第5章锁存器和触发器

1、2022-2-315 锁存器和触发器5.1 双稳态存储单元电路双稳态存储单元电路5.2 锁存器锁存器5.3 触发器的电路结构和工作原理触发器的电路结构和工作原理5.4 触发器的逻辑功能触发器的逻辑功能2022-2-32教学基本要求1、掌握锁存器、触发器的电路结构和工作原理2、熟练掌握SR触发器、JK触发器、D触发器及T 触发器的逻辑功能3、正确理解锁存器、触发器的动态特性2022-2-33锁存器与触发器锁存器与触发器共同点：共同点：具有具有0 和和1两个稳定状态，一旦状态被确定，就能自行两个稳定状态，一旦状态被确定，就能自行保持。一个锁存器或触发器能存储一位二进制码。保持。一个锁存器或触发器能

2、存储一位二进制码。 不同点：不同点：锁存器锁存器-对脉冲电平敏感的对脉冲电平敏感的存储电存储电路，在特定输入脉冲电平作用下改路，在特定输入脉冲电平作用下改变状态。变状态。触发器触发器-对脉冲边沿敏感对脉冲边沿敏感的存储电的存储电路，在时钟脉冲的上升沿或下降沿路，在时钟脉冲的上升沿或下降沿的变化瞬间改变状态。的变化瞬间改变状态。 E E CP CP 2022-2-345.1 双稳态存储单元电路5.1.1 双稳态的概念双稳态的概念5.1.2 双稳态存储单元电路双稳态存储单元电路2022-2-355.1 双稳态存储单元电路5.1.1 双稳态的概念双稳态的概念 稳稳态态稳稳态态介介稳稳态态 1 Q Q

3、 1 G1 G2 2022-2-36 1 Q Q 1 G1 G2 反馈反馈5.1.2 双稳态存储单元电路双稳态存储单元电路 Q端的状态定义为电路输出状态。端的状态定义为电路输出状态。电路有两个互补的输出端电路有两个互补的输出端1. 1. 电路结构电路结构 2022-2-372 2、数字逻辑分析、数字逻辑分析电路具有记忆电路具有记忆1 1位二进制数据的功能。位二进制数据的功能。 如如 Q = 1如如 Q = 0 1 1 Q Q G1 G2 VO1 VO2 VI1 VI2 10011 1 1 Q Q G1 G2 VO1 VO2 VI1 VI2 011002022-2-385.2.1 SR SR 锁

4、存器锁存器5.2 5.2 锁存器锁存器5.2.1 D D 锁存器锁存器2022-2-395.2.1 SR SR 锁存器锁存器5.2 锁存器锁存器 1 1 Q Q R G1 G2 1 1 S +VDD T4 T2 T6 T5 T1 T3 Q Q S R 或或非非门门 G1 或或非非门门 G2 基本基本SRSR锁存器锁存器初态：初态：R、S信号作用前信号作用前Q端的端的状态，状态，初态初态用用Q n表示。表示。次态：次态：R、S信号作用后信号作用后Q端的端的状态状态次态次态用用Q n+1表示。表示。2022-2-3101) 工作原理工作原理R=0、S=0状态不变状态不变0 00 0若初态若初态 Q

5、 n = 11 10 01 1 1 1 Q Q R G1 G2 1 1 S 若初态若初态 Q n = 00 01 10 00 00 0 1 1 Q Q R G1 G2 1 1 S 2022-2-311无论初态无论初态Q n为为0或或1，锁存器的次态为，锁存器的次态为1态。态。 信号消失后信号消失后新的状态将被记忆下来。新的状态将被记忆下来。 S 1 Q Q 1 R G1 G2 0 01 1若若初态初态 Q n = 11 10 01 1 S 1 Q Q 1 R G1 G2 若初态若初态 Q n = 00 01 10 00 01 10 0R=0、S=1置置12022-2-312无论初态无论初态Q

6、n为为0或或1，锁存器的次态为，锁存器的次态为0态。态。 信号消失后信号消失后新的状态将被记忆下来。新的状态将被记忆下来。 S 1 Q Q 1 R G1 G2 1 10 0若若初态初态 Q n = 11 11 10 0若初态若初态 Q n = 0 S 1 Q Q 1 R G1 G2 1 10 00 01 10 01 1R=1 、 S=0置置02022-2-313 S 1 Q Q 1 R G1 G2 1 11 10 00 0S=1 、 R=1无论初态无论初态Q n为为0或或1，触发器的次态，触发器的次态 、 都为都为0 。nQnQ状态不确定状态不确定约束条件约束条件: SR = 0当当S、R 同

7、时回到同时回到0时，由于两个与非时，由于两个与非门的延迟时间无法确定，使得触发器门的延迟时间无法确定，使得触发器最终稳定状态也不能确定。最终稳定状态也不能确定。触发器的输出既不是触发器的输出既不是0态，也不是态，也不是1态态2022-2-3142）工作波形）工作波形 S R Q Q 置置 1 置置 0 2022-2-315 1 1 Q Q R S 3 3）用与非门构成的基本用与非门构成的基本SR锁存器锁存器、 S Q Q R R S c.国标逻辑符号国标逻辑符号a.电路图电路图b.b.功能表功能表 RSQ1 110010100101不变不变1 11不变不变Q约束条件约束条件: S +R = 1

8、2022-2-316 例例 运用基本运用基本SR锁存器消除机械开关触点抖动引起的脉冲输出。锁存器消除机械开关触点抖动引起的脉冲输出。 R vO t0 t1 vO t0 t1 t +5V +5V 2022-2-317 100k A B Q 1 2 74HC T00 R S 100k S +5V +5V R S Q 2022-2-3185.2.2 D D 锁存器锁存器1. 1. 逻辑门控逻辑门控D D锁存器锁存器 1D E1 Q Q E D 国标逻辑符号国标逻辑符号 R E D & & 1 1 1 1 G3 G1 G2 G4 Q4 Q3 Q Q S 1 1 G5 逻辑电路图逻辑电路

9、图2022-2-319 R E D & & 1 1 1 1 G3 G1 G2 G4 Q4 Q3 Q Q S 1 1 G5 =S Q3 =0 Q4=1D=0Q = 0D=1Q = 1E=0不变不变E=1= DD D锁存器的功能表锁存器的功能表置置10111置置01001保持保持不变不变不不变变0功能功能QDEQ逻辑逻辑功能功能 Q3 =1 Q4=02022-2-3202. 传输门控传输门控D D锁存器锁存器 1 1 TG2 TG1 1 1 G1 G2 G4 G3 E C Q Q C C C D C C 1 1 G1 TG2 G2 Q Q TG1 D 1 1 G1 TG2 G2 Q

10、 Q TG1 D (c) E=0时时(b) E=1时时(a) (a) 电路结构电路结构CTG2导通，导通，TG1断开断开 TG1导通，导通，TG2断开断开Q = DQ 不变不变2022-2-321 1 1 TG TG 1 1 G1 TG2 G2 G4 G3 E C Q Q C C C TG1 D C C (c) 工作波形工作波形 D E Q Q Q初始状态为初始状态为02022-2-3223. D3. D锁存器的动态特性锁存器的动态特性 定时图定时图: :表示电路动作过程中，对各输入信号的表示电路动作过程中，对各输入信号的时间要求以及输出对输入信号的响应时间。时间要求以及输出对输入信号的响应时

11、间。 D Q tSU tH tW TpLH E TpHL 2022-2-32374HC/HCT373 八八D锁存器锁存器 LE 1 1 OE 1 E 1 E 1 E Q1 Q7 Q0 D1 D7 D0 1D C1 C1 1 1D C1 C1 1D C1 C1 4. 4. 典型集成电路典型集成电路2022-2-32474HC/HCT373的功能表的功能表OE工作模式输 入内部锁存器状 态输 出LEDnQn使能和读锁存器（传送模式）LHLLLLHHHH锁存和读锁存器LLL*LLLLH*HH锁存和禁止输出H高阻H高阻L*和和H*表示门控电平表示门控电平LE由高变低之前瞬间由高变低之前瞬间Dn的逻辑电

12、平。的逻辑电平。2022-2-3255.3 5.3 触发器的电路结构和工作原理触发器的电路结构和工作原理5.3.1 主从触发器主从触发器5.3.2 维持阻塞触发器维持阻塞触发器*5.3.3 利用传输延时的触发器利用传输延时的触发器5.3.4 触发器的动态特性触发器的动态特性2022-2-3265.3 5.3 触发器的电路结构和工作原理触发器的电路结构和工作原理 1 1 TG TG TG2 Q C C C TG1 D C 主主锁锁存存器器 1 1 TG TG TG4 Q Q C C C TG3 C 从从锁锁存存器器 Q CP 1 C C G1 G4 G3 G2 主锁存器与从主锁存器与从锁存器结构

13、相同锁存器结构相同1. 电路结构电路结构5.3.1 主从触发器主从触发器TG1和和TG4工作状态相同工作状态相同TG2和和TG3工作状态相同工作状态相同2022-2-3272.2.工作原理：工作原理：TG1导通，导通，TG2断开断开输入信号输入信号D 送入主锁存器。送入主锁存器。TG3断开，断开，TG4导通导通从锁存器维持在原来的状态不变。从锁存器维持在原来的状态不变。 (1) CP=0(1) CP=0时时: : 1 1 TG TG TG2 Q C C C TG1 D C 主主锁锁存存器器 1 1 TG TG TG4 Q Q C C C TG3 C 从从锁锁存存器器 Q G1 G4 G3 G2

14、 C =1，C=0，Q 跟随跟随D端的状态变化，使端的状态变化，使Q =D。 CP 1 C C 2022-2-328工作原理：工作原理：(2) CP(2) CP由由0 0跳变到跳变到1 1 : : 1 1 TG TG TG2 Q C C C TG1 D C 主主锁锁存存器器 1 1 TG TG TG4 Q Q C C C TG3 C 从从锁锁存存器器 Q G1 G4 G3 G2 C =0，C=1， CP 1 C C 触发器的状态仅仅取决于触发器的状态仅仅取决于CP信号上升沿到达前瞬间的信号上升沿到达前瞬间的D信号信号 TG3导通，导通，TG4断开断开从锁存器从锁存器Q 的的信号送信号送Q端。端

15、。TG1断开，断开，TG2导通导通输入信号输入信号D 不能送入主锁存器。不能送入主锁存器。主锁存器主锁存器维持原态不变。维持原态不变。 2022-2-329。 1 TG TG TG2 C C C TG1 D C 1 TG TG TG4 Q Q C C C TG3 C 1 G3 1 1 1 G1 1 1 1 1 RD SD CP 1 C C G4 G2 3. 典型集成电路典型集成电路 74HC/HCT74 中中D触发器的逻辑图触发器的逻辑图2022-2-330 74HC/HCT74的功能表的功能表DSQDSDR1nQLHHHHHLLHHQn+1 DCPHHLLHLLHLHHL Q DCP输输 出

16、出输输 入入DR S C1 1D R S C2 2D R 1SD 1RD 1CP 1D 1Q 1Q 2SD 2RD 2CP 2D 2Q 2Q 国标逻辑符号国标逻辑符号74HC/HCT7474HC/HCT74的逻辑符号和功能表的逻辑符号和功能表具有直接置具有直接置1、直接置、直接置0，正边沿触发的，正边沿触发的D功能功能触发器触发器2022-2-3315.3.2 维持阻塞触发器维持阻塞触发器1.1. 电路结构与工作原理电路结构与工作原理 置置0维持线维持线响应输入响应输入D和和CP信号信号根据根据 确定确定触发器的状态触发器的状态 RS G1 & CP Q1 & G2 G3 &a

17、mp; & & G5 Q2 Q3 S R G4 Q4 D G6 Q Q & 2022-2-3324 CP = 0 2、工作原理 Qn+1=QnD D 信号进入触发器信号进入触发器, ,为状态刷新作好准备为状态刷新作好准备Q1 = DQ4= DD信号存于信号存于Q40 01 11 1D DD D G11 & C P Q1 & G2 G33 & & & G5 Q2 Q3 S R Q4 D G6 Q Q & G42022-2-3334 当当CPCP 由由0 0跳变为跳变为1 1 0 01 1D DD D G11 &C P

18、 Q1 & G2 G33 & & & G5 Q2 Q3 S R G4Q4 D G6Q Q & 1 10 00 0D DD DDQn 1在在CP脉冲的上升沿，触法器按此前脉冲的上升沿，触法器按此前的的D信号刷新信号刷新2022-2-334 当当CPCP =1 =1在在CP脉冲的上升沿到来瞬间使触发器的状态变化脉冲的上升沿到来瞬间使触发器的状态变化D信号不影响信号不影响 、 的状态，的状态，Q的状态不变的状态不变RS G11 & C P Q1 & G2 G33 & & & G5 Q2 Q3 S R G4Q4 D G6Q

19、 Q & 1 10 01 1置置1维持线维持线置置0 阻塞线阻塞线1 11 10 00 02022-2-3353. 3. 典型集成电路典型集成电路-74F74-74F74 & CP & & & & D Q Q & SD RD S C1 1D R SD RD CP D Q Q 2022-2-3365.3.3 利用传输延迟触发器利用传输延迟触发器1.1. 电路结构与工作原理电路结构与工作原理SR输入控制门输入控制门SR锁存器锁存器集成工艺上保证集成工艺上保证G7和和G8门传输延迟时间门传输延迟时间大于大于SR锁存器翻转时间锁存器翻转时间&am

20、p;G&G&G&G&G&GQQJKCP12345678C11J1K1G1G.2022-2-337工作原理：工作原理：01100G3、G6和和G7、G8被封锁被封锁触发器处于触发器处于稳定状态稳定状态.SR&G&G&G&G&G&GQQJKCP123456781G1G.（1）CP = 02022-2-338（2 2）当）当CPCP 由由0 0 跳变为跳变为1 1后瞬间后瞬间G3、G6门先打开门先打开 G1、G2继续锁定继续锁定CPCP跳变前电路的状态为跳变前电路的状态为QnnnnQCP QS QQnnnQCP

21、QR QQnnnnSCP J QJQRCP K QKQ J J、K K信号进入触发器信号进入触发器, ,为状态刷新作好准备为状态刷新作好准备.SR&G&G&G&G&G&GQQJKCP123456781G1G.2022-2-339（3 3）当）当CPCP 由由1 1 跳变为跳变为0 0后瞬间后瞬间G3、G6门先关闭门先关闭 G、G延迟延迟nnSJQRKQ仍作用于仍作用于G4、G5门，门，触发器的状态随触发器的状态随S、R其等效电路如下图其等效电路如下图G、G延迟结延迟结束，触发器进入束，触发器进入保持状态保持状态0SR00&G&G&

22、amp;G&G&G&GQQJKCP123456781G1G.2022-2-340 S & Q Q & R nnSJQRKQ特性方程：特性方程：1nnnnnnnQSRQJQ KQ QJQKQ2022-2-341nQ10000JKQnQn+1 说说 明明000001状态不变状态不变001101 置置 0110001 置置 1111101 翻翻 转转111 功能表功能表 Qn01任何结构的任何结构的JK JK 触发器都具有与以上相同的功能表、特性方程。触发器都具有与以上相同的功能表、特性方程。nn1QKQJQn 特性方程特性方程 1J C1 1K Q Q 1J

23、 C1 1K Q Q 逻辑符号（边沿）逻辑符号（边沿）2022-2-3422.2. 典型集成典型集成JKJK触发器触发器74F11274F11274F112的国际逻辑符号的国际逻辑符号74F112的功能表的功能表*L*H表示脉冲下降沿到来之前瞬间的电平表示脉冲下降沿到来之前瞬间的电平2022-2-343 D Q tSU tH tW tPLH CP tPHL Tcmin Q tPHL tPLH 5.3.4 触发器的动态特性触发器的动态特性 C1 1D Q Q D C 动态特性反映其触发器对输入信号和时钟信号间的时间要动态特性反映其触发器对输入信号和时钟信号间的时间要求，以及输出状态对时钟信号响应

24、的延迟时间。求，以及输出状态对时钟信号响应的延迟时间。 建立时间建立时间保持时间保持时间脉冲宽度脉冲宽度传输延时时间传输延时时间传输延时时间传输延时时间2022-2-344保持时间保持时间tH ：保证：保证D状态可靠地传送到状态可靠地传送到Q，D信号需信号需 保持的最小时间。保持的最小时间。 建立时间建立时间tSU ：为保证为保证D 信号在信号在CP上升沿（对上升沿触发上升沿（对上升沿触发的触发器而言）之前建立起稳定状态，的触发器而言）之前建立起稳定状态，D信号需提前信号需提前CP上升沿的最小时间上升沿的最小时间最高触发频率最高触发频率fcmax ：触发器内部都要完成一系列动作，需要：触发器内

25、部都要完成一系列动作，需要一定的时间延迟，所以对于一定的时间延迟，所以对于CP最高工作频率有一个限制。最高工作频率有一个限制。触发脉冲宽度触发脉冲宽度tW ：为保证可靠触发，要求：为保证可靠触发，要求CP脉冲宽度不小于脉冲宽度不小于tW 传输延迟时间传输延迟时间tPLH和和tPHL ：时钟脉冲：时钟脉冲CP上升沿至输出端新状态上升沿至输出端新状态稳定建立起来的时间稳定建立起来的时间2022-2-3455.4.1 D D 触发器触发器 5.4 5.4 触发器的逻辑功能触发器的逻辑功能5.4.2 JKJK 触发器触发器 5.4.3 SR 触发器触发器 5.4.4 D 触发器功能的转换触发器功能的转

26、换 5.4.2 T 触发器触发器 2022-2-3465.4 触发器的逻辑功能触发器的逻辑功能不同逻辑功能的触发器国际逻辑符号不同逻辑功能的触发器国际逻辑符号 1D C1 Q Q D CP D 触发器触发器 1J C1 1K Q Q J CP K JK 触发器触发器 1T C1 Q Q T CP T 触发器触发器 1S C1 1R Q Q S CP R RS 触发器触发器2022-2-3475.4.1 D 触发器触发器 1.1.特性表特性表 Qn DQn+10000111001112. 特性方程特性方程Qn+1 = D D=1 D=0 D=0 D=1 0 1 3. 状态图状态图2022-2-3

27、483.状态转换图 翻 转10011111 置 111010011 置 000011100状态不变01010000 说 明Qn+1QnKJ1.1.特性表特性表 1nnnQJQKQ2.2.特性方程特性方程 0 1 0 0 1 1 0 1 J 1 KQn 0 00 01 11 10 5.4.2 JK 触发器触发器 J=0 K= J= K=0 J=1 K= J= K=1 0 1 2022-2-349 J K 1 2 3 4 5 6 7 CP 例例5.4.15.4.1 设下降沿触发的设下降沿触发的JK触发器时钟脉冲和触发器时钟脉冲和J、K信号的波形信号的波形如图所示试画出输出端如图所示试画出输出端Q的波形。设触发器的初始状态为的波形。设触发器的初始状态为0。 Q 2022-2-3505.4.3 T触发器触发器 特性方程特性方程状态转换图状态转换图特性表特性表nQ1n Q011101110000TnnnQTQTQ1 T=1 T=1 T=0 T=0 0 1 1T C1 Q Q T CP 逻辑符号逻辑符号 2022-2-351 T触发器触发器 Q Q CP C 国际逻辑符号国际逻辑符号 特性方程特性方程nnQQ1时钟脉冲每作用一次，触发器翻转一次。时钟脉冲每作用一次，触发