電路與電子技術(shù)簡明教程時(shí)序邏輯電路

1、電路與電子技術(shù)簡明教程-時(shí)序邏輯電路9. 觸發(fā)器9. 觸發(fā)器第九章 時(shí)序邏輯電路時(shí)序電路由組合電路和記憶存儲電路組成， 其組成框圖如圖9-1所示， 框圖中的記憶存儲電路主要由觸發(fā)器構(gòu)成9. 觸發(fā)器第九章 時(shí)序邏輯電路兩個(gè)與非門輸入和輸出端交叉相連， 即構(gòu)成如圖（a） 所示的基本RS 觸發(fā)器。根據(jù)電路圖可知， 基本RS 觸發(fā)器的一對互補(bǔ)輸出的表達(dá)式為基本RS 觸發(fā)器9.1.1.電路組成和工作原理9. 觸發(fā)器第九章 時(shí)序邏輯電路首先引入兩個(gè)概念： “現(xiàn)態(tài)” 和“次態(tài)” 。“現(xiàn)態(tài)” 指接收信號前觸發(fā)器的狀態(tài)， 通常用 來表示； “次態(tài)” 指接收信號后觸發(fā)器的狀態(tài)， 通常用 來表示。） 狀態(tài)真值表）

2、特征方程） 狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖） 波形圖基本RS 觸發(fā)器9.1.1.邏輯功能描述9. 觸發(fā)器第九章 時(shí)序邏輯電路常要求觸發(fā)器在某一指定時(shí)刻輸出隨著輸入信號的變化而變化， 這一指定時(shí)刻可由外加時(shí)鐘脈沖C P （Clock Pulse） 來控制。數(shù)字系統(tǒng)中采用的觸發(fā)器， 通常添加了時(shí)鐘脈沖CP 。接下來介紹由時(shí)鐘脈沖CP 控制的RS 觸發(fā)器（簡稱同步RS 觸發(fā)器） 和D 觸發(fā)器（簡稱同步D 觸發(fā)器） 。其電路構(gòu)成如圖（a） 所示。同步觸發(fā)器9.1.2.同步RS 觸發(fā)器9. 觸發(fā)器第九章 時(shí)序邏輯電路如果把同步RS 觸發(fā)器的輸入端D 接一個(gè)非門到輸入端R ， 就構(gòu)成了同步D 觸發(fā)器， 其電路構(gòu)成如圖（a）

3、所示同步觸發(fā)器9.1.22.同步D 觸發(fā)器9. 觸發(fā)器第九章 時(shí)序邏輯電路對于由時(shí)鐘脈沖C P 控制的同步觸發(fā)器， 當(dāng)C P 時(shí)， 其輸出會(huì)隨著輸入的改變而改變， 而當(dāng)C P 時(shí)， 其輸出狀態(tài)保持不變， 這種觸發(fā)方式稱為電平觸發(fā)。有些電路在C P 時(shí)， 其輸出隨著輸入的改變而改變， 也屬于電平觸發(fā)。圖 描述了同步D 觸發(fā)器的空翻現(xiàn)象。同步觸發(fā)器的空翻現(xiàn)象9.1.39. 觸發(fā)器第九章 時(shí)序邏輯電路其邏輯符號如圖所示。邊沿觸發(fā)器9.1.41.邊沿D 觸發(fā)器對D 觸發(fā)器來說， 如果CP 端有動(dòng)態(tài)符號“ ” ， 則該D 觸發(fā)器為邊沿觸發(fā)器。對圖所示的兩種邊沿D 觸發(fā)器來說， 如果CP 端加了符號“ 。

4、” ， 則該D 觸發(fā)器為下降沿有效。邊沿D 觸發(fā)器的特征方程和同步D 觸發(fā)器的特征方程一樣， 都是9. 觸發(fā)器第九章 時(shí)序邏輯電路其邏輯符號如圖所示邊沿觸發(fā)器9.1.42.邊沿JK 觸發(fā)器9. 觸發(fā)器第九章 時(shí)序邏輯電路觸發(fā)器邏輯功能的轉(zhuǎn)換9.1.51.將邊沿JK 觸發(fā)器轉(zhuǎn)換為邊沿D 觸發(fā)器邊沿JK 觸發(fā)器的特征方程為 邊沿D 觸發(fā)器為如果令JK 觸發(fā)器的輸入K J ， 則JK 觸發(fā)器的特征方程就轉(zhuǎn)換為令J D ， 則JK 觸發(fā)器就實(shí)現(xiàn)了D 觸發(fā)器的功能。為D 觸發(fā)器由上升沿有效的邊沿JK 觸發(fā)器轉(zhuǎn)換為D 觸發(fā)器的原理圖如圖所示9. 觸發(fā)器第九章 時(shí)序邏輯電路觸發(fā)器邏輯功能的轉(zhuǎn)換9.1.52.

5、將邊沿JK 觸發(fā)器轉(zhuǎn)換為T 觸發(fā)器T 觸發(fā)器的邏輯功能可以描述為： 在時(shí)鐘脈沖C P 有效邊沿的作用下， 當(dāng)T 時(shí)，功能為“保持” ； 當(dāng)T 時(shí) ,功能為“翻轉(zhuǎn)” 。如果令邊沿JK 觸發(fā)器的輸入J K T ， 則其特征方程就轉(zhuǎn)換為第九章 時(shí)序邏輯電路9.2 計(jì)數(shù)器9.2 計(jì)數(shù)器第九章 時(shí)序邏輯電路集成計(jì)數(shù)器741619.2.1.邏輯符號和引腳圖 位集成加法計(jì)數(shù)器74161 是16進(jìn)制計(jì)數(shù)器， 其計(jì)數(shù)范圍為0000 1111 。74161的邏輯符號和引腳圖如圖所示。9.2 計(jì)數(shù)器第九章 時(shí)序邏輯電路集成計(jì)數(shù)器741619.2.12. 功能介紹C ： 時(shí)鐘脈沖， 上升沿觸發(fā)。D D D D ： 預(yù)

6、置數(shù)端， 也可以稱為并行數(shù)據(jù)輸入端。 ： 異步清零端， 低電平有效。只要 ， 則Q Q Q Q 0000， 即無條件清零。L D ： 同步置數(shù)端， 低電平有效。要實(shí)現(xiàn)同步置數(shù)CTT 和CTP ： 計(jì)數(shù)器工作狀態(tài)控制端。正常計(jì)數(shù)時(shí)， CTT CTP 。CO ： 進(jìn)位輸出端。當(dāng)計(jì)數(shù)狀態(tài)為 時(shí)， CO 輸出一個(gè)高電平信號， 該信號持續(xù)一個(gè)時(shí)鐘周期。9.2 計(jì)數(shù)器第九章 時(shí)序邏輯電路集成計(jì)數(shù)器741609.2.2 也是四位集成加法計(jì)數(shù)器， 其邏輯符號和引腳圖與 相同， 如圖 所示。 為十進(jìn)制計(jì)數(shù)器， 位輸出為 碼的形式， 即計(jì)數(shù)范圍為 。當(dāng)計(jì)數(shù)狀態(tài)為 時(shí)， CO 輸出一個(gè)高電平信號， 該信號持續(xù)一個(gè)時(shí)

7、鐘周期。跟一樣， 也是異步清零和同步置數(shù)。其狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖所示。9.2 計(jì)數(shù)器第九章 時(shí)序邏輯電路構(gòu)成N 進(jìn)制計(jì)數(shù)器9.2.3.級聯(lián)法所謂級聯(lián)法， 即通過把兩個(gè)及以上的計(jì)數(shù)器串接， 以實(shí)現(xiàn)模數(shù)的相乘。.清零法以74161為例。由于74161異步清零端CR的存在， 故74161 可以實(shí)現(xiàn)小于16的任意進(jìn)制計(jì)數(shù)器。暢置數(shù)法同樣以74161為例。由于74161 同步置數(shù)端L D的存在， 74161同樣可以實(shí)現(xiàn)小于16 的任意進(jìn)制計(jì)數(shù)器9.2 計(jì)數(shù)器第九章 時(shí)序邏輯電路構(gòu)成N 進(jìn)制計(jì)數(shù)器9.2.3.實(shí)現(xiàn)任意進(jìn)制計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器在實(shí)際使用時(shí)， 單純采用上述三種方法中的某一種難以實(shí)現(xiàn)， 通常采用級聯(lián)法后再利用

8、清零法或置數(shù)法來改變其進(jìn)制。第九章 時(shí)序邏輯電路9.3 寄存器9.3 寄存器第九章 時(shí)序邏輯電路數(shù)碼寄存器9.3.1數(shù)碼寄存器具有存放數(shù)碼和清除原有數(shù)碼的功能， 同時(shí)只能并行輸入數(shù)據(jù)， 需要時(shí)也只能并行輸出。第九章 時(shí)序邏輯電路移位寄存器9.3.2移位寄存器不僅能存放數(shù)碼， 而且具有移位的功能。移位寄存器可分為單向移位寄存器和雙向移位寄存器， 其中單向移位寄存器又分為左移寄存器和右移寄存器。圖所示電路是由上升沿有效的邊沿D 觸發(fā)器構(gòu)成的四位右移移位寄存器。9.3 寄存器第九章 時(shí)序邏輯電路集成多功能移位寄存器741949.3.39.3 寄存器.邏輯符號和管腳圖 是雙向移位多功能寄存器， 其邏輯

9、符號和引腳圖如圖所示。第九章 時(shí)序邏輯電路集成多功能移位寄存器741949.3.39.3 寄存器.典型應(yīng)用） 順序脈沖發(fā)生器 能實(shí)現(xiàn)順序脈沖發(fā)生器， 又稱為環(huán)形計(jì)數(shù)器。第九章 時(shí)序邏輯電路集成多功能移位寄存器741949.3.39.3 寄存器.典型應(yīng)用） 扭環(huán)形計(jì)數(shù)器圖（a） 為 實(shí)現(xiàn)扭環(huán)形計(jì)數(shù)器的原理圖， 圖（b） 所示為其對應(yīng)的輸出波形， 由圖可知， 該扭環(huán)形計(jì)數(shù)器的模數(shù)為 。第九章 時(shí)序邏輯電路9.4 555 定時(shí)器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器第九章 時(shí)序邏輯電路555 定時(shí)器9.4.19.4 555 定時(shí)器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器1.電路結(jié)構(gòu) 定時(shí)器電路可分為雙極型和CMOS 型兩類。雙極型產(chǎn)品型號最后三位數(shù)

10、碼都是“” ， CMOS 產(chǎn)品型號最后四位數(shù)碼都是“” 。雖然命名不同， 但它們的引腳排布和功能是相同的。所示為其對應(yīng)的輸出波形， 由圖可知， 該扭環(huán)形計(jì)數(shù)器的模數(shù)為 。第九章 時(shí)序邏輯電路555 定時(shí)器9.4.19.4 555 定時(shí)器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器2.功能描述當(dāng)CON 沒有外接電壓時(shí)， 個(gè)電阻對電源電壓進(jìn)行分壓， 每個(gè)電阻上的壓降為 。換句話說， 比較器C 的同相輸入端（即CON 端） 電壓為 ， 比較器C 的反相輸入端電壓為第九章 時(shí)序邏輯電路單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器9.4.29.4 555 定時(shí)器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器1.單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的特點(diǎn)觸發(fā)器可分為雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。 在觸發(fā)條件滿足時(shí)， 從一個(gè)

11、穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變到另一個(gè)穩(wěn)態(tài)， 即“” 和“” 都是穩(wěn)態(tài)。單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器只有一個(gè)穩(wěn)態(tài)， 另一個(gè)狀態(tài)為暫態(tài)， 在觸發(fā)條件滿足時(shí)， 從穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變到暫態(tài)， 經(jīng)過一段時(shí)間后有自行恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)。第九章 時(shí)序邏輯電路單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器9.4.29.4 555 定時(shí)器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器2.由 定時(shí)器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器圖所示是由 定時(shí)器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。圖中， R 和C 是外接元件， 觸發(fā)脈沖由觸發(fā)輸入端 腳送入。第九章 時(shí)序邏輯電路單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器9.4.29.4 555 定時(shí)器和單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器2.單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應(yīng)用） 脈沖整形實(shí)際應(yīng)用時(shí)， 輸入脈沖的波形往往是不規(guī)則的。因?yàn)閱畏€(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出只有“” 和“” 兩種狀態(tài)， 合理的調(diào)節(jié)R

12、C 的值， 就可以把不規(guī)則的輸入信號整形成幅度和寬度一定的矩形波。） 定時(shí)或延時(shí)輸出uo 的脈寬tw 僅僅取決于R 和C ，通過改變R 和C的值，可以進(jìn)行定時(shí)或延時(shí)控制。第九章 時(shí)序邏輯電路9.5 存儲器第九章 時(shí)序邏輯電路隨機(jī)存儲器（RAM）9.5.19.5 存儲器RAM 存儲單元的內(nèi)容可按需隨意取出或存入， 且存取的速度與存儲單元的位置無關(guān)。這種存儲器在斷電時(shí)將丟失其存儲內(nèi)容， 故主要用于存儲短時(shí)間內(nèi)使用的程序。按存儲信息的不同， RAM 又分為靜態(tài)RAM （Static RAM ， SRAM） 和動(dòng)態(tài)RAM（Dynamic RAM ， DRAM） 。靜態(tài)RAM 的存儲單元由靜態(tài)MOS 電

13、路或雙極型電路組成。MOS 型RAM 存儲容量大、功耗低； 雙極型RAM 的存取速度快。第九章 時(shí)序邏輯電路只讀存儲器（ROM）9.5.29.5 存儲器ROM 是一種只能讀出事先所存數(shù)據(jù)的固態(tài)半導(dǎo)體存儲器。其特性是一旦儲存資料就無法再將之改變或刪除， 資料也不會(huì)因?yàn)殡娫搓P(guān)閉而消失。ROM 所存數(shù)據(jù)， 一般是裝入計(jì)算機(jī)前事先寫好的， 計(jì)算機(jī)工作過程中只能讀出， 而不像隨機(jī)存儲器那樣能快速地、方便地加以改寫。第九章 時(shí)序邏輯電路9.6 可編程邏輯器件第九章 時(shí)序邏輯電路CPLD 器件9.6.19.6 可編程邏輯器件CPLD 是從PAL 和GAL 器件發(fā)展出來的器件， 相對而言規(guī)模大， 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，

14、屬于大規(guī)模集成電路范圍。它具有編程靈活、集成度高、設(shè)計(jì)開發(fā)周期短、適用范圍寬、開發(fā)工具先進(jìn)、設(shè)計(jì)制造成本低、對設(shè)計(jì)者的硬件經(jīng)驗(yàn)要求低、標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品無須測試、保密性強(qiáng)、價(jià)格大眾化等特點(diǎn)第九章 時(shí)序邏輯電路FPGA 器件9.6.29.6 可編程邏輯器件FPGA 是在PAL 、GAL 、CPLD 等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路（ASIC） 領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的， 既解決了定制電路的不足， 又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點(diǎn)。FPGA 采用高速CMOS 工藝， 功耗低， 可以與CMOS 、TTL 電平兼容， 內(nèi)部有豐富的觸發(fā)器和IO 引腳， 況且FPGA 是ASIC 電路中設(shè)計(jì)周期短、開發(fā)費(fèi)用低、風(fēng)險(xiǎn)小的器件?？梢哉f， FPGA 芯片是小批量系統(tǒng)提高系統(tǒng)集成度、可靠性的最佳選擇之一。第九章 時(shí)序邏輯電路CPLD 和FPGA 的性能差異9.6.29.6 可編程邏輯器件（） CPLD 更適合完成各種算法和組合邏輯， FPGA 更適合于完成時(shí)序邏輯。富的結(jié)構(gòu)。（） CPLD 采用連續(xù)式布線結(jié)構(gòu)， 消除了分段式連線的延時(shí)不固定、不可測的缺陷， 但布通率下降， 在邏輯復(fù)雜時(shí)， 不能充分利用片內(nèi)資源。（） CPLD 的速度比FPGA 快， 并且具有較大的時(shí)間可預(yù)測性。（） 在編程上FPGA 比CPLD 具有更大