数字电路锁存器和触发器(数电锁存器和触发器的区别)

导语：数字电路的奥秘：从锁存器到触发器

数字电路根据其逻辑功能的不同特点，可分为组合逻辑电路和时序逻辑电路两大类。组合逻辑电路的输出输出只取决于输入，与电路的状态无关。时序逻辑电路的输出不但与当时所加在电路上的输入信号有关，而且还与电路的状态也有关系。既然时序逻辑电路的输出与状态有关，那么在时序逻辑电路中必然存在用于存储电路状态的器件。

锁存器和触发器是时序逻辑电路中基本的存储器件。锁存器与触发器有什么不同的特点？两者产生的背景如何？锁存器和触发器有哪些功能类型？下面简要进行讨论。

1.锁存器的产生与动作特点

将两个反相器交叉耦合就可以构成数字电路中最基本的存储电路，称为双稳电路，如图1所示。所谓交互耦合，是指第一个门电路的输出作为第二个门电路的输入（称为正向连接），第二个门电路的输出又作为第一个门电路的输入（称为反馈连接）。若将反相器G1的输出命名为Q，则反相器G2的输出为Q&39; = 1时表示存储数据为0，定义Q = 1、Q&39;用于将锁存器置1（set），RD&39; 同时为1或者同时为0），所以在正常应用时，不允许SR锁存器的两个输入端同时有效！即要求SD&39;=1或者SDRD=0，称为SR锁存器的约束条件。

基本SR锁存器的输入信号不受其它信号的控制，是直接作用的，输入信号的变化能够实时决定锁存器的状态。当数字电路中有多个存储单元时，就需要为存储单元引入控制信号，以协调这些存储单元的动作。

在基本SR锁存器基础上，通过与非门G1和G2组成的门控电路引入了时钟CLK的锁存器称为门控SR锁存器（gated set-reset latch），如图3所示。

图3 门控SR锁存器

门控SR锁存器和基本SR锁存器一样，具有置0、置1和保持三种功能。由于门控SR锁存器在时钟CLK有效电平期间，两个输入信号同时有效时仍然会导致锁存器的状态错误。因此，门控SR锁存器仍然需要遵守SR=0的约束条件。

为了消除约束，方便应用，需要对门控SR锁存器进行改进。一种改进思路是使R和S互为相反，即取S=D、R=D&39;互为相反的特点来满足约束条件。具体的做法是，将SR触发器的输出Q反馈到R端与K信号相与，将Q&39;反馈到J端，所以当Q=1时将J信号封锁（相当于J=0），在K信号的作用下只能将触发器置0或者保持，因此在一个时钟周期内，触发器被置0后也不可能再返回到原来的1状态。根据上述分析可知，主从式JK触发器在每个脉冲周期内只能翻转一次，当触发器受到干扰发生误翻后就不可能再返回原来的状态了。主从式触发器目前已经被淘汰，被性能更优越的边沿触发器所取代。

边沿触发器只在时钟脉冲的边沿（上升沿或者下降沿）工作，其余时间均不工作。由于工作时间极短，所以受到干扰的概率很小，因而具有很强的抗干扰能力。边沿D触发器的电路框图如图7所示，由两级门控D锁存器级联构成，在时钟脉冲的上升沿工作。

图7 边沿D触发器

边沿D触发器的工作过程是：（1）时钟脉冲为低电平时，第一级锁存器工作，其输出Q1随输入信号D变化，第二级锁存器保持原来的状态不变；（2）当时钟脉冲的上升沿到来时，第一级锁存器由工作转为保持，Q1锁定了上升沿到来瞬间输入信号D的值。与此同时，第二级锁存器开始工作，其输出Q跟随Q1变化，而Q1为时钟CLK上升沿到来瞬间输入信号D的值；（3）时钟脉冲为高电平时，第一级锁存器保持、第二级锁存器跟随，此时Q=Q1=D保持不变；（4）时钟脉冲下降沿到来时，第一级锁存器工作，开始接收下一个周期输入信号D的数据。与此同时，第二级锁存器由工作转为保持，保持上一个时钟脉冲上升沿到来时输入D的值不变。

综上分析，边沿D触发器的状态仅取决于时钟脉冲上升沿到达时刻输入信号D的值，其余时间均保持不变，即上升沿之前和之后输入信号D的变化对触发器的状态都没有影响。边沿触发器这一特点有效地提高了触发器工作的可靠性。

3.锁存器和触发器的功能类型

基本SR锁存器的输入信号不受其他信号的控制，其状态直接由置0 和置1信号共同决定。门控锁存器是在时钟的有效电平期间工作的存储器件，有门控SR锁存器和门控D锁存器两种类型。其中SR锁存器具有置0、置1和保持三种功能，而D锁存器只具有置0和置1两种功能。

触发器是在时钟脉冲的边沿进行状态更新的存储器件，有主从式和边沿等多种电路结构，有SR触发器、D触发器和JK触发器三种类型。其中SR触发器具有置0、置1和保持三种功能，D触发器具有置0和置1两种功能，而JK触发器具有置0、置1、保持和翻转四种功能。

若将JK触发器的两个输入端J和K相连，并且命名为T，那么当T=0时触发器保持，T=1触发器翻转。这种只具有保持和翻转功能的触发器称为T触发器。若将JK触发器的输入信号J和K都接高电平，则能够构成只具有翻转功能的T&39;触发器可以看作是JK触发器的应用。另外，将D触发器的输出Q&39;触发器。

D触发器虽然功能简单，但由于只有一个输入端，所以应用很方便。JK触发器功能最强大，因而合理应用JK触发器可以简化电路设计。

D触发器和JK触发器有商品化的器件出售，其中74HC74为上升沿工作的双D触发器，而74HC112为下降沿工作的双JK触发器。

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