工藝技術(shù)_rs觸發(fā)器知識講座

觸發(fā)器概述 觸發(fā)器概述 在數(shù)字系統(tǒng)中 為了構(gòu)成實現(xiàn)各種功能的邏輯電路 除了需要實現(xiàn)邏輯運算的邏輯門之外 還需要有能夠保存信息的邏輯器件 觸發(fā)器是一種具有記憶功能的電子器件 它具有如下特點 1 有兩個互補的輸出端Q和Q 能夠存儲1位二進制碼 2 有兩個穩(wěn)定狀態(tài) 通常將Q 1和Q 0稱為 1 狀態(tài) 而把Q 0和Q 1稱為 0 狀態(tài) 當輸入信號不發(fā)生變化時 觸發(fā)器狀態(tài)穩(wěn)定不變 3 在一定輸入信號作用下 觸發(fā)器可以從一個穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)移到另一個穩(wěn)定狀態(tài) 通常把輸入信號作用之前的狀態(tài)稱為現(xiàn)態(tài) 記作Qn和Qn 而把輸入信號作用后的狀態(tài)稱為觸發(fā)器的次態(tài) 記作Qn 1和Qn 1 為了簡單起見 一般省略現(xiàn)態(tài)的上標n 就用Q和Q 表示現(xiàn)態(tài) 顯然 次態(tài)是現(xiàn)態(tài)和輸入的函數(shù) 基本R S觸發(fā)器 觸發(fā)器的種類很多 但就其結(jié)構(gòu)而言 都是由邏輯門加上適當?shù)姆答伨€偶合而成 下面介紹幾種常用的集成觸發(fā)器 討論時以觸發(fā)方式為線索 重點研究它們的外部工作特性 基本R S觸發(fā)器是直接復(fù)位 置位觸發(fā)器的簡稱 由于它是構(gòu)成各種觸發(fā)器的基本部件 所以稱為基本R S觸發(fā)器 用與非門構(gòu)成的基本R S觸發(fā)器 基本R S觸發(fā)器 工作原理a 若R 1 S 1 則觸發(fā)器保持原來狀態(tài)不變 假定觸發(fā)器原來的狀態(tài)為 1 狀態(tài) Q 0 Q 1 由于與非門G2的輸出端為0 反饋到與非門G1的輸入端 使Q 保持1不變 Q 為1又反饋到與非門G2的輸入端 使G2的兩個輸入端均維持1 從而保證輸出Q為0 b 若R 1 S 1 則觸發(fā)器保持原來狀態(tài)不變 假定觸發(fā)器原來的狀態(tài)為 0 狀態(tài) 由于與非門G1的輸出端為0 反饋到與非門G2的輸入端 使Q保持1不變 Q為1又反饋到與非門G1的輸入端 使G1的兩個輸入端均維持1 從而保證輸出Q為0 R 1且S 1表示無輸入信號 基本R S觸發(fā)器 c 若R 1 S 0 則觸發(fā)器置為 1 狀態(tài) 無論觸發(fā)器原來處于何狀態(tài) 因為S為0必然使與非門G2的輸出端為1 且反饋到與非門G1的輸入端 而此時門G1的另一個輸入端R也為1 故門G1的輸出端Q為0 使觸發(fā)器狀態(tài)為1 該過程稱為觸發(fā)器置1 d 若R 0 S 1 則觸發(fā)器置為 0 狀態(tài) 無論觸發(fā)器原來處于何狀態(tài) 因為在R端的低電平或負脈沖作用下 觸發(fā)器的狀態(tài)肯定為0 該過程稱為觸發(fā)器置0 e 不允許出現(xiàn)R 0 S 0 因為當R和S端同時加上負脈沖或低電平時 將使兩個與非門的輸出Q和Q均為高電平 破壞了觸發(fā)器兩個輸出端的狀態(tài)應(yīng)該互補的邏輯關(guān)系 此外 當兩個輸入端的低電平同時被撤消時 觸發(fā)器的狀態(tài)將是不確定的 因此 R和S不能同時為0 基本R S觸發(fā)器 邏輯功能及其描述基本R S觸發(fā)器狀態(tài)表bmp rs 基本R S htm Qn 1 S RQ約束條件 R S 1 基本R S觸發(fā)器 基本R S觸發(fā)器功能表 或非門構(gòu)成的基本R S觸發(fā)器 基本R S觸發(fā)器 次態(tài)真值表簡化次態(tài)真值表 Qn 1 S R Q約束條件 R S 0 基本R S 與非門 觸發(fā)器的小結(jié) 它有兩個輸出端Q和Q Q和Q 永遠是反相的 當Q 1 則Q 0 當Q 0 則Q 1 反之亦然 它有兩個狀態(tài) 當Q 1時稱為 1 態(tài) Q 0時稱為 0 態(tài) 恰好代表一個二進位的 1 和 0 它有兩個輸入端R和S端 當R S 1時 即沒有輸入信號時 基本R S觸發(fā)器的輸出在 1 態(tài)時 則將一直保持 1 態(tài) 輸出在 0 態(tài)時 則將一直保持 0 態(tài) 這就是觸發(fā)器的記憶功能 不變 不管基本R S觸發(fā)器在 1 態(tài)還是 0 態(tài) 只要S 0 R 1時它將轉(zhuǎn)化為 1 態(tài) 置1 只要S 1 R 0時它將轉(zhuǎn)化為 0 態(tài) 置0 這就是外界信號可通過輸入端R S來改變基本R S觸發(fā)器的狀態(tài) 也就是基本R S觸發(fā)器有接受外界信息的能力 基本R S 與非門 觸發(fā)器的小結(jié) 通過Q端或Q 端可向外界輸出基本R S觸發(fā)器是 1 態(tài)還是 0 態(tài) 這是傳遞信息的能力 當R S 0時 Q和Q 的輸出都是1 這破壞了Q和Q 永遠是反相的規(guī)則 這已不是一個觸發(fā)器正常工作的狀態(tài) 因而R S 0是不允許的 這就是約束條件 可以表示為R S 1 基本R S觸發(fā)器沒有同步脈沖輸入端 它是異步方式工作的 當R或S由1變成0時 觸發(fā)器的輸出端Q和Q 可能馬上發(fā)生變化 即有直接復(fù)位 置位的功能 因而被作為各種性能完善的觸發(fā)器的基本組成部分 但由于R S之間的約束關(guān)系 使它的使用受到一定限制 時鐘控制觸發(fā)器 基本R S觸發(fā)器的一個特點是直接控制 當輸入信號一出現(xiàn) 觸發(fā)器的狀態(tài)便隨之發(fā)生變化 但實際應(yīng)用中 往往要求觸發(fā)器按一定的時間節(jié)拍動作 即讓輸入信號的作用受到時鐘脈沖的控制 因此在觸發(fā)器的輸入端增加了時鐘控制信號 觸發(fā)器狀態(tài)的變化由時鐘脈沖和輸入信號共同決定 時鐘脈沖確定觸發(fā)器狀態(tài)轉(zhuǎn)換的時刻 何時轉(zhuǎn)換 輸入信號確定觸發(fā)器狀態(tài)轉(zhuǎn)換的方向 如何轉(zhuǎn)換 這種具有時鐘脈沖控制的觸發(fā)器稱為 時鐘控制觸發(fā)器 常用的四種時鐘控制觸發(fā)器 時鐘控制R S觸發(fā)器 D觸發(fā)器 J K觸發(fā)器 T觸發(fā)器 時鐘控制R S觸發(fā)器的邏輯圖 它由4個與非門構(gòu)成 時鐘控制觸發(fā)器 由時鐘控制R S觸發(fā)器的邏輯圖可知它是在基本R S觸發(fā)器 G1和G2 下面增加兩個與非門G3 G4組成的控制門 其工作原理如下 當時鐘信號C沒有到來時 即時鐘控制端C 0時 門G3 G4被封鎖 此時 不管R S端的輸入為何值 門G3 G4的輸出均為1 觸發(fā)器狀態(tài)不變 當時鐘信號C到來時 即時鐘控制端C 1時 門G3 G4被打開 此時 輸入R S端的值可以通過控制門G3 G4作用與上面的基本R S觸發(fā)器 即當R 0 S 0時控制門G3 G4的輸出均為1 觸發(fā)器狀態(tài)保持不變 當R 0 S 1時控制門G3 G4的輸出分別為1和0 觸發(fā)器狀態(tài)置成1 時鐘控制觸發(fā)器 當R 1 S 0時控制門G3 G4的輸出分別為0和1 觸發(fā)器狀態(tài)置成0 當R 1 S 1時控制門G3 G4的輸出均為0 觸發(fā)器狀態(tài)不確定 這是不允許的 由此可見 這種觸發(fā)器的工作過程是由時種信號C和輸入信號R S共同作用的 C控制轉(zhuǎn)換時間 R S確定轉(zhuǎn)換后的狀態(tài) 因此 它被稱為時鐘控制R S觸發(fā)器 次態(tài)方程為 Qn 1 S R Q約束條件為 R S 0 時鐘控制觸發(fā)器 時鐘控制觸發(fā)器 上表中 Q表示時鐘C作用前的狀態(tài) 即現(xiàn)態(tài) Qn 1表示時鐘C作用后的狀態(tài) 即次態(tài) d表示當RS 11時 觸發(fā)器狀態(tài)不確定 在時鐘控制觸發(fā)器中 時鐘信號C是一種固定的時間基準 通常不作為輸入信號列入表中 對觸發(fā)器功能進行描述時 均只考慮時鐘作用 C 1 時的情況 根據(jù)狀態(tài)表 可畫出時鐘控制R S觸發(fā)器的狀態(tài)圖 特點 時鐘控制R S觸發(fā)器雖然解決了對觸發(fā)器工作進行定時控制的問題 而且結(jié)構(gòu)簡單 但輸入信號依然存在約束條件 即R S不能同時為1 且可能出現(xiàn) 空翻 在計數(shù)時會在一個時鐘下進行多個計數(shù)的錯誤 現(xiàn)象 一般只用它作為數(shù)碼寄存器而不宜用來構(gòu)成具有移位和計數(shù)功能的邏輯部件 D觸發(fā)器 D觸發(fā)器是在對時鐘控制R S觸發(fā)器的控制電路稍加修改 使之變成右圖所示的形式 克服了時鐘控制R S觸發(fā)器在輸入端同時為1時的狀態(tài)不確定的問題 D觸發(fā)器的工作原理 當無時鐘脈沖時 即C 0時 控制電路被封鎖 無論輸入端D為何值與非門G3 G4的輸出均為1 觸發(fā)器狀態(tài)保持不變 當時鐘脈沖作用時 即C 1時 若 D 0 則門G4的輸出為1 門G3的輸出為0 觸發(fā)器置0 若D 1 則門G4的輸出為0 門G3的輸出為1 觸發(fā)器置1 因而 在時鐘作用時 D觸發(fā)器狀態(tài)的變化僅取決于輸入信號D 而與現(xiàn)態(tài)無關(guān) 次態(tài)方程為 Qn 1 D D觸發(fā)器 維持阻塞D觸發(fā)器 右上圖為D觸發(fā)器狀態(tài)圖 上述D觸發(fā)器依然存在 空翻 現(xiàn)象 因此 在時鐘作用期間要求輸入信號D不能發(fā)生變化 為了進一步解決 空翻 問題 實際中廣泛使用的集成D觸發(fā)器通常采用維持阻塞結(jié)構(gòu) 稱為維持阻塞D觸發(fā)器觸發(fā)器 典型的維持阻塞D的邏輯圖見右下圖 RD和SD分別稱為直接置 0 端和直接置 1 端 它們均為低電平有效 即在不作直接置 0 和置 1 操作時 保持高電平 維持阻塞D觸發(fā)器 該觸發(fā)器在時鐘脈沖沒有到來 C 0 時 無論D端狀態(tài)怎樣變化 都保持原有狀態(tài)不變 該觸發(fā)器當時鐘脈沖到來 C 1 時 由于維持阻塞線路的作用 使觸發(fā)器在時鐘脈沖的觸發(fā)器的上升邊沿將D輸入端的數(shù)據(jù)可靠地置入 而在上升沿過后的時鐘脈沖期間 D的值可以隨意改變 觸發(fā)器的狀態(tài)始終以時鐘脈沖上升沿時所采樣的值為準 由于利用了脈沖的邊沿作用和維持阻塞作用 從而有效地防止了 空翻 現(xiàn)象 它的詳細說明可以用異步時序電路的理論來說明 參見例6 6 維持阻塞D觸發(fā)器 當時鐘C 0時 門3和門4的輸出s r 1 所以觸發(fā)器的狀態(tài)不變 但當D 0時 門6的輸出為1 門5的輸出為0 反之當D 1時 門6的輸出為0 門5的輸出為1 當時鐘C由0變1的上升沿 C 0 1 時 如D 0 則由門6 1 門5 0 所以r 0 s 1使觸發(fā)器置0 反之D 1 則由門6 0 門5 1 所以r 1 s 0使觸發(fā)器置1 維持阻塞D觸發(fā)器 在時鐘C 1期間 信號D已不起作用 完全由維持線和阻塞線起作用 如r 0 s 1時 由 3 置0維持線 使門6輸出為1 繼續(xù)使門4輸出為0 r 0 由 4 置1阻塞線使門5輸出為0 從而使門3繼續(xù)輸出為1 s 1 反之r 1 s 0時 由 1 置1維持線 使門5輸出為1 繼續(xù)使門3輸出為0 s 0 由 2 置0阻塞線使門4繼續(xù)輸出為1 r 1 1 置1維持線 2 置0阻塞線 3 置0維持線 4 置1阻塞線 J K觸發(fā)器 原理 為了解決RS觸發(fā)器的約束條件問題 除了使用D觸發(fā)器外 另一種解決問題的方法是構(gòu)造J K觸發(fā)器 右圖為J K觸發(fā)器的原理圖 其中s J Q J Q r K Q K Q J K觸發(fā)器 原理 從J K觸發(fā)器的狀態(tài)表中可以看出r和s不會都等于0 就是說沒有約束條件 Qn 1 JQ K Q 但上述觸發(fā)器僅為原理型的它的 空翻 問題依舊存在 J K觸發(fā)器 原理 工作原理 1 在時鐘脈沖未到來 C 0 時 無論輸入端J和K怎樣變化 控制門G3和G4的輸出均為1 觸發(fā)器保持原來狀態(tài) 2 在時鐘脈沖到來 C 1 時可分為四種情況討論a 當輸入J 0 K 0時 不管觸發(fā)器原理處于何種狀態(tài) 控制門G3和G4的輸出均為1 觸發(fā)器狀態(tài)不變 b 當輸入J 0 K 1時 若原來處于0狀態(tài) 則控制門G3和G4的輸出均為1 觸發(fā)器保持0狀態(tài)不變 若原來處于1狀態(tài) 則控制門G3輸出為0 門G4的輸出均為1 即觸發(fā)器狀態(tài)置成0 即輸入JK 01時 觸發(fā)器次態(tài)一定為0狀態(tài) J K觸發(fā)器 原理 c 當輸入J 1 K 0時 若原來處于0狀態(tài) 則控制門G3輸出為1 門G4輸出為0 觸發(fā)器狀態(tài)置成1 若原來處于1狀態(tài) 則門G3和門G4輸出均為1 觸發(fā)器保持1狀態(tài)不變 即輸入JK 10時 觸發(fā)器次態(tài)一定為1狀態(tài) d 當輸入J 1 K 1時 若原來處于0狀態(tài) 則控制門G3輸出為1 門G4輸出為0 觸發(fā)器狀態(tài)置成1 若原來處于1狀態(tài) 則門G3輸出為0 門G4輸出為1 觸發(fā)器置成0狀態(tài) 即輸入JK 11時 觸發(fā)器次態(tài)與現(xiàn)狀相反 主從J K觸發(fā)器 原理J K觸發(fā)器雖然沒有約束條件 J K可以同時為1 但J K同時為1時 可能會發(fā)生 空翻 就是在一個時鐘脈沖期間 觸發(fā)器會連續(xù)多次的翻來翻去 使線路的工作不可靠 因此要進一步的對原理J K觸發(fā)器進行改進 要保證一個時鐘脈沖期間觸發(fā)器最多翻轉(zhuǎn)一次 這種改進的J K觸發(fā)器之一是主從J K觸發(fā)器 主從J K觸發(fā)器由上 下兩個時鐘控制R S觸發(fā)器組成 分別稱為從觸發(fā)器和主觸發(fā)器 主觸發(fā)器的輸出是從觸發(fā)器的輸入 而從觸發(fā)器的輸出又反饋到主觸發(fā)器的輸入 主 從兩個觸發(fā)器的時鐘脈沖是反相的 圖中的RD和SD分別為直接置0端和直接置1端 邏輯符號中時鐘端的小圓圈表示觸發(fā)器狀態(tài)的改變是在時鐘脈沖的后沿 下降沿 產(chǎn)生的 主從J K觸發(fā)器 主從J K觸發(fā)器的工作原理 當時鐘脈沖未到來時 主觸發(fā)器被封鎖 從觸發(fā)器由主觸發(fā)器狀態(tài)決定 兩者狀態(tài)相同 當時鐘脈沖到來時 在時鐘的前沿 上升沿 接收輸入信號并暫存到主觸發(fā)器中 此時從觸發(fā)器被封鎖 保持原狀態(tài)不變 在時鐘脈沖的后沿 下降沿 主觸發(fā)器狀態(tài)傳送到從觸發(fā)器 使從觸發(fā)器輸出 即整個觸發(fā)器輸出 變到新的狀態(tài) 而此時主觸發(fā)器本身被封鎖 不受輸入信號變化的影響 也就是說 該觸發(fā)器是 前沿采樣 后沿定局 由于整個觸發(fā)器的狀態(tài)更新是在時鐘脈沖的后沿發(fā)生的 因此解決了 空翻 的問題 主從J K觸發(fā)器 工作原理的較詳細說明 時鐘C 0 門7和門8被封鎖 主觸發(fā)器不能接收J K信號 主觸發(fā)器的狀態(tài)不變 C 1 門3和門4打開 從觸發(fā)器和主觸發(fā)器的狀態(tài)保持一致 時鐘C由0變1且C 1 門7和門8打開 主觸發(fā)器的狀態(tài)可隨J K的值而變化 Qn 1 JQ K Q 此時C 0 門3和門4被封鎖 因此從觸發(fā)器的狀態(tài)不變 還是原來的狀態(tài) 也就是說整個觸發(fā)器的狀態(tài)也還沒有變化 僅是主觸發(fā)器暫存了J K的變化 這解決了 空翻 問題 時鐘C由1變0 門7和門8被封鎖 主觸發(fā)器的狀態(tài)不再能變化 而門3門4打開 主觸發(fā)器的狀態(tài)送入從觸發(fā)器 從而完成了主從觸發(fā)器的一個轉(zhuǎn)換周期 主從J K觸發(fā)器因其無約束 無空翻等優(yōu)點 使用方便 應(yīng)用廣泛 T觸發(fā)器 如把J K觸發(fā)器的J端和K端連接起來 并把連接在一起的輸入端用符號T表示 這就構(gòu)成了T觸發(fā)器 因為J K觸發(fā)器的次態(tài)方程Qn 1 JQ K Q因此T觸發(fā)器的次態(tài)方程Qn 1 TQ T Q T Q T觸發(fā)器 不同類型時鐘控制觸發(fā)器的相互轉(zhuǎn)換 上面介紹了四種不同類型的時鐘控制觸發(fā)器 這些觸發(fā)器之間可以進行邏輯功能的轉(zhuǎn)換 由于實際中最常用的現(xiàn)成產(chǎn)品是J K觸發(fā)器和D觸發(fā)器 因此主要討論如何把這兩種觸發(fā)器轉(zhuǎn)換成其它類型的觸發(fā)器 轉(zhuǎn)換方法 在原觸發(fā)器的輸入端加一定的轉(zhuǎn)換邏輯電路 就可以構(gòu)成具有新的邏輯功能的觸發(fā)器 所以轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵是設(shè)法求得轉(zhuǎn)換邏輯電路 不同類型時鐘控制觸發(fā)器的相互轉(zhuǎn)換 由于觸發(fā)器的邏輯功能有多種描述方法 所以觸發(fā)器之間的轉(zhuǎn)換也就有各種不同的方法 如直接觀察分析法 次態(tài)方程聯(lián)立法 功能表與激勵表聯(lián)立法等 我們主要用次態(tài)方程聯(lián)立法確定各觸發(fā)器之間的轉(zhuǎn)換邏輯電路 所謂次態(tài)方程聯(lián)立法 是將原觸發(fā)器和新觸發(fā)器的次態(tài)方程聯(lián)系起來 找出原輸入信號與新輸入信號及現(xiàn)態(tài)之間的函數(shù)關(guān)系 J K觸發(fā)器轉(zhuǎn)換成D觸發(fā)器 實現(xiàn)J K觸發(fā)器到D觸發(fā)器的轉(zhuǎn)換 要求找出函數(shù)關(guān)系J f1 D Q K f2 D Q 已知J K觸發(fā)器的次態(tài)方程為Qn 1 JQ K QD觸發(fā)器的次態(tài)方程為Qn 1 D DQ DQ經(jīng)比較得J DK D即J DK D J K觸發(fā)器轉(zhuǎn)換成T觸發(fā)器 實現(xiàn)J K觸發(fā)器到T觸發(fā)器的轉(zhuǎn)換 要求找出函數(shù)關(guān)系J f1 T Q K f2 T Q 已知J K觸發(fā)器的次態(tài)方程為Qn 1 JQ K QT觸發(fā)器的次態(tài)方程為Qn 1 TQ T Q經(jīng)比較得J TK T 即J TK T J K觸發(fā)器轉(zhuǎn)換成R S觸發(fā)器 實現(xiàn)J K觸發(fā)器到R S觸發(fā)器的轉(zhuǎn)換 要求找出函數(shù)關(guān)系J f1 R S Q K f2 R S Q 已知J K觸發(fā)器的次態(tài)方程為Qn 1 JQ K QR S觸發(fā)器的次態(tài)方程為Qn 1 S R Q約束條件為RS 0Qn 1 S R Q S Q Q R Q SQ SQ R Q SQ R Q SQ R R SQ R Q SR Q RSQ SQ R Q SR Q 利用約束條件RS 0 SQ R Q 利用吸收律 經(jīng)比較得J SK R 即J SK R D觸發(fā)器轉(zhuǎn)換成J K觸發(fā)器 將D觸發(fā)器轉(zhuǎn)換成J K觸發(fā)器 要求確定的函數(shù)關(guān)系是D f J K Q 已知D觸發(fā)器的次態(tài)方程為Qn 1 DJ K觸發(fā)器的次態(tài)方程為Qn 1 JQ K Q比較兩次態(tài)方程可得D JQ K Q D觸發(fā)器轉(zhuǎn)換成T觸發(fā)器 將D觸發(fā)器轉(zhuǎn)換成T觸發(fā)器 要求確定的函數(shù)關(guān)系是D f T Q 已知D觸發(fā)器的次態(tài)方程為Qn 1 DT觸發(fā)器的次態(tài)方程為Qn 1 TQ T Q比較兩次態(tài)方程可得D TQ T Q T Q D觸發(fā)器轉(zhuǎn)換成R S觸發(fā)器 將D觸發(fā)器轉(zhuǎn)換成R S觸發(fā)器 要求確定的函數(shù)關(guān)系是D f R S Q 已知D觸發(fā)器的次態(tài)方程為Qn 1 DR S觸發(fā)器的次態(tài)方程為Qn 1 S R Q比較兩次態(tài)方程可得D S R Q 觸發(fā)器轉(zhuǎn)換表 集成觸發(fā)器的主要參數(shù) 主要分成兩大類即直流和開關(guān)參數(shù)直流參數(shù)1 電源電流IE 所有輸入和輸出端懸