触发器的电路结构与动作特点

的电路结构与动作特点
由两个与非门互耦而成的RS锁存器【图4.2.2（a）】是各种触发器的基本单元电路，它有两个低电平有效的数据输入端(S--：置位输入；R--：复位输入)和一对互补的数据输出端(Q和Q--)。

Q=1,Q--=0时，锁存器处于置位状态；Q=0,Q--=1时，锁存器处于复位状态。

S--和 R--有四种组合，如果S--无效，R--无效，锁存器的状态将与初态相同；如果S--有效，R--无效，锁存器的状态将为Q=1,Q--=0；如果S--无效，R--有效，锁存器的状态将为Q=0,Q--=1；如果S--有效，R--有效，锁存器的状态将是不确定的。

如何理解最后一种输入组合呢？
图4.2.2 用与非门组成的基本RS触发器
（a）电路结构
RS锁存器可以（并且只可以）存储一个二进制位，要么存储1，要么存储0。

如果我们想存储1，就在 S--端加上一个负脉冲。

所谓的负脉冲，就是一个由高电平跳变到低电平，然后再由低电平跳变到高电平的信号。

当 S--由高电平跳变到低电平时，S--=0，R--=1，Q=1,Q--=0，锁存器的状态为1；当 S--由低电平跳变到高电平时，S--=1，R--=1，锁存器的状态保持不变，仍为1。

换句话说，负脉冲到来时，锁存器的状态为1；负脉冲消失后，锁存器维持这个一状态。

同理，如果我们想存储0，我们就在 R--端加上一个负脉冲。

那么，同时在 S--端和 R--端加上负脉冲是什么意思呢？难道既要存储1，又要存储0？显然，这种要求在逻辑上是矛盾的，也是无法实现的。

我们不可能提出这种无理要求。

那么，这种输入组合又是怎么出现的呢？哇！一定是干扰（或噪声）
在作怪！干扰的存在，可能会使锁存器误动作。

假如我们要存储“1”，我们就在S--端加上一个负脉冲P1当P1到来时，S--=0，R--=1，Q=1,Q--=0。

如果P1结束前，在 R--端出现一个干扰脉冲P2，那
么我们有S--＝0，R--＝0，Q=1, Q--=1，问题就发生了。

问题发生后，我们可就三种简单的情况进行分析。

若P2比P1先消失，我们有 S--＝0，R--＝1，Q=1, Q--=0。

在这种情况下，锁存器的状态为“1”；若P1比P2先消失，我们将有S--＝1，R--＝0，Q=1, Q--=0，在这种情况下，锁存器的状态为“0”；还有一种情况是P2与P1同时消失，我们将有S--＝1，R--＝1,
因为此前Q=1, Q--=1，所以每个与非的输入都是全“1”，由于这两个与非门的传输延迟时间不同，因此工作速度稍快一些的与非门输出率先为“0”，这将使另一个与非门的输出保持为“1”。

由于干扰脉冲的出现和消失是随机的，我们无法预知P2与P1哪个先消失。

由于器件参数的离散性，我们也无法预知那个与非门的传输时间较短。

所以，锁存器的状态将是不定的。

RS锁存器的用途之一是构成“防抖动电路”。

我们知道，数据通常经过机械开关输入数字系统。

机械开关动作时，触点将会抖动。

抖动是指开关的两个触点要经历一个常达数毫秒的接通、断开，再接通、再断开，循环往复，直至最后接通的过程。

数毫秒的振荡在数字系统中是不可接受的。

假如开关接通表示“1”，断开表示“0”，我们将开关接通是期望输入一个“1”，结果却输入拉一连串的“1”和“0”。

锁存器或触发器易受干扰的影响。

例如，RS锁存器的初态为0，如果在S--端出现一个干扰脉冲，锁存器的状态将变成“1”。

选通脉冲锁存器【图4.2.4（a）】就有一定的抗干扰能力。

（a）电路结构
图4.2.4 同步RS触发器
我们看到，在CP的控制下，锁存器并非随时受输入信号的影响。

只有当CP信号为“1”时，输入信号才会起作用。

CP信号即时钟信号，时钟信号是数字系统的时间基准，用来协调（或
同步）数字系统中各部分的动作。

鉴于时钟信号的重要性，设计者们采取各种措施保证其信号质量，使之避免干扰。

在数据信号不可靠而时钟信号相对可靠的条件下，采用窄时钟脉冲将显著提高锁存器的抗干扰能力。

除了改善抗干扰能力，CP信号还起另一个作用：消除竞争冒险。

假如R信号由0变1，S 信号由1变0，理想情况下，Q和 Q--将同时变化，Q由1变0，Q--由0变1。

实际上，由于传输路径不同，R、S到达锁存器会有时间差。

我们不妨假设S信号落后于R信号△t秒。

这样，锁存器将在△t秒内处于S=1，R=1的非正常工作状态，输出Q=1, Q--=1，这样的输出在数字系统内产生尖峰脉冲，导致逻辑错误。

为了消除这种竞争冒险现象，我们可以引入CP信号，CP信号使锁存器接收输入信号的时间至少推迟了△t秒，输入信号稳定后才允许锁存器进行逻辑运算。

这种情况下，CP信号也叫选通脉冲。

在集成电路产品中，除了RS锁存器外，还有D锁存器【图4.2.7（a）】。

图4.2.7 D型锁存器电路
（a）基本形式
脉冲选通锁存器有一定的抗干扰能力。

然而，在CP=1期间，如果输入信号多次变化，输出也将多次变化。

主从触发器【图4.2.8（a）（b）】比脉冲选通锁存器进了一步。

(a)
(b)
图4.2.8 主从结构RS触发器
（a）电路结构（b）图形符号
主从RS触发器由两个脉冲选通RS锁存器级联而成。

这两个脉冲选通RS锁存器的CP信号是互补，因此前级接收信号时，后级就不接收信号；后级接收信号时，前级就不接收信号。

在CP=1期间，前级接收输入信号，后级不接收输入信号。

如果输入信号多次变化，前级的输出（即后级的输入）也将随之多次变化，但后级的输出不变。

在CP由1变0那一刻，后级接收输入信号，后级输出将随之变化。

但是，因为CP＝0期间，前级不接收输入信号，它的输出将不再变化，它将保持CP由1变0那一刻的状态。

所以后级的输出也将保持CP由1变0那一刻的状态。

请注意，前级的输入就是触发器的输入，后级的输出就是触发器的输出，所以，主从触发器的动作特点是，在CP的一个周期内，触发器在CP＝1期间接收信号，但是输出最多变化一次。

输出变化的时刻位于CP下降沿，即CP由1变0的时刻。

边沿触发器的抗干扰能力比主从触发器又提高了一步。

边沿触发器由脉冲选通锁存器和脉冲边沿检测器组成。

脉冲边沿检测器脉冲选通锁存器
脉冲边沿检测器实现时钟信号脉冲宽度变换的功能，在CP上升沿到来时，它产生一个极窄的正脉冲，一般为若干纳秒。

于是，脉冲选通锁存器接收输入信号的时间被限制在这几纳秒之内。

输入信号在这个脉冲出现时已然稳定且在脉冲持续期无变化，那么，锁存器的输出将仅仅取决于CP由0变1时刻的输入。

所以，边沿触发器的动作特点是，在CP的一个周期内，触发器在CP的边沿时刻接收信号并使输出变化。

如果我们不是如此倒霉，以致干扰就在CP边沿出现的话，边沿触发器将不会因为干扰的存在而误动作。

下图是一个脉冲边沿检测器。

由于非门的延迟作用，到达与非门
输入端的两个脉冲信号有几纳秒的时间差，与非门输出一个几纳秒宽的负脉冲，经反相后变成一个几纳秒宽的正脉冲。

维持阻塞触发器也是一种边沿触发器【图4.2.16】。

我们通过一个动画来分析它的工作原理。

图4.2.16 维持阻塞结构的RS触发器
我们通过一个动画来分析它的工作原理
维持阻塞是一种电路结构，除了维持阻塞RS触发器外，还有维持阻塞D触发器【图4.2.17】和维持阻塞JK触发器【图4.3.5】。

图4.2.17 维持阻塞结构的D触发器
图4.3.5 维持阻塞结构JK触发器（74LS109）的电路图
RS触发器的输入信号不能同时为有效电平，这是RS触发器的约束条件。

然而，在实际应用中，我们需要这样一种触发器，它有两个数据输入端，并且这两个数据输入端的所有四种输入电平组合都是有意义的。

这种触发器就是JK触发器。

它是RS触发器演化而成的【图4.2.10】，其特点是当J=0，K=0时，触发器的状态保持不变；当J=1，K=0时，触发器置位；当J=0，K=1时，触发器复位；当J=1，K=1时，触发器的状态翻转：次态和初态相反。

(a)
(b)
图4.2.10 主从JK触发器。