第14章鎖存器與觸發(fā)器14.1

基本概念時序邏輯電路基本單元電路的主要特點：⑴具有兩個穩(wěn)定狀態(tài)，分別用來表示存儲的二進制數(shù)碼0或1。它們可以長期地穩(wěn)定在某一個穩(wěn)定狀態(tài)，即長期地保持所記憶的信息。

在數(shù)字電路和計算機中，常常需要具有記憶/存儲功能的邏輯電路來保存計算值或運算結(jié)果。這種單元電路具有二個穩(wěn)定狀態(tài)，能夠存儲一位二值信息，是時序電路的基本單元電路。⑵在適當?shù)妮斎牒陀|發(fā)信號作用下，電路可從一種穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N穩(wěn)定狀態(tài)；當觸發(fā)信號消失后，電路能夠保持現(xiàn)有狀態(tài)不變。

存儲單元電路根據(jù)電路觸發(fā)方式不同可分為：鎖存器和觸發(fā)器。鎖存器與觸發(fā)器的區(qū)別為：14.1

基本概念觸發(fā)器則是利用脈沖邊沿控制數(shù)據(jù)的輸入鎖存器是利用電平控制數(shù)據(jù)的輸入不帶控制信號的鎖存器：其輸入電平直接影響輸出帶控制信號的鎖存器：僅當控制信號輸入有效時，其輸入電平才影響輸出。1、鎖存器分類（1）根據(jù)控制方式可分為14.1

基本概念（2）根據(jù)電路結(jié)構(gòu)可分為基本鎖存器、時鐘控制鎖存器。2、觸發(fā)器分類（1）根據(jù)控制方式，即信號的輸入方式以及觸發(fā)器狀態(tài)隨輸入信號變化的規(guī)律不同，可分為：主從觸發(fā)器和邊沿觸發(fā)器14.1

基本概念（2）根據(jù)根據(jù)邏輯功能的不同觸發(fā)器又可分為D觸發(fā)器、JK觸發(fā)器、T觸發(fā)器和RS觸發(fā)器。14.2

鎖存器

基本RS鎖存器是電路結(jié)構(gòu)最簡單的鎖存器，其它類型的鎖存器和觸發(fā)器都是在此基礎上發(fā)展而來的。14.2.1基本RS鎖存器1.電路結(jié)構(gòu)14.2

鎖存器一般用Q端的邏輯值來表示鎖存器的狀態(tài)鎖存器有兩個互補輸出端Q和Q&&(b)符號圖SR(a)邏輯圖QQQ=0,Q=1時，稱鎖存器處于0狀態(tài)Q=1，Q=0時，稱鎖存器處于1狀態(tài)14.2

鎖存器&&SRQQa.當R=0，S=1時，無論鎖存器原來處于什么狀態(tài)，Q一定為0，稱鎖存器處于置0(復位)狀態(tài)。b.當R=1，S=0時，無論鎖存器原來處于什么狀態(tài)，Q一定為1，稱鎖存器處于置1(置位)狀態(tài)。1）功能描述14.2

鎖存器&&(b)符號圖SR(a)邏輯圖QQc.當R=1，S=1時，鎖存器狀態(tài)不變，稱鎖存器處于保持(記憶)狀態(tài)。14.2

鎖存器&&SRQQd.當R=0，S=0時，兩個與非門輸出均為1(高電平)，此時破壞了鎖存器的互補輸出關系，這種情況是不允許的。因此，規(guī)定輸入信號R、S不能同時為0，應遵循R+S=1的約束條件。

14.2

鎖存器&&SRQQ

基本RS鎖存器具有置0、置1和保持的邏輯功能，通常S稱為置1端或置位(SET)端，R稱為置0或復位(RESET)端。鎖存器是以R和S為低電平時被清0和置1的，稱R、S低電平有效。14.2

鎖存器&&SRQQ

基本RS鎖存器的輸入信號直接控制其輸出狀態(tài)，其觸發(fā)方式為直接觸發(fā)，故又稱它為直接置位復位鎖存器。14.2

鎖存器&&SRQQ2）功能表S

RQ

Q說明0011不允許0110置11001清011Q

Q保持14.2

鎖存器3）波形圖

波形圖又稱時序圖，它反映了鎖存器的輸出狀態(tài)隨時間和輸入信號變化的規(guī)律?；綬S鎖存器波形圖14.2

鎖存器2.動態(tài)特性twtpdQtpdttt&&tpd為門的傳輸延遲時間在S端加負脈沖(R=1)的作用下，鎖存器翻轉(zhuǎn)過程的波形圖。14.2

鎖存器twtpdQtpdttt&&由圖可知，只要負脈沖的寬度tw大于2tpd，鎖存器就能建立起穩(wěn)定的新狀態(tài)，故要求和有效信號寬度tw>2tpdSR14.2

鎖存器用于防抖動開關uAuB反跳反跳電路圖SR+5VRRuAuB3.基本RS鎖存器的應用開關反跳現(xiàn)象改善后的波形圖14.2

鎖存器14.2.2時鐘控制RS鎖存器具有CP輸入的鎖存器稱為時鐘控制鎖存器或時鐘鎖存器。

在實際應用中，往往還要求鎖存器在一個控制信號作用下按節(jié)拍反映某一時刻的輸入信號狀態(tài)。這種控制信號象時鐘一樣控制鎖存器的翻轉(zhuǎn)時刻，故稱為時鐘(Clock)信號或時鐘脈沖(ClockPulse，簡稱CP)。

基本RS鎖存器的清0、置1信號一出現(xiàn)，鎖存器的輸出狀態(tài)就按其功能表發(fā)生變化。14.2

鎖存器時鐘控制鎖存器的特點：(2)時鐘信號低電平期間，輸入信號不起作用，鎖存器狀態(tài)保持不變(1)在時鐘信號CP高電平期間，鎖存器才能根據(jù)輸入信號翻轉(zhuǎn)14.2

鎖存器1.電路結(jié)構(gòu)及工作原理(1)邏輯圖R為置0端，S為置1端G1、G2門構(gòu)成時鐘控制電路CP為時鐘輸入端G1&SR&CPFFG2邏輯圖(2)邏輯符號1S1RC1邏輯符號QQ14.2

鎖存器G1&SR&CPFFG2邏輯圖1S1RC1邏輯符號QQ(3)工作原理當CP=0時，G1、G2門被封鎖，輸出不變化當CP=1時，G1、G2門開啟，R、S信號才決定鎖存器的狀態(tài)14.2

鎖存器G1&SR&CPFFG2邏輯圖1S1RC1邏輯符號QQ2.功能描述把CP到來鎖存器翻轉(zhuǎn)后的狀態(tài)稱為次態(tài)Qn+1把鎖存器翻轉(zhuǎn)前的狀態(tài)稱為現(xiàn)態(tài)Qn14.2

鎖存器G1&SR&CPFFG2邏輯圖1S1RC1邏輯符號QQ

(1)當CP=0時G1、G2門輸出均為1，基本RS鎖存器處于保持態(tài)

此時無論R、S如何變化，均不會改變輸出狀態(tài)14.2

鎖存器G1&SR&CPFFG2邏輯圖1S1RC1邏輯符號QQ

(2)當CP=1時，鎖存器工作R=0,S=１,Qn+1=1，鎖存器置“1”R=1,S=0,Qn+1=0，鎖存器置“0”R=S=0,Qn+1=Qn，鎖存器狀態(tài)不變R=S=1,鎖存器失效，工作時不允許1S、1R

和C1表示：

只有在CP=1時，S或R輸入為1才能使觸發(fā)器置1或清014.2

鎖存器3.同步RS鎖存器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表CP0011111111Qn+1010100111*1*SRQn××0××1000001010011100101110111說明保持原狀態(tài)不變Qn+1＝QnQn+1＝0Qn+1＝1不允許狀態(tài)Qn+1與R、S和Qn的真值表，又稱為狀態(tài)轉(zhuǎn)換表14.2

鎖存器4.次態(tài)卡諾圖5.特征方程（約束條件）

對次態(tài)卡諾圖化簡，得出鎖存器次態(tài)Qn+1的邏輯表達式，也稱為次態(tài)方程或特征方程。0100011110××SRQn+1Qn01001114.2

鎖存器6.狀態(tài)圖S=0R=×S=×R=0R=0,S=1S=0,R=101圖中，兩個圓圈中的0和1分別表示鎖存器的兩個穩(wěn)定狀態(tài)，用箭頭表示狀態(tài)轉(zhuǎn)換的方向，箭頭旁注明的R和S值表示轉(zhuǎn)換要求的輸入條件。14.2

鎖存器7.波形圖14.2

鎖存器1.電路結(jié)構(gòu)及符號邏輯圖CP1S1RC11D14.2.3時鐘控制D鎖存器稱為時鐘控制D鎖存器,適用于單輸入信號的場合。在RS鎖存器的輸入端增加一個非門，則自動滿足約束條件RS=0QQ1DC1邏輯符號圖14.2

鎖存器Qn+1=D2.功能描述當CP=0時，鎖存器不工作，鎖存器處于維持狀態(tài)。當CP=1時，鎖存器功能如下：D=0,Qn+1=0邏輯圖CP1S1RC11DQQ1DC1邏輯符號圖D=1，Qn+1=114.2

鎖存器3.D鎖存器真值表CP001111Qn+1010011DQn×0×100011011說明狀態(tài)不變清0置

114.2

鎖存器4.D鎖存器的次態(tài)卡諾圖和狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖5.D鎖存器的特性方程Qn+1=DD=0D=1D=1D=001狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖01DQn+1Qn次態(tài)卡諾圖01001114.2

鎖存器6.D鎖存器的工作波形CP01DQ1100111由于D觸發(fā)器的次態(tài)Qn+1隨輸入D的狀態(tài)而定，故常用來鎖存數(shù)據(jù)，稱為D鎖存器。7.D觸發(fā)器的應用14.2

鎖存器8位D鎖存器74LS373的邏輯圖鎖存器74LS373功能表14.2

鎖存器

鐘控制鎖存器在CP=1期間，輸入信號都能影響鎖存器的輸出狀態(tài)，這種觸發(fā)方式稱為電平觸發(fā)方式。14.2.4時鐘控制鎖存器的觸發(fā)方式及存在問題

這種鎖存器在一個CP脈沖期間，只要輸入信號發(fā)生多次變化，鎖存器就有可能發(fā)生多次翻轉(zhuǎn)，降低了鎖存器的可靠性。14.2

鎖存器[例1]在時鐘控制RS鎖存器中，若已知CP、R、S的波形，試畫出Q端的波形（假設鎖存器的初始狀態(tài)為0）。CPSRCP=1時，鎖存器的狀態(tài)由R和S決定[解]由時鐘控制RS鎖存器的邏輯功能知：CP=0時，鎖存器保持原狀Q=014.2

鎖存器CPSRQ00001111Q端的波形

由圖可見，在一個CP脈沖期間，鎖存器發(fā)生三次翻轉(zhuǎn)。

在數(shù)字電路中，為保證電路穩(wěn)定可靠地工作，一般要求存儲單元電路在一個CP脈沖只能動作一次。14.3觸發(fā)器的結(jié)構(gòu)和工作原理

鎖存器的多次翻轉(zhuǎn)降低了工作的可靠性，為了保證數(shù)字電路可靠地工作，一般要求存儲單元電路的狀態(tài)在CP脈沖的上升沿或下降沿發(fā)生變化，保證存儲單元電路在一個時鐘只能動作一次。只對CP脈沖的邊沿敏感的存儲單元電路稱為觸發(fā)器14.3觸發(fā)器的結(jié)構(gòu)和工作原理14.3觸發(fā)器的結(jié)構(gòu)和工作原理14.3.1主從JK觸發(fā)器1.電路結(jié)構(gòu)CP1S1RC1&&1S1RSRC1FFBFFA1JK1J1KC1SR符號圖14.3觸發(fā)器的結(jié)構(gòu)和工作原理1J1KC1SRCP1S1RC1&&1S1RSRC1FFBFFA1JKFB為從鎖存器FA為主鎖存器S和R表示異步置1和清0端，不受CP的控制，直接置位端與直接復位端。如不需直接置1和清0時，S和R端應接高電平。14.3觸發(fā)器的結(jié)構(gòu)和工作原理CP1S1RC1&&1S1RSRC1FFBFFA1JK2.邏輯功能分析FB被封鎖保持不變（鎖定）FA的狀態(tài)由J和K輸入端信號決定。(1)當CP=1，時14.3觸發(fā)器的結(jié)構(gòu)和工作原理CP1S1RC1&&1S1RSRC1FFBFFA1JK(2)當CP=0，時從鎖存器輸入門被打開，從鎖存器按照主鎖存器的狀態(tài)(即主鎖存器在CP下降沿前一瞬間的狀態(tài))翻轉(zhuǎn)。輸入J、K的變化不會引起主鎖存器狀態(tài)變化主鎖存器被封鎖14.3觸發(fā)器的結(jié)構(gòu)和工作原理CP1S1RC1&&1S1RSRC1FFBFFA1JK即將主鎖存器的狀態(tài)轉(zhuǎn)移到從鎖存器的輸出端，從鎖存器的狀態(tài)和主鎖存器一致。此時：整個觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)分兩步完成：第一步，CP=1時，觸發(fā)器接受輸入信號，輸入信號決定主鎖存器的狀態(tài)。14.3觸發(fā)器的結(jié)構(gòu)和工作原理CP1S1RC1&&1S1RSRC1FFBFFA1JK第二步，在CP下降沿(1→0時)從鎖存器的輸出才改變一次狀態(tài)。此后主從鎖存器的狀態(tài)皆不改變。1J1KC1SR14.3觸發(fā)器的結(jié)構(gòu)和工作原理CP1S1RC1&&1S1RSRC1FFBFFA1JK1J1KC1SR國標符號中，框內(nèi)“┐”號表示延遲輸出，即觸發(fā)器輸出狀態(tài)在CP的下降沿才改變。14.3觸發(fā)器的結(jié)構(gòu)和工作原理CP1S1RC1&&1S1RSRC1FFBFFA1JK1J1KC1SR主從JK觸發(fā)器的邏輯功能：當J=K=0時，Qn+1=Qn當J=0，K=1時，Qn+1=0；復位狀態(tài)當J=1，K=0時，Qn+1=1；置位狀態(tài)觸發(fā)器處于保持狀態(tài)14.3觸發(fā)器的結(jié)構(gòu)和工作原理CP1S1RC1&&1S1RSRC1FFBFFA1JK當J=K=1時，Qn+1=QnJK觸發(fā)器的狀態(tài)方程為觸發(fā)器具有一位二進制計數(shù)器的功能14.3觸發(fā)器的結(jié)構(gòu)和工作原理主從JK觸發(fā)器工作波形分析：主觸發(fā)器在CP=1期間接受輸入信號。從觸發(fā)器在CP從10與主觸發(fā)器的狀態(tài)一致。在CP脈沖的一個周期，主從觸發(fā)器的輸出Q(QB)只翻轉(zhuǎn)一次。QAQB0101CPJK000111

但只有在CP=1的全部時間內(nèi)，輸入信號始終未變的條件下，用CP下降沿到達時的輸入信號決定觸發(fā)器次態(tài)才是正確的。注意：14.3觸發(fā)器的結(jié)構(gòu)和工作原理可以用CP下降沿到達時的輸入信號決定觸發(fā)器次態(tài)QB01QA01CPJK00011114.3觸發(fā)器的結(jié)構(gòu)和工作原理14.3.2邊沿D觸發(fā)器

邊沿觸發(fā)器不僅克服了空翻（多次翻轉(zhuǎn)）現(xiàn)象，而且大大提高了抗干擾能力，工作更為可靠。邊沿觸發(fā)器的特點：(1)觸發(fā)器僅在CP某一約定跳變到來時，才接收輸入信號(2)在CP=0或CP=1期間，輸入信號變化不會引起觸發(fā)器輸出狀態(tài)變化14.3觸發(fā)器的結(jié)構(gòu)和工作原理（1)電路結(jié)構(gòu)和符號DCPSRDQ電路符號電路結(jié)構(gòu)1.維持阻塞型D觸發(fā)器14.3觸發(fā)器的結(jié)構(gòu)和工作原理維持阻塞型D

觸發(fā)器具有上升沿觸發(fā)的功能，也稱為上升沿觸發(fā)的邊沿觸發(fā)器。上升沿觸發(fā)DCPSRDQ

觸發(fā)器狀態(tài)由CP從0變?yōu)?時D的狀態(tài)決定Qn+1=D（2)電路功能14.3觸發(fā)器的結(jié)構(gòu)和工作原理CPQ011D00t1t23）維持阻塞型D觸發(fā)器的工作波形圖Q1014.3觸發(fā)器的結(jié)構(gòu)和工作原理(1)電路組成2.邊沿觸發(fā)JK觸發(fā)器（2）邏輯符號14.3觸發(fā)器的結(jié)構(gòu)和工作原理

下降沿JK觸發(fā)器的次態(tài)Qn+1與輸入J、K以及現(xiàn)態(tài)Qn之間的關系與主從JK觸發(fā)器完全相同。（3）邏輯功能

觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)后的狀態(tài)決定于CP下降沿之前的J和K狀態(tài)，即是下降沿觸發(fā)。下降沿觸發(fā)【例1】已知下降沿觸發(fā)JK觸發(fā)器的輸入波形如圖所示，試畫出Q的波形。設觸發(fā)器的初始狀態(tài)為0。【解】在每個CP的下降沿觀察JK的情況。根據(jù)JK觸發(fā)器的邏輯功能，畫出Q的波形圖。14.3觸發(fā)器的結(jié)構(gòu)和工作原理14.4觸發(fā)器的邏輯功能及轉(zhuǎn)換14.4觸發(fā)器的邏輯功能及轉(zhuǎn)換14.4.1觸發(fā)器的邏輯功能1.D觸發(fā)器上升沿觸發(fā)D觸發(fā)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表CPDQnQn+1說明××狀態(tài)不變↑↑000100清0↑↑101111置114.4觸發(fā)器的邏輯功能及轉(zhuǎn)換D觸發(fā)器的次態(tài)卡諾圖和次態(tài)轉(zhuǎn)換圖D觸發(fā)器的特性方程Qn+1=DD=0D=1D=1D=001狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖01DQn+1Qn次態(tài)卡諾圖01001114.4觸發(fā)器的邏輯功能及轉(zhuǎn)換2.JK觸發(fā)器下降沿觸發(fā)的JK觸發(fā)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表CPJ

K

QnQn+1說明×××狀態(tài)不變↓00000101Qn+1=Qn↓01001100Qn+1=0↓10010111Qn+1=1↓1101111014.4觸發(fā)器的邏輯功能及轉(zhuǎn)換JK觸發(fā)器的次態(tài)卡諾圖和狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖JK觸發(fā)器的特征方程狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖J=0K=×J=×K=001J=1,K=×J=×,K=100011110JKQn+1Qn次態(tài)卡諾圖010100101114.4觸發(fā)器的邏輯功能及轉(zhuǎn)換JK觸發(fā)器具有置1﹑清0﹑保持和計數(shù)四種功能，并可容易地轉(zhuǎn)換為其他功能的觸發(fā)器，在數(shù)字電路中有較廣泛的應用。3.T觸發(fā)器

在某些應用中，需要對觸發(fā)器的計數(shù)功能進行控制，當控制信號T=1時，每來一個CP脈沖，它的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)一次；而當T=0時，則不對CP信號做出響應而保持狀態(tài)不變。這種觸發(fā)器稱為T觸發(fā)器。14.4觸發(fā)器的邏輯功能及轉(zhuǎn)換上升沿觸發(fā)的T觸發(fā)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表CP××↑↑↑↑Qn+1010110TQn×0×100011011說明狀態(tài)不變

TCPSRTQ電路符號14.4觸發(fā)器的邏輯功能及轉(zhuǎn)換T觸發(fā)器的次態(tài)卡諾圖和狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖T=0T=0T=1T=101(b)狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖T觸發(fā)器的特征方程01TQn+1Qn(a)次態(tài)卡諾圖01011014.4觸發(fā)器的邏輯功能及轉(zhuǎn)換T觸發(fā)器的功能是：T=0時處于保持狀態(tài)，Qn+1=Qn當T=1時處于計數(shù)狀態(tài)，Qn+1=Qn如使T觸發(fā)器輸信號T恒等于1，則構(gòu)成T'觸發(fā)器。每來一個CP脈沖，T'觸發(fā)器狀態(tài)變換一次，故稱其為翻轉(zhuǎn)觸發(fā)器或計數(shù)器。T'觸發(fā)器是一位二進制計數(shù)器或二分頻電路14.4觸發(fā)器的邏輯功能及轉(zhuǎn)換4.RS觸發(fā)器RS觸發(fā)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表、次態(tài)卡諾圖、特征方程及狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖與時鐘控制SR鎖存器相同。

由于在S=R=1時這種觸發(fā)器的次態(tài)不能確定，這種觸發(fā)器用的較少。14.4觸發(fā)器的邏輯功能及轉(zhuǎn)換14.4.2觸發(fā)器之間的轉(zhuǎn)換1．D觸發(fā)器改為JK觸發(fā)器已知D觸發(fā)器的特性方程為Qn+1=D

JK觸發(fā)器的特性方程為如果用一個邏輯轉(zhuǎn)換電路使就能構(gòu)成一個JK觸發(fā)器化為與非﹣與非邏輯式14.4觸發(fā)器的邏輯功能及轉(zhuǎn)換D觸發(fā)器轉(zhuǎn)換為JK觸發(fā)器2．D觸發(fā)器轉(zhuǎn)換為T觸發(fā)器已知D觸發(fā)器的特性方程為Qn+1=DT觸發(fā)器的特性方程為14.4觸發(fā)器的邏輯功能及轉(zhuǎn)換D觸發(fā)器轉(zhuǎn)換為T觸發(fā)器實現(xiàn)電路3．JK觸發(fā)器轉(zhuǎn)換為D觸發(fā)器D觸發(fā)器的特性方程為Qn+1=D已知JK觸發(fā)器的特性方程為將D觸發(fā)器的特性方程變換為

14.4觸發(fā)器的邏輯功能及轉(zhuǎn)換比較兩觸發(fā)器的特性方程可知，如果使即可將JK觸發(fā)器轉(zhuǎn)換成D觸發(fā)器JK觸發(fā)器轉(zhuǎn)換為D觸發(fā)器實現(xiàn)電路14.4觸發(fā)器的邏輯功能及轉(zhuǎn)換【例1】已知邏輯電路及其輸入波形如圖所示，試畫出Q的波形。設觸發(fā)器的初態(tài)均0?！窘狻扛鶕?jù)D觸發(fā)器的邏輯功能，畫出Q的波形14.4觸發(fā)器的邏輯功能及轉(zhuǎn)換[例2]邊沿JK觸發(fā)器和維持—阻塞式D觸發(fā)器分別如圖(a)、(b)所示，其輸入波形見圖(c)，試分別畫出Q１、Q2端的波形，設電路初態(tài)均為0。14.4觸發(fā)器的邏輯功能及轉(zhuǎn)換[解]14.4觸發(fā)器的邏輯功能及轉(zhuǎn)換第14章

小結(jié)(1)基本RS鎖存器&&(b)符號圖SR(a)邏輯圖QQ1.RS鎖存器1)電路結(jié)構(gòu)和邏輯符號2）功能表S

RQ

Q說明0011不允許0110置11001清011Q

Q保持G1&SR&CPFFG2邏輯圖1S1RC1邏輯符號QQ（2）

時鐘控制RS鎖存器1)邏輯圖及邏輯符號第14章

小結(jié)2）狀態(tài)轉(zhuǎn)換表CP0011111111Qn+1010100111*1*SRQn××0××1000001010011100101110111說明保持原狀態(tài)不變Qn+1＝QnQn+1＝0Qn+1＝1不允許狀態(tài)第14章

小結(jié)3)次態(tài)卡諾圖

4)特征方程（約束條件）5)

狀態(tài)圖S=0R=×S=×R=0R=0,S=1S=0,R=1010100011110××SRQn+1Qn010011第14章

小結(jié)DC