5触发器的电路结构与工作原理

5.1触发器的电路结构与工作原理5.2触发器的功能教学基本要求:1、熟练掌握不同结构触发器的工作原理及其触发方式。2、熟练掌握不同功能的触发器的逻辑功能。3、正确理解触发器的脉冲工作特性。1.从电路结构形式的角度，要求熟练掌握各触发器的动作特点，如果给出输入波形，要求能够正确地画出输出波形。2.从逻辑功能的角度，要求熟练掌握各触发器的逻辑符号（含义）、特性表、特性方程及状态转换图。同样，如果给出输入波形，要求能够正确地画出输出波形。教学重点:3.建立起两个概念：①现态和次态的概念；②触发器的逻辑功能和电路结构并没有固定的对应关系。教学重点:现态：触发器接收输入信号之前的状态，叫做现态，用Qn表示。次态：触发器接收输入信号之后的状态，叫做次态，用Qn+1表示。触发器次态输出Qn+1与现态Qn和输入信号之间的逻辑关系，是贯穿本章始终的基本问题。如何获得、描述和理解这种逻辑关系，是本章学习的中心任务。5.1触发器的电路结构与工作原理5.2集成触发器5.3触发器功能的转换5.4触发器“记忆”功能的举例本章讲授思路：1、时序逻辑电路：数字电路中除组合逻辑电路外，还包括另一类具有记忆功能的电路-----时序逻辑电路。时序逻辑电路任意时刻的输出状态不仅与该当前的输入信号有关，而且与此前电路的状态有关。2、触发器：触发器是构成时序逻辑电路的基本逻辑单元。概述能够存储一位二值信息的基本单元电路基本概念触发器特点：1.具有两个能够自行保持的稳定状态，用来表示逻辑状态0和12.根据不同的输入信号，可将输出置成0或1。3.输入信号消失后，能将获得的状态保存下来。重点：触发器外部逻辑功能、触发方式。我们在学习过程中，只需了解各种触发器的基本工作原理，但要重点掌握它们的逻辑功能，以便能正确使用它们。3、触发器的分类按电路结构分：基本RS触发器同步RS触发器主从触发器边沿触发器按逻辑特性分：RS触发器：置0、置1、保持、不定JK触发器：置0、置1、计数、保持D触发器：置0、置1T触发器：计数、保持时钟触发器概述5.1触发器的电路结构与工作原理5.1.1基本RS触发器5.1.2同步RS触发器5.1.3主从触发器5.1.4边沿触发器5.1.1基本RS触发器S&QQ&RG1G2SQQR反馈输入端输出端由两个与非门组成逻辑符号1.电路结构与逻辑符号各种触发器组成的基本单元电路触发器由逻辑门加反馈电路构成，电路有两个互补的输出端Q和,其中Q的状态称为触发器的状态。Q2、工作原理S&QQ&RG1G21)无有效电平输入（S=R=1）时，触发器保持稳定状态不变11S&QQ&RG1G2若初态Qn=1若初态Qn=0101010115.1.1基本RS触发器触发器保持原有状态不变，即原来的状态被触发器存储起来，这体现了触发器具有记忆能力。S&QQ&RG1G22)在有效电平作用下（S=0、R=1），无论初态Qn为0或1，触发器都会转变为1态。01S&QQ&RG1G2若初态Qn=1若初态Qn=01010101105.1.1基本RS触发器2、工作原理这种情况称将触发器置1或置位。S端称为触发器的置1端或置位端。S&QQ&RG1G23)在有效电平作用下（S=1、R=0），无论初态Qn为0或1，触发器都会转变为0态。10初态Qn=xx105.1.1基本RS触发器这种情况称将触发器置0或复位。R端称为触发器的置0端或复位端。2、工作原理4)当（S=0、R=0）时，无论初态Qn为0或1，触发器状态不定。S&QQ&RG1G200初态Qn=x115.1.1基本RS触发器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RS触发器的约束条件。此状态为不定状态。为避免不定状态，对输入信号应加S+R=1的约束条件。2、工作原理3、触发方式S&QQ&RG1G2011010置1端置0端基本触发器的触发方式属电平触发。5.1.1基本RS触发器SR110011110101011110001010000不定001不定4、逻辑功能逻辑功能表nQ1nQR+S=1保持置1置零不定5.1.1基本RS触发器触发器的新状态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。5.1.1基本RS触发器特点：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”。4、逻辑功能画工作波形的方法：1.根据触发器动作特征确定状态变化的时刻；2.根据触发器的逻辑功能确定Qn+1。SRQQ不定011101110111011100不定不变不定置1不变置1不变置0不变工作波形能直观地表示其输入信号与输出的时序关系。5.1.1基本RS触发器4、逻辑功能5.1.1基本RS触发器5.用或非门实现的基本RS触发器（a）逻辑图SRQQG1G2≥1≥1QQSR（b）逻辑符号输入高电平有效由逻辑图可得逻辑表达式为：QRQQSQ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。6、应用举例例1用基本RS触发器和与非门构成四位二进制数码寄存器。D3D2D1D0&&&&RSRSRSRSFF3FF2FF1FF0Q3Q2Q1Q0CrLD置数输入置0输入数码输出数码输入高电平有效低电平有效5.1.1基本RS触发器数码输入数码输出置数控制（LD）清零输入（Cr）D3D2D1D0&&&&RSRSRSRSFF3FF2FF1FF0Q3Q2Q1Q0CrLD置数输入置0输入数码输出数码输入工作原理：第一步：清零过程001不变置0S=1R=0S=1R=1111110000R=1置1Qi=1不变Qi=0第二步：置数过程Qi=DiD3D2D1D0S=Di当S=Di=0当S=Di=1101111不变S=1R=1保持为0置数前先清零5.1.1基本RS触发器例2消除机械开关振动引起的抖动现象(a)(b)+5VR1kvovoS+5V1kAB&&QQ+5VS由B到AS由A到BABQSRS接BS接A悬空时间S接A振动S悬空时间接B振动SR5.1.1基本RS触发器基本RS触发器存在的问题：•由与非门组成的基本RS触发器可以实现记忆元件的功能，但是当RS端从“00”变化到“11”时，触发器的下一个状态不能确定，在使用中要加以约束，给使用带来不便。•由或非门组成的基本RS触发器同样存在这一问题。因此，要对触发器的输入加以控制。•实际应用的触发器是电平型或脉冲型触发器，电路的抗干扰能力差。5.1.1基本RS触发器5.1.2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。5.1.2同步RS触发器SCPR&&&&G3G1G2G4Q4Q3QQ1SC11RQQCP逻辑符号电路结构1、电路结构及逻辑符号电路结构：由基本RS触发器和时钟脉冲控制门电路组成。基本RS触发器输入控制电路2、工作原理SCPR&&&&G3G1G2G4Q4Q3QQ•S=0，R=0：Qn+1=Qn•S=1，R=0：Qn+1=1•S=0，R=1：Qn+1=0•S=1，R=1：Qn+1=ФCP=1：CP=0：状态不变01&&&&3、触发方式：为时钟高电平触发方式。状态发生变化。5.1.2同步RS触发器同步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；CP控制状态转换的时刻。3、触发器功能的几种表示方法1)逻辑功能表（CP=1）nQ10000SRQnQn+1说明000001状态不变001101状态同S110001状态同S111101－－状态不定1115.1.2同步RS触发器-触发器功能的几种表示方法RS触发器次态卡诺图2)特性方程010011××S1RQn00001111010nnQSRQSR（约束条件）5.1.2同步RS触发器-触发器功能的几种表示方法触发器次态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。3)状态转换图10S=0R=1S=1R=0S=xR=0S=0R=x逻辑功能表nQ10000SRQnQn+1说明000001状态不变001101状态同S110001状态同S111101－－状态不定111任何电路结构的RS触发器都有与此相同的功能表、特性方程及状态转换图。5.1.2同步RS触发器-触发器功能的几种表示方法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。5）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CPSRQSRQn+100Qn01010111Ф同步RS触发器真值表在CP为低电平期间，触发器的状态不变。在CP为高电平期间，R、S信号影响触发器的状态。5.1.2同步RS触发器-触发器功能的几种表示方法4、时序电路分析举例例1同步RS触发器及逻辑门组成的时序电路及输入CP、D端波形如图所示，设触发器初态为0，试画出触发器Q端的输出电压波形。〔同步D锁存器（或称双稳态锁存器），适用于单端输入信号的场合。〕1D1SQQ1RCPDCPQC1解：同步RS触发器S=D，R=D,电路只有置0、置1两种逻辑功能。S(R)5.1.2同步RS触发器5.同步RS触发器存在的问题：CPSRQ•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。5.1.2同步RS触发器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。SCPRG8G7G9G5G6&&&&&&&&1QQG3G1G2G4（1）电路结构和逻辑符号主触发器从触发器Q’Q’1SC11RQQ逻辑符号1、由两个同步RS触发器组成的主从触发器5.1.3主从触发器“┐”表示“延迟输出”直接接收输入信号接收主触发器的输出信号当CP=1时：CP=11110Q’和Q’的状态由S和R决定G7被打开G8被打开11Q和Q的状态保持不变5.1.3主从触发器（2）工作原理（内部原理分析）（2）工作原理1S1RC1┐┐1S1RC1┐┐1SRCPQQQQ主触发器从触发器当CP=1时两个同步RS触发器都是在CP=1时有效。主触发器根据S和R的状态翻转，而从触发器保持原来的状态不变。Q’和Q’的状态由S和R决定10有效电平无效电平5.1.3主从触发器Q和Q的状态保持不变1S1RC1┐┐1S1RC1┐┐1SRCPQQQQ主触发器从触发器当CP由1变0时无论S、R的状态如何改变，主触发器的状态不再改变。而此时从触发器按照与主触发器相同的状态翻转。1→00→1无效电平有效电平5.1.3主从触发器（2）工作原理Q和Q的状态按Q’和Q’的状态翻转Q’和Q’的状态不变1S1RC1┐┐1S1RC1┐┐1SRCPQQQQ主触发器从触发器当CP=0时主触发器被封锁，其状态保持不变；从触发器状态因受主触发器状态影响，此时主触发器状态不变，故从触发器状态也不会再变。0无效电平1有效电平Q’和Q’的状态不变Q和Q的状态也不变5.1.3主从触发器（2）工作原理（3）RS触发器功能分析1)特性方程01SRQRSQnn（约束条件）2)逻辑功能表nQ10000状态不定－－011111状态同S010011状态同