大学数电触发器课件

1、大学数电触发器课件1 第五章第五章 触发器触发器 第一节第一节 概述概述 触发器触发器:(:(Flip-Flop)Flip-Flop)能存储一位二进能存储一位二进 制信号的基本单元。用制信号的基本单元。用FFFF表示。表示。 特点：特点： 1 1，有两个稳定状态，用，有两个稳定状态，用0 0和和1 1表示；表示； 2，输入信号可改变其状态；，输入信号可改变其状态； 分类：分类： 按触发方式（电路结构）分：按触发方式（电路结构）分： SR锁存器（基本锁存器（基本RSFF）、电平触发（同步结构）、脉冲触发）、电平触发（同步结构）、脉冲触发 （主从结构）、边沿触发（边沿结构）。其中，（主从结构）、边

2、沿触发（边沿结构）。其中，SR锁存器无时钟锁存器无时钟 信号，本书未将其归入触发器，其他均有时钟信号。信号，本书未将其归入触发器，其他均有时钟信号。 按逻辑功能分：按逻辑功能分： SRFF、DFF、JKFF、TFF等。等。 学习要点：学习要点：分清触发器逻辑功能与触发方式（电路结构）的区别；分清触发器逻辑功能与触发方式（电路结构）的区别； 会画工作波形。会画工作波形。 3，输入信号撤消后，其改变后的状态可保留下来。，输入信号撤消后，其改变后的状态可保留下来。 【题题5.4】【】【5.9】 【题题5.12】 【题题5.18】 【题题5.28】选选 大学数电触发器课件2 第二节第二节 SR锁存器锁

3、存器(Set-Reset Latch) 一一.电路组成：电路组成： 用与非门和或非用与非门和或非 门均可构成，这里介门均可构成，这里介 绍与非门构成的电路。绍与非门构成的电路。 二二. 状态和输入信号状态和输入信号 触发器的状态：触发器的状态： 用用Q端的值表示。端的值表示。Q=1,Q =0为为1状态，反之为状态，反之为0状态。状态。 原状态：观察的时刻的状态（输入信号没改变）。记为原状态：观察的时刻的状态（输入信号没改变）。记为Q( Qn ) 。 新状态：输入信号变化后出现的状态。记为新状态：输入信号变化后出现的状态。记为Q* (Qn+1 ) .也称次态。也称次态。 在分析电路原理时，要把原

4、状态作为已知条件，即把在分析电路原理时，要把原状态作为已知条件，即把Q 作为输作为输 入变量。入变量。 RD SD Q Q RD SD Q Q 大学数电触发器课件3 SD:Set(Direct)，置，置1端。端。 RD:Reset(Direct)，置，置0端。端。 高电平有效高电平有效 非号和输入端非号和输入端 的园圈均表示的园圈均表示 低电平有效低电平有效 S R Q Q SD RD l输入信号输入信号 RD SD Q Q RD SD Q Q S R QSD RD Q 大学数电触发器课件4 三三.工作原理工作原理 1 0 0 1 不论原状态如何，都有不论原状态如何，都有: 置置0 1 若：若

5、：Q=0,则则Q*=0 若：若：Q=1,则则Q*=1 置置1 保持保持 1 当两门当两门tPD相同时，将产生振荡；相同时，将产生振荡； 当两门当两门tPD相异时，新状态和延迟时间有关。相异时，新状态和延迟时间有关。 不定不定 从输入信号变化起，从输入信号变化起， 经经2tPD电路稳定。电路稳定。 电路有正反馈。电路有正反馈。 0 1 1 注意：若注意：若 SD 和和 RD同时由同时由0变为变为1： RD SD Q Q SD=1, RD=0 SD=0, RD=1 Q*=1 (略去略去Q端端) SD=1, RD=1 SD=0, RD=0 Q和和Q的次态都为的次态都为1； 不论原状态如何不论原状态如

6、何 1, 0 * QQ 这也是这也是“不定不定” 的原因的原因 显然显然SD, RD分别为置分别为置1和置和置0端，且端，且0有效。有效。 大学数电触发器课件5 SD RD Q 四四.动作特点动作特点 直接控制：输入信号直接控制：输入信号0有效；且直接控制输出端有效；且直接控制输出端Q和和Q 的状态。的状态。 工作波形：工作波形： RD SD Q Q 大学数电触发器课件6 用或非门构用或非门构 成的成的SR锁存器锁存器 也可用右表描述也可用右表描述 （表（表5.2.1）。）。 五五.逻辑功能的描述（见逻辑功能的描述（见5.6节）节） 1.特性表（表特性表（表5.2.2) 保保 持持 置置 1

7、清清 0 不不 定定 2.特性方程（见特性方程（见5.6节）节） 只需将表中的只需将表中的SD和和RD看作是该看作是该 触发器输入信号触发器输入信号SD和和RD的反变量即的反变量即 可。同时将表中的可。同时将表中的 1 改为 改为 0 ，同 ，同 时修改注释。时修改注释。 RD SD Q Q 1111 0011 0101 0001 1110 1010 100 000 Q*QRDSD 1 1 Q也为也为1 ;SD RD0状状 态同时消失后状态不定。态同时消失后状态不定。 11 110 10110100 Q SD RD QRSQ DD * 0 DD RS （约束条件）（约束条件） 大学数电触发器课

8、件7 3.状态转换图（参考状态转换图（参考5.6节）节） 简称：状态图简称：状态图 10 SD=0 RD=1 SD=1 RD=0 SD=1 RD=X SD=X RD=1 1111 0011 0101 0001 1110 1010 100 000 Q*QRDSD 1 1 大学数电触发器课件8 第三节第三节 电平触发的触发器电平触发的触发器 在数字系统中，常常要求某些触发器在同一时刻动作在数字系统中，常常要求某些触发器在同一时刻动作 （改变状态，也称为翻转）这就要求有同步信号，该信号（改变状态，也称为翻转）这就要求有同步信号，该信号 称为时钟信号称为时钟信号CLK,也可写为也可写为CP(Clock

9、 Pulse)。 G1和和G2门构成门构成SR锁存器锁存器。 用用G3和和G4两门引入时钟两门引入时钟 信号信号CLK。 一一.电路结构和工作原理电路结构和工作原理 1.电路结构电路结构 大学数电触发器课件9 2.工作原理工作原理 CLK=0时：时： G3、G4门均输出门均输出1, SR锁存器处锁存器处 在保持状态；输入信号在保持状态；输入信号S、R变变 化对状态无影响。化对状态无影响。 CLK=1时：时： G3、G4门打开门打开,此时电路就此时电路就 是一个是一个SR锁存器锁存器，只需把，只需把 输入信号输入信号S、R分别看作：分别看作： S = (SD), R = (RD) ;注意，输入信

10、号已无下标注意，输入信号已无下标D。 按上述规定，该触发器也满足按上述规定，该触发器也满足SR锁存器的特性表、特性方程和锁存器的特性表、特性方程和 状态图。显然状态图。显然S和和R都是都是1有效的。有效的。 一定要注意，只有一定要注意，只有CLK=1时，才能按特性表、特性方程求新时，才能按特性表、特性方程求新 状态。状态。 RD SD Q Q S R CLK G1 G2 G3 G4 大学数电触发器课件10 3.特性表、特性方程、波形图特性表、特性方程、波形图 二二.动作特点动作特点 l逻辑功能特点逻辑功能特点有约束有约束SR=0。 时钟时钟1有效，有效， CLK=0时保持的是时保持的是 时钟下

11、降沿前的状态；在时钟下降沿前的状态；在CLK=1期间，期间， S,R的变化都将引起的变化都将引起Q端状态的变化。端状态的变化。 因此易受干扰。因此易受干扰。 Q 也为也为1；CLK回回 到低电平后状态不定；到低电平后状态不定； 0 * SR QRSQ 见见5.6节节 请记录请记录 CLK S R Q Q 0 0 0 0 t t t t t 00X X0 11X X0 1 1 1 1 0 0 0 0 1101 1 111 1 011 1101 1001 0111 0011 0001 CLK S R Q Q* 大学数电触发器课件11 三三.异步置位、复位端（制成集成电路后增加的附加输入端）异步置位

12、、复位端（制成集成电路后增加的附加输入端） SD异步置位端、异步置位端、 RD异步复位端。只在时钟为异步复位端。只在时钟为0时有效，时有效， 且低电平有效，但不能同时有效，正常工作时应为且低电平有效，但不能同时有效，正常工作时应为1。 大学数电触发器课件12 四四.D触发器（触发器（D锁存器）锁存器） Q*= D 为了便于存储一位二进制数，要求触发器只有一个输入端。为了便于存储一位二进制数，要求触发器只有一个输入端。 其动作特点与电平触发的其动作特点与电平触发的SR触发器相同。触发器相同。 RD SD Q Q S R CLK G1 G2 G3 G4 D 显然其特性方程为：显然其特性方程为： 用

13、用CMOS传输门构成的电平触发器（图传输门构成的电平触发器（图5.3.5)留到留到5.5节介绍。节介绍。 如果要求一个时钟周期里触发器的状态只改变一次，则可使如果要求一个时钟周期里触发器的状态只改变一次，则可使 用脉冲触发的触发器。用脉冲触发的触发器。 大学数电触发器课件13 一一. SR触发器触发器 1.工作原理工作原理 用两个电平触发的用两个电平触发的SR触发器连成主从结构。触发器连成主从结构。 因此，该电路应具有因此，该电路应具有SRFF的逻辑功能。的逻辑功能。 CLK=1 时：时： 主触发器保持，此时可改变输入信号主触发器保持，此时可改变输入信号S,R； 从触发器工作，且从触发器工作，

14、且Q= Qm 主触发器工作，主触发器工作， 从触发器保持。保持从触发器保持。保持CLK=0时得到的主触发器的状态。时得到的主触发器的状态。 CLK=0 时：时： 第四节第四节 脉冲触发的触发器（主从触发器脉冲触发的触发器（主从触发器Master-slave) 0 * SR QRSQ mm SS RS Q G1 G2 G3 G4 Q S R G5 G6 G7 G8 Qm Qm CLK 大学数电触发器课件14 分析可知：主从触发器的工作是分分析可知：主从触发器的工作是分 两步走的在两步走的在CLK上升沿开始的高电上升沿开始的高电 平期间，主触发器改变状态；在平期间，主触发器改变状态；在CLK下下

15、降沿到来时，从触发器改变状态。显然，降沿到来时，从触发器改变状态。显然， 触发器在触发器在CLK下降沿翻转。下降沿翻转。 逻辑符号逻辑符号 CLK Q SS RS Q G1 G2 G3 G4 Q S R G5 G6 G7 G8 Qm Qm 大学数电触发器课件15 1 0 0 1 0 0 0 0 1 1 1 1 0 SS RS Q G1 G2 G3 G4 Q S R G5 G6 G7 G8 Qm Qm CLK 2.动作特点动作特点 在逻辑功能方面：有约束。在逻辑功能方面：有约束。 在整个在整个CLK=1期间输入信号都控制主触发器的状态（这是脉冲期间输入信号都控制主触发器的状态（这是脉冲 触发方式

16、的触发方式的SRFF的特点）的特点） ； 无直接控制，翻转分两步走（这是脉冲触发方式的特点）；无直接控制，翻转分两步走（这是脉冲触发方式的特点）； 看一下输入一个完整的看一下输入一个完整的CLK脉冲时电脉冲时电 路的工作过程（设初始状态为路的工作过程（设初始状态为0）：）： 大学数电触发器课件16 Qm Q Q Qm CLK 3.特性表，时序图特性表，时序图时序图见图时序图见图5.4.2 QQ* 5.4.1 1 1 大学数电触发器课件17 二二. JK触发器触发器 1.工作原理工作原理 目的：消除约束条件；目的：消除约束条件； 增加翻转功能。增加翻转功能。 S=J Q R=KQ 约束条件自动满

17、足：约束条件自动满足： 2.特性表，时序图，状态图特性表，时序图，状态图 QRSQ* QKJQ QKQJQ )( 0KQJQSR CLK Q Q J G7 CLK J K SS RS Q QS R Qm Qm CLK 大学数电触发器课件18 Q 10 J=1,K=X J=X,K=1 J=0 K=X J=X K=0 表5.4.2 Q* Q Q 翻翻 转转 置置 0 置置 1 保保 持持 表5.4.2 Q* Q Q 大学数电触发器课件19 3.动作特点动作特点 翻转分为两步走（这是脉冲触发方式的特点）；翻转分为两步走（这是脉冲触发方式的特点）； CLK=1期间，主触发器只能翻转一次。此现象称为期间

18、，主触发器只能翻转一次。此现象称为“一次变化一次变化” （这是脉冲触发方式的（这是脉冲触发方式的JKFF的特点）的特点） 。 当原状态为当原状态为0时，若时，若 CLK=1时有时有J=1出现，则主触出现，则主触 发器为发器为1状态；状态； 当原状态为当原状态为1时，若时，若 CLK=1时有时有K=1出现，则出现，则 主触发器为主触发器为0状态。状态。 规律：规律： 图图5.4.6 因此，上面两句话要记住。因此，上面两句话要记住。 大学数电触发器课件20 带异步置带异步置0、置、置1端的脉冲端的脉冲JK触发器：异步输入端的作用与电触发器：异步输入端的作用与电 平平SRFF类似，在符号中的表示方法

19、也相同。类似，在符号中的表示方法也相同。 多输入端的情况：多输入端的情况： & & 1J 1K C1 Q Q J1 J2 K2 K1 CLK 1J 1K C1 Q Q J1 J2 K2 K1 CLK 逻辑关系为：逻辑关系为：J=J1J2 ， K=K1K2 欲提高抗干扰能力必须让输入信号只在时钟信号的某个边欲提高抗干扰能力必须让输入信号只在时钟信号的某个边 沿起作用边沿触发的触发器。沿起作用边沿触发的触发器。 大学数电触发器课件21 第五节第五节 边沿触发的触发器边沿触发的触发器 一一.用两个电平触发用两个电平触发D触发器构成触发器构成 触发器的次态只取决于时钟信号上升沿（或下降沿）到达触发器的

20、次态只取决于时钟信号上升沿（或下降沿）到达 时刻的输入信号的状态。时刻的输入信号的状态。 显然，显然， 触发器的次态只取决于时钟信号上升沿到触发器的次态只取决于时钟信号上升沿到 达时刻的输入信号达时刻的输入信号D的状态，与其他时刻的的状态，与其他时刻的D值无关。值无关。 目前在目前在CMOS集成电路中主要采集成电路中主要采 用这种电路结构形式制作边沿触发器。用这种电路结构形式制作边沿触发器。 请看请看CMOS边沿触发器：边沿触发器： 图图5.5.1(a) 可统称为边沿结构。可统称为边沿结构。 它有三种构成方式：它有三种构成方式：1. 用两个电平触发用两个电平触发D触发器触发器 构成。构成。2.

21、维持阻塞结构。维持阻塞结构。 3.利用门电路传输延迟利用门电路传输延迟 时间构成。我们只介绍时间构成。我们只介绍 第一种。第一种。 1.工作原理工作原理 原理与主从结构的触发器相同。原理与主从结构的触发器相同。 大学数电触发器课件22 CLK=1时，时， CLK=0时，时， TG1截止，截止，TG2导通。锁存数据。导通。锁存数据。 这是一个这是一个CLK=0有效的有效的D锁存器（见前页图锁存器（见前页图5.5.1(a)）。）。 （2）边沿）边沿D触发器触发器 连成主从结构即可。连成主从结构即可。 CLK=0时，时， 主触发器接收数据；主触发器接收数据； Q1 D 从触发器保持。从触发器保持。

22、CLK=1时，时， 主触发器保持；主触发器保持； 从触发器接收数从触发器接收数 据，且据，且Q=(Q1 ) =D 主触发器主触发器从触发器从触发器 请看主触发器：请看主触发器： TG1导通，导通，TG2截止。截止。 接收数据接收数据:Q1=D。 lCMOS边沿边沿D触发器工作原理：触发器工作原理： （1）电平触发）电平触发D锁存器锁存器 CLK=1 有效有效 大学数电触发器课件23 2.D触发器的特性表，特性方程，状态图和波形图触发器的特性表，特性方程，状态图和波形图 特性表：特性表： 特性方程：特性方程： Q*=D 状态图：状态图： 有异步输入端有异步输入端SD和和RD的边的边 沿沿DFF，

23、用这样符号表示：，用这样符号表示： 5.5.1 CLK Q QQ* Q CLK 三角形表示边沿触发，三角形表示边沿触发， 上升沿触发；上升沿触发；S、R 端无圆圈表示高电平端无圆圈表示高电平 有效。有效。 239页页 大学数电触发器课件24 波形图：波形图： 如果如果D端值在上端值在上 升沿时发生变化，则升沿时发生变化，则 上升沿前的上升沿前的D数据有数据有 效。即效。即向前看。向前看。 3.动作特点：动作特点： 触发器的次态只取决于时触发器的次态只取决于时 钟信号上升沿（或下降沿）到钟信号上升沿（或下降沿）到 达时刻的输入信号的状态。达时刻的输入信号的状态。 与两个输入端的主从结构与两个输入

24、端的主从结构 的触发器（的触发器（JKFF,SRFF）比，）比， 这种这种DFF只有一个只有一个D输入端，输入端， 没有没有“保持保持”功能，因此具有功能，因此具有 边沿触发的特点。边沿触发的特点。 大学数电触发器课件25 二二.维持阻塞触发器（维持阻塞触发器（D触发器）触发器） 1.工作原理工作原理 CP=0时时触发器保持。且有：触发器保持。且有： CP上升沿时上升沿时 电路按电路按RSFF动作。注意到上式，动作。注意到上式， 因此有因此有 Qn+1=D 研究一下研究一下CP上升沿到来后的情上升沿到来后的情 况，以判断它是不是边沿触发器：况，以判断它是不是边沿触发器： （1）若原来）若原来

25、D=0,则则G4=0,使使 得得D变为变为1无影响；无影响； （2）若原来）若原来 D=1,则则G4=1,但但 G3=0,使得使得D改变仍无影响；改变仍无影响； 将将2号线称为置号线称为置1阻塞线、置阻塞线、置0维持线；维持线； 将将1号线称为置号线称为置1维持线、维持线、3号线称为置号线称为置0阻塞线；阻塞线； 说明它是说明它是CP上升沿翻转的上升沿翻转的 边沿触发器。边沿触发器。 R S =D= D 大学数电触发器课件26 具有异步输入端和多输入端的维持阻塞具有异步输入端和多输入端的维持阻塞D触发器触发器 大学数电触发器课件27 三三.利用传输延迟时间的边沿触发器利用传输延迟时间的边沿触发

26、器 CP=0时，电路保持，例如时，电路保持，例如0状态；状态； CP变为变为1后，后，B，B两个门起作用，两个门起作用， 仍然保持；同时仍然保持；同时J,K的影响到达的影响到达 P和和 P点：点： P=J Q P=K Q CP下降沿到达时：下降沿到达时： 一方面一方面B，B门被封锁，门被封锁，A，A门起作用；门起作用； 另一方面，利用门另一方面，利用门G3、G4的延迟作用，的延迟作用， P和和P的值将维持一小段时间；的值将维持一小段时间； G3,G4门的延迟时间过后，门的延迟时间过后，P=P=1,但对状态无影响。但对状态无影响。 所以它是时钟下降沿翻转的边沿触发器。所以它是时钟下降沿翻转的边沿

27、触发器。 在这期间，门在这期间，门G1、G2构成基本构成基本RSFF,且且P=S ,P=R,代入代入RSFF的特的特 性方程性方程 Qn+1=S+RQn 有：有：Qn+1=JQn+KQnQn=JQn+KQn 大学数电触发器课件28 第六节第六节 触发器的逻辑功能及其描述方法触发器的逻辑功能及其描述方法 时钟触发器：在时钟信号作用时钟触发器：在时钟信号作用 下，根据输入信号改变状态的触发下，根据输入信号改变状态的触发 器。分为：器。分为： SRFF、JKFF、DFF、TFF、 FF。 T 一、触发器的逻辑功能一、触发器的逻辑功能 前三种已介绍过。下面介绍后两种。前三种已介绍过。下面介绍后两种。 1.T触发器触发器 特性方程：特性方程： 特性表：特性表： 状态图：状态图： 功能特点：功能特点： T=0时，保持；时，保持；T=1时，翻转。时，翻转。 逻辑符号：逻辑符号： Q Q* QTQ* Q 1T CLK 大学数电触发器课件29 Q CLK 特性方程：特性方程： JKFF中，当中，当J=K=T时，即为时，即为TFF（见上图）。（见上图）。 当当T=1时成为时成为TFF. 二、触发器逻辑功能表示方法二、触发器逻辑功能表示方法 特性表，特性方程，状态图特性表，特性方程，状态图,波形图。