電工電子技術(shù)課件 第十一章 觸發(fā)器和時(shí)序邏輯電路

第十一章觸發(fā)器和時(shí)序邏輯電路本章知識(shí)點(diǎn)1.掌握RS、JK、D觸發(fā)器的邏輯功能及不同結(jié)構(gòu)觸發(fā)器的動(dòng)作特點(diǎn)。2.掌握寄存器、移位寄存器、二進(jìn)制計(jì)數(shù)器、十進(jìn)制計(jì)數(shù)器的邏輯功能，會(huì)分析時(shí)序邏輯電路。3.學(xué)會(huì)使用本章所介紹的各種集成電路。4.了解集成定時(shí)器及由其組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器的工作原理。11.1觸發(fā)器11.1.1概述

時(shí)序邏輯電路不僅具備組合邏輯電路的基本功能，還必須具備對(duì)過(guò)去時(shí)刻的狀態(tài)進(jìn)行存儲(chǔ)或記憶的功能。具備記憶功能的電路稱(chēng)為存儲(chǔ)電路，它主要由各類(lèi)觸發(fā)器組成。時(shí)序邏輯電路一般由組合邏輯電路和存儲(chǔ)電路（存儲(chǔ)器）兩部分組成，其結(jié)構(gòu)框圖如圖11-2所示。時(shí)序邏輯電路的基本單元是觸發(fā)器，觸發(fā)器是一種具有記憶功能的單元電路，它有0和1兩種穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)無(wú)外界信號(hào)作用時(shí)，保持原狀態(tài)不變；在輸入信號(hào)作用下，觸發(fā)器可從一種狀態(tài)翻轉(zhuǎn)到另一種狀態(tài)。

圖11-3觸發(fā)器的電路符號(hào)11.1觸發(fā)器11.1.1概述

圖11-3為觸發(fā)器的電路符號(hào)示意圖，它有兩個(gè)輸出端，分別用Q和表示。要注意是在Q上加一條劃線，在圖中引出線上加一個(gè)小圈，在邏輯表示中就是取反---“非”的含義，即說(shuō)明兩個(gè)輸出端的狀態(tài)是相反的，當(dāng)Q=0時(shí)，=1；反之，當(dāng)Q=1時(shí)，=0。觸發(fā)器一般有1個(gè)以上的輸入端，此外還有一個(gè)觸發(fā)信號(hào)輸入端。觸發(fā)器種類(lèi)很多，根據(jù)電路結(jié)構(gòu)，可分為基本觸發(fā)器、同步觸發(fā)器、主從觸發(fā)器和邊沿觸發(fā)器等；根據(jù)邏輯功能，又可分為RS觸發(fā)器、JK觸發(fā)器、D觸發(fā)器和T觸發(fā)器等。

圖11-3觸發(fā)器的電路符號(hào)11.1觸發(fā)器11.1.2常見(jiàn)觸發(fā)器功能介紹1.基本RS觸發(fā)器基本RS觸發(fā)器結(jié)構(gòu)最為簡(jiǎn)單，是其它各種觸發(fā)器的基本單元。（1）電路組成圖11-4（a）所示是由兩個(gè)與非門(mén)組成的基本RS觸發(fā)器。它由兩個(gè)與非門(mén)電路交叉連接而成。其中和是兩個(gè)輸入端，和是兩個(gè)互補(bǔ)的輸出端，通常規(guī)定端的狀態(tài)為觸發(fā)器的狀態(tài)。例如當(dāng)=0、=1時(shí)，表示觸發(fā)器處于”0”狀態(tài)；反之，當(dāng)=1、=0時(shí)，觸發(fā)器處于”1”狀態(tài)。11.1觸發(fā)器11.1.2常見(jiàn)觸發(fā)器功能介紹1.基本RS觸發(fā)器（2）工作原理1）當(dāng)D=1、D=0時(shí)，觸發(fā)器置1。2）當(dāng)D=0、D=1時(shí)，觸發(fā)器置0。3）當(dāng)D=D=1時(shí)，觸發(fā)器保持原狀態(tài)不變。4）當(dāng)D=D=0時(shí)，觸發(fā)器狀態(tài)不定?；綬S觸發(fā)器的邏輯符號(hào)如圖11-4（b）所示，圖中D和D端的小圓圈以及上面的非號(hào)均表示低電平有效。11.1觸發(fā)器11.1.2常見(jiàn)觸發(fā)器功能介紹2.同步RS觸發(fā)器在數(shù)字系統(tǒng)中，為協(xié)調(diào)各部分的動(dòng)作，常常要求某些觸發(fā)器于同一時(shí)刻動(dòng)作。因此，必須引入同步信號(hào)，使這些觸發(fā)器只有在同步信號(hào)到達(dá)時(shí)才按輸入信號(hào)改變狀態(tài)。通常把這個(gè)同步信號(hào)叫作時(shí)鐘脈沖，或稱(chēng)為時(shí)鐘信號(hào)，簡(jiǎn)稱(chēng)時(shí)鐘，用CP表示。（1）電路結(jié)構(gòu)圖11-5是同步RS觸發(fā)器的邏輯圖，在圖中可以看到與非門(mén)G1、G2構(gòu)成基本RS觸發(fā)器，在此基礎(chǔ)上，又加了兩個(gè)與非門(mén)G3、G4，它們構(gòu)成導(dǎo)引電路。G3、G4的輸入端S、R分別是置“1”端和置“0”端，CP是起輔助控制作用的信號(hào)輸入端，稱(chēng)為時(shí)鐘脈沖端。

圖11-5同步RS觸發(fā)器11.1觸發(fā)器

11.1.2常見(jiàn)觸發(fā)器功能介紹

（2)邏輯功能分析1）CP＝0時(shí)，G3、G4被封鎖，兩個(gè)門(mén)的輸出均為1,此時(shí)基本RS觸發(fā)器的,觸發(fā)器的輸出狀態(tài)及將保持不變。2）CP＝1時(shí)，觸發(fā)器才會(huì)由R、S端的輸入狀態(tài)來(lái)決定其輸出狀態(tài)。當(dāng)S＝1、R＝0時(shí)，與非門(mén)G3輸出為“0”，向與非門(mén)G1送一個(gè)置“1”的低電平（負(fù)脈沖），使Q＝1；同時(shí)與非門(mén)G4輸出為“1”，使得＝0，同步RS觸發(fā)器被置位。當(dāng)S＝0、R＝1時(shí)，與非門(mén)G4輸出為“0”，向與非門(mén)G2送一個(gè)置“1”的低電平（負(fù)脈沖），使＝1；同時(shí)與非門(mén)G3輸出為“1”，使得Q＝0，同步RS觸發(fā)器被復(fù)位。11.1觸發(fā)器11.1.2常見(jiàn)觸發(fā)器功能介紹

（2)邏輯功能分析當(dāng)S＝R＝0時(shí)，使與非門(mén)G3、G4輸出為“1”，基本RS觸發(fā)器保持原狀，也就是同步RS觸發(fā)器保持原狀。當(dāng)S＝R＝1時(shí)，將使與非門(mén)G3、G4輸出均為“0”，使Q和端都為1，待時(shí)鐘脈沖過(guò)后，觸發(fā)器的狀態(tài)是不確定的，因此，這種情況是不允許的。在使用同步RS觸發(fā)器的過(guò)程中，有時(shí)還需要在CP信號(hào)來(lái)到之前將觸發(fā)器預(yù)先置成指定的狀態(tài)，為此在實(shí)用的同步RS觸發(fā)器上往往還設(shè)置有專(zhuān)門(mén)的異步置位輸入端和異步復(fù)位輸入端，如圖11-6所示。只要在或端加入低電平，就可以立即將觸發(fā)器置“1”或置“0”，而不受時(shí)鐘信號(hào)和輸入信號(hào)的控制。所以，將稱(chēng)為異步置位端，將稱(chēng)為異步復(fù)位端，觸發(fā)器在時(shí)鐘信號(hào)控制下正常工作時(shí)應(yīng)使和接高電平。11.1觸發(fā)器11.1.2常見(jiàn)觸發(fā)器功能介紹

（3）動(dòng)作特點(diǎn)當(dāng)CP＝1的全部時(shí)刻，輸入端S和R的信號(hào)都能通過(guò)與非門(mén)G3、G4加到基本RS觸發(fā)器上，所以在CP＝1的全部時(shí)間里，輸入端S和R的變化都將引起觸發(fā)器輸出狀態(tài)的變化，這就是同步RS觸發(fā)器的動(dòng)作特點(diǎn)。為了提高觸發(fā)器的抗干擾能力，在電路上又做了改進(jìn)，使觸發(fā)器的輸出狀態(tài)僅僅取決于時(shí)鐘脈沖到達(dá)的瞬間，如果觸發(fā)器的狀態(tài)變化發(fā)生在時(shí)鐘脈沖的上升沿，就稱(chēng)為上升沿觸發(fā)或正邊沿觸發(fā)；反之，如果觸發(fā)器的狀態(tài)變化發(fā)生在時(shí)鐘脈沖的下降沿，則稱(chēng)為下降沿或負(fù)邊沿觸發(fā)。這種觸發(fā)器稱(chēng)為邊沿觸發(fā)器，相應(yīng)的邏輯符號(hào)如圖11-7所示。11.1觸發(fā)器11.1.2常見(jiàn)觸發(fā)器功能介紹

3.JK觸發(fā)器

JK觸發(fā)器有兩個(gè)輸入控制端，分別用J和K表示，這是一種邏輯功能齊全的觸發(fā)器，它具有置0、置1、保持和翻轉(zhuǎn)四種功能。JK觸發(fā)器的邏輯符號(hào)如圖11-8所示，分為上升沿觸發(fā)和下降沿觸發(fā)兩種類(lèi)型，使用時(shí)要根據(jù)觸發(fā)器信號(hào)特點(diǎn)適當(dāng)選擇。11.1觸發(fā)器11.1.2常見(jiàn)觸發(fā)器功能介紹

3.JK觸發(fā)器當(dāng)J＝0，K＝1時(shí)，時(shí)鐘脈沖CP來(lái)到后，Qn+1＝0，n+1=1,觸發(fā)器置0；當(dāng)J＝1，K＝0時(shí)，時(shí)鐘脈沖CP來(lái)到后，Qn+1＝1，n+1=0,觸發(fā)器置1；當(dāng)J＝0，K＝0時(shí)，時(shí)鐘脈沖CP來(lái)到后，Qn+1＝Qn，n+1=n，觸發(fā)器保持原來(lái)狀態(tài)；當(dāng)J＝1，K＝1時(shí)，時(shí)鐘脈沖CP來(lái)到后，Qn+1＝n，n+1=Qn，觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)。即若初態(tài)為0，則次態(tài)為1；若初態(tài)為1，則次態(tài)為0。說(shuō)明每加入一個(gè)時(shí)鐘脈沖，觸發(fā)器的狀態(tài)就翻轉(zhuǎn)一次，這種功能又稱(chēng)為計(jì)數(shù)功能。根據(jù)特性表列出邏輯表達(dá)式并化簡(jiǎn)，得到特性方程：Qn+1＝J

n＋Qn?？梢钥闯鯦K觸發(fā)器輸入狀態(tài)的任意組合都是允許的，而且在CP到來(lái)后，觸發(fā)器的狀態(tài)總是確定的。11.1觸發(fā)器11.1.2常見(jiàn)觸發(fā)器功能介紹

４.D觸發(fā)器

D觸發(fā)器也是一種邊沿觸發(fā)器，它的邏輯功能是在時(shí)鐘脈沖CP的作用下，進(jìn)行置1或置0。如圖11-9所示為上升沿觸發(fā)的D觸發(fā)器的邏輯符號(hào)。當(dāng)D＝0時(shí)，時(shí)鐘脈沖CP到來(lái)后，Qn+1＝0，n+1=1,觸發(fā)器置0；當(dāng)D＝1時(shí)，時(shí)鐘脈沖CP到來(lái)后，Qn+1＝1，n+1=0,觸發(fā)器置1。為異步置位端，為異步復(fù)位端。由特性表可以得出D觸發(fā)器得特性方程：Qn+1＝D。11.1觸發(fā)器11.1.2常見(jiàn)觸發(fā)器功能介紹5.T觸發(fā)器T觸發(fā)器也是一種邊沿觸發(fā)器，它的邏輯功能是在時(shí)鐘脈沖CP的作用下保持和翻轉(zhuǎn)（計(jì)數(shù)）功能。圖11-10為下降沿觸發(fā)的T觸發(fā)器的邏輯符號(hào)。由特性表可以得出T觸發(fā)器得特性方程：Qn+1＝T

n＋Qn。11.2計(jì)數(shù)器11.2.1同步計(jì)數(shù)器

在數(shù)字系統(tǒng)中使用得最多得時(shí)序電路之一就是計(jì)數(shù)器，它不僅能用于對(duì)時(shí)鐘脈沖計(jì)數(shù)，還可以用于分頻、定時(shí)、產(chǎn)生節(jié)拍脈沖和脈沖序列以及進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算。觸發(fā)器得種類(lèi)繁多，如果按觸發(fā)方式分，計(jì)數(shù)器可分為同步式和異步式。如果按計(jì)數(shù)過(guò)程中計(jì)數(shù)器的數(shù)字增減分類(lèi)，又可以把計(jì)數(shù)器分為加法計(jì)數(shù)器、減法計(jì)數(shù)器和可逆計(jì)數(shù)器。由三個(gè)JK觸發(fā)器構(gòu)成的三位二進(jìn)制同步加法計(jì)數(shù)器如圖11-11所示，所有計(jì)數(shù)器是共用一個(gè)時(shí)鐘脈沖的，因此它們將同時(shí)翻轉(zhuǎn)。11.2計(jì)數(shù)器11.2.1同步計(jì)數(shù)器

（１）寫(xiě)控制端的邏輯表達(dá)式1）第一個(gè)觸發(fā)器F0，每來(lái)一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖就翻轉(zhuǎn)一次，故J0=K0=12）第二個(gè)觸發(fā)器F1，當(dāng)Q0＝1時(shí)來(lái)一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖才翻轉(zhuǎn)一次，故J1=K1=Q03）第二個(gè)觸發(fā)器F2，當(dāng)Q1Q0＝11時(shí)，來(lái)一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖才翻轉(zhuǎn)一次，故J2=K2=Q1Q0（２）列出狀態(tài)轉(zhuǎn)換表，分析其狀態(tài)轉(zhuǎn)換過(guò)程。CPQ2Q1Q0對(duì)應(yīng)十進(jìn)制數(shù)000001001120102301134100451015611067111780000

表11-6三位二進(jìn)制同步加法計(jì)數(shù)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表11.2計(jì)數(shù)器11.2.1同步計(jì)數(shù)器

（3）畫(huà)出波形圖CPQ0Q1Q2圖11-12三位二進(jìn)制同步加法計(jì)數(shù)器的時(shí)序圖11.2計(jì)數(shù)器11.2.2異步計(jì)數(shù)器

異步計(jì)數(shù)器在做“加1”計(jì)數(shù)時(shí)是采取從低位到高位逐位進(jìn)位的方式工作的，所以，其中的各個(gè)觸發(fā)器不是同步翻轉(zhuǎn)的。圖11-13是由下降沿觸發(fā)的T’觸發(fā)器（T’觸發(fā)器是令JK觸發(fā)器的J=K=1而得到的）組成的3位二進(jìn)制異步加法計(jì)數(shù)器。因?yàn)樗械挠|發(fā)器都是在時(shí)鐘信號(hào)下降沿動(dòng)作，所以只要將低位觸發(fā)器的Q端接至高位觸發(fā)器的時(shí)鐘輸入端就行了。根據(jù)T’觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)規(guī)律即可畫(huà)出在一系列CP0脈沖信號(hào)作用下Q0、Q1、Q2的電壓波形，如圖11-14所示。圖11-14圖11-13的時(shí)序圖11.2計(jì)數(shù)器11.2.3集成計(jì)數(shù)器及其應(yīng)用

計(jì)數(shù)器應(yīng)用非常廣泛，所以也有較多型號(hào)的計(jì)數(shù)功能芯片。下面以74LS90為例，介紹集成計(jì)數(shù)器電路的功能及使用方法。74LS90是一個(gè)14腳的芯片，它的內(nèi)部是一個(gè)二進(jìn)制計(jì)數(shù)器和一個(gè)五進(jìn)制計(jì)數(shù)器，下降沿觸發(fā)。引腳排列如圖所示。

圖11-1574LS90引腳排列11.2計(jì)數(shù)器11.2.3集成計(jì)數(shù)器及其應(yīng)用

引腳功能如下：腳1：五進(jìn)制計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘脈沖輸入端。腳2和3：直接復(fù)位（清零）端。腳4、13：空腳。腳5：電源（＋5V）。腳6和7：直接置9端。腳8、腳9、腳11：五進(jìn)制計(jì)數(shù)器的輸出端（由低位到高位排列）。腳10：接地。腳12：二進(jìn)制計(jì)數(shù)器的輸出端。腳14：二進(jìn)制計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘脈沖輸入端。11.2計(jì)數(shù)器11.2.3集成計(jì)數(shù)器及其應(yīng)用

由以上引腳功能可以看出利用腳12和腳14可以作為一個(gè)一位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器（即一個(gè)觸發(fā)器）；利用腳1和腳9、腳8、腳11可以直接作為一個(gè)五進(jìn)制計(jì)數(shù)器。如果要構(gòu)成十進(jìn)制計(jì)數(shù)器可以有兩種方法：一種是腳14作為時(shí)鐘脈沖輸入端，腳12和腳1直接相連，輸出端由高到低的排列順序?yàn)槟_11、腳8、腳9、腳12，構(gòu)成8421BCD碼二—十進(jìn)制計(jì)數(shù)器；另一種腳1作為時(shí)鐘脈沖輸入端，腳11和腳14直接相連，輸出端由高到低的排列順序?yàn)槟_12、腳11、腳8、腳9，構(gòu)成5421BCD碼二—十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。此兩種具體連接方法見(jiàn)圖11-16。11.3寄存器

寄存器存放數(shù)碼的方式有并行和串行兩種。同樣，寄存器數(shù)碼的輸出也有并行和串行兩種方式。1．?dāng)?shù)碼寄存器如圖11-18所示是一個(gè)由D觸發(fā)器構(gòu)成的四位二進(jìn)制數(shù)碼寄存器。它采用并行輸入并行輸出的方式，把要存入的四位二進(jìn)制數(shù)碼A3、A2、A1、A0分別對(duì)應(yīng)接入四個(gè)觸發(fā)器的輸入端（D端），四個(gè)觸發(fā)器的時(shí)鐘脈沖輸入端連在一起作為接收信號(hào)的控制輸入端，當(dāng)有寄存信號(hào)（CP上升沿）時(shí)，四位待存的數(shù)碼同時(shí)存入對(duì)應(yīng)的觸發(fā)器，使Q3Q2Q1Q0＝A3A2A1A0，完成了接收和寄存的功能。11.3寄存器

2．移位寄存器移位寄存器除了具有存儲(chǔ)數(shù)碼的功能以外，還具有移位功能。所謂移位功能，是指寄存器里存儲(chǔ)的數(shù)碼能在移位脈沖的作用下依次左移或右移。圖11-19所示電路是由邊沿觸發(fā)結(jié)構(gòu)的D觸發(fā)器組成的四位移位寄存器。其中第一個(gè)觸發(fā)器F0的輸入端接收輸入信號(hào)，其余的每個(gè)觸發(fā)器輸入端均與前邊一個(gè)觸發(fā)器的Q端相連。11.4脈沖單元電路11.4.1概述

獲得矩形脈沖的方法有兩種：一種是利用各種形式的多諧振蕩器電路直接產(chǎn)生所需要的矩形脈沖；另一種是通過(guò)各種整形電路把已有的周期性變化波形變換成符合要求的矩形脈沖。脈沖周期T——周期性重復(fù)的脈沖序列中，兩個(gè)相鄰脈沖之間的時(shí)間間隔。脈沖寬度Um——脈沖電壓的最大變化幅度。脈沖寬度TW——從脈沖前沿到達(dá)0.5Um起，到脈沖后沿到達(dá)0.5Um為止的時(shí)間。上升時(shí)間tr——脈沖上升沿從0.1Um上升到0.9Um所需要的時(shí)間。下降時(shí)間tf——脈沖下降沿從0.9Um下降到0.1Um所需要的時(shí)間。圖11-21描述矩形脈沖特性的指標(biāo)11.4脈沖單元電路11.4.2555定時(shí)器

555定時(shí)器是一種將模擬功能和數(shù)字功能巧妙地結(jié)合在一起的中規(guī)模集成電路。

1．電路結(jié)構(gòu)

圖11-22(a)是555定時(shí)器內(nèi)部組成框圖。它主要由兩個(gè)高精度電壓比較器A1、A2，一個(gè)RS觸發(fā)器，一個(gè)放電三極管T和三個(gè)5KΩ電阻的分壓器而構(gòu)成。(a)電路結(jié)構(gòu)(b)邏輯符號(hào)圖11-22555定時(shí)器的電路結(jié)構(gòu)和邏輯符號(hào)11.4脈沖單元電路11.4.2555定時(shí)器

1）電阻分壓器

由3個(gè)5KΩ的電阻串聯(lián)起來(lái)構(gòu)成分壓器（555也因此而得名），為電壓比較器A1和A2提供兩個(gè)基準(zhǔn)電壓。比較器A1的基準(zhǔn)電壓為

，A2的基準(zhǔn)電壓為。若在控制端外加一控制電壓，則可改變兩個(gè)電壓比較器的基準(zhǔn)電壓。

2）電壓比較器

A1和A2是兩個(gè)結(jié)構(gòu)完全相同的高精度電壓比較器，分別由兩個(gè)集成運(yùn)放構(gòu)成。比較器A1的同相輸入端接基準(zhǔn)電壓，反相端TH稱(chēng)為高觸發(fā)端。比較器A2的反相輸入端接基準(zhǔn)電壓，同相輸入端為低觸發(fā)端

。

3）基本RS觸發(fā)器

RS觸發(fā)器是由兩個(gè)與非門(mén)組成，、端均為低電平有效。電壓比較器的輸出端控制觸發(fā)器輸出端的狀態(tài)。11.4脈沖單元電路11.4.2555定時(shí)器

它的各個(gè)引腳功能如下：

腳1：外接電源負(fù)端VSS或接地，一般情況下接地。

腳8：外接電源VCC，雙極型時(shí)