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JK 触发器的工作原理

使用原始 Digi-Keyer 的实例

作者： Don Johanneck 2023-03-02

标签

工程

通用

半导体与开发工具

简介

触发器是以两个稳定状态存储单个二进制数据位的集成电路，广泛应用于计数器、寄存器、除法器以及顺序逻辑电路（又称为非稳态多谐振荡器），本文使用的实例就是这种电路。

触发器有多种类型可供选择，常见功能有设置和复位输入、清除、预设、时钟输入和互补逻辑输出。触发器由时钟输入的上升或下降沿跃迁触发。常见类型包括 SR 触发器、D 触发器或 T 触发器。JK 触发器有时被称为“通用”触发器，因为它们经过配置后可模拟多种其他类型的触发器。

JK 触发器功能

使用触发器时，须随时查阅器件规格书的真值表，以根据多个输入选项和时钟跃迁确定输出特征。例如，Texas Instrument 的 CD74HCT73E 是一款具有常见特征和易读取真值表的典型双 JK 触发器。

要记住两个基本事实：Q（带横线）或非 Q 输出始终是对 Q 输出的补充；只有 4 种 JK 输入配置能确定时钟输入从高电平到低电平跃迁时的输出。有关可能的 JK 配置，参见图 1。切换一词表示当 J 和 K 都为高电平且时钟从高电平到低电平跃迁时，Q 和非 Q 输出的当前状态翻转（真值表中条件 4）。

图 1.典型 JK 触发器规格书真值表。

所述的基本真值未考虑复位 (R) 输入，此输入会在复位保持低电平时，为触发器提供初始状态。对于复位处于低电平时的时钟和 JK 输入，规格书中使用“无关”一词。这些输入的变化不会影响输出，直到复位保持高电平并接收到时钟跃迁。

思考重点：在触发器首次通电时，其输出不会自动设置为已知状态。由于无法预测会出现哪种输出状态，因此复位输入允许在通电后将输出初始化为已知状态。

顺序逻辑电路示例：摩斯字符生成器

三个 DIT 才能生成一个 DAH

Digi-Keyer 摩斯字符生成器包含许多处理特定任务的元器件。为了演示触发器的作用，我们在称为 FF1 和 FF2 的触发器中加入了相关元件。关于 Digi-Keyer 的 DIT-DAH 字符形成部分的原理图，参见图 2。

图 2.Digi-Keyer 触发器字符形成电路

在深入研究字符（DIT 和 DAH，又称为 DOT 和 DASH）的创建之前，必须先说明 NOR1 逻辑门的功能。NOR1 不仅是字符输出电路的第一级。当 NOR1 输出低电平时，它还能让定时电路向 FF1 发出规则脉冲。当 NOR1 输出高电平时，脉冲在电流计时周期末尾处停止。

按下 DIT 翘板开关会触发从计时电路到 FF1 C 输入的初始高到低电平跃迁脉冲。因为两个 JK 输入都保持高电平，输出引脚 Q 和非 Q 发生切换。非 Q 触发 NOR1 输出低电平信号返回计时电路，表示 DIT 正在处理。计时功能完成时，另一个脉冲被发送到 FF1，将其切换回正常状态。DIT 形成期间，FF1 的 Q 输出触发 FF2 的 C 输入，但由于 DAH 翘板未按下（FF2 的 J 输入为低电平），FF2 的输出如图 1 真值表中的条件 3。图 3 罗列了生成单个 DIT 的结果顺序逻辑真值表。

图 3.顺序逻辑 DIT 形成真值表。

按下 DAH 翘板也会触发来自计时电路的初始脉冲，此脉冲会切换 FF1 并将 FF2 的 J 输入设置为高电平，从而导致 FF2 输出也会切换。由于 FF2 的 Q 输出还会触发 NOR1 输出低电平，因此会继续产生计时脉冲。FF1 和 FF2 都返回到正常状态需要三个 DIT 周期，在此之前，NOR1 的输出不会变回高电平。图 4 罗列了生成单个 DAH 的顺序逻辑真值表。

图 4.顺序逻辑 DAH 形成真值表。

触发器返回正常状态的时长取决于高到低电平跃迁的时间。本例中，一个脉冲周期的低电平时间固定为 8 ms，但计时电路中的高电平时间可在 15 到 150 ms 之间调节。在最低设置时，DIT 字符约 158 ms 长，DAH 约为 474 ms。如果任意一个或两个翘板均保持闭合（高电平），让 FF1 和 FF2 回到正常状态的最后一次高到低电平跃迁会在 8 ms 内跃迁回高电平，这样两个字符之间就会有固定的间隙。

另一个思考重点：电路通电时，FF1 和 FF2 可能以随机的逻辑状态结束，如前所述。如果任何状态导致 NOR1 输出低电平，则计时电路将开始发送脉冲，直到 FF1 和 FF2 达到其正常状态。因此，触发器在通电后会自动初始化为正常状态，而无需使用复位输入。

总结

逐步跟踪触发器的逻辑可能比较困难，因此生成如图 3 和 4 的真值表有助于直观了解后台正在进行的操作。在本例中，执行了多步顺序逻辑，而未使用微控制器或固定、始终运行的时钟。触发器的输出就是存储的数据，需要刻意改变输入才能影响输出的变化。该数据也是易失性的。断电后数据丢失。摩斯字符生成器的目标并非生成数据。触发器用于记住上一个状态，以便在时钟脉冲从高到低跃迁期间确定下一个状态。

资源：

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https://media.digikey.com/pdf/Project%20Repository/Digikeyer.zip

关于此作者

Don Johanneck 是 DigiKey 的技术内容开发人员，自 2014 年以来一直在该公司工作。他最近刚转岗到现在的职位，负责撰写视频说明和产品内容。Don 通过 DigiKey 奖学金计划获得了北国社区技术学院电子技术和自动化系的应用科学副学士学位。他喜欢无线电控制建模，老式机器修复和修补。