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4.6 集成边沿触发器

刘培植 主编,胡春静、郭琳、孙文生、刘丽华 编著北京邮电大学出版社《数字电路与逻辑设计(第2版)》大学本科 · 教材双语助读 (Alt+Y)

边沿触发器不仅只在时钟信号的某一边沿(上升沿↑或下降沿↓)才改变一次状态,而且状态转换方向仅取决于转换前(CP↑或CP↓)一瞬间的数据输入,故此命名。

边沿触发器的特点: 只在时钟信号的某一边沿(CP↑或CP↓)对输入信号作出响应并引起状态翻转。即: 只有时钟有效边沿附近的输入信号才是真正有效的,其他时间的输入不影响触发器的输出,因而提高了抗干扰能力,工作更可靠。

边沿触发器从电路结构上可分成两类:一类利用门的延迟,另一类用门电路构成维持-阻塞电路,以实现边沿触发的功能。

图 4.6.1 是利用门的延迟构成的负边沿 JK 触发器逻辑图。两个与或非门构成基本 RS 触发器,两个与非门 G₇ 、 G₈ 用来接收 JK 信号。时钟信号一路送给 G₇ 、 G₈ ,另一路送给 G₂ 、 G₆ ,注意 CP 信号是经 G₇ 、 G₈ 延时,所以送到 G₃ 、 G₅ 的时间比到达 G₂ 、 G₆ 的时间晚一个与非门的延迟时间 ( 1tₚd ),这就保证了触发器的翻转对准的是 CP 的负边沿。

下面分 3 个阶段分析:

(1)当 CP=0 时,与门 G₂ 、 G₆=0 ,与非门 G₇ 、 G₈ 封锁,不接受 JK 输入,输出 S=R=1,使触发器的输出保持不变。

(2) 当 CP=1 时,与非门 G₇ 、 G₈ 打开,接受 JK 输入,由图可得输出表达式:

Q ^ n + 1 = overline overline Q ^ n · CP + overline overline Q ^ n · S = overline overline Q ^ n + overline overline Q ^ n · S = Q ^ n overline Q ^ n + 1 = overline Q ^ n · CP + Q ^ n · R = overline Q ^ n + Q ^ n · R = overline Q ^ n (4.6.1)

(4.6.2)

图4.6.1 负边沿JK触发器

可知触发器的输出仍保持不变。

(3)在 CP 由 1 arrow 0 的瞬间,CP 信号是直接加到与门 G₂ 、 G₆ 输入端,但 G₇ 、 G₈ 的输出 S 和 R,需要经过一个与非门延迟 tₚd 才能变为 1。设 overlineQⁿ 为 G₁ 在这一瞬间的输出,则 S、R 在没有变为 1 以前,仍维持 CP 下降前的值:

S = overline J Q ^ n R = overline K Q ^ n

由式 (4.6.1) ,可得

Q ^ n + 1 = overline overline Q ^ n ^ prime · 0 + overline Q ^ n ^ prime · S = overline overline Q ^ n ^ prime · S (4.6.3)

由式(4.6.2)可得

overline Q ^ n ^ prime = overline Q ^ n · 0 + Q ^ n · R = overline Q ^ n · R

代入式(4.6.3)得

r l Q ^ n + 1 = & overline Q ^ n · R · S & = overline Q ^ n · K Q ^ n · overline J Q ^ n (text 将 S , R text 代入) & = J overline Q ^ n + overline K Q ^ n

显然,这是 JK 触发器的特征方程。

由以上分析可知,只有时钟下降前的 JK 值才能对触发器起作用并引起翻转,实现了边沿触发 JK 触发器的功能。

图 4.6.2 是正边沿触发维持-阻塞 D 触发器的逻辑图,共由 6 个与非门构成,门 1~4 构成 RS 钟控触发器,门 5~6 为信号接收门。它是利用电路的内部反馈构成维持阻塞电路,来实现正边沿触发功能。

下面分 3 个阶段分析:

(1)当 CP = 0 时,如图 4.6.2(a)所示,门3和门4的输出都是1,使触发器的输出维持原状态。

(2) 当 CP=1 时,如图 4.6.2 (b) 所示,输入的 D 信号经过门 6~3 加到由门 1 和门 2 构成的 overlineR overlineS 触发器的输入端,有 overlineS=overlineD, overlineR=D 即 S=D, R= overlineD,使电路的输出为

Q ^ n + 1 = S + overline R Q ^ n = D + overline overline D Q ^ n = D

是 D 触发器的特征方程。

(3) 在 CP = 1 期间,如果输入信号 D 发生变化,如图 4.6.2(c)所示,将输入信号改为 overlineD,以表示 D 信号发生了变化,其结果只是使门6的输出变为1, 而其他各门的输出仍然与图(b)相同,输出当然不会改变。

使得在 CP = 1 期间,触发器输出保持不变的原因是门4输出到门6输入,门3输出到门5输入的反馈。如果没有门4到门6的反馈,输入由 D 变为 overlineD 后,变化的结果会传递到门2的输入。现在由于有了这条反馈线,使得门6的输出为1,这就阻塞了输入变化所产生的作用。在门6输出变为1后,通过门3输出到门5输入的反馈,使得门5的输出维持为原来的 D 不变。可见正是这些反馈线起了维持和阻塞作用,因此称这种电路为维持-阻塞型电路。

由以上分析可知,只有在时钟上升前的 D 信号才能进入触发器并引起翻转,故为边沿型触发器,常称为正边沿型 D 触发器。

(a)

(b)

(c)

图 4.6.2 维持-阻塞 DD 触发器

表 4.6.1 是正边沿型 D 触发器功能表。其中 S_(D) 和 R_(D) 为异步置 1 和置 0 输入信号,均为 0 有效,非置位工作时都应为 1,注意两个置位输入不能同时为 0。

表 4.6.1 正边沿型 D 触发器功能表

S_D R_D CPDQ overlineQ
01××10
10××01
00××1*1*
11↑110
11↑001
110× Qⁿ overlineQⁿ

* 此状态不使用。

4.6.3 JK 触发器和 D 触发器的实际产品

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实际的 JK 触发器芯片的输入方式有多种,不同芯片内的触发器个数也不同,时钟控制方式各不相同,有的没有置 0 端,有的没有置 1 端等,如表 4.6.2 所示。

实际的 D 触发器芯片的输出方式有多种,有双轨或单轨输出,有三态输出等,如表 4.6.3 所示。

表 4.6.2 几种 JK 触发器芯片特性

型号特性J输入K输入时钟置1置0
7472主从JK J₁ · J₂ · J₃ K₁ · K₂ · K₃ √√
7470正边沿JK J₁ · J₂ · J₃ K₁ · K₂ · K₃ √√
74H160双JK负边沿JK独立独立独立
74H108双JK负边沿JK公共独立独立
74109双JK正边沿J overlineK 独立独立独立
74H101JK负边沿 J₁AJ₁B + J₂AJ₂B K₁AK₁B + K₂AK₂B √×
7473双主从JKJK独立×独立
74276四JK负边沿J overlineK 独立公共公共
74376四JK正边沿J overlineK 公共×公共

表 4.6.3 几种 D 触发器芯片特性

型号特性输入输出时钟置1置0
74LS1714D正边沿D QoverlineQ 公共×公共
74LS1746D正边沿DQ公共×公共
74LS2738D正边沿DQ公共×公共
74LS3748D正边沿D三态公共××
74AS5758D正边沿D三态公共×公共
74ALS744D正边沿D QoverlineQ 独立独立独立

可见,不同芯片的使用各不相同,这里列出的也只是一部分芯片,在实际工作中,首先通过器件手册了解芯片的功能,然后根据需要来选用。

图 4.6.3 是上述各种触发器的逻辑符号。

(a) 基本RS触发器

(b) 钟控RS触发器

(d) 下降沿JK触发器

(e) 上升沿 D 触发器

(c) 钟控D触发器

图 4.6.3 触发器逻辑符号

(f) 主从JK触发器

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