電工電子學(xué)_觸發(fā)器和時(shí)序邏輯電路

1、電工電子學(xué)1131 觸發(fā)器 在復(fù)雜的數(shù)字電路中，要連續(xù)進(jìn)行各種復(fù)雜的運(yùn)算和控制，就必須將曾經(jīng)輸入過(guò)的信號(hào)以及運(yùn)算的結(jié)果暫時(shí)保存起來(lái)，以便與新的輸入信號(hào)進(jìn)一步運(yùn)算，共同確定電路新的輸出狀態(tài)。這就要求數(shù)字電路中必須包含具有記憶功能的電路單元，觸發(fā)器就是具有記憶功能的基本單元。 觸發(fā)器的功能特點(diǎn)為：有兩個(gè)互補(bǔ)的輸出端 ，具有兩個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)即0狀態(tài)和1狀態(tài)，能存儲(chǔ)一位二進(jìn)制信息；如果外加輸入信號(hào)為有效電平，觸發(fā)器將發(fā)生狀態(tài)轉(zhuǎn)換，即可以從一種穩(wěn)定狀態(tài)翻轉(zhuǎn)到另一種穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)輸入信號(hào)有效電平消失后，觸發(fā)器保持狀態(tài)不變，因此說(shuō)觸發(fā)器具有記憶功能。2 觸發(fā)器的種類很多，通常按照兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行分類，一是從邏輯功能

2、上分類，有 觸發(fā)器、 觸發(fā)器、D 觸發(fā)器和T 觸發(fā)器等；二是從結(jié)構(gòu)上分類，有基本觸發(fā)器、同步觸發(fā)器、主從觸發(fā)器和邊沿觸發(fā)器。3RSJK 13.1.1 基本 RS 觸發(fā)器基本RS觸發(fā)器可以由兩個(gè)與非門(mén)組成，其邏輯電路和電路符號(hào)如圖13.1.1所示。它是各種觸發(fā)器電路結(jié)構(gòu)形式中最簡(jiǎn)單的一種，同時(shí)它又是組成其它類型觸發(fā)器的基礎(chǔ)。 （a）邏輯電路圖 （b）邏輯符號(hào) 圖13.1.1 由與非門(mén)組成的基本 觸發(fā)器4由基本 觸發(fā)器的電路可得 （13.1.1） （13.1.2）基本RS 觸發(fā)器的功能真值表如表13.1.1所示。5QSQ QRQ 根據(jù)功能真值表可得基本 觸發(fā)器的特性方程為 （13.1.3） 基本R

3、S觸發(fā)器的狀態(tài)也可用時(shí)序圖表示，下面通過(guò)一道例題說(shuō)明波形圖的畫(huà)法。 【例13.1.1】 基本RS 觸發(fā)器輸入信號(hào)波形如圖13.1.2所示，畫(huà)出輸出 和 端的波形。 解：根據(jù)基本 觸發(fā)器的功能真值表，畫(huà)出如下波形圖。圖中陰影部分表示狀態(tài)不定。6QQ11nSRQRSQ 利用基本RS觸發(fā)器可以組成一些實(shí)際應(yīng)用電路。如用基本RS 觸發(fā)器和與非門(mén)組成數(shù)碼寄存器。數(shù)碼寄存器是用來(lái)存放數(shù)碼的部件，觸發(fā)器是具有記憶功能的單元電路，可存儲(chǔ)一位二進(jìn)制碼，若要存儲(chǔ)多位二進(jìn)制碼，可用多個(gè)觸發(fā)器完成，由四個(gè)基本RS觸發(fā)器和與非門(mén)組成的四位二進(jìn)制數(shù)碼寄存器如圖13.1.3所示。78 數(shù)字電路中的脈沖信號(hào)的產(chǎn)生通常是利用接

4、通機(jī)械開(kāi)關(guān)產(chǎn)生的，由于機(jī)械開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)的金屬片有彈性，所以接通開(kāi)關(guān)時(shí)觸點(diǎn)常發(fā)生抖動(dòng)，使產(chǎn)生的電壓或電流波形產(chǎn)生毛刺，如圖13.1.4所示，影響脈沖信號(hào)的質(zhì)量。在電子電路中，一般不允許出現(xiàn)這種現(xiàn)象，因?yàn)檫@種干擾信號(hào)會(huì)導(dǎo)致電路工作出錯(cuò)。9利用基本RS觸發(fā)器消除機(jī)械開(kāi)關(guān)振動(dòng)影響的電路如圖13.1.5所示。10 11.1.2 鐘控觸發(fā)器 基本RS觸發(fā)器的狀態(tài)無(wú)法從時(shí)間上加以控制，只要輸入端有觸發(fā)信號(hào)，觸發(fā)器就立即作相應(yīng)的狀態(tài)變化。而在實(shí)際的數(shù)字系統(tǒng)中，往往是由多個(gè)觸發(fā)器組成，這時(shí)常常需要各個(gè)觸發(fā)器按一定的節(jié)拍同步工作，因此必須給電路加上一個(gè)統(tǒng)一的控制信號(hào)，用以協(xié)調(diào)各觸發(fā)器的同步翻轉(zhuǎn)，這個(gè)統(tǒng)一的控制信號(hào)叫做

5、時(shí)鐘脈沖CP。用CP作控制信號(hào)的觸發(fā)器稱為鐘控觸發(fā)器。111. 同步RS觸發(fā)器同步觸發(fā)器按邏輯功能可分為RS、JK、D、T觸發(fā)器等。同步 觸發(fā)器的邏輯電路和邏輯符號(hào)如圖13.1.6所示。12同步RS觸發(fā)器的功能真值表如表13.1.2所示。根據(jù)功能真值表可得同步RS觸發(fā)器的特性方程為 （13.1.4）1301nRSQRSQ2. 主從觸發(fā)器主從觸發(fā)器有主從RS觸發(fā)器、主從JK觸發(fā)器、主從T觸發(fā)器等。 主從JK觸發(fā)器的邏輯電路和邏輯符號(hào)如圖13.1.9所示。14主從JK觸發(fā)器具有保持功能、置0功能、置1功能和翻轉(zhuǎn)功能，JK觸發(fā)器功能齊全，故稱為全功能觸發(fā)器。主從JK觸發(fā)器的功能真值表如表13.1.3

6、所示。根據(jù)功能真值表可得主從 觸發(fā)器的特性方程為 （13.1.7）15QKQJQ1n3. 邊沿觸發(fā)器 主從觸發(fā)器雖然解決了觸發(fā)器的空翻現(xiàn)象，但存在一次變化現(xiàn)象，為提高觸發(fā)器的可靠性，增強(qiáng)抗干擾能力，引出了邊沿觸發(fā)器。邊沿觸發(fā)器是指只在CP脈沖上升沿或下降沿時(shí)刻，觸發(fā)器才依據(jù)該時(shí)刻的輸入決定其次態(tài)。而在CP=0和CP=1期間，輸入信號(hào)的任何變化都不會(huì)引起觸發(fā)器狀態(tài)的變化，從而大大提高了觸發(fā)器的抗干擾能力。16 邊沿觸發(fā)器的電路形式有多種，如維持阻塞型邊沿觸發(fā)器和利用傳輸延遲的邊沿觸發(fā)器，它們的邊沿觸發(fā)或控制的特點(diǎn)是相同的。 維持阻塞D觸發(fā)器的邏輯符號(hào)如圖13.1.11所示，功能真值表如表13.1

7、.4所示。 維持阻塞D觸發(fā)器的特性方程為 （13.1.8）17DQ1nJK觸發(fā)器的特性方程為 T觸發(fā)器的特性方程為 （13.1.9） 比較兩式可得 ，即把JK觸發(fā)器的J、K輸入端聯(lián)結(jié)并用T表示，則構(gòu)成了T觸發(fā)器。轉(zhuǎn)換電路如圖13.1.15所示。 觸發(fā)器邏輯符號(hào)如圖13.1.16所示。18QKQJQ1nQTQTQ1nTKJ13. 2 時(shí)序邏輯電路 時(shí)序邏輯電路在任一時(shí)刻的輸出不僅取決于該時(shí)刻電路的輸入，而且還與電路原來(lái)狀態(tài)有關(guān)，可見(jiàn)時(shí)序邏輯電路具有記憶功能。按照時(shí)序邏輯電路中所有觸發(fā)器狀態(tài)的變化是否同步，時(shí)序邏輯電路可分為同步時(shí)序邏輯電路和異步時(shí)序邏輯電路。若電路中所有觸發(fā)器的控制信號(hào)CP都是使

8、用的同一個(gè)時(shí)鐘脈沖，稱為同步時(shí)序邏輯電路；否則，稱為異步時(shí)序邏輯電路。1913.2.1 時(shí)序邏輯電路的分析時(shí)序邏輯電路分析步驟為u根據(jù)電路，寫(xiě)出每個(gè)觸發(fā)器的驅(qū)動(dòng)方程（即觸發(fā)器輸入端邏輯函數(shù)表達(dá)式）、電路的輸出方程、每個(gè)觸發(fā)器的時(shí)鐘方程（即CP脈沖邏輯函數(shù)表達(dá)式），如果是同步時(shí)序邏輯電路則可不寫(xiě)時(shí)鐘方程。u將各觸發(fā)器的驅(qū)動(dòng)方程代入相應(yīng)觸發(fā)器的特性方程，得到各觸發(fā)器的狀態(tài)方程（即各觸發(fā)器次態(tài) 的邏輯函數(shù)表達(dá)式）。u根據(jù)狀態(tài)方程和輸出方程，列出邏輯狀態(tài)轉(zhuǎn)換真值表或畫(huà)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖或畫(huà)出時(shí)序波形圖，以直觀地反映該時(shí)序邏輯電路的狀態(tài)變化規(guī)律。u若電路存在著無(wú)效狀態(tài)（即電路未使用的狀態(tài)），應(yīng)檢查電路能否自啟

9、動(dòng)。u文字?jǐn)⑹鲈摃r(shí)序邏輯電路的邏輯功能。201nQ13.2.2 寄存器 能夠暫時(shí)存放一組二進(jìn)制數(shù)碼的時(shí)序邏輯電路稱為寄存器。寄存器是由觸發(fā)器和門(mén)電路組成的，一個(gè)觸發(fā)器就是一個(gè)能存放1位二進(jìn)制數(shù)碼的寄存器，存放n位二進(jìn)制數(shù)碼就需要n個(gè)觸發(fā)器，從而構(gòu)成n位寄存器。寄存器按功能特點(diǎn)分為數(shù)碼寄存器（也稱基本寄存器）和移位寄存器。1. 數(shù)碼寄存器數(shù)碼寄存器可以接收、暫存和傳遞數(shù)碼。它是在時(shí)鐘脈沖（接收脈沖） 作用下，將數(shù)據(jù)存入對(duì)應(yīng)的觸發(fā)器。下面以4位集成數(shù)碼寄存器74LS175為例介紹。212. 移位寄存器 移位寄存器除具有寄存數(shù)碼的功能外還具有移位的功能。移位功能是指在移位脈沖作用下使寄存器所存放的數(shù)

10、碼向左或向右逐位移動(dòng)。通過(guò)對(duì)數(shù)碼的移位，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的串行并行的相互轉(zhuǎn)換、數(shù)值的運(yùn)算及數(shù)據(jù)處理等。22 13.2.3 計(jì)數(shù)器 數(shù)字電路中使用最多的時(shí)序邏輯電路就是計(jì)數(shù)器。計(jì)數(shù)器的應(yīng)用十分廣泛，不僅能用于記錄時(shí)鐘脈沖的個(gè)數(shù)，還可用于分頻、定時(shí)、產(chǎn)生節(jié)拍脈沖和脈沖序列等，并且利用計(jì)數(shù)器可以實(shí)現(xiàn)其它一些時(shí)序邏輯電路。 計(jì)數(shù)器種類很多，按計(jì)數(shù)脈沖輸入方式可分為同步計(jì)數(shù)器和異步計(jì)數(shù)器；按計(jì)數(shù)的進(jìn)制可分為二進(jìn)制計(jì)數(shù)器、十進(jìn)制計(jì)數(shù)器和任意進(jìn)制計(jì)數(shù)器；按計(jì)數(shù)器中數(shù)值增減趨勢(shì)不同可分為加法計(jì)數(shù)器、減法計(jì)數(shù)器和可逆計(jì)數(shù)器。231. 二進(jìn)制計(jì)數(shù)器 圖13.2.7是由三個(gè)JK觸發(fā)器組成的同步三位二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器，輸出

11、C為進(jìn)位信號(hào)。24 該計(jì)數(shù)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表如表13.2.5所示。25該三位二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器的時(shí)序波形圖如圖13.2.8所示。262. 十進(jìn)制計(jì)數(shù)器 在十進(jìn)制計(jì)數(shù)器中，廣泛采用的是用四位二進(jìn)制數(shù)表示一位十進(jìn)制數(shù)，即用四位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器構(gòu)成一位十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，通常也稱這種計(jì)數(shù)器為二十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，其中使用最多的是8421BCD碼十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。與二進(jìn)制計(jì)數(shù)器一樣，十進(jìn)制計(jì)數(shù)器也分為同步十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器、減法計(jì)數(shù)器、可逆計(jì)數(shù)器。273. 中規(guī)模集成計(jì)數(shù)器 中規(guī)模集成計(jì)數(shù)器種類較多、功能較完善并且可擴(kuò)展。常用的集成計(jì)數(shù)器如四位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS161、74LS163、74LS191、74LS193等，十進(jìn)制計(jì)

12、數(shù)器74LS160、74LS162、74LS190、74LS192、74LS290等?，F(xiàn)以74LS161為例，介紹其功能特點(diǎn)及其應(yīng)用。 74LS161為集成四位同步二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器，其引腳圖和邏輯符號(hào)如圖13.2.12所示。2813.3 555集成定時(shí)器及其應(yīng)用 13.3.1 555集成定時(shí)器 555集成定時(shí)器是一種模擬電路和數(shù)字電路相結(jié)合的中規(guī)模集成電路，該電路功能靈活，適用范圍廣。只要在外部配上少量的阻容元件，就可以很方便地構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、多諧振蕩器和施密特觸發(fā)器等電路，在波形的產(chǎn)生與變換、測(cè)量與控制、家用電器、電子玩具等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。 555定時(shí)器根據(jù)內(nèi)部器件類型可分為雙極型和單極

13、型，均有單或雙定時(shí)器集成電路。雙極型型號(hào)為555（單）和556（雙），電源電壓使用范圍為515V，輸出電流可達(dá)200mA，可直接驅(qū)動(dòng)繼電器、發(fā)光二極管、揚(yáng)聲器、指示燈等；單極型型號(hào)為7555（單）和7556（雙），電源電壓使用范圍為318V，但輸出電流僅1mA。291. 電路結(jié)構(gòu)302. 基本功能 表13.3.1所示是555定時(shí)器的功能表，它全面反映了555定時(shí)器的基本功能，該表是后面分析555定時(shí)器各種應(yīng)用電路的重要理論依據(jù)。31 13.3.2 555集成定時(shí)器的應(yīng)用1. 555定時(shí)器構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器是一種常用的脈沖整形電路。與一般雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的不同點(diǎn)在于：它只有一個(gè)穩(wěn)態(tài)，另外有一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)。暫穩(wěn)態(tài)是一種不能長(zhǎng)久保持的狀態(tài)，這時(shí)電路的電壓和電流會(huì)隨著電容器的充電與放電發(fā)生變化，而穩(wěn)態(tài)時(shí)它們是不變的。 在單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器中，沒(méi)有外加信號(hào)的