《數(shù)字電子技術(shù)及應(yīng)用》課件第4章

第四章觸發(fā)器4.1RS觸發(fā)器4.2其它功能的觸發(fā)器

4.3集成觸發(fā)器 4.1

RS觸發(fā)器

4.1.1基本RS觸發(fā)器

1．電路組成

基本RS觸發(fā)器可由兩個(gè)輸入、輸出交叉連接的與非門組成，如圖4－1－1(a)所示?；綬S觸發(fā)器是構(gòu)成其它各種功能觸發(fā)器的基本組成部分，是一種最簡(jiǎn)單的觸發(fā)器。圖4－1－1

(a)邏輯圖；(b)邏輯符號(hào)表4－1－1基本RS觸發(fā)器真值表

3.狀態(tài)表、狀態(tài)圖和特征方程

對(duì)于觸發(fā)器功能的描述，除了用真值表和時(shí)序圖來(lái)表示外，還可以用狀態(tài)表、狀態(tài)圖和特征方程來(lái)表示。狀態(tài)表、狀態(tài)圖不但能說(shuō)明輸出與輸入之間的關(guān)系，同時(shí)還表明了狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系。

狀態(tài)表即狀態(tài)轉(zhuǎn)換表，它可由真值表直接得到?；綬S觸發(fā)器的狀態(tài)表如表4－1－2所示。由于SDRD＝00是禁止出現(xiàn)的，因此可作為無(wú)關(guān)最小項(xiàng)。表4-1-2基本RS觸發(fā)器狀態(tài)表

狀態(tài)圖又稱為狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。在狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖中以圓圈表示電路的各個(gè)狀態(tài)，以箭頭表示狀態(tài)轉(zhuǎn)換的方向，還在箭頭旁注明了狀態(tài)轉(zhuǎn)換前的輸入變量取值和輸出值。通常將輸入變量取值寫(xiě)在斜線以上，將輸出值寫(xiě)在斜線以下。

基本RS觸發(fā)器的狀態(tài)圖如圖4-1-2所示。Q端共有兩個(gè)狀態(tài)：“0”態(tài)和“1”態(tài)，當(dāng)Qn＝0時(shí)，輸入RDSD=11或01時(shí)，保持“0”態(tài)（即Qn+l＝0），輸入RDSD＝10時(shí)，狀態(tài)由“0”變?yōu)椤?”態(tài)（即Qn+l＝1）。當(dāng)Qn＝1時(shí)，輸入RDSD=11或10時(shí)，保持“1”態(tài)（即Qn+l=1），輸入RDSD＝01時(shí)，狀態(tài)由“1”變?yōu)椤?”態(tài)（即Qn+l＝0）。(4－1－1)圖4－1-2圖4－1-34.1.2鐘控RS觸發(fā)器

1．電路組成

基本RS觸發(fā)器的特點(diǎn)是觸發(fā)器的狀態(tài)直接受輸入信號(hào)的控制，一旦輸入信號(hào)發(fā)生變化，其輸出狀態(tài)也隨之改變。在數(shù)字系統(tǒng)中，不僅要求觸發(fā)器的輸出狀態(tài)最終由輸入端所加的信號(hào)決定，而且還要有一個(gè)命令觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)的信號(hào)——時(shí)鐘脈沖（簡(jiǎn)稱CP脈沖），以便在時(shí)鐘脈沖的控制下，整個(gè)系統(tǒng)中有關(guān)的觸發(fā)器同時(shí)動(dòng)作。受時(shí)鐘脈沖控制的觸發(fā)器稱為鐘控觸發(fā)器。鐘控RS觸發(fā)器的電路結(jié)構(gòu)如圖4－1－4所示。圖4－1-4鐘控RS觸發(fā)器也稱同步RS觸發(fā)器，它由四個(gè)與非門組成，與非門A和B構(gòu)成一個(gè)基本RS觸發(fā)器，與非門C和D構(gòu)成導(dǎo)引控制電路。CP是時(shí)鐘脈沖控制信號(hào)輸入端，時(shí)鐘脈沖由此輸入。時(shí)鐘脈沖是一個(gè)等間隔、波形較窄的正脈沖系列，通過(guò)導(dǎo)引電路來(lái)實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘脈沖對(duì)輸入端R和S的控制，故稱為鐘控RS觸發(fā)器。SD、RD端是直接置位和直接復(fù)位端，即不經(jīng)過(guò)時(shí)鐘脈沖控制對(duì)基本RS觸發(fā)器直接置位和復(fù)位。在工作之初，若使觸發(fā)器處于某一指定狀態(tài)時(shí)，在SD或RD端輸入一負(fù)脈沖即可。當(dāng)在觸發(fā)器工作期間不需直接置位、復(fù)位時(shí)，SD、RD端處于高電平，即處于“1”態(tài)。S、R端是信號(hào)輸入端。

2.工作原理

下面分析同步RS觸發(fā)器輸出狀態(tài)與輸入狀態(tài)的邏輯關(guān)系。

在時(shí)鐘脈沖到來(lái)之前，即CP＝0時(shí)，不論R和S端狀態(tài)如何變化，C門和D門有一個(gè)輸入端為“0”，故其輸出均為“1”，C、D門關(guān)閉，基本RS觸發(fā)器保持原狀態(tài)不變。只有當(dāng)時(shí)鐘脈沖到來(lái)之后，即CP＝1時(shí)，觸發(fā)器才按R、S端的輸入狀態(tài)來(lái)決定其輸出狀態(tài)。時(shí)鐘脈沖過(guò)去后，輸出狀態(tài)不變。由于這種觸發(fā)器狀態(tài)的翻轉(zhuǎn)時(shí)刻受控制端信號(hào)同步控制，故又稱為同步觸發(fā)器。

設(shè)時(shí)鐘脈沖到來(lái)后，CP端變?yōu)椤?”，即CP＝1。

1)S＝0，R＝1此時(shí)，C門的一個(gè)輸入端為“0”，故其輸出為“1”。D門的兩個(gè)輸入端均為“1”，故其輸出為“0”，即向B門輸送了一個(gè)置“1”負(fù)脈沖，使Q為“1”。因此，不論基本RS觸發(fā)器初始狀態(tài)是“0”還是“1”，輸出端Q都將處于“0”態(tài)。

2)S＝1，R＝0此時(shí)，D門的一個(gè)輸入端為“0”，故其輸出為“1”。C門的兩個(gè)輸入端均為“1”，故其輸出為“0”，即向A門輸送了一個(gè)置“1”負(fù)脈沖。不論基本RS觸發(fā)器初始狀態(tài)是“0”還是“1”，輸出端Q都將處于“1”態(tài)。

3)S＝0，R＝0此時(shí)，C門和D門均有一個(gè)輸入端為“0”，故其輸出均為“1”，不向基本RS觸發(fā)器輸送負(fù)脈沖，觸發(fā)器狀態(tài)保持不變，稱觸發(fā)器處于“保持”狀態(tài)。

4)S＝1，R＝1

此時(shí)，C門和D門的兩個(gè)輸入端均為“1”，故其輸出均為“0”。C門和D門均向基本RS觸發(fā)器輸送了負(fù)脈沖，從而使基本RS觸發(fā)器的兩個(gè)輸出端Q和Q均為“1”，即Q＝Q＝1，這就破壞了觸發(fā)器的邏輯關(guān)系。當(dāng)脈沖消失后，即CP＝0時(shí)，觸發(fā)器狀態(tài)不定，因此，這種情況在實(shí)際工作中應(yīng)避免。表4-1-3同步RS觸發(fā)器真值表

3.狀態(tài)表、狀態(tài)圖和特征方程

根據(jù)同步RS觸發(fā)器的真值表可得鐘控RS觸發(fā)器在CP＝1時(shí)的狀態(tài)表如表4－1－4所示，狀態(tài)圖如圖4－1－5所示,特征方程如式(4－1－2)所示。

特征方程（約束條件）(4－1－2)表4-1-4鐘控RS觸發(fā)器的狀態(tài)表

圖4－1-54.2.1

D觸發(fā)器

為了解決鐘控RS觸發(fā)器R、S輸入信號(hào)之間有約束的問(wèn)題，可以將圖4－1－3所示鐘控RS觸發(fā)器的R端接至D門的輸出端，并將S改為D，便構(gòu)成了圖4－2－1所示的鐘控D觸發(fā)器。在圖4－2－1中，門A和B組成基本觸發(fā)器，門C和D組成觸發(fā)引導(dǎo)門。基本RS觸發(fā)器的輸入為4.2其它功能的觸發(fā)器圖4－2-1表4-2-1

D觸發(fā)器真值表Qn+l＝D(4－2－1)

同理，可以得出鐘控D觸發(fā)器在CP＝1時(shí)的狀態(tài)表如表4－2－2所示，狀態(tài)圖如圖4－2－2所示。圖4－2－24.2.2

T觸發(fā)器和T′觸發(fā)器

1．T觸發(fā)器

將鐘控RS觸發(fā)器的互補(bǔ)輸出Q和Q分別接R和S輸入端，并在觸發(fā)引導(dǎo)門的輸入端加T輸入信號(hào)就構(gòu)成了鐘控T觸發(fā)器，如圖4－2－3所示。由于Q和Q互補(bǔ)，它不可能出現(xiàn)SR＝11的情況，因此這種結(jié)構(gòu)也解決了R、S之間的約束問(wèn)題。

這時(shí)等效的R、S輸入信號(hào)為圖4－2－3表4-2-3

T觸發(fā)器真值表由圖4－2－3可得當(dāng)CP＝1時(shí)，將上式代入基本RS觸發(fā)器的特征方程，得出鐘控T觸發(fā)器的特征方程為(4－2－2)同理，可得出T觸發(fā)器在CP＝1時(shí)的狀態(tài)表如表4－2－4所示，狀態(tài)圖如圖4－2－4所示。表4-2-4

T觸發(fā)器狀態(tài)表

圖4－2-4

2.T′觸發(fā)器

如果讓T觸發(fā)器的輸入端T恒為“1”，就構(gòu)成了T′觸發(fā)器。顯然，T′觸發(fā)器只具有計(jì)數(shù)功能，即每來(lái)一個(gè)時(shí)鐘脈沖，觸發(fā)器的狀態(tài)就翻轉(zhuǎn)一次Qn+1＝Q?？梢?jiàn)T′觸發(fā)器僅有翻轉(zhuǎn)功能，因此，T′觸發(fā)器又稱為計(jì)數(shù)觸發(fā)器，它是T觸發(fā)器的特例。T′觸發(fā)器的真值表、狀態(tài)表和狀態(tài)圖分別如表4-2-5、表4-2-6和圖4-2-5所示。

T′觸發(fā)器的特征方程為(4－2－3)表4-2-5

T′觸發(fā)器真值表表4-2-6

T′觸發(fā)器狀態(tài)表

圖4－2－54.2.3

JK觸發(fā)器

將T觸發(fā)器的T端分開(kāi)，分別用J、K輸入，便可以構(gòu)成鐘控JK觸發(fā)器，如圖4－2－6所示。與鐘控RS觸發(fā)器對(duì)照，其等效的R、S輸入信號(hào)為圖4－2－6表4-2-7主從JK觸發(fā)器真值表

由圖4－2－6可得代入基本RS觸發(fā)器特征方程,得出JK觸發(fā)器的特征方程為(4－2－4)圖4－2-7由于JK觸發(fā)器功能比較齊全，因此也是目前使用非常廣泛的一種觸發(fā)器。

上述分析的幾種觸發(fā)器狀態(tài)的翻轉(zhuǎn)的時(shí)刻受時(shí)鐘脈沖的控制，因此屬于鐘控觸發(fā)器。

另外，各種不同功能的觸發(fā)器邏輯功能可以相互轉(zhuǎn)換。由于目前最常見(jiàn)到的集成觸發(fā)器芯片是JK觸發(fā)器和D觸發(fā)器，因此當(dāng)需要使用其它邏輯功能的觸發(fā)器時(shí)，可以通過(guò)邏輯功能轉(zhuǎn)換的方法，把JK觸發(fā)器或D觸發(fā)器轉(zhuǎn)換為所需要的邏輯功能的觸發(fā)器。

4.3集成觸發(fā)器

4.3.1集成觸發(fā)器的觸發(fā)方式

觸發(fā)方式指的是觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)時(shí)刻與時(shí)鐘脈沖的關(guān)系。觸發(fā)器的觸發(fā)方式和其內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)有關(guān)，但同功能的觸發(fā)器不論采用何種觸發(fā)方式和結(jié)構(gòu)，其邏輯功能完全相同。如JK觸發(fā)器，不論是電平觸發(fā)方式，還是邊沿觸發(fā)方式，其邏輯功能都是具有保持或記憶功能、置“0”和置“1”功能及計(jì)數(shù)功能。

1.電平觸發(fā)方式

前面我們介紹的幾種鐘控觸發(fā)器，當(dāng)時(shí)鐘脈沖信號(hào)為低電平（CP=0）時(shí)，觸發(fā)器不接受輸入信號(hào)，維持原狀態(tài)不變；當(dāng)時(shí)鐘脈沖信號(hào)為高電平（CP=1）時(shí)，觸發(fā)器接受輸入信號(hào)，狀態(tài)發(fā)生變化，這種鐘控方式稱為電平觸發(fā)方式。所謂電平觸發(fā)，是指只要CP在規(guī)定的電平下，觸發(fā)器便能翻轉(zhuǎn)。如果只在CP＝1期間翻轉(zhuǎn)，在CP＝0期間不能翻轉(zhuǎn)，則稱正電平觸發(fā)；如果只在CP＝0期間翻轉(zhuǎn)，在CP＝1期間不能翻轉(zhuǎn)，則稱負(fù)電平觸發(fā)。

電平觸發(fā)方式的觸發(fā)器邏輯符號(hào)如圖4－3－1所示。圖4－3-1

(a)高電平觸發(fā)；(b)低電平觸發(fā)由邏輯符號(hào)可以看出，若觸發(fā)器時(shí)鐘脈沖輸入端未畫(huà)“○”，則為高電平觸發(fā)（如圖4－3－1（a）所示）；若觸發(fā)器時(shí)鐘脈沖輸入端畫(huà)有“○”，則為低電平觸發(fā)。在輸入端（以RS觸發(fā)器為例）的C1、1R和1S的“1”表示相互間控制關(guān)聯(lián);RD、SD分別為直接復(fù)位端和直接置端，RD、SD端畫(huà)有“○”表示為低電平有效。電平觸發(fā)的觸發(fā)器存在這樣的問(wèn)題：在時(shí)鐘脈沖寬度期間，若輸入端的輸入信號(hào)發(fā)生改變，則觸發(fā)器的狀態(tài)也隨之改變。把這種觸發(fā)器在CP有效期間多次發(fā)生翻轉(zhuǎn)的現(xiàn)象稱為“空翻”，空翻會(huì)造成觸發(fā)器輸出狀態(tài)混亂。以高電平觸發(fā)RS觸發(fā)器為例（電路如圖4－1－4），在正常情況下，CP＝1期間，當(dāng)R＝0、S=1時(shí)，觸發(fā)器應(yīng)置“1”；但若在CP作用期間，R、S發(fā)生了變化，當(dāng)觸發(fā)器的狀態(tài)由“0”翻轉(zhuǎn)到“1”后，R由“0”變?yōu)椤?”，S由“1”變?yōu)椤?”，這時(shí)CP仍在高電平期間，因而又使觸發(fā)器由“1”翻轉(zhuǎn)到“0”，觸發(fā)器產(chǎn)生空翻現(xiàn)象。因此，為了保證觸發(fā)器可靠地工作，防止出現(xiàn)空翻現(xiàn)象，必須限制輸入信號(hào)在CP有效期間保持不變。對(duì)于反饋型觸發(fā)器，即使輸入信號(hào)不發(fā)生變化，由于脈沖過(guò)寬，也會(huì)產(chǎn)生多次翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象，這種現(xiàn)象稱為振蕩現(xiàn)象。如T′觸發(fā)器，由其特征方程Qn+1＝Qn可知，在CP持續(xù)為高電平期間，它將在“0”和“1”之間不斷翻轉(zhuǎn)，產(chǎn)生振蕩現(xiàn)象。為了不產(chǎn)生振蕩，只需要把時(shí)鐘脈沖取窄，但這一點(diǎn)在實(shí)際中很難做到。

2.主從觸發(fā)方式

主從觸發(fā)方式是主從結(jié)構(gòu)觸發(fā)器特有的觸發(fā)方式，它是在時(shí)鐘脈沖的上升沿接收輸入信號(hào)，下降沿時(shí)觸發(fā)器狀態(tài)翻轉(zhuǎn)。因此，在一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)的作用下，觸發(fā)器的狀態(tài)只翻轉(zhuǎn)一次，從而避免了空翻和振蕩現(xiàn)象。主從觸發(fā)器在后面將作介紹。

3.邊沿觸發(fā)方式

邊沿觸發(fā)方式是指在時(shí)鐘脈沖觸發(fā)沿（上升沿或下降沿）到來(lái)之前或之后，即使輸入信號(hào)發(fā)生變化，觸發(fā)器的狀態(tài)也不翻轉(zhuǎn)，僅在時(shí)鐘脈沖觸發(fā)沿到來(lái)時(shí)，依據(jù)此時(shí)輸入信號(hào)的狀態(tài)而按其功能翻轉(zhuǎn)。邊沿觸發(fā)分為上升沿和下降沿觸發(fā)，若觸發(fā)器的狀態(tài)僅在時(shí)鐘脈沖上升沿到來(lái)時(shí)才翻轉(zhuǎn)，則稱為上升沿觸發(fā)；若觸發(fā)器的狀態(tài)僅在時(shí)鐘脈沖下降沿到來(lái)時(shí)才翻轉(zhuǎn)，則稱為下降沿觸發(fā)。由于邊沿觸發(fā)方式解決了電平觸發(fā)帶來(lái)的空翻與振蕩現(xiàn)象，因此，邊沿觸發(fā)的觸發(fā)器抗干擾能力強(qiáng)，工作可靠。

邊沿觸發(fā)的觸發(fā)器有兩種類型：維持阻塞型觸發(fā)器和邊沿型觸發(fā)器。4.3.2主從型觸發(fā)器

圖4-3-2

1.電路組成

主從JK觸發(fā)器由兩個(gè)同步RS觸發(fā)器串接而成，其邏輯圖如圖4－3－3所示。主從JK觸發(fā)器有兩個(gè)輸入端J和K，有一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)輸入端CP。需說(shuō)明一點(diǎn)，J與1S是與關(guān)系，K與1R也是與關(guān)系。左邊一級(jí)為主觸發(fā)器，右邊一級(jí)為從觸器。圖4－3－3

2.工作原理

當(dāng)時(shí)鐘脈沖來(lái)到之后，即CP＝1時(shí)，主觸發(fā)器的輸入端打開(kāi)，故主觸發(fā)器隨J、K輸入端狀態(tài)而翻轉(zhuǎn)。由于這時(shí)非門的輸出為“0”，從觸發(fā)器關(guān)閉，因此主觸發(fā)器的狀態(tài)只能暫存起來(lái)，而不能影響從觸發(fā)器，從觸發(fā)器仍保持原態(tài)。當(dāng)CP從“1”下跳變?yōu)椤?”時(shí)，主觸發(fā)器被關(guān)閉，主觸發(fā)器狀態(tài)保持不變。由于這時(shí)非門的輸出為“1”，使從觸發(fā)器與主觸發(fā)器取得一致的狀態(tài)。由上述分析可知，主從JK觸發(fā)器在CP＝1時(shí)，可把輸入信號(hào)暫時(shí)存儲(chǔ)在主觸發(fā)器中，為從觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)做好準(zhǔn)備；當(dāng)脈沖下降沿到來(lái)時(shí)，即CP＝0時(shí)，存儲(chǔ)的信號(hào)起作用，使從觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)。接受信號(hào)和輸出信號(hào)是分兩步進(jìn)行的，這是主從結(jié)構(gòu)觸發(fā)器的特點(diǎn)。這種觸發(fā)器輸出狀態(tài)的翻轉(zhuǎn)在時(shí)鐘信號(hào)CP由“1”向“0”轉(zhuǎn)化時(shí)才發(fā)生，具有在時(shí)鐘脈沖下降沿翻轉(zhuǎn)（即后沿翻轉(zhuǎn)）的特征。由于采用了主從工作方式，使觸發(fā)器在同一時(shí)鐘信號(hào)作用期間，輸出狀態(tài)只翻轉(zhuǎn)一次，避免了空翻。主從JK觸發(fā)器的邏輯功能和電平觸發(fā)方式JK觸發(fā)器的邏輯功能完全相同，因此，其真值表、狀態(tài)表、狀態(tài)圖、特征方程也和電平觸發(fā)方式的JK觸發(fā)器一致。

主從JK觸發(fā)器的邏輯符號(hào)如圖4－3－4所示。在邏輯符號(hào)圖中，輸出端處畫(huà)了一個(gè)直角符號(hào)“┐”，意為輸出延遲，即時(shí)鐘脈沖上升沿接收輸入信號(hào)，下降沿時(shí)輸出狀態(tài)翻轉(zhuǎn)。主從型觸發(fā)器的輸出端都畫(huà)有“┐”。

圖4－3－5是74LS138集成單JK觸發(fā)器的外引線排列圖。它采用14腳，7腳為接地端，14腳接正電源。74LS138有三個(gè)J、K輸入端，J＝J１J2J3，K＝K1K2K3，有兩個(gè)CP端并聯(lián)使用。圖4－3－4圖4－3－5

例4－3－1圖4－3－6所示波形為主從JK觸發(fā)器輸入端的狀態(tài)波形，試畫(huà)出Q端輸出的狀態(tài)波形。設(shè)初態(tài)Q＝0。圖4－3-6

解根據(jù)主從