觸發(fā)器的電路結(jié)構(gòu)與動(dòng)作特點(diǎn)
出處:bl20020825 發(fā)布于:2007-09-25 10:41:21

圖4.2.2 用與非門(mén)組成的基本RS觸發(fā)器
(a)電路結(jié)構(gòu)
RS鎖存器可以(并且只可以)存儲(chǔ)一個(gè)二進(jìn)制位,要么存儲(chǔ)1,要么存儲(chǔ)0。如果我們想存儲(chǔ)1,就在
端加上一個(gè)負(fù)脈沖。所謂的負(fù)脈沖,就是一個(gè)由高電平跳變到低電平,然后再由低電平跳變到高電平的信號(hào)。當(dāng)
由高電平跳變到低電平時(shí),
=0,
=1,
,鎖存器的狀態(tài)為1;當(dāng)
由低電平跳變到高電平時(shí),
=1,
=1,鎖存器的狀態(tài)保持不變,仍為1。換句話說(shuō),負(fù)脈沖到來(lái)時(shí),鎖存器的狀態(tài)為1;負(fù)脈沖消失后,鎖存器維持這個(gè)一狀態(tài)。同理,如果我們想存儲(chǔ)0,我們就在
端加上一個(gè)負(fù)脈沖。那么,同時(shí)在
端和
端加上負(fù)脈沖是什么意思呢?難道既要存儲(chǔ)1,又要存儲(chǔ)0?顯然,這種要求在邏輯上是矛盾的,也是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。我們不可能提出這種無(wú)理要求。那么,這種輸入組合又是怎么出現(xiàn)的呢?哇!一定是干擾(或噪聲)在作怪!干擾的存在,可能會(huì)使鎖存器誤動(dòng)作。假如我們要存儲(chǔ)“1”,我們就在
端加上一個(gè)負(fù)脈沖P1當(dāng)P1到來(lái)時(shí),
=0,
=1,
。如果P1結(jié)束前,在
端出現(xiàn)一個(gè)干擾脈沖P2,那

么我們有
=0,
=0,
,問(wèn)題就發(fā)生了。問(wèn)題發(fā)生后,我們可就三種簡(jiǎn)單的情況進(jìn)行分析。若P2比P1先消失,我們有
=0,
=1,
。在這種情況下,鎖存器的狀態(tài)為“1”;若P1比P2先消失,我們將有
=1,
=0,
,在這種情況下,鎖存器的狀態(tài)為“0”;還有一種情況是P2與P1同時(shí)消失,我們將有
=1,
=1,因?yàn)榇饲?/FONT>
,所以每個(gè)與非的輸入都是全“1”,由于這兩個(gè)與非門(mén)的傳輸延遲時(shí)間不同,因此工作速度稍快一些的與非門(mén)輸出率先為“0”,這將使另一個(gè)與非門(mén)的輸出保持為“1”。由于干擾脈沖的出現(xiàn)和消失是隨機(jī)的,我們無(wú)法預(yù)知P2與P1哪個(gè)先消失。由于器件參數(shù)的離散性,我們也無(wú)法預(yù)知那個(gè)與非門(mén)的傳輸時(shí)間較短。所以,鎖存器的狀態(tài)將是不定的。
RS鎖存器的用途之一是構(gòu)成“防抖動(dòng)電路”。我們知道,數(shù)據(jù)通常經(jīng)過(guò)機(jī)械開(kāi)關(guān)輸入數(shù)字系統(tǒng)。機(jī)械開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí),觸點(diǎn)將會(huì)抖動(dòng)。抖動(dòng)是指開(kāi)關(guān)的兩個(gè)觸點(diǎn)要經(jīng)歷一個(gè)常達(dá)數(shù)毫秒的接通、斷開(kāi),再接通、再斷開(kāi),循環(huán)往復(fù),直至接通的過(guò)程。數(shù)毫秒的振蕩在數(shù)字系統(tǒng)中是不可接受的。假如開(kāi)關(guān)接通表示“1”,斷開(kāi)表示“0”,我們將開(kāi)關(guān)接通是期望輸入一個(gè)“1”,結(jié)果卻輸入拉一連串的“1”和“0”。


鎖存器或觸發(fā)器易受干擾的影響。例如,RS鎖存器的初態(tài)為0,如果在
端出現(xiàn)一個(gè)干擾脈沖,鎖存器的狀態(tài)將變成“1”。選通脈沖鎖存器【圖4.2.4(a)】就有一定的抗干擾能力。

(a)電路結(jié)構(gòu)
圖4.2.4 同步RS觸發(fā)器
我們看到,在CP的控制下,鎖存器并非隨時(shí)受輸入信號(hào)的影響。只有當(dāng)CP信號(hào)為“1”時(shí),輸入信號(hào)才會(huì)起作用。CP信號(hào)即時(shí)鐘信號(hào),時(shí)鐘信號(hào)是數(shù)字系統(tǒng)的時(shí)間基準(zhǔn),用來(lái)協(xié)調(diào)(或同步)數(shù)字系統(tǒng)中各部分的動(dòng)作。鑒于時(shí)鐘信號(hào)的重要性,設(shè)計(jì)者們采取各種措施保證其信號(hào)質(zhì)量,使之避免干擾。在數(shù)據(jù)信號(hào)不可靠而時(shí)鐘信號(hào)相對(duì)可靠的條件下,采用窄時(shí)鐘脈沖將顯著提高鎖存器的抗干擾能力。
除了改善抗干擾能力,CP信號(hào)還起另一個(gè)作用:消除競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)。假如R信號(hào)由0變1,S信號(hào)由1變0,理想情況下,
和
將同時(shí)變化,
由1變0,
由0變1。實(shí)際上,由于傳輸路徑不同,R、S到達(dá)鎖存器會(huì)有時(shí)間差。我們不妨假設(shè)S信號(hào)落后于R信號(hào)△t秒。這樣,鎖存器將在△t秒內(nèi)處于S=1,R=1的非正常工作狀態(tài),輸出
,這樣的輸出在數(shù)字系統(tǒng)內(nèi)產(chǎn)生尖峰脈沖,導(dǎo)致邏輯錯(cuò)誤。為了消除這種競(jìng)爭(zhēng)冒險(xiǎn)現(xiàn)象,我們可以引入CP信號(hào),CP信號(hào)使鎖存器接收輸入信號(hào)的時(shí)間至少推遲了△t秒,輸入信號(hào)穩(wěn)定后才允許鎖存器進(jìn)行邏輯運(yùn)算。這種情況下,CP信號(hào)也叫選通脈沖。
在集成電路產(chǎn)品中,除了RS鎖存器外,還有D鎖存器【圖4.2.7(a)】。

圖4.2.7 D型鎖存器電路
(a)基本形式
脈沖選通鎖存器有一定的抗干擾能力。然而,在CP=1期間,如果輸入信號(hào)多次變化,輸出也將多次變化。主從觸發(fā)器【圖4.2.8(a)(b)】比脈沖選通鎖存器進(jìn)了一步。

(a)

(b)
圖4.2.8 主從結(jié)構(gòu)RS觸發(fā)器
(a)電路結(jié)構(gòu) (b)圖形符號(hào)
主從RS觸發(fā)器由兩個(gè)脈沖選通RS鎖存器級(jí)聯(lián)而成。這兩個(gè)脈沖選通RS鎖存器的CP信號(hào)是互補(bǔ),因此前級(jí)接收信號(hào)時(shí),后級(jí)就不接收信號(hào);后級(jí)接收信號(hào)時(shí),前級(jí)就不接收信號(hào)。在CP=1期間,前級(jí)接收輸入信號(hào),后級(jí)不接收輸入信號(hào)。如果輸入信號(hào)多次變化,前級(jí)的輸出(即后級(jí)的輸入)也將隨之多次變化,但后級(jí)的輸出不變。在CP由1變0那一刻,后級(jí)接收輸入信號(hào),后級(jí)輸出將隨之變化。但是,因?yàn)?/FONT>CP=0期間,前級(jí)不接收輸入信號(hào),它的輸出將不再變化,它將保持CP由1變0那一刻的狀態(tài)。所以后級(jí)的輸出也將保持CP由1變0那一刻的狀態(tài)。
請(qǐng)注意,前級(jí)的輸入就是觸發(fā)器的輸入,后級(jí)的輸出就是觸發(fā)器的輸出,所以,主從觸發(fā)器的動(dòng)作特點(diǎn)是,在CP的一個(gè)周期內(nèi),觸發(fā)器在CP=1期間接收信號(hào),但是輸出多變化。輸出變化的時(shí)刻位于CP下降沿,即CP由1變0的時(shí)刻。
邊沿觸發(fā)器的抗干擾能力比主從觸發(fā)器又提高了一步。邊沿觸發(fā)器由脈沖選通鎖存器和脈沖邊沿檢測(cè)器組成。

脈沖邊沿檢測(cè)器 脈沖選通鎖存器
脈沖邊沿檢測(cè)器實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘信號(hào)脈沖寬度變換的功能,在CP上升沿到來(lái)時(shí),它產(chǎn)生一個(gè)極窄的正脈沖,一般為若干納秒。于是,脈沖選通鎖存器接收輸入信號(hào)的時(shí)間被限制在這幾納秒之內(nèi)。輸入信號(hào)在這個(gè)脈沖出現(xiàn)時(shí)已然穩(wěn)定且在脈沖持續(xù)期無(wú)變化,那么,鎖存器的輸出將僅僅取決于CP由0變1時(shí)刻的輸入。所以,邊沿觸發(fā)器的動(dòng)作特點(diǎn)是,在CP的一個(gè)周期內(nèi),觸發(fā)器在CP的邊沿時(shí)刻接收信號(hào)并使輸出變化。如果我們不是如此倒霉,以致干擾就在CP邊沿出現(xiàn)的話,邊沿觸發(fā)器將不會(huì)因?yàn)楦蓴_的存在而誤動(dòng)作。
下圖是一個(gè)脈沖邊沿檢測(cè)器。由于非門(mén)的延遲作用,到達(dá)與非門(mén)

輸入端的兩個(gè)脈沖信號(hào)有幾納秒的時(shí)間差,與非門(mén)輸出一個(gè)幾納秒寬的負(fù)脈沖,經(jīng)反相后變成一個(gè)幾納秒寬的正脈沖。
維持阻塞觸發(fā)器也是一種邊沿觸發(fā)器【圖4.2.16】。我我們通過(guò)一個(gè)動(dòng)畫(huà)來(lái)分析它的工作原理。

圖4.2.16 維持阻塞結(jié)構(gòu)的RS觸發(fā)器
維持阻塞是一種電路結(jié)構(gòu),除了維持阻塞RS觸發(fā)器外,還有維持阻塞D觸發(fā)器【圖4.2.17】和維持阻塞JK觸發(fā)器【圖4.3.5】。

圖4.2.17 維持阻塞結(jié)構(gòu)的D觸發(fā)器

圖4.3.5 維持阻塞結(jié)構(gòu)JK觸發(fā)器(74LS109)的電路圖
RS觸發(fā)器的輸入信號(hào)不能同時(shí)為有效電平,這是RS觸發(fā)器的約束條件。然而,在實(shí)際應(yīng)用中,我們需要這樣一種觸發(fā)器,它有兩個(gè)數(shù)據(jù)輸入端,并且這兩個(gè)數(shù)據(jù)輸入端的所有四種輸入電平組合都是有意義的。這種觸發(fā)器就是JK觸發(fā)器。它是RS觸發(fā)器演化而成的【圖4.2.10】,其特點(diǎn)是當(dāng)J=0,K=0時(shí),觸發(fā)器的狀態(tài)保持不變;當(dāng)J=1,K=0時(shí),觸發(fā)器置位;當(dāng)J=0,K=1時(shí),觸發(fā)器復(fù)位;當(dāng)J=1,K=1時(shí),觸發(fā)器的狀態(tài)翻轉(zhuǎn):次態(tài)和初態(tài)相反。

(a)

(b)
圖4.2.10 主從JK觸發(fā)器
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