触发器电路结构及工作原理:D锁存器、主从触发器(~RS,~JK)、边沿触发器(维持-阻塞型、门电路延时型、主从型)、动态特性
JK触发器和D触发器功能最完善,JK最最完善;故JK和D触发器常见,而RS是所有触发器的基本构成,存在于内部结构。
1.D锁存器
动作特点:
CP=1,Q随输入D改变而改变(输入输出关系似乎透明的,又叫透明锁存器)
CP=0,Q状态被锁存(控制信号从1到0转变时刻,即下降沿,输入D的状态)
$Q_{n+1}=S+\overline{R}Q_{n}=J\overline{Q_{n}}+\overline{KQ_{n}}·Q_{n}=J\overline{Q_{n}}+\overline{K}Q_{n}$
(甚至是不存在的)
设$Q_n=0$,若$JK=11$,则$CP=1$时,由JK触发器状态方程,$Q_{n+1}=1$
若$CP$回到0速度太慢(JK锁存器$CP=1$脉冲宽度>翻转所需要的门电路延时),$Q_{n+1}$将继续翻转
设每个门电路延时tpd,从CP到Q和Q非要经过3级门电路,为保证触发器正常翻转,时钟脉冲宽度>=3tpd,为避免再次翻转,CP脉冲宽度不能>3tpd
所以只有RS锁存器和D锁存器
2.主从触发器(提高工作稳定性)
主从RS触发器
两个同步RS触发器串联:主触发器(公共时钟)+从触发器(公共时钟反相)
CP=1,主触发器:采样状态(根据输入SR状态改变),从触发器:时钟状态为0,不变
CP=1→0(下降沿),主触发器:保持状态,从触发器:采样状态(主触发器输出Q‘传递到整个触发器输出Q)
CP=0,保持上述输出Q
CP=0→1(上升沿),从触发器:保持状态
动作特点:每个CP脉冲期间,输出值变化1次,发生在CP下降沿
【主从触发器】需等到CP脉冲下降沿才输出(输出延时)
在CP=1期间激励采样,且触发器输出不完全取决于CP脉冲下降沿时刻的激励输入,
而同整个CP=1期间激励信号有关
触发器原状态为Q=1,第一个CP=1期间,先SR=10,后SR=01,
虽然CP下降沿输入SR=00,
但主触发器状态改变导致第一个脉冲下降沿后触发器输出改变
主从JK触发器
(和RS的不同在于,输出交叉反馈到激励输入)
工作方式同主从RS:CP=1采样激励输入,CP=0将主触发器输出输送至整个触发器输出
一个CP脉冲周期内输出同样只改变一次!同样最后输出状态需根据激励输入在CP=1期间情况决定
下面是一个干扰的栗子
由于抗干扰能力弱,边沿触发器正逐渐替代主从触发器
3.边沿触发器(提高工作稳定性)
①维持-阻塞触发器
②基于门电路延时特性构成边沿触发器
③主从结构边沿触发器
4.边沿触发器动态特性
(1)时钟周期$T_{clock}$(使触发器正常工作的时钟脉冲周期),时钟频率$f_{clock}$(上限:该触发器的最大时钟频率)
(2)建立时间$t_s$(激励输入在时钟脉冲有效边沿前有稳定逻辑电平所需时间)
(3)保持时间$t_H$(激励输入在时钟脉冲有效边沿后需继续保持稳定逻辑电平的时间)
(4)传输延迟时间$t_{PD}$(从时钟脉冲有效边沿后到触发器输出达稳定所需时间)
①维持-阻塞型
上升沿有效。时钟信号在门G3,G4输入端,激励信号D经过G2加在G4输入端,经过G2,G1加在G3输入端→激励信号至少比CP信号提前2个门电路延时才保证CP脉冲到来时稳定(建立时间需要>=2个门电路延时时间)
CP脉冲到来后,G3,G4输出在一个门电路延时后改变,其输出将反馈至G1,G2维持后,激励信号可撤消(保持时间至少1个门电路延时时间);G3,G4输出在一个门电路延时后送到G5,G6输入,经1个门延时后输出(传输延时需要>=2个门电路延时时间)
保证G3~G6组成的同步RS触发器稳定翻转,CP高电平维持时间>=触发器传输延时(2个门电路延时);在CP=0期间,必须等激励输入稳定才可进行下一次触发(>=触发器建立时间)。综上,CP脉冲周期>=4个门电路延时
②门电路延时型
③主从型
上升沿有效。
CP=0,主触发器:跟随
CP上升沿,主触发器:记忆
从触发器:跟随
CP=0或1,都有一个触发器进入记忆状态,需要CP保持到正反馈建立起来(一个反相器和一个传输门延时时间)