數(shù)電第五章鎖存器與觸發(fā)器

1、5 鎖存器和觸發(fā)器鎖存器和觸發(fā)器教學(xué)基本要求教學(xué)基本要求1、掌握鎖存器、觸發(fā)器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理、掌握鎖存器、觸發(fā)器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理2、熟練掌握、熟練掌握SR觸發(fā)器、觸發(fā)器、JK觸發(fā)器、觸發(fā)器、D觸發(fā)器及觸發(fā)器及T 觸發(fā)器的邏輯功能觸發(fā)器的邏輯功能3、正確理解鎖存器、觸發(fā)器的動(dòng)態(tài)特性、正確理解鎖存器、觸發(fā)器的動(dòng)態(tài)特性1 1、時(shí)序邏輯電路與鎖存器、觸發(fā)器：、時(shí)序邏輯電路與鎖存器、觸發(fā)器： 時(shí)序邏輯電路時(shí)序邏輯電路: :概述概述鎖存器和觸發(fā)器鎖存器和觸發(fā)器是構(gòu)成時(shí)序邏輯電路的基本邏輯單元是構(gòu)成時(shí)序邏輯電路的基本邏輯單元 。 結(jié)構(gòu)特征結(jié)構(gòu)特征: :由組合邏輯電路和存儲(chǔ)電路組成由組合邏輯電路和存

2、儲(chǔ)電路組成, ,電路中存在反饋。電路中存在反饋。工作特征：工作特征：時(shí)序邏輯電路的工作特點(diǎn)是任意時(shí)刻的輸出狀態(tài)不僅時(shí)序邏輯電路的工作特點(diǎn)是任意時(shí)刻的輸出狀態(tài)不僅與該當(dāng)前的輸入信號(hào)有關(guān)，而且與此前電路的狀態(tài)有關(guān)。與該當(dāng)前的輸入信號(hào)有關(guān)，而且與此前電路的狀態(tài)有關(guān)。 具有具有0 和和1兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，一旦狀態(tài)被確定，就能自行保持。一個(gè)兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，一旦狀態(tài)被確定，就能自行保持。一個(gè)鎖存器或觸發(fā)器鎖存器或觸發(fā)器能存儲(chǔ)一位二進(jìn)制碼。能存儲(chǔ)一位二進(jìn)制碼。2、鎖存器與觸發(fā)器、鎖存器與觸發(fā)器共同點(diǎn)：共同點(diǎn)： 不同點(diǎn)：不同點(diǎn)：鎖存器鎖存器-對(duì)脈沖電平敏感的對(duì)脈沖電平敏感的存儲(chǔ)存儲(chǔ)電路，在特定輸入脈沖電平作用下電路

3、，在特定輸入脈沖電平作用下改變狀態(tài)。改變狀態(tài)。觸發(fā)器觸發(fā)器-對(duì)脈沖邊沿敏感對(duì)脈沖邊沿敏感的存儲(chǔ)電的存儲(chǔ)電路，在時(shí)鐘脈沖的上升沿或下降沿路，在時(shí)鐘脈沖的上升沿或下降沿的變化瞬間改變狀態(tài)。的變化瞬間改變狀態(tài)。 CP CP E E 5.1 雙穩(wěn)態(tài)存儲(chǔ)單元電路雙穩(wěn)態(tài)存儲(chǔ)單元電路5.1.1 雙穩(wěn)態(tài)的概念雙穩(wěn)態(tài)的概念 穩(wěn)穩(wěn)態(tài)態(tài)穩(wěn)穩(wěn)態(tài)態(tài)介介穩(wěn)穩(wěn)態(tài)態(tài) 1 Q Q 1 G1 G2 反饋反饋雙穩(wěn)態(tài)存儲(chǔ)單元電路雙穩(wěn)態(tài)存儲(chǔ)單元電路 電路有兩個(gè)互補(bǔ)的輸出端電路有兩個(gè)互補(bǔ)的輸出端Q端的狀態(tài)定義為電路輸出端的狀態(tài)定義為電路輸出狀態(tài)。狀態(tài)。 1 1 Q Q G1 G2 VO1 VO2 VI1 VI2 2、邏輯狀態(tài)分析、邏輯狀

4、態(tài)分析01 1 1 Q Q G1 G2 VO1 VO2 VI1 VI2 電路具有記憶電路具有記憶1 1位二進(jìn)制數(shù)據(jù)的功能。位二進(jìn)制數(shù)據(jù)的功能。 10如如 Q = 1如如 Q = 0105.1.2 雙穩(wěn)態(tài)存儲(chǔ)單元雙穩(wěn)態(tài)存儲(chǔ)單元1、電路結(jié)構(gòu)、電路結(jié)構(gòu)5.2.1 SR 鎖存器鎖存器5.2 鎖存器鎖存器 1 1 Q Q R G1 G2 1 1 S +VDD T4 T2 T6 T5 T1 T3 Q Q S R 或或非非門門 G1 或或非非門門 G2 1. 1. 基本基本SR鎖存器鎖存器電路的初態(tài)與次態(tài)電路的初態(tài)與次態(tài)初態(tài)：初態(tài)：R、S信號(hào)作用前信號(hào)作用前Q端的狀態(tài)端的狀態(tài). 初態(tài)初態(tài)用用Q n表示。表示

5、。次態(tài)：次態(tài)：R、S信號(hào)作用后信號(hào)作用后Q端的狀態(tài)端的狀態(tài). 次態(tài)次態(tài)用用Q n+1表示。表示。1) 工作原理工作原理0 00 0若初態(tài)若初態(tài) Q n = 1若初態(tài)若初態(tài) Q n = 01 10 01 10 01 10 00 00 0R=0、S=0 1 1 Q Q R G1 G2 1 1 S 1 1 Q Q R G1 G2 1 1 S 無(wú)論初態(tài)無(wú)論初態(tài)Q n為為0或或1，鎖存器的狀態(tài)不變，鎖存器的狀態(tài)不變 S 1 Q Q 1 R G1 G2 無(wú)論初態(tài)無(wú)論初態(tài)Q n為為0或或1，鎖存器的次態(tài)為為，鎖存器的次態(tài)為為1態(tài)。態(tài)。 信號(hào)消失信號(hào)消失后新的狀態(tài)將被記憶下來(lái)。后新的狀態(tài)將被記憶下來(lái)。0 01

6、 1 S 1 Q Q 1 R G1 G2 若若初態(tài)初態(tài) Q n = 0若初態(tài)若初態(tài) Q n = 10 01 10 01 10 0R=0、S=11 10 01 1 S 1 Q Q 1 R G1 G2 無(wú)論初態(tài)無(wú)論初態(tài)Q n為為0或或1，鎖存器的次態(tài)為，鎖存器的次態(tài)為0態(tài)。態(tài)。 信號(hào)消失后信號(hào)消失后新的狀態(tài)將被記憶下來(lái)。新的狀態(tài)將被記憶下來(lái)。1 10 0 S 1 Q Q 1 R G1 G2 若若初態(tài)初態(tài) Q n = 1若初態(tài)若初態(tài) Q n = 01 11 10 01 10 00 01 10 01 1R=1 、 S=00 0 S 1 Q Q 1 R G1 G2 1 11 10 00 0S=1 、 R

7、=11 10 0無(wú)論初態(tài)無(wú)論初態(tài)Q n為為0或或1，鎖存器的次態(tài)，鎖存器的次態(tài) 、 都為都為0 。nQnQ約束條件約束條件: SR = 0當(dāng)當(dāng)S、R 同時(shí)回到同時(shí)回到0時(shí)，由于兩個(gè)與非時(shí)，由于兩個(gè)與非門的延遲時(shí)間無(wú)法確定，使得觸發(fā)器門的延遲時(shí)間無(wú)法確定，使得觸發(fā)器最終穩(wěn)定狀態(tài)也不能確定。最終穩(wěn)定狀態(tài)也不能確定。鎖存鎖存器的輸出既不是器的輸出既不是0態(tài)，也不是態(tài)，也不是1態(tài)態(tài)2）邏輯符號(hào)與邏輯功能邏輯符號(hào)與邏輯功能不確定不確定111不確定不確定011110110010110001011000000RS邏輯功能表邏輯功能表nQ1n Q不變不變置置0 0置置1 1狀態(tài)狀態(tài)不確定不確定 S Q Q R

8、 S R S為置為置1端，端，R為置為置0端，端，且都是高電平有效且都是高電平有效不變不變置置1不變不變置置0置置1 不變不變不變不變4）工作波形工作波形(設(shè)初態(tài)為設(shè)初態(tài)為0） S R 01001000000010QQ S Q Q R S R 畫工作波形畫工作波形方法：方法：1.根據(jù)鎖存器信號(hào)敏感電平根據(jù)鎖存器信號(hào)敏感電平,確定狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)間確定狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)間2. 根據(jù)鎖存器的邏輯功能確定根據(jù)鎖存器的邏輯功能確定Qn+1。不確定不確定111不確定不確定011110110010110001011000000RSnQ1n Q 1 1 Q Q R S 4 4）用與非門構(gòu)成的基本）用與非門構(gòu)成的基本SR鎖

9、存器鎖存器、 S Q Q R R S c.國(guó)標(biāo)邏輯符號(hào)國(guó)標(biāo)邏輯符號(hào)a.電路圖電路圖b.b.功能表功能表 RSQ不定不定10010100101不變不變1 11不變不變Q約束條件約束條件: S R = 0 S Q Q R 畫工作波形畫工作波形功能表功能表 RSQ不定不定不不定定0010100101不變不變1 11不變不變Q S R Q Q 不變不變不定不定置置1 1 不變不變 置置1 1不變不變置置0 0不變不變110111011110110011 R vO t0 t1 vO t0 t1 t +5V +5V 5、應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例 -去抖動(dòng)電路去抖動(dòng)電路開關(guān)閉合時(shí)開關(guān)閉合時(shí)開關(guān)斷開時(shí)開關(guān)斷開時(shí)開關(guān)接

10、開關(guān)接A時(shí)振動(dòng)時(shí)振動(dòng),Q=1 開關(guān)開關(guān)接接 B振動(dòng)振動(dòng) 100k A B Q 1 2 74HCT00 R S 100k S +5V +5V R S Q 開關(guān)起始狀態(tài)開關(guān)起始狀態(tài): :接接B, = 0 =1 Q=0RS開關(guān)轉(zhuǎn)接開關(guān)轉(zhuǎn)接A, = 1 =0 Q=1RS懸空時(shí)懸空時(shí) =X =1 Q不變不變RS 去抖動(dòng)電路工作原理去抖動(dòng)電路工作原理S S懸空時(shí)懸空時(shí) =X =1 Q不變不變SR 2. 邏輯門控邏輯門控SR鎖存器鎖存器 R E S & & 1 1 1 1 G3 G1 G2 G4 Q4 Q3 Q Q 電路結(jié)構(gòu)電路結(jié)構(gòu) 1R E1 1S Q Q E S R 國(guó)標(biāo)邏輯符號(hào)國(guó)標(biāo)邏輯

11、符號(hào)簡(jiǎn)單簡(jiǎn)單SR鎖存器鎖存器使能信號(hào)控制門電路使能信號(hào)控制門電路 R E S & & 1 1 1 1 G3 G1 G2 G4 Q4 Q3 Q Q 2 2、工作原理、工作原理 S=0，R=0：Qn+1=Qn S=1，R=0：Qn+1=1 S=0，R=1：Qn+1=0 S=1，R=1：Qn+1= E=1：E=0：0 0 1 1& & & & &狀態(tài)發(fā)生變化。狀態(tài)發(fā)生變化。 狀態(tài)不變狀態(tài)不變Q3 = S Q4 = RSR3、 邏輯功能的幾種描述方式：邏輯功能的幾種描述方式： 1) 邏輯功能表邏輯功能表 （E=1） 2) 特性方程特性方程 0 1

12、 0 0 1 1 S 1 RQn 0 00 01 11 10 狀態(tài)不定狀態(tài)不定011111 置置1010011 置置0011100 狀態(tài)不變狀態(tài)不變010000 說(shuō)說(shuō) 明明Qn+1QnRS010011= f (RSQn 1Qn) = = 1QRSQnn= = 0SR約束條件約束條件狀態(tài)不狀態(tài)不定定011111置置1010011置置0011100狀態(tài)不狀態(tài)不變變010000 說(shuō)說(shuō) 明明Qn+1QnRS010011 3) 3) 狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖 邏輯功能表邏輯功能表S = 1R = 0S =0R =1S = 0R = XS = XR = 0 0 1 狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖用于電路設(shè)計(jì)：已知狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，確定

13、狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖用于電路設(shè)計(jì)：已知狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，確定S、R的的邏輯值邏輯值 4)工作波形工作波形 E S R Q SRQn+1 00Qn 01 0 10 1 11 邏輯功能邏輯功能表表E=1期間的期間的S 、 R信號(hào)影響鎖存器的狀態(tài)。信號(hào)影響鎖存器的狀態(tài)。E=0為低電平期間鎖存器狀態(tài)不變。為低電平期間鎖存器狀態(tài)不變。功能表、特性方程、狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖功能表、特性方程、狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖 、波形圖。波形圖。邏輯功能的四種描述方式邏輯功能的四種描述方式: 1R E1 1S Q Q E S R 5）動(dòng)作特點(diǎn)：）動(dòng)作特點(diǎn)：E=1期間電路對(duì)信號(hào)敏感，并按期間電路對(duì)信號(hào)敏感，并按S 、 R信號(hào)改變信號(hào)改變鎖存器的狀態(tài)。鎖存器的

14、狀態(tài)。5.2.2 D 鎖存器鎖存器1. 邏輯門控邏輯門控 D 鎖存器鎖存器 1D E1 Q Q E D 國(guó)標(biāo)邏輯符號(hào)國(guó)標(biāo)邏輯符號(hào) R E & & 1 1 1 1 G3 G1 G2 G4 Q4 Q3 Q Q S 邏輯電路圖邏輯電路圖該鎖存器有幾種工作狀態(tài)該鎖存器有幾種工作狀態(tài)?有非定義狀態(tài)嗎有非定義狀態(tài)嗎? E D 1 1 G5 R E D & & 1 1 1 1 G3 G1 G2 G4 Q4 Q3 Q Q S 1 1 G5 =DS =0 R=1D=0Q = 0D=1Q = 1E=0不變不變E=1= DS =1 R=0D 鎖存器的功能表鎖存器的功能表置置10111

15、置置01001保持保持不變不變不不變變0功能功能QDEQ邏輯邏輯功能功能1. 邏輯門控邏輯門控 D 鎖存器鎖存器2. 傳輸門控傳輸門控 D 鎖存器鎖存器 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 Q TG1 D E=0時(shí)時(shí)E=1時(shí)時(shí)(a) 電路結(jié)構(gòu)電路結(jié)構(gòu)CTG2導(dǎo)通，導(dǎo)通，TG1斷開斷開 TG1導(dǎo)通，導(dǎo)通，TG2斷開斷開Q = DQ 不變不變101010(b)工作原理工作原理 D E 1 1 TG TG 1 1 G1 TG2 G2 G4 G3 E C Q Q

16、C C C TG1 D C C Q Q (b) 工作波形工作波形 2. 傳輸門控傳輸門控 D 鎖存器鎖存器3. 鎖存器的動(dòng)態(tài)特性鎖存器的動(dòng)態(tài)特性 D Q tSU tH tW tpLH E tpHL 保持時(shí)間保持時(shí)間tH :確保數(shù)據(jù)的可靠鎖存的最少時(shí)間。確保數(shù)據(jù)的可靠鎖存的最少時(shí)間。延遲時(shí)間延遲時(shí)間tpLH:輸出從低電平到高電平的延遲時(shí)間輸出從低電平到高電平的延遲時(shí)間;Q脈沖寬度脈沖寬度tW :為保證為保證D信號(hào)正確傳送到信號(hào)正確傳送到Q和和 1 1 TG TG G1 TG2 G2 Q Q C C C TG1 D C 建立時(shí)間建立時(shí)間tSU :表示表示D信號(hào)對(duì)信號(hào)對(duì)E下降沿的最少時(shí)間提前量。下降

17、沿的最少時(shí)間提前量。延遲時(shí)間延遲時(shí)間tpHL:高電平到低電平的延遲時(shí)間。高電平到低電平的延遲時(shí)間。CMOS八八D鎖存器鎖存器- 74HC/HCT373 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 OE =0三態(tài)門使能三態(tài)門使能, ,數(shù)據(jù)輸出數(shù)據(jù)輸出LE=0鎖存器的狀態(tài)不變鎖存器的狀態(tài)不變LE=1鎖存器的狀態(tài)隨鎖存器的狀態(tài)隨Dn n變化變化OE =1三態(tài)門為高阻態(tài)三態(tài)門為高阻態(tài), ,數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)不能輸出不能輸出4. 4. 典型集成電路典型集成電路傳輸門傳輸門控控 D 鎖存器鎖存器傳輸門傳輸門控控 制制74H

18、C/HCT373的功能表的功能表工作模式工作模式輸輸 入入內(nèi)部鎖存內(nèi)部鎖存器器狀狀 態(tài)態(tài)輸輸 出出LEDnQn使能和讀鎖存使能和讀鎖存器器（傳送模式）（傳送模式）LHLLLLHHHH鎖存和讀鎖存鎖存和讀鎖存器器LLL*LLLLH*HH鎖存和禁止輸鎖存和禁止輸出出H高阻高阻H高阻高阻L*和和H*表示門控電平表示門控電平LE由高變低之前瞬間由高變低之前瞬間Dn的邏輯電平。的邏輯電平。OE E 5.3 觸發(fā)器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理觸發(fā)器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理1. 鎖存器與觸發(fā)器鎖存器與觸發(fā)器 CP CP 鎖存器在鎖存器在E的高的高(低低)電平期間電平期間對(duì)信號(hào)敏感并更新狀態(tài)對(duì)信號(hào)敏感并更新狀態(tài)觸發(fā)器在觸

19、發(fā)器在脈沖脈沖邊邊沿沿(上升沿或上升沿或下降沿下降沿)的作用下產(chǎn)生狀態(tài)的的作用下產(chǎn)生狀態(tài)的刷新刷新(觸發(fā)觸發(fā)) E 1 1 TG TG TG2 Q C C C TG1 D C 1 1 TG TG TG4 Q Q C C C TG3 C Q CP 1 C C G1 G4 G3 G2 主鎖存器主鎖存器5.3.1 主從觸發(fā)器主從觸發(fā)器TG1和和TG4的工作狀態(tài)相同的工作狀態(tài)相同TG2和和TG3的工作狀態(tài)相同的工作狀態(tài)相同傳輸門控傳輸門控 D 鎖存器鎖存器從鎖存器從鎖存器 C1 1D Q Q 邏輯符號(hào)邏輯符號(hào)5.3 觸發(fā)器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理觸發(fā)器的電路結(jié)構(gòu)和工作原理TG1導(dǎo)通，導(dǎo)通，TG2斷開斷開輸

20、入信號(hào)輸入信號(hào)D 送入主鎖存器。送入主鎖存器。TG3斷開，斷開，TG4導(dǎo)通導(dǎo)通從鎖存器維持在原來(lái)的狀態(tài)不變。從鎖存器維持在原來(lái)的狀態(tài)不變。 (1) CP=0時(shí)時(shí): 1 1 TG TG TG2 Q C C C TG1 D C 主主鎖鎖存存器器 1 1 TG TG TG4 Q Q C C C TG3 C 從從鎖鎖存存器器 Q G1 G4 G3 G2 C =1，C=0， CP 1 C C DDD1. 工作原理工作原理5.3.1 主從觸發(fā)器主從觸發(fā)器(2) CP由由0跳變到跳變到1 : 1 1 TG TG TG2 Q C C C TG1 D C 主主鎖鎖存存器器 1 1 TG TG TG4 Q Q C

21、 C C TG3 C 從從鎖鎖存存器器 Q G1 G4 G3 G2 C =0，C=1， CP 1 C C D觸發(fā)器的次態(tài)僅僅取決于觸發(fā)器的次態(tài)僅僅取決于CP信號(hào)上升沿到達(dá)前瞬間的信號(hào)上升沿到達(dá)前瞬間的D信號(hào)信號(hào) 主鎖存器主鎖存器:TG1斷開，斷開，TG2導(dǎo)通導(dǎo)通,從從鎖存器鎖存器:TG3導(dǎo)通，導(dǎo)通，TG4斷開斷開, Q 的的信號(hào)送信號(hào)送Q端。端。主鎖存器主鎖存器維持原態(tài)不變。維持原態(tài)不變。 DDD5.3.1 主從觸發(fā)器主從觸發(fā)器2. D 觸法器的邏輯功能觸法器的邏輯功能特性方程特性方程Qn+1=D狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖 D=1 D=0 D=0 D=1 0 1 邏輯功能表邏輯功能表nQ1n Q11

22、1101010000D動(dòng)作特點(diǎn)：電路在動(dòng)作特點(diǎn)：電路在CP 的上升沿對(duì)信號(hào)敏感的上升沿對(duì)信號(hào)敏感,并產(chǎn)生狀態(tài)變化。并產(chǎn)生狀態(tài)變化。次態(tài)與次態(tài)與CP 的上升沿前一瞬間的上升沿前一瞬間 的狀態(tài)相同的狀態(tài)相同5.3.1 主從觸發(fā)器主從觸發(fā)器 CP D 對(duì)對(duì)CP上升沿敏感的邊沿觸發(fā)器上升沿敏感的邊沿觸發(fā)器工作波形工作波形 C1 1D Q Q 5.3.1 主從觸發(fā)器主從觸發(fā)器 CP D 工作波形工作波形 C1 1D Q Q 對(duì)對(duì)CP下降下降沿敏感的邊沿觸發(fā)器沿敏感的邊沿觸發(fā)器5.3.1 主從觸發(fā)器主從觸發(fā)器 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 2、典型集成電路、典型集成電路-CMOS D觸發(fā)器觸發(fā)器74HC/HCT740 00 01 10 01 10 01 10 00 01 10 01 1 的直接置的直接置1和直接置和直接置0的作用的作