文章目录
- 前言
- 简介
- [1. SR触发器(Set-Reset Flip-Flop)](#1. SR触发器(Set-Reset Flip-Flop))
- [2. 钟控SR触发器(Clocked SR Flip-Flop)](#2. 钟控SR触发器(Clocked SR Flip-Flop))
- [3. D触发器(Data Flip-Flop)](#3. D触发器(Data Flip-Flop))
- [4. JK触发器(JK Flip-Flop)](#4. JK触发器(JK Flip-Flop))
- [5. T触发器(Toggle Flip-Flop)](#5. T触发器(Toggle Flip-Flop))
- [6. 集成触发器芯片示例](#6. 集成触发器芯片示例)
- [7. 触发器选择与设计要点](#7. 触发器选择与设计要点)
- 总结
- 总结
前言
本文仅仅简单介绍了SR触发器、D触发器、J触发器、T触发器的使用。
简介
数字电子技术中的触发器 是存储二进制信息 的基本单元,广泛应用于时序电路设计 。不同触发器类型在结构、功能和应用场景 上各有特点。以下详细介绍常用触发器的工作原理、特性方程、逻辑结构及使用示例,并结合实际应用场景进行分析。
1. SR触发器(Set-Reset Flip-Flop)
工作原理
1.基本结构
基本结构:由两个交叉耦合的与非门(或或非门)构成,是最简单的锁存器(电平触发)。
2.输入信号
S(Set):置位端 (高电平有效 ),使输出Q=1 。
R(Reset):复位端 (高电平有效 ),使输出Q=0。
3.真值表
S R Q(t+1) 状态描述
0 0 Q(t) 保持
0 1 0 复位--->0
1 0 1 置位--->1
1 1 无效 禁止状态(不稳定)
4.缺点
缺点:存在禁止状态(S=R=1时输出不确定) ,需避免输入同时为高电平。
5.应用示例
按键消抖电路:利用SR锁存器消除机械开关的抖动信号 。
当按键按下时,S=1、R=0 → Q=1;松开时,S=0、R=1 → Q=0,输出稳定。
2. 钟控SR触发器(Clocked SR Flip-Flop)
工作原理
1.改进点
改进点:在基本SR触发器前增加时钟控制门(与门) ,由时钟信号(CLK)控制输入。
2.触发条件
触发条件:CLK=1时,输入S和R有效 ;CLK=0时保持状态。
3.问题
问题:电平触发可能导致"空翻"(多个状态变化) ,不适用于高速电路。
4.应用示例
简单状态机:用于CLK信号同步的简单控制逻辑,如电机启停控制。
3. D触发器(Data Flip-Flop)
工作原理
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1.结构改进
结构改进:通过将SR触发器的S和R端反向连接,避免禁止状态,仅需单个数据输入(D)。
2.功能
功能:CLK边沿(上升沿或下降沿)触发时,输出Q=D。
3.特征方程
特性方程:
𝑄(𝑡+1)=𝐷
4.触发方式
触发方式:边沿触发(抗空翻) ,常用主从结构或传输门实现。
5.应用示例
寄存器:存储多位数据。
verilog
// 4位D触发器寄存器
module reg_4bit (input clk, input [3:0] D, output reg [3:0] Q);
always @(posedge clk) Q <= D;
endmodule
移位寄存器:串行转并行数据转换。
verilog
// 右移寄存器(带串行输入)
module shift_reg (input clk, input sin, output reg [3:0] Q);
always @(posedge clk) Q <= {sin, Q[3:1]};
endmodule
4. JK触发器(JK Flip-Flop)
工作原理
1.结构改进
结构改进:在SR触发器基础上增加反馈,解决禁止状态问题。
输入J(Set)和K(Reset),当J=K=1时,输出翻转(𝑄(𝑡+1)=𝑄(𝑡)‾Q(t+1)= Q(t))。
2.特征方程
特性方程:
𝑄(𝑡+1)=𝐽𝑄(𝑡)‾+𝐾‾𝑄(𝑡)
3.主从结构
主从结构:避免空翻 ,CLK高电平期间主触发器采样,CLK下降沿从触发器更新。
4.应用示例
计数器:实现二进制计数。
verilog
// 模4计数器(使用JK触发器)
module counter_mod4 (input clk, input rst, output reg [1:0] count);
always @(posedge clk or posedge rst) begin
if (rst) count <= 2'b00;
else count <= count + 1;
end
endmodule
状态机:实现复杂控制逻辑。
5. T触发器(Toggle Flip-Flop)
工作原理
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1.简单版本
简化版本:将JK触发器的J和K端短接为T输入 。
T=1时:输出翻转 (𝑄(𝑡+1)=𝑄(𝑡)‾Q(t+1)= Q(t))。
T=0时:保持原状态。
2.特征方程
特性方程:𝑄(𝑡+1)=𝑇⊕𝑄(𝑡)
3.应用实例
应用示例
分频器:将时钟频率分频为1/2。
verilog
// 2分频电路
module clk_divider (input clk, output reg clk_out);
always @(posedge clk) clk_out <= ~clk_out;
endmodule
6. 集成触发器芯片示例
74LS74(双D触发器)
1.功能
功能:带异步复位(Reset)和置位(Set)的上升沿D触发器。
2.应用
应用:同步数据锁存、去抖动电路。
74LS112(双JK触发器)
1.功能
功能:带异步复位的下降沿JK触发器。
2.应用
应用:计数器、频率合成器。
7. 触发器选择与设计要点
触发方式:
1.边沿触发
- 边沿触发(D、JK)适用于高速电路。
- 电平触发(SR锁存器)用于简单控制。
2.功能需求
-
数据存储 :选择D触发器。
-
状态翻转 :选择JK或T触发器。
3.时序约束
**建立时间(Setup Time)和保持时间(Hold Time)**需满足。
总结
不同触发器在数字系统中承担不同角色:
1.SR锁存器
SR触发器:基础锁存器 ,适合消抖和简单控制。基础但需避免禁止状态。
2.D触发器
D触发器:简单可靠 ,适合数据存储和流水线设计。简单可靠,适合数据流水线。
3.JK触发器
JK触发器:功能灵活 ,适合计数器和状态机。功能全面,支持保持、置位、复位和翻转。
4.T触发器
T触发器:简化版JK触发器 ,适合分频和计数。专用于周期翻转场景(如分频器)
设计时需根据功能需求、时序约束和电路复杂度综合选择 ,并通过仿真验证时序正确性 。例如,在FPGA中,D触发器是主流选择 ;而在ASIC中,可能根据功耗和面积优化选择触发器类型。
总结
以上就是今天要讲的内容,本文仅仅简单介绍了SR触发器、D触发器、J触发器、T触发器的使用。