概述：

在各種復雜的數(shù)字電路中，不但需要對二值信號進行算術運算和邏輯運算，還經(jīng)常需要將這些信號和運算結(jié)果保存起來。為此，需要使用具有記憶功能的基本邏輯單元。能夠儲存1位二值信號的基本單元電路統(tǒng)稱為觸發(fā)器。

u       觸發(fā)器的特點：

① 具有兩個能自行保持的穩(wěn)定狀態(tài)，用來表示邏輯狀態(tài)的0和1，或二進制數(shù)的0和1。

② 根據(jù)不同的輸入信號可以置成1或0狀態(tài)。

u   觸發(fā)器分類

 

§4.1 觸發(fā)器

一、 基本RS觸發(fā)器

基本RS觸發(fā)器是觸發(fā)器中電路結(jié)構(gòu)最簡單的一種，它也可以是其它觸發(fā)器的基本組成部分，即最基本的邏輯單元?？梢杂脙蓚€或非門或兩個與非門交叉耦合構(gòu)成。

1. 用與非門構(gòu)成的基本RS觸發(fā)器

（1）       電路構(gòu)成和工作原理

基本RS觸發(fā)器的電路結(jié)構(gòu)和圖形符號

用兩個與非門構(gòu)成的基本RS觸發(fā)器，其R、S為觸發(fā)器的兩個輸入端，又稱為激勵端，R稱為直接復位端（置0端），S稱為直接置位端（置1端）。  和  是兩個互補輸出端，一般用  端的邏輯值來表示觸發(fā)器的狀態(tài)，即  稱觸發(fā)器處于1狀態(tài)，而  稱觸發(fā)器處于0狀態(tài)。（規(guī)定  表示觸發(fā)器的現(xiàn)態(tài)，  表示觸發(fā)器的次態(tài)）

根據(jù)電路中的與非邏輯關系，可以得出以下結(jié)論：

Ⅰ.當R=1、S=0時，  ，  觸發(fā)器處于置位狀態(tài)。此時，S=0是  的決定性條件。

Ⅱ.當R=0、S=1時，  ，  觸發(fā)器處于復位狀態(tài)。此時，R=0是  的決定性條件。

Ⅲ.當R=1、S=1時，  ，即兩個與非門的狀態(tài)由原來觸發(fā)器的狀態(tài)決定，此時觸發(fā)器維持原來狀態(tài)不變，體現(xiàn)了觸發(fā)器的記憶功能。

Ⅳ.當R=S=0時，  ，  觸發(fā)器的輸出為不定狀態(tài)，這種情況應該避免。

邏輯符號中輸入端小圓圈表示“低電平有效”，輸出端小圓圈表示“反相輸出”。

（2）基本RS觸發(fā)器的特性表 ：

S	R	Qn	Qn+1
0	1	0	1
0	1	1	1
1	0	0	0
1	0	1	0
1	1	0	1
1	1	1	0
0	0	0	不定
0	0	1	不定

二、同步RS觸發(fā)器

在數(shù)字系統(tǒng)中，為協(xié)調(diào)各部分的動作，常常要求某些觸發(fā)器于同一時刻動作。為此，必須引入同步信號，使這些觸發(fā)器只有在同步信號到達時，才按輸入信號改變狀態(tài)。通常把這個同步信號叫做時鐘脈沖，簡稱時鐘，用CP表示（Clock Pulse）。CP是觸發(fā)器（時序電路）的輸入信號。實現(xiàn)時序控制的最簡單方式如下圖。該電路的組成部分：與非門G1、G2組成的基本RS

   同步RS觸發(fā)器電路結(jié)構(gòu)和邏輯符號圖

觸發(fā)器和G3、G4組成的輸入控制電路。

同步RS觸發(fā)器特性表即分析如下：

CP	S	R			分析：
0 0	X X	X X	0 1	0 1	保持（CP=0時，門G3、G4截止，輸入信號S、R不會影響輸出端狀態(tài)，故觸發(fā)器保持原來狀態(tài)不變
1 1	0 0	0 1	0 1	0 1	保持（此時  與基本RS觸發(fā)器中R＝S＝1情況相同）
1 1	1 1	0 1	0 1	0 0	與 S 相 同	G3輸出1，  G4輸出0，與R=0,S=1情況相同
1 1	0 0	0 1	0 1	1 1		G3輸出0，  G4輸出1，與R=1,S=0情況相同
1 1	1 1	0 1	0 1	－ －	不定	此時G3，G4輸出均為0，與基本RS觸發(fā)器中R＝S＝0情況相同

如果用邏輯表達式描述同步RS觸發(fā)器邏輯功能，可以得到其特性方程。

u       同步RS觸發(fā)器的動作特點：

在CP=1的全部時間里S和R的變化都將引起觸發(fā)器輸出端狀態(tài)的變化。據(jù)此，可以想象：如果CP=1的期間內(nèi)輸入信號多次發(fā)生變化，則觸發(fā)器的狀態(tài)也會發(fā)生多次翻轉(zhuǎn)，這就降低了電路的抗干擾能力。為了提高觸發(fā)器工作的可靠性，希望在每個CP周期里輸出端的狀態(tài)只能改變一次。為此，在同步RS觸發(fā)器的基礎上又設計出了主從觸發(fā)器。

三、 主從觸發(fā)器

1．  主從RS觸發(fā)器

電路結(jié)構(gòu)圖

主從RS觸發(fā)器電路結(jié)構(gòu)和邏輯符號

主從觸發(fā)器由兩級觸發(fā)器構(gòu)成，其中一級接收輸入信號，其狀態(tài)直接由輸入信號決定，稱為主觸發(fā)器；還有一級的輸入與主觸發(fā)器的輸出連接，其狀態(tài)由主觸發(fā)器的狀態(tài)決定，稱為從觸發(fā)器。工作原理：

Ⅰ. CP=1時，G7、G8被打開，G3、G4被封鎖，此時主觸發(fā)器根據(jù)S和R的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)而從觸發(fā)器保持原來的狀態(tài)不變。

Ⅱ. CP由  后，G7、G8被封鎖，此后無論S、R的狀態(tài)如何改變，在CP=0的全部時間里主觸發(fā)器的狀態(tài)不再改變。與此同時，G3、G4被打開，從觸發(fā)器按照與主觸發(fā)器相同的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)。

∴  在CP的一個變化周期中，觸發(fā)器輸出端的狀態(tài)只可能改變一次。

例如：  0時觸發(fā)器初始狀態(tài)為  ，當CP由  后，若S=1，R=0則主觸發(fā)器被置1，即  ,  而從觸發(fā)器保持0狀態(tài)不變。當CP回到低電平以后（ ），  ，  ，  則從觸發(fā)器被置成  。

²        注：從同步RS觸發(fā)器到主從RS觸發(fā)器的這一演變，克服了CP=1期間觸發(fā)器輸出狀態(tài)可能多

次翻轉(zhuǎn)的問題。但由于主從觸發(fā)器本身是同步RS觸發(fā)器構(gòu)成的，所以在CP=1期間  和  的狀態(tài)仍然會隨S、R狀態(tài)變化而多次改變，而且輸入信號也必須遵守RS=0的約束條件。

為了使用方便，希望即使出現(xiàn)了S=R=1的情況，觸發(fā)器的狀態(tài)也是確定的，因而需要進一步改進觸發(fā)器的結(jié)構(gòu)。

如果把主從RS觸發(fā)器的  和  端作為一對附加的控制信號接回到輸入端，就可以達到上述要求。這一對反饋線通常在制造集成電路時一再內(nèi)部連好。為表示與主從RS觸發(fā)器在邏輯功能上的區(qū)別，以J、K表示兩個信號輸入端，并將其稱為主從JK觸發(fā)器。

2. 主從JK觸發(fā)器

  

主從JK觸發(fā)器電路結(jié)構(gòu)和邏輯符號

工作原理：

Ⅰ. J=1，K=0 則 CP=1時主觸發(fā)器置1

（原來是0則置成1，∵設  且  推出  ，此時相當于基本RS觸發(fā)器  的情況；原來是1則保持1，∵  且  推出  ，此時相當于基本RS觸發(fā)器  的情況）

待CP=0以后從觸發(fā)器亦隨之置1，即  。

Ⅱ. J=0，K=1 則CP=1時主觸發(fā)器置0，待CP=0以后從觸發(fā)器也隨之置0，即  。

Ⅲ. J=K=0 則由于G7和G8門被封鎖，觸發(fā)器保持原狀態(tài)不變，即  。

Ⅳ. J=K=1則需要考慮兩種情況：

①  ：此時G8被  端的低電平封鎖，CP=1時，僅G7輸出低電平信號，故主觸發(fā)器置1；CP=0以后從觸發(fā)器也跟著置1，即  。

②  ：此時G7被  端的低電平封鎖，因而在CP=1時僅G8能給出低電平信號，故主觸發(fā)器被置0；CP=0以后從觸發(fā)器跟著置0，即  。

綜合上述兩種情況，  即J=K=1時CP下降沿到達后觸發(fā)器將翻轉(zhuǎn)為與現(xiàn)態(tài)相反的狀態(tài)。

3. 動作特點：

Ⅰ. 觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)分兩步動作。第一步，在CP=1期間主觸發(fā)器接收輸入端（S、R或J、K）的信號，被置成相應的狀態(tài)，而從觸發(fā)器不動；第二步，CP下降沿到來時從觸發(fā)器按照主觸發(fā)器的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，所以  斷狀態(tài)的改變發(fā)生在CP的下降沿。

Ⅱ. 因為主觸發(fā)器其本身是一個同步RS觸發(fā)器，所以在CP=1的全部時間里輸入信號都將對主觸發(fā)器其控制作用。

因此，在使用主從觸發(fā)器時必須注意，只有在CP=1的全部時間里輸入狀態(tài)始終未變的條件下，用CP下降沿到達時輸入的狀態(tài)解決觸發(fā)器的次態(tài)才肯定是對的，否則，必須考慮CP=1期間輸入狀態(tài)的全部變化過程，才能確定CP下降沿到達時觸發(fā)器的次態(tài)。

例：已知主從JK觸發(fā)器的CP,J,K波形如圖，設觸發(fā)器的初始狀態(tài)為Q=0，試畫出Q端輸出波形。

解：1)第一個CP高電平期間始終為J=1,K=0,CP下降沿到達后觸發(fā)器置1。

2)第二個CP高電平期間K端狀態(tài)發(fā)生過變化，因而不能簡單的以CP下降沿到達時J,K的狀態(tài)來決定觸發(fā)器的次態(tài)。因為在CP高電平期間出現(xiàn)過短時間的J=0,K=1狀態(tài)，此時主觸發(fā)器便被置                             0，所以雖然CP下降沿到達時輸入狀態(tài)回到了J=K=0,但從觸發(fā)器仍按主觸發(fā)器的狀態(tài)被置0，即  。

3)第三個CP下降沿到達時J=0,K=1,如果以這時的輸入狀態(tài)決定觸發(fā)器狀態(tài)，應  。但是由于CP高電平期間曾出現(xiàn)過J=K=1狀態(tài)，CP下降沿到達之前主觸發(fā)器已被置1，所以CP下降沿到達后從觸發(fā)器被置1。

為了提高觸發(fā)器的可靠性，增強抗干擾能力，希望觸發(fā)器得次態(tài)僅僅取決于CP信號的下降沿（或上升沿）到達時刻輸入信號的狀態(tài)。而在此之前和之后輸入狀態(tài)的變化對觸發(fā)器的次態(tài)沒有影響。為實現(xiàn)這一設想，人們相繼研制成了各種邊沿觸發(fā)器電路。

四、邊沿形觸發(fā)器

1. 維持阻塞觸發(fā)器

這是邊沿觸發(fā)器的一種電路結(jié)構(gòu)形式，在TTL電路中常用該形式。下面給出維持——阻塞式邊沿D觸發(fā)器的邏輯圖和邏輯符號。

維阻型觸發(fā)器電路結(jié)構(gòu)和邏輯符號

 該觸發(fā)器由6個與非門構(gòu)成，其中G1和G2組成基本RS觸發(fā)器。分析工作原理：

Ⅰ.   時，不論輸入端D為何種狀態(tài)，都會使  ,即觸發(fā)器置1。

 時，不論輸入端D為何種狀態(tài)，都會使  ,即觸發(fā)器置0。

因此，SD 和RD 通常稱預置端和清零端。

Ⅱ. 當觸發(fā)器工作時，必須使 SD =RD =1    ，

（1）CP=0時，G3 和G4 封鎖，其輸出Q3 =Q4 =1，此時基本RS觸發(fā)器處于保持狀態(tài)，即  狀態(tài)不變。同時，由于Q3 至G5 和Q4至G6 的反饋信號將這兩個門打開，因此可接收輸入信號D,     。

（2）當CP由0變1時，即上升沿到來：G3 和G4打開，它們的輸出Q3和Q4的狀態(tài)由 G5和G6的輸出狀態(tài)決定。  ，  。由基本RS觸發(fā)器的邏輯功能，可知Q=D.

（3）觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)后，在CP=1時輸入信號被封鎖。G3和G4打開后，他們的輸出Q3 和Q4 的狀態(tài)時互補的，即必定有一個是0，若Q3=0，則經(jīng)G3輸出至G5 輸入的反饋線將G5封鎖，即封鎖了D通往基本RS觸發(fā)器的路徑；該反饋線起到了使觸發(fā)器維持在0狀態(tài)和阻止觸發(fā)器變?yōu)?狀態(tài)的作用，故該反饋線稱為置0維持線，置1阻塞線。Q4=0 時，將G3和G6封鎖，D端通往基本RS觸發(fā)器的路徑也被封鎖。Q4輸出至G6反饋線起到使觸發(fā)器維持在1狀態(tài)的作用，稱作置1維持線；Q4輸出至G3 輸入的反饋線起到了阻止觸發(fā)器置0的作用，稱為置0阻塞線。因此該觸發(fā)器稱為維持-阻塞觸發(fā)器。

2. 利用傳輸延遲時間的邊沿觸發(fā)器

利用傳輸延遲時間的邊沿觸發(fā)器

這個電路包含一個由與或非門G1和G2組成的基本RS觸發(fā)器和兩個輸入控制門G3和G4。而且，門G3和G4傳輸延遲時間大于基本RS觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)時間。

設觸發(fā)器的初始狀態(tài)為  ，  。

Ⅰ.  時，門B、B’和G3、G4被CP的低電平封鎖，而G3、G4的輸出P、P’均為高電平，

門A、A’是打開的，所以基本RS觸發(fā)器的狀態(tài)通過A、A’得以保持。

Ⅱ.CP變?yōu)楦唠娖揭院螅TB、B’首先解除封鎖，基本RS觸發(fā)器可以通過B、B’繼續(xù)保持原

狀態(tài)不變。此時輸入為  、  ，則經(jīng)過門G3、G4的傳輸延遲時間后  、  ，門

A、A’均不導通，對基本RS觸發(fā)器的狀態(tài)沒有影響。

Ⅲ.當CP下降沿到達時，門B、B’立即封鎖，但由于門G3、G4存在傳輸延遲時間，所以P、P’

的電平不會馬上改變。因此，在瞬間出現(xiàn)A、B各有一個輸入端為低電平的狀態(tài)，使  ，

并經(jīng)過門A’使  。由于G3的傳輸延遲時間足夠長，可以保證在P點的低電平消失之前  的

低電平已反饋到了門A，所以在P點的低電平消失以后觸發(fā)器獲得的1狀態(tài)仍將保持下去。

經(jīng)過門G3、G4的傳輸延遲時間以后，P、P’都變?yōu)楦唠娖?，但對基本RS觸發(fā)器狀態(tài)并無影響。而CP的低電平已將門G3、G4封鎖，J、K狀態(tài)即使再發(fā)生變化也不會影響觸發(fā)器的狀態(tài)了。

3. 邊沿觸發(fā)器的特點

不論是維阻型D邊沿觸發(fā)器還是利用傳輸延遲時間的JK邊沿觸發(fā)器，它們共同的動作特點就是觸發(fā)器的次態(tài)僅取決于CP信號的上升沿或下降沿到達時輸入的邏輯狀態(tài)，而在這之前或之后，輸入信號的變化對觸發(fā)器輸出的狀態(tài)沒有影響。這一特點有效的提高了觸發(fā)器的抗干擾能力，因而也提高了電路的工作可靠性。