第三章 ｜時序邏輯電路

第三章時序邏輯電路174§３—２ＪＫ觸發(fā)器§３—１ＲＳ觸發(fā)器§３—３Ｄ觸發(fā)器§３—４寄存器§３—５計數(shù)器學習目標1.了解時序邏輯電路的特點和基本組成。2.了解基本RS觸發(fā)器、同步RS觸發(fā)器的電路組成和邏輯功能。3.掌握JK觸發(fā)器、D觸發(fā)器、T觸發(fā)器的邏輯功能。4.能識讀常用集成觸發(fā)器的引腳，具有應用集成JK、D觸發(fā)器組裝電路的能力。5.掌握寄存器、計數(shù)器的功能和常見類型。6.能識讀常用寄存器、計數(shù)器集成電路的引腳，具有安裝寄存器和計數(shù)器應用電路的能力。176圖所示為一種觸摸式燈開關，用手摸一下接觸點，開關接通，燈亮；再摸一下接觸點，開關斷開，燈滅。當手摸接觸點時，燈的狀態(tài)發(fā)生變化；而當手離開接觸點后，燈的狀態(tài)不會改變，可見該控制電路具有記憶功能。具有記憶功能的邏輯電路稱為時序邏輯電路，簡稱時序電路。時序電路以觸發(fā)器為基本單元構成，常見的有計數(shù)器、寄存器、順序脈沖發(fā)生器等。177觸摸式電子開關圖所示為時序邏輯電路框圖，從圖中可以看出以下兩點：（1）時序邏輯電路是在組合邏輯電路的基礎上接入反饋回路構成的（這種反饋回路至少有一條）；（2）在反饋回路中含有存儲單元。由于時序邏輯電路中接有存儲單元，所以電路的輸出狀態(tài)不僅與當時的輸入狀態(tài)有關，還與電路原先狀態(tài)（存儲單元中的信息）有關。178時序邏輯電路框圖§3—1

RS觸發(fā)器179具有記憶一位二進制數(shù)碼功能的邏輯部件統(tǒng)稱為觸發(fā)器，它是構成時序邏輯電路的基本單元。本章介紹的觸發(fā)器都是指雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，它有兩個穩(wěn)定狀態(tài)，分別用來代表存儲的數(shù)碼是1還是0。它可以長期保持在某個穩(wěn)定狀態(tài)，即長期保存所存儲的信息。只有在外加觸發(fā)信號作用下，它才能從一個穩(wěn)態(tài)轉換到另一個穩(wěn)態(tài)。常用觸發(fā)器按邏輯功能分為RS觸發(fā)器、D觸發(fā)器、JK觸發(fā)器、T觸發(fā)器和T′觸發(fā)器等。其中RS觸發(fā)器的結構最為簡單，它也是構成各種結構復雜觸發(fā)器的基礎。180一、基本RS觸發(fā)器基本RS觸發(fā)器又稱直接復位—置位觸發(fā)器或RS鎖存器。1.電路組成圖所示是用兩個與非門交叉連接而成的基本RS觸發(fā)器。181基本RS觸發(fā)器a)邏輯電路b)邏輯符號2.邏輯功能在正常工作情況下，基本RS觸發(fā)器的兩個輸出端Q和

的狀態(tài)相反，通常規(guī)定Q端的狀態(tài)為觸發(fā)器的狀態(tài)。Q=1、

=0，稱為1態(tài)；Q=0、

=1，稱為0態(tài)。（1）

若觸發(fā)器原來處于0態(tài)，即Q=0、

=1，此時門G1的兩個輸入端

、

均為1，輸出Q=0，Q=0送到門G2的輸入端，使門G2的輸出

=1，觸發(fā)器保持0態(tài)不變?？梢?，觸發(fā)器未輸入低電平信號時，總是保持原來狀態(tài)不變，這就是觸發(fā)器的記憶功能。182（2）

由于

=0，門G1的輸出Q=1，因此門G2的兩個輸入

、Q均為1，則

=0，觸發(fā)器被置為1態(tài)，故稱

端為置1端或置位端。（3）

由于R=0，門G2的輸出

=1，因此門G1的兩個輸

入

均為1，則Q=0，觸發(fā)器被置為0態(tài)，故稱

端為置0端或復位端。（4）

顯然，在這種情況下，Q和

被迫同時為1，失去了原有的互補關系。183基本RS觸發(fā)器的邏輯功能可用表所列的特性來表示。表中Qn為觸發(fā)器的初態(tài)，即輸入信號作用前，觸發(fā)器Q端的狀態(tài)；Qn+1為觸發(fā)器的次態(tài)，即輸入信號作用后，觸發(fā)器Q端的狀態(tài)?！啊痢北硎居|發(fā)器狀態(tài)不定。184基本RS觸發(fā)器的特性二、同步RS觸發(fā)器由于基本RS觸發(fā)器的狀態(tài)翻轉是受輸入信號直接控制的，因此其抗干擾能力較差，而在實際應用中，常常要求觸發(fā)器在某控制脈沖到來時輸入信號才起作用。這個控制脈沖稱為時鐘脈沖，通常用CP表示。由時鐘脈沖控制的RS觸發(fā)器稱為同步RS觸發(fā)器，也稱鐘控RS觸發(fā)器。1851.電路組成同步RS觸發(fā)器是在基本RS觸發(fā)器的基礎上增加兩個與非門構成的，如圖a所示。其中G1、G2組成基本RS觸發(fā)器，G3、G4構成控制門，在時鐘脈沖CP控制下，將輸入端S、R的信號傳送到基本RS觸發(fā)器。186同步RS觸發(fā)器a)邏輯電路b)邏輯符號2.邏輯功能（1）無時鐘脈沖輸入時（CP=0），控制門G3、G4關閉，R、S輸入信號不起作用，觸發(fā)器保持原有狀態(tài)不變。（2）有時鐘脈沖輸入時（CP=1），控制門G3、G4打開，觸發(fā)器輸出狀態(tài)由輸入端R、S信號決定。1873.特性表同步RS觸發(fā)器的特性表見表。188同步RS觸發(fā)器的特性表4.邏輯表達式和特性方程由上表特性表可以寫出Qn+1的邏輯表達式為：由于R=1、S=1是不允許出現(xiàn)的，可以用邏輯式RS=0表示，上述邏輯表達式可以進一步簡化為：189因此，同步RS觸發(fā)器的邏輯表達式可表示為:上式也稱為特性方程或狀態(tài)方程，RS=0，稱為同步RS觸發(fā)器的約束條件，表示R、S不可同時為1。1905.狀態(tài)圖觸發(fā)器的轉換規(guī)律還可以用圖形的方式來形象地表示，其圖形稱為狀態(tài)轉換圖，簡稱狀態(tài)圖。同步RS觸發(fā)器的狀態(tài)圖如圖所示。191同步RS觸發(fā)器的狀態(tài)圖三、邊沿觸發(fā)RS觸發(fā)器同步RS觸發(fā)器采用電平觸發(fā)方式，即在CP=1期間，輸入信號起作用。但如果有干擾脈沖在此期間竄入，也會使觸發(fā)器發(fā)生翻轉，導致邏輯錯誤。利用邊沿觸發(fā)器可以解決這一問題。時鐘脈沖信號如圖所示，一個時鐘脈沖可以分為低電平、高電平兩個時段，以及上升沿、下降沿兩個脈沖跳變的時刻。192時鐘脈沖信號上升沿觸發(fā)RS觸發(fā)器只在時鐘脈沖CP上升沿時刻根據(jù)輸入信號翻轉，如圖所示；下降沿觸發(fā)RS觸發(fā)器只在時鐘脈沖CP下降沿時刻根據(jù)輸入信號翻轉，如圖所示，這樣就可以有效地克服干擾信號引起的誤翻轉（空翻），從而保證一個CP周期內觸發(fā)器只動作一次。193上升沿觸發(fā)RS觸發(fā)器波形下降沿觸發(fā)RS觸發(fā)器波形采用不同觸發(fā)方式的RS觸發(fā)器邏輯符號見表，符號中的小三角表示邊沿觸發(fā)，小三角外無圓圈表示上升沿觸發(fā)，小三角外有圓圈表示下降沿觸發(fā)。194RS觸發(fā)器的邏輯符號§3—2

JK觸發(fā)器195RS觸發(fā)器在R=S=1時會出現(xiàn)不確定的輸出狀態(tài)，即R、S之間存在著約束關系，為了克服RS觸發(fā)器的缺陷，提高觸發(fā)器的使用性能，在RS觸發(fā)器的基礎上又發(fā)展了幾種不同邏輯功能的觸發(fā)器，其中JK觸發(fā)器是一種功能最全、實用性最強的觸發(fā)器。196JK觸發(fā)器的邏輯符號如圖所示。符號中J、K是決定觸發(fā)器狀態(tài)的信號輸入端，又稱激勵端。CP是時鐘脈沖的輸入端。197JK觸發(fā)器邏輯符號a)上升沿觸發(fā)b)下降沿觸發(fā)74LS112是一種常用的觸發(fā)器，其實物圖和引腳排列如圖所示。由74LS112的引腳功能可以看出，其內部集成了兩個JK觸發(fā)器。19874LS112雙JK觸發(fā)器a)實物圖b)引腳功能一、JK觸發(fā)器的邏輯功能JK觸發(fā)器的特性表見表，特性簡表見表。199JK觸發(fā)器特性表200JK觸發(fā)器特性簡表由JK觸發(fā)器的特性可以寫出其特性方程為：JK觸發(fā)器的狀態(tài)圖如圖所示。201JK觸發(fā)器狀態(tài)圖二、用JK觸發(fā)器構成T觸發(fā)器將JK觸發(fā)器的輸入端J、K連接在一起，作為輸入端T，這就構成了T觸發(fā)器，如圖所示。顯然，當T=0，即J=K=0時，即使有時鐘脈沖的到來，觸發(fā)器狀態(tài)也保持不變；當T=1，即J=K=1時，每到來一個CP脈沖，觸發(fā)器狀態(tài)就改變一次。T觸發(fā)器也稱受控反轉型觸發(fā)器。202用JK觸發(fā)器轉換成T觸發(fā)器三、用JK觸發(fā)器構成T′觸發(fā)器將JK觸發(fā)器的輸入端J、K都接1，如圖所示，就可以得到T′觸發(fā)器。將J=K=1代入JK觸發(fā)器的特性方程，可得T′觸發(fā)器的特性方程為：在T′觸發(fā)器的CP端每來一個CP脈沖信號，觸發(fā)器的狀態(tài)就翻轉一次，故稱為翻轉觸發(fā)器，也稱計數(shù)型觸發(fā)器，其廣泛應用于計數(shù)電路中。203a)用JK觸發(fā)器構成T′觸發(fā)器b)波形圖§3—3

D觸發(fā)器204D觸發(fā)器也是常用的觸發(fā)器品種之一，其具有結構簡單、工作可靠、使用方便等特點，應用十分廣泛。D觸發(fā)器的邏輯符號如圖所示。205D觸發(fā)器的邏輯符號a)上升沿觸發(fā)b)下降沿觸發(fā)CC4013為雙上升沿D觸發(fā)器，且每組都有獨立的置位（置1）和復位（置0）功能。其實物圖和引腳排列如圖所示。206CC4013雙D觸發(fā)器a)實物圖b)引腳排列一、D觸發(fā)器CC4013的功能1.異步置0和置1功能RD=1（SD=0）或SD=1（RD=0）時，無論D、CP端是何種狀態(tài)，Q、

端的狀態(tài)都如表所列。207RD、SD的置0、置1功能2.邏輯功能當RD=SD=0時，D、CP端的狀態(tài)與Q、

端的狀態(tài)關系見表。由表可知，當RD=SD=0時，在時鐘脈沖CP有效邊沿作用下，D觸發(fā)器狀態(tài)與CP作用之前輸入端D的狀態(tài)相同，其特性方程為：Qn+1=D208D觸發(fā)器的邏輯功能二、D觸發(fā)器和JK觸發(fā)器的相互轉換在實際應用中，可以將已有的成品觸發(fā)器轉換為實際需要的實現(xiàn)另一種邏輯功能的觸發(fā)器，這就是觸發(fā)器的功能轉換。1.JK觸發(fā)器轉換為D觸發(fā)器JK觸發(fā)器的特性方程為：D觸發(fā)器的特性方程為：209要將JK觸發(fā)器轉換為D觸發(fā)器，則要求兩者的特性方程相等，即：當J=D，K=

時，上式即可成立。根據(jù)J、K與D的關系可得到JK觸發(fā)器轉換為D觸發(fā)器的電路，如圖所示。210JK觸發(fā)器轉換為D觸發(fā)器2.D觸發(fā)器轉換為JK觸發(fā)器要將D觸發(fā)器轉換為JK觸發(fā)器，則有：D觸發(fā)器轉換為JK觸發(fā)器的電路，如圖所示。211D觸發(fā)器轉換為JK觸發(fā)器3.D觸發(fā)器轉換為T′觸發(fā)器D觸發(fā)器轉換為T′觸發(fā)器如圖所示，將D觸發(fā)器的

端與D端相連接，有

，可以看出，觸發(fā)器的次態(tài)是原來狀態(tài)的取反，即每一次CP作用后觸發(fā)器的狀態(tài)都會翻轉，這樣就構成了T′觸發(fā)器。212用D觸發(fā)器構成T′觸發(fā)器a)電路圖b)波形圖§3—4

寄存器213如圖所示，使用計算器進行3+5的運算，當通過按鍵輸入數(shù)字3后，顯示屏顯示3，然后輸入+號，數(shù)字3仍然存在，輸入5后，3便消失了，但前面輸入的數(shù)字3信息并未消失，而是被“寄存器”存儲起來了，以便做加法運算時使用。在各種數(shù)字系統(tǒng)中，寄存器幾乎無所不在，因為任何數(shù)字系統(tǒng)都必須把需要處理的數(shù)據(jù)先寄存起來，以便隨時取用。寄存器有數(shù)碼寄存器和移位寄存器兩種類型。214計算器做加法運算一、數(shù)碼寄存器數(shù)碼寄存器是一種最簡單的寄存器，它只具有接收數(shù)碼和清除原有數(shù)碼的功能。圖所示為由4個D觸發(fā)器組成的4位數(shù)碼寄存器。由于該寄存器被存數(shù)碼同時從各觸發(fā)器的D端輸入，又同時從各Q端輸出，故又被稱為并行輸入、并行輸出（簡稱并入/并出）數(shù)碼寄存器。215216四位數(shù)碼寄存器二、移位寄存器1.單向移位寄存器移位寄存器除了具有寄存數(shù)碼的功能外，還具有數(shù)碼移位的功能。單向移位寄存器可以實現(xiàn)存儲數(shù)碼的單向移位。217四位右移寄存器圖所示為四位右移寄存器各觸發(fā)器輸出端的工作波形圖。218四位右移寄存器各觸發(fā)器輸出端工作波形圖2.雙向移位寄存器從實用的角度出發(fā)，移位寄存器大多都設計成帶移位控制端的雙向移位寄存器，即在移位控制信號的作用下，電路既可以實現(xiàn)右移，又可以實現(xiàn)左移。雙向移位寄存器74LS194的實物圖、引腳排列和邏輯符號，如圖所示。219雙向移位寄存器74LS194a)實物圖b)引腳排列c)邏輯符號雙向移位寄存器74LS194的邏輯功能見表。220雙向移位寄存器74LS194的邏輯功能表三、移位寄存器的應用移位寄存器應用很廣，可做同步并行移位寄存，也可串行左移、右移；可把串行數(shù)據(jù)轉換為并行數(shù)據(jù)，也可把并行數(shù)據(jù)轉換為串行數(shù)據(jù)。移位寄存器還可用于算術運算，將數(shù)碼高移（右移）一位相當于乘以2，低移（左移）一位相當于除以2。順序脈沖分配器是移位寄存器的典型應用之一。22174LS194構成順序脈沖分配器由圖所示波形可知，該電路可由各個輸出端輸出在時間上有先后順序的脈沖，所以稱為順序脈沖分配器。222順序脈沖分配器波形圖§3—5

計數(shù)器223廣義地講，計數(shù)器就是能夠實現(xiàn)計數(shù)功能的器件，例如水表、電表、里程表、溫度計、點鈔機等都可看作是計數(shù)器，如圖所示。224計數(shù)器的應用a)里程表b)點鈔機c)可逆計數(shù)器d)智能測速儀在數(shù)字系統(tǒng)中，把用來統(tǒng)計和存儲輸入CP脈沖個數(shù)的電路稱為計數(shù)器。計數(shù)器不僅用于計數(shù)，也可用于定時、分頻等，是數(shù)字儀表、程序控制、計算機等眾多數(shù)字設備不可缺少的組成部分。按計數(shù)進位數(shù)制不同，計數(shù)器可分為二進制計數(shù)器、十進制計數(shù)器；按計數(shù)的增減趨勢不同，計數(shù)器可分為加法計數(shù)器、減法計數(shù)器和可逆計數(shù)器；按計數(shù)器中觸發(fā)器的翻轉是否同步，計數(shù)器可分為同步計數(shù)器和異步計數(shù)器。225一、二進制計數(shù)器在時鐘脈沖作用下，各觸發(fā)器的狀態(tài)翻轉按二進制數(shù)碼規(guī)律計數(shù)的邏輯電路稱為二進制計數(shù)器。1.異步加法計數(shù)器每輸入一個脈沖，就進行一次加1運算的計數(shù)器稱為加法計數(shù)器，也稱遞增計數(shù)器。226用JK觸發(fā)器構成的四位二進制異步加法計數(shù)器由表可畫出計數(shù)器的狀態(tài)圖和波形圖，分別如圖所示。227四位二進制異步加法計數(shù)器狀態(tài)表228四位二進制加法計數(shù)器波形圖四位二進制加法計數(shù)器狀態(tài)圖2.同步加法計數(shù)器為了提高計數(shù)速度，將計數(shù)脈沖輸入端與多個觸發(fā)器的C1端相連，在計數(shù)脈沖的作用下，所有應翻轉的觸發(fā)器可以同時動作，這種結構的計數(shù)器稱為同步計數(shù)器，也稱并行計數(shù)器。圖所示是由4個JK觸發(fā)器和2個與門組成的四位二進制同步加法計數(shù)器。由圖可知，各個觸發(fā)器的輸入信號為：229230用4個JK觸發(fā)器和2個與門組成的四位二進