输入信号和原态Qn的取值情况所决定 12 特性表 特性方程 5 特性表 特性方程 1100 1111 1010 1000 0101 0111 0001 0011 SD RD Qn Qn 1 保持 置 0 置 1 不定 13 用与非门构成的基本RS触发器不定状态的说明SD RD 0时 Q Q 1 为不定状态当SD RD同时由0 1后 若SD变化快 Q 0 Q 1若RD变化快 Q 1 Q 0 所以为不定状态
4、14 6 或非门组成基本RS触发器 基本RS触发器也可以用两个或非门构成 其逻辑电路图和逻辑符号如下所示 其直接置位端和复位端高电平有效 输入高电平有效 15 用或非门组成的基本RS触发器的特性表 保持 置1 置0 不定 约束条件 SD RD 0 16 7 基本RS触发器动作特点 在任何时刻 输入都能直接改变输出的状态 例 习题5 3 根据输入波形画出状态输出波形 17 小结 分析触发器 置位和复位端及其有效状态 特性表 特性方程 动作特点 18 5 2 2同步RS触发器 在一个较复杂的数字系统中 当采用多个触发器时 往往要求各个触发器的翻转在时间上同步 因此需引入一个公用的同步信号 使这些触
5、发器只有在同步信号到达时才按输入信号改变输出状态 通常称此同步信号为时钟脉冲信号 简称时钟 用CP表示 ClockPulse 将具有时钟控制的触发器称为时钟触发器 亦称电平触发器 19 G1 G2组成基本RS触发器 G3 G4组成输入控制电路 1 同步RS触发器电路结构 逻辑符号 20 2 工作原理 异步置位端和异步复位端 可以不受CP脉冲的限制 完成置0和置l功能 CP时钟脉冲未到 即CP 0时 G3 G4门被封锁 无论S R端加什么信号它们输出全是1 触发器保持原来状态不变 在CP 1时 R S的变化才能引起触发器翻转 21 2 S 1 R 0 Qn 1 1 0 0 1 0 1 0 3 S
6、 0 R 1 Qn 1 0 4 S R 1 1 S R 0 Qn Qn 1 禁用 1 1 0 1 0 1 3 逻辑功能 当CP 1时 22 特性表 保持 保持 输入高电平有效 置1 置0 不定 CP高电平有效 Qn 1 Qn 1 1 23 4 动作特点 在CP 1的全部时间里S和R的变化 都将引起触发器输出端状态的变化 如果CP 1期间内输入信号多次发生变化 则触发器的状态也会发生多次翻转 这降低了电路的抗干扰能力 存在空翻问题 24 同一时钟脉冲作用期间 引起触发器发生两次以致多次翻转的现象 叫空翻 5 空翻现象 25 同步RS触发器存在空翻现象 为了提高抗干扰能力 克服空翻 希望一个CP脉
7、冲作用期间Q只改变一次 采用以下结构形式 主从型 边沿型 26 5 2 3主从触发器1 主从RS触发器 脉冲触发的触发器 1 电路组成由两个同样的同步RS触发器加一个反相器组成 构成主触发器和从触发器 主触发器 从触发器 27 2 工作原理 CP 1时 主触发器根据S R的状态翻转 从触发器保持原来的状态不变 CP从1返回0时 主触发器状态在CP 0期间不再改变 从触发器按照与主触发器相同的状态翻转 延迟输出 下降沿触发 28 3 逻辑功能 主从RS触发器和同步RS触发器的特性表相同 但工作时序不同 主从RS触发器在CP由1 0 下降沿 后根据CP 1期间S R的状态而改变状态 工作时序图见图
8、 29 4 特性表 主从RS触发器的特性表 保持 置1 置0 不定 CP回到低电平后输出状态不定 下降沿触发 30 4 工作时序图 阴影部分表示不定状态 31 32 2 主从JK触发器 在主从RS的触发器中 R S信号之间之所以有约束 当R S l时 触发器出现不定状态 主从JK触发器可以解决主从RS触发器对输入信号的约束问题 希望即使出现了S R 1的情况 触发器的次态也是确定的 因而需进一步改进触发器的电路结构 33 1 电路图 由主从RS触发器增加两条反馈线构成 下降沿有效 34 2 工作原理 CP 1时 主触发器根据J K状态而动作 从触发器保持 CP由1到0时 从触发器根据主触发器的
9、状态进行输出 35 当J K l时 可分两种情况来讨论 第一种情况是Qn 0 这时门G8被Q端的低电平封锁 CP 1时仅G7输出低电平信号 故主触发器置1 CP 0以后从触发器也跟着置1 即Qn 1 1 1 1 0 1 1 0 1 0 0 1 1 0 36 第二种情况是Qn 1 此情况与第一种情况刚好相反 CP 1时主触发器被置0 CP 0时从触发器跟着置0 故Qn 1 0 综上可知 当J K 1时 CP下降沿到达后触发器将翻转为与初态相反的状态 37 3 特性表 下降沿触发 38 4 时序图 在CP 1期间 如果输入波形未发生变化 则可根据下降沿时的输入信号来确定输出状态 39 在CP 1期
10、间 如果输入波形发生变化 则不能根据下降沿时的输入信号来确定输出状态 J K 0 输出应保持 但由于出现过J 1所以输出被置1 40 3 主从触发器动作特点 1 触发器的状态更新分两步动作 第一步 主触发器接收信号 使Q 改变 第二步 从触发器接收主触发器的状态 使Q改变 2 因为主触发器本身是一个同步RS触发器 电平触发器 所以在CP 1的全部时间里 输入信号都对主触发器起控制作用 41 5 2 4边沿触发器 为了进一步增强触发器的抗干扰能力 提高工作的可靠性 希望触发器的次态仅仅取决于CP的上升沿或下降沿到来时刻输入信号的状态 而在此之前的或之后输入信号状态的任何变化对触发器的次态都没有影
11、响 这种触发器即为边沿触发器 42 特点 触发器的次态仅仅取决于CP信号沿 上升沿或降沿 到达时刻输入信号的状态 CP信号沿之前和之后输入状态的变化对触发器的次态没有影响 提高了可靠性 增强了抗干扰能力 常用结构 维持阻塞结构的边沿触发器 利用CMOS传输门的边沿触发器 43 1 维持阻塞结构D触发器 自学 上升沿触发电路结构保证CP由低电平跳变为高电平后 无论D的状态如何改变 Q的状态只取决于D端上升沿的状态 44 2 利用CMOS传输门的边沿触发器 1 电路组成4个传输门 4个反相器组成主 从FF 但其与TTL主从FF的动作特点完全不同 TG1 3分别为主从触发器的门控 D为输入 45 2
12、 工作原理 传输门工作状态表 46 当CP 0时 TG1 TG4导通 TG2 TG3截止 主触发器接收D端的输入信号 使Qm D Qm D 且Qm随D而变化 从触发器由TG4反馈连接已形成基本RS触发器 保持原态当CP由0 1 上升沿 时 TG1 TG4由导通变为截止 TG2 TG3由截止变为导通 主触发器FF1构成了基本RS触发器 将CP上升沿到来前一瞬间D的状态存储起来 同时主 从触发器已连通 从触发器接收主触发器的状态 使Q Qm Q Qm 即Qn 1 D 47 边沿D触发器 图5 15 图5 19 特性表 特性方程 Qn 1 D 48 3 逻辑符号 为表示边沿触发器 前面无 表示上升沿
13、触发 有 表示下降沿触发 上升沿触发 49 3 带有异步置位端的D边沿触发器 逻辑符号 50 第4章4 2 触发器逻辑符号比较 CP CP CP CP 同步型 高电平工作 主从型 下降沿触发 边沿型 下降沿触发 边沿型 上升沿触发 51 5 3触发器的工作特性 自学 5 3 1触发器的脉冲工作特性建立时间保持时间CP脉冲宽度 52 5 3 2触发器的主要参数静态参数 1 电源电流 2 输入短路电流 3 输入漏电流 4 输出高 低电平2 动态参数 1 平均传输时间 2 最高时钟频率 53 5 4触发器的逻辑功能及相互转换 触发器还可按照逻辑功能的不同特点 把时钟控制的触发器分为RS触发器 JK触
14、发器 T触发器 T 触发器和D触发器等几种类型 触发器描述方法 特性表 特性方程 状态转换图 54 1 RS触发器 具有置0 置1 保持功能 2 特性方程 1 特性表 3 状态转换图 55 2 JK触发器 具有置0 置1 保持 翻转的全功能 1 特性表 3 状态转换图 2 特性方程 56 3 D触发器 Qn 1 D 1 特性表 3 状态转换图 2 特性方程 57 4 T触发器与T 触发器 1 T触发器 2 特性方程 1 特性表 3 状态转换图 58 T触发器逻辑符号 59 2 T 触发器 T触发器的输入端接至固定的高电平时 即T恒为1 构成T 触发器 仅具有计数功能 翻转功能 T 特性方程 T
15、触发器特性方程 60 5 4 2触发器逻辑功能的转换 将具有某种逻辑功能的触发器 在其输入端加一转换电路 组合逻辑电路 可完成另一待求FF的逻辑功能 通常采用触发器特性方程比较的方法进行设计 待求触发器 61 1 从D触发器到JK触发器的转换 比较两种触发器的特性方程 Qn 1 D 62 2 从D触发器到T触发器的转换 Qn 1 D 63 3 D触发器转换为T 触发器 Qn 1 D 64 4 从JK触发器到D触发器的转换 JK触发器的特性方程为Qn 1 JQn KQnD触发器的特性方程为Qn 1 D D Qn Qn DQn DQn 两个特性方程对比 得到 65 5 从JK触发器到T T 触发器的转换 若令T 1 即J K 1 则变为T 触发器 66 5 5触发器应用举例 例5 1设计一个举重裁判逻辑电路 67 5 6用Multisim2001分析JK触发器 分析74LS109双JK边沿触发器 68 仿真结果 69 基本要求 重点掌握 1 各种触发器 RS JK D T T 的逻辑功能及其描述方法 特性表 特性方程 2 基本RS 同步RS 主从 RS JK 边沿 D JK 触发器的动作特点 3 已知电路图及输入信号波形 写出电路的次态函数式并画输出信号波形 4 触发器的逻辑功能分类及其转换电路结构 只要求基本RS触发器和同步RS触发器
