第14章雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和時序邏輯電路

1、學(xué)習(xí)要點 觸發(fā)器的工作原理及邏輯功能 寄存器、計數(shù)器的工作原理及構(gòu)成 555定時器的工作原理及其應(yīng)用組合電路和時序電路是數(shù)字電路的兩大類。門電路式組合電路的基本單元；觸發(fā)器是時序電路的基本單元。時序邏輯電路的特點是電路的狀態(tài)不僅取決于當(dāng)時的輸入信號，還于電路原來的狀態(tài)有關(guān)。觸發(fā)器有兩個穩(wěn)定狀態(tài)0和1態(tài)，可以記憶1位二值信號。雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)其按其邏輯功能可分為RS觸發(fā)器，JK觸發(fā)器,D觸發(fā)器和T觸發(fā)器等；按其結(jié)構(gòu)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)器等?；綬S觸發(fā)器基本RS觸發(fā)器可由兩個“與非”門交叉連接而成，如下圖所示。 Q與是基本觸發(fā)器的輸出端，兩者的邏輯狀態(tài)在正常條件下能保

2、持相反。這種觸發(fā)器有兩種穩(wěn)定狀態(tài)：一個狀態(tài)是Q=1，=0，稱為置位狀態(tài)（“1”態(tài)）；另一個狀態(tài)是Q=0，=1，稱為復(fù)位狀態(tài)（“0”態(tài)）。相應(yīng)的輸入端分別稱為直接置位端或直接置“1”端（）和直接復(fù)位端“0”端（）。 基本RS觸發(fā)器輸出與輸入的邏輯關(guān)系。1）=1，=0所謂=1，就是將端保持高電位；而=0，就是在端加一個負(fù)脈沖。設(shè)觸發(fā)器的初始狀態(tài)為“1”態(tài)，即Q=1，=0。這時“與非”門G2有一個輸入端為“0”，其輸出端變?yōu)椤?”；而“與非”門G1的兩個輸入端全為“1”，其輸出端Q變?yōu)椤?”。因此，在端加負(fù)脈沖后，觸發(fā)器就由“1”態(tài)翻轉(zhuǎn)為“0”態(tài)。如果它的初始態(tài)為“0”態(tài)，觸發(fā)器仍保持“0”態(tài)不變。

3、2）=0， =1設(shè)觸發(fā)器的初始狀態(tài)為“0”態(tài)，即Q=0，=1。這是“與非”門G1有一個輸入端為“0”，其輸出端Q變?yōu)椤?”；而“與非”門G2的兩個輸入端全為“1”，其輸出端變?yōu)椤?”。因此，在端加負(fù)脈沖后，觸發(fā)器就由“0”態(tài)翻轉(zhuǎn)為“1”態(tài)。如果它的初始狀態(tài)為“1”態(tài)，觸發(fā)器人保持“1”太不變。3）=1， =1假如在（1）中由“0”變?yōu)椤?”（即除去負(fù)脈沖），或在（2）中由“0”變?yōu)椤?”，這樣，=1，則觸發(fā)器保持原狀態(tài)不變。這就是它具有存儲或記憶功能。 4）=0， =0 當(dāng)端和端同時加負(fù)脈沖時，兩個“與非”門輸出端都為“1”，這就達不到Q與的狀態(tài)應(yīng)該相反的邏輯要求。但當(dāng)負(fù)脈沖除去后，觸發(fā)器將由

4、各種偶然因素決定其最終狀態(tài)。因此這種情況在使用中應(yīng)該禁止出現(xiàn)?？芍?，基本RS觸發(fā)其由兩個穩(wěn)定狀態(tài)，它可以直接置位或復(fù)位，并具有存儲或記憶的功能。在直接置位端加負(fù)脈沖（=0）即可置位，在直接復(fù)位端加負(fù)脈沖（=0）即可復(fù)位。負(fù)脈沖除去以后，直接置位端和復(fù)位端都處于“1”態(tài)高電平（平時固定接高電平），此時觸發(fā)器保持原狀態(tài)不變，實現(xiàn)存儲或記憶功能。但是復(fù)脈沖不可同時加在直接置位端和直接復(fù)位端?；綬S觸發(fā)器的狀態(tài)表見上圖（c）。上圖（b）是基本RS觸發(fā)器的圖形符號，途中輸入端引線上靠近方框的小圓圈是表示觸發(fā)器用負(fù)脈沖“0電平”來置位或復(fù)位,即低電平有效，故用和表示。同步RS觸發(fā)器基本觸發(fā)器是各種雙穩(wěn)態(tài)

5、觸發(fā)器的共同部分。同步觸發(fā)器還有導(dǎo)引帶你路（或稱控制電路）部分，通過它把輸入信號引導(dǎo)到基本觸發(fā)器。下圖是同步RS觸發(fā)器的邏輯圖，其中，“與非”門G1和G2構(gòu)成基本觸發(fā)器，“與非”門G3和G4構(gòu)成導(dǎo)引電路。R和S是置“0”和置“1”信號的輸入端。C是時鐘脈沖輸入端?？刂朴|發(fā)器的翻轉(zhuǎn)時刻，它是一種控制命令。通過導(dǎo)引電路來實現(xiàn)時鐘脈沖對輸入端R和S的控制 。和時直接復(fù)位和直接置位端，就是不經(jīng)過時鐘脈沖C的控制可以對基本觸發(fā)器置“0”或“1”。一般用在工作之初，預(yù)先使觸發(fā)器處于某一給定狀態(tài)，在工作過程中不用它們。不用時讓它們處于“1”態(tài)（高電平）。觸發(fā)器的輸出狀態(tài)與R,S端輸入狀態(tài)的關(guān)系列在上圖的狀態(tài)

6、表中。表示時鐘脈沖到來之前觸發(fā)器的輸出狀態(tài)，表示時鐘脈沖來到之后的狀態(tài)。工作過程：時鐘脈沖（正脈沖）來到后，C端變?yōu)椤?”,R和S的狀態(tài)就起作用了。如果此時S=1,R=0,則G3門輸出將變?yōu)椤?”，向G1們送去一個置“1”負(fù)脈沖，觸發(fā)器的輸出端Q將處于“1”態(tài)。如果此時S=0,R=1,則G4門將向G2門送置“0”負(fù)脈沖，Q將處于“0”態(tài)。如果此時S=R=0，則G3門和G4門均保持“1”態(tài)，不向基本觸發(fā)器送負(fù)脈沖；在這種情況下，時鐘脈沖過去之后的新狀態(tài)和時鐘脈沖來到以前的狀態(tài)一樣。如果此時S=R=1，則G3和G4們都向基本觸發(fā)器送負(fù)脈沖，使G1門和G2門輸出端都為“1”，這違背了Q于應(yīng)該相反的邏

7、輯要求。當(dāng)時鐘脈沖過去以后，G1門和G2門的輸出端哪一個將處于“1”態(tài)是不定的，這種不正常情況應(yīng)該避免出現(xiàn)。上圖是同步RS觸發(fā)器的工作波形圖，圖中g(shù)3和g4是相應(yīng)“與非”門G3和G4的輸出端波形?？煽豏S觸發(fā)器的邏輯功能比基本觸發(fā)器多一些，他不但可以實現(xiàn)記憶和存儲，還具有計數(shù)功能。如果將可控RS觸發(fā)器的端聯(lián)到S端，Q端聯(lián)到R端，在時鐘脈沖端C加上計數(shù)脈沖，如圖22.1.4所示。這樣的觸發(fā)器具有計數(shù)的功能，來一個計數(shù)脈沖技能翻轉(zhuǎn)一次，翻轉(zhuǎn)的次數(shù)等于脈沖的個數(shù)，所以可以用它來構(gòu)成計數(shù)器。JK觸發(fā)器下圖（a）是主從型JK觸發(fā)器的邏輯圖，它由兩個“與非”門構(gòu)成的可控RS觸發(fā)器組成，兩者分別稱為主觸發(fā)器

8、和從觸發(fā)器。此外，還通過一個“非”門將兩個觸發(fā)器聯(lián)系起來。這種就是觸發(fā)器的主從型結(jié)構(gòu)。工作原理：當(dāng)時鐘脈沖來到后，即C1時，“非”門的輸出為“0”，故從觸發(fā)器的狀態(tài)不變。至于這時主觸發(fā)器是否翻轉(zhuǎn)，要看它的狀態(tài)以及J,K輸入端所處狀態(tài)而定（在圖中S=JQ,R=KQ）.當(dāng)C從“1”下跳變?yōu)椤?”時，主觸發(fā)器的狀態(tài)不變。這時“非”門的輸出為“1”，主觸發(fā)器就可以將信號送到從觸發(fā)器，使兩者狀態(tài)一致。例如主觸發(fā)器為“1”態(tài)，當(dāng)“非”門的輸出上跳變?yōu)椤?”時，由于從觸發(fā)器的S=1和R=0，故使它也處于“1”態(tài)?？梢?，在時鐘脈沖來到之前（即C=0時），觸發(fā)器的狀態(tài)（即從觸發(fā)器的狀態(tài)）于主觸發(fā)器的狀態(tài)是一致的

9、。還可見到，這種觸發(fā)器不會“空翻”。因為C=1期間，從觸發(fā)器的狀態(tài)不會改變；而等到C下跳為“0”時，從觸發(fā)器或翻轉(zhuǎn)或保持原態(tài)，但主觸發(fā)器的狀態(tài)也不會改變。邏輯功能分析：1）J=1,K=1 設(shè)時鐘脈沖來到之前，即C=0時，觸發(fā)器的初始狀態(tài)為“0”態(tài)，這時主觸發(fā)器的S=JQ=1,R=KQ=0.當(dāng)時時鐘脈沖來到后，即C=1時，由于主觸發(fā)器的S=1和R=0,故翻轉(zhuǎn)為“1”態(tài)。當(dāng)C從“1”下跳為“0”時，由于這時從觸發(fā)器的S=1和R=0，它也就翻轉(zhuǎn)為“1”態(tài)。反之，設(shè)初始狀態(tài)為“1”態(tài)，這時主觸發(fā)器的S=0和R=1，當(dāng)C=1時，它翻轉(zhuǎn)為“0”態(tài)；當(dāng)C下跳為“0”時，從觸發(fā)器也翻轉(zhuǎn)為“0”態(tài)?？梢奐K觸發(fā)

10、器在J=K=1的情況下，來一個時鐘脈沖，就使它翻轉(zhuǎn)一次。這表明，在這情況下，觸發(fā)器具有計數(shù)功能。2）J=0,K=0設(shè)觸發(fā)器的初始狀態(tài)為“0”態(tài)。當(dāng)C=1時，由于主觸發(fā)器的S=0和R=0，它的狀態(tài)保持不變。當(dāng)C下跳時，由于從觸發(fā)器的S=0,R=1,也保持原態(tài)不變。如果初始狀態(tài)為“1”態(tài)，也保持原態(tài)不變。3）J=1,K=0 設(shè)觸發(fā)器的初始狀態(tài)為“0”態(tài)。當(dāng)C=1時，由于主觸發(fā)器的S=1和R=0,故翻轉(zhuǎn)為“1”態(tài)。當(dāng)C下跳時，由于從觸發(fā)器的S=1和R=0，故也翻轉(zhuǎn)為“1”態(tài)。如果初始狀態(tài)為“1”態(tài)，主觸發(fā)器由于S=0和R=0，當(dāng)C1時保持原態(tài)不變；從觸發(fā)器由于 S=1和R=0,當(dāng)C下跳時也保持“1”

11、態(tài)不變。4）J=0,K=1不論觸發(fā)器原來處于什么狀態(tài)，下一個狀態(tài)一定是“0”態(tài)。D觸發(fā)器D觸發(fā)器可以由JK觸發(fā)器加“非”門構(gòu)成。（a）圖形符號 (b)狀態(tài)表 (c)工作波形圖D觸發(fā)器具有在時鐘脈沖上升沿觸發(fā)的特點，其邏輯功能為：輸出端Q的狀態(tài)隨著輸入端D的狀態(tài)而變化，但總比輸入端狀態(tài)的變化晚一步，即某個時鐘脈沖來到之后Q的狀態(tài)和該脈沖來到之前D的狀態(tài)一樣。寄存器寄存器用來暫時存放參與運算的數(shù)據(jù)和運算結(jié)果，由具有存儲功能的觸發(fā)器組合起來構(gòu)成。一個觸發(fā)器只能寄存一位二進制數(shù)，要存多位數(shù)時，就得用多個觸發(fā)器。常用的有四位，八位，十六位等寄存器。寄存器存放數(shù)碼的方式有并行和串行兩種。從寄存器取出數(shù)碼的

12、方式也有并行方式和串行方式兩種。寄存器常分為數(shù)碼寄存器和移位寄存器兩種，其區(qū)別在于有無移位的功能。數(shù)碼寄存器這種寄存器只有寄存數(shù)碼和清除原有數(shù)碼的功能。下圖是由D觸發(fā)器（上升沿觸發(fā)）組成的四位數(shù)碼寄存器。無論寄存器原來的內(nèi)容是什么，只要時鐘脈沖CP上升沿到來，加在并行數(shù)據(jù)輸入端的數(shù)據(jù)D0D3就立即被送進寄存器中。當(dāng)時鐘脈沖CP消失后，寄存器就保持D3D2D12D0的狀態(tài)不變。移位寄存器移位寄存器不僅有存放數(shù)碼而且有移位的功能。所謂移位指：就是每當(dāng)來一個正脈沖（時鐘脈沖），觸發(fā)器的狀態(tài)便向右或向左移一位，也就是指寄存的數(shù)碼可以在移位脈沖的控制下依次進行移位。下圖是由JK觸發(fā)器組成的四位移位寄存器

13、工作過程：F0接成D觸發(fā)器，數(shù)碼由D端輸入。設(shè)寄存器的二進制數(shù)為“1011”，按移位脈沖（即時鐘脈沖）的工作節(jié)拍從高位到低位依次串行送到D端。工作之初先清零。首先D=1，第一個移位脈沖的下降沿來到時使觸發(fā)器F0翻轉(zhuǎn)，Q01，其他仍保持“0”態(tài)。接著D=0，第二個移位脈沖的下降沿來到時使F0和F1同時翻轉(zhuǎn)，由于F1的J端為1，F(xiàn)0的J端為0，所以Q11，Q00，Q2和Q3仍為“0”。表22.2.1是其狀態(tài)表，移位一次，存入一個新數(shù)碼，直到第四個脈沖的下降沿來到時，存數(shù)結(jié)束。這時，可以從四個觸發(fā)器的Q端得到并行的數(shù)碼輸出。如果再經(jīng)過四個移位脈沖，則所存的“1011”逐位從Q3端串行輸出。計數(shù)器計數(shù)

14、器是數(shù)字系統(tǒng)中具有記憶功能的一種電路，它用以累計輸入脈沖的個數(shù)，實現(xiàn)記數(shù)操作功能。一般由觸發(fā)器構(gòu)成。計數(shù)器的種類很多，按各個觸發(fā)器觸發(fā)脈沖的來源可分為同步和異步計數(shù)器；按計數(shù)器進位方式可分為二進制，十進制及N進制計數(shù)器；按計數(shù)器中數(shù)值的增減情況可分為加法，減法和可逆計數(shù)器。二進制按二進制的規(guī)律累計脈沖個數(shù)，它也是構(gòu)成其它進制計數(shù)器的基礎(chǔ)。要構(gòu)成 n位二進制計數(shù)器，需用 n個具有計數(shù)功能的觸發(fā)器。異步二進制加法計數(shù)器異步計數(shù)器：計數(shù)脈沖C不是同時加到各位觸發(fā)器。最低位觸發(fā)器由計數(shù)脈沖觸發(fā)翻轉(zhuǎn)，其他各位觸發(fā)器有時需由相鄰低位觸發(fā)器輸出的進位脈沖來觸發(fā)，因此各位觸發(fā)器狀態(tài)變換的時間先后不一，只有在前

15、級觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)后,后級觸發(fā)器才能翻轉(zhuǎn)。清零RDQJKQQ0F0QJKQQ1F1QJKQQ2F2C計數(shù)脈沖當(dāng)J、K=1時，具有計數(shù)功能，每來一個脈沖觸發(fā)器就翻轉(zhuǎn)一次. 在電路圖中J、懸空表示J、K=1高位的觸發(fā)器在當(dāng)相鄰低位觸發(fā)器由1變 0 時翻轉(zhuǎn)工作波形如下圖2分頻4分頻8分頻C12345678Q0Q1Q2每個觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)的時間有先后，與計數(shù)脈沖不同步 同步二進制加法計數(shù)器RDQJKQQ0F0QJKQQ1F1QJKQQ2F2C計數(shù)脈沖同步計數(shù)器：計數(shù)脈沖同時接到各位觸發(fā)器，各觸發(fā)器狀態(tài)的變換與計數(shù)脈沖同步。如圖是一個三位同步二進制加法計數(shù)器工作原理：計數(shù)脈沖同時加到各位觸發(fā)器上，當(dāng)每個到來后觸發(fā)器狀態(tài)是否改變要看J、K的狀態(tài)。最低位觸發(fā)器F0每一個脈沖就翻轉(zhuǎn)一次；F1：當(dāng)Q0=1時，再來一個脈沖則翻轉(zhuǎn)一次；F2：C