触发器与同步时序逻辑电路
时序逻辑电路分类
时序逻辑电路分类介绍时序逻辑电路是一种用于处理时序信号的电路，它由逻辑门和存储元件组成。
时序逻辑电路按照其功能和结构的不同，可以分为多种类型。
本文将对时序逻辑电路的分类进行全面、详细、完整和深入的探讨。
一、根据功能分类1. 同步时序逻辑电路同步时序逻辑电路是指其数据在同一个时钟上升沿或下降沿进行传递和存储的电路。
这类电路广泛应用于计算机中的寄存器、时钟驱动器和状态机等。
同步时序逻辑电路具有可靠性高、稳定性强的特点。
2. 异步时序逻辑电路异步时序逻辑电路是指其数据不依赖时钟信号而进行传递和存储的电路。
这种电路在通信系统中常用于数据传输和处理，如异步串行通信接口（UART）。
异步时序逻辑电路具有处理速度快和实时性强的特点。
二、根据结构分类1. 寄存器寄存器是一种时序逻辑电路，用于存储和传递数据。
寄存器通常采用D触发器作为存储元件，可以实现数据的暂存和移位操作。
寄存器广泛应用于计算机的数据存储和寄存器阵列逻辑器件（RALU）等。
2. 计数器计数器是一种时序逻辑电路，用于生成特定的计数序列。
计数器可以按照时钟信号对计数进行增加或减少，并可以在达到指定计数值时触发其他操作。
计数器被广泛应用于时钟发生器、频率分频器和时序控制等电路中。
3. 时序控制器时序控制器是一种时序逻辑电路，用于控制其他电路的时序和操作。
时序控制器根据输入的控制信号和当前的状态，通过逻辑运算和状态转移进行运算和控制。
时序控制器被广泛应用于计算机的指令译码和状态机的设计中。
三、根据存储方式分类1. 同步存储器同步存储器是一种时序逻辑电路，用于存储和读取数据。
同步存储器是在时钟信号作用下进行数据存取的，并且数据的读取和写入操作都在时钟的上升沿或下降沿进行。
同步存储器主要包括静态随机存储器（SRAM）和动态随机存储器（DRAM）等。
2. 异步存储器异步存储器是一种时序逻辑电路，用于存储和读取数据。
与同步存储器不同的是，异步存储器的读取和写入操作不依赖时钟信号，而是由数据访问信号和存储器内部的同步电路进行控制。
触发器与时序逻辑电路
将状态1100 反馈到清零端 归零
将状态1011 反馈到清零端 归零
第2页
用异步归零构成十二进制计数器，存在一个极短暂的过渡状态1100。十二进制计数器从状态0000开始计数，计到状态1011时，再来一个CP计数脉冲，电路应该立即归零。然而用异步归零法所得到的十二进制计数器，不是立即归零，而是先转换到状态1100，借助1100的译码使电路归零，随后变为初始状态0000。
触发器有两个稳定的状态：“0”状态和“1’状态； 不同的输入情况下，它可以被置成0状态或1状态； 当输入信号消失后，所置成的状态能够保持不变。
第2页
1
2
3
4
10.1 触发器
一对具有互非关系的输出端，其中Q 的状态称为触发器的状态。
第2页
1.1. RS触发器
一对输入端子均为低电或有效。
基本RS触发器
F1：在Q0为1时，再来一个CP计数脉冲才翻转，但在Q3为1时不得翻转；
第2页
F0：每来一个CP计数脉冲翻转一次； 选用4个CP下降沿触发的JK触发器F0、F1、F2 、F3。
10.2.2 十进制计数器
驱动方程
第2页
2、异步十进制加法计数器
第2页
由触发器组成的N进制计数器的一般分析方法是：对于同步计数器，由于计数脉冲同时接到每个触发器的时钟输入端，因而触发器的状态是否翻转只需由其驱动方程判断。而异步计数器中各触发器的触发脉冲不尽相同，所以触发器的状态是否翻转除了考虑其驱动方程外，还必须考虑其时钟输入端的触发脉冲是否出现。
状态转换真值表
第2页
用上升沿触发的D触发器构成的4位异步二进制加法计数器及其波形图
F0每输入一个时钟脉冲翻转一次。 F1在Q0由1变0时翻转， F2在Q1由1变0时翻转， F3在Q2由1变0时翻转。
实验四集成触发器和用SSI的设计同步时序电路-PPT文档资料
74LS74
2片
74LS00
1片
微动开关 4只
1台
74LS112 2片 74LS04 1片
器件引脚图
74LS112 双下降沿JK 触发器
1CP 1 1K 2 1J 3 1SD 4 1Q 5 1Q 6 2Q 7 GND 8
16 VCC 15 1RD 14 2RD
74LS112 13 2CP
12 2K 11 2J 10 2SD 9 2Q
实验四 集成触发器和用SSI设计同步时序电路
一、实验目的
1.掌握触发器的原理、作用及调试方法； 2.学习简单时序逻辑电路的设计和调试方法。
二、预习要求
根据实验内容，设计出电路，并画出逻辑图，标出管脚。
三、实验原理
1.触发器
SD
S
J
1J
Q
CP
C1
K
1K
Q
RD
R
边沿JK触发器
Qn1JQnKQn
CP下降沿时刻有效
74LS74 双上升沿D 触发器
1RD 1 1D 2 1CP 3 1SD 4 1Q 5 1Q 6 GND 7
74LS74
14 VCC 13 2RD 12 2D 11 2CP 10 2SD 9 2Q 8 2Q
74LS04 六反相器
1A 1 1Y 2 2A 3 2Y 4 3A 5 3Y能测试。
按下表要求观察和记录Q与Q 的状态
表1
SD RD J K CP
Qn+1
Qn=0
Qn=1
1
1
1100 1101 21 1 1 0
31 1 1 1
2. 3人智力抢答电路
QA Q A
QB QB
时序逻辑电路知识要点复习
《时序逻辑电路》知识要点复习一、时序逻辑电路1、时序逻辑电路：电路的输出状态不仅与同一时刻的输入状态有关，也与电路原状态有关。
时序逻辑电路具有记忆功能。
2、时序逻辑电路分类：可分为两大类：同步时序电路与异步时序电路。
（1）同步时序电路：各触发器都受到同一时钟脉冲控制，所有触发器的状态变化都在同一时刻发生。
（2）异步时序电路：各触发器没有统一的时钟脉冲(或者没有时钟脉冲)，各触发器状态变化不在同一时刻发生。
计数器、寄存器都属于时序逻辑电路。
3、时序逻辑电路由门电路和触发器组成，触发器是构成时序逻辑电路的基本单元。
二、计数器1、计数器概述：（1）计数器：能完成计数，具有分频、定时和测量等功能的电路。
（2）计数器的组成：由触发器和门电路组成。
2、计数器的分类：按数制分：二进制计数器、十进制计数器、N 进制(任意进制)计数器；按计数方式分：加法计数器、减法计数器、可逆计数器；按时钟控制分：同步计数器、异步计数器。
3、计数器计数容量（长度或模）:计数器能够记忆输入脉冲的数目，就称为计数器的计数容量（或计数长度或计数模），用 M 表示。
3 位二进制同步加法计数器：M=23=8，n 位二进制同步加法计数器：M=2n，n 位二进制计数器需要用n个触发器。
4、二进制计数器(1)异步二进制加法计数器：如下图电路中，四个JK触发器顺次连接起来，把上一触发器的Q 端输出作为下一个触发器的时钟信号，CP0=CP CP1=QCP2=Q1CP3=Q2，J=K=1J1=K1=1 J2=K2=1 J3=K3=1Q3Q2Q1Q为计数输出，Q3为进位输出，Rd 为异步复位（清0）这样构成了四位异步二进制加计数器。
在计数前清零，Q3Q2Q1Q=0000；第一个脉冲输入后，Q3Q2Q1Q=0001；第二个脉冲输入后，Q3Q2Q1Q=0010；第三个脉冲输入后，Q3Q2Q1Q=0011，……，第15个脉冲输入后，Q3Q2Q1Q=1111，第16个脉冲输入后，Q3Q2Q1Q=0000，并向高位输出一个进位信号，当下一个脉冲来时，进入新的计数周期。
触发器和时序逻辑电路
Q
.
& G1
.
& G2
1 SD
被封锁
1
& G3
1
& G4 0 被封锁 R C
章目录 返回
RD1
R，S 输入状态 不起作用。 触发器状态不变
S
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当C=1时 触发器状态由R，S 输入状态决定。
Q
Q
.
& G1
.
& G2
触发器的翻转 1 SD 时刻受C控制 （C高电平时 打开 & G 3 翻转），而触 发器的状态由 R，S的状态决页
22.1.1 R－S 触发器
1. 基本 R－S 触发器 两互补输出端 正常情况下， 两输出端的状态 保持相反。通常 以Q端的逻辑电 平表示触发器的 状态，即Q=1， Q=0时，称为“1‖ 态；反之为“0‖ 态。 Q Q
.
& G1 SD 两输入端
.
反馈线
& G2
RD
章目录 返回 上一页 下一页
Q
.1
& G2
触发器置“0‖
1
& G3
0 RD 1
& G4 1
触发器置“1‖
S0
C
R1
章目录 返回 上一页 下一页
(4) S =1, R= 1
Q=0 1 Q
若先翻
Q 1 Q=1
.
& G1 1 1
. 若先翻
& G2
当时钟由 1变 0 后 触发器状态不定
1 SD
0 1
0 RD 1 1
& G3
& G4
S1
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触发器和时序逻辑电路
(2) 第二位触发器 FF1 ，在 Q0 = 1 时再来一种时钟脉冲才翻转，故 J1 = K1 = Q0 ；
大家网：
(3) 第三位触发器 FF2 ，在 Q1= Q0 = 1 时再来一种时钟脉冲才翻转，故 J2 = K2 = Q1Q0 ；
大家网：
只有当初钟脉冲来到后，即 CP = 1 时，触发器才按 R 、S 端旳输入状态 来决 定其输出状态。
触发器置R和D0 或置是S1直D，接一置般0用和于直置接初置态1。端在，工就作是过不程经中过它时们钟处脉于冲1 旳态控。制能够对基本
可控 RS 触发器旳逻辑式
Q S CP Q ，
可分四种情况分析CP = 1 时触 发器旳状态转换和逻辑功能，如右 表所示。
转一次，即
，具有计数功能。
SD
S
Q
D
1D
CP
C1
Q
RD
R
Q Q n1
n
上升沿 D 触发 器图形符号
1D
Q
CP
C1
Q
D 触发器转换 为 T 触发器
大家网：
返回
14.2 寄存器
寄存器用来临时存储参加运算旳数据和运算成果。
14.2.1 数码寄存器
下图是由 D 触发器(上升沿触发)构成旳四位数码寄存器，这是并行输入/并行 输出旳寄存器。工作之初要先清零。
时序逻辑电路旳特点：它旳输出状态不但决定于当初旳输入状态，而且还与电 路旳原来状态有关，也就是时序逻辑电路具有记忆功能。
触发器是时序逻辑电路旳基本单元。
大家网：
14.1 双稳态触发器
14.1.1 RS 触发器
触发器Flip-Flops和时序电路
组合逻辑电路组成，能够将输入信号向左或向右移动指定的位数。
时序电路的应用
数字逻辑控制
时序电路在数字逻辑控制中有着 广泛的应用，例如在计算机、数 字交换机、数控机床等设备中， 都需要使用时序电路来实现数字
逻辑控制。
通信技术
在通信技术中，时序电路被广泛 应用于数字信号处理、调制解调、
信道编码等领域。
自动控制
寄存器
寄存器是一种常见的触发器与时序电 路的组合，它由多个触发器组成，用 于存储二进制数据。
计数器
计数器是一种能够自动计数输入脉冲 个数的时序电路，它由多个触发器和 门电路组成。
05 触发器Flip-flops和时序 电路的优化与挑战
触发器Flip-flops的优化策略
减少功耗
通过降低时钟频率、使用低功耗设计 和工艺、以及优化时钟网络来降低功 耗。
触发器Flip-flops是数字逻辑电路 中的基本存储单元，用于存储二进 制状态（0或1）。
工作原理
触发器Flip-flops采用双稳态电路 ，通过时钟信号控制数据输入和 输出，实现状态的存储和切换。
触发器Flip-flops的类型
01
02
03
JK触发器
具有置0、置1、翻转和保 持四种功能，通过改变时 钟信号的相位实现不同操 作。
提高速度
通过优化触发器的结构、减少内部延 迟和传播延迟，以及采用更快的时钟 源来提高速度。
减小面积
通过优化设计、采用更小的单元尺寸 和更高效的布局布线技术来减小面积。
提高可靠性
通过采用冗余设计、错误检测和纠正 技术以及容错逻辑来提高可靠性。
时序电路的优化策略
优化时钟网络
通过减少时钟源的数量、降低时钟频率、 优化时钟分布和减少时钟偏斜来优化时钟
触发器（基本的SR触发器、同步触发器、D触发器）
触发器（基本的SR触发器、同步触发器、D触发器）⼀、能够存储1位⼆值信号的基本单元电路统称为触发器（Filp-Flop） 触发器是构成时序逻辑电路的基本逻辑部件。
它有两个稳定状态：“0”和“1”。
在不同的输⼊情况下，它可以被置0状态或1状态，当输⼊信号消失后，所置成的状态能够保持不变。
所以触发器可以记忆1位⼆值的信号。
根据逻辑功能的不同，触发器可以分为SR触发器、D触发器、JK触发器、T和T'触发器。
按照结构形式的不同，⼜可分基本SR触发器、同步触发器、主从触发器和边沿触发器。
其状态图：a、当触发器处在0状态，即Q = 0，若S'R' = 10或11时，触发器仍为0状态。
若S'R' = 01，触发器翻转成为1状态。
b、当触发器处在1状态，即Q = 1，若S'R' = 01或11时，触发器仍为1状态。
若S'R' = 10，触发器翻转成为0状态。
约束条件是S’R’不能同时为0。
代码实现：module RS(rst_n,r,s,q,qn);input rst_n;input r;input s;output q;output qn;reg q;reg i;always @(rst_n or q)if(!rst_n)i = 0;else if(!q)i = 0;elsei = 1;always @(rst_n or r or s)if(!rst_n)q = 0;elsecase(i)0://置0if(({r,s} == 2'b01) || ({r,s} == 2'b11))q = 0;else if(({r,s} == 2'b10))q = 1;1://置1if(({r,s} == 2'b10) || ({r,s} == 2'b11))q = 1;else if(({r,s} == 2'b01))q = 0;endcaseassign qn = ~q;endmoduleView Code仿真代码：`timescale 1ns/1nsmodule RS_top;reg rst_n;reg r;reg s;wire q;wire qn;initial beginrst_n = 0;#10;rst_n = 1;beginr = 0;s = 1;#20;r = 1;s = 1;#20;r = 1;s = 0;#20;r = 1;s = 1;#20;endendRS rs1(.rst_n(rst_n),.r(r),.s(s),.q(q),.qn(qn));endmoduleView Code仿真波形：可以看到仿真结果是对的。
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JK触发器
激励表
Qn 0 0 1 1 Qn+1 0 1 0 1 J 0 1 X X K X X 1 0
JK触发器
J
&
&
Q
CP
K
&
&
Q
当 JK = 11时，在 CP=1 期间，JK 锁存器将不断空翻。
能够保证触发器正常翻转的时钟脉冲的宽度应该不小于 3tpd。但是，为了避免再次翻转，CP脉冲的宽度又不能大 于3tpd。这个条件实际上是无法实现的。 所以实际电路中只有RS锁存器和D锁存器，并不存在JK锁 存器。
因为每个触发器的时钟不同步，结果造成在CP有效 边沿以后的一段时刻内计数值可能发生混乱。 例如，计数从7到8的转换过程，实际的转换为： 0111→0110→0100→0000→1000。
触发器
掌握触发器的基本类型及其状态描述
了解触发器的结构与工作原理
掌握触发器的基本应用电路
触发器
触发器（Flip-Flop）：
具有记忆功能的逻辑单元
双稳态门，又称双稳态触发器，在两种状态下 运行的电路。 触发器保持自身状态，直到有输入脉冲（触 发），输出根据规则改变，并保持此状态直到 下一个触发来临。 对脉冲边沿敏感，在边沿瞬间改变状态。 四类触发器：RS，JK，D和T触发器
由于在CP =1时，输出和输入的关系似乎是“透明” 的，所以这个锁存器也被称为透明锁存器。
CP D Q
JK触发器
J 1 0 0 1 K 0 1 0 1 Qn+1 1 0 Qn Qn 真值表与状态方程
Qn1 J Q n KQn
状态表
Qn 0 1
Qn+1
JK=00 0 1 JK=01 0 0 JK=11 1 0 JK=10 1 1
T触发器
Qn1 T Q n T Qn
T 0 1 Qn+1 Qn Qn
激励表
状态表
Qn
0 1
Qn+1 T=0 T=1 0 1 1 0
Qn 0 0 1 1
Qn+1 0 1 0 1
T 0 1 1 0
T触发器
采用D触发器构成的T、T’触发器
触发器的简单应用
计数器
计数是数字电路的一个基本功能。一个计数器通常由一 组触发器构成，该组触发器按照预先给定的顺序改变其 状态。
CP Q0 Q1 Q2 Q3
计数器实际上由n个T ' 触发器构成。第一个T ' 触发 器的C端连接系统时钟，其后每一级触发器都将前级 触发器的输出（或输出的非）作为本级的时钟输入。
二进制异步减法计数器 （行波计数器）
Q0 1D CP C1 1D C1 Q1 1D C1 Q2 1D C1 Q3
CP Q0 Q1 Q2 Q3
当CP=1时
同步RS 触发器——锁存器
Cp S R Q
D触发器——锁存器
当CP=1时
触发器状态随D的状态改变而改变 Q3=Q4=1，触发器保持原来状态不变，即保持为 CP下降沿以前的D的状态。
当CP=0时
D触发器——锁存器
D Qn+1
Qn1 D
状态表
0 1
0 1
激励表
Qn
触发器保持在0或1，置1（置位）或置0（复位） 锁存器保持在前期锁存的输入值
触发器边沿触发，在边沿瞬间改变输出，随后保 持
锁存器电平锁存，使能无效时，锁存输入值并保
持；有效时，输出随输入变化。
RS触发器
基本RS 触发器
同步RS 触发器（时钟脉冲控制的RS 触发器）
主从RS 触发器
基本RS 触发器
行波计数器的时钟和计数状态的关系
关于行波计数器，比较容易混淆的是加法计数与减法计数对 应的时钟来源以及触发沿的组合关系。通过波形图可以很方 便地确定这些问题，现将它们的组合情况列表如下： 上升沿触发 加法计数 后级时钟来自前级的 Q 减法计数 后级时钟来自前级的Q 下降沿触发 后级时钟来自前级的Q 后级时钟来自前级的 Q
注意在应用上表的时候，所有触发器都以 Q 作为计数器的
输出。若以触发器的 Q
作为计数器的输出，则加法计数和
减法计数的关系恰恰颠倒。
行波计数器计数过程中的不稳定暂态问题
由于二进制异步计数器的的时钟信号是前后级串联 的，所以到达每个触发器的时钟信号不是同时的。 这也是为何将它称为异步计数器的原因。也有将它 称为行波计数器（Ripple Counter）的。
同步计数器（Synchronous Counter）：
所有触发器的状态改变是在同一个时钟脉冲的同一个有 效边沿上发生。
异步计数器（Asynchronous Counter）：
计数器中的每个触发器的时钟部分或全部不同。
二进制异步加法计数器 （行波计数器）
Q0 1D CP C1 1D C1 Q1 1D C1 Q2 1D C1 Q3
பைடு நூலகம்
锁存器
锁存器（Latch）
电平触发的存储单元，由触发器构成，不同的
是他的数据存储取决于输入时钟（使能），它
可以使输出状态不随输入端状态的变化而改变，
处在保持状态（如何区别触发器的保持）。
使能有效时，输出随输入改变
使能无效时，输出保持（不随输入变化）
触发器与锁存器
都具有保持
Qn+1 D=0 D=1
0
1
0
0
1
1
Qn 0 0 1 1
Qn+1 0 1 0 1
D 0 1 0 1
D触发器——锁存器
动作特点
在控制端CP等于逻辑1期间，输出Q的状态随着输入D的 改变而改变； 在控制端CP等于逻辑0期间，输出Q的状态被锁存。被锁 存的状态是控制信号CP从逻辑1到逻辑0转变时刻的输入 D的状态。
同步RS 触发器 ——锁存器
当CP=0时
Q3=Q4=1，触发器保持原来状态不变。
若R=0，S=1；Q4=1，Q3=0，触发器置1； 若 R=1 ， S=0 ； Q3=0 ， Q4=1 ，触发器置 0 ； 若R=S=0； Q3=Q4=1，触发器状态保持不变； 若R=S=1； Q3=Q4=0，触发器状态不定（Q3、 Q4不可能同时置0）。
R=1、S=0时，则Q=1,Q=0,触发器置1（置位） R=0、S=1时，则Q=0,Q=1,触发器置0 （复位） R与S状态必须相异，触发信号为S=0（ R=1，称 置位）或为R=0 （ S=1，称复位） R 、S 称为触发信号，在下降沿瞬间改变并使触发 器保持0或1状态。 R=1、S=1，Q与Q维持状态不变 R=0、S=0： Q与Q维持不明确，禁止使用