1、第4章 觸發(fā)器第4章 觸發(fā)器4.1 4.1 概述概述 觸發(fā)器是一種典型的具有雙穩(wěn)態(tài)暫時(shí)存儲(chǔ)功能的器件。在各種復(fù)雜的數(shù)字電路中不但需要對二進(jìn)制信號(hào)進(jìn)行運(yùn)算，還需要將這些信號(hào)和運(yùn)算結(jié)果保存起來。為此，需要使用具有記憶功能的基本邏輯單元。能存儲(chǔ)一位二進(jìn)制的基本單元電路，稱為觸發(fā)器。第4章 觸發(fā)器4.2 4.2 基本基本RSRS觸發(fā)器觸發(fā)器4.2.1 4.2.1 電路組成電路組成 基本RS觸發(fā)器是一種最簡單的觸發(fā)器，是構(gòu)成各種觸發(fā)器的基礎(chǔ)。它由兩個(gè)“與非”門或者“或非”門相互耦合連接而成，如圖4.1所示，有兩個(gè)輸入端R和S；R為復(fù)位端，當(dāng)R有效時(shí)，Q變?yōu)?，故稱R為置“0”端；S為置位端，當(dāng)S有效時(shí)，

2、Q變?yōu)?，稱S為置“1”端；還有兩個(gè)互補(bǔ)輸出端 和 。QQ第4章 觸發(fā)器(a) 邏輯圖 (b) 邏輯符號(hào) (c) 邏輯符號(hào) 圖4.1 基本RS觸發(fā)器 第4章 觸發(fā)器4.2.2 功能分析功能分析 觸發(fā)器有兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。 為觸發(fā)器的原狀態(tài)(初態(tài))，即觸發(fā)信號(hào)輸入前的狀態(tài)； 為觸發(fā)器的現(xiàn)態(tài)(次態(tài))，即觸發(fā)信號(hào)輸入后的狀態(tài)。 其功能用狀態(tài)表、特征方程式、邏輯符號(hào)圖以及狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖、波形圖描述。nQ1nQ第4章 觸發(fā)器1. 狀態(tài)表如圖4.1(a)可知，有 ， 。從表4.1中可知，該觸發(fā)器有置“0”、置“1”功能。R與S均為低電平有效，可使觸發(fā)器的輸出狀態(tài)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的0或1。RS觸發(fā)器邏輯符號(hào)如圖4.1(b

3、)、(c)所示，圖中的兩個(gè)小圓圈表示輸入低電平有效。當(dāng)R、S均為低電平時(shí)有兩種情況：當(dāng)R=S=0， = =1，違反了互補(bǔ)關(guān)系；當(dāng)RS由00同時(shí)變?yōu)?1時(shí)，則 ( )輸出不能確定。1nQS Q1nnQR QQQQ Q第4章 觸發(fā)器第4章 觸發(fā)器2. 特性方程根據(jù)表4.1畫出卡諾圖如圖4.2所示，化簡得(4-1)1RS(約束條件)圖4.2 卡諾圖第4章 觸發(fā)器3. 狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖 如圖4.3所示，圖中圓圈表示狀態(tài)的個(gè)數(shù)，箭頭表示狀態(tài)轉(zhuǎn)換的方向，箭頭線上的標(biāo)注表示狀態(tài)轉(zhuǎn)換的條件。圖4.3 狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖 第4章 觸發(fā)器4. 波形圖 如圖4.4所示，畫圖時(shí)應(yīng)根據(jù)功能表來確定各個(gè)時(shí)間段 與 的狀態(tài)QQ圖4.4

4、波形第4章 觸發(fā)器綜上所述，基本RS觸發(fā)器具有以下特點(diǎn)： (1)它具有兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，分別為“1”和“0”，稱雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。(2) 給 和 端同時(shí)加負(fù)脈沖，在負(fù)脈沖存在期間，由于 、 端均為低電平，因此門1和門2輸出 和 均為高電平；在負(fù)脈沖同時(shí)消失(即 、 同時(shí)恢復(fù)高電平)后，觸發(fā)器的新態(tài)是“0”還是“1”，與門1、門2翻轉(zhuǎn)快慢有關(guān)，邏輯狀態(tài)不能確定，因此這種情況應(yīng)該避免。(3)“與非”門構(gòu)成的基本RS觸發(fā)器的功能，可簡化為表4.2所示的基本RS觸發(fā)器功能表。RSSRQQSR第4章 觸發(fā)器第4章 觸發(fā)器4.2.3 4.2.3 課題與實(shí)訓(xùn)：基本課題與實(shí)訓(xùn)：基本RSRS觸發(fā)器功能測試觸發(fā)器功能測試

5、1. 實(shí)訓(xùn)任務(wù)(1) “與非”門組成基本RS觸發(fā)器功能測試。(2) “或非”門組成基本RS觸發(fā)器功能測試。2. 實(shí)訓(xùn)要求(1) 掌握由“與非”門、“或非”門組成基本RS觸發(fā)器的邏輯功能。(2) 按照測試要求如表4.3、表4.4所示完成測試內(nèi)容。3. 實(shí)訓(xùn)設(shè)備及元器件(1) 數(shù)字電子技術(shù)學(xué)習(xí)機(jī)。 (2) CD4011、CD4001。第4章 觸發(fā)器4. 測試內(nèi)容 測試電路如圖4.5所示，由“與非”門和“或非”門組成基本RS觸發(fā)器。(a) “與非”門構(gòu)成基本RS觸發(fā)器 (b) “或非”門構(gòu)成基本RS觸發(fā)器 圖4.5 測試電路第4章 觸發(fā)器第4章 觸發(fā)器第4章 觸發(fā)器 4.3 4.3 同步觸發(fā)器同步觸

6、發(fā)器 4.3.1 4.3.1 同步同步RSRS觸發(fā)器觸發(fā)器 1. 電路組成 同步RS觸發(fā)器的電路組成如圖4.6所示。圖4.6中 、 是直接置0、置1端，用來設(shè)置觸發(fā)器的初狀態(tài)。 DRDS第4章 觸發(fā)器(a) 邏輯電路 (b) 邏輯符號(hào) 圖4.6 同步RS觸發(fā)器第4章 觸發(fā)器2. 功能分析 同步RS觸發(fā)器的邏輯電路圖和邏輯符號(hào)如圖4.6所示。當(dāng) =0, 時(shí)，Q與 保持不變；當(dāng) ， ， 代入基本RS觸發(fā)器的特征方程得：CP1RSQCP1CPRR CPSS 1nQSRQ0RS (約束條件)(4-2)功能表及狀態(tài)圖如表4.5和圖4.7所示。第4章 觸發(fā)器第4章 觸發(fā)器圖 4.7 狀態(tài)圖第4章 觸發(fā)器

7、同步RS觸發(fā)器的 、 、 均為高電平有效，觸發(fā)器狀態(tài)才能改變。與基本RS觸發(fā)器相比，對觸發(fā)器增加了時(shí)間控制，但其輸出的不定狀態(tài)直接影響觸發(fā)器的工作質(zhì)量。CPRS第4章 觸發(fā)器4.3.2 4.3.2 同步同步 JK JK 觸發(fā)器觸發(fā)器1. 電路組成 同步JK觸發(fā)器的電路組成如圖4.8所示。(a) 邏輯電路 (b) 邏輯符號(hào) 圖4.8 同步JK觸發(fā)器第4章 觸發(fā)器2. 功能分析按圖4.8(a)所示的邏輯電路，同步JK觸發(fā)器的功能分析如下：當(dāng) 時(shí)， ， ，觸發(fā)器的狀態(tài)保持不變。當(dāng) 時(shí)，將 ， 代入 , 可得即同步JK觸發(fā)器的特征方程為 (4-3)CP01RS1nnQQQCP1CPnnRK QK QC

8、PnSJ QJ Q1nnQSRQ1nnnnnnnQSRQJ QK Q QJ QKQ1nnnQJQKQ第4章 觸發(fā)器 在同步觸發(fā)器功能表基礎(chǔ)上，得到JK觸發(fā)器的狀態(tài)如圖4.9所示。 功能表如表4.6所示。圖4.9 狀態(tài)圖第4章 觸發(fā)器第4章 觸發(fā)器從表4.6中可知：(1) 當(dāng) ， 時(shí)， ，觸發(fā)器置“0”。 (2) 當(dāng) ， 時(shí)， ，觸發(fā)器置“1”。 (3) 當(dāng) ， 時(shí)， ，觸發(fā)器保持原狀態(tài)不變。 (4) 當(dāng) ， 時(shí)， ，觸發(fā)器和原來的狀態(tài)相反，稱翻轉(zhuǎn)或稱計(jì)數(shù)。0J 1K 1nnQJ QKQ1J 0K 1nnnQJ QKQ0J 0K 1nnQQ1J 1K 1nnQQ第4章 觸發(fā)器 計(jì)數(shù)就是每輸入一個(gè)

9、時(shí)鐘脈沖CP，觸發(fā)器的狀態(tài)變化一次，電路處于計(jì)數(shù)狀態(tài)，觸發(fā)器狀態(tài)翻轉(zhuǎn)的次數(shù)與CP脈沖輸入的個(gè)數(shù)相等，以翻轉(zhuǎn)的次數(shù)記錄CP的個(gè)數(shù)。波形如圖4.10所示。圖4.10 J=K=1波形第4章 觸發(fā)器4.3.3 4.3.3 同步同步D D觸發(fā)器觸發(fā)器1. 電路結(jié)構(gòu) 為了避免同步RS觸發(fā)器同時(shí)出現(xiàn)R和S都為1的情況，可在R和S之間接入非門，這種單輸入的觸發(fā)器稱為D觸發(fā)器，如圖4.11所示。2. 功能分析在CP=0時(shí)， ，觸發(fā)器的狀態(tài)保持不變。在CP=1時(shí)，如D=1時(shí)， =0，觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)到1狀態(tài)，即 ，如 時(shí)， ，觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)到0狀態(tài)，即 。由此列出同步D觸發(fā)器的特性表如表4.7所示。1nnQQD11nQ0D

10、 1D 10nQ第4章 觸發(fā)器(a) 邏輯電路 (b) 邏輯符號(hào) 圖4.11 同步D觸發(fā)器和邏輯符號(hào)第4章 觸發(fā)器 由功能表得出同步D觸發(fā)器的邏輯功能如下：當(dāng)CP由0變?yōu)?時(shí)，觸發(fā)器的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)到和D的狀態(tài)相同；當(dāng)CP由1變?yōu)?時(shí)，觸發(fā)器保持原狀態(tài)不變。第4章 觸發(fā)器根據(jù)表畫出D觸發(fā)器 的卡諾圖，如圖4.12所示。由該圖可得1nQ1nQD(4-4)圖4.12 同步D觸發(fā)器的卡諾圖第4章 觸發(fā)器由功能表得出D觸發(fā)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖4.13所示。圖4.13 同步D觸發(fā)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖 第4章 觸發(fā)器3. 同步觸發(fā)器的“空翻” 在CP為高電平1期間，如同步觸發(fā)器的輸入信號(hào)發(fā)生多次變化時(shí)，其輸出狀態(tài)也會(huì)相

11、應(yīng)發(fā)生多次變化，這種現(xiàn)象稱為觸發(fā)器的“空翻”。圖4.14所示為同步觸發(fā)器的“空翻”波形。圖4.14 同步D觸發(fā)器的“空翻”波形第4章 觸發(fā)器 4.4 4.4 邊沿觸發(fā)器邊沿觸發(fā)器 邊沿觸發(fā)器只有在時(shí)鐘脈沖CP上升沿或下降沿到來時(shí)刻接收輸入信號(hào)，這時(shí)電路才會(huì)根據(jù)輸入信號(hào)改變狀態(tài)，而在其他時(shí)間內(nèi)，電路的狀態(tài)不會(huì)發(fā)生變化，從而提高了觸發(fā)器的工作可靠性和抗干擾能力，它沒有“空翻”現(xiàn)象。4.4.1 4.4.1 邊沿邊沿JKJK觸發(fā)器觸發(fā)器1. 電路組成邊沿JK觸發(fā)器的邏輯電路和邏輯符號(hào)如圖4.15所示。第4章 觸發(fā)器(a) 邏輯電路 (b) 邏輯符號(hào) 圖4.15 邊沿JK觸發(fā)器第4章 觸發(fā)器2. 功能分

12、析 邊沿JK觸發(fā)器電路在工作時(shí)，要求其“與非”門G3、G4的平均延遲時(shí)間tpd1比“與或非”門構(gòu)成的基本觸發(fā)器的平均延遲時(shí)間tpd2要長，起延時(shí)觸發(fā)作用。第4章 觸發(fā)器(1) 在CP=1期間，“與或非”門輸出 ， ( ， )，所以觸發(fā)器的狀態(tài)保持不變。此時(shí)“與非”門輸出， ， 。(2) 當(dāng)CP下降沿到來，即CP=0時(shí)，由于tpd1 tpd2，則兩個(gè)“與或非”門中的A“與”門和D“與”門結(jié)果都為0，此時(shí)，“與或非”門變?yōu)榛綬S觸發(fā)器 。(3) CP=0期間，“與非”門G3、G4輸出結(jié)果Q4=Q3=1，此時(shí)觸發(fā)器的輸出 將保持狀態(tài)不變。(4) CP上升沿到來，CP=1，則“與或非”門恢復(fù)正常，

13、， 保持狀態(tài)不變。4RQ1nnnnQQQSQ1nnnnQQQRQ3SQ4nQKQ3nQJQ1nnnQSRQJQnKQ1nQ1nnQQ1nnQQ第4章 觸發(fā)器 由上述分析得出此觸發(fā)器是在CP脈沖下降沿按 特征方程式進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換，故此觸發(fā)器為下降沿觸發(fā)的邊沿觸發(fā)器。其狀態(tài)表、狀態(tài)圖與同步JK觸發(fā)器相同，只是邏輯符號(hào)和時(shí)序圖不同。圖4.15(b)所示為下降沿觸發(fā)的JK觸發(fā)器的邏輯符號(hào)。1nnnQJQKQ第4章 觸發(fā)器3. 集成JK觸發(fā)器 1) 74LS112的管腳排列和邏輯符號(hào) 74LS112為雙下降沿JK觸發(fā)器，其管腳排列及邏輯符號(hào)如圖4.16所示。(a) 管腳排列 (b) 邏輯符號(hào) 圖4.16

14、74LS112管腳排列 第4章 觸發(fā)器2) 邏輯功能 74LS112芯片由兩個(gè)獨(dú)立的下降沿觸發(fā)的邊沿JK觸發(fā)器組成，表4.8所示為其功能表，由該表可以看出74LS112有以下主要功能。第4章 觸發(fā)器第4章 觸發(fā)器(1) 異步置0。當(dāng) ， 時(shí)，觸發(fā)器置0，它與時(shí)鐘脈沖CP及J、K的輸入信號(hào)無關(guān)。(2) 異步置1。當(dāng) ， 時(shí)，觸發(fā)器置1，它也與時(shí)鐘脈沖CP及J、K的輸入信號(hào)無關(guān)。(3) 保持。取 ，如 時(shí)，觸發(fā)器保持原來的狀態(tài)不變。即使在CP下降沿到來時(shí)，電路狀態(tài)也不會(huì)改變 。D0R D1SD1R D0S DD1RS0JK第4章 觸發(fā)器(4) 置0。取 ，如 ， ，在CP下降沿到來時(shí)，觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)到

15、0狀態(tài)，即置0， 。(5) 置1。取 ，如 ， ，在CP下降沿到來時(shí)，觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)到1狀態(tài)，即置1， 。(6) 計(jì)數(shù)。取 ，如 時(shí)，則每輸入1個(gè)CP的下降沿，觸發(fā)器的狀態(tài)變化一次， ，這種情況常用來計(jì)數(shù)。DD1RS0J 1K 10nQDD1RS1J 0K 11nQDD1RS1JK1nnQQ第4章 觸發(fā)器【例【例4-1】圖4.17所示為集成JK觸發(fā)器74LS112的CP、D、 和 的輸入波形，試畫出它的輸出端Q的波形。設(shè)觸發(fā)器的初始狀態(tài)Q=0。解：解：DSDR圖4.17 例4-1圖第4章 觸發(fā)器3) 74LS112的應(yīng)用實(shí)例 圖4.18所示為74LS112構(gòu)成的多路公共照明控制電路， 為安裝在不同

16、處的按鈕開關(guān)，不同的地方都能獨(dú)立控制路燈的亮和滅。0SnS第4章 觸發(fā)器圖4.18 多路控制公共照明燈電路第4章 觸發(fā)器4.4.2 4.4.2 邊沿邊沿D D觸發(fā)器觸發(fā)器1. 邏輯功能 圖4.19所示為邊沿D觸發(fā)器的邏輯符號(hào)，D為信號(hào)輸入端，框內(nèi)“”表示動(dòng)態(tài)輸入，它表明用時(shí)鐘脈沖CP上升沿觸發(fā)，只有在CP上升沿到達(dá)時(shí)才有效。它的邏輯功能與同步D觸發(fā)器相同，它的特性方程為1nQD第4章 觸發(fā)器(a) 上升沿觸發(fā)的邊沿D觸發(fā)器 (b) 下降沿觸發(fā)的邊沿D觸發(fā)器 圖4.19 邊沿D觸發(fā)器的邏輯符號(hào)第4章 觸發(fā)器 邊沿D 觸發(fā)器的特點(diǎn)是：在CP=0、下降沿、CP=1期間，輸入信號(hào)都不起作用，只有在CP

17、上升沿或下降沿時(shí)刻，觸發(fā)器才會(huì)按其特性方程改變狀態(tài)，因此邊沿D觸發(fā)器沒有“空翻”的現(xiàn)象。 邊沿D觸發(fā)器中設(shè)置有異步輸入端 、 ,用于將觸發(fā)器直接置0或置1。DRDS第4章 觸發(fā)器2. 集成邊沿D觸發(fā)器74LS74介紹 圖4.20所示為TTL集成邊沿D觸發(fā)器的引腳排列。圖4.20 74LS74的引腳排列第4章 觸發(fā)器 74LS74內(nèi)部包含兩個(gè)帶有清零端 和預(yù)置端 的觸發(fā)器，它們都是CP上升沿觸發(fā)器的邊沿D觸發(fā)器，異步輸入端 和 為低電平有效，其功能表如表4.9所示，表中符號(hào)“”表示上升沿，“”表示下降沿。由表4.7可以看出74LS74有以下功能：(1) 異步置0。當(dāng) 、 時(shí)，觸發(fā)器置0, 它與時(shí)

18、鐘脈沖CP及 D 端的輸入信號(hào)沒有關(guān)系。DRDSDRDSD0R DS10nQ第4章 觸發(fā)器(2) 異步置1。當(dāng) 、 時(shí)，觸發(fā)器置1， 。(3) 置0。當(dāng) ，如D=0，則在CP由0跳變到1時(shí)，觸發(fā)器置0， 。(4) 置1。當(dāng) ，如D=1，則在CP由0跳變到1時(shí)，觸發(fā)器置1， 。(5) 保持。當(dāng) ，在CP=0時(shí)，這時(shí)不論D端輸入信號(hào)為0還是1，觸發(fā)器都保持原來的狀態(tài)不變。D1R D0S 11nQDD1RS10nQDD1RS11nQDD1RS第4章 觸發(fā)器第4章 觸發(fā)器【例【例4-2】圖4.21所示為集成D觸發(fā)器74LS74的CP、D、 和 的輸入波形，試畫出它的輸出端Q的波形。設(shè)觸發(fā)器的初始狀態(tài)Q

19、=0。解解:圖4.21 例4-2圖第4章 觸發(fā)器3. 74LS74的應(yīng)用實(shí)例 圖4.22所示是利用74LS74構(gòu)成的同步單脈沖發(fā)生電路。該電路借助CP產(chǎn)生兩個(gè)起始不一致的脈沖，再由一個(gè)“與非”門來選通，變成一個(gè)同步單脈沖發(fā)生電路。圖4.22(b)所示是電路的工作波形，從波形圖可以看出，電路產(chǎn)生的單脈沖與CP脈沖嚴(yán)格同步，且脈沖寬度等于CP脈沖的一個(gè)周期，電路的正常工作不受開關(guān)S的機(jī)械抖動(dòng)產(chǎn)生的毛刺影響，因此，可以應(yīng)用于設(shè)備的啟動(dòng)或系統(tǒng)的調(diào)試與檢測。第4章 觸發(fā)器(a) 電路 (b) 工作波形 圖4.22 同步單脈沖發(fā)生電路第4章 觸發(fā)器 4.5 4.5 不同觸發(fā)器的轉(zhuǎn)換不同觸發(fā)器的轉(zhuǎn)換 4.5

20、.1 JK4.5.1 JK觸發(fā)器轉(zhuǎn)換成觸發(fā)器轉(zhuǎn)換成D D、T T觸發(fā)器觸發(fā)器 JK觸發(fā)器的特征方程為 1.JK觸發(fā)器轉(zhuǎn)換成D觸發(fā)器 D觸發(fā)器的特征方程為 1nnnQJQKQ(4-5)1nQD(4-6)第4章 觸發(fā)器對照式(4-5)，對式(4-6)變換得1()nnnnnQDD QQDQDQ(4-7) 比較式(4-5)和式(4-7)，可見只要取J=D， 就可以把JK觸發(fā)器轉(zhuǎn)換成D觸發(fā)器。圖4.23(a)是轉(zhuǎn)換后的D觸發(fā)器電路。轉(zhuǎn)換后，D觸發(fā)器的CP觸發(fā)脈沖與轉(zhuǎn)換前JK觸發(fā)器的CP觸發(fā)脈沖相同。nKQ第4章 觸發(fā)器 (a) D觸發(fā)器 (b) T觸發(fā)器 (c) T觸發(fā)器 圖4.23 JK觸發(fā)器轉(zhuǎn)換成D、T和T觸發(fā)器第4章 觸發(fā)器2.JK觸發(fā)器轉(zhuǎn)換成T觸發(fā)器 T觸發(fā)器的特征方程為1nnnQTQTQ(4-8) 比較式(4-5)和式(4-8)，可見只要取J=K=T，就可以把JK觸發(fā)器轉(zhuǎn)換成T觸發(fā)器。圖4.23(b)是轉(zhuǎn)換后的T觸發(fā)器電路。第4章 觸發(fā)器3. T觸發(fā)器 如果T觸發(fā)器的輸入端T=1，則稱它為T觸發(fā)器，如圖4.23(c)所示。T觸發(fā)器也稱為一位計(jì)數(shù)器，在計(jì)數(shù)器中應(yīng)用廣泛。第4章 觸發(fā)器4.5.2. D4.5.2. D觸發(fā)器轉(zhuǎn)換成觸發(fā)器轉(zhuǎn)換成JKJK、T T和和T T 觸發(fā)器觸發(fā)器 由于D觸發(fā)器只有