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【ShuQiHere】深入解析数字电路中的锁存器与触发器

news 2024/10/23 5:18:10

深入解析数字电路中的锁存器与触发器 🤖🔌

在数字电路设计中，**锁存器（Latch）和触发器（Flip-Flop）**是实现时序逻辑的基本元件。它们能够存储状态，是构建复杂数字系统的关键。本文将深入探讨 SR 锁存器的 NOR 和 NAND 实现、带门控的 SR 锁存器、时钟锁存器、D 触发器、SR 触发器和 JK 触发器等核心概念，帮助大家全面理解这些元件的工作原理和应用。🚀

一、SR 锁存器（SR Latch）🔒

**SR 锁存器（Set-Reset Latch）**是最基本的存储单元，能够存储一位二进制信息。

1.1 SR 锁存器的 NOR 门实现

SR 锁存器通常由两个交叉连接的 NOR 门（NOR Gate） 构成

输入端：

S（Set，置位）：用于将输出 $Q$ 设置为 1。
R（Reset，复位）：用于将输出 $Q$ 复位为 0。

输出端：

$Q$ ：主输出，表示当前存储的状态。
$Q^{'}$ （ $Q$ 的反相输出）：始终与 $Q$ 相反，即 $\overline{Q}$ 。

真值表：

S	R	Q(t)	Q(t+1)	状态
0	0	0	0	保持（存储0）
0	0	1	1	保持（存储1）
0	1	X	0	复位
1	0	X	1	置位
1	1	X	不允许	非法状态

❗ **注意：**在 NOR 门实现的 SR 锁存器中，当 $S = 1$ 且 $R = 1$ 时，电路进入非法状态，需要在设计中避免。

工作原理：

保持状态（Memory State）：

当 $S = 0$ 且 $R = 0$ 时，锁存器保持当前状态，即 $Q (t + 1) = Q (t)$ 。
置位状态（Set State）：

当 $S = 1$ 且 $R = 0$ 时，输出被置为 $Q = 1$ ， $Q^{'} = 0$ 。
复位状态（Reset State）：

当 $S = 0$ 且 $R = 1$ 时，输出被复位为 $Q = 0$ ， $Q^{'} = 1$ 。

1.2 SR 锁存器的 NAND 门实现

SR 锁存器也可以用 NAND 门（NAND Gate）
输入端：

$\overline{S}$ （Set 的反相）：低电平有效的置位输入。
$\overline{R}$ （Reset 的反相）：低电平有效的复位输入。

真值表：

$\overline{S}$	$\overline{R}$	Q(t)	Q(t+1)	状态
1	1	0	0	保持（存储0）
1	1	1	1	保持（存储1）
0	1	X	1	置位
1	0	X	0	复位
0	0	X	不允许	非法状态

🌟 **提示：**在 NAND 门实现的 SR 锁存器中，输入信号是 低电平有效 的，与 NOR 门实现相反。

工作原理：

保持状态（Memory State）：

当 $\overline{S} = 1$ 且 $\overline{R} = 1$ 时，锁存器保持当前状态。
置位状态（Set State）：

当 $\overline{S} = 0$ 且 $\overline{R} = 1$ 时，输出被置为 $Q = 1$ 。
复位状态（Reset State）：

当 $\overline{S} = 1$ 且 $\overline{R} = 0$ 时，输出被复位为 $Q = 0$ 。

二、带门控的 SR 锁存器（Gated SR Latch）🔑

为了解决 SR 锁存器在输入变化时可能出现的 毛刺（Glitch） 问题，引入了 使能信号（Enable，EN），形成了带门控的 SR 锁存器。

工作原理：

EN = 1（使能）：
- 锁存器根据输入 $S$ 和 $R$ 进行置位或复位操作。
- 与标准的 SR 锁存器行为一致。
EN = 0（禁用）：
- 锁存器忽略 $S$ 和 $R$ 的输入。
- 输出 $Q$ 和 $Q^{'}$ 保持不变，实现记忆功能。

逻辑表达式：

当 EN = 1 时：

$\overline{\overline{S \cdot EN} \cdot \overline{Q(t)}}$

当 EN = 0 时：

$Q (t + 1) = Q (t)$

🛡️ **优势：**通过使能信号，电路只在需要时更新状态，增强了稳定性，避免了不必要的状态变化。

三、时钟锁存器与触发器⏰

3.1 时钟锁存器（Clocked Latch）

在锁存器的基础上加入 时钟信号（Clock，C），形成时钟锁存器，使状态变化受时钟控制。

工作原理：

C = 1（时钟高电平）：
- 锁存器响应输入 $S$ 和 $R$ ，进行状态更新。
C = 0（时钟低电平）：
- 锁存器忽略输入，保持当前状态。

🔄 **说明：**时钟锁存器通常是 电平触发（Level-Triggered） 的，在时钟高电平期间允许状态变化。

逻辑表达式：

当 $C = 1$ 时：
- $\overline{R} \cdot Q(t)$

3.2 触发器（Flip-Flop）与边沿触发

触发器 是在时钟信号的 边沿（Edge） 进行状态变化的存储元件。

边沿触发（Edge-Triggered）：
- 状态变化仅在时钟信号的上升沿或下降沿发生。
电平触发（Level-Triggered）：
- 状态变化在时钟信号的高或低电平持续期间发生。

⏳ 区别：

锁存器（Latch）：通常是电平触发的。
触发器（Flip-Flop）：通常是边沿触发的。

⏰ **提示：**触发器是边沿触发的，确保了电路的同步性，避免了毛刺问题。

四、D 触发器（D Flip-Flop）💾

D 触发器（Data Flip-Flop） 是最常用的触发器之一，具有简单可靠的特性。

特点：

单输入 D：只有一个数据输入 $D$ ，简化了控制逻辑。
边沿触发：在时钟信号的有效边沿， $D$ 的值被捕获并存储到 $Q$ 。
无非法状态：避免了 SR 触发器的非法状态问题。

真值表：

Clock Edge	D	Q(t+1)	状态
↑	0	0	存储 0
↑	1	1	存储 1
-	X	Q(t)	保持（无变化）

工作原理：

时钟边沿到来时：
- $Q (t + 1) = D$ ：输出 $Q$ 立即更新为输入 $D$ 的值。
时钟边沿之外：
- $Q (t + 1) = Q (t)$ ：输出 $Q$ 保持之前的状态。

逻辑表达式：

$Q (t + 1) = D$ （在时钟边沿时）

💾 **应用：**D 触发器被广泛用于寄存器和时序电路中，作为基本的 一位存储器（1-bit Memory）。

示例代码：

module D_FF (input wire D,input wire Clock,output reg Q
);always @(posedge Clock) beginQ <= D;end
endmodule

解释：

@(posedge Clock)：在时钟的上升沿触发。
Q <= D;：将输入 $D$ 的值赋给输出 $Q$ 。

五、JK 触发器（JK Flip-Flop）🔄

JK 触发器 是 SR 触发器的改进版，解决了非法状态的问题，增加了 状态翻转（Toggle） 功能。

输入端：

J：对应于置位功能。
K：对应于复位功能。

真值表：

J	K	Q(t)	Q(t+1)	状态
0	0	0	0	保持
0	0	1	1	保持
0	1	X	0	复位
1	0	X	1	置位
1	1	0	1	翻转
1	1	1	0	翻转

工作原理：

保持状态（Memory State）：
- 当 $J = 0$ 且 $K = 0$ 时， $Q (t + 1) = Q (t)$ 。
置位状态（Set State）：
- 当 $J = 1$ 且 $K = 0$ 时， $Q (t + 1) = 1$ 。
复位状态（Reset State）：
- 当 $J = 0$ 且 $K = 1$ 时， $Q (t + 1) = 0$ 。
状态翻转（Toggle State）：
- 当 $J = 1$ 且 $K = 1$ 时， $\overline{Q(t)}$ 。

🔁 **优势：**在 $J = 1$ 和 $K = 1$ 时，JK 触发器不会进入非法状态，而是执行状态翻转，适用于计数器等需要频繁切换状态的电路。

逻辑表达式：

$\cdot \overline{Q(t)} + \overline{K} \cdot Q(t)$

示例代码：

module JK_FF (input wire J,input wire K,input wire Clock,output reg Q
);always @(posedge Clock) begincase ({J, K})2'b00: Q <= Q;            // 保持2'b01: Q <= 0;            // 复位2'b10: Q <= 1;            // 置位2'b11: Q <= ~Q;           // 翻转endcaseend
endmodule

解释：