数电第五章锁存器触发器.ppt

第五章 锁存器&触发器 (Latch& FlipFlop) 1、定义和分类 2、锁存器的分析 3、触发器的分析,触发器（Flip-Flop）：能够存储一位二进制数字信号的基本单元电 路叫做触发器。 特点：具有“记忆”功能。 分析下面的电路：,当A0时，F=0 某一时刻，由于外界的干扰使得A信号 突然消失，此时，相当于A输入端悬空 由电路结构得：F=1。,干扰发生前后， F的输出值发生的变化，故该电路没有“记忆”功能,再看下面的电路：,当A0时，F0。 某一时刻，由于外界的干扰使得A信号突然消失，此时，相当于A输 入端悬空，但F端反馈回来的值仍然为0，由电路结构得：F=0。 说明该电路具有“记忆”功能。 其根本原因在于，该电路带有反馈。,触发器的分类： 按稳定工作状态分： 双稳态、单稳态和无稳态（多谐振荡器）触发器。 本章仅讨论双稳态触发器。,按结构分： 主从结构和边沿结构触发器。 本章仅讨论边沿触发器。,按逻辑功能分： RS、JK、D、T和T触发器。 本章重点讨论后四种。,顺序: 基本RS、 同步RS 、主从RS、 边沿D 、边沿JK,1、基本RS触发器 电路组成和逻辑符号 基本RS触发器有两种：由与非门构成的和由或非门构成的。 我们以前者为例：,输出端在正常情形下应是完全相反的两种逻辑状态，即两个稳态。 当Q=0时，称为“0态”；当Q=1时，称为“1态”。,逻辑功能分析：,A）当R=S=0时,1,1,可以保证门1的 输出值不变。,可以保证门2的 输出值不变。,此时，门1和2的 输出值均保持不 变，称为：触发 器的保持功能。,B）当S=0，R=1时,1,0,可以保证门1的输出值为0。,可以保证门2的输出值为1,1,此时，触发器的Q端始终输出低电平0，称为：触发器复位或触发器 清0。,C）当S=1，R=0时,1,0,可以保证门1的输出值为1。,可以保证门2的输出值为0,1,此时，触发器的Q端始终输出高电平1，称为：触发器置位或触发器 置1。,D）当S=R=1时,0,0,可以保证门1的输出值为1。,可以保证门2的输出值为1,1,此时，触发器的两个输出端都输出高电平1，出现逻辑混乱。 称为：不定状态。 此情形应尽量避免。,因此我们得到了基本RS触发器的功能表如下：,0 0 不定 0 1 置1 1 0 清0 1 1 保持,和 均为低电平有效，故：,称为：置1输入端或置位输入端,称为：清0输入端或复位输入端,如果我们规定触发器原来的状态称为“现态”（用Qn表示，简记为 Q），将触发器由于输入值的影响后的输出状态称为“次态”（用Qn+1 或Qn+1表示），可推导出基本RS触发器的真值表如下：,0 0 0 0 0 1,保持功能,X,X,0 1 0 0 1 1,置1功能,1,1,1 0 0 1 0 1,复位功能,0,0,1 1 0 1 1 1,不定,0,1,由真值表，利用卡诺图化简得：,0,X,1,0,1,1,X,0,考虑到要避免不定状态发生，（即R、S不能同时为1）故加上一个 约束条件：SR=0。所以，基本RS触发器的逻辑函数表达式（特征 方程）为：,由真值表还可以推导出触发器的状态变化情况，以图形表示时，称 为状态转换图，简称状态图。,图例,用圆圈表示触发器的状态，用箭头表示状态的变化方向，发生变化 的条件则按顺序标明在箭头旁边。,另外，若已知输入信号的波形，则可以作出触发器的波形图。如： 求在输入作用下的输出波形。,首先，将输入波形分段（作辅助线），再根据触发器的功能表作出 输出波形。,功能表：,1,2,3,4,5,6,7,8,9,第1段：输入为01，输出置1；,Q,第2段：输入为11，输出保持；,第3段：输入为01，输出置1；,第4段：输入为11，输出保持；,第5段：输入为10，输出清0；,第6段：输入为11，输出保持；,第7段：输入为01，输出置1；,第8段：输入为11，输出保持；,第9段：输入为01，输出置1；,然后作,的波形,00 不定；01置1；10清0；11保持。,D触发器,JK触发器同步JK触发器,由于RS触发器存在不定状态，所以应用时有局限性，为了克服这个问题，引入了JK触发器。,通过上面的分析，我们得知触发器的描述至少有下面的几种方法：,1、逻辑图,2、功能表,3、真值表,4、卡诺图,5、特征方程,6、状态图,7、波形图,2、同步RS触发器（钟控RS触发器）P276 基本RS触发器由输入信号的组合决定输出，实际中往往需要触发器 在某些特定时候（或时刻）才响应输入，因此，必须加入所谓的控 制信号，一般是时钟脉冲。 电路组成及元件符号,功能分析： A)在C=0期间，无论S和R为何值，G3和G4均输出1，此时为保持功能 B)在C=1期间，若SR=00，则G3和G4均输出1，触发器保持。 若SR=01，则G3输出1、G4输出0，触发器清0。 若SR=10，则G3输出0、G4输出1，触发器置1。 若SR=11，则G3和G4均输出0，触发器不定。,相当于在基本RS触发器前加入两个与 非门。只要分析得出这两个与非门的输 出，则根据基本RS触发器的功能就能 推导出同步RS触发器的功能了。,因此，可得出同步RS触发器的功能表：P276 S R Qn+1,0 0 保持 0 1 清0 1 0 置1 1 1 不定,进一步得出真值表,S R Qn Qn+1,0 0 0 0 0 1,0 1 0 0 1 1,1 0 0 1 0 1,1 1 0 1 1 1,保持,0,1,清0,0,0,置1,1,1,不定,X,X,再由真值表填卡诺图,R、S均为高电平有效，分 别称为：复位端和置位端,X,1,1,0,0,1,0,X,考虑到要避免不定状态发生，（即R、S不能同时为1）故加上一个 约束条件：SR=0。所以，基本RS触发器的逻辑函数表达式（特征 方程）为：,与基本RS触发器完全相同,下面，我们分析一下同步RS触发器的波形。,首先，按CP的值分段，当CP=0时，触发器状态保持；当CP=1时， 触发器的输出由当时的R、S决定。 若已知触发器的初值为0，则输出波形如下：,第1段：CP=0，保持。,1,2,3,4,5,6,7,8,9,Q,第2段：CP=1，R=S=0，保持。,第3段：CP=0，保持。,第4段：CP=1，R=0，S=1，置1。,第5段：CP=0，保持。,第6段：CP=1，R=1，S=0，清0。,第7段：CP=0，保持。,第8段：CP=1，R=S=1，不定。,第9段：CP=0，保持。,1、RS触发器,2、D触发器,3、JK 触发器,常用触发器：,CP=1期间有效,D触发器（D锁存器）同步D触发器,JK触发器同步JK触发器,CP=1期间有效,将S=JQn、R=KQn代入同步RS触发器的特性方程，得同步JK触发器的特性方程：,由于RS触发器存在不定状态，所以应用时有局限性，为了克服这个问题，引入了JK触发器。,工作原理,（1）接收输入信号过程 CP=1期间：主触发器控制门G7、G8打开，接收输入信号R、S，有： 从触发器控制门G3、G4封锁，其状态保持不变。,1,0,2、RS触发器主从RS触发器,0,1,特性方程,逻辑符号,电路特点,主从RS触发器采用主从控制结构，从根本上解决了输入信号直接控制的问题，具有CP1期间接收输入信号，CP下降沿到来时触发翻转的特点。但其仍然存在着约束问题，即在CP1期间，输入信号R和S不能同时为1。,3、JK触发器同步JK触发器,CP=1期间有效,由于RS触发器存在不定状态，所以应用时有局限性，为了克服这个问题，引入了JK触发器。,无论触发沿为何值，JK触发器的特征方程只有一个：,由特征方程，我们可以推导出JK触发器的功能表和真值表,功能表 J K Qn+1,0 0 0 1 1 0 1 1,保持,清0,置1,翻转,真值表 J K Qn Qn+1,0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1,保持,0,1,清0,0,0,置1,1,1,翻转,1,0,状态图,b)下降沿触发,a)上升沿触发,3、 JK触发器主从JK触发器&边沿JK触发器 对于主从触发器，触发时刻有两种情形：CP的上升沿（即由0变1 的时刻）和下降沿（即由1变0的时刻）。 其元件符号为：,对于边沿触发器，触发时刻有两种情形：CP的上升沿（即由0变1 的时刻）和下降沿（即由1变0的时刻）。 其元件符号为：,代入主从RS触发器的特性方程，即可得到主从JK触发器的特性方程：,将,主从JK触发器没有约束。,主从JK触发器,边沿JK触发器,集成边沿JK触发器,74LS112为CP下降沿触发。 CC4027为CP上升沿触发，且其异步输入端RD和SD为高电平有效。,注意,CP=1期间有效,4、D触发器（D锁存器）同步D触发器,对于边沿触发器，触发时刻有两种情形：CP的上升沿（即由0变1 的时刻）和下降沿（即由1变0的时刻）。 上面的符号分别与之对应，C端前带圈的为下降沿触发。,4、D触发器（D锁存器）边沿D触发器,边沿D触发器,工作原理,无论触发沿为何值，D触发器的特征方程只有一个：,由特征方程，我们可以推导出D触发器的功能表和真值表,功能表 D Qn+1,0 1,将输入值代入特征方程得：,清0,置1,真值表 D Qn Qn+1,0 0 0 1 1 0 1 1,0,0,清0,1,1,置1,状态图,集成边沿D触发器,注意：CC4013的异步输入端RD和SD为高电平有效。,5、T触发器 T触发器的输入端有两个：时钟脉冲输入端C，控制输入端T。 其元件符号为：,对于边沿触发器，触发时刻有两种情形：CP的上升沿（即由0变1 的时刻）和下降沿（即由1变0的时刻）。 上面的符号分别与之对应，C端前带圈的为下降沿触发。,无论触发沿为何值，T触发器的特征方程只有一个：,由特征方程，我们可以推导出D触发器的功能表和真值表,功能表 T Qn+1,0 1,将输入值代入特征方程得：,保持,翻转,真值表 T Qn Qn+1,0 0 0 1 1 0 1 1,0,1,保持,1,0,翻转,状态图,6、T触发器 将T触发器的T端接高电平即为T触发器。 T触发器的特征方程为：,其功能为： 每来一个触发脉冲，触发器的状态翻转一次。,1、各种触发器之间的相互转换,用待求触发器的输入表示现有触发器的输入信号，从而求出转换 电路。,1)、将JK触发器转换为RS、D、T和T触发器,2)、将D触发器转换为JK、T和T触发器,用JK触发器实现RS触发器功能。,用JK触发器实现D触发器功能。 分析：JK触发器是现有触发器，而D触发器为待求。 所以应求出用D来表示J、K的表达式。 解：比较两种触发器的特征方程得：,两式若要相等，则必有：,作图得：,D,用JK触发器实现T触发器功能。 分析：JK触发器是现有触发器，而T触发器为待求。 所以应求出用T来表示J、K的表达式。 解：比较两种触发器的特征方程得：,两式若要相等，则必有：,作图得：,T,用JK触发器实现T触发器功能。 分析：JK触发器是现有触发器，而T触发器为待求。 考虑到T触发器是将T触发器的T端置1得到，所以只要求出T触发 器，再令T1即可。 解：利用上题的结论得：,+Vcc,用D触发器实现JK触发器功能。 分析：D触发器是现有触发器，而JK触发器为待求。 所以应求出用J、K来表示D的表达式。 解：比较两种触发器的特征方程得：,两式若要相等，则必有：,作图得：,用D触发器实现T触发器功能。 分析：D触发器是现有触发器，而T触发器为待求。 所以应求出用T来表示D的表达式。 解：比较两种触发器的特征方程得：,两式若要相等，则必有：,作图得：,用D触发器实现T触发器功能。 分析：D触发器是现有触发器，而T触发器为待求。 先作出T触发器，再令T为1即得T触发器。 解：利用上题结论得：,用T触发器实现T触发器功能。 解：令T1即可，作图得：,2、触发器的波形分析 首先观察触发器的符号，确定其触发时刻。 其次写出触发器的驱动方程。 再将驱动方程代入其特征方程求出次态方程。 最后，根据处值、触发时刻和次态方程作触发器的输出波形。,已知各触发器的初态均为0，求作在CP作用下的触发器输出波形。,另外，无论哪一种触发器都存在一个问题： 在上电的瞬间，触发器的现态是不可预期的，即通电的一霎那，触 发器的初始状态可能是0态也可能是1态，那么对于分析电路就带来 了一定的麻烦，怎么解决？ 我们看P189图5.1.10。,在普通D触发器的基础上又设置了两个输入端：RD和SD。 当RD1，SD0时，无论D为何值均可保证触发器处于1态； 当RD0，SD1时，无论D为何值均可保证触发器处于0态。 故这两个输入端分别称为：异步清零和置位端（低电平有效）。,当然，其余类型的触发器也可以仿效来设置，所以触发器在应用时 一定要注意其初始化问题。,例：如图电路，设触发器的初态为1，求输出波形。,P211 作业5.2.9,1、同步RS触发器,CP1时，工作情况与基本RS触发器相同。,维 持 阻 塞 边 沿 D 触 发 器,