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1、教学课件第教学课件第4章章 锁存器和触发器锁存器和触发器Chapter4 触发器第第4章章 锁存器和触发器锁存器和触发器 锁存器（锁存器（Latch）和触发器）和触发器(Flip-Flop)是能够存是能够存储一位二进制数的逻辑电路，是时序逻辑电路储一位二进制数的逻辑电路，是时序逻辑电路的基本单元电路。的基本单元电路。锁存器和触发器都具有两个稳定状态，用来表锁存器和触发器都具有两个稳定状态，用来表示逻辑状态或二进制数的示逻辑状态或二进制数的0和和1，可以根据不同，可以根据不同的输入信号将输出置成的输入信号将输出置成1或或0状态。状态。Chapter4 触发器4.1锁存器锁存器锁存器是对脉冲电平敏
2、感的双稳态电路锁存器是对脉冲电平敏感的双稳态电路它的特点是当锁存脉冲电平没有到来时，锁存它的特点是当锁存脉冲电平没有到来时，锁存器的输出状态随输入信号变化而变化（相当于器的输出状态随输入信号变化而变化（相当于输出直接接到输入端，即所谓输出直接接到输入端，即所谓“透明透明”）；）；当锁存脉冲电平到达时，锁存器输出状态保持当锁存脉冲电平到达时，锁存器输出状态保持锁存信号跳变时的状态。锁存信号跳变时的状态。4.1 锁存器锁存器4.1.1 闩锁电路及基本闩锁电路及基本SR锁存器锁存器Q=1，Q=0为为1状态；状态；Q=0，Q=1为为0状态。状态。图图4-1 闩锁电路闩锁电路1.闩锁电路闩锁电路1.结构
3、结构2.原理原理4.1 锁存器锁存器2.基本基本SR锁存器锁存器电路结构电路结构&R RS SQ QQ Q组合电路，无组合电路，无组合电路，无组合电路，无记忆功能记忆功能记忆功能记忆功能基本基本SR锁存器锁存器R=S=1R=S=1S：置位（置：置位（置1）端）端R：复位（置：复位（置0）端）端2.基本基本SR锁存器锁存器两互补输出端两互补输出端两输入端两输入端&Q QQQ.G1&.G2S SR R反馈线反馈线&Q QQQ.G1&.G2S SR R 正常情况下，正常情况下，正常情况下，正常情况下，两输出端的状态两输出端的状态两输出端的状态两输出端的状态保持相反。通常保持相反。通常保持相反。通常保
4、持相反。通常以以以以QQ端的逻辑电端的逻辑电端的逻辑电端的逻辑电平表示锁存器的平表示锁存器的平表示锁存器的平表示锁存器的状态，即状态，即状态，即状态，即Q=1Q=1，Q=0Q=0时，称为时，称为时，称为时，称为“1”1”态；反之为态；反之为态；反之为态；反之为“0”0”态。态。态。态。逻辑功能逻辑功能2.基本基本SR锁存器锁存器 锁存器输出与输入的逻辑关系锁存器输出与输入的逻辑关系100 01设锁存器原态设锁存器原态为为“1”态。态。翻转为翻转为“0”态态(1)S=1，R=01 10 01 10 0Q QQQ.G1&.&G2S SR R设原态为设原态为“0”态态10 00 01 11 11 1
5、0锁存器保持锁存器保持“0”态不态不变变复位复位0 0 结论结论:不论不论锁存器原来锁存器原来 为何种状态，为何种状态，当当 S=1，R=0时时，将使将使锁存器锁存器置置“0”或称或称 为为复位复位。&Q QQQ.G1&.G2S SR R0 01 1设原态为设原态为“0”态态0 01 11 11 10 00翻转为翻转为“1”态态(2)S=0，R=1Q QQQG1&.&G2S SR R.设原态为设原态为“1”态态01 11 10 00 00 01锁存器保持锁存器保持“1”态不态不变变置位置位1 1 结论结论:不论不论锁存器原来锁存器原来 为何种状态，为何种状态，当当 S=0，R=1时时，将使将使
6、锁存器锁存器置置“1”或称或称 为为置位置位。&Q QQQ.G1&.G2S SR R1 11 1设原态为设原态为“0”态态0 01 10 00 01 11保持为保持为“0”态态(3)S=1，R=1&Q QQQ.G1&.G2S SR R设原态为设原态为“1”态态11 11 10 00 00 01锁存器保持锁存器保持“1”态不态不变变1 1 当当 S=1，R=1时时，锁存器保持锁存器保持 原来的状态，原来的状态，即即锁存器具锁存器具 有保持、记有保持、记 忆功能忆功能。Q QQQG1&.&G2S SR R.01110011111110若若G1先翻转，则锁存器为先翻转，则锁存器为“0”态态“1”态态
7、(4)S=0，R=0 当信号当信号S =R=0同时变为同时变为1时，由时，由于与非门的翻转于与非门的翻转时间不可能完全时间不可能完全相同，锁存器状相同，锁存器状态可能是态可能是“1”态，态，也可能是也可能是“0”态，态，不能根据输入信不能根据输入信号确定。号确定。若先翻转若先翻转若先翻转若先翻转&Q QQQ.G1&.G2S SR R基本基本基本基本 SRSR锁存器状态表锁存器状态表锁存器状态表锁存器状态表SRQ1 0 0 置置00 1 1 置置11 1 不变不变 保持保持0 0 1*不定不定功能功能1*表示不正常状态，表示不正常状态，0信号消失后，触信号消失后，触发器状态不定。发器状态不定。注
8、意：注意：（2）应用电路）应用电路无震颤开关电路无震颤开关电路机械开关在静止到新的位置机械开关在静止到新的位置机械开关在静止到新的位置机械开关在静止到新的位置之前其机械触头将要震颤几之前其机械触头将要震颤几之前其机械触头将要震颤几之前其机械触头将要震颤几次。次。次。次。设初始时接端，基本原设初始时接端，基本原设初始时接端，基本原设初始时接端，基本原理如下：理如下：理如下：理如下：图图4 4-4 4 波形图波形图Q QS SR R+5 5V V0 0V Vb.由左扳向右端，并且震颤几次，相当于由左扳向右端，并且震颤几次，相当于（或）原理如图（或）原理如图-a.由右扳向左端，并且震颤几次，由右扳向
9、左端，并且震颤几次，相当于（或）相当于（或）声报警控制电路：声报警控制电路：a、正常状态、正常状态b、故障状态、故障状态10111011101不发声不发声不发声不发声发发发发 声声声声c、复位状态、复位状态0101011010消音消音消音消音0 14.1.2 门控门控SR锁存器锁存器工作原理工作原理:4.1.3 D锁存器锁存器1.门控门控 D锁存器锁存器4.1.3 D锁存器锁存器2.集成集成D锁存器锁存器当当LE=1时，锁存器的输出信号和时，锁存器的输出信号和输入信号一致。当输入信号一致。当LE由由1变为变为0时，时，Q状态（即状态（即D的状态）保持下来，的状态）保持下来，实现锁存功能。实现锁
10、存功能。74HC373的输出级为三态门。只的输出级为三态门。只有使能输出信号有使能输出信号 =0时，才有时，才有信号输出；而信号输出；而 =1时，输出为时，输出为高组态。高组态。4.2触发器触发器触发器与锁存器一样也是双稳态电路，但触发器的触发器与锁存器一样也是双稳态电路，但触发器的输入信号不直接改变输出状态，而是只有在时钟脉输入信号不直接改变输出状态，而是只有在时钟脉冲（冲（Clock Pulse）信号所确定的时刻电路才被）信号所确定的时刻电路才被“触发触发”而动作，并由此刻输入信号确定输出状态。而动作，并由此刻输入信号确定输出状态。触发器作为一种能存储信息的基本单元，其应用相触发器作为一种
11、能存储信息的基本单元，其应用相当广泛。当广泛。触发器按触发方式的不同，分为时钟控制主从触发触发器按触发方式的不同，分为时钟控制主从触发型、维持阻塞型、边沿触发型等类型的触发器。型、维持阻塞型、边沿触发型等类型的触发器。4.2.1主从主从D触发器触发器在各类集成触发器中，在各类集成触发器中，CMOS主从结构的主从结构的D触发器触发器芯片占用面积小，所以在大规模芯片占用面积小，所以在大规模CMOS集成电路集成电路中普遍使用。中普遍使用。主从工作方式的主从工作方式的D触发器有触发器有74HC74型号。它是型号。它是CMOS双主双主从从D触发器，时钟脉冲上升沿触发，置位和复位有效电平触发器，时钟脉冲上
12、升沿触发，置位和复位有效电平为低电平。为低电平。4.2.1主从主从D触发器触发器1.工作原理工作原理主锁存器主锁存器从锁存器从锁存器当时钟信号当时钟信号CP=0时，时，传输门传输门TG3断开，断开，从锁存器保持原状从锁存器保持原状态不变。同时态不变。同时TG1导通，导通，TG2断开，断开，由输入信号由输入信号D决定决定主锁存器状态主锁存器状态4.2.1主从主从D触发器触发器1.工作原理工作原理主锁存器主锁存器从锁存器从锁存器当当CP从从0变成变成1时，时，TG3导通，导通，TG4断断开，主锁存器状态开，主锁存器状态决定了从锁存器的决定了从锁存器的Q，端的状态。同端的状态。同时时TG1断开，断开
13、，TG2导通，输入信号导通，输入信号D无效。即在无效。即在CP=1期期间，主锁存器不间，主锁存器不动作，抑制了干扰动作，抑制了干扰信号。信号。4.2.1主从主从D触发器触发器主从触发器的特性表主从触发器的特性表触发器原状态为触发器原状态为Qn，转换后的状态为，转换后的状态为Qn+1，Qn称为现态，称为现态，Qn+1称为次态。表中符号称为次态。表中符号表示任意值（表示任意值（0或或1），符号），符号表示表示触发器是在触发器是在CP的上升沿时触发，从锁存器的状态翻转与否的上升沿时触发，从锁存器的状态翻转与否决定于主锁存器的状态。决定于主锁存器的状态。2.触发器逻辑功能描述方法触发器逻辑功能描述方法
14、（1）特性方程）特性方程特性方程：特性方程：Qn+1的函数表达式。的函数表达式。D触发器的特性方程可以表示为：触发器的特性方程可以表示为：Qn+1=D（2）驱动表）驱动表驱动表又称激励表。是触发器由现态驱动表又称激励表。是触发器由现态Qn转换到次转换到次态态Qn+1情况下，对输入端状态的要求。情况下，对输入端状态的要求。2.触发器逻辑功能描述方法触发器逻辑功能描述方法（3）状态转换图）状态转换图表示触发器表示触发器0、1状态转换对输入端状态的要求状态转换对输入端状态的要求2.触发器逻辑功能描述方法触发器逻辑功能描述方法（4）时序波形图）时序波形图按照时间的变化画出的反映时钟脉冲按照时间的变化画
15、出的反映时钟脉冲CP，输入信，输入信号，触发器状态号，触发器状态Q之间对应关系的波形图。之间对应关系的波形图。3.动态特性动态特性动态特性是触发器在开关状态下的脉冲工作特性，动态特性是触发器在开关状态下的脉冲工作特性，描述这一特性的性能参数有时钟最高频率、传输描述这一特性的性能参数有时钟最高频率、传输延迟时间。延迟时间。3.动态特性动态特性建立时间建立时间tset，即，即D端信号应提前于端信号应提前于CP上升沿的时上升沿的时间，间，tset0即可。即可。保持时间保持时间th是信号是信号D在在CP上升沿到来之后还应保持上升沿到来之后还应保持的时间。的时间。传输延迟时间传输延迟时间tPLH称为触发
16、器输出端称为触发器输出端Q从低电平从低电平L变到高电平变到高电平H相对相对CP上升沿延迟的时间。上升沿延迟的时间。传输延迟时间传输延迟时间tPHL称为称为Q端从高电平变成低电平相端从高电平变成低电平相对对CP上升沿的延迟时间。平均传输延迟时间上升沿的延迟时间。平均传输延迟时间tpd=(tPLH+tPHL)/2。3.动态特性动态特性CP信号最高工作频率对应的最小周期信号最高工作频率对应的最小周期Tmin为为tWH（CP）和和tWL（CP）之和。之和。对于对于74HC74型号而言，测试条件为电源型号而言，测试条件为电源VCC=4.5V，逻辑电路逻辑电路Q端负载电容端负载电容CL=50pF其平均传输
17、延迟时间其平均传输延迟时间tpd的最大值为的最大值为58ns，tset的最小的最小值为值为25ns，th的最小值为的最小值为0ns，最高工作频率为，最高工作频率为25MHz。逻辑图如图所示。逻辑图如图所示。是一种利用传输延迟实现是一种利用传输延迟实现的的JK 触发触发 器。器。特点是只有在负边沿瞬间特点是只有在负边沿瞬间,触发器才对输入信号进行触发器才对输入信号进行采样采样,而输入信号的其他时而输入信号的其他时刻对触发器不起作用。刻对触发器不起作用。因此，触发器抗干扰能力因此，触发器抗干扰能力很强。很强。4.2.2 边沿触发边沿触发JK触发器触发器4.2.2 边沿触发边沿触发JK触发器触发器1
18、.工作原理工作原理CP=0时，门时，门G3、G4、G5、G6封锁，封锁，A=B=1，G5=G6=0，电路，电路变成下图，变成下图，J、K不起作用。不起作用。1.工作原理工作原理CP到来时，到来时，CP=1G5、G6先打开先打开,设设G5=1，G6=0 触发器状态保持不变。触发器状态保持不变。4.2.2 边沿触发边沿触发JK触发器触发器4.2.2 边沿触发边沿触发JK触发器触发器1.工作原理工作原理CP=1时，自锁，触发器不时，自锁，触发器不变，变，J、K不起作用。不起作用。CP时，先时，先G5=G6=0，在，在A、B还未变成全还未变成全1的时间内，的时间内，触发器已按触发器已按J、K状态翻转状
19、态翻转完毕。完毕。依靠与非门依靠与非门G3、G4的延的延时实现边沿控制，制造时实现边沿控制，制造工艺要求很严。工艺要求很严。1.工作原理工作原理4.2.2 边沿触发边沿触发JK触发器触发器1.工作原理工作原理4.2.2 边沿触发边沿触发JK触发器触发器2.特性方程特性方程根据特性表，将根据特性表，将 Qn作为逻辑变量，可以用卡诺图化简法求作为逻辑变量，可以用卡诺图化简法求出特性方程出特性方程Qn+1的逻辑函数表达式。的逻辑函数表达式。4.2.2 边沿触发边沿触发JK触发器触发器基本基本SR锁存器锁存器导引电路导引电路4.2.3维持阻塞维持阻塞D触发器触发器电路结构电路结构电路结构电路结构反反馈
20、馈线线1置置1维持线维持线2阻塞置阻塞置0信号线信号线3置置0维持线维持线4阻塞置阻塞置1信号线信号线1234&G2&G1QQSDRD&G3&G4&G5&G6CPDSDRDRD&G2&G1QQSDRD&G3&G4&G5&G6CPD逻辑功能逻辑功能逻辑功能逻辑功能01（1 1）D D =0=01触发器状态不变触发器状态不变触发器状态不变触发器状态不变0当当当当CP=0CP=0时时时时110当当当当CP=1CP=1时时时时0101触发器置触发器置触发器置触发器置“0”0”封锁封锁封锁封锁在在在在CP=1CP=1期间期间期间期间，触发器保持触发器保持触发器保持触发器保持“0”0”不不不不变变变变&G
21、2&G1QQSDRD&G3&G4&G5&G6CPD逻辑功能逻辑功能逻辑功能逻辑功能01（1 1）D D =1=10触发器状态不变触发器状态不变触发器状态不变触发器状态不变1当当当当CP=0CP=0时时时时111当当当当CP=1CP=1时时时时0110触发器置触发器置触发器置触发器置“1”1”封锁封锁封锁封锁在在在在CP=1CP=1期间期间期间期间，触发器保持触发器保持触发器保持触发器保持“1”1”不不不不变变变变封锁封锁封锁封锁CPCP上升沿前接收信号，上升沿前接收信号，上升沿前接收信号，上升沿前接收信号，上升沿时触发器翻转，上升沿时触发器翻转，上升沿时触发器翻转，上升沿时触发器翻转，（其其其
22、其QQ的状态与的状态与的状态与的状态与D D状状状状态一致；但态一致；但态一致；但态一致；但QQ的状态的状态的状态的状态总比总比总比总比D D的状态变化晚的状态变化晚的状态变化晚的状态变化晚一步，即一步，即一步，即一步，即Qn+1=D)；上升沿后输入上升沿后输入上升沿后输入上升沿后输入 D D不再不再不再不再起作用，触发器状态起作用，触发器状态起作用，触发器状态起作用，触发器状态保持。保持。保持。保持。即即即即(不会空翻不会空翻不会空翻不会空翻)结论：结论：Qn+1=D 4.3其它逻辑功能触发器其它逻辑功能触发器1.SR触发器触发器特性方程：特性方程：SR=0称为约束条件称为约束条件Qn+1=
23、S+R Qn4.3其它逻辑功能触发器其它逻辑功能触发器2.T触发器：将触发器：将JK触发器触发器J，K两端连在一两端连在一起作为起作为T输入端，便得到了输入端，便得到了T触发器。触发器。其它逻辑功能触发器其它逻辑功能触发器3.T触发器触发器：当：当T触发器触发器T端恒为端恒为1时，即时，即是是T触发器触发器。其特性方程为其特性方程为 4.4 触发器逻辑功能转换触发器逻辑功能转换SR触发器：在触发器：在CP脉冲有效时，根据脉冲有效时，根据S、R信号信号的不同，具有的不同，具有置置0、置置1和和保持保持功能的电路。功能的电路。D触发器：在触发器：在CP脉冲有效时，根据脉冲有效时，根据D的不同，的不
24、同，具有具有置置1、置置0功能的电路。功能的电路。JK触发器：在触发器：在CP脉冲有效时，根据脉冲有效时，根据J、K信号信号的不同，具有的不同，具有置置1、置置0、翻转翻转、保持保持功能的电路。功能的电路。T触发器：在触发器：在CP脉冲有效时，根据脉冲有效时，根据T的不同，凡的不同，凡是具有是具有保持保持和和翻转翻转功能的电路。功能的电路。T触发器触发器：在：在CP脉冲有效时，只具有脉冲有效时，只具有翻转翻转功能功能的电路。的电路。4.4 触发器逻辑功能转换触发器逻辑功能转换 D转换为转换为JKQn+1=D 4.4 触发器逻辑功能转换触发器逻辑功能转换 JK转换为转换为 DQn+1=D 1 1CPD