第5章觸發(fā)器5.1概述5.2基本觸發(fā)器5.3鐘控觸發(fā)器5.4主從觸發(fā)器5.5邊沿觸發(fā)器 5.1概述

前面介紹的由門電路組成的各種電路均屬于組合邏輯電路。這些電路有一個(gè)共同特點(diǎn)，就是某一時(shí)刻的輸出完全取決于該時(shí)刻的輸入信號(hào)，而與電路以前的輸出狀態(tài)無關(guān)。該類電路不具有記憶保持功能。

在數(shù)字邏輯系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的功能，除了需要實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算的組合邏輯電路之外，還需要有能夠保存信息的邏輯器件，觸發(fā)器就是具有記憶功能、能實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)數(shù)字信息的最常用的一種基本單元電路。觸發(fā)器具有如下特性：

(1)觸發(fā)器有兩個(gè)互補(bǔ)的輸出Q和Q。

(2)觸發(fā)器有兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。將Q=1、Q=0稱為“1”狀態(tài)；而將Q=0、Q=1稱為“0”狀態(tài)。若輸入不變，觸發(fā)器必將處于其中一個(gè)穩(wěn)態(tài)，且保持不變。

(3)在一定輸入信號(hào)的作用下，觸發(fā)器可從一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變到另一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，并保持下去，直到下一次輸入發(fā)生變化時(shí)，才可能再次改變狀態(tài)。 5.2基本觸發(fā)器

5.2.1與非門組成的基本RS觸發(fā)器

1.電路結(jié)構(gòu)

由兩個(gè)與非門交叉耦合構(gòu)成的基本RS觸發(fā)器的邏輯電路圖及邏輯符號(hào)分別如圖5－2－1(a)、(b)所示。圖5－2－1與非門構(gòu)成的基本RS觸發(fā)器5.2.2基本RS觸發(fā)器功能的描述方法

1.狀態(tài)轉(zhuǎn)移真值表

將觸發(fā)器的次態(tài)Qn+1、現(xiàn)態(tài)Qn和輸入信號(hào)之間的邏輯關(guān)系用表格形式表示出來，這種表格就稱為狀態(tài)轉(zhuǎn)移真值表，簡稱狀態(tài)表。根據(jù)邏輯功能的分析，圖5－2－1(a)所示由與非門構(gòu)成的基本RS觸發(fā)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)移真值表如表5－2－1所示。表5－2－1基本RS觸發(fā)器狀態(tài)轉(zhuǎn)移真值表

2.特征方程(狀態(tài)方程)

描述觸發(fā)器邏輯功能的函數(shù)表達(dá)式稱為特征方程或狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程，簡稱狀態(tài)方程。由表5－2－1通過對圖5－2－2所示基本RS觸發(fā)器的卡諾圖進(jìn)行化簡，可得基本RS觸發(fā)器的特征方程為(5－2－1)其中為約束條件。圖5－2－2基本RS觸發(fā)器的卡諾圖圖5－2－3基本RS觸發(fā)器的狀態(tài)圖

3.狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖(狀態(tài)圖)與激勵(lì)表

狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖是用圖形方式來描述觸發(fā)器的邏輯功能。圖5－2－3為基本RS觸發(fā)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。圖中兩個(gè)圓圈分別表示觸發(fā)器的兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，箭頭表示在輸入信號(hào)作用下狀態(tài)轉(zhuǎn)移的方向，箭頭旁的標(biāo)注表示狀態(tài)轉(zhuǎn)移時(shí)的條件。

激勵(lì)表(也稱驅(qū)動(dòng)表)是表示觸發(fā)器由當(dāng)前狀態(tài)Qn轉(zhuǎn)至確定的下一狀態(tài)Qn+1時(shí)，對輸入信號(hào)的要求。由圖5－2－3可得基本RS觸發(fā)器的激勵(lì)表如表5－2－2所示。表5－2－2基本RS觸發(fā)器的激勵(lì)表

4.波形圖(時(shí)序圖)

波形圖能夠直觀地反映觸發(fā)器的輸出狀態(tài)隨時(shí)間和輸入信號(hào)變化的規(guī)律。圖5－2－4所示為基本RS觸發(fā)器的工作波形。圖中虛線部分表示狀態(tài)不確定。圖5－2－4與非門組成的基本RS觸發(fā)器波形圖5.2.3或非門組成的基本RS觸發(fā)器

1.電路結(jié)構(gòu)

由兩個(gè)或非門交叉耦合構(gòu)成的基本RS觸發(fā)器的邏輯電路圖及邏輯符號(hào)分別如圖5－2－5(a)、(b)所示。與前面的由與非門組成的基本RS觸發(fā)器相比，其輸入端信號(hào)RD、SD是高電平有效，所以邏輯符號(hào)的輸入端RD、SD不加小圓圈。圖5－2－5或非門構(gòu)成的基本RS觸發(fā)器

3.狀態(tài)轉(zhuǎn)移真值表(狀態(tài)表)

根據(jù)邏輯功能的分析，圖5－2－5(a)所示的由或非門構(gòu)成的基本RS觸發(fā)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)移真值表如表5－2－3所示。表5-2-3基本RS觸發(fā)器狀態(tài)轉(zhuǎn)移真值表

4.特征方程(狀態(tài)方程)

由表5－2－3通過對圖5－2－6所示基本RS觸發(fā)器的卡諾圖進(jìn)行化簡，可得基本RS觸發(fā)器的特征方程為圖5－2－6基本RS觸發(fā)器的卡諾圖觸發(fā)器的特征方程為（5-2-2）其中,SDRD=0為約束條件。

5.狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖(狀態(tài)圖)與激勵(lì)表

圖5－2－7為基本RS觸發(fā)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。圖中兩個(gè)圓圈分別表示觸發(fā)器的兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，箭頭表示在輸入信號(hào)作用下狀態(tài)轉(zhuǎn)移的方向，箭頭旁的標(biāo)注表示狀態(tài)轉(zhuǎn)移時(shí)的條件。

激勵(lì)表(也稱驅(qū)動(dòng)表)是表示觸發(fā)器由當(dāng)前狀態(tài)Qn轉(zhuǎn)至確定的下一狀態(tài)Qn+1時(shí)，對輸入信號(hào)的要求。由圖5－2－7可得基本RS觸發(fā)器的激勵(lì)表如表5－2－4所示。圖5－2－7基本RS觸發(fā)器的狀態(tài)圖表5－2－4基本RS觸發(fā)器的激勵(lì)表

6.波形圖

波形圖能夠直觀地反映觸發(fā)器的輸出狀態(tài)隨時(shí)間和輸入信號(hào)變化的規(guī)律。圖5－2－8所示為基本RS觸發(fā)器的工作波形。圖中虛線部分表示狀態(tài)不確定。圖5－2－8或非門組成的基本RS觸發(fā)器波形圖 5.3鐘控觸發(fā)器

5.3.1鐘控RS觸發(fā)器

鐘控RS觸發(fā)器是在基本RS觸發(fā)器基礎(chǔ)上加兩個(gè)與非門構(gòu)成的，其邏輯電路及邏輯符號(hào)分別如圖5－3－1(a)、(b)所示。圖中C、D兩個(gè)與非門構(gòu)成觸發(fā)引導(dǎo)電路，R為置0端，S為置1端，CP為時(shí)鐘輸入端。圖5－3－1鐘控RS觸發(fā)器由圖5－3－1(a)看出，其中基本RS觸發(fā)器的輸入函數(shù)為(5－3－1)(5－3－2)其中RS=0為約束條件。

CP=1時(shí)，鐘控RS觸發(fā)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)移真值表、激勵(lì)表分別如表5－3－1和表5－3－2所示，狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖和波形圖分別如圖5－3－2和圖5－3－3所示。鐘控RS觸發(fā)器是在R和S分別為1時(shí)清“0”和置“1”，稱R、S高電平有效，所以邏輯符號(hào)的輸入端R、S及CP不加小圓圈。表5－3－1鐘控RS觸發(fā)器狀態(tài)轉(zhuǎn)移真值表表5－3－2鐘控RS觸發(fā)器的激勵(lì)表圖5－3－2鐘控RS觸發(fā)器的狀態(tài)圖圖5－3－3鐘控RS觸發(fā)器的波形圖從以上分析可以看出，鐘控RS觸發(fā)器的特點(diǎn)是：CP以高電平為有效信號(hào)，在CP=1的全部時(shí)間內(nèi)，輸出始終會(huì)跟隨輸入信號(hào)的變化而改變，輸出狀態(tài)可以隨輸入狀態(tài)的變化而多次翻轉(zhuǎn)，而在CP=0期間輸出狀態(tài)保持不變。這就是電位觸發(fā)方式的動(dòng)作特點(diǎn)，鐘控觸發(fā)器屬于電位觸發(fā)的觸發(fā)器，它克服了基本觸發(fā)器的不足，利用時(shí)鐘脈沖信號(hào)CP來選通控制。

需要強(qiáng)調(diào)的是CP只是一個(gè)操作信號(hào)，并不是一個(gè)輸入邏輯變量，它的作用只是引發(fā)電路動(dòng)作，而動(dòng)作的結(jié)果還要由R、S和Q的狀態(tài)決定。如果CP以低電平為有效信號(hào)，則應(yīng)在CP的輸入端加小圓圈。5.3.2鐘控D觸發(fā)器

為了解決R、S之間的約束問題，可以將圖5－3－1(a)鐘控RS觸發(fā)器的R端接至D門的輸出端，并將S改為D，便構(gòu)成了圖5－3－4(a)所示的鐘控D觸發(fā)器，其邏輯符號(hào)如圖5－3－4(b)所示。圖5－3－4(a)中，門A和B組成基本觸發(fā)器，門C和D組成觸發(fā)引導(dǎo)門?；居|發(fā)器的輸入為(5－3－3)(5－3－4)圖5－3－4鐘控D觸發(fā)器圖5－3－5鐘控D觸發(fā)器的狀態(tài)圖5.3.3鐘控JK觸發(fā)器

鐘控JK觸發(fā)器的邏輯電路及邏輯符號(hào)分別如圖5－3－6(a)、(b)所示。它在鐘控RS觸發(fā)器的基礎(chǔ)上，從輸出端Q和Q引出兩條反饋線加到門G4和G3的輸入端，并把S和R分別用J和K來表示而得到的，這時(shí)等效的R、S輸入信號(hào)為：S=JQn，R=KQn?；居|發(fā)器的輸入為(5－3－5)由于，因此約束條件自動(dòng)滿足。圖5－3－6鐘控JK觸發(fā)器表5－3－6鐘控JK觸發(fā)器的激勵(lì)表

圖5－3－7鐘控JK觸發(fā)器的狀態(tài)圖5.3.4鐘控T觸發(fā)器和T′觸發(fā)器

鐘控T觸發(fā)器的邏輯電路及符號(hào)分別如圖5－3－8(a)、(b)所示。從圖中看出，它是將鐘控JK觸發(fā)器的J和K連在一起，改作T，作為輸入信號(hào)而構(gòu)成的。代入JK觸發(fā)器的特征方程得出鐘控T觸發(fā)器的特征方程為(5－3－7)

同理可以得到鐘控T觸發(fā)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)移真值表(見表5－3－7)、激勵(lì)表(見表5－3－8)和狀態(tài)圖(見圖5－3－9)。圖5－3－8鐘控T觸發(fā)器表5－3－7鐘控T觸發(fā)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)移真值表表5－3－8鐘控T觸發(fā)器的激勵(lì)表圖5－3－9鐘控T觸發(fā)器的狀態(tài)圖

如果T觸發(fā)器的輸入端恒接高電平1，則成為T′觸發(fā)器。顯然T′觸發(fā)器的特征方程為(5－3－8)它的邏輯功能只有一種，即翻轉(zhuǎn)。5.3.5電位觸發(fā)方式的工作特點(diǎn)

以上介紹的鐘控觸發(fā)器均為電位觸發(fā)方式的觸發(fā)器。它們的特點(diǎn)是，在約定鐘控信號(hào)電平(CP=1或0)期間，觸發(fā)器的狀態(tài)對輸入信號(hào)敏感，輸入信號(hào)的變化都會(huì)引起觸發(fā)器的狀態(tài)變化。而在非約定鐘控信號(hào)電平(CP=0或1)期間，不論輸入信號(hào)如何變化，都不會(huì)影響輸出，觸發(fā)器的狀態(tài)維持不變。但是必須指出，這種電位觸發(fā)方式，對于T′觸發(fā)器、T觸發(fā)器當(dāng)T=1及JK觸發(fā)器當(dāng)J=K=1時(shí)，它們的狀態(tài)轉(zhuǎn)移為Qn+1=Qn，當(dāng)在CP=1且脈沖寬度較寬時(shí)，觸發(fā)器將會(huì)出現(xiàn)連續(xù)不停的多次翻轉(zhuǎn)。

如果要求每來一個(gè)CP脈沖觸發(fā)器僅發(fā)生一次翻轉(zhuǎn)，則對鐘控信號(hào)約定電平的寬度要求是極為苛刻的。為了避免多次翻轉(zhuǎn)，必須采用其他的電路結(jié)構(gòu)，解決多次翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象的方法是采用下面要介紹的主從觸發(fā)器和邊沿觸發(fā)器等。 5.4主從觸發(fā)器

圖5－4－1主從RS觸發(fā)器

2.主從RS觸發(fā)器的工作原理

(1)在CP由0正向跳變至1及CP=1期間，主觸發(fā)器工作，接收S、R端的輸入信息，其狀態(tài)方程為(5－4－1)所以主觸發(fā)器還存在多次翻轉(zhuǎn)的可能；而從觸發(fā)器的時(shí)鐘信號(hào)CP由1變?yōu)?，從觸發(fā)器被封鎖，因此觸發(fā)器狀態(tài)保持不變。(5－4－2)

(3)在CP=0期間，主觸發(fā)器被封鎖，輸出狀態(tài)保持不變，從觸發(fā)器的時(shí)鐘信號(hào)CP=1，但由于主觸發(fā)器輸出狀態(tài)保持不變，這使得從觸發(fā)器的輸入不變，所以從觸發(fā)器保持上述動(dòng)作后的輸出狀態(tài)不變，不會(huì)出現(xiàn)兩次以上的翻轉(zhuǎn)，這就克服了多次翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象。

由以上分析可得主從RS觸發(fā)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)移真值表如表5－4－1所示，波形圖如圖5－4－2所示。表5－4－1主從RS觸發(fā)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)移真值表圖5-4-2主從RS觸發(fā)器的波形圖圖5－4－3主從JK觸發(fā)器5.4.2主從JK觸發(fā)器

1.主從JK觸發(fā)器的工作原理

主從JK觸發(fā)器的邏輯電路及邏輯符號(hào)如圖5－4－3(a)、(b)所示。它是在主從RS觸發(fā)器的基礎(chǔ)上，從輸出端Q和引出兩條反饋線加到門G7和G8的輸入端，并把S和R分別用J和K來表示而得到的，這時(shí)等效的S、R輸入信號(hào)為：將其代人式(5-4-2)，即可得到主從JK觸發(fā)器的狀態(tài)方程為(5－4－3)表5－4－2主從JK觸發(fā)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)移真值表圖5－4－4主從JK觸發(fā)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖圖5－4－5主從JK觸發(fā)器的波形圖2.主從JK觸發(fā)器的一次翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象

主從JK觸發(fā)器雖然防止了多次翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象，但還存在一次翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象，可能會(huì)使觸發(fā)器產(chǎn)生錯(cuò)誤動(dòng)作。所謂一次翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象,是指在CP=1期間，主觸發(fā)器接收了輸入激勵(lì)信號(hào)發(fā)生一次翻轉(zhuǎn)后，主觸發(fā)器狀態(tài)就一直保持不變，它不再隨輸入激勵(lì)信號(hào)J、K的變化而變化。在CP=1期間主觸發(fā)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程為(5－4－4)(5－4－5)圖5－4－6主從JK觸發(fā)器的工作波形圖

3.集成主從JK觸發(fā)器

圖5－4－7集成主從JK觸發(fā)器的邏輯符號(hào)表5－4－3集成主從JK觸發(fā)器的功能表

4.主從JK觸發(fā)器的脈沖工作特性

下面以圖5－4－3所示電路為例來說明觸發(fā)器工作時(shí)，對時(shí)鐘CP及激勵(lì)信號(hào)J、K的要求。

(1)時(shí)鐘CP由0上跳至1及CP=1的準(zhǔn)備階段，要完成主觸發(fā)器狀態(tài)的正確轉(zhuǎn)移，則要求：

①在CP上跳沿到達(dá)時(shí)，J、K信號(hào)已處于穩(wěn)定狀態(tài)，且在CP=1期間，J、K信號(hào)不發(fā)生變化；②從CP上升沿抵達(dá)到主觸發(fā)器狀態(tài)變化穩(wěn)定，需要經(jīng)歷兩級與非門的延遲時(shí)間，即2tpd，因此要求CP=1的持續(xù)期tCPH≥2tpd。

(2)CP由1下跳至0時(shí)，主觸發(fā)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)移至從觸發(fā)器。從CP下跳沿開始，到從觸發(fā)器狀態(tài)轉(zhuǎn)變完成，也需經(jīng)歷三級與非門的延遲時(shí)間，即3tpd，因此要求CP=0的持續(xù)期tCPL≥3tpd。在此期間主觸發(fā)器已被封鎖，因而J、K信號(hào)可以變化。

(3)為了保證觸發(fā)器能可靠地進(jìn)行狀態(tài)變化，允許時(shí)鐘信號(hào)的最高工作頻率為(5－4－6)由于各種集成主從觸發(fā)器結(jié)構(gòu)有所不同，故最高工作頻率也有所不同。主從觸發(fā)器在CP=1時(shí)為準(zhǔn)備階段,CP由1下跳變至0時(shí)觸發(fā)器狀態(tài)發(fā)生轉(zhuǎn)移，因此它是一種脈沖觸發(fā)方式,而狀態(tài)的轉(zhuǎn)移發(fā)生在CP下降沿時(shí)刻。 5.5邊沿觸發(fā)器

5.5.1維持－阻塞D觸發(fā)器

1)電路工作原理維持－阻塞式D觸發(fā)器的邏輯電路及邏輯符號(hào)分別如圖5－5－1(a)、(b)所示。它是由鐘控RS觸發(fā)器,引導(dǎo)門,置0、1維持和置0、1阻塞4條連線組成的。圖中，RD、SD為直接置0、置1端，其工作不受CP控制，因此也稱異步置0、置1端。圖5－5－1維持－阻塞式D觸發(fā)器的功能表綜上所述，維持－阻塞式D觸發(fā)器是在CP上升沿到達(dá)前接收輸入信號(hào),在上升沿到達(dá)時(shí)刻觸發(fā)器翻轉(zhuǎn),在上升沿到達(dá)以后輸入被封鎖。因此，維持－阻塞式D觸發(fā)器具有邊沿觸發(fā)的功能，并有效地防止了空翻。維持－阻塞式D觸發(fā)器的狀態(tài)方程為(5－5－1)

維持—阻塞式D觸發(fā)器的功能表為表5-5-1所示，集成維持—阻塞式D觸發(fā)器的邏輯符號(hào)如圖5-5-2所示。表5-5-1維持—阻塞式D觸發(fā)器功能表圖5－5－2集成維持－阻塞式D觸發(fā)器的邏輯符號(hào)2)脈沖工作特性

由圖5－5－1可知，維持－阻塞式D觸發(fā)器的工作分為兩個(gè)階段：CP=0期間為準(zhǔn)備階段，CP由0變至1時(shí)為觸發(fā)器的狀態(tài)變化階段。為了使觸發(fā)器可靠工作，必須要求：

(1)CP=0期間，必須把輸入信號(hào)送至5、6門的輸出，在CP上升沿到達(dá)之前建立穩(wěn)定狀態(tài)，它需要經(jīng)歷兩個(gè)與非門的延遲時(shí)間，稱為建立時(shí)間tset(tset=2tpd)。在tset內(nèi)要求D信號(hào)保持不變，且CP=0的持續(xù)時(shí)間tCPL≥2tpd。

(2)在CP由0變至1及CP脈沖前沿到達(dá)后，要達(dá)到維持－阻塞作用，必須使SD′或RD′由1變?yōu)?，需要經(jīng)歷一個(gè)與非門延遲時(shí)間，在這段時(shí)間內(nèi)信號(hào)D不應(yīng)變化，這段時(shí)間稱為保持時(shí)間th(th=tpd)。

(3)從CP由0變至1開始，直至觸發(fā)器狀態(tài)穩(wěn)定建立，需要經(jīng)歷SD′或RD′信號(hào)的建立和基本觸發(fā)器狀態(tài)翻轉(zhuǎn)時(shí)間，這需要三級與非門的延遲時(shí)間，因此要求CP=1的持續(xù)時(shí)間tCPH≥3tpd。

(4)為使維持－阻塞式D觸發(fā)器可靠工作，CP的最高工作頻率為(5－5－2)

由于維持－阻塞式D觸發(fā)器只要求輸入信號(hào)D在CP上升沿前后很短時(shí)間(tset+th=3tpd)內(nèi)保持不變，而在CP=0及CP=1的其余時(shí)間內(nèi)，無論輸入信號(hào)如何變化，都不會(huì)影響輸出狀態(tài)，因此，它的數(shù)據(jù)輸入端具有較強(qiáng)的抗干擾能力，且工作速度快，故應(yīng)用較廣泛。圖5－5－3為維持－阻塞式D觸發(fā)器工作波形圖。圖5－5－3維持－阻塞式D觸發(fā)器的工作波形圖5.5.2下降沿觸發(fā)的邊沿觸發(fā)器——負(fù)邊沿JK觸發(fā)器

圖5－5－4是利用門傳輸延遲時(shí)間構(gòu)成的負(fù)邊沿JK觸發(fā)器邏輯電路。圖中的兩個(gè)與或