探討《數(shù)字邏輯》課程中觸發(fā)器的教學(xué)方法

摘 要 本文介紹了數(shù)字電路中各種觸發(fā)器的電路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。以基本RS觸發(fā)器主線，將電路結(jié)構(gòu)逐步進(jìn)行優(yōu)化，功能逐漸完善，依次介紹各種觸發(fā)器及他們之間的相互關(guān)系。

關(guān)鍵詞 觸發(fā)器 真值表 狀態(tài)方程 時(shí)序圖

中圖分類號(hào)：G642文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

觸發(fā)器是數(shù)字電子器件，它具有在激勵(lì)輸入變化后存儲(chǔ)二進(jìn)制信息的能力，因此，在二進(jìn)制數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的許多應(yīng)用中，觸發(fā)器是基本存儲(chǔ)單元。①如果按照觸發(fā)器的電路結(jié)構(gòu)可分為基本RS觸發(fā)器和時(shí)鐘觸發(fā)器。時(shí)鐘觸發(fā)器中，按照觸發(fā)方式又可分為電平觸發(fā)和邊沿觸發(fā)兩種。電平觸發(fā)的觸發(fā)器中，又有同步觸發(fā)器和主從觸發(fā)器。若按照觸發(fā)器的邏輯功能分有RS觸發(fā)器、JK觸發(fā)器、D觸發(fā)器、T觸發(fā)器、T’觸發(fā)器。由于觸發(fā)器種類繁多，教學(xué)過(guò)程中一定要掌握方法和技巧，方能得心應(yīng)手。筆者從多年的教學(xué)過(guò)程中總結(jié)出各種觸發(fā)器之間的關(guān)系如圖1所示：

圖1 觸發(fā)器之間的關(guān)系圖

1 基本RS觸發(fā)器

先從最基本RS觸發(fā)器的結(jié)構(gòu)出發(fā)來(lái)分析它的功能。結(jié)構(gòu)可以總結(jié)出四個(gè)兩：兩個(gè)與非門，兩個(gè)輸入信號(hào)，兩個(gè)輸出端，兩根反饋線。從結(jié)構(gòu)中可以分析出它的功能最后用三句話來(lái)進(jìn)行總結(jié)：00不定，相異從R，11不變。以后在分析的過(guò)程中，只要牢記這三句話，一切問(wèn)題都迎刃而解。

基本RS觸發(fā)器具有復(fù)位（Q = 0）、置位（Q = 1）、保持原狀態(tài)三種功能，R為復(fù)位輸入端，S為置位輸入端。觸發(fā)器的工作狀態(tài)直接受R、S端的兩個(gè)輸入信號(hào)的控制，且只要有一個(gè)輸入端有效，觸發(fā)器就立即翻轉(zhuǎn)為新的狀態(tài)。而在實(shí)際電路中，通常包括很多觸發(fā)器且希望觸發(fā)器按一定的節(jié)拍翻轉(zhuǎn)。這樣就要在基本RS觸發(fā)器的基礎(chǔ)上，電路要進(jìn)行改進(jìn)，為此，給觸發(fā)器加一個(gè)時(shí)鐘控制信號(hào)CP和兩個(gè)受控與非門，只有在CP端上出現(xiàn)時(shí)鐘脈沖時(shí)，觸發(fā)器的狀態(tài)才能變化。具有時(shí)鐘脈沖控制的觸發(fā)器稱為時(shí)鐘觸發(fā)器，又稱同步觸發(fā)器（或鐘控觸發(fā)器），因?yàn)橛|發(fā)器的狀態(tài)的改變與時(shí)鐘脈沖同步。②

2 同步觸發(fā)器

2.1 同步RS觸發(fā)器

同步RS觸發(fā)器在基本RS觸發(fā)器的基礎(chǔ)上加一個(gè)時(shí)鐘控制信號(hào)CP和兩個(gè)受控與非門，同步RS觸發(fā)器雖然解決了直接由輸入信號(hào)控制輸出信號(hào)的現(xiàn)象，并且按同一CP節(jié)拍進(jìn)行變化，但是仍然存在約束項(xiàng)的問(wèn)題，要去掉同步RS觸發(fā)器約束項(xiàng)，需要在同步RS觸發(fā)器的基礎(chǔ)上再加兩根反饋線，而構(gòu)成同步JK觸發(fā)器。

2.2 同步JK觸發(fā)器

同步JK觸發(fā)器在同步RS觸發(fā)器的基礎(chǔ)上外加兩根引線從邏輯功能表中，可以用三句話來(lái)進(jìn)行總結(jié)：00不動(dòng)，相異從J，11翻轉(zhuǎn)。

2.3 其它同步觸發(fā)器

同步D觸發(fā)器是同步JK觸發(fā)器的特殊情況，即在J = K = D、同步T觸發(fā)器是同步JK觸發(fā)器在J=K=T時(shí)的特殊情況、同步T’觸發(fā)器是同步JK觸發(fā)器在J=K=1時(shí)的特殊情況。

同步觸發(fā)器雖然使電路進(jìn)行了優(yōu)化但是又帶來(lái)新的問(wèn)題：空翻現(xiàn)象。在一個(gè)時(shí)鐘脈沖周期中，觸發(fā)器發(fā)生多次翻轉(zhuǎn)的現(xiàn)象叫做空翻。空翻是一種有害的現(xiàn)象，它使得時(shí)序電路不能按時(shí)鐘節(jié)拍工作，造成系統(tǒng)的誤動(dòng)作。要解決空翻現(xiàn)象，需要在同步RS觸發(fā)器的基礎(chǔ)上，再加一級(jí)觸發(fā)器從而構(gòu)成主從觸發(fā)器。主從RS觸發(fā)器由兩級(jí)構(gòu)成，其中一級(jí)直接接收輸入信號(hào)，稱為主觸發(fā)器，另一級(jí)接收主觸發(fā)器的輸出信號(hào)，稱為從觸發(fā)器。兩級(jí)觸發(fā)器的時(shí)鐘信號(hào)互補(bǔ)，從而有效地克服了空翻。③

造成空翻現(xiàn)象的原因是同步觸發(fā)器結(jié)構(gòu)的不完善，要克服空翻現(xiàn)象，還需要從結(jié)構(gòu)上采取措施，需要對(duì)電路進(jìn)行優(yōu)化。主從觸發(fā)器從此誕生。

3 主從觸發(fā)器

3.1 主從RS觸發(fā)器

主從RS觸發(fā)器是在同步RS觸發(fā)器的基礎(chǔ)上，再加一級(jí)觸發(fā)器和一個(gè)非門。主從RS觸發(fā)器邏輯功能和同步RS觸發(fā)器完全一樣，所以存在約束項(xiàng)。解決問(wèn)題的方法，在主從RS觸發(fā)器的基礎(chǔ)上加兩根反饋線，引發(fā)出主從JK觸發(fā)器。

3.2 主從JK觸發(fā)器

主從JK觸發(fā)器是在主從RS觸發(fā)器的基礎(chǔ)上再加兩根反饋線。由以上電路分析可知：主從JK觸發(fā)器的邏輯功能和同步的JK觸發(fā)器的邏輯功能一樣即00不動(dòng)（保持），相異從J，11翻轉(zhuǎn)。主從JK觸發(fā)器存在的問(wèn)題：一次變化現(xiàn)象，要解決一次變化問(wèn)題，仍應(yīng)從電路結(jié)構(gòu)上入手，讓觸發(fā)器只接收CP觸發(fā)沿到來(lái)前一瞬間的輸入信號(hào)。這種觸發(fā)器稱為邊沿觸發(fā)器。

4 邊沿觸發(fā)器

邊沿觸發(fā)器不僅將觸發(fā)器的觸發(fā)翻轉(zhuǎn)控制在CP觸發(fā)沿到來(lái)的一瞬間，而且將接收輸入信號(hào)的時(shí)間也控制在CP觸發(fā)沿到來(lái)的前一瞬間。因此，邊沿觸發(fā)器既沒(méi)有空翻現(xiàn)象，也沒(méi)有一次變化問(wèn)題，從而大大提高了觸發(fā)器工作的可靠性和抗干擾能力。維持—阻塞邊沿D觸發(fā)器只有一個(gè)觸發(fā)輸入端D，因此，邏輯關(guān)系非常簡(jiǎn)單。這種邊沿D觸發(fā)器的特性方程，狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖及驅(qū)動(dòng)表和同步D觸發(fā)器一樣。維持—阻塞邊沿D觸發(fā)器的結(jié)構(gòu)，在同步RS觸發(fā)器的基礎(chǔ)上，再加兩個(gè)門，將輸入信號(hào)D變成互補(bǔ)的兩個(gè)信號(hào)分別送給R、S端，即R = D，S = D，就構(gòu)成了同步D觸發(fā)器。為了克服空翻，并具有邊沿觸發(fā)器的特性，在同步D觸發(fā)器基礎(chǔ)上引入三根反饋線就轉(zhuǎn)化為維持—阻塞邊沿D觸發(fā)器。

可見(jiàn)從電路分析可知：維持—阻塞觸發(fā)器是利用了維持線和阻塞線，將觸發(fā)器的觸發(fā)翻轉(zhuǎn)控制在CP上跳沿到來(lái)的一瞬間，并接收CP上跳沿到來(lái)前一瞬間的D信號(hào)。維持—阻塞觸發(fā)器因此而得名。

5 結(jié)語(yǔ)

如果孤立地理解每個(gè)觸發(fā)器的話，很難弄清楚各個(gè)觸發(fā)器的功能。為此先掌握基本RS觸發(fā)器，由于此種觸發(fā)器有兩個(gè)弊端：輸出直接有輸入信號(hào)控制；特征方程有約束項(xiàng)，所以電路需要進(jìn)行優(yōu)化，即基本RS觸發(fā)器的基礎(chǔ)上加一個(gè)時(shí)鐘脈沖CP和兩個(gè)與非門，變成了同步RS觸發(fā)器，又因?yàn)橥絉S觸發(fā)器的特征方程有約束項(xiàng)，即同步RS觸發(fā)器還要進(jìn)一步優(yōu)化，再加兩根反饋線而轉(zhuǎn)化為同步JK觸發(fā)器，若J = K = D則由同步JK觸發(fā)器轉(zhuǎn)化為同步D觸發(fā)器；若J = K = T 則轉(zhuǎn)化為同步T觸發(fā)器；若J = K = 1 則轉(zhuǎn)化為同步T’觸發(fā)器。同步觸發(fā)器有空翻現(xiàn)象，為了避免此現(xiàn)象的出現(xiàn)，電路要再進(jìn)一步進(jìn)行優(yōu)化，即出現(xiàn)了主從RS觸發(fā)器，它的功能和同步RS觸發(fā)器相同，同樣特征方程有約束項(xiàng)，要去掉約束項(xiàng)必須再引出兩根反饋線變?yōu)橹鲝腏K觸發(fā)器。主從JK觸發(fā)器存在的問(wèn)題：一次變化現(xiàn)象，最后把電路優(yōu)化到邊沿觸發(fā)器，既沒(méi)有空翻現(xiàn)象，也沒(méi)有一次變化問(wèn)題，從而大大提高了觸發(fā)器工作的可靠性和抗干擾能力。

基金項(xiàng)目：安徽新華學(xué)院教學(xué)研究項(xiàng)目：《數(shù)字邏輯》課程改革的研究與實(shí)踐（2010jy021）

注釋

① [美]John M.Yarbrough.數(shù)字邏輯應(yīng)用與設(shè)計(jì)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2000.4.

② 楊志忠主編.數(shù)字電子技術(shù)[M].高等教育出版社，2000.8.

③ 徐維.數(shù)字邏輯系統(tǒng)與設(shè)計(jì)[M].科學(xué)出版社，2005.9.