触发器的基本特点
触发器是组成时序逻辑电路的基本单元电路,它是一种有记忆功能的逻辑部件。触发器的基本特点是:
(1)具有两个互补输出端q和/q;
(2)具有“0”态和“1”态两个稳定状态;
(3)在外部信号作用下可实现状态转换,即翻转;
(4)外部信号消失时具有记忆功能,这就使得触发器能够记忆二进制信息。
按照稳定工作状态分,可分为双稳态触发器、单稳态触发器、无稳态触发器(多谐振荡器)等;按照逻辑功能划分,可分为rs触发器、d触发器、t触发器、jk触发器等几类;按照电路结构划分,可分为基本rs触发器、同步触发器(时钟控制的触发器)、主从型触发器、维持-阻塞型触发器和边沿触发器等几种类型。触发器的电路结构不同,其触发翻转方式和工作特点也不相同。具有某种逻辑功能的触发器可以用不同的电路结构实现。按触发方式划分,可分为电平触发和边沿触发。电平触发有高电平触发和低电平触发两种,而边沿触发有上升沿触发和下降沿触发两种。
触发器逻辑功能的表示方法有:
(1)状态表或功能表:状态表中包括输入激励信号取值,触发器的原始状态(亦称初态)取值和翻转后的状态(亦称次态)的取值。而功能表则只列出输入激励信号取值和触发器次态取值,比较简洁。
(2)状态方程:由状态表归纳而列写出的逻辑方程。
(3)状态转换图。
(4)波形图(又称时序图):画出对应输入状态波形的输出状态波形。
触发器的电路结构与动作特点
由两个与非门互耦而成的rs锁存器【图4.2.2(a)】是各种触发器的基本单元电路,它有两个低电平有效的数据输入端(s--:置位输入;r--:复位输入)和一对互补的数据输出端(q和q--)。q=1,q--=0时,锁存器处于置位状态;q=0,q--=1时,锁存器处于复位状态。s-- 和 r-- 有四种组合,如果s--无效,r--无效,锁存器的状态将与初态相同;如果s--有效,r--无效,锁存器的状态将为q=1,q--=0;如果s--无效,r--有效,锁存器的状态将为q=0,q--=1;如果s--有效,r--有效,锁存器的状态将是不确定的。如何理解最后一种输入组合呢?
(a)电路结构
rs锁存器可以(并且只可以)存储一个二进制位,要么存储1,要么存储0。如果我们想存储1,就在 s--端加上一个负脉冲。所谓的负脉冲,就是一个由高电平跳变到低电平,然后再由低电平跳变到高电平的信号。当 s-- 由高电平跳变到低电平时,s--=0,r--=1,q=1,q--=0,锁存器的状态为1;当 s-- 由低电平跳变到高电平时,s--=1,r--=1,锁存器的状态保持不变,仍为1。换句话说,负脉冲到来时,锁存器的状态为1;负脉冲消失后,锁存器维持这个一状态。同理,如果我们想存储0,我们就在 r-- 端加上一个负脉冲。那么,同时在 s-- 端和 r-- 端加上负脉冲是什么意思呢?难道既要存储1,又要存储0?显然,这种要求在逻辑上是矛盾的,也是无法实现的。我们不可能提出这种无理要求。
那么,这种输入组合又是怎么出现的呢?哇!一定是干扰(或噪声)在作怪!干扰的存在,可能会使锁存器误动作。假如我们要存储“1”,我们就在s--端加上一个负脉冲p1当p1到来时,s--=0,r--=1,q=1,q--=0。如果p1结束前,在 r-- 端出现一个干扰脉冲p2,那 么我们有s-- =0,r--=0,q=1, q--=1,问题就发生了。问题发生后,我们可就三种简单的情况进行分析。若p2比p1先消失,我们有 s--=0,r--=1,q=1, q--=0。在这种情况下,锁存器的状态为“1”;若p1比p2先消失,我们将有 s--=1,r--=0,q=1, q--=0,在这种情况下,锁存器的状态为“0”;还有一种情况是p2与p1同时消失,我们将有 s--=1,r--=1,
因为此前q=1, q--=1,所以每个与非的输入都是全“1”,由于这两个与非门的传输延迟时间不同,因此工作速度稍快一些的与非门输出率先为“0”,这将使另一个与非门的输出保持为“1”。由于干扰脉冲的出现和消失是随机的,我们无法预知p2与p1哪个先消失。由于器件参数的离散性,我们也无法预知那个与非门的传输时间较短。所以,锁存器的状态将是不定的。
rs锁存器的用途之一是构成“防抖动电路”。我们知道,数据通常经过机械开关输入数字系统。机械开关动作时,触点将会抖动。抖动是指开关的两个触点要经历一个常达数毫秒的接通、断开,再接通、再断开,循环往复,直至最后接通的过程。数毫秒的振荡在数字系统中是不可接受的。假如开关接通表示“1”,断开表示“0”,我们将开关接通是期望输入一个“1”,结果却输入拉一连串的“1”和“0”。
锁存器或触发器易受干扰的影响。例如,rs锁存器的初态为0,如果在 s--端出现一个干扰脉冲,锁存器的状态将变成“1”。选通脉冲锁存器【图4.2.4(a)】就有一定的抗干扰能力。
我们看到,在cp的控制下,锁存器并非随时受输入信号的影响。只有当cp信号为“1”时,输入信号才会起作用。cp信号即时钟信号,时钟信号是数字系统的时间基准,用来协调(或同步)数字系统中各部分的动作。鉴于时钟信号的重要性,设计者们采取各种措施保证其信号质量,使之避免干扰。在数据信号不可靠而时钟信号相对可靠的条件下,采用窄时钟脉冲将显著提高锁存器的抗干扰能力。
除了改善抗干扰能力,cp信号还起另一个作用:消除竞争冒险。假如r信号由0变1,s信号由1变0,理想情况下,q和 q-- 将同时变化,q由1变0,q--由0变1。实际上,由于传输路径不同,r、s到达锁存器会有时间差。我们不妨假设s信号落后于r信号△t秒。这样,锁存器将在△t秒内处于s=1,r=1的非正常工作状态,输出q=1, q--=1,这样的输出在数字系统内产生尖峰脉冲,导致逻辑错误。为了消除这种竞争冒险现象,我们可以引入cp信号,cp信号使锁存器接收输入信号的时间至少推迟了△t秒,输入信号稳定后才允许锁存器进行逻辑运算。这种情况下,cp信号也叫选通脉冲。
rs触发器动作特点
基本rs触发器中,输入信号直接加在输出门g1和g2上,所以在输入信号的全部作用时间里,都能直接改变输出端q和的状态,这种触发方式称为电平触发方式。这就是基本rs触发器的动作特点。
由于这个缘故,也把(s)称为直接置位端,把(r)端称为直接复位端。
例1 在图(a)所示的由与非门组成的基本rs触发器电路中,已知和电压波形如图(b)所示,试画出触发器输出端q和的电压波形。设触发器的初始状态为
解:根据已知输入波形画输出波形的方法是:在输入信号的跳变处画出虚线,划分一个个时间间隔,根据特性表画出每一时间间隔内的输出信号电压波形。
从图(b)所示的波形图中可以看出,在t2~t3和t6~t7时间内都出现了==0的情况。但由于在t2~t3之后首先跳变成高电平,所以触发器的次态可以确定。但由于在t0~t7之后和同时跳变为高电平,所以此时的次态就不定了。
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