數(shù)字邏輯電路

1、主講老師：主講老師：韓維良韓維良2005.7第四章第四章觸發(fā)器觸發(fā)器數(shù)字邏輯電路第四章 觸發(fā)器第一節(jié)第一節(jié) 觸發(fā)器概述觸發(fā)器概述一、概述一、概述 觸發(fā)器觸發(fā)器即存貯單元，是具有記憶功能的基本單元電具有記憶功能的基本單元電路，能存儲一位二進(jìn)制代碼路，能存儲一位二進(jìn)制代碼；用于記憶電路過去的狀態(tài)，是組成時序電路必不可少的重要組成部分。 數(shù)字邏輯電路第四章 觸發(fā)器觸發(fā)器的基本性質(zhì)：1)、具有兩個互補(bǔ)的穩(wěn)定狀態(tài)（0和1）,即雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，能存儲一位二進(jìn)制信息。2)、在觸發(fā)時兩個穩(wěn)定態(tài)之間翻轉(zhuǎn)；在一定外界信號激勵作用下，觸發(fā)器可以從一個穩(wěn)定狀態(tài)翻轉(zhuǎn)為另一個穩(wěn)定狀態(tài)。(即從1變成0或從0變成1狀態(tài))。 3

2、)、當(dāng)輸入信號消失后，被置成的狀態(tài)能保存下來。數(shù)字邏輯電路第四章 觸發(fā)器按其功能可分為按其功能可分為：R-S觸發(fā)器、D觸發(fā)器、J-K觸發(fā)器、T觸發(fā)器及T觸發(fā)器五種；按其結(jié)構(gòu)可以分為按其結(jié)構(gòu)可以分為：基本RS觸發(fā)器、同步RS觸發(fā)器、主從觸發(fā)器、邊沿觸發(fā)器等幾種。 二、基本二、基本RSRS觸發(fā)器觸發(fā)器1 1構(gòu)成構(gòu)成邏輯圖和符號如下：數(shù)字邏輯電路第四章 觸發(fā)器&RS置1端置0端QQR SQQ數(shù)字邏輯電路第四章 觸發(fā)器基本RS觸發(fā)器由兩個“與非”門(也可以是“或非”門)交叉反饋連接而構(gòu)成。有兩個輸入端兩個輸入端R R和和S S，R為置“0”端，S為置“1”端，R和S均為低電平有效；R表示Res

3、et(復(fù)位)，R又稱為復(fù)位端，S表示Set(置位)，S又稱為置位端。兩個輸出端兩個輸出端Q Q和和Q Q，Q和Q既表示觸發(fā)器狀態(tài)又是其輸出端。兩個互反的輸出端。從器件的構(gòu)成來講，需要兩個輸出，但談觸發(fā)器的狀態(tài)時，只用一個即可。數(shù)字邏輯電路第四章 觸發(fā)器Q=1， Q=0表示1狀態(tài)；Q=0， Q=1表示“0”狀態(tài)。即，觸發(fā)器有兩個穩(wěn)定的狀態(tài)，通常將Q的狀態(tài)定義為觸發(fā)器的狀態(tài)。兩個與非門相互控制、相互制約而獲得穩(wěn)定狀態(tài)，除非外加輸入打破此穩(wěn)定狀態(tài)，否則此穩(wěn)態(tài)可長久保持。要使觸發(fā)器從一個穩(wěn)定態(tài)轉(zhuǎn)到另一穩(wěn)態(tài)，必須外加0電平信號(或低電平、負(fù)脈沖)，稱為觸發(fā)。數(shù)字邏輯電路第四章 觸發(fā)器2 2、工作原理、工

4、作原理根據(jù)前面的電路圖，可以寫出表達(dá)式為：Q=SQQ=RQ輸入與輸出之間的關(guān)系體現(xiàn)在下面四個方面：、R=1R=1、S=0S=0（置（置1 1）不論電路原來處在 0狀態(tài)或 1狀態(tài)，都會使Q1，隨之Q0，電路實(shí)現(xiàn)了置 1功能。(圖)、R=0R=0、S=1S=1（清（清0 0）不論電路原來處在 0狀態(tài)或 1狀態(tài)，都會使Q1，隨之Q0；電路實(shí)現(xiàn)了置 0功能。數(shù)字邏輯電路第四章 觸發(fā)器、R=S=1R=S=1（保持）（保持）電路的狀態(tài)由原來的狀態(tài)決定原來的狀態(tài)決定，或者說，電路維持原狀態(tài)不變不變。即存貯功能的體現(xiàn)。(圖)由于交叉反饋連接，使得電路的狀態(tài)在兩個互反的反饋信號制約下，保持原狀態(tài)不變。如令Q=1

5、，Q=0，則Q=1使得Q=0，而Q=0使得Q=1。數(shù)字邏輯電路第四章 觸發(fā)器、R=S=0R=S=0若R,S端同時加低電平有效信號，即SR0時，有Q1、Q1，在兩個輸入信號同時撤消（回到高電平）后，觸發(fā)器的狀態(tài)將不能確定不能確定是 1還是0。(圖)因此應(yīng)禁止出現(xiàn)這種情況，需要加上約束方程：R+S=1。(1+1=1,1+0=1,0+1=1)數(shù)字邏輯電路第四章 觸發(fā)器Qn+1R S功能功能Qn0 1置置0 000011 0置置1 111011 10011保持保持0 0不定不定01Qn+1R S功能功能Qn0 1置置0 00001置置0 000011 0置置1 11101置置1 111011 1001

6、1保持保持0 0不定不定01不定不定01 Qn為觸發(fā)器原來的狀態(tài)，又稱為現(xiàn)態(tài)，而Qn+1為觸發(fā)器經(jīng)觸發(fā)后的下一時刻的狀態(tài)，又稱為次態(tài)。數(shù)字邏輯電路第四章 觸發(fā)器需說明的是：由于反饋線的存在，無論是復(fù)位還是置位，有效信號只需作用很短的一段時間即可，即“一觸即發(fā)”。數(shù)字邏輯電路第四章 觸發(fā)器例：用基本RS觸發(fā)器與與非門構(gòu)成一個四位二進(jìn)制數(shù)碼寄存器。寄存器的主要功能是存放數(shù)據(jù)或保存運(yùn)算結(jié)果。構(gòu)成寄存器的核心器件是觸發(fā)器，一個觸發(fā)器存放一位數(shù)據(jù)，因此, n位數(shù)據(jù)要n個觸發(fā)器。四位二進(jìn)制數(shù)碼寄存器則需要四個RS觸發(fā)器。構(gòu)成電路如下：數(shù)字邏輯電路第四章 觸發(fā)器從組成上看有：四個數(shù)據(jù)輸入端，四個數(shù)據(jù)輸出端；

7、一個清零信號端CR，一個置數(shù)信號端LD，清零低電平有效，置數(shù)高電平有效。一般情況下，往數(shù)碼寄存器中存入數(shù)碼時，先清零，再送入數(shù)碼。、清零、清零CR加低電平，LD加低電平。由于LD=0，四個與非門的輸出皆為1，使得：S=1，R=0；為置零狀態(tài)，各觸發(fā)器的輸出Q皆為0。數(shù)字邏輯電路第四章 觸發(fā)器、置數(shù)、置數(shù)即將數(shù)碼存入數(shù)碼寄存器。在清零后，各觸發(fā)器的輸出Q皆為0。LD加高電平，（而此時CR=1）與非門的輸出取決于D的輸入；當(dāng)D0=1時，與非門的輸出為0，S=0，R=1，為置數(shù)狀態(tài)，使Q0=1 =D0；當(dāng)D0=0時，與非門的輸出為1，S=1，R=1，為不變狀態(tài)，Q的狀態(tài)不變，（因?yàn)榍辶愫螅琎已經(jīng)等于

8、0），使Q0=0 =D0；數(shù)字邏輯電路第四章 觸發(fā)器當(dāng)置數(shù)過程完成以后，各觸發(fā)器的狀態(tài)保持現(xiàn)狀不變。必須注意:置數(shù)前，應(yīng)先清零，再置數(shù)，否則將會出現(xiàn)錯誤。如：0#觸發(fā)器原來的狀態(tài)是1，現(xiàn)在輸入D0為0；在置數(shù)是時，LD=1，與非門的輸出為1，S=1，R=1，為不變狀態(tài)，Q的狀態(tài)不變，使Q=1D0；數(shù)字邏輯電路第四章 觸發(fā)器第二節(jié)第二節(jié) 基本鐘控觸發(fā)器基本鐘控觸發(fā)器一、概述一、概述由同步信號控制的觸發(fā)器稱為同步觸發(fā)器或鐘控觸發(fā)器，同步信號也叫做時鐘信號時鐘信號，用CP表示（為Clock Pulse的縮寫）。即：引入時鐘脈沖 cp 控制觸發(fā)器的變化(翻轉(zhuǎn))的時刻。如：隊(duì)列操練的口令,百米跑裁判員的

9、發(fā)令聲。時鐘時鐘：外加的具有固定頻率的脈沖信號，以此作為時間基準(zhǔn)控制電路工作的控制信號。數(shù)字邏輯電路第四章 觸發(fā)器同步觸發(fā)器與基本觸發(fā)器的不同之處在于，它的狀態(tài)改變不僅取決于輸入信號，還與時鐘脈沖信號CP有關(guān)。 時鐘觸發(fā)器按邏輯功能分為RS型、D型、JK型、T型四種，這幾種電路都十分簡單，容易理解。二、同步二、同步RSRS觸發(fā)器（鐘控觸發(fā)器（鐘控RSRS觸發(fā)器）觸發(fā)器）1 1、電路構(gòu)成、電路構(gòu)成基本RS時鐘控制門時鐘控制門G3、G4數(shù)字邏輯電路第四章 觸發(fā)器數(shù)字邏輯電路第四章 觸發(fā)器2 2、工作原理、工作原理觸發(fā)器的時鐘信號CP為1時，輸入信號才能被觸發(fā)器接收并導(dǎo)致輸出狀態(tài)的變化；而當(dāng)時鐘信號

10、為0時，觸發(fā)器不接收輸入信號且狀態(tài)維持不變。cp=0時，不管R、S如何，其輸出狀態(tài)都不會變，G3，G4被cp=0封鎖，使它們的輸出都為1，相當(dāng)于原來基本RS觸發(fā)器的RS端均為1的情況。數(shù)字邏輯電路第四章 觸發(fā)器cp=1時，G3、G4門打開，R、S通過G3、G4門到達(dá)基本RS。cp=01時控制觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)到什么狀態(tài)則由R、S決定。當(dāng)S=1、R=0時，G4門的輸出Q4為0，G3門的輸出為Q3為1，（相當(dāng)于原基本RS觸發(fā)器的S=0、R=1的狀態(tài)），Q輸出為1。當(dāng)S=0、R=1時，G4門的輸出Q4為1，G3門的輸出為Q3為0，（相當(dāng)于原基本RS觸發(fā)器的S=1、R=0的狀態(tài)），Q輸出為0。數(shù)字

11、邏輯電路第四章 觸發(fā)器綜上可知，在上述兩種情況下，Q的輸出狀態(tài)與S的狀態(tài)相同。當(dāng)S=0、R=0時，G4門的輸出Q4為1，G3門的輸出為Q3為1，（相當(dāng)于原基本RS觸發(fā)器的S=1、R=1的狀態(tài)），Q輸出為原來的輸出狀態(tài)。即不變態(tài)。當(dāng)S=1、R=1時，G4門的輸出Q4為0，G3門的輸出為Q3為0，（相當(dāng)于原基本RS觸發(fā)器的S=0、R=0的狀態(tài)），Q的輸出狀態(tài)不定。即不定態(tài)，應(yīng)加以避免。特點(diǎn)特點(diǎn)：基本RS是0電平起作用（即S等于0置數(shù)），鐘控RS則是“1”電平起作用。數(shù)字邏輯電路第四章 觸發(fā)器數(shù)字邏輯電路第四章 觸發(fā)器根據(jù)前面的邏輯電路圖，可寫出邏輯表達(dá)式：Q3=RCP=R (由于在CP=1時觸發(fā))

12、Q4=SCP=S（Q3、Q4分別代入原基本RS觸發(fā)器的R、S端）Q=Q4Q=SQQ=Q3Q=RQ數(shù)字邏輯電路第四章 觸發(fā)器信號作用之前觸發(fā)器原來的狀態(tài)稱為現(xiàn)在狀態(tài)（簡稱現(xiàn)態(tài)），用Qn表示信號作用之后觸發(fā)器新的狀態(tài)稱為下一狀態(tài)（簡稱次態(tài)），用Qn+1表示Qn+1=SQnQn+1=RQn數(shù)字邏輯電路第四章 觸發(fā)器存在的問題：空翻空翻：在CP=1的期間如果輸入信號發(fā)生變化，且輸入信號變化多次時，則觸發(fā)器的狀態(tài)也隨之多次翻轉(zhuǎn)，通常把在同一CP脈沖下引起觸發(fā)器兩次或多次翻轉(zhuǎn)的現(xiàn)象稱為空翻空翻。由于在CP=1期間，G3、G4門都是開著的，都能接收R、S信號。數(shù)字邏輯電路第四章 觸發(fā)器三、三、D D觸發(fā)器觸

13、發(fā)器為了解決同步RS觸發(fā)器輸入R、S同時為1時所出現(xiàn)的狀態(tài)不確定的缺點(diǎn)，可將同步RS觸發(fā)器接成下圖的形式，這樣就構(gòu)成了只有單輸入端的D觸發(fā)器。D觸發(fā)器又叫D鎖存器或延遲觸發(fā)器。數(shù)字邏輯電路第四章 觸發(fā)器&GQ54QQDG34Q&G65Q6Q12&3G&CPGG數(shù)字邏輯電路第四章 觸發(fā)器D觸發(fā)器的邏輯功能比較簡單，當(dāng)輸入D為1時，來一個CP脈沖，觸發(fā)器被置為1；當(dāng)D為0時，來一個CP脈沖，觸發(fā)器被置為0。在CP=1的期間，由于反相器的連接使得原同步觸發(fā)器的S、R始終相異。表達(dá)式： Qn+1=D。即：輸入決定輸出，輸出與原狀態(tài)無關(guān)。數(shù)字邏輯電路第四章 觸發(fā)器 存在問

14、題：仍存在空翻，不能用于移位寄存器、計(jì)數(shù)器，只能作數(shù)碼寄存。數(shù)字邏輯電路第四章 觸發(fā)器四、四、JKJK觸發(fā)器觸發(fā)器在同步RS觸發(fā)器中，必須限制輸入R和S同時為1的情況出現(xiàn)，這給使用帶來了不便。將輸出反饋分別輸入到G3、G4門上，同時將輸入端S改成J，R改成K。這樣就構(gòu)成了JK觸發(fā)器。cl數(shù)字邏輯電路第四章 觸發(fā)器JK觸發(fā)器的邏輯功能如下：當(dāng)時鐘脈沖未到來，即CP=0時，無論觸發(fā)器的輸入J和K怎樣變化，觸發(fā)器狀態(tài)將保持不變。當(dāng)時鐘脈沖到來時，即CP=1時，觸發(fā)器才會響應(yīng)J、K的輸入：如果J=0，K=0，觸發(fā)器保持原狀態(tài)不變；如果J0，K=1，無論觸發(fā)器的現(xiàn)態(tài)如何，其次態(tài)總是0；數(shù)字邏輯電路第四章

15、 觸發(fā)器如果J=1，K=0，無論觸發(fā)器的現(xiàn)態(tài)如何，其次態(tài)總是1；如果J=1，K=1，觸發(fā)器必將翻轉(zhuǎn)，即變得與原狀態(tài)相反，Q與原Q相同，Q與原Q相同。JKQnQn+10000110100110011110110Qn+1=J K Qn+J K+J K Qn01J=K=0J=K=1K=J=K=01J=數(shù)字邏輯電路第四章 觸發(fā)器可以化簡為：五、五、T T觸發(fā)器觸發(fā)器如果把JK 觸發(fā)器的兩個輸入端J和K連在一起，并用符號T表示，這樣就構(gòu)成了T觸發(fā)器，如下頁的圖所示。T觸發(fā)器又叫計(jì)數(shù)觸發(fā)器。當(dāng)T1時，每來一個時鐘脈沖，觸發(fā)器的狀態(tài)就改變一次，計(jì)一次數(shù)。而當(dāng)T0時，盡管有時鐘脈沖來到，觸發(fā)器不改變，即保持原

16、態(tài)不變，停止計(jì)數(shù)。狀態(tài)改變:即0變1,1變0。數(shù)字邏輯電路第四章 觸發(fā)器數(shù)字邏輯電路第四章 觸發(fā)器邏輯表達(dá)式為：Qn+1=TQn+TQnT 觸發(fā)器的特征：每來一個 cp 脈沖，觸發(fā)器狀態(tài)就改變一次，所以又稱計(jì)數(shù)觸發(fā)器。以上介紹了四種觸發(fā)器的邏輯符號和外部特性，另外，各種功能的觸發(fā)器是可以相互轉(zhuǎn)換的，經(jīng)過適當(dāng)組合變換可以把一種邏輯功能的觸發(fā)器轉(zhuǎn)換成另一種功能的觸發(fā)器。其中J-K觸發(fā)器是功能較全的一種器件，可以方便的轉(zhuǎn)為完成其它觸發(fā)器功能，如一個JK觸發(fā)器變換為D觸發(fā)器，變換為T觸發(fā)器，變換為RS觸發(fā)器等。 數(shù)字邏輯電路第四章 觸發(fā)器第三節(jié)第三節(jié) 各種觸發(fā)器各種觸發(fā)器一、主從一、主從RSRS觸發(fā)器

17、觸發(fā)器1 1、電路構(gòu)成、電路構(gòu)成它由兩個結(jié)構(gòu)相同的門控RS觸發(fā)器組成，分別稱為主觸發(fā)器和從觸發(fā)器。數(shù)字邏輯電路第四章 觸發(fā)器數(shù)字邏輯電路第四章 觸發(fā)器其中主觸發(fā)器用于接受輸入信號，而其輸出連接到從觸發(fā)器的輸入上，決定從觸發(fā)器的狀態(tài)。2 2、工作原理、工作原理根據(jù)時鐘信號CP的變化，電路的翻轉(zhuǎn)分兩步進(jìn)行：1)、CP=1時，主觸發(fā)器的G7、G8門被打開，由R、S的輸入決定主觸發(fā)器的狀態(tài)；而從觸發(fā)器由于時鐘信號被反相等于0，G3、G4門封鎖，其狀態(tài)保持原狀態(tài)不變；數(shù)字邏輯電路第四章 觸發(fā)器2)、CP下降沿到來時即從1變?yōu)?時，主觸發(fā)器的G7、G8門被封鎖，不再受R、S的影響，其狀態(tài)保持原狀態(tài)不變；而

18、從觸發(fā)器由于時鐘信號被反相等于1，G3、G4門打開，其狀態(tài)由主觸發(fā)器的輸出決定；即從觸發(fā)器的狀態(tài)按主觸發(fā)器的狀態(tài)改變，主觸發(fā)器不再受S和R的影響。第一步，在CP1時，由輸入信號決定主觸發(fā)器的狀態(tài)，從觸發(fā)器保持不變；第二步，CP下降沿（由1變?yōu)?時）到達(dá)時從觸發(fā)器的狀態(tài)由主觸發(fā)器的狀態(tài)決定，因此觸發(fā)器輸出觸發(fā)器輸出Q Q的變化一的變化一定發(fā)生在定發(fā)生在CPCP下降沿。下降沿。數(shù)字邏輯電路第四章 觸發(fā)器 CP的波峰要保持一定的時長，等信號穩(wěn)定。 由互補(bǔ)的鐘控信號控制主從觸發(fā)器的狀態(tài)改變。 其邏輯功能與RS觸發(fā)器相同，但是在一個CP周期內(nèi)，觸發(fā)器的狀態(tài)只能改變一次，有效解決了空翻的問題。 邏輯功能:

19、與同步RS觸發(fā)器相同。數(shù)字邏輯電路第四章 觸發(fā)器二、主從式二、主從式JKJK觸發(fā)器觸發(fā)器主從結(jié)構(gòu)RS觸發(fā)器中的主觸發(fā)器本身仍是一個時鐘RS觸發(fā)器，所以在CP1期間它的輸入信號仍需遵守RS0的約束條件。否則，若RS1，則CP下降沿到達(dá)時無法確定主觸發(fā)器的狀態(tài)，因而也無從得知從觸發(fā)器的狀態(tài)了，仍存在不確定態(tài)。 在主從RS觸發(fā)器的基礎(chǔ)上加上適當(dāng)連線構(gòu)成JK式，它將從觸發(fā)器的輸出Q和Q分別接回至主觸發(fā)器接收門的輸入端，輸入信號命名為J和K，構(gòu)成了主從結(jié)構(gòu)JK觸發(fā)器，從而能夠解決了不定態(tài)和空翻問題。數(shù)字邏輯電路第四章 觸發(fā)器1 1、電路構(gòu)成、電路構(gòu)成數(shù)字邏輯電路第四章 觸發(fā)器2 2、工作原理、工作原理根

20、據(jù)時鐘信號CP的變化，電路狀態(tài)改變分兩步進(jìn)行：1)、當(dāng)CP由0變?yōu)?時，主觸發(fā)器接受輸入J、K，并予以暫存；而從觸發(fā)器由于時鐘信號被反相等于0，G3、G4門封鎖，其狀態(tài)保持原狀態(tài)不變，Q不變；2)、CP下降沿到來時即從1變?yōu)?時，主觸發(fā)器的G7、G8門被封鎖，J, K的任何變化不會影響其狀態(tài)；而從觸發(fā)器由于時鐘信號被反相等于1，G3、G4門打開，其狀態(tài)與主觸發(fā)器的輸出相同；也就是最終的輸出。數(shù)字邏輯電路第四章 觸發(fā)器觸發(fā)分兩步進(jìn)行：cp=1 cp=1 接收并暫存接收并暫存； cp=0 cp=0 觸發(fā)、翻轉(zhuǎn)觸發(fā)、翻轉(zhuǎn)。其邏輯功能與前述JK觸發(fā)器相同。數(shù)字邏輯電路第四章 觸發(fā)器在觸發(fā)階段，由于cp

21、=0封鎖主觸發(fā)器， Q或J、K的任何變化，均不會影響其狀態(tài)，從而不會影響從觸發(fā)器的輸出，因此，一個cp周期中，觸發(fā)器只翻轉(zhuǎn)一次, 清除了空翻，同時也不會存在不定態(tài)。三、維持三、維持- -阻塞型阻塞型D D觸發(fā)器觸發(fā)器為了增強(qiáng)觸發(fā)器的可靠性和提高抗干擾能力，希望觸發(fā)器的狀態(tài)變化僅僅取決于時鐘信號觸發(fā)沿到來時輸入信號的狀態(tài)，這類觸發(fā)器叫邊沿觸發(fā)型觸發(fā)器。輸出狀態(tài)的變化發(fā)生在CP時鐘信號的邊沿（上升沿或下降沿），而且僅僅取決于時鐘信號CP的邊沿到達(dá)時輸入信號的狀態(tài)。數(shù)字邏輯電路第四章 觸發(fā)器維持-阻塞型D觸發(fā)器是一種典型的邊沿觸發(fā)器。是上升沿觸發(fā)方式，也就是只在CP從低變?yōu)楦叩倪@個過程中觸發(fā)；&GQ54QQDG34Q&G65Q6Q12&3G&CPGGL13LL2SDRD數(shù)字邏輯電路第四章 觸發(fā)器1 1、電路的構(gòu)成、電路的構(gòu)成在D觸發(fā)器的基礎(chǔ)上，增加了三根反饋線L1、L2、L3。另外，為擴(kuò)展功能增加了Sd、Rd。Sd、Rd接至基本RS的觸發(fā)器的輸入端；分別是置1和置0端，低電平有效；當(dāng)Sd=0且Rd=1時