触发器工作原理及种类

你知道吗？计算机和计算器使用触发器来进行记忆。一定数量的触发器组合将产生一定数量的内存。触发器是使用逻辑门形成的，而逻辑门又由晶体管制成。

触发器是电子设备内存中的基本构建块，每个触发器可以存储一位数据。触发器有两个稳定状态，因此它们是双稳态多谐振荡器，两个稳定状态分别是高（逻辑 1）和低（逻辑 0）。

之所以使用术语触发器，是因为它们可以在控制信号的影响下在状态之间切换，即它们可以“翻转”到一个状态并“翻转”回另一个状态。其主要特点包括：

• 触发器是二进制存储设备，因为它们可以存储二进制数据（0或1）。
• 触发器是边沿敏感或边沿触发设备，即它们对转换敏感，而不是对时钟信号的持续时间或宽度敏感。
• 也被称为信号变化敏感器件，即时钟信号电平的变化会带来触发器输出的变化。
• 工作方式取决于时钟脉冲。
• 也用于控制数字电路的功能，因为可以根据状态改变数字电路的操作。

触发器的种类

一些最常见的触发器包括SR触发器、D触发器、JK触发器和T触发器，下面分别来介绍下。

1、SR触发器

SR触发器是所有触发器中的基本触发器，所有其他触发器都是在SR触发器的基础上开发的。SR触发器如下图所示：

SR代表SET和RESET，这也可以称为RS触发器。不同的是RS是反相SR触发器。任何触发器都可以使用逻辑门构建。使用NAND和NOR门，因为它们是通用门。

下面是使用NAND门的SR触发器。

SR触发器的真值表：

工作过程：

从上面的真值表可以清楚地看出，SR触发器将在四个条件下置位或复位。

• 对于最后一个条件，它将处于无效状态。
• 当S=1且R=0时，SR触发器将被设置，如果S=1且R=1，则触发器会记住先前的状态。
• 当S=0且R=1时，触发器将被复位，如果S=1且R=1，则它会记住之前的状态。
• 但是当两个输入都为零时，SR触发器将处于不确定状态，其中Q和Q'将相同，这是不允许的。

通过向现有触发器添加门额外的门来避免这种不确定状态。这称为时钟或门控SR触发器，这仅产生高时钟脉冲的输出。以下是使用NAND门的时钟SR触发器的电路：

2、D触发器

在SR触发器中发生了一个不确定的状态，这可以通过使用D触发器来避免。这里D代表“数据（Data）”。它由SR触发器构成，其中计时SR触发器的两个输入 (S&R) 连接到反相器。

D触发器是使用最广泛的触发器之一，它有一个时钟信号（Clk）作为输入，数据（D）作为另一个输入。有两个输出，这些输出相互补充。D触发器的符号如下图所示。

真值表图如下：

使用NAND门的D触发器如下图所示：

工作过程：

• D触发器将根据时钟信号工作。
• 当时钟为低电平时，触发器的输出不会发生变化，即它会记住先前的状态。
• 当时钟信号为高电平并且在其数据引脚上接收到任何数据时，它会改变输出状态。
• 当数据为高时，Q复位为0，如果数据为低，Q被设置为0。
• 可以使用D触发器构建主从D触发器。

3、JK触发器

JK触发器以发明IC的电气工程师Jack Kilby的名字命名。

JK触发器是对SR触发器的修改。其中J输入类似于SR触发器的置位输入，而K输入类似于SR触发器的复位输入。SR触发器 (S=R=1) 中不允许的条件J=K=1被解释为切换命令。

在JK触发器中，共有：

• 两个数据输入J和K。
• 一个时钟信号输入 (CLK)。
• 两个输出Q和Q'。

真值表图如下所示：

使用门的JK触发器的电路如下所示，它类似于修改后的NAND SR触发器：

工作过程：

• 当 J为低且K为低时，Q返回其先前的状态值，即它保持当前状态。
• 当J为低而K为高时，触发器将处于复位状态，即Q=0，Q'=1。
• 当J为高而K为低时，触发器将处于置位状态，即Q=1，Q'=0。
• 当J为高且K为高时，触发器将处于Toggle状态或翻转状态，这意味着输出将补充先前的状态值。

T触发器也被称为“Toggle Flip – flop”，切换是在存在时钟输入信号的情况下将输出更改为先前状态的补码。

T触发器共有：

• T输入。
• 一个时钟信号输入 (CLK)。
• 两个输出Q和Q'。

其实可以通过使用任何其他触发器来构造一个T触发器。

• SR触发器：通过将S 触发器的输出反馈连接到输入 (S & R)。
• D触发器：将Q'连接到其D触发器的数据输入端作为反馈路径。
• JK触发器：通过将JK触发器的J&K输入组合成单输入，可以设计出T触发器。

由NAND JK触发器制成的T触发器电路如下图所示。

工作过程：

当T输入为低电平时，T触发器的下一个状态与当前状态相同，即保持当前状态。

• T=0并且当前状态=0然后下一个状态=0。
• T=0并且当前状态=1然后下一个状态=1。

当T输入为高时，T触发器的下一个状态被切换，即它与时钟转换时当前状态的补码相同。

• T=1并且当前状态=0然后下一个状态=1。
• T=1并且当前状态=1然后下一个状态=0。

关于触发方式

触发器输出的变化可以通过输入信号的微小变化来完成，这种微小的变化可以在时钟脉冲的帮助下完成，而该时钟脉冲称为触发脉冲。

所以触发器也被称为“触发”，当触发脉冲施加到输入时，会导致输出发生变化。触发器是寄存器和计数器中的基本组件，它们以多位数字的形式存储数据。连接数个触发器构成时序电路，所有这些触发器都需要触发脉冲。施加到输入的触发脉冲的数量决定了计数器中的数量。

目前主有两种触发方式：电平触发和边沿触发。

电平触发

根据输入的有效电平改变输出状态的触发过程称为“电平触发”。电平触发有两种类型，它们是：

• 高电平触发。
• 低电平触发。

在高电平触发中，触发器的输出仅在其使能输入处于高电平状态即逻辑高或逻辑1时发生变化。高电平触发的符号表示如下所示：

2、低电平触发

在低电平触发中，触发器的输出仅在其使能输入处于低状态即逻辑低或逻辑0时才发生变化。低电平触发的符号表示如下所示，低电平触发通常由时钟输入上的气泡标识。

边沿触发

在边沿触发中，仅当输入出现在时钟脉冲的任一跳变时，输出才会改变，即从低到高（0 到 1）或从高到低（1 到 0）。

边沿触发也有两种类型，它们是：

• 正边沿触发。
• 负边沿触发。

1、正边沿触发

在正边沿触发中，仅当输入处于时钟脉冲输入的正边沿时，输出才会改变，即从低到高（0 到 1）的转换。当需要触发器在低电平到高电平转换状态下响应时，使用正边沿触发方法。正边沿触发沿触发的符号表示如下所示。

2、负边沿触发

在负边沿触发中，只有当输入处于时钟脉冲输入的负边沿时，输出才会改变，即从高电平到低电平（1 到 0）的转换。当需要触发器在高电平到低电平转换状态下响应时，使用负边沿触发方法。负边沿触发的符号表示如下所示：

为什么说边沿触发优于电平触发？

最好使用边沿触发而不是电平触发。这是因为对于电平触发触发器的特定情况，电平触发可能会导致电路不稳定，其中在触发器输出发生变化的同时，时钟脉冲被提供给输入。从输出到输入的反馈会导致这种不稳定性。为了避免这种不稳定性，使用了边沿触发触发器。

触发器的应用

触发器的应用非常广泛，可以说在数字电路中很是常见，下面简单整理一些：

• 寄存器：由于触发器有两个稳定状态，所以将它们用于寄存器等存储元件中，用于数据存储。通常在计算机等电子设备中使用寄存器。
• 计数器：相互连接的触发器组用作计数器，对事件发生的增量或减量进行计数。
• 分频电路：触发器用作分频电路，将输入频率精确地分成一半。分频电路用于规范电子电路的频率。
• 数据传输：使用移位寄存器（一种特殊类型的寄存器）将数据从一个触发器传输到另一个触发器，它们以特定的顺序连接。

总结

简单来说，触发器就是同步时序电路的构建块。它有两个稳定状态，可以存储一位信息。触发器将具有时钟信号，它们的状态根据时钟脉冲而变化，这些设备将具有两种状态和一条反馈路径。

需要注意的是，触发器是边缘敏感的，当时钟信号从低到高或从高到低转换时，它们将改变它们的状态。在时钟信号从0到1或1到0的转换之后，即当时钟处于恒定的0或1时，即使输入发生变化，状态也保持不变。