電工電子技術(shù)課件第5章

第5章時(shí)序邏輯電路5.1

雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器5.2寄存器5.3計(jì)數(shù)器觸發(fā)器是構(gòu)成時(shí)序邏輯電路的基本邏輯部件。它有兩個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)：0狀態(tài)和1狀態(tài)；在不同的輸入情況下，它可以被置成0狀態(tài)或1狀態(tài)；當(dāng)輸入信號(hào)消失后，所置成的狀態(tài)能夠保持不變。所以，觸發(fā)器可以記憶1位二值信號(hào)。根據(jù)邏輯功能的不同，觸發(fā)器可以分為RS觸發(fā)器、D觸發(fā)器、JK觸發(fā)器、T和T′觸發(fā)器；按照結(jié)構(gòu)形式的不同，又可分為基本RS觸發(fā)器、同步觸發(fā)器、主從觸發(fā)器和邊沿觸發(fā)器。5.1雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

5.1基本觸發(fā)器一、基本RS觸發(fā)器

1．用與非門(mén)組成的基本RS觸發(fā)器（1）電路結(jié)構(gòu):由兩個(gè)門(mén)電路交叉連接而成。置0端置1端低電平有效觸發(fā)器有兩個(gè)互補(bǔ)的輸出端，（2）邏輯功能當(dāng)Q=1，=0時(shí)，稱(chēng)為觸發(fā)器的1狀態(tài)。當(dāng)=1，Q=0時(shí)，稱(chēng)為觸發(fā)器的0狀態(tài)。Qn+1RS功能Qn功能表

01011100置000011R稱(chēng)為置0輸入端低電平有效Qn+1RS功能Qn功能表

01置00001觸發(fā)器有兩個(gè)互補(bǔ)的輸出端，（2）邏輯功能當(dāng)Q=1，=0時(shí)，稱(chēng)為觸發(fā)器的1狀態(tài)。當(dāng)=1，Q=0時(shí)，稱(chēng)為觸發(fā)器的0狀態(tài)。101000111置11101S稱(chēng)為置1輸入端低電平有效Qn+1RS功能Qn功能表

01置00001觸發(fā)器有兩個(gè)互補(bǔ)的輸出端，（2）邏輯功能當(dāng)Q=1，=0時(shí)，稱(chēng)為觸發(fā)器的1狀態(tài)。當(dāng)=1，Q=0時(shí)，稱(chēng)為觸發(fā)器的0狀態(tài)。10置1110111111100001011保持Qn+1RS功能Qn功能表

01置00001觸發(fā)器有兩個(gè)互補(bǔ)的輸出端，（2）邏輯功能當(dāng)Q=1，=0時(shí)，稱(chēng)為觸發(fā)器的1狀態(tài)。當(dāng)=1，Q=0時(shí)，稱(chēng)為觸發(fā)器的0狀態(tài)。10置1110111001111011011保持00不定××01（3）波形分析

例1

在用與非門(mén)組成的基本RS觸發(fā)器中，設(shè)初始0，已

知輸入R、S的波形圖，畫(huà)出兩輸出端的波形圖?；居|發(fā)器的特點(diǎn)總結(jié)：（1）有兩個(gè)互補(bǔ)的輸出端，有兩個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)。（2）有復(fù)位（Q=0）、置位（Q=1）、保持原狀態(tài)三種功能。（3）R為復(fù)位輸入端，S為置位輸入端，可以是低電平有效，也可以是高電平有效，取決于觸發(fā)器的結(jié)構(gòu)。(我們講的是低電平有效)（4）無(wú)論是復(fù)位還是置位，有效信號(hào)只需要作用很短的一段時(shí)間，即“一觸即發(fā)”。二、同步RS觸發(fā)器

給觸發(fā)器加一個(gè)時(shí)鐘控制端CP，只有在CP端上出現(xiàn)時(shí)鐘脈沖時(shí)，觸發(fā)器的狀態(tài)才能改變。這種觸發(fā)器稱(chēng)為同步觸發(fā)器。

1．同步RS觸發(fā)器的電路結(jié)構(gòu)2．邏輯功能當(dāng)CP＝0時(shí)，控制門(mén)G3、G4關(guān)閉，觸發(fā)器的狀態(tài)保持不變。當(dāng)CP＝1時(shí)，G3、G4打開(kāi)，其輸出狀態(tài)由R、S端的輸入信號(hào)決定。同步RS觸發(fā)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換分別由R、S和CP控制，其中，R、S控制狀態(tài)轉(zhuǎn)換的方向；CP控制狀態(tài)轉(zhuǎn)換的時(shí)刻。Qn+1RS功能Qn功能表

0101輸出狀態(tài)同S狀態(tài)1101

1010輸出狀態(tài)同S狀態(tài)0001111101××不定0000保持01011001011013．觸發(fā)器功能的幾種表示方法觸發(fā)器的功能除了可以用功能表表示外，還有幾種表示方法：

（1）特性方程由功能表畫(huà)出卡諾圖得特性方程：Qn+1RS功能Qn功能表

0101輸出狀態(tài)同S狀態(tài)1101

1010輸出狀態(tài)同S狀態(tài)0001111101××不定0000保持0101（約束條件）（2）狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖表示觸發(fā)器從一個(gè)狀態(tài)變化到另一個(gè)狀態(tài)或保持原狀不變時(shí)，對(duì)輸入信號(hào)的要求。Qn+1RS功能Qn功能表

0101輸出狀態(tài)同S狀態(tài)1101

1010輸出狀態(tài)同S狀態(tài)0001111101××不定0000保持0101在數(shù)字電路中，凡根據(jù)輸入信號(hào)R、S情況的不同，具有置0、置1和保持功能的電路，都稱(chēng)為RS觸發(fā)器。

（3）驅(qū)動(dòng)表

驅(qū)動(dòng)表是用表格的方式表示觸發(fā)器從一個(gè)狀態(tài)變化到另一個(gè)狀態(tài)或保持原狀態(tài)不變時(shí)，對(duì)輸入信號(hào)的要求。Qn+1RS功能Qn功能表

0101輸出狀態(tài)同S狀態(tài)1101

1010輸出狀態(tài)同S狀態(tài)0001111101××不定0000保持010100011011Qn→Qn+1×001100×RS

RS觸發(fā)器的驅(qū)動(dòng)表

（4）波形圖

已知同步RS觸發(fā)器的輸入波形，畫(huà)出輸出波形圖。

4．同步觸發(fā)器存在的問(wèn)題——空翻由于在CP=1期間，G3、G4門(mén)都是開(kāi)著的，都能接收R、S信號(hào)，所以，如果在CP=1期間R、S發(fā)生多次變化，則觸發(fā)器的狀態(tài)也可能發(fā)生多次翻轉(zhuǎn)。在一個(gè)時(shí)鐘脈沖周期中，觸發(fā)器發(fā)生多次翻轉(zhuǎn)的現(xiàn)象叫做空翻。

有效翻轉(zhuǎn)

空翻三、主從JK觸發(fā)器1．電路結(jié)構(gòu)

將觸發(fā)器的兩個(gè)互補(bǔ)的輸出端信號(hào)通過(guò)兩根反饋線分別引到輸入端的G7、G8門(mén)，這樣，就構(gòu)成了JK觸發(fā)器。2．工作原理Qn+1JK功能QnJK觸發(fā)器功能表

0101輸出狀態(tài)同J狀態(tài)0001

1010輸出狀態(tài)同J狀態(tài)1101111101100000保持0101Qn+!=Qn1101011010101101103．JK觸發(fā)器邏輯功能的幾種表示方法(1）功能表：（2）特性方程：Qn+1JK功能QnJK觸發(fā)器功能表

0101輸出狀態(tài)同J狀態(tài)0001

1010輸出狀態(tài)同J狀態(tài)1101111101100000保持0101Qn+1=Qn（3）狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖（4）驅(qū)動(dòng)表00011011Qn→Qn+10×1××1×0JK

JK觸發(fā)器的驅(qū)動(dòng)表

Qn+1JK功能QnJK觸發(fā)器功能表

0101輸出狀態(tài)同J狀態(tài)0001

1010輸出狀態(tài)同J狀態(tài)1101111101100000保持0101Qn=Qn例

已知主從JK觸發(fā)器J、K的波形如圖所示，畫(huà)出輸出Q的波形圖（設(shè)初始狀態(tài)為0）。在畫(huà)主從觸發(fā)器的波形圖時(shí)，應(yīng)注意以下兩點(diǎn)：（1）觸發(fā)器的觸發(fā)翻轉(zhuǎn)發(fā)生在時(shí)鐘脈沖的觸發(fā)沿（這里是下降沿）（2）判斷觸發(fā)器次態(tài)的依據(jù)是時(shí)鐘脈沖下降沿前一瞬間輸入端的狀態(tài)。四、主從T觸發(fā)器和T’觸發(fā)器將JK觸發(fā)器的J和K相連作為T(mén)輸入端就構(gòu)成了T觸發(fā)器。T觸發(fā)器特性方程：00011011

T

Qn

0110

Qn+1功能

T觸發(fā)器的功能表

Qn+1=QnQn+1=Qn

當(dāng)T觸發(fā)器的輸入端為T(mén)=1時(shí)，稱(chēng)為T(mén)’觸發(fā)器。T’觸發(fā)器的特性方程：CPQ1CP五、D觸發(fā)器

1．D觸發(fā)器的邏輯功能

D觸發(fā)器只有一個(gè)觸發(fā)輸入端D，因此，邏輯關(guān)系非常簡(jiǎn)單；D觸發(fā)器的特性方程為：Qn+1=D0011D0101Qn0011Qn+1輸出狀態(tài)同D狀態(tài)功能D觸發(fā)器的功能表D觸發(fā)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖：0011D0101Qn0011Qn+1輸出狀態(tài)同D狀態(tài)功能D觸發(fā)器的功能表例

已知D觸發(fā)器的輸入波形，畫(huà)出輸出波形圖。解：在波形圖時(shí)，應(yīng)注意以下兩點(diǎn)：（1）觸發(fā)器的觸發(fā)翻轉(zhuǎn)發(fā)生在CP的上升沿。（2）判斷觸發(fā)器次態(tài)的依據(jù)是CP上升沿前一瞬間輸入端D的狀態(tài)。六、觸發(fā)器應(yīng)用舉例

例

設(shè)計(jì)一個(gè)3人搶答電路。3人A、B、C各控制一個(gè)按鍵開(kāi)關(guān)KA、KB、KC和一個(gè)發(fā)光二極管DA、DB、DC。誰(shuí)先按下開(kāi)關(guān)，誰(shuí)的發(fā)光二極管亮，同時(shí)使其他人的搶答信號(hào)無(wú)效。

利用觸發(fā)器的“記憶”作用，使搶答電路工作更可靠、穩(wěn)定。時(shí)序邏輯電路的基本概念一、時(shí)序邏輯電路的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)時(shí)序邏輯電路————任何一個(gè)時(shí)刻的輸出狀態(tài)不僅取決于當(dāng)時(shí)的輸入信號(hào)，還與電路的原狀態(tài)有關(guān)。時(shí)序電路的特點(diǎn)：（1）含有記憶元件（最常用的是觸發(fā)器）。（2）具有反饋通道。分析時(shí)序邏輯電路的一般步驟

1．由邏輯圖寫(xiě)出下列各邏輯方程式：

（1）各觸發(fā)器的時(shí)鐘方程。（2）時(shí)序電路的輸出方程。（3）各觸發(fā)器的驅(qū)動(dòng)方程。

2．將驅(qū)動(dòng)方程代入相應(yīng)觸發(fā)器的特性方程，求得時(shí)序邏輯電路的狀態(tài)方程。

3．根據(jù)狀態(tài)方程和輸出方程，列出該時(shí)序電路的狀態(tài)表，畫(huà)出狀態(tài)圖或時(shí)序圖。

4．根據(jù)電路的狀態(tài)表或狀態(tài)圖說(shuō)明給定時(shí)序邏輯電路的邏輯功能。時(shí)序邏輯電路的一般分析方法在數(shù)字電路中，用來(lái)存放二進(jìn)制數(shù)據(jù)或代碼的電路稱(chēng)為寄存器。寄存器是由具有存儲(chǔ)功能的觸發(fā)器組合起來(lái)構(gòu)成的。一個(gè)觸發(fā)器可以存儲(chǔ)1位二進(jìn)制代碼，存放n位二進(jìn)制代碼的寄存器，需用n個(gè)觸發(fā)器來(lái)構(gòu)成。按照功能的不同，可將寄存器分為數(shù)碼寄存器和移位寄存器兩大類(lèi)。數(shù)碼寄存器只能并行送入數(shù)據(jù)，需要時(shí)也只能并行輸出。移位寄存器中的數(shù)據(jù)可以在移位脈沖作用下依次逐位右移或左移，數(shù)據(jù)既可以并行輸入、并行輸出，也可以串行輸入、串行輸出，還可以并行輸入、串行輸出，串行輸入、并行輸出，十分靈活，用途也很廣。5.2寄存器一、

數(shù)碼寄存器無(wú)論寄存器中原來(lái)的內(nèi)容是什么，只要送數(shù)控制時(shí)鐘脈沖CP上升沿到來(lái)，加在并行數(shù)據(jù)輸入端的數(shù)據(jù)D0～D3，就立即被送入進(jìn)寄存器中，即有：二、移位寄存器

移位寄存器——不但可以寄存數(shù)碼，而且在移位脈沖作用下，寄存器中的數(shù)碼可根據(jù)需要向左或向右移動(dòng)1位。1．單向移位寄存器

（1）右移寄存器（D觸發(fā)器組成的4位右移寄存器）右移寄存器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：左邊觸發(fā)器的輸出端接右鄰觸發(fā)器的輸入端。移位脈沖輸入數(shù)碼輸出CPDIQ0Q1Q2Q300000

設(shè)移位寄存器的初始狀態(tài)為0000，串行輸入數(shù)碼DI=1101，從高位到低位依次輸入。其狀態(tài)表如下：111000110012030110141011右移寄存器的時(shí)序圖：

由于右移寄存器移位的方向?yàn)镈I→Q0→Q1→Q2→Q3，所以又稱(chēng)上移寄存器。在4個(gè)CP作用下，輸入的4位串行數(shù)碼1101全部存入了寄存器中。這種方式稱(chēng)為串行輸入方式。移位脈沖輸入數(shù)碼輸出CPDIQ0Q1Q2Q301234110100001000110001101011（2）左移寄存器

2．雙向移位寄存器

將右移寄存器和左移寄存器組合起來(lái)，并引入一控制端S便構(gòu)成既可左移又可右移的雙向移位寄存器。左移寄存器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：右邊觸發(fā)器的輸出端接左鄰觸發(fā)器的輸入端。計(jì)數(shù)器——用以統(tǒng)計(jì)輸入脈沖CP個(gè)數(shù)的電路。

5.3計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器的分類(lèi)：（2）按數(shù)字的增減趨勢(shì)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。（1）按計(jì)數(shù)進(jìn)制可分為二進(jìn)制計(jì)數(shù)器和非二進(jìn)制計(jì)數(shù)器。非二進(jìn)制計(jì)數(shù)器中最典型的是十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。（3）按計(jì)數(shù)器中觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)是否與計(jì)數(shù)脈沖同步分為同步計(jì)數(shù)器和異步計(jì)數(shù)器。

一、二進(jìn)制計(jì)數(shù)器1．二進(jìn)制異步計(jì)數(shù)器

（1）二進(jìn)制異步加法計(jì)數(shù)器（4位）工作原理：4個(gè)JK觸發(fā)器都接成T’觸發(fā)器。每當(dāng)Q2由1變0，F(xiàn)F3向相反的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)一次。每來(lái)一個(gè)CP的下降沿時(shí)，F(xiàn)F0向相反的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)一次；每當(dāng)Q0由1變0，F(xiàn)F1向相反的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)一次；每當(dāng)Q1由1變0，F(xiàn)F2向相反的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)一次；用“觀察法”作出該電路的時(shí)序波形圖和狀態(tài)圖。由時(shí)序圖可以看出，Q0、Ql、Q2、Q3的周期分別是計(jì)數(shù)脈沖(CP)周期的2倍、4倍、8倍、16倍，因而計(jì)數(shù)器也可作為分頻器。（2）二進(jìn)制異步減法計(jì)數(shù)器用4個(gè)上升沿觸發(fā)的D觸發(fā)器組成的4位異步二進(jìn)制減法計(jì)數(shù)器。

工作原理：D觸發(fā)器也都接成T’觸發(fā)器。由于是上升沿觸發(fā)，則應(yīng)將低位觸發(fā)器的Q端與相鄰高位觸發(fā)器的時(shí)鐘脈沖輸入端相連，即從Q端取借位信號(hào)。它也同樣具有分頻作用。二進(jìn)制異步減法計(jì)數(shù)器的時(shí)序波形圖和狀態(tài)圖。

在異步計(jì)數(shù)器中，高位觸發(fā)器的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)必須在相鄰觸發(fā)器產(chǎn)生進(jìn)位信號(hào)（加計(jì)數(shù)）或借位信號(hào)（減計(jì)數(shù)）之后才能實(shí)現(xiàn)，所以工作速度較低。為了提高計(jì)數(shù)速度，可采用同步計(jì)數(shù)器。

二、非二進(jìn)制計(jì)數(shù)器N進(jìn)制計(jì)數(shù)器又稱(chēng)模N計(jì)數(shù)器。當(dāng)N=2n時(shí)，就是前面討論的n位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器；當(dāng)N≠2n時(shí)，為非二進(jìn)制計(jì)數(shù)器。非二進(jìn)制計(jì)數(shù)器中最常用的是十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。1．8421BCD碼同步十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器用前面介紹的同步時(shí)序邏輯電路分析方法對(duì)該電路進(jìn)行分析。（1）寫(xiě)出驅(qū)動(dòng)方程：然后將各驅(qū)動(dòng)方程代入JK觸發(fā)器的特性方程，得各觸發(fā)器的次態(tài)方程:（2）轉(zhuǎn)換成次態(tài)方程：先寫(xiě)出JK觸發(fā)器的特性方程（3）作狀態(tài)轉(zhuǎn)換表。設(shè)初態(tài)為Q3Q2Q1Q0=0000，代入次態(tài)方程進(jìn)行計(jì)算，得狀態(tài)轉(zhuǎn)換表?，F(xiàn)態(tài)次態(tài)Q3n

Q2nQ1n

Q0n

Q3n+1

Q2n+1

Q1n+1

Q0n+1

00001000000100100011010001010110011110001001010011000010000010100110111000011001（4）作狀態(tài)圖和時(shí)序圖。（5）檢查電路能否自啟動(dòng)

用同樣的分析方法分別求出6種無(wú)效狀態(tài)下的次態(tài)，得到完整的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。由于電路中有4個(gè)觸發(fā)器，它們的狀態(tài)組合共有16種。而在8421BCD碼計(jì)數(shù)器中只用了10種，稱(chēng)為有效狀態(tài)。其余6種狀態(tài)稱(chēng)為無(wú)效狀態(tài)。當(dāng)由于某種原因，使計(jì)數(shù)器進(jìn)入無(wú)效狀態(tài)時(shí)，如果能在時(shí)鐘信號(hào)作用下，最終進(jìn)入有效狀態(tài)，我們就稱(chēng)該電路具有自啟動(dòng)能力。可見(jiàn)，該計(jì)數(shù)器能夠自啟動(dòng)。2．8421BCD碼異步十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器CP2=Q1

（當(dāng)FF1的Q1由1→0時(shí)，Q2才可能改變狀態(tài)。）用前面介紹的異步時(shí)序邏輯電路分析方法對(duì)該電路進(jìn)行分析：（1）寫(xiě)出各邏輯方程式。

①時(shí)鐘方程：

CP0=CP

（時(shí)鐘脈沖源的下降沿觸發(fā)。）CP1=Q0

（當(dāng)FF0的Q0由1→0時(shí)，Q1才可能改變狀態(tài)。)CP3=Q0

（當(dāng)FF0的Q0由1→0時(shí)，Q3才可能改變狀態(tài))②各觸發(fā)器的驅(qū)動(dòng)方程：（2）將各驅(qū)動(dòng)方程代入JK觸發(fā)器的特性方程，得各觸發(fā)器的次態(tài)方程：（CP由1→0時(shí)此式有效）（Q0由1→0時(shí)此式有效）

（Q1由1→0時(shí)此式有效）

（Q0由1→0時(shí)此式有效）

（3）作狀態(tài)轉(zhuǎn)換表。設(shè)初態(tài)為Q3Q2Q1Q0=0000，代入次態(tài)方程進(jìn)行計(jì)算，得狀態(tài)轉(zhuǎn)換表。（CP由1→0時(shí)）（Q0由1→0時(shí)）

（Q1由1→0時(shí)）

（Q0由1→0時(shí)）

現(xiàn)態(tài)次態(tài)時(shí)鐘脈沖Q3n

Q2nQ1n

Q0Q3n+1

Q2n+1

Q1n+1

Q0n+1

CP3CP2CP1CP0000000010010001101000101011001111000100110000100110000100000101