触发器的基本知识与应用PPT.ppt

,中南大学信息科学与工程学院,第四章 触发器,中南大学信息科学与工程学院,第四章 触发器,中南大学信息科学与工程学院,第四章 触法器,1,概述,第,4,章 触发器,2,触发器电路的结构及动作特点,3,触发器的逻辑功能及描述方法,4,触发器逻辑功能转换,4.1,概述,一、触发器的基本特性和作用,Flip-Flop,，简写为,FF,，又称双稳态触发器。,基本特性,(,1,),有两个稳定状态,(,简称稳态,),，,可用来表示逻辑,0,和,1,。,(,2,),在输入信号作用下，触发器的两个稳定状态可相互转换,(,称为状态的翻转,),。,输入信号消失后，新状态可长期保持下来，因此具有,记忆功能,，可存储二进制信息。,一个触发器可存储,1,位二进制数码,触发器的作用,:,触发器,有记忆功能，由它构成的电路在某时刻的输,出不仅取决于该时刻的输入，还与电路原来状态有关。,门电路,无记忆功能，由它构成的电路在某时刻的输,出完全取决于该时刻的输入，与电路原来状态无关。,触发器和门电路是构成数字电路的基本单元。,二、触发器的类型,根据,逻辑功能,可分为：,RS,触发器,D,触发器,JK,触发器,T,触发器,T,触发器,根据,触发方式,可分为：,电平触发器,边沿触发器,主从触发器,根据,电路结构,可分为：,基本,RS,触发器,同步触发器,主从触发器,边沿触发器,三、触发器逻辑功能的描述方法,主要有,特性表,、,特性方程,、,驱动表,(,又称激励表,),状态转换图,波形图,(,又称,时序图,),4.2,触发器电路的结构,及动作特点,4.2.1,基本,RS,触发器,(,一,),由与非门组成的基本,RS,触发器,1.,电路结构及逻辑符号,Q,Q,S,D,R,D,G,1,G,2,S,D,R,D,Q,Q,Q,=1,，,Q,=0,时，称为触发器的,1,状态，记为,Q,=1,；,Q,=0,，,Q,=1,时，称为触发器的,0,状态，记为,Q,=0,。,Basic Flip-Flop,互补输出端，正常工作时，它们的输出状态相反,交叉耦合连接,信号输入端,工作原理,Q,Q,S,D,R,D,G,1,G,2,1,1,0,1,1,0,0,0,S,D,R,D,功 能 说 明,输 入,Q,Q,输 出,2.,工作原理及逻辑功能,0,1,1,1 1,0,触发器被置,0,触发器置,0,1,0,2.,工作原理及逻辑功能,Q,Q,S,D,R,D,G,1,G,2,1,1,0,1,1,0,0,0,S,D,R,D,功 能 说 明,输 入,Q,Q,输 出,1,0,0,1 1,1,触发器被置,1,触发器置,0,1,0,触发器置,1,0,1,2.,工作原理及逻辑功能,Q,Q,S,D,R,D,G,1,G,2,1,1,0,1,1,0,0,0,S,D,R,D,功 能 说 明,输 入,Q,Q,输 出,1,1,触发器置,0,1,0,触发器置,1,0,1,触发器保持原状态不变,不 变,&,&,G,1,门输出,G,2,门输出,2.,工作原理及逻辑功能,Q,Q,S,D,R,D,G,1,G,2,输出状态,不定,(,禁用,),不 定,1,1,0,1,1,0,0,0,S,D,R,D,功 能 说 明,输 入,Q,Q,输 出,触发器置,0,1,0,触发器置,1,0,1,触发器保持原状态不变,不 变,0,0,1,1,输出既非,0,状态，也非,1,状态。当,R,D,和,S,D,同时由,0,变,1,时，输出状态可能为,0,，也可能为,1,，即输出状态不定。因此，这种情况禁用。,Q,Q,S,D,R,D,S,R,R,D,S,D,置,1,端，,也称置位端,S,即,Set,低电平有效,置,0,端，,也称复位端,R,即,Reset,基本,RS,触发器逻辑图,3.,逻辑功能的特性表描述,次态,现态,指触发器在输入信号变化前的状态，用,Q,n,表示,指触发器在输入信号变化后的状态，用,Q,n,+1,表示,触发器次态与输入信号和电路原有状态之间关系的真值表。,0,0,0,0,1,触发器,状态不定,0,1,0,1,0,1,0,0,触发器,置,0,0,0,1,0,1,1,0,1,触发器,置,1,1,1,1,1,1,0,0,1,1,触发器,保持原状态不变,说 明,Q,n,+1,Q,n,S,D,R,D,基本,RS,触发器特,性表的简化表示,Q,n,1,1,1,0,1,0,1,0,不定,0,0,Q,n,+1,S,D,R,D,与非门组成的基本,RS,触发器特性表,置,0,端,R,D,和 置,1,端,S,D,低电平有效。,禁用,R,D,=,S,D,=0,称,约束条件,注意,波形分析举例,解：,例,设下图中触发器初始状态为,0,，试对应输入波形画出,Q,和,Q,的波形。,Q,Q,S,D,R,D,S,R,S,D,R,D,保持,初态为,0,，故保持为,0,。,置,0,保持,Q,Q,置,1,(,二,),基本,RS,触发器的两种形式,特,性,表,Q,n,1,1,1,0,1,0,1,0,不定,0,0,Q,n,+1,S,D,R,D,不定,1,1,0,0,1,1,1,0,Q,n,0,0,Q,n,+1,S,D,R,D,Q,Q,S,D,R,D,S,R,Q,Q,S,D,R,D,S,R,逻,辑,符,号,置,0,、置,1,信号低电平有效,置,0,、置,1,信号高电平有效,注意：,确定输入信号是低电平有效还是高电平有效,(,三,),基本,RS,触发器的优缺点,优点,缺点,电路简单，是构成各种触发器的基础。,1.,输出受输入信号直接控制，不能定时控制；,2.,有约束条件。,4.2.2,同步,RS,触发器,实际工作中，触发器的工作状态不仅要由触发输入,信号决定，而且要求按照一定的节拍工作。为此，需要,增加一个时钟控制端,CP,。,CP,即,Clock Pulse,，它是一串周期和脉宽一定的矩形脉冲。,具有时钟脉冲控制的触发器称为时钟触发器，,又称钟控触发器。,同步触发器是其中最简单的一种，而基本,RS,触发器称异步触发器。,&,&,S CP R,Q,Q,1,）,CP,：时钟脉冲是一系列的,高低电平,2,）,CP=0,，,3,）,CP=1,，,触发器的状态随,R,、,S,的变化而变化,触发器的状态保持不变,(,一,),同步,RS,触发器,1.,电路结构与工作原理,Q,Q,1,S,C,1,1,R,Q,Q,G,1,G,2,S,R,G,3,G,4,CP,Q,3,Q,4,不定,1,1,0,0,1,1,1,0,Q,n,0,0,Q,n,+1,S,R,RS,功能,R,、,S,信号高电平有效,S,S,D,R,R,D,R,D,S,D,2.,逻辑功能与逻辑符号,异步置,0,端,R,D,和异步置,1,端,S,D,不受,CP,控制。,实际应用中，常需要利用异步端预置触发器值,(,置,0,或置,1,),，预置完毕后应使,R,D,=,S,D,=1,。,R,D,CP,R,Q,Q,1S,S,C1,CP,R,1R,R,S,V,CC,R,D,S,解：,例：试对应输入波形画出下图中,Q,端,波形。,原态未知,Q,V,CC,R,D,R,D,(,二,),同步,D,触发器,1.,电路结构、逻辑符号和逻辑功能,D,Q,Q,1S,1R,C1,CP,Q,Q,1,D,D,C,1,CP,CP,D,Q,n,+1,说明,1,0,1,0,1,置,0,置,1,0,Q,n,不变,同步,D,触发器功能表,称为,D,功能,特点：,Q,n,+1,跟随,D,信号,解：,例：,试对应输入波形画出下图中,Q,端,波形,(,设触发器初始状态为,0,。,Q,Q,1D,D,C1,CP,D,CP,Q,CP,=,0,，同步触发器状态不变,CP,=,1,，同步,D,触发器次态跟随,D,信号,同步触发器在,CP,=1,期间能发生多次翻转，这种,现象称为空翻,(,三,),同步,JK,触发器,Q,Q,1S,1R,C1,CP,功能表,J,K,电路结构,Q,Q,1,J,J,C,1,CP,1,K,K,逻辑符号,1,说明,Q,n,+1,K,J,CP,称为,JK,功能，即,JK,=00,时保持；,JK,=11,时翻转；,J,K,时,Q,n,+1,值与,J,相同。,不变,Q,n,0,0,置,0,0,1,0,翻转,1,1,置,1,1,0,1,不变,Q,n,0,Q,n,解：,例：,设触发器初始状态为,0,，,试对应输入波形画出,Q,端,波形。,J,CP,Q,Q,1J,J,C1,CP,K,1K,K,Q,CP,=0,时，同步触发器状态不变。,CP,=1,时，触发器根据,J,、,K,信号取值按照,JK,功能工作。,(,四,),同步触发器的特点,1,、同步触发器的,触发方式,为电平触发式,2,、同步触发器的共同缺点是存在,空翻,触发脉冲作用期间，输入信号发生多次变化时，触发器输出状态也相应发生多次变化的现象称为空翻。,空翻可导致电路工作失控。,指时钟脉冲信号控制触发器工作的方式,CP,=1,期间翻转的称正电平触发式；,CP,=0,期间翻转的称负电平触发式。,触发器的类型分析,根据,逻辑功能,：,RS,触发器,D,触发器,JK,触发器,根据,电路结构,：,基本,RS,型,同步型,CP,空翻问题,Q,Q,S,D,R,D,S,R,Q,Q,1J,J,C1,CP,1K,K,？,无空翻触发器,一、电路结构与工作原理,1,CP,S R,Q,F1,F2,1,、,F1,为主触发器，,F2,为从触发器,2,、,CP=1,，,F1,工作，,F2,不工作，,从触发器状态保持不变；,3,、,CP=0,，,F2,工作，,F1,不工作，主 触发器状态保持不变；,4,、触发器的状态只在,CP,下降沿,发生变化；,5,、特性表与同步型一致。,4.2.3,主从触发器,二、动作特点,4,、置位端与复位端不能同时 作用，其约束条件为：,SR=0,1,、触发器的状态在,CP,一个周期内只在下降沿发生一次变化,2,、如果,CP=1,期间，输入信号不发生变化，触发器的状态在,CP,下降沿按特性表发生变化,3,、如果,CP=1,期间，,输入信号发生变化,，触发器的状态在,CP,下降沿按主触发器状态发生变化,Q,Q,1S,S,C1,CP,1R,R,主从,RS,触发器,主从,JK,触发器,主从触发器逻辑图,Q,Q,1J,J,C1,CP,1K,K,Q,Q,1S,S,C1,CP,1R,R,三、主从,JK,触发器,J K Q,n,Q,n+1,000,0,001,1,010,0,011,0,100,1,101,1,110,1,111,0,&,&,J CP K,Q,主从,JKF,特性表,J K Q,n,Q,n+1,000,0,001,1,010,0,011,0,100,1,101,1,110,1,111,0,J K,Q,n+1,功能描述,00,Q,n,保持,01,0,复位,10,1,置位,11,翻转,主从,JKF,功能表,Q,Q,1J,J,C1,CP,1K,K,CP,t,J,t,Q,t,K,t,如果,CP=1,期间，输入信号不发生变化，触发器的状态在,CP,下降沿,按特性表发生变化,Q,Q,1J,J,C1,CP,1K,K,CP,t,J,t,Q,如果,CP=1,期间，输入信号发生变化，触发器的状态在,CP,下降沿按,主触发器状态,发生变化,K,t,t,1,CP,J,K,Q,F1,F2,&,&,4.2.4,边沿触发器,TTL,维持阻塞,D,触发器,(,通,常,上升沿触发,),TTL,边沿,JK,触发器,(,通,常,下降沿触发,),CMOS,边沿,D,触发器和边沿,JK,触发器,(,通,常,上升沿触发,),1,、维持,-,阻塞边沿型触发器电路结构与工作原理,CP,D,F3,F2,F1,维持置,1,触发器,维持置,0,触发器,置,1,阻塞线,置,0,阻塞线,CP,D,F3,F2,F1,CP=0,时，触发器的状态保持不变,0,1,1,1,0,1,0,0,1,CP=1,，,D=0,D=1,D=1,Q=0,CP,D,F3,F2,F1,0,1,1,1,1,0,1,1,0,CP=1,，,D=1,D=0,D=0,Q=1,1,2,、,CMOS,边沿型触发器电路结构与工作原理,TG2,CP,CP,1,TG1,CP,CP,CP,CP,TG3,CP,CP,TG4,D,1,1,1,Q,Q,Q,Q,主触发器,从触发器,TG2,CP,CP,1,TG1,CP,CP,CP,CP,TG3,CP,CP,TG4,D,1,1,1,Q,Q,Q,Q,CP=0,时，,Q,跟随,D,的变化，从触发器的,Q,保持不变,1,0,1,0,1,0,1,0,CP=1,时，,Q,不跟随,D,的变化且保持不变，从触发器的,Q,跟随,Q,变化,1,0,1,0,0,1,0,1,特性表,D,Q,n+1,0,1,0,1,动作特点：,1,、触发器的状态在,CP,一个周期内只在,上升沿发生一次变化,；,2,、触发器的状态只取决于,CP,上升沿时该输入信号的状态，与之前状态无关。,Q,Q,C1,CP,1D,D,Q,Q,C1,CP,1D,D,CP,触发的边沿,D,触发器,C1,Q,Q,C1,CP,D,具有异步端的边沿,D,触发器,1D,S,S,D,R,R,D,R,R,D,S,S,D,执行,Q,n,+1,=,D,1,1,1,1,在,CP,时刻,0,0,1,1,Q,n,1,1,1,保持不变,Q,n,0,1,1,禁 用,不定态,0,0,异步置,1,1,0,1,异步置,0,0,1,0,说 明,Q,n,+1,D,CP,S,D,R,D,异步端低电平有效的上升沿触发式,D,触发器功能表,3,、边沿触发器逻辑图,Q,Q,1J,J,CP,1K,K,C1,CP,触发的边沿,JK,触发器,C1,Q,Q,1J,J,CP,1K,K,C1,CP,触发的边沿,JK,触发器,C1,CP,触发的,边沿,JK,触发器,Q,Q,1J,J,CP,1K,K,R,S,C1,R,D,S,D,Q,Q,1J,J,CP,1K,K,R,S,C1,R,D,S,D,异步端低电平有效,异步端高电平有效,R,R,D,R,R,D,S,S,D,S,S,D,Q,n,1,1,0,0,1,0,1,0,0,0,1,0,0,0,在,CP,时刻执行,JK,功能,Q,n,0,0,0,0,Q,n,1,0,0,保持不变,Q,n,0,0,0,禁用,不定,1,1,置,1,1,1,0,置,0,0,0,1,说 明,Q,n,+1,K,J,CP,S,D,R,D,异步端高电平有效的上升沿触发,JK,触发器功能表,4,、边沿触发器工作波形分析举例,J,CP,K,T,解：,例：设触发器初态为,1,，试对应输入波形画出,Q,1,、,Q,2,的波形。,触发器初态为,1,Q,1,Q,1,CP,J,C1,1J,(a),(b),S,C1,R,1K,CP,Q,2,Q,2,K,1K,1J,T,V,CC,C1,1,1,0,0,1,0,0,1,S,V,CC,R,C1,CP,1J,T,1K,1,0,1,0,CP,之前,J,、,K,最后取值为,1,CP,之前,J,、,K,最后取值为,0,Q,1,Q,2,T,=0,时，,Q,n,+1,=,Q,n,；,T,=1,时，,Q,n,+1,=,Q,n,。这种功能称,T,功能，相应触发器称,T,触发器。,触发器的类型,根据,逻辑功能,：,RS,触发器,D,触发器,JK,触发器,T,触发器,T,触发器,根据,电路结构,：,基本,RS,型,同步型,主从型,边沿型,CP,空翻问题,干扰问题,Q,Q,S,D,R,D,S,R,Q,Q,1J,J,C1,CP,1K,K,Q,Q,1J,J,C1,CP,1K,K,Q,Q,1J,J,C1,CP,1K,K,描述方法：,特性表、特性方程、驱动表和状态转换图,由触发器现态和次态的取值来确定输入信号取值的关系表，又称激励表。,用圆圈及其内的标注表示电路的所有稳态，用箭头表示状态转换的方向，箭头旁的标注表示状态转换的条件。,它们是触发器逻辑功能的不同描述方法，也是时序逻辑电路逻辑功能的描述方法。,4.3,触发器逻辑功能及其描述,4.3.1,RS,触发器,0,0,0,0,1,0,1,0,1,0,1,0,1,0,1,1,0,1,0,1,1,0,0,0,1,1,1,1,0,1,Q,n,+1,Q,n,S,R,特,性,表,同步,RS,触发器,Q,n+1,的卡诺图,R,SQ,n,0,1,00 01,11,10,0,0,1,1,1,特性方程,RS,=0,(,约束条件,),RS,触发器功能也可用特性表与特性方程来描述。,特性方程,指触发器,次态,与输入信号和电路原有状态之间的逻辑关系式。,Q,n+1,0,状态转换图,S R Q,n,Q,n+1,000,001,010,011,100,101,110,111,0,1,0,0,1,1,0,1,S=1R=0,S=0R=1,S=0 R=,R=0 S=,0 0,0 1,1 0,1 1,D,Q,n,Q,n,+1,特性方程,Q,n,+1,=,D,0,0,1,1,0,1,0,1,0,0,1,1,Q,n,+1,Q,n,D,D,触发器特性表,0,0,0,0,1,1,1,1,D,触发器驱动表,0 0,0 1,1 0,1 1,0,0,1,1,无约束,Q,n,+1,在,D,=0,时就为,0,，与,Q,n,无关。,0 0,0 1,1 0,1 1,0 1,D,=1,D,=0,D,=,0,D,=1,Q,n,+1,在,D,=1,时就为,1,，与,Q,n,无关。,D,触发器,状态转换图,4.3.2,D,触发器,Q,n+1,0,J,10,00,11,01,K,Q,n,1,1,1,1,1,0,0,0,0,J K Q,n,Q,n+1,000,001,010,011,100,101,110,111,0,1,0,0,1,1,1,0,4.3.3 JK,触发器,特性方程,0 0,0 1,1 0,1 1,J K,Q,n,Q,n,+1,特性表,特性方程,驱动表,0 ,无约束条件,状态转换图,0 1,J,=0,K,=,1,0,0,1,1,1,1,1,1,1,0,1,0,0,1,1,0,0,0,1,1,1,0,0,0,0,K,0,1,0,1,0,0,Q,n,+1,Q,n,J,1 ,1,0,0,0,0,1,1 1,0 1,1 0,1 1,1 0,0 0,J,=1,K,=,J,=,K,=0,J,=,K,=1,4.3.4,T,触发器（受控翻转触发器）,功能表,T Q,n,Q,n+1,00,01,10,11,0,1,1,0,真值表,T,Q,n,Q,n,0,1,Q,n+1,特性方程,4.3.5 T,触发器（计数型触发器）,Q,n,Q,n+1,0,1,1,0,真值表,特性方程,4.4,触发器逻辑功能的转换,一、触发器的五种逻辑功能及其转换,(,一,),触发器五种逻辑功能的比较,无约束，,但功能少,无约束，,且功能强,令,J,=,K,=,T,即可,令,J,=,K,=1,即可,D,功能,1,0,Q,n,+1,1,0,D,Q,n,+1,=,D,T,功能,Q,n,Q,n,Q,n,+1,1,0,T,RS,功能,不定,0,1,Q,n,Q,n,+1,1,1,0,1,1,0,0,0,S,R,Q,n,+1,=,S,+,RQ,n,RS,=,0,(,约束条件,),JK,功能,Q,n,1,0,Q,n,Q,n,+1,1,1,0,1,1,0,0,0,K,J,Q,n,+1,=,JQ,n,+,KQ,n,T,功能,(,计数功能,),只有,CP,输入端，,无数据输入端。,来一个,CP,翻转一次,Q,n,+1,=,Q,n,(,二,),不同逻辑功能间的相互转换,1.,JK,D,2.,JK,T,、,T,因此，令,J,=,K,=,D,已有,Q,n,+1,=,JQ,n,+,KQ,n,欲得,Q,n,+1,=,D,Q,Q,CP,D,C1,1J,1K,Q,Q,C1,1J,1K,Q,Q,CP,1,C1,1J,1K,T,CP,转,换,方,法,(,1,),写出待求触发器和给定触发器的特性方程。,(3),画出用给定触发器实现待求触发器的电路。,(,2,),比较上述特性方程，得出给定触发器中输入,信号的接法。,3.,D,JK,已有,Q,n,+1,=,D,欲得,Q,n,+1,=,JQ,n,+,KQ,n,因此，令,4.,D,T,5.,D,T,已有,Q,n,+1,=,D,欲得,Q,n,+1,=,已有,Q,n,+1,=,D,欲得,Q,n,+1,=,Q,n,因此，令,D,=,Q,n,因此，令,D,=,Q,Q,CP,C1,1D,Q,Q,CP,C1,1D,T,Q,Q,CP,J,C1,1D,K,二、触发器的应用与分析举例,Q,2,Q,1,1D,1D,FF,1,FF,2,石英方波,振荡器,4MHz,C1,C1,CP,例,:,下图为分频器电路，设触发器初态为,0,，试画出,Q,1,、,Q,2,的波形并求其频率。,CP,解：,C1,CP,f,Q1,=,f,CP,/2=2 MHz,，,f,Q2,=,f,CP,/4=1 MHz,CP,Q,1,0,Q,2,0,Q,1,C1,对,CP,二分频,对,CP,四分频,两个,D,触发器均构成,CP,触发的计数触发器,1,0,1,0,R,D,S,D,Q,1J,S,D,C1,CP,1K,R,S,R,D,CP,解：,例,:,试对应输入波形画出下图电路的输出波形。,C1,CP,S,D,S,R,R,D,Q,1,Q,n,+1,=,JQ,n,+,KQ,n,=,Q,n,Q,n,+,Q,n,Q,n,=,Q,n,当异步端无信号时，触发器将在,CP,时翻转。,R,D,和,S,D,为非有效电平,触发器的,电路结构,与,逻辑功能,间的关系,一、逻辑功能：,触发器的次态与现态及输入信号之间在稳态下的逻辑关系,二、电路结构：,触发器的电路结构决定了触发器的动作特点,三、同一逻辑功能可用不同电路结构形式实现,四、同一电路结构可实现不同的逻辑功能,五、常用集成触发器：主从,JKF,、维持阻塞,DF,本章小结,触发器五种逻辑功能的比较,无约束，,但功能少,无约束，,且功能强,令,J,=,K,=,T,即可,令,J,=,K,=1,即可,D,功能,1,0,Q,n,+1,1,0,D,Q,n,+1,=,D,T,功能,Q,n,Q,n,Q,n,+1,1,0,T,RS,功能,不定,0,1,Q,n,Q,n,+1,1,1,0,1,1,0,0,0,S,R,Q,n,+1,=,S,+,RQ,n,RS,=,0,(,约束条件,),JK,功能,Q,n,1,0,Q,n,Q,n,+1,1,1,0,1,1,0,0,0,K,J,Q,n,+1,=,JQ,n,+,KQ,n,T,功能,(,计数功能,),只有,CP,输入端，,无数据输入端。,来一个,CP,翻转一次,Q,n,+1,=,Q,n,触发器电路结构的比较,基本,RS,型,同步型,主从型,边沿型,CP,空翻问题,干扰问题,Q,Q,S,D,R,D,S,R,Q,Q,1J,J,C1,CP,1K,K,Q,Q,1J,J,C1,CP,1K,K,Q,Q,1J,J,C1,CP,1K,K,主从,JKF,（,74LS112,）,维持阻塞,DF,（,74LS74,）,习题,:,习题,:,