第五章觸發(fā)器5.1時序電路概述5.2基本觸發(fā)器5.3集成觸發(fā)器5.1時序電路概述5.1.1時序電路特點

時序電路的特點是，在任何時刻電路產生的穩(wěn)定輸出信號不僅與該時刻電路的輸入信號有關，而且還與電路過去的狀態(tài)有關。由于它與過去的狀態(tài)有關，所以電路中必須具有“記憶”功能的器件，記住電路過去的狀態(tài)，并與輸入信號共同決定電路的現時輸出。其電路框圖如圖5-1所示。圖5–1時序電路框圖

時序電路就是通過記憶元件的不同狀態(tài)，來記憶以前的狀態(tài)。設時間t時刻記憶元件的狀態(tài)輸出為，稱為時序電路的現態(tài)。那么，在該時刻的輸入及現態(tài)的共同作用下，組合電路將產生輸出函數及控制函數。而控制函數用來建立記憶元件的新的狀態(tài)輸出函數，用表示，稱為次態(tài)。這樣時序電路可由下面兩組表達式描述：5.1.2時序電路分類

時序電路可分為兩大類：同步時序電路和異步時序電路。在同步時序電路中，電路的狀態(tài)僅僅在統(tǒng)一的信號脈沖(稱為時鐘脈沖，通常用CP表示)控制下才同時變化一次。如果CP脈沖沒來，即使輸入信號發(fā)生變化，它可能會影響輸出，但絕不會改變電路的狀態(tài)(即記憶電路的狀態(tài))。在異步時序電路中，記憶元件的狀態(tài)變化不是同時發(fā)生的。這種電路中沒有統(tǒng)一的時鐘脈沖。任何輸入信號的變化都可能立刻引起異步時序電路狀態(tài)的變化。

時序電路按輸出變量的依從關系來分，又可分為米里(Mealy)型和莫爾(Moore)型兩類。米里型電路的輸出是輸入變量及現態(tài)的函數，即其框圖如圖52(a)所示。莫爾型電路的輸出僅與電路狀態(tài)的現態(tài)有關，其框圖如圖52(b)所示，且具有如下關系：圖5–2米里型和莫爾型時序電路框圖5.1.3狀態(tài)表和狀態(tài)圖時序電路中我們用“狀態(tài)”來描述時序問題。使用“狀態(tài)”概念后，我們就可將輸入和輸出中的時間變量去掉，直接用邏輯表示式來說明時序邏輯電路的功能。所以，“狀態(tài)”是時序電路中極為重要的概念。時序電路的一個重要研究方法是考察相鄰兩個節(jié)拍的狀態(tài)。我們把正在討論的狀態(tài)稱為“現態(tài)”，用符號Qn表示；把在CP脈沖作用下將要發(fā)生的狀態(tài)稱為“次態(tài)”，用符號Qn+1表示。描述次態(tài)的方程稱為狀態(tài)函數，一個時序電路的主要特征是由狀態(tài)函數給出的，因此，狀態(tài)函數在時序邏輯電路的設計與分析中是十分重要的。表5–1狀態(tài)表(米里型)

表5–2狀態(tài)表(莫爾型)

例1

表5-3為米里型狀態(tài)表。從表上可看出：現態(tài)Qn為Q1，當輸入信號x=0時，次態(tài)Qn+1為Q1，輸出F=0；當輸入信號x=1時，次態(tài)Qn+1為Q2,輸出F=1。同理，當現態(tài)Qn為Q2,輸入信號x=0，次態(tài)為Q2，輸出F=1；當輸入信號x=1時，次態(tài)Q

n+1為Q1,輸出F=0。表5–3狀態(tài)表(米里型)

例2

表5-4為莫爾型狀態(tài)表，各行各列的含義與表5-3相似，不同之處是輸出F與輸入x無關。不管輸入信號x是0還是1，只要現態(tài)Qn=Q1或Q3,則輸出F=0。同理，只要Qn=Q2,則輸出F=1。圖5–3時序邏輯的狀態(tài)圖(a)米里型；(b)莫爾型表5-4狀態(tài)表（莫爾型）

例3

畫出例1、例2的狀態(tài)圖。

解如圖5-4(a),(b)所示。

例4

求表5-5所示時序電路的邏輯表達式及狀態(tài)表和狀態(tài)圖。圖5–4例1、例2的狀態(tài)圖

(a)米里型；(b)莫爾型

表5–5真值表

Qnx1x2Qn+1F0000010100111001011101110011101010011001解表5－5是某時序邏輯電路的真值表，其左邊是時序電路的現態(tài)和輸入信號，均作為時序電路的輸入來處理，中間和右邊表示該電路的次態(tài)和輸出。作出對應的卡諾圖，可求出狀態(tài)函數Qn+1和輸出函數Ｆ，如圖5－5所示。圖5–5求例4的邏輯表達式

(a)求Qn+1;(b)求F

由圖得如下關系：圖5–6例4狀態(tài)圖表5–6狀態(tài)表

觸發(fā)器的基本性質是：

(1)具有兩個穩(wěn)定的狀態(tài)，分別用二進制數碼的“1”和“0”表示；

(2)由一個穩(wěn)態(tài)到另一穩(wěn)態(tài)，必須有外界信號的觸發(fā)。否則它將長期穩(wěn)定在某個狀態(tài)，即長期保持所記憶的信息；

(3)具有兩個輸出端：原碼輸出Q和反碼輸出Q。一般用Q的狀態(tài)表明觸發(fā)器的狀態(tài)。如外界信號使Q=Q，則破壞了觸發(fā)器的狀態(tài)，這種情況在實際運用中是不允許出現的。5.2基本觸發(fā)器5.2.1基本RS觸發(fā)器基本RS觸發(fā)器是構成各種功能觸發(fā)器的最基本的單元，所以稱為基本觸發(fā)器。用兩個與非門構成基本RS觸發(fā)器的邏輯圖及邏輯符號分別如圖57(a)、(b)所示。圖5–7由與非門構成的基本RS觸發(fā)器1.功能描述

(1)當Rd=1,Sd=0時，不管觸發(fā)器原來處于什么狀態(tài)，其次態(tài)一定為“1”，即Qn+1=1，故觸發(fā)器處于置位狀態(tài)。

(2)當Rd=0,Sd=1時，Qn+1=0，觸發(fā)器處于復位狀態(tài)。

(3)當Rd=Sd=1時，觸發(fā)器狀態(tài)不變，處于維持狀態(tài)，即Qn+1=Qn。

(4)當Rd=Sd=0時，Qn+1=Qn+1=1，破壞了觸發(fā)器的正常工作，使觸發(fā)器失效。而且當輸入條件同時消失時，觸發(fā)器是“0”態(tài)還是“1”態(tài)是不定的，這種情況在觸發(fā)器工作時是不允許出現的。因此使用這種觸發(fā)器時，禁止Rd=Sd=0出現。表5–7真值表Rd

SdQ2Qn+1說明00000111不允許01001100置0Qn+1=010010111置1Qn+1=111011101保持Qn+1=Qn2.狀態(tài)表、狀態(tài)圖及特征方程(1)狀態(tài)表。表5–8RS觸發(fā)器狀態(tài)表(2)狀態(tài)圖。圖5-8RS觸發(fā)器狀態(tài)圖(3)特征方程。特征方程又常常稱為狀態(tài)方程或次態(tài)方程。由于Rd和Sd不允許同時為零，因此輸入必須滿足

我們稱該方程為約束方程。圖5–9RS觸發(fā)器波形圖5.2.2時鐘控制的RS觸發(fā)器上述基本RS觸發(fā)器具有直接置“0”、置“1”的功能，當Rd和Sd的輸入信號發(fā)生變化時，觸發(fā)器的狀態(tài)就會立即改變。在實際使用中，通常要求觸發(fā)器按一定的時間節(jié)拍動作。這就要求觸發(fā)器的翻轉時刻受時鐘脈沖的控制，而翻轉到何種狀態(tài)由輸入信號決定，從而出現了各種時鐘控制的觸發(fā)器。按功能分有RS觸發(fā)器、D觸發(fā)器、T觸發(fā)器和JK觸發(fā)器。在基本RS觸發(fā)器的基礎上，加兩個與非門即可構成鐘控RS觸發(fā)器，如圖5－10所示。圖5–10鐘控RS觸發(fā)器1.功能描述

當CP=0時，觸發(fā)器不工作，此時C、D門輸出均為1，基本RS觸發(fā)器處于保持態(tài)。此時無論R、S如何變化，均不會改變C、D門的輸出，故對狀態(tài)無影響。當CP=1時，觸發(fā)器工作，其邏輯功能如下：

R=0,S=１,Qn+1=1，觸發(fā)器置“1”；

R=1,S=0,Qn+1=0，觸發(fā)器置“0”；

R=S=0,Qn+1=Qn，觸發(fā)器狀態(tài)不變；

R=S=1,觸發(fā)器失效，工作時不允許。表5–9鐘控RS觸發(fā)器真值表R

SQnQn+1說明00000101保持Qn+1=Qn01001111置1Qn+1=110010100置0Qn+1=0110111××禁止2.狀態(tài)表、狀態(tài)圖及特征方程約束條件圖5-11鐘控RS觸發(fā)器狀態(tài)表和狀態(tài)圖(a)狀態(tài)表；(b)狀態(tài)圖圖5–12鐘控RS觸發(fā)器波形圖5.2.3D觸發(fā)器

RS觸發(fā)器存在禁止條件，R、S不能同時為1。這給使用者帶來不便。為此，只要保證R、S始終不同時為“1”即可排除禁止條件。把圖510的R端接至D門輸出端，這樣就構成D觸發(fā)器，如圖513所示。圖5-13D觸發(fā)器1.功能描述

當CP=0時，觸發(fā)器不工作，觸發(fā)器處于維持狀態(tài)。當CP=1時，觸發(fā)器功能如下：

D=0,與非門D輸出為1，與非門C輸出為0，則Qn+1=0;

D=1，與非門D門輸出為0，C輸出為1，則Qn+1=1。表5–10D觸發(fā)器真值表DQnQn+1000010101111

當CP=0時，觸發(fā)器不工作，觸發(fā)器處于維持狀態(tài)。當CP=1時，觸發(fā)器功能如下：

D=0,與非門D輸出為1，與非門C輸出為0，則Qn+1=0;

D=1，與非門D門輸出為0，C輸出為1，則Qn+1=1。2.狀態(tài)表、狀態(tài)圖及特征方程Qn+1=D即觸發(fā)器向何狀態(tài)翻轉，由當前輸入控制函數D確定：D=0，則Qn+1=0;D=1，則Qn+1=1。如已知CP、D端波形，則D觸發(fā)器狀態(tài)波形如圖5-14(c)所示。圖5-14D觸發(fā)器狀態(tài)表、狀態(tài)圖、波形圖

(a)狀態(tài)表；(b)狀態(tài)圖；(c)波形圖5.2.4T觸發(fā)器從上述觸發(fā)器的功能可看出，當輸入條件決定的新狀態(tài)與原狀態(tài)一致時，CP信號到來時，觸發(fā)器狀態(tài)保持不變。而在實際中常常要求每來一個CP信號，觸發(fā)器必須翻轉一次，即原態(tài)是“0”則翻為“1”,原態(tài)為“1”則翻為“0”。這種觸發(fā)器稱為T觸發(fā)器。為了保證觸發(fā)器每來一個CP必須翻一次，在電路上應加反饋線，記住原來的狀態(tài)，并且導致必翻。在RS觸發(fā)器基礎上得到的T觸發(fā)器為對稱型，它加了反饋線a、b，由、接至R、S端。由D觸發(fā)器得到的T觸發(fā)器為非對稱型，它加了反饋線a，由端接至D端。如圖5－15所示。圖5–15T觸發(fā)器(a)對稱型；(b)非對稱型

1.功能描述

當CP=1時，功能如下：設原態(tài)Qn=0，經反饋線a使C門封閉，反饋線b使D門開啟。當計數脈沖T加進來(T=1)，D門輸出為0，C門輸出為1，則Q由“0”態(tài)翻為“1”態(tài)，Q翻為“0”態(tài)，翻轉一次。如原態(tài)為1，情況正好相反，反饋線使C門開啟，D門關閉，C門輸出為0，D門輸出為1。則當T=1時，觸發(fā)器Q端由1翻為0，Q

端由0翻為1，翻轉一次。其真值表如表5-11所示。表5-11T觸發(fā)器真值表TQnQn+1000011101110

5.2.5

JK觸發(fā)器

JK觸發(fā)器是一種多功能觸發(fā)器。它具有RS觸發(fā)器和T觸發(fā)器的功能。正因為如此，集成觸發(fā)器產品主要是JK觸發(fā)器和D觸發(fā)器。

JK觸發(fā)器也是一種雙輸入端觸發(fā)器，將圖5－15的T端斷開，分別作為J、K輸入端即可,如圖517所示。圖5－17

JK觸發(fā)器表5–12JK觸發(fā)器真值表JKQnQn+1說明JKQnQn+1說明00000101保持10010111置“1”01001100置“0”11011110必翻2.狀態(tài)表、狀態(tài)圖及特征方程由于對稱型和非對稱型其功能均相同，因此，具有相同的真值表、狀態(tài)表、狀態(tài)圖和特征方程。狀態(tài)表和狀態(tài)圖如圖5－16所示,其特征方程為圖5–18JK觸發(fā)器狀態(tài)表和狀態(tài)圖5.2.6基本觸發(fā)器的空翻和振蕩現象

以RS觸發(fā)器為例。設起始態(tài)Q=0。正常情況，CP=1期間，R=0,S=1，則C=1,D=0使觸發(fā)器產生置位動作，Q=1,Q=0。當S和R均發(fā)生變化，即R=1,S=0，如圖5-19所示，對應時刻t使D從0回到1，C由1回到0，觸發(fā)器又回到Q=0,Q=1狀態(tài)，這就稱為空翻現象。圖5–19觸發(fā)器的空翻現象2.振蕩現象圖5–20T觸發(fā)器

設Q=0,Q=1，當CP=1時，經過tpd時間使D門輸出為0，再經一個tpd后，Q=0，新狀態(tài)經反饋線又反饋到C,D門的輸入端。如CP脈沖仍存在將產生振蕩；如CP脈沖消失，新狀態(tài)反饋回來對觸發(fā)器無影響，克服了振蕩。因此，要求新狀態(tài)反饋回來以前，CP脈沖必須消失，即要求CP脈沖寬度應小于3tpd。是不是CP脈沖寬度越小越好呢?也不是，因為CP脈沖寬度一定要保證觸發(fā)器可靠地翻轉，故要求其脈沖寬度大于2tpd，也就是要求CP脈沖寬度滿足下式要求：5.3集成觸發(fā)器5.3.1維持阻塞觸發(fā)器維持阻塞觸發(fā)器是利用電路內部的維持阻塞線產生的維持阻塞作用來克服空翻的。維持是指在CP期間，輸入發(fā)生變化的情況下，使應該開啟的門維持暢通無阻，使其完成預定的操作。阻塞是指在CP期間，輸入發(fā)生變化的情況下，使不應開啟的門處于關閉狀態(tài)，阻止產生不應該的操作。維持阻塞觸發(fā)器一般是在CP脈沖的上升沿接收輸入控制信號并改變其狀態(tài)。其它時間均處于保持狀態(tài)。以D維持阻塞觸發(fā)器為例。其邏輯符號如圖521(a)所示，CP端加有符號“>”，表示邊沿觸發(fā)，不加“>”表示電平觸發(fā)。CP輸入端加了“>”且加了“”表示下降沿觸發(fā)；不加“”表示上升沿觸發(fā)。如已知CP和輸入控制信號，設起始狀態(tài)Q=0，則其波形關系如圖5－21(b)所示。圖5–21維持阻塞觸發(fā)器(a)邏輯符號；(b)波形圖5.3.2邊沿觸發(fā)器邊沿觸發(fā)器是利用電路內部門電路的速度差來克服“空翻”的。一般邊沿觸發(fā)器多采用CP脈沖的下降沿觸發(fā)，也有少數采用上升沿觸發(fā)方式。邊沿觸發(fā)的JK觸發(fā)器的邏輯符號如圖5－22(a)所示。如已知CP和輸入控制端，設觸發(fā)器起始狀態(tài)Q=0，則波形