第五章 锁存器和触发器

1、第五章第五章 锁存器和触发器锁存器和触发器目录目录 5.1 基本双稳态电路基本双稳态电路 5.2 SR锁存器锁存器 5.3 D锁存器锁存器 5.4 触发器的电路结构和工作原理触发器的电路结构和工作原理 5.4 触发器的逻辑功能触发器的逻辑功能5.1 基本双稳态电路基本双稳态电路双稳态和单稳态双稳态和单稳态双稳态：存在两个稳定状态双稳态：存在两个稳定状态单稳态：存在一个稳定状态单稳态：存在一个稳定状态双稳态存储单元电路：电路双稳态存储单元电路：电路具有具有0、1两种逻辑两种逻辑状态，一状态，一旦进入其中一种状态就能长期保持不变的单元电路旦进入其中一种状态就能长期保持不变的单元电路 Q Q G1

2、G2 反馈反馈Q端的状态定义为电路输出状态。端的状态定义为电路输出状态。电路有两个互补的输出端电路有两个互补的输出端数字逻辑分析数字逻辑分析电路具有存储电路具有存储1 1位二进制数据的功能。位二进制数据的功能。 如如 Q = 1如如 Q = 0 Q Q G1 G2 VO1 VO2 VI1 VI2 1001 Q Q G1 G2 VO1 VO2 VI1 VI2 0110存在问题：接通电源后，随机进入存在问题：接通电源后，随机进入0 0或或1 1状态，且无法在运行中改变和控状态，且无法在运行中改变和控制它的状态制它的状态 锁存器和触发器锁存器和触发器 具有记忆功能的基本逻辑单元，一个锁存器具有记忆功

3、能的基本逻辑单元，一个锁存器或触发器能够存贮一位二值信号或触发器能够存贮一位二值信号 特点特点 具有两个能自行保持的稳定状态，用来表示具有两个能自行保持的稳定状态，用来表示逻辑状态的逻辑状态的0和和1 输出状态在触发信号作用之下可以发生转变输出状态在触发信号作用之下可以发生转变 具有记忆功能具有记忆功能记忆记忆：有外触发时有外触发时, ,锁存器或触发器状态改变锁存器或触发器状态改变; ; 触发信号撤除触发信号撤除, ,维持状态不变维持状态不变。时序逻辑电路与锁存器、触发器：时序逻辑电路与锁存器、触发器： 时序逻辑电路时序逻辑电路: :工作特征工作特征：时序逻辑电路的工作特点是任意时刻的输时序逻

4、辑电路的工作特点是任意时刻的输出状态不仅与该当前的输入信号有关，而且与此前电出状态不仅与该当前的输入信号有关，而且与此前电路的状态有关。路的状态有关。 注：注：锁存器或触发器的原状态或初态为锁存器或触发器的原状态或初态为 Qn锁存器或触发器的新状态或次态为锁存器或触发器的新状态或次态为 Qn+1 电路结构电路结构 由组合逻辑电路和存储电路组成由组合逻辑电路和存储电路组成,电路中存在反电路中存在反馈馈 具有两个互补的输出端具有两个互补的输出端Q端和端和 端端 Q=1时，称锁存器或触发器的状态为时，称锁存器或触发器的状态为1状态，置位状态，置位 Q=0时，称锁存器或触发器的状态为时，称锁存器或触发

5、器的状态为0状态，复位状态，复位Q锁存器和触发器锁存器和触发器是构成时序逻辑电路的基本逻辑是构成时序逻辑电路的基本逻辑单元单元 。 锁存器和触发器锁存器和触发器 同同： 构成各种时序电路的存储单元电路构成各种时序电路的存储单元电路 具有具有0 和和1两个稳定状态，一旦状态被确定，就能自行两个稳定状态，一旦状态被确定，就能自行保持。一个锁存器或触发器能存储一位二进制码保持。一个锁存器或触发器能存储一位二进制码 异：异： 锁存器：对脉冲电平敏感，特定输入脉冲电平作用下改锁存器：对脉冲电平敏感，特定输入脉冲电平作用下改变状态变状态 触发器：对脉冲边沿敏感，在时钟脉冲的上升沿或下降触发器：对脉冲边沿敏

6、感，在时钟脉冲的上升沿或下降沿的变化瞬间改变状态沿的变化瞬间改变状态 结构结构由两个或非门输入、输由两个或非门输入、输出交叉相接构成出交叉相接构成有两个输入端有两个输入端S, R ；有两个互补输出端有两个互补输出端Q，Q Q Q R G1 G2 S 5.2.1 由或非门构成的基本由或非门构成的基本SR锁存器锁存器5.2 SR锁存器锁存器 Q Q G1 G2 S R 输入输入R=0, S=0时时10QQ10QQ若原状态：若原状态：输出：输出：保持原态保持原态工作原理工作原理0 00 0若初态若初态 Q n = 11 10 01 1 Q Q G1 G2 S R 若初态若初态 Q n = 00 01

7、 10 00 00 001QQ01QQ Q Q G1 G2 S R Q Q G1 G2 S R 无论初态无论初态Q n为为0或或1，锁存器的次态为，锁存器的次态为1态。态。 信信号消失后新的状态将被记忆下来。号消失后新的状态将被记忆下来。0 01 1若若初态初态 Q n = 11 10 01 1若初态若初态 Q n = 00 01 10 01 10 0R=0、S=1置置1 Q Q G1 G2 S R Q Q G1 G2 S R 无论初态无论初态Q n为为0或或1，锁存器的次态为，锁存器的次态为0态。态。 信信号消失后新的状态将被记忆下来。号消失后新的状态将被记忆下来。1 10 0若若初态初态

8、Q n = 11 11 10 0若初态若初态 Q n = 01 10 00 01 10 01 1R=1 、 S=0置置0 Q Q G1 G2 S R 1 11 10 00 0S=1 、 R=1无论初态无论初态Q n为为0或或1，锁存器的次态都为，锁存器的次态都为0 。状态不确定状态不确定约束条件约束条件: SR = 0当当S、R 同时回到同时回到0时，由于两个与非门时，由于两个与非门的延迟时间无法确定，使得锁存器最终的延迟时间无法确定，使得锁存器最终稳定状态也不能确定。稳定状态也不能确定。锁存器的输出既不是锁存器的输出既不是0态，也不是态，也不是1态态违背互补违背互补输出的条输出的条件件 功能

9、表功能表 逻辑表达式逻辑表达式 逻辑符号逻辑符号SRQn+100保持保持01置置010置置111非定义状态非定义状态1nnQRQ1nnQSQ 工作波形工作波形 S R Q Q 置置 1 置置 0 由与非门构成的基本由与非门构成的基本SR锁存器锁存器结构结构由两个与非门输入、输出交叉相接构成由两个与非门输入、输出交叉相接构成有两个输入端有两个输入端S, R；有两个互补输出端有两个互补输出端Q，Q逻辑电路逻辑电路逻辑符号逻辑符号由与非门构成的基本由与非门构成的基本SR锁存器小结锁存器小结(1) 1 1RS电路维持原状态不变。电路维持原状态不变。(2) 0 1RS R 为为0， Q=0，Q=1。在。

10、在R =0信号消失后，信号消失后，电路保持电路保持0状态不变。状态不变。R 端称为端称为置置0输入端输入端或或复位端复位端。(3) 1 0RS(4) 0 0RSS 为为0， Q=1， Q=0。 在在S =0信号消失后，信号消失后，电路保持电路保持1状态不变。状态不变。S 端称为端称为置置1输入端输入端或或置位端置位端。Q=Q=1，不是定义的，不是定义的1状态和状态和0状态。而状态。而且且 R、S同时回到同时回到1以后，无法确定锁存以后，无法确定锁存器是器是1状态还是状态还是0状态。因此，正常工作状态。因此，正常工作时，输入信号应遵守时，输入信号应遵守 R + S =1的约束条的约束条件，即不允

11、许输入件，即不允许输入R =S =0的信号。的信号。真值表真值表 1 1 1 1 保持保持0 1 0 10 1 0 11 0 1 01 0 1 00 0 0 0 非定义状态非定义状态1nQDRDS1nQ 输入信号直接加在输出门上，在输入信号全部作用输入信号直接加在输出门上，在输入信号全部作用时间内，都能直接改变输出端的状态。故又称基本时间内，都能直接改变输出端的状态。故又称基本RSRS锁锁存器为直接复位、置位锁存器。对存器为直接复位、置位锁存器。对脉冲电平敏感。脉冲电平敏感。三、动作特点三、动作特点约束条件约束条件:R + S =1逻辑表达式逻辑表达式1nnQQS；1nnQQR 例例 运用基本

12、运用基本SR锁存器消除机械开关触点抖动引锁存器消除机械开关触点抖动引起的脉冲输出。起的脉冲输出。 R vO t0 t1 vO t0 t1 t +5V +5V R S Q 去抖动去抖动电路电路5.2.2 门控门控SR锁存器锁存器 R E S G3 G1 G2 G4 Q4 Q3 Q Q 电路结构电路结构 1R C1 1S Q Q E S R 逻辑符号逻辑符号简单简单SR锁存器锁存器使能信号控制门电路使能信号控制门电路C1C1后缀为后缀为“1 1”表示该输入的表示该输入的逻辑状态对所逻辑状态对所有以有以“1 1”为前为前缀的输入起控缀的输入起控制作用制作用工作原理工作原理 S=0，R=0：Qn+1=

13、Qn S=1，R=0：Qn+1=1 S=0，R=1：Qn+1=0 S=1，R=1：不能确定状态：不能确定状态E=1：E=0：状态发生变化。状态发生变化。 状态不变状态不变Q3 = S Q4 = R R E S G3 G1 G2 G4 Q4 Q3 Q Q E S R Q3 Q4 Q Q 1 2 3 4 的波形。的波形。 逻辑门控逻辑门控SR锁存器的锁存器的E、S、R的波形如下图虚线上边所示，的波形如下图虚线上边所示，锁存器的原始状态为锁存器的原始状态为Q = 0，试画出试画出Q3、Q4、Q和和Q R E S G3 G1 G2 G4 Q4 Q3 Q Q 1. 传输门控传输门控D锁存器锁存器 TG2

14、 TG1 G1 G2 G4 G3 E C Q Q C C C D C C G1 TG2 G2 Q Q TG1 D G1 TG2 G2 Q Q TG1 D (2) E=0时时(1) E=1时时(a) 电路结构电路结构CTG2导通，导通，TG1断开断开 TG1导通，导通，TG2断开断开Q = DQ 不变不变5.3 D 锁存器锁存器在E=1时，输出跟随时，输出跟随D端逻辑状态变化，又称为透明锁存器端逻辑状态变化，又称为透明锁存器 TG2 TG1 G1 G2 G4 G3 E C Q Q C C C D C C 1D C1 Q Q E D 逻辑符号逻辑符号 R E D G3 G1 G2 G4 Q4 Q3

15、 Q Q S G5 =DS =0 R=1D=0Q = 0D=1Q = 1E=0不变不变E=1= DS =1 R=0D锁存器的功能表锁存器的功能表置置10111置置01001保持保持不变不变不不变变0功能功能QDEQ逻辑逻辑功能功能2. 逻辑门控逻辑门控D锁存器锁存器 R E D G3 G1 G2 G4 Q4 Q3 Q Q S G5 逻辑电路图逻辑电路图工作波工作波形形 D E Q Q 空翻空翻3. D锁存器的动态特性锁存器的动态特性定时图定时图: :表示电路动作过程中，对各输入信号的表示电路动作过程中，对各输入信号的时间要求以及输出对输入信号的响应时间。时间要求以及输出对输入信号的响应时间。

16、D Q tSU tH tW TpLH(D-Q) E TpHL(E-Q) 74HC/HCT373 八八D锁存器锁存器 LE OE Q1 Q7 Q0 D1 D7 D0 1D C1 C1 1D C1 C1 1D C1 C1 4. 典型集成电路典型集成电路三态输出74HC/HCT373的功能表的功能表OE工作模式工作模式输输 入入内部锁存器内部锁存器状状 态态输输 出出OELEDnQn使能和读锁存使能和读锁存器器（传送模式）（传送模式）LHLLLLHHHH锁存和读锁存锁存和读锁存器器LLL*LLLLH*HH禁止输出禁止输出H高阻高阻L*和和H*表示门控电平表示门控电平LE由高变低之前瞬间由高变低之前瞬

17、间Dn的逻辑电平。的逻辑电平。5.4 触发器的电路结构和工作原理触发器的电路结构和工作原理触发：对时钟脉冲边沿敏感的状态更新触发：对时钟脉冲边沿敏感的状态更新触发器：具有触发工作特性的存储单元触发器：具有触发工作特性的存储单元 TG TG TG2 Q C C C TG1 D C 主主锁锁存存器器 TG TG TG4 Q Q C C C TG3 C 从从锁锁存存器器 Q CP C C G1 G4 G3 G2 主锁存器与从锁存器结主锁存器与从锁存器结构相同构相同1. 电路结构电路结构5.4.1 主从主从D触发器的电路结构和工作原理触发器的电路结构和工作原理TG1和和TG4的工作状态相同的工作状态相

18、同TG2和和TG3的工作状态相同的工作状态相同反相输出施密特触发器反相输出施密特触发器 TG TG TG2 Q C C C TG1 D C 主主锁锁存存器器 TG TG TG4 Q Q C C C TG3 C 从从锁锁存存器器 Q G1 G4 G3 G2 2. 由传输门组成的由传输门组成的CMOS边沿边沿D触发器的工作原理触发器的工作原理TG1导通，导通，TG2断开断开输入信号输入信号D 送入主锁存器。送入主锁存器。TG3断开，断开，TG4导通导通从锁存器维持在原来的状态不变。从锁存器维持在原来的状态不变。 (1) CP=0时时:C =1，C=0，Q 跟随跟随D端的状态变化，使端的状态变化，使

19、Q =D。 CP C C TG TG TG2 Q C C C TG1 D C 主主锁锁存存器器 TG TG TG4 Q Q C C C TG3 C 从从锁锁存存器器 Q G1 G4 G3 G2 (2) CP由由0跳变到跳变到1 :C =0，C=1，触发器的状态仅仅取决于触发器的状态仅仅取决于CP信号上升沿到达前瞬间的信号上升沿到达前瞬间的D信号信号 TG3导通，导通，TG4断开断开从锁存器从锁存器Q 的的信号送信号送Q端。端。TG1断开，断开，TG2导通导通输入信号输入信号D 不能送入主锁存器。不能送入主锁存器。主锁存器主锁存器维持原态不变。维持原态不变。 CP C C 。 3. 典型集成电路

20、典型集成电路 74HC/HCT74 中中D触发器的逻辑图触发器的逻辑图 74HC/HCT74的功能表的功能表DSQDSDR1nQLHHHHHLLHHQn+1DCPHHLLHLLHLHHLQDCP输输 出出输输 入入DR S C1 1D R S C2 2D R 1SD 1RD 1CP 1D 1Q 1Q 2SD 2RD 2CP 2D 2Q 2Q 逻辑符号逻辑符号74HC/HCT74的逻辑符号和功能表的逻辑符号和功能表具有直接置具有直接置1、直接置、直接置0，正边沿触发的，正边沿触发的D功能功能触发器触发器电路对电路对CP信号信号的脉冲的脉冲沿敏感沿敏感 D Q tSU tH tW tPLH CP

21、tPHL Tcmin Q tPHL tPLH 4. 主从主从D触发器的动态特性触发器的动态特性 C1 1D Q Q D C 动态特性反映其触发器对输入信号和时钟信号的定时要求，动态特性反映其触发器对输入信号和时钟信号的定时要求，以及输出状态对时钟信号响应的延迟时间。以及输出状态对时钟信号响应的延迟时间。 建立时间建立时间保持时间保持时间脉冲宽度脉冲宽度传输延时时间传输延时时间传输延时时间传输延时时间保持时间保持时间tH ：保证：保证D状态可靠地传送到状态可靠地传送到Q建立时间建立时间tSU ：保证与保证与D 相关的电路建立起稳定的状态，使触相关的电路建立起稳定的状态，使触发器状态发器状态得到正

22、确的转换。得到正确的转换。最高触发频率最高触发频率fcmax ：触发器内部都要完成一系列动作，需要：触发器内部都要完成一系列动作，需要一定的时间延迟，所以对于一定的时间延迟，所以对于CP最高工作频率有一个限制。最高工作频率有一个限制。触发脉冲宽度触发脉冲宽度tW ：保证内部各门正确翻转。：保证内部各门正确翻转。传输延迟时间传输延迟时间tpd：时钟脉冲：时钟脉冲CP上升沿至输出端新状态稳定上升沿至输出端新状态稳定建立起来的时间。应用中一般取建立起来的时间。应用中一般取 tpd =1/2(tpLH+tpHL ) G1 CP Q1 G2 G3 G5 Q2 Q3 S R G4 Q4 D G6 Q Q

23、5.4.2 其他电路结构的触发器其他电路结构的触发器1.1.维持阻塞触发器的维持阻塞触发器的电路结构与工作原理电路结构与工作原理 C置置0维持线维持线响应输入响应输入D和和CP信号信号根据根据 确定确定触发器的状态触发器的状态 RS4 CP = 0 工作原理工作原理 Qn+1=QnD 信号进入触发器信号进入触发器, ,为状态刷新作好准备为状态刷新作好准备Q1 = DQ4= DD信号存于信号存于Q40 01 11 1D DD DG1 C P Q1 G2G33 G5 Q2 Q3SRQ4 D G6 Q Q G4 当当CP 由由0 跳变为跳变为1DQn 1在在CP脉冲的上升沿，触发器按此前脉冲的上升沿

24、，触发器按此前的的D信号刷新信号刷新1 10 0D DD DG1 C P Q1 G2G33 G5 Q2 Q3SRQ4 D G6 Q Q G4D DD D0 00 01 1 当当CP =1在在CP脉冲的上升沿到来瞬间使触发器的状态变化脉冲的上升沿到来瞬间使触发器的状态变化D信号不影响信号不影响 、 的状态，的状态，Q的状态不变的状态不变RS1 10 01 1G1 C P Q1 G2G33 G5 Q2 Q3SRQ4 D G6 Q Q G41 10 0置置0阻阻塞线塞线置置1维持线维持线0 01 1置置1阻塞、置阻塞、置0维持线维持线1 10 00 01 12. 利用传输延迟的触发器（利用传输延迟的

25、触发器（JK触发器）触发器）0CP 1QQ、状态不变状态不变 Q Q G1 G2 01CP 2QQ、状态不变状态不变1222GG、先打开，将输出锁定先打开，将输出锁定经过一段延迟时间后经过一段延迟时间后1.nnnnQCPQS QQ1.nnnnQCPQRQQ. .nnSCP J QJQ. .nnRCP K QKQ10CP 3SR、1222GG、抢先关闭抢先关闭瞬间瞬间00依然作用依然作用电路等效为电路等效为nSJQnRKQ Q Q G1 G2 根据电路可得到根据电路可得到JK触发器的特性方程：触发器的特性方程：1nnnnnnnQS RQJQ KQ QJQKQ5.5.1 D 触发器触发器 5.5

26、触发器的逻辑功能触发器的逻辑功能5.5.2 JK 触发器触发器 5.5.3 SR 触发器触发器 5.5.4 D 触发器功能的转换触发器功能的转换 5.5.2 T 触发器触发器 不同逻辑功能的触发器国际逻辑符号不同逻辑功能的触发器国际逻辑符号 1D C1 Q Q D CP D 触发器触发器 1J C1 1K Q Q J CP K JK 触发器触发器 1T C1 Q Q T CP T 触发器触发器 1S C1 1R Q Q S CP R SR 触发器触发器状态转换图状态转换图独立状态独立状态有标号的圈表示有标号的圈表示转移方向转移方向现态现态次态次态转移条件转移条件输入条件输入条件01R=0 S=

27、1R=0S= R= S=0 R=1 S=0Qn Qn+1 R S 0 0 0 0 1 0 1 1 0 1 0 1 1 0 三三要要素素5.5.1 D 触发器触发器 1. 特性表特性表 Qn DQn+10000111001112. 特性方程特性方程Qn+1 = D D=1 D=0 D=0 D=1 0 1 3. 状态图状态图 翻翻 转转10011111 置置 111010011 置置 000011100状态不变状态不变01010000 说说 明明Qn+1QnKJ3.3.状态转换图状态转换图1.特性表特性表 1nnnQJQKQ2.特性方程特性方程 0 1 0 0 1 1 0 1 J 1 KQn 0

28、00 01 11 10 5.5.2 JK 触发器触发器 J=0 K= J= K=0 J=1 K= J= K=1 0 1 J K 1 2 3 4 5 6 7 CP 例例 设下降沿触发的设下降沿触发的JK触发器时钟脉冲和触发器时钟脉冲和J、K信号的波形信号的波形如图所示试画出输出端如图所示试画出输出端Q的波形。设触发器的初始状态为的波形。设触发器的初始状态为0。 Q JK均为均为1，每输入一个脉冲，触发器翻转一次，每输入一个脉冲，触发器翻转一次，这种工作状态称为计数状态。同时，触发器可这种工作状态称为计数状态。同时，触发器可看作一个二分频电路看作一个二分频电路5.5.3 T触发器触发器 特性方程特

29、性方程状态转换图状态转换图特性表特性表1nnnQTQTQ T=1 T=1 T=0 T=0 0 1 1T C1 Q Q T CP 逻辑符号逻辑符号 (1)(1)不单独生产，由其他触发器转换而得不单独生产，由其他触发器转换而得; ;(2)(2)时钟脉冲极性由被转换的触发器决定。时钟脉冲极性由被转换的触发器决定。说明：说明：同时具有保持、翻转功能的触发器，同时具有保持、翻转功能的触发器，又称可控的翻转触发器又称可控的翻转触发器nQn 1Q011101110000T4. T触发器触发器 Q Q CP C 国际逻辑符号国际逻辑符号 特性方程特性方程1nnQQ时钟脉冲每作用一次，触发器翻转一次。时钟脉冲每作用一次，触发器翻转一次。 只有翻转功能的触发器，又只有翻转功能的触发器，又称翻转触发器、计数触发器称翻转触发器、计数触发器5.5.4 SR 触发器触发器 1. 特性表特性表 2. 特性方程特性方程3. 状态