嵌入式硬件篇---数字电子技术中的触发器
嵌入式硬件篇---数字电子技术中的触发器
触发器是数字电子技术中存储二进制信息的基本单元，广泛应用于时序电路设计。本文将详细介绍SR触发器、D触发器、JK触发器和T触发器的工作原理、特性方程、逻辑结构及使用示例，并结合实际应用场景进行分析。
前言
本文仅仅简单介绍了SR触发器、D触发器、J触发器、T触发器的使用。
简介
数字电子技术中的触发器是存储二进制信息的基本单元，广泛应用于时序电路设计。不同触发器类型在结构、功能和应用场景上各有特点。以下详细介绍常用触发器的工作原理、特性方程、逻辑结构及使用示例，并结合实际应用场景进行分析。
1. SR触发器（Set-Reset Flip-Flop）
工作原理
基本结构：由两个交叉耦合的与非门（或或非门）构成，是最简单的锁存器（电平触发）。
输入信号：
- S（Set）：置位端（高电平有效），使输出Q=1。
- R（Reset）：复位端（高电平有效），使输出Q=0。
真值表：
S | R | Q(t+1) | 状态描述 |
|---|---|---|---|
0 | 0 | Q(t) | 保持 |
0 | 1 | 0 | 复位—>0 |
1 | 0 | 1 | 置位—>1 |
1 | 1 | 无效 | 禁止状态（不稳定） |
缺点：存在禁止状态（S=R=1时输出不确定），需避免输入同时为高电平。
应用示例：按键消抖电路：利用SR锁存器消除机械开关的抖动信号。
当按键按下时，S=1、R=0 → Q=1；松开时，S=0、R=1 → Q=0，输出稳定。
2. 钟控SR触发器（Clocked SR Flip-Flop）
工作原理
改进点：在基本SR触发器前增加时钟控制门（与门），由时钟信号（CLK）控制输入。
触发条件：CLK=1时，输入S和R有效；CLK=0时保持状态。
问题：电平触发可能导致“空翻”（多个状态变化），不适用于高速电路。
应用示例：简单状态机：用于CLK信号同步的简单控制逻辑，如电机启停控制。
3. D触发器（Data Flip-Flop）
工作原理
结构改进：通过将SR触发器的S和R端反向连接，避免禁止状态，仅需单个数据输入（D）。
功能：CLK边沿（上升沿或下降沿）触发时，输出Q=D。
特征方程：
𝑄(𝑡+1)=𝐷
触发方式：边沿触发（抗空翻），常用主从结构或传输门实现。
应用示例：
- 寄存器：存储多位数据。
// 4位D触发器寄存器
module reg_4bit (input clk, input [3:0] D, output reg [3:0] Q);
always @(posedge clk) Q <= D;
endmodule
- 移位寄存器：串行转并行数据转换。
// 右移寄存器（带串行输入）
module shift_reg (input clk, input sin, output reg [3:0] Q);
always @(posedge clk) Q <= {sin, Q[3:1]};
endmodule
4. JK触发器（JK Flip-Flop）
工作原理
结构改进：在SR触发器基础上增加反馈，解决禁止状态问题。
输入J（Set）和K（Reset），当J=K=1时，输出翻转（𝑄(𝑡+1)=𝑄(𝑡)‾Q(t+1)= Q(t)）。
特征方程：
𝑄(𝑡+1)=𝐽𝑄(𝑡)‾+𝐾‾𝑄(𝑡)
主从结构：避免空翻，CLK高电平期间主触发器采样，CLK下降沿从触发器更新。
应用示例：
- 计数器：实现二进制计数。
// 模4计数器（使用JK触发器）
module counter_mod4 (input clk, input rst, output reg [1:0] count);
always @(posedge clk or posedge rst) begin
if (rst) count <= 2'b00;
else count <= count + 1;
end
endmodule
- 状态机：实现复杂控制逻辑。
5. T触发器（Toggle Flip-Flop）
工作原理
简单版本：将JK触发器的J和K端短接为T输入。
T=1时：输出翻转（𝑄(𝑡+1)=𝑄(𝑡)‾Q(t+1)= Q(t)）。
T=0时：保持原状态。
特征方程：𝑄(𝑡+1)=𝑇⊕𝑄(𝑡)
应用实例：
- 分频器：将时钟频率分频为1/2。
// 2分频电路
module clk_divider (input clk, output reg clk_out);
always @(posedge clk) clk_out <= ~clk_out;
endmodule
6. 集成触发器芯片示例
74LS74（双D触发器）
功能：带异步复位（Reset）和置位（Set）的上升沿D触发器。
应用：同步数据锁存、去抖动电路。
74LS112（双JK触发器）
功能：带异步复位的下降沿JK触发器。
应用：计数器、频率合成器。
7. 触发器选择与设计要点
触发方式：
- 边沿触发（D、JK）适用于高速电路。
- 电平触发（SR锁存器）用于简单控制。
功能需求
- 数据存储：选择D触发器。
- 状态翻转：选择JK或T触发器。
时序约束
建立时间（Setup Time）和保持时间（Hold Time）需满足。
总结
不同触发器在数字系统中承担不同角色：
- SR锁存器：基础锁存器，适合消抖和简单控制。基础但需避免禁止状态。
- D触发器：简单可靠，适合数据存储和流水线设计。简单可靠，适合数据流水线。
- JK触发器：功能灵活，适合计数器和状态机。功能全面，支持保持、置位、复位和翻转。
- T触发器：简化版JK触发器，适合分频和计数。专用于周期翻转场景（如分频器）
设计时需根据功能需求、时序约束和电路复杂度综合选择，并通过仿真验证时序正确性。例如，在FPGA中，D触发器是主流选择；而在ASIC中，可能根据功耗和面积优化选择触发器类型。
