「数字电子技术基础」6.触发器

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触发器

触发器(Flip-Flop)，从英语单词来看就是“翻转器”的意思。首先，数字器件只有01两种状态，因此数字电路工作的过程也就是01之间翻转的过程。为什么叫触发器呢？因为这个元件进行翻转，需要一个触发。按照触发的条件不同，可以将触发器分为无触发、电平触发（时钟触发）、脉冲触发、边沿触发。
不过比起触发方式，更加通用的分类方法是按照逻辑功能。这样可以分为RS、JK、D、T触发器。

RS触发器

R->Reset，清零
S->Set，置位
输入置位和清零信号，触发器给出相应的动作。

引入（基本RS触发器）

上图：如果要存一个状态（0或者1），可以采用两个非门串连。由于数字电路具有稳定性，最终的输出总会稳定到高质量的0或者高质量的1。
中图：但是只用两个非门的话到底存了0还是存了1呢？实际上是随机的。为了能够自主控制，将非门换成或非门。如果I₁和I₂输入0，那么与非门就退化成非门了。如果有输入1，也就会有相应的Q和Q’的输出。
下图：这样就构成了基本RS触发器

用Q来表达现在Q的状态，Q*表达Q的下一个状态
R_d->reset directly
S_d->set directly
不需要触发，可以直接改变输出。

详细的电路分析这里就不再赘述了。RS触发器的特性就是，R和S都无效时保持，只有一个有效时对应置位和清零，1两个都有效是应该避免的状态，因为可能产生不定。
除了用或非门，还可以用与非门构成RS触发器。

观察这个电路，发现用了非门，这是为了保持高电平有效。但实际上也会有低电平有效的电路。这里就展示封装好的原理图了。

状态转换图
在圈里写的是Q的状态，从一个状态指向另一个状态，这条线上的是发生这个转换的条件。

状态方程
$$\begin{gathered} Q^{\ast }=S+R\overline{Q} \\ SR=0 \end{gathered}$$

时钟（电平触发RS触发器）

看了之前的基本RS触发器结构发现，只要输入发生改变，输出就会有相应的变化，那也就意味着不论有什么干扰，都会被反应到输出上面。所以我们想要控制它什么时间工作，什么时间不工作。也就是引入一个控制信号。控制不同的模块协同工作的脉冲信号就叫做时钟信号。
通过与非门控制，当时钟为高电平，与非门退化成非门。而当时钟为低电平，与非门就不通了，达到了控制的作用。

不管怎么改，这些我们接触到的触发器核心都是RS触发器，也就是可以直取首级，通过异步S_D和R_D直接清零和置位的。不过有的时候为了简便就不写了。
这样一来，解决了一半的干扰问题，也就是时钟的低电平区间，输出稳定了，但是时钟的高电平区间依然面临干扰。而且SR=0的限制也并没有解除。

主从（脉冲触发RS触发器）

下面这个故事应该能有助于大家理解主从结构。
假如你是一个面试官，面试一个人安排了十分钟。但是面试者可能会提前到，直接推门进来打断前面的面试。也可能打开门的时候请进来的是一个路过的路人。
为了保证面试尽量少的被干扰，可以采取这样一种方式：
设置一个只能容纳一人的等待室。那么等你下次开门的时候进来的就一定是等待室里面的这个人了。
这就是主从结构的要点：用一个触发器担任等待室，接收外部的信号。用另一个触发器担当输出，输入经过前级触发器处理过的信号。

观察这个电路图，当CLK处于高电平，前面的SR触发器（主触发器）处于接收信号的状态，也会有产生相应的相应。但是后面的SR触发器（从触发器）输入为00，处于保持状态，输出稳定。当CLK处于低电平，前面的SR触发器处于保持状态，外部扰动不影响输出，这样后面的触发器就能取道稳定的数据，保持输出稳定。
解释一下为什么这样构成的叫做脉冲触发。从CLK的上升沿开始，到CLK的下降沿，这是一个脉冲。在这个脉冲内，主触发器接收信号。直到CLK的下降沿，从触发器输出新状态。在这个脉冲周期内的所有输入都有可能影响输出。举个例子：

在（1）段，CLK高电平整个过程中都是置位有效清零无效，因此CLK下降沿Q输出1；
在（2）段，CLK高电平整个过程中都是置位无效清零无效，因此CLK下降沿Q保持之前的状态；
在（3）段，虽然CLK下降沿瞬间是保持，但是由于在脉冲周期内，是先清零，再保持，因此CLK的下降沿Q将输出0；

主从结构的图示为两个小台阶。

RS触发器的常见结构就这些了，最终发现输入的限制仍旧没有解除，需要在输入的时候格外注意，保证SR=0。为了解决输入的限制，采用了两种新的思路。

D触发器

D->Data（也有一个版本叫Delay）
输入数据信号，将这个数据信号输出（因为有传输延迟时间所以Delay也挺贴切的）
如果要保证SR=0，那么我让S=D，R=D’，这样两个量永远处于相反状态，限制就解除了。以这个思路制作D触发器。

基本D触发器

具体是不是叫这个名字还有待考证。总之就是没有时钟的D触发器。在实际中应该是完全见不到的。

电平触发D触发器

满足：Q=D（clk高电平）
在满足时钟控制的前提下解决了输入限制的问题。但是也带来了新的问题：RS触发器输入00代表保持。而由于D触发器的结构，00是不可能出现的。也就是失去了保持的功能。要想保持，就必须不断输入相应的信号。

边沿触发D触发器

这个触发器也是主从结构，但是怎么就变成边沿触发了呢？因为D触发器是没有保持功能的。所以在CLK边沿来临的时候，输入是什么，输出就是什么。它和脉冲触发的区别就在于脉冲触发需要看整个脉冲周期，而边沿触发只要看边沿的瞬间就可以了。

这里补充一个知识点：延迟的存在

在（2）段，虽然上升沿时D也变化，但是由于延迟的存在，我们认为上升沿采样时D还没有来得及变化。也就是当输入和触发同时变化时，取输入的原态

JK触发器

关于JK两个字母的由来有许多版本。其中比较可信的是，某个大佬在表达触发器输入的时候，采用了AB，CD，EF，GH，JK这一组字母（I可能留给其他的输入了）因此也就有了J输入和K输入的概念。
JK触发器采用和D触发器不同的设计理念。D触发器是从输入下手，杜绝了同时输入有效的情况。而JK触发器则是更改了电路结构，通过引入反馈，使得同一时刻只有一个输入有效，而另一个输入无效。

脉冲触发JK触发器

虽然最外面的JK输入是11，但到内层，RS的输入只存在00，01，10的情况。解决了限制。
不过这也引入了新的问题。不管JK触发器处于什么状态，它要么保持，要么向相反方向翻转。但是如果受到干扰，意外翻转了，那么是没有办法再翻转回来的。因此抗干扰的能力比较弱。

边沿触发JK触发器

内部结构比较复杂，也不需要掌握只需要识别>符号代表边沿触发，不取反表示上升沿，取反表示下降沿就可以了。

T触发器和T’触发器

T->Toggle（翻转）
不太重要的两个触发器，内部结构也不再介绍。左边是T，右边是T’

触发器的状态方程

这个内容非常重要。前面的电路结构，触发方式都是背景知识。真正使用触发器的时候，是使用它的状态方程的。

不同触发器间的转换

首先明确一点：所有触发器都可以由JK触发器转化而成
这里举两个例子：

1.用D触发器加逻辑门构成JK触发器

这代表了第一种思路：通过状态方程，求解触发器的输入。有可能有一些简单的转换是不需要外加门电路的，直接将输出引回某个输入就可以了。

2.使用与门和D触发器构成T触发器

这是一个比较骚的操作，但是也揭示了一个新的思路：可以通过控制时钟来控制触发器的功能。