第五章锁存器和触发器

第五章锁存器和触发器第十五讲教学内容：①基本RS触发器的构成及其工作原理；②时钟控制触发器的应用点及其工作原理；③主从触发器和边沿触发器的构成及JK触发器和D触发器的应用。教学要求：①掌握两器件的工作原理；②熟悉两器件的应用。教学难点：①主从触发器和边沿触发器的构成特点及其工作原理；②JK触发器和D触发器的应用。这一章，介绍一种新的逻辑部件--触发器。触发器的“新”在于它具有“记忆”功能，它是构成时序逻辑电路的基本单元。本章首先介绍基本RS触发器的组成原理、特点和逻辑功能。然后引出能够防止“空翻”现象的主从触发器和边沿触发器。同时，较详细地讨论RS触发器、JK触发器、D触发器、T触发器、T＇触发器的逻辑功能及其描述方法。最后，通过一个实例帮你进一步体会触发器的“记忆”功能。5.1基本触发器一．基本RS触发器1．用与非门组成的基本RS触发器（1）电路结构。由两个与非门的输入输出端交叉耦合。它与组合电路的根本区别在于，电路中有反馈线。&&GG12(a)(b)RRSSQQQQ图5.1.1与非门组成的基本RS触发器（a）逻辑图（b）逻辑符号它有二个输入端R、S，有两个输出端Q、Q。一般情况下，Q、Q是互补的。定义：当Q＝1，Q＝0时，称为触发器的1状态；当Q＝0，Q＝1时，称为触发器的0状态。（2）逻辑功能表。RSQnQn+1功能说明000001××不稳定状态01010100置0（复位）10100111置1（置位）11110101保持原状态可见，触发器的新状态Qn+1（也称次态）不仅与输入状态有关，也与触发器原来的状态Qn（也称现态或初态）有关。触发器的特点：①有两个互补的输出端，有两个稳态。②有复位（Q=0）、置位（Q=1）、保持原状态三种功能。③R为复位输入端，S为置位输入端，该电路为低电平有效。④由于反馈线的存在，无论是复位还是置位，有效信号只须作用很短的一段时间。即“一触即发”。（3）波形分析。例5.1.1用与非门组成的基本RS触发器如图5.1.1（a）所示，设初始状态为0，已知输入R、S的波形图如图5.1.2，画出输出Q、Q的波形图。解：由表5.1.1可画出输出Q、Q的波形如图5.1.2所示。图中虚线所示为考虑门电路的延迟时间的情况。图5.1.2例5.1.1波形图2．用或非门组成的基本RS触发器（自学）综上所述，基本RS触发器具有复位（Q=0）、置位（Q=1）、保持原状态三种功能，R为复位输入端，S为置位输入端，可以是低电平有效，也可以是高电平有效，取决于触发器的结构。二．同步RS触发器在实际应用中，触发器的工作状态不仅要由R、S端的信号来决定，而且还希望触发器按一定的节拍翻转。为此，给触发器加一个时钟控制端CP，只有在CP端上出现时钟脉冲时，触发器的状态才能变化。具有时钟脉冲控制的触发器状态的改变与时钟脉冲同步，所以称为同步触发器。1．同步RS触发器的电路结构2．逻辑功能当CP＝0时，控制门G3、G4关闭，都输出1。这时，不管R端和S端的信号如何变化，RSQQt2pdtpd触发器的状态保持不变。当CP＝1时，G3、G4打开，R、S端的输入信号才能通过这两个门，使基本RS触发器的状态翻转，其输出状态由R、S端的输入信号决定。见表5.1.3。&&CPQQ1S1RC13G4GCP(a)(b)&&GQ1GQ2SR图5.1.5同步RS触发器（a）逻辑图（b）逻辑符号表5.1.3同步RS触发器的功能表RSQnQn+1功能说明00000101保持原状态01010111输出状态与S状态相同10100100输出状态与S状态相同111101××输出状态不稳定由此可以看出，同步RS触发器的状态转换分别由R、S和CP控制，其中，R、S控制状态转换的方向，即转换为何种次态；CP控制状态转换的时刻，即何时发生转换。3．触发器功能的几种表示方法（1）特性方程。触发器次态Qn+1与输入状态R、S及现态Qn之间关系的逻辑表达式称为触发器的特性方程。根据表5.1.3可画出同步RS触发器Qn+1的卡诺图，如图5.1.6所示。由此可得同步RS触发器的特性方程为：nnQRSQ1RS=0（约束条件）（2）状态转换图状态转换图表示触发器从一个状态变化到另一个状态或保持原状不变时，对输入信号的要求。图5.1.6同步RS触发器Qn+1的卡诺图图5.1.7同步RS触发器的状态转换图（3）驱动表驱动表是用表格的方式表示触发器从一个状态变化到另一个状态或保持原状态不变时，对输入信号的要求。表5.1.4所示是根据表5.1.3画出的同步RS触发器的驱动表。驱动表对时序逻辑电路的设计是很有用的。（4）波形图触发器的功能也可以用输入输出波形图直观地表示出来，图5.1.8所示为同步RS触发器的波形图。CPRQQS图5.1.8同步RS触发器的波形图4．同步触发器存在的问题——空翻在一个时钟周期的整个高电平期间或整个低电平期间都能接收输入信号并改变状态的触发方式称为电平触发。由此引起的在一个时钟脉冲周期中，触发器发生多次翻转的现象叫做空翻。空翻是一种有害的现象，它使得时序电路不能按时钟节拍工作，造成系统的误动作。造成空翻现象的原因是同步触发器结构的不完善，下面将讨论的几种无空翻的触发器，都是从结构上采取措施，从而克服了空翻现象。10110×0×R010001111001R=S=01R=S=10R=S=×0R=S=0×n+1QQnS5.2主从触发器主从触发器由两级触发器构成，其中一级直接接收输入信号，称为主触发器，另一级接收主触发器的输出信号，称为从触发器。两级触发器的时钟信号互补，从而有效地克服了空翻。一．主从RS触发器1．电路结构&&QQ1S1RC13G4GCP(b)G8GCP7&G&G6&5&19G主触发器从触发器''┌┌(a)&&GG12QQQQRS图5.2.1主从RS触发器（a）逻辑图（b）逻辑符号2．工作原理主从触发器的触发翻转分为两个节拍：(1)当CP＝1时，CP’＝0，从触发器被封锁，保持原状态不变。这时，G7、G8打开，主触发器工作，接收R和S端的输入信号。（2）当CP由1跃变到0时，即CP=0、CP’＝1。主触发器被封锁，输入信号R、S不再影响主触发器的状态。而这时，由于CP’＝1，G3、G4打开，从触发器接收主触发器输出端的状态。由上分析可知，主从触发器的翻转是在CP由1变0时刻（CP下降沿）发生的，CP一旦变为0后，主触发器被封锁，其状态不再受R、S影响，故主从触发器对输入信号的敏感时间大大缩短，只在CP由1变0的时刻触发翻转，因此不会有空翻现象。二．主从JK触发器1．电路结构RS触发器的特性方程中有一约束条件SR=0，即在工作时，不允许输入信号R、S同时为1。这一约束条件使得RS触发器在使用时，有时感觉不方便。如何解决这一问题呢？我们注意到，触发器的两个输出端Q、Q在正常工作时是互补的，即一个为1，另一个一定为0。因此，如果把这两个信号通过两根反馈线分别引到输入端的G7、G8门，就一定有一个门被封锁，这时，就不怕输入信号同时为1了。这就是主从JK触发器的构成思路。CPG4GQ1J1KQ(b)3C1&G&G2&1&&7G&56&CP8&GGG19G''┌┌(a)触从器发主触发器QQQQJK图5.2.2主从JK触发器（a）逻辑图（b）逻辑符号在主从RS触发器的基础上增加两根反馈线，一根从Q端引到G7门的输入端，一根从Q端引到G8门的输入端，并把原来的S端改为J端，把原来的R端改为K端。2．逻辑功能JK触发器的逻辑功能与RS触发器的逻辑功能基本相同，不同之处是JK触发器没有约束条件，在J=K=1时，每输入一个时钟脉冲后，触发器向相反的状态翻转一次。表5.2.1为JK触发器的功能表。根据表5.2.1可画出JK触发器Qn+1的卡诺图，如图5.2.3所示。由此可得JK触发器的特性方程为：nnnQKQJQ1表5.2.1同步JK触发器的功能表JKQnQn+1功能说明00000101保持原状态01010100输出状态与J状态相同10100111输出状态与J状态相同11110110每输入一个脉冲输出状态改变一次JK触发器的状态转换图如图5.2.4所示。JJ=QQK=0100K11n001111101000n+1100×K=1×J=J=K=×J=K=0×1