第5章_锁存器和触发器

1、内容提要内容提要u锁存器和触发器的电路结构与工作原理锁存器和触发器的电路结构与工作原理u触发器的触发方式分类及动作特点触发器的触发方式分类及动作特点uSR和和D锁存器逻辑功能及其应用锁存器逻辑功能及其应用uJK、D、T和和T 触发器的逻辑功能及其应用触发器的逻辑功能及其应用u*触发器的触发器的VHDL描述描述数字电子技术基础实用教程数字电子技术基础实用教程锁存器锁存器 latch触发器触发器 flip-flop时钟时钟 clockSR锁存器锁存器 S-R latch特性表特性表 characteristic table特性方程特性方程 characteristic equation状态图状态图

2、 state diagram时序图时序图 timing diagram去抖电路去抖电路 switch debouncerD锁存器锁存器 D latch双双 语语 对对 照照触发器触发器 flip-flop主从主从SR触发器触发器 maste/slave SR flip-flop主锁存器主锁存器 master latch从锁存器从锁存器 slave latch主从主从JK触发器触发器 maste/slave JK flip-flop边沿触发器边沿触发器 edge-triggered flip-flopT触发器触发器 T flip-flopT触发器触发器 Tflip-flop双双 语语 对对 照照

3、5.1时序电路基本逻辑单元概述时序电路基本逻辑单元概述5.1.1时序电路基本逻辑单元及特点时序电路基本逻辑单元及特点组合电路组合电路 ：某一时刻的输出完全取决于当时的某一时刻的输出完全取决于当时的输入信号，与电路原来的状态无关，即它们没输入信号，与电路原来的状态无关，即它们没有记忆功能。有记忆功能。 时序电路时序电路 ：某一时刻的输出不仅取决于当时的某一时刻的输出不仅取决于当时的输入信号，还与电路原来的状态有关，即它们输入信号，还与电路原来的状态有关，即它们具有记忆功能。具有记忆功能。 时序电路基本逻辑单元时序电路基本逻辑单元锁存器和触发器锁存器和触发器锁存器和触发器具有以下的特点：锁存器和触

4、发器具有以下的特点：1.具有能够自行保持的稳态：具有能够自行保持的稳态：“1”态和态和“0”态，态，即具有双稳态特性。即具有双稳态特性。2.在一定的条件下，能够从一个稳态跳变为另一在一定的条件下，能够从一个稳态跳变为另一个稳态，个稳态，3.在条件消失后，能自行保持新的状态，即将新在条件消失后，能自行保持新的状态，即将新的信息记忆下来。的信息记忆下来。锁存器和触发器的动作特点区别：锁存器和触发器的动作特点区别：锁存器锁存器对输入脉冲的电平敏感对输入脉冲的电平敏感触发器触发器对输入脉冲的边沿敏感对输入脉冲的边沿敏感 E E CP CP 锁存器和触发器的动作特点区别：锁存器和触发器的动作特点区别：锁

5、存器锁存器对输入脉冲的电平敏感对输入脉冲的电平敏感触发器触发器对输入脉冲的边沿敏感对输入脉冲的边沿敏感锁存器锁存器触发器触发器低电平低电平有效有效高电平高电平有效有效上升沿上升沿有效有效下降沿下降沿有效有效5.1.2锁存器和触发器分类及描述锁存器和触发器分类及描述按电路动作特点分类，可分为：按电路动作特点分类，可分为：锁存器、主从触发器和边沿触发器。锁存器、主从触发器和边沿触发器。按逻辑功能分类，可分为：按逻辑功能分类，可分为：SR、JK、D、T和和T。分类分类描述方法：描述方法：特性表，特性方程、状态图和时序图特性表，特性方程、状态图和时序图 时序电路状态变化的节拍：时序电路状态变化的节拍：

6、时钟信号（时钟信号（clock） 5.2锁存器锁存器5.2.1基本基本SR锁存器锁存器图（图（a)所示，当所示，当M=0，且，且S=0时，时，Q= ， = R，此时，若此时，若R=1，则，则Q=0， =1，即，即 = R。如果如果R的信号消失，即的信号消失，即R由由10后，后，Q=1， =0，也就是也就是Q的信息随着的信息随着R信号的消失而消失了，因信号的消失而消失了，因此，电路没有记忆功能，此为组合逻辑电路。此，电路没有记忆功能，此为组合逻辑电路。QQQQR1.电路结构与工作原理电路结构与工作原理如果与如果与M按如图按如图 (b)所示连接，同样，当所示连接，同样，当R=1时，时，Q=0， =

7、1，M=1，使得，使得Q=0；当；当R由由10后，由后，由于于M= =1，所以，所以Q=0保持不变，即尽管保持不变，即尽管R信号消信号消失，失，Q=0， =1。将。将R=1的信号保持了，因此电路的信号保持了，因此电路具有记忆功能。具有记忆功能。QQQ2.逻辑功能描述逻辑功能描述特性表特性表两个输入端两个输入端与非门组成的基本与非门组成的基本SR锁存器锁存器&a&bQQRS反馈反馈两个输出端两个输出端工作原理工作原理反馈反馈正是由于正是由于引入反馈，引入反馈，才使电路具有才使电路具有记忆功能记忆功能 !输入输入 =0, =1时时若原状态：若原状态：1Q0Q 11001010输出仍保持：输出仍保持

8、：1Q0Q &a&bQQRS若原状态：若原状态：0Q1Q 01111010输出变为：输出变为：1Q0Q 置置“0”！&a&bQQRSRS输入输入 =1, =0时时若原状态：若原状态：1Q0Q 10101001输出变为：输出变为：0Q1Q &a&bQQRS若原状态：若原状态：0Q1Q 00110101输出保持：输出保持：0Q1Q &a&bQQRS置置“1” ！RS输入输入 =1, =1时时若原状态：若原状态：10111001输出保持原状态：输出保持原状态：0Q1Q 0Q1Q 若原状态：若原状态：1Q0Q 01110110输出保持原状态：输出保持原状态：1Q0Q &a&bQQRS&a&bQQRS保

9、持！保持！RS输入输入 =0, =0时时0011输出：全是输出：全是1注意：注意：当当 、 同时由同时由0变为变为1时，翻转快的门输出变为时，翻转快的门输出变为0，另一个不得翻转。因此，该另一个不得翻转。因此，该状态为不定状态。状态为不定状态。&a&bQQRS复位端复位端置位端置位端QRSQ逻辑符号逻辑符号R SSRRS输入低电平有效输入低电平有效用空心圆圈表示。用空心圆圈表示。与非门组成的与非门组成的SR锁存器：锁存器：输入低电平有效输入低电平有效输入端输入端有空心圆圈，输入符号上有有空心圆圈，输入符号上有非号。非号。或非门组成的或非门组成的SR锁存器：锁存器：输入高电平有效输入高电平有效输

10、入端无圆输入端无圆圈；输入符号无非号。圈；输入符号无非号。两个互补的输出：两个互补的输出：态态和1:0, 10:1, 0:QQQQQQ有关符号有关符号1. 基本基本RS触发器的特性表触发器的特性表 (characteristic table )二、逻辑功能描述二、逻辑功能描述1 1 0 01 1 1 10 1 0 00 1 1 01 0 0 11 0 1 10 0 0 10 0 0 1 Qn Qn+1 2. 特性方程特性方程1SRQRQn1nS3. 状态图状态图01S=0R=S=R=0S=1R=1S=0R=1转换方转换方向向转换条转换条件件稳定状稳定状态态SR反映输入信号取值和状态之间对应关系

11、的图形反映输入信号取值和状态之间对应关系的图形.置0置1置1保持不允许4. 时序图时序图置0保持不允许置03.动作特点动作特点在基本在基本SR锁存器中，由于输入信号直接加在输出锁存器中，由于输入信号直接加在输出门上，所以输入信号在其全部作用时间里（门上，所以输入信号在其全部作用时间里（S=1，=0，或，或R=1， =0），都能直接改变），都能直接改变Q和的状态。和的状态。RS在数字电路中，凡根据输入信号在数字电路中，凡根据输入信号R、S情况情况的不同，具有置的不同，具有置0、置、置1和保持功能的电路，和保持功能的电路，都称为都称为SR锁存器或触发锁存器或触发器。器。【例例5.2.1】运用运用S

12、R锁存器消除机械开关振动引起的锁存器消除机械开关振动引起的脉冲。脉冲。VOK+5VRVO4.应用举例应用举例开关去抖电路开关去抖电路&QRSK+5VQRS5.2.2 具有使能端的具有使能端的SR锁存器锁存器(S-R latch with enable )QQRDSD&RDSD&RSCP直接清零端直接清零端直接置位端直接置位端输出端输出端输入端输入端1.电路结构电路结构QQRDSD&RDSD&RSCP平时常平时常为为 1平时常平时常为为 1直接清零端直接清零端直接置位端直接置位端直接清零端、置位端的处理：直接清零端、置位端的处理：CP=0时时011锁存器保持原态锁存器保持原态CP=1时时&a&b

13、QQDRDS&c&dRSCP111RS&a&bQQDRDS&c&dRSCP11CP R S QnQn+1功能0 QnnnQQ1 保持1 0 0 01 0 0 101nnQQ1 保持1 0 1 01 0 1 11111nQ 置 11 1 0 01 1 0 10001nQ 置 01 1 1 01 1 1 1不用不用不允许特特性性表表R、S不相等不相等时，时，信信息传送路径息传送路径的形象的形象化表达化表达 ：&CPQQ&RS1QQ1R1SC1CPQQ1R1SC1CPDRDS预置清零预置清零端端预置置预置置1端端逻辑符号逻辑符号特性特性方程方程 0RSQRSQn1nCP=1期间有效期间有效状态图状态

14、图01S= R=0S=0R=S=0R=1S=1R=0例：例：画出画出RS锁存器的输出波形锁存器的输出波形 。假设。假设Q的初始状的初始状态为态为 0。CPRSQSet使输出全为使输出全为1CP撤去后撤去后状态不定状态不定Reset小结小结1. 当当CP = 0 时时,无论无论R、S 为何为何种取值组合，输出端均种取值组合，输出端均“保保持原态持原态”； 2.只有当只有当CP=1 时时,将将c门和门和d门门打开，成透明，控制端打开，成透明，控制端R、S的取值组合决定输出状态。的取值组合决定输出状态。 QQRDSDabcdRSCP5.2.3 D锁存器锁存器1.电路结构与工作原理电路结构与工作原理2

15、）特性方程）特性方程时）（当11CPDQn3）状态图）状态图3.动作特点动作特点在在CP有效时，锁存器的状态与输入端有效时，锁存器的状态与输入端D的值相一的值相一致，这时称锁存器为致，这时称锁存器为“打开打开”，并且从，并且从D输入端到输入端到Q输出端的通道是输出端的通道是“透明的透明的”。因此，。因此，D锁存器常锁存器常被称为透明锁存器。被称为透明锁存器。当当CP输入无效时，锁存器就锁存原来的值而不再输入无效时，锁存器就锁存原来的值而不再对对D端的输入做出任何响应。端的输入做出任何响应。5.3 主从触发器主从触发器 (master/slave flip-flop)触发触发 ：时钟边沿作用下的

16、状态更新时钟边沿作用下的状态更新 锁存器：在使能信号有效（锁存器：在使能信号有效（0或或1）时更新状态，）时更新状态，且输出状态随着输入信号的变化而变化。且输出状态随着输入信号的变化而变化。触发器：只有在时钟边沿作用下的更新状态，触发器：只有在时钟边沿作用下的更新状态，其它情况下保持原有状态不变。其它情况下保持原有状态不变。5.3.1 主从主从RS触发器触发器(maste/slave SR flip-flop) 1.电路结构与工作原理电路结构与工作原理工作原理：工作原理：CP=1时：时：主锁存器开启，其输出主锁存器开启，其输出Q 随随R和和S端的变化而变；端的变化而变；由于从锁存器被封锁，主由

17、于从锁存器被封锁，主从从SR触发器保持原状态触发器保持原状态不变。不变。CP由由10：主锁存器被封锁，不接受主锁存器被封锁，不接受R和和S的变化；的变化；从锁存器开启，从锁存器开启，主锁存器原来寄存的状态作主锁存器原来寄存的状态作为从锁存器输入端，决定主为从锁存器输入端，决定主从触发器的状态输出。从触发器的状态输出。工作原理：工作原理：CP=0时：时：主锁存器被封锁，不接受主锁存器被封锁，不接受R和和S的变化；的变化；从锁存器开启，主从从锁存器开启，主从SR触发器保持原状态不变。触发器保持原状态不变。CP由由01：主锁存器开启，开始接受主锁存器开启，开始接受R和和S的变化；的变化；从锁存器被封

18、锁，主从触发从锁存器被封锁，主从触发器的状态不变。器的状态不变。由此得知：由此得知：主从主从SR触发器的状态更新在触发器的状态更新在CP由由1 0的的时刻，其它时间保持原来状态不变，为下时刻，其它时间保持原来状态不变，为下降沿触发。降沿触发。用符号用符号“”表示延迟输出。表示延迟输出。 2.逻辑功能描述逻辑功能描述特性表特性表2.逻辑功能描述逻辑功能描述特性方程：特性方程：nnQRSQ15.3.2主从主从JK触发器触发器1.电路结构与工作原理电路结构与工作原理工作原理：工作原理：主从触发器主从触发器0态时：态时：S=J,R=0,当当CP=1时，主时，主锁存器接受置锁存器接受置1输入；输入；从从

19、锁存器被封锁，主从锁存器被封锁，主从JK触触发器保持原态，当发器保持原态，当CP由由10时，更新状态。时，更新状态。主从触发器主从触发器1态时：态时：S=0,R=K，当，当CP=1时，主时，主锁存器接受置锁存器接受置0输入；输入；从锁从锁存器被封锁，主从存器被封锁，主从JK触发触发器保持原态，当器保持原态，当CP由由10时，更新状态。时，更新状态。0nnnn KQQJRSKQ RQJS没没有有约约束束工作原理：工作原理：时，具有翻转功能所以，下降沿时，在，时，当下降沿时，在，时，当，时，当1KJ; 0101. 2; 1010. 11KJ11nnnnnnQCPRSQQCPRSQQRQS2.逻辑功

20、能描述逻辑功能描述特性表特性表J K QnQn+1功能0 0 00 0 101nnQQ1 保持0 1 00 1 10001nQ 置 01 0 01 0 11111nQ 置 11 1 01 1 110nnQQ1 翻转特特性性表表CPJKQ时时序序图图例：例：画出主从画出主从 JK 触发器输出端波形图。触发器输出端波形图。J K Q n+1 0 0 Qn1 1 Qn0 1 0 1 0 1 CPJKQ2.逻辑功能描述逻辑功能描述特性方程：特性方程：下降沿到来时有效下降沿到来时有效CP QKQJQKQQJQRSQ nnnnnnn 11 主从主从JK触发器没有约束触发器没有约束2.逻辑功能描述逻辑功能描

21、述状态图：状态图：【例例5.3.1】根据根据JK触发器的逻辑功能和动作特点，触发器的逻辑功能和动作特点，对应如图对应如图5.3.6（a）所示输入信号变化的时序图。）所示输入信号变化的时序图。2.逻辑功能描述逻辑功能描述时序图：时序图：3.动作特点：动作特点：分两步动作：分两步动作：u当当CP=1时主锁存器接收输入端（时主锁存器接收输入端（S和和R或或J和和K）的信号，被置成相应的状态，而从锁存器不变；的信号，被置成相应的状态，而从锁存器不变；u当当CP下降沿到来时从锁存器按照主锁存器的状态下降沿到来时从锁存器按照主锁存器的状态翻转，所以翻转，所以Q状态的改变发生在状态的改变发生在CP的下降沿。

22、的下降沿。u在在CP=1的全部时间里输入信号都将对主锁存器的全部时间里输入信号都将对主锁存器起控制作用起控制作用透明。透明。一次变现象：一次变现象：在在CP为为1的时间里，主锁存器有可能随着输入信号的时间里，主锁存器有可能随着输入信号的变化而变化，且至多只能变一次。的变化而变化，且至多只能变一次。Q=0时，因时，因S=J,R=0,在在CP为为1的时间里，主锁存器的时间里，主锁存器只接受置只接受置1和保持信号，在此期间如果和保持信号，在此期间如果J为为1，则在，则在CP由由1变为变为0时，从锁存器变为时，从锁存器变为1，且只能变一次。，且只能变一次。一次变现象分析：一次变现象分析：Q=1时，因时

23、，因S=0,R=K,在在CP为为1的时间里，主锁存器的时间里，主锁存器只接受置只接受置0和保持信号，在此期间如果和保持信号，在此期间如果K为为1，则在，则在CP由由1变为变为0时，从锁存器变为时，从锁存器变为0，且只能变一次。，且只能变一次。【例例5.3.2】已知主从已知主从JK触发器的输入信号和触发器的输入信号和CP信信号波形如图号波形如图5.3.7所示，试对应画出触发器时序图。所示，试对应画出触发器时序图。多输入端的多输入端的JK触发器触发器 5.4边沿触发器边沿触发器1.电路结构与工作原理电路结构与工作原理置置0维维持线持线置置1维维持线持线置置0阻阻塞线塞线置置1阻阻塞线塞线(1) C

24、P0时，时，G3=G4=1， G1和和 G2构成的基本构成的基本SR锁锁存器存器保持原状态保持原状态。1.电路结构与工作原理电路结构与工作原理置置0维维持线持线置置1阻阻塞线塞线维持维持-阻塞边沿阻塞边沿D触发器触发器（2）CP上升沿到来时，若上升沿到来时，若D为为0， G6=1， G5=0，致使致使G4=0， G3=1。从而使从而使Q=0，即即Q=D。1.电路结构与工作原理电路结构与工作原理置置1维维持线持线置置0阻阻塞线塞线置置0维维持线持线置置1阻阻塞线塞线维持维持-阻塞边沿阻塞边沿D触发器触发器（3）同理可得出，当同理可得出，当CP上上升沿到来时，若升沿到来时，若D为为1，则，则 Q=

25、1，即即Q=D。综上所述，边沿综上所述，边沿D触发器的触发器的特性方程特性方程为：为：DQn 1边沿边沿D触发器没有一次变化问题触发器没有一次变化问题逻辑功能描述逻辑功能描述状态表：状态表：逻辑功能描述逻辑功能描述状态图：状态图：边沿边沿JK触发器触发器的逻辑符号的逻辑符号边沿边沿JK触发触发器的特点器的特点边沿触发，无边沿触发，无一次变化问题。一次变化问题。功能齐全，使功能齐全，使用方便灵活。用方便灵活。抗干扰能力极抗干扰能力极强，工作速度很强，工作速度很高。高。CP下降沿有效下降沿有效JKCPQQDSDRJKCP例：例：已知维持已知维持阻塞阻塞D触发器的输入波形，画出输出触发器的输入波形，

26、画出输出波形图，波形图，Q的初始状态为的初始状态为0。CP上升沿有效上升沿有效CPD判断触发器次态的依据是判断触发器次态的依据是CP上升沿前一瞬间输入上升沿前一瞬间输入端端D的状态。的状态。Q【例例5.4.1】已知上升沿触发的维持阻塞已知上升沿触发的维持阻塞D触发器触发器的输入信号和的输入信号和CP信号波形如图信号波形如图5.4.3（a）所示，）所示，试对应画出触发器时序图。试对应画出触发器时序图。时序图时序图动作特点动作特点只有在只有在CP的有效沿来的时候，触发器的状的有效沿来的时候，触发器的状态才能更新。态才能更新。CP输入端处加有动态符号输入端处加有动态符号“”。 DCPQQQQDCPS

27、DRD5.5其它逻辑功能触发器其它逻辑功能触发器5.5.1 T触发器触发器具有翻转和保持功能的触发器。具有翻转和保持功能的触发器。逻辑功能描述逻辑功能描述特性表特性表逻辑功能描述逻辑功能描述特性方程：特性方程：nnnnQTQTQTQ1逻辑功能描述逻辑功能描述状态图：状态图：5.5.2 T触发器触发器只有翻转功能的触发器。只有翻转功能的触发器。逻辑功能描述逻辑功能描述特性表特性表逻辑功能描述逻辑功能描述特性方程：特性方程：nnQQ15.6不同触发器之间的逻辑功能转换不同触发器之间的逻辑功能转换5.6.1 D触发器转换成其它触发器触发器转换成其它触发器 1D触发器转换成触发器转换成JK触发器触发器

28、D触发器触发器 ：JK触发器：触发器：时）（当11CPDQn QKQJQ nnn1nnQKQJD得：2D触发器转换成触发器转换成T触发器触发器D触发器触发器 ：T触发器：触发器：DQn1 QQ nn1nQD 得：5.6.2 JK触发器转换成其它触发器触发器转换成其它触发器1JK触发器转换成触发器转换成D触发器触发器JK触发器触发器 ：D触发器：触发器：DQn1 QKQJQ nnn1DKDJDQQDQKQJnnnn,得：5.6.2 JK触发器转换成其它触发器触发器转换成其它触发器2JK触发器转换成触发器转换成T触发器触发器JK触发器触发器 ：T触发器：触发器： QKQJQ nnn1 QQ nn1

29、TKTJ QTQTQKQJnn nn,得：5.7 触发器的功能描述及相互转换触发器的功能描述及相互转换描述触发器的逻辑功能可以用：描述触发器的逻辑功能可以用：特性表（状态转特性表（状态转换表）、特性方程、状态转换图、时序图等换表）、特性方程、状态转换图、时序图等状态图状态图描述状态之间的转换及转换条件。圆圈表描述状态之间的转换及转换条件。圆圈表示状态，定向线表示状态转换方向，定向线旁边示状态，定向线表示状态转换方向，定向线旁边标注转换条件。标注转换条件。5.7.1触发器的功能描述触发器的功能描述)0(SRQRSQn1n约束条件SR触发器的触发器的特性表特性表1. SR触发器功能描述触发器功能描

30、述SR触发器的触发器的特性方程特性方程nn1nQKQJQ2. JK触发器触发器功能描述功能描述JK触发器的触发器的特性方程特性方程JK触发器的触发器的特性表特性表 D触发器的触发器的特性表特性表DQ1nD触发器的触发器的特性方程特性方程3. D触发器触发器功能描述功能描述nn1nQTQTQT触发器的触发器的特性方程特性方程T触发器的触发器的特性表特性表4. T、T触发器触发器功能描述功能描述T触发器的触发器的特性方程特性方程n1nQQ各种触发器的功能描述各种触发器的功能描述5.7.2各种锁存器和触发器动作特点各种锁存器和触发器动作特点 5.8触发器应用举例触发器应用举例注意几点：注意几点：（1) 异步清异步清0或异步置或异步置1信号比其它信号优先。信号比其它信号优先。（2) 不同触发方式的触发器动作特点：不同触发方式的触发器动作特点： 基本基本SR锁存器没有触发脉冲，输出透明；锁存器没有触发脉冲，输出透明； D锁存器有使能控制且电平有效，在使能有效锁存器有使能控制且电平有效，在使能有效时，输出呈透明状态；时，输出呈透明状态； 主从主从JK触发器触发器CP下降沿有效，但它有一次变下降沿有效，但它有一次变现象；现