数字电子技术基础(十一):触发器(建立时间、保持时间)

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数字电子技术基础(十一):触发器(建立时间、保持时间)

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目录 一、电平触发的触发器(也叫锁存器)1、电平触发SR触发器2、电频触发D触发器3、电平触发的动作特点 二、边沿触发的触发器(常叫触发器)1、边沿D触发器2、带异步置位复位边沿D触发器3、边沿触发方式的动作特点 三、脉冲触发的触发器1、脉冲触发的SR触发器2、脉冲触发的动作特性 四、触发器分类1、SR触发器2、JK触发器3、T触发器4、D触发器(在FPGA中使用最多) 五、触发器的动态特性1、建立时间(setup time )Tsu2、保持时间(Hold time )Th3、传输延迟时间(Propagation delay time )Tpd4、最高时钟频率(Maximum clock frequency)fmax 触发器与锁存器的不同在于,触发器除了置1、置0输入端之外,还有增加了一个触发信号输入端。只有当触发信号到来时,触发器才能按照输入的置1、置0信号转变相应的状态,并保持下去。这个触发信号通常称为CLOCK(记做 CLK)

触发信号的方式分为:电平触发,边沿触发和脉冲触发。

一、电平触发的触发器(也叫锁存器) 1、电平触发SR触发器

在这里插入图片描述 电平触发SR触发器由左边的两个与非门和右边的SR锁存器组成。

电平触发SR触发器电路结构较简单,当CLK为高1时,S和R的输入才能改变输出Q和Q’状态;否则输入S和R全为低0,输出Q和Q’保持原来的状态不变

同样S和R需要满足约束条件:SR = 0

注:在所有的电路图形符号中,如果输入端没有小圆圈,如上图第二个CLK输入,则表示输入高电平有效,如果有小圆圈,则表示低电平有效。 小圆圈就和Q’那个一样。

上述是CLK控制的SR触发器,CLK控制S和R的输入,这算是同步电路,还有一种带异步置位和复位的电平触发SR触发器,可以不受时钟控制对输出置位和复位。 在这里插入图片描述

可以看到,只要当SD’ = 0,Q就会输出1;只要当RD’ = 0,Q’就会输出1,同时也要注意:当SD’ = RD’ =0,时,Q和Q’都输出1;所以置位时不能复位,复位时不能置位,即SD’ = 0时,RD’ = 1;SD’ = 1时,RD’ = 0。当SD’ = RD’ =1 时,CLK控制有效

2、电频触发D触发器

在这里插入图片描述 在这里插入图片描述 D触发器的特性公式为:Q(n+1)= D;次态与上一个输出状态Q无关,只与输入有关。(Q(n+1)为次态,D为输入)

同样当CLK为高时,Q(n+1)= D;否则Q(n+1) = Q;

3、电平触发的动作特点

1、当CLK为高时,才接受S、R(或者D)的输入信号,并按照输入信号将触发器的输入置为相应的状态; 2、在CLK = 1的时间内,S、R(或者D)的变化都会引起输出变化,所以触发器的抗干扰能力低。

二、边沿触发的触发器(常叫触发器)

边沿触发:当CLK的下降沿或者上升沿来到时,触发器才开始接受输入的信号。

1、边沿D触发器

边沿D触发器由两个电平D触发器和两个非门构成

其中,图(a)是由两个电平触发的D触发器组成的边沿D触发器的原理性框图。其中FF1和FF2是利用CMOS传输门组成的电平触发D触发器。

具体实现边沿触发的原理:

1、当CLK = 0,C= 0,C’ = 1,TG1导通(圆圈表示低电平有效),TG2截止,这时,Q1 = D,并且,在CLK = 0期间,Q将随D变化而变化;同时,因为TG3截止,TG4导通,Q1的输出并不传输到FF2,所以FF2的输出Q保持不变。 2、当CLK上升沿到达时,CLK = 1,C = 1,C’ = 0,TG1截止,TG2导通,由于反相器G1的电容效应,G1输入端电压不会立即变化,于是Q1’ = 上一个保持的D’;再由于TG3导通,TG4截止,Q1’输入到FF2并由反相器输出到Q; 最终Q* = D,因为TG1截止,所以Q不随D的变化而变化,只是记录了上升沿到来前的那个时刻的值; 3、在上个CLK = 1的期间,Q一直等于D,在当下一个下降沿到来时,CLK = 0,TG1导通,TG3截止,即使这时候D输入变化,也无法传输到FF2的Q输出端,必须等待下一个上升沿到来,Q才会随D变化,实现了上升沿触发,所以这是一个上升沿触发。

在这里插入图片描述

2、带异步置位复位边沿D触发器

具体原理与带异步复位的SR锁存器类似。 在这里插入图片描述

3、边沿触发方式的动作特点

触发器的次态仅取决于时钟信号上升沿(或者下降沿)到达时输入的逻辑状态,,而在这之前和之后,输入信号都不影响次态,有效地提高了触发器的抗干扰能力。 但是,正因为是在时钟边沿寄存数据,几乎可以说是在上升沿这一个时刻寄存数据,所以如图5.5.1,时钟上升沿到来时,Q1端开始寄存数据,而D到Q1和CLK到变为C’的传输延迟不一样,所以数据D必须先时钟到来一段时间输入到D端,否则,当上升沿到来,Q1的值不确定,输出的Q端数据也会出现不确定的值,即亚稳态,这一段时间称为建立时间Tsu。下面会有较详细介绍。

三、脉冲触发的触发器

为了提高触发器工作的可靠性,希望在每个CLK周期里输出端的状态只能改变一次,于是设计出了脉冲触发器。

1、脉冲触发的SR触发器

在这里插入图片描述 如图是脉冲触发的SR触发器,也称为主从触发器,主触发器和从触发器均是电平触发的SR触发器。

具体实现脉冲触发的原理: 1、当CLK = 1时,G7和G8被打开,G3和G4被封锁;主触发器根据SR的状态进行翻转,而从触发器保持不变; 2、当CLK回到低电平,CLK = 0时,G7和G8被封锁,G3和G4被打开;从触发器根据主触发器相同的状态进行翻转,因此在一个周期内,输出端状态只改变一次。而且变化发生在下降沿,这跟边沿触发器类似。 在这里插入图片描述

2、脉冲触发的动作特性

1、触发器翻转分为两步。第一步是主触发器在CLK= 1(CLK = 0)时根据输入S、R翻转,从触发器不变;第二步是从触发器在下降沿(上升沿)到来时根据主触发器翻转状态。 2、因为主从触发器的本身是电平触发的SR触发器,所以在CLK = 1(或者CLK = 0)的所有时间内,输入信号都将对主触发器起作用。

四、触发器分类

按照逻辑功能的不同特点,通常将始终控制的触发器分为SR触发器、JK触发器、T触发器和D触发器。

1、SR触发器

在这里插入图片描述 在这里插入图片描述

2、JK触发器

在这里插入图片描述 在这里插入图片描述

3、T触发器

在这里插入图片描述 在这里插入图片描述 在这里插入图片描述

4、D触发器(在FPGA中使用最多)

在这里插入图片描述 在这里插入图片描述

五、触发器的动态特性

触发器的动态特性包括建立时间、保持时间、传输延迟时间和最高时钟频率等。

1、建立时间(setup time )Tsu

在上面D触发器的特点中,提到过建立时间,建立时间是指输入信号应该先于时钟信号CLK动作沿到达的时间。如果不满足建立时间,就会出现亚稳态的现象,即输出的值不确定,对系统造成破坏。 在这里插入图片描述 如上图,上图是边沿出发的D触发器。

为了保证触发器的稳定可靠低翻转(防止出现亚稳态),在C和C’改变之前,FF1中的Q和Q’必须稳定地建立起来,使Q1 = D。由于加到D端的输入信号需要经过传输门TG1和反相器G1、G2的传输延迟时间才能到达Q1端,而在CLK的上升沿到来之后,只需经过反相器G5的传输延迟时间,C’就可以变化,因此D端的输入信号必须先于CLK上升沿至少2td时间到达,所以Tsu = 2td。(td为门延迟时间,每个门电路的延迟时间不一致,这里统一用td代替)

2、保持时间(Hold time )Th

保持时间是指时钟信号CLK动作沿到达后,输入信号仍然需要保持不变的时间。如上图,在C和C’改变状态是TG1变为截止和、TG2变为导通之前,D端的输入信号应当保持不变,为此,至少在CLK上升沿到达后2td的时间内,输入信号应当不变,即Th = 2td。

3、传输延迟时间(Propagation delay time )Tpd

传输延迟时间是指从CLK动作到达开始,直到触发器输出的新状态稳定建立所需要的时间。 如上图,FF2输出端Q的新状态需要经过C、C’、TG3、和G3的传输延迟以后才能建立起来,所以输出端Q的传输延迟Tpdq = 4td。而Q’端还要经过G4的传输延迟才能建立起来,所以Tpdq’ = 5td。

4、最高时钟频率(Maximum clock frequency)fmax

最高频率是指触发器在连续、重复翻转的情况下,时钟可以达到的最高重复频率。 如上图,为了保证触发器可靠低翻转,CLK的低电平持续时间Twl必须大于建立时间,即Twl(min) = 2td。 而在CLK变成高电平之后,直到Q’新状态建立起来以前,TG3必须保持导通状态,因而C和C’的状态不能改变。考虑到需要经过G5的传输延迟时间td以后,C和C’才改变,所以CLK的高电平持续时间必须大于Tpdq’-td,所以Twh最小值应该为Twh(min) = 4td。 所以得到最高频率 fmax= 1/(Twl(min) + Twh(min)) = 1/(6td)。 如果考虑占空比50%,Twl(min) = Twh(min),fmax= 1/(8td)。

注意:td是对每个门电路延迟时间的统称,不一定每个门电路延迟时间相等。



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