第5章 触发器 数字逻辑.ppt

1、教师：李军 Email：dpi_L,第五章 触发器,触发器概念及分类 触发器的工作原理 电位触发器 边沿触发方式的触发器 主-从触发器 触发器的时钟偏移,教师：李军 Email：dpi_L,1 触发器概念及分类,触发器：能存储1位二进制数的记忆元件。 触发器具有两种稳定状态，分别用来存储1或0。 为什么叫触发器？在外部信号控制下“一触即发”！源于英文：trigger（起动器）和 Flip-Flop（啪嗒啪嗒的响声或动作）触发器的英文缩写：FF来自Flip-Flop 触发器分类？ 按时钟(Clock Pulse)控制方式分类 电位触发方式FF (Level Trigger) 边沿触发方式FF (

2、Edge-Trigger) 主-从触发方式FF (Master-Slave 或 Pulse-Trigger ),第五章,1,2,3,触发器概念及分类,触发器的工作原理,电位触发器,教师：李军 Email：dpi_L,1 触发器概念及分类,按功能来分类： R-S触发器(Reset-Set) D触发器(Delay) J-K触发器 T触发器(Toggle),第五章,1,2,3,触发器概念及分类,触发器的工作原理,电位触发器,教师：李军 Email：dpi_L,2 触发器的工作原理,与非门(或非门、与或非等)构成的“直接置位-复位型R-S触发器” 或称“基本R-S触发器”，由两个输入、输出交叉连接的与

3、非门组成，如下图所示，图中RD和SD是直接置0和置1端， 和Q是两个互反的输出端。,第五章,1,2,3,触发器概念及分类,触发器的工作原理,电位触发器,教师：李军 Email：dpi_L,2 触发器的工作原理,触发器状态的定义,触发器有两个稳定的状态，可以存储1位二进制数，因此叫“双稳态” (Bi-stable)触发器。既然有“双稳态”，当然还有 “单稳态”(Mono-stable)。,第五章,1,2,3,触发器概念及分类,触发器的工作原理,电位触发器,教师：李军 Email：dpi_L,2 触发器的工作原理,触发器的功能描述：一般可用功能表、特征方程、状态图及激励表来描述。下面我们分别介绍如

4、何用这四种方式来描述基本触发器。 功能表:反映了输入和次态的关系。,第五章,1,2,3,触发器概念及分类,触发器的工作原理,电位触发器,简化功能表,教师：李军 Email：dpi_L,2 触发器的工作原理,特征方程：反映触发器特征的逻辑函数表达式。 由触发器的功能表得该触发器的特征表达式： 约束方程为： 化简：,第五章,1,2,3,触发器概念及分类,触发器的工作原理,电位触发器,教师：李军 Email：dpi_L,2 触发器的工作原理,状态图：反映了触发器状态之间的转换关系。 由触发器的功能表可画出基本触发器的状态图如下,图中圆圈表示触发器的状态；箭头线表示触发器的状态改变途径；箭头线的旁注为

5、导致状态改变的输入条件。,第五章,1,2,3,触发器概念及分类,触发器的工作原理,电位触发器,教师：李军 Email：dpi_L,2 触发器的工作原理,激励表：反映了触发器从现态变为次态所需加的输入。 由状态图可列出基本触发器的激励表，如下表第一行说明，要使触发器由现态0变为次态0，需使SD=1，而RD可为任意值。,第五章,1,2,3,触发器概念及分类,触发器的工作原理,电位触发器,教师：李军 Email：dpi_L,2 触发器的工作原理,基本R-S触发器的特点 交叉耦合使得触发器可以保持状态。 有两个稳定的互补输出Q,Q。其中Q的状态代表触发器的状态。 当输入数据来到时，触发器接收数据；当输

6、入数据撤除时，触发器保持状态（记忆功能）。 基本R-S触发器的不足 由于当R-S端同时为“00”时，触发器状态为“11”，Q和Q状态不是互补的；而且当R-S同时从“00”变化到“11”时，触发器的下一个状态不能确定，因此这样的触发器不能直接使用。 R-S触发器的两个输入端输入数据是不受控制的，任何输入的改变都会影响触发器的状态。,第五章,1,2,3,触发器概念及分类,触发器的工作原理,电位触发器,教师：李军 Email：dpi_L,3 电位触发器,电位触发器定义：对触发器增加时钟信号CP （Clock Pulse），当CP为约定状态时，触发器接收数据，此时，输入数据的任何变化都会在输出端得到反

7、映；当CP为非约定状态时，触发器状态保持不变。 电位型R-S触发器,逻辑电路图,逻辑符号,第五章,2,3,4,触发器的工作原理,电位触发器,边沿触发方式的触发器,教师：李军 Email：dpi_L,3 电位触发器,图中R，S为代码输入端，CP为控制输入用的同步时钟脉冲，当CP=1时，R、S端的输入才能进入RS触发器，因此RS触发器属于电位触发。下表为电位型RS触发器的功能表。,第五章,2,3,4,触发器的工作原理,电位触发器,边沿触发方式的触发器,教师：李军 Email：dpi_L,表中第一行表明，若CP=0（无CP脉冲出现），则不管输入R、S为何值，触发器将保持原来状态。RS触发器的特征方程

8、如下： 即有： RS触发器的状态图和激励表如下:,3 电位触发器,第五章,2,3,4,触发器的工作原理,电位触发器,边沿触发方式的触发器,教师：李军 Email：dpi_L,3 电位触发器,第五章,2,3,4,触发器的工作原理,电位触发器,边沿触发方式的触发器,教师：李军 Email：dpi_L,3 电位触发器,电位型R-S触发器与基本RS触发器比较 电位型RS触发器增加了时钟控制端CP。 S=1,触发器置位;R=1,触发器复位，R-S的意义更直观。 CP=0时，保持触发器稳定,状态不被破坏。 但是，在CP=1且RS=“11”时, 同样存在不定状态。 如何为R-S触发器消除不定状态？ R-S电

9、位型触发器的输入由R，S双端输入改为单端输入，就不会出现不定状态。,第五章,2,3,4,触发器的工作原理,电位触发器,边沿触发方式的触发器,教师：李军 Email：dpi_L,3 电位触发器,电位型D触发器的特点 电位触发：在控制电位CP的控制下接收数据。 CP0，不接收外部输入。由于交叉耦合的作用，保持原有状态。 CP1,D以互补的形式进入, 排除了RS00或11的情况，也就排除了= 的情况，不会出现不定状态。 由于电位型D触发器的功能就是保存1位二进制数据，因此也叫锁存器。,电位型D触发器,电位型R-S触发器,第五章,2,3,4,触发器的工作原理,电位触发器,边沿触发方式的触发器,教师：李

10、军 Email：dpi_L,3 电位触发器,D触发器的逻辑符号如下图。图中D为代码输入端。它的特征函数表如下表所示。它的特征表达式为：Qn+1=D。,第五章,2,3,4,触发器的工作原理,电位触发器,边沿触发方式的触发器,教师：李军 Email：dpi_L,它的状态图及激励表如下所示。,3 电位触发器,第五章,2,3,4,触发器的工作原理,电位触发器,边沿触发方式的触发器,教师：李军 Email：dpi_L,3 电位触发器,不同形式的电位触发器 与或非门组成的电位型D触发器,CP=1,以互补形式进入,第五章,2,3,4,触发器的工作原理,电位触发器,边沿触发方式的触发器,教师：李军 Email

11、：dpi_L,3 电位触发器,与非门组成的电位型D触发器,CP=0,D封锁，交叉耦合存在，保持状态,CP=1, Q=D, 接收数据,这也是电位型触发器,第五章,2,3,4,触发器的工作原理,电位触发器,边沿触发方式的触发器,教师：李军 Email：dpi_L,3 电位触发器,电位型D触发器(锁存器)的应用 暂存器(Latches for temporary data storage) 数据的临时缓存。,第五章,2,3,4,触发器的工作原理,电位触发器,边沿触发方式的触发器,教师：李军 Email：dpi_L,4 边沿触发方式的触发器,问题的提出：电位型D触发器比直接置位、复位型触发器好用了，去

12、除了不定状态。但在CP1的时间内，仍然会变化多次。理想的情况：希望触发器在一个时钟周期内仅变化一次，即接收时钟脉冲CP跳变到来时刻的输入。具有这种特点的触发器称为边沿触发的触发器。 边沿触发器：具备以下两个条件的触发器 触发器只有在时钟输入CP的某一约定跳变（正跳变或负跳变）到来时，才能接受输入数据。 在CP=0或1以及CP的非约定跳变来到前，触发器不接受输入数据。,第五章,3,4,5,电位触发器,边沿触发方式的触发器,主-从触发器,教师：李军 Email：dpi_L,4 边沿触发方式的触发器,边沿触发的示例,特点: 1. CP正跳变时，才接受输入数据。 2. CP1及CP0期间，输入数据 变

13、化不会影响触发器状态。,第五章,3,4,5,电位触发器,边沿触发方式的触发器,主-从触发器,教师：李军 Email：dpi_L,4 边沿触发方式的触发器,边沿触发器与电位触发器的波形图对比,CP D Q (电位D) Q (正沿D),注意：触发方式不一样，功能完全不一样！输出完全不一样！,第五章,3,4,5,电位触发器,边沿触发方式的触发器,主-从触发器,教师：李军 Email：dpi_L,4.1 正边沿D触发器,正沿D触发器内部结构,第五章,3,4,5,电位触发器,边沿触发方式的触发器,主-从触发器,为什么D触发器只接收CP前沿的变化？而在CP1期间，即使D变化，也不会影响输出？,如右图：正沿

14、D触发器由门2门4, 门1门3, 门5门6组成3个基本触发器。门5门6是主触发器。6个门，可以看成三层结构。,教师：李军 Email：dpi_L,4.1 正边沿D触发器,写入“0”的分析，即D=0，CP 。 当CP=0时：3门和4门被CP封锁，输出为1，触发器的状态保持不变。 当CP=1时：1门输出为1，使得3门输出为0，同时2门输出0，4门输出为1，触发器置0。由于3门的输出0反馈到1门的输入从而封锁了1门，因此，即使D发生了改变，这种改变也无法到达1门的输出，从而保证了触发器状态的稳定。,第五章,3,4,5,电位触发器,边沿触发方式的触发器,主-从触发器,教师：李军 Email：dpi_L

15、,4.1 正边沿D触发器,写入“1”的分析，即D=1，CP。 当CP=0时：3门和4门被CP封锁，输出为1，触发器的状态保持不变。 当CP=1时：1门输出为0，使得3门输出为1，同时2门输出1，4门输出为0，触发器置1。 由于4门的输出0反馈到3门和2门的输入从而封锁了3门和2门，因而保证了触发器状态的稳定。,第五章,3,4,5,电位触发器,边沿触发方式的触发器,主-从触发器,教师：李军 Email：dpi_L,可直接置0，置1，称异步置位、复位。 CP0期间, =0或 =0都可以作用到基本触发器I,直接改变Q输出。它们撤销后也能维持状态。 CP=1期间, =0,使Q=0; 同时要改变触发器1

16、,2 使门3输出0，门4输出1。 即使 =0撤除，Q=0也 可以保持不变。 也是同样考虑,要接入门2.,4.1 正边沿D触发器,D触发器的异步置0,置1功能,第五章,3,4,5,电位触发器,边沿触发方式的触发器,主-从触发器,教师：李军 Email：dpi_L,4.1 正边沿D触发器,正边沿D触发器和锁存器的比较 例: 4位锁存器和正边沿D触发器同时接收加法器的结果，但是两种触发器的输出不同。,第五章,3,4,5,电位触发器,边沿触发方式的触发器,主-从触发器,教师：李军 Email：dpi_L,4.1 正边沿D触发器,Ai Bi CP Fi Qi(锁存器) Qi(D-FF),锁存器是即时可得

17、,D触发器要延迟一拍才接收到结果。因此D触发器指的是Delay (延迟) 。,第五章,3,4,5,电位触发器,边沿触发方式的触发器,主-从触发器,教师：李军 Email：dpi_L,4.1 正边沿D触发器,对于锁存器：CP=1来到时，D可以不确定；但CP=1快结束时，D必须确定 对于D触发器：时钟CP正跳变到来的时候，D必须确定。,D可不确定 D可以变化,D不能变化,CP D Q,第五章,3,4,5,电位触发器,边沿触发方式的触发器,主-从触发器,教师：李军 Email：dpi_L,4.1 正边沿D触发器,D触发器可以用作计数器、寄存器等；锁存器只能当作寄存器。,锁存器计数存在空翻现象，计数脉

18、冲如果宽了，会计数多次,D触发器计数无空翻问题，一个计数脉冲只反转一次。,第五章,3,4,5,电位触发器,边沿触发方式的触发器,主-从触发器,教师：李军 Email：dpi_L,4.1 正边沿D触发器,D触发器应用：移位寄存器,用D触发器作移位寄存器，CP没有到来之前数据已经等在D端门口，保证每来一个时钟脉冲移位一次。,用锁存器作移位寄存器只要CP=1就会移位，可能会有一个CP移位多次的情况。,第五章,3,4,5,电位触发器,边沿触发方式的触发器,主-从触发器,教师：李军 Email：dpi_L,5 主-从触发器,主-从触发器定义：由两级独立的电位触发器(主触发器和从触发器)串联构成的触发器。

19、 主-从触发器特点：在时钟脉冲CP=1期间，主触发器接收数据，从触发器封锁，然后在负跳变来到时，主触发器封锁，从触发器接受CP负跳变时主触发器的数据。 为什么需要主从触发器：基本R-S触发器 - 电位触发器 - 边沿触发的D触发器, 主-从触发器用于设计计数器时,附加电路少,简单! 常用主从触发器：两种主-从触发器: R-S主从触发器 J-K主从触发器,第五章,4,5,6,边沿触发方式的触发器,主-从触发器,触发器的时钟偏移,教师：李军 Email：dpi_L,主从R-S触发器的结构,5.1 主从R-S触发器,由两个R-S电位触发器组成。 CP正脉冲期间主触发器接受R-S的输入,从触发器关闭;

20、CP负脉冲期间主触发器状态打入从触发器.利用CP脉冲的两个相位隔离了主从触发器的状态，从而保证稳定的接收和输出。,第五章,4,5,6,边沿触发方式的触发器,主-从触发器,触发器的时钟偏移,教师：李军 Email：dpi_L,5.1 主从R-S触发器,单端输入，可消除不允许状态。,第五章,4,5,6,边沿触发方式的触发器,主-从触发器,触发器的时钟偏移,教师：李军 Email：dpi_L,主从J-K触发器的结构,5.2 主从J-K触发器,第五章,4,5,6,边沿触发方式的触发器,主-从触发器,触发器的时钟偏移,教师：李军 Email：dpi_L,5.2 主从J-K触发器,JK触发器的逻辑符号如下

21、图。图中J和K为输入端， CP 为时钟脉冲输入端。,逻辑符号,它的特征表达式为：,第五章,4,5,6,边沿触发方式的触发器,主-从触发器,触发器的时钟偏移,教师：李军 Email：dpi_L,5.2 主从J-K触发器,分析置1 及计数功能:,JK=10, Q=0,在CP期间, 门4 =1; CP期间, 门8=1;置1。 JK=10, Q=1,在CP期间, 门1门2封锁,保持1。 JK=11, Q=0,门1封锁,门2打开,将触发器置1; Q=1,门2封锁,门1打开,将触发器置0. 将原始状态求反,实现计数功能:Qn+1=Q。,第五章,4,5,6,边沿触发方式的触发器,主-从触发器,触发器的时钟偏

22、移,教师：李军 Email：dpi_L,5.2 主从J-K触发器,J-K触发器时序图,Q的变化发生在CP脉冲的后沿! (画时序图时都不考虑延迟),第五章,4,5,6,边沿触发方式的触发器,主-从触发器,触发器的时钟偏移,教师：李军 Email：dpi_L,5.2 主从J-K触发器,主从J-K触发器的动作特点 两步动作:CP=1,主触发器接收输入,从触发器状态不变;CP下降沿到来时,从触发器接收主触发器状态.Q的变化发生在CP下降沿.因此触发器功能表是按照CP下降沿时J-K的取值来确定的。 由于主触发器是一个电位触发器,所以在CP=1期间的输入变化都会影响主触发器状态。因此在CP=1期间，J、K

23、不允许变化。 JK触发器抗干扰能力差，使用窄脉宽的CP信号,可以保证J-K触发器正常工作.,第五章,4,5,6,边沿触发方式的触发器,主-从触发器,触发器的时钟偏移,教师：李军 Email：dpi_L,5.2 主从J-K触发器,J-K触发器的波形分析 CP1期间，JK不变化；不会影响触发器状态。,初始状态Q0,初始状态Q1,(波形分析的目的和出发点:是否符合触发器的功能表),第五章,4,5,6,边沿触发方式的触发器,主-从触发器,触发器的时钟偏移,教师：李军 Email：dpi_L,5.2 主从J-K触发器,CP1，JK变化一次；可能会影响触发器状态。,初始状态Q0,初始状态Q1,CP下降沿时,JK=01,Q从应置0.但 当J0后,Q主=1，导致Q从=1。,(CP上升沿时,JK=10,Q从应置1，当J=0后, Q主=0，导致Q从=0。,第五章,4,5,6,边沿触发方式的触发器,主-从触发器,触发器的时钟偏移,状态与下降沿时刻输入不符,状态与上升沿时刻输入不符,教师：李军 Email：dpi_L,5.2 主从J-K触发器,CP1期间，JK变化 2 次；触发器状态不满足功能表描述。,CP,J,K,Q主,Q从,(JQ=1, KQ=0, Q主=1),(JQ=0,KQ=0, Q主不会再变化),结论：CP1期间, JK不能变化!,JK=01,按功能表应Q=0,但是由于CP=1