探討《數字邏輯》課程中觸發器的教學方法

摘 要 本文介紹了數字電路中各種觸發器的電路結構特點。以基本RS觸發器主線，將電路結構逐步進行優化，功能逐漸完善，依次介紹各種觸發器及他們之間的相互關系。

關鍵詞 觸發器 真值表 狀態方程 時序圖

中圖分類號：G642文獻標識碼：A

0 引言

觸發器是數字電子器件，它具有在激勵輸入變化后存儲二進制信息的能力，因此，在二進制數據存儲的許多應用中，觸發器是基本存儲單元。①如果按照觸發器的電路結構可分為基本RS觸發器和時鐘觸發器。時鐘觸發器中，按照觸發方式又可分為電平觸發和邊沿觸發兩種。電平觸發的觸發器中，又有同步觸發器和主從觸發器。若按照觸發器的邏輯功能分有RS觸發器、JK觸發器、D觸發器、T觸發器、T’觸發器。由于觸發器種類繁多，教學過程中一定要掌握方法和技巧，方能得心應手。筆者從多年的教學過程中總結出各種觸發器之間的關系如圖1所示：

圖1 觸發器之間的關系圖

1 基本RS觸發器

先從最基本RS觸發器的結構出發來分析它的功能。結構可以總結出四個兩：兩個與非門，兩個輸入信號，兩個輸出端，兩根反饋線。從結構中可以分析出它的功能最后用三句話來進行總結：00不定，相異從R，11不變。以后在分析的過程中，只要牢記這三句話，一切問題都迎刃而解。

基本RS觸發器具有復位（Q = 0）、置位（Q = 1）、保持原狀態三種功能，R為復位輸入端，S為置位輸入端。觸發器的工作狀態直接受R、S端的兩個輸入信號的控制，且只要有一個輸入端有效，觸發器就立即翻轉為新的狀態。而在實際電路中，通常包括很多觸發器且希望觸發器按一定的節拍翻轉。這樣就要在基本RS觸發器的基礎上，電路要進行改進，為此，給觸發器加一個時鐘控制信號CP和兩個受控與非門，只有在CP端上出現時鐘脈沖時，觸發器的狀態才能變化。具有時鐘脈沖控制的觸發器稱為時鐘觸發器，又稱同步觸發器（或鐘控觸發器），因為觸發器的狀態的改變與時鐘脈沖同步。②

2 同步觸發器

2.1 同步RS觸發器

同步RS觸發器在基本RS觸發器的基礎上加一個時鐘控制信號CP和兩個受控與非門，同步RS觸發器雖然解決了直接由輸入信號控制輸出信號的現象，并且按同一CP節拍進行變化，但是仍然存在約束項的問題，要去掉同步RS觸發器約束項，需要在同步RS觸發器的基礎上再加兩根反饋線，而構成同步JK觸發器。

2.2 同步JK觸發器

同步JK觸發器在同步RS觸發器的基礎上外加兩根引線從邏輯功能表中，可以用三句話來進行總結：00不動，相異從J，11翻轉。

2.3 其它同步觸發器

同步D觸發器是同步JK觸發器的特殊情況，即在J = K = D、同步T觸發器是同步JK觸發器在J=K=T時的特殊情況、同步T’觸發器是同步JK觸發器在J=K=1時的特殊情況。

同步觸發器雖然使電路進行了優化但是又帶來新的問題：空翻現象。在一個時鐘脈沖周期中，觸發器發生多次翻轉的現象叫做空翻。空翻是一種有害的現象，它使得時序電路不能按時鐘節拍工作，造成系統的誤動作。要解決空翻現象，需要在同步RS觸發器的基礎上，再加一級觸發器從而構成主從觸發器。主從RS觸發器由兩級構成，其中一級直接接收輸入信號，稱為主觸發器，另一級接收主觸發器的輸出信號，稱為從觸發器。兩級觸發器的時鐘信號互補，從而有效地克服了空翻。③

造成空翻現象的原因是同步觸發器結構的不完善，要克服空翻現象，還需要從結構上采取措施，需要對電路進行優化。主從觸發器從此誕生。

3 主從觸發器

3.1 主從RS觸發器

主從RS觸發器是在同步RS觸發器的基礎上，再加一級觸發器和一個非門。主從RS觸發器邏輯功能和同步RS觸發器完全一樣，所以存在約束項。解決問題的方法，在主從RS觸發器的基礎上加兩根反饋線，引發出主從JK觸發器。

3.2 主從JK觸發器

主從JK觸發器是在主從RS觸發器的基礎上再加兩根反饋線。由以上電路分析可知：主從JK觸發器的邏輯功能和同步的JK觸發器的邏輯功能一樣即00不動（保持），相異從J，11翻轉。主從JK觸發器存在的問題：一次變化現象，要解決一次變化問題，仍應從電路結構上入手，讓觸發器只接收CP觸發沿到來前一瞬間的輸入信號。這種觸發器稱為邊沿觸發器。

4 邊沿觸發器

邊沿觸發器不僅將觸發器的觸發翻轉控制在CP觸發沿到來的一瞬間，而且將接收輸入信號的時間也控制在CP觸發沿到來的前一瞬間。因此，邊沿觸發器既沒有空翻現象，也沒有一次變化問題，從而大大提高了觸發器工作的可靠性和抗干擾能力。維持—阻塞邊沿D觸發器只有一個觸發輸入端D，因此，邏輯關系非常簡單。這種邊沿D觸發器的特性方程，狀態轉換圖及驅動表和同步D觸發器一樣。維持—阻塞邊沿D觸發器的結構，在同步RS觸發器的基礎上，再加兩個門，將輸入信號D變成互補的兩個信號分別送給R、S端，即R = D，S = D，就構成了同步D觸發器。為了克服空翻，并具有邊沿觸發器的特性，在同步D觸發器基礎上引入三根反饋線就轉化為維持—阻塞邊沿D觸發器。

可見從電路分析可知：維持—阻塞觸發器是利用了維持線和阻塞線，將觸發器的觸發翻轉控制在CP上跳沿到來的一瞬間，并接收CP上跳沿到來前一瞬間的D信號。維持—阻塞觸發器因此而得名。

5 結語

如果孤立地理解每個觸發器的話，很難弄清楚各個觸發器的功能。為此先掌握基本RS觸發器，由于此種觸發器有兩個弊端：輸出直接有輸入信號控制；特征方程有約束項，所以電路需要進行優化，即基本RS觸發器的基礎上加一個時鐘脈沖CP和兩個與非門，變成了同步RS觸發器，又因為同步RS觸發器的特征方程有約束項，即同步RS觸發器還要進一步優化，再加兩根反饋線而轉化為同步JK觸發器，若J = K = D則由同步JK觸發器轉化為同步D觸發器；若J = K = T 則轉化為同步T觸發器；若J = K = 1 則轉化為同步T’觸發器。同步觸發器有空翻現象，為了避免此現象的出現，電路要再進一步進行優化，即出現了主從RS觸發器，它的功能和同步RS觸發器相同，同樣特征方程有約束項，要去掉約束項必須再引出兩根反饋線變為主從JK觸發器。主從JK觸發器存在的問題：一次變化現象，最后把電路優化到邊沿觸發器，既沒有空翻現象，也沒有一次變化問題，從而大大提高了觸發器工作的可靠性和抗干擾能力。

基金項目：安徽新華學院教學研究項目：《數字邏輯》課程改革的研究與實踐（2010jy021）

注釋

① [美]John M.Yarbrough.數字邏輯應用與設計[M].機械工業出版社，2000.4.

② 楊志忠主編.數字電子技術[M].高等教育出版社，2000.8.

③ 徐維.數字邏輯系統與設計[M].科學出版社，2005.9.