數(shù)字電路與邏輯設(shè)計課件第4章

本章要求：1.熟練掌握各種觸發(fā)器組合的分析，并能畫波形圖。2.理解狀態(tài)轉(zhuǎn)移真值表、次態(tài)卡諾圖、狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。3.掌握基本RS觸發(fā)器、維持阻塞D觸發(fā)器、邊沿JK觸發(fā)器的工作原理。第4章基本時序電路—集成觸發(fā)器4.

理解RS,D,JK之間的相互轉(zhuǎn)化。5.了解主從觸發(fā)器的一次翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象。能繪制波形圖。

4.1基本RS觸發(fā)器4.1.1電路結(jié)構(gòu)和工作原理

實際的RS觸發(fā)器 當(dāng)輸入信號RD、SD不變化(即RDSD=11)時，該觸發(fā)器必定處于某一狀態(tài)保持不變，所以它是具有存儲數(shù)字信息的功能。

無論RD或SD都遵從“直線置一；斜線置0”的信號流向。

在某一時刻當(dāng)輸入信號變化時，時序電路可能從一個穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)換到另一個穩(wěn)定狀態(tài)。我們把某時刻輸入信號作用前的狀態(tài)稱為時序電路的現(xiàn)在狀態(tài)(簡稱現(xiàn)態(tài))，用Qn和Qn)表示；把在輸入信號作用后的狀態(tài)稱為時序電路下一狀態(tài)(簡稱次態(tài))，用Qn+1和Qn+1表示。

4.1.2時序電路的功能描述方法

1.狀態(tài)轉(zhuǎn)移真值表(狀態(tài)表)

將時序電路的次態(tài)Qn+1與現(xiàn)態(tài)Qn、輸入信號之間的邏輯關(guān)系用表格形式表示出來，這種表格就稱為狀態(tài)轉(zhuǎn)移真值表，簡稱狀態(tài)表。觸發(fā)器的次態(tài)Qn+1不僅與輸入信號有關(guān)，還與它的現(xiàn)態(tài)Qn有關(guān)。由狀態(tài)表得到的K圖稱次態(tài)K圖。

表4–1基本RS觸發(fā)器狀態(tài)表

圖4–2次態(tài)卡諾圖n或非門組成的基本RS觸發(fā)器

2.特征方程(狀態(tài)方程)

描述時序電路邏輯功能的函數(shù)表達式稱為特征方程或狀態(tài)方程。對圖5-2次態(tài)卡諾圖化簡，可以求得由或非門組成的基本RS觸發(fā)器的特征方程為

(約束條件)

3.狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖(狀態(tài)圖)與激勵表

狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖是描述時序電路的狀態(tài)轉(zhuǎn)移規(guī)律的圖形。

狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖是在軟件開發(fā)領(lǐng)域內(nèi)通常被稱作有限狀態(tài)機（FiniteStateMachine），是一種應(yīng)用非常廣泛的軟件設(shè)計模式（DesignPattern）。

有限狀態(tài)機描述對象在它的生命周期內(nèi)所經(jīng)歷的狀態(tài)序列，以及如何響應(yīng)來自外界的各種事件。

RPG城門狀態(tài)機4.波形圖(timingdiagrams)

工作波形圖又稱時序圖，它反映了時序電路的輸出狀態(tài)隨時間和輸入信號變化的規(guī)律。tt1t2t3t5t6t7t8t94.2時鐘控制的觸發(fā)器4.2.1鐘控RS觸發(fā)器 在時序電路中，要求觸發(fā)器在時鐘脈沖CP的作用下工作。當(dāng)CP=0時，無論R，S取值為多少，觸發(fā)器狀態(tài)維持不變。當(dāng)CP=1時，實現(xiàn)基本RS觸發(fā)器的功能。圖5–6鐘控RS觸發(fā)器的波形圖R、S高電平有效4.2.2鐘控D觸發(fā)器

鐘控D觸發(fā)器在時鐘作用下，其次態(tài)Qn+1始終和D輸入一致，因此常把它稱為數(shù)據(jù)鎖存器或延遲(Delay)觸發(fā)器。特征方程為Qn+1=D（CP有效）

圖4-3D觸發(fā)器狀態(tài)圖

4.2.3鐘控T觸發(fā)器

鐘控T觸發(fā)器的工作特點是：在T＝1時，觸發(fā)器在時鐘脈沖CP的作用下，每來一個脈沖輸出的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)一次；在T=0時，狀態(tài)不變。鐘控T觸發(fā)器的特征方程為

4.2.4鐘控J-K觸發(fā)器

為了避免RS觸發(fā)器兩輸入端電平不能同時有效的弊端，引入鐘控J-K觸發(fā)器。鐘控J-K觸發(fā)器的狀態(tài)方程為:

同時具備以下條件的觸發(fā)器稱為邊沿觸發(fā)方式觸發(fā)器(簡稱邊沿觸發(fā)器)：①觸發(fā)器僅在CP上升沿(risingedge)或下降沿(fallingedge)到來時狀態(tài)才可以發(fā)生變化。②在CP=0或CP=1期間，輸入信號變化不會引起觸發(fā)器輸出狀態(tài)變化。邊沿觸發(fā)方式的觸發(fā)器有兩種常用類型：一種是維持—阻塞D觸發(fā)器；另一種是邊沿JK觸發(fā)器。4.3邊沿觸發(fā)器

1.邊沿JK觸發(fā)器邊沿JK觸發(fā)器的工作特性與JK觸發(fā)器相同，但在CP邊沿輸出狀態(tài)才可能發(fā)生改變。圖中為復(fù)位、置1端，工作不受CP控制，因此稱為異步置0、置1端。

下降沿JK觸發(fā)器34 下降沿JK觸發(fā)器的狀態(tài)方程 在CP=1時經(jīng)過2tpd，

才能建立。因此tCPH≥2tpd。

在CP=0持續(xù)期tCPL內(nèi)一定要保證基本RS觸發(fā)器能可靠翻轉(zhuǎn)，因此tCPL≥2tpd。觸發(fā)器最高工作頻率為下降沿JK觸發(fā)器最高工作頻率邊沿JK觸發(fā)器的波形圖

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2.維持—阻塞式D觸發(fā)器

1)電路工作原理維持—阻塞式D觸發(fā)器如圖所示。圖中為復(fù)位、置1端，工作不受CP控制，因此 也稱異步置0、置1端。維持—阻塞式D觸發(fā)器的狀態(tài)方程為

當(dāng)CP由0變?yōu)?時，觸發(fā)器的輸出狀態(tài)由CP變化前瞬間的輸入信號D來決定。

2)脈沖工作特性由于輸入信號通過觸發(fā)器需要一定的延時才能作用于輸出端，相鄰兩個有效沿的時間要大于延時時間才能保證前一個有效沿處的輸入信號對觸發(fā)器有作用。3）維持—阻塞式D觸發(fā)器波形圖

6543211D觸發(fā)器：輸出為有效沿到達之前輸入的狀態(tài)。2JK觸發(fā)器：輸出根據(jù)有效沿到達之前輸入的狀態(tài)而定：

J=K=1翻轉(zhuǎn)。

J=1,K=0輸出為一。

J=0,K=1輸出為0。

J=K=0,輸出保持不變。3RS觸發(fā)器：S端置一，R端置0。4T’觸發(fā)器可由D、JK構(gòu)成，是二進制計數(shù)器（二分頻）。5RS,JK,D觸發(fā)器的穩(wěn)定工作狀態(tài)有2個。三種觸發(fā)器的基本工作特點：

如果使J=K則JK觸發(fā)器構(gòu)成T觸發(fā)器。如果使T始終為1稱之為T’觸發(fā)器，T’觸發(fā)器可以實現(xiàn)CP信號的二分頻。

CPTQn+1T’觸發(fā)器課后的任務(wù)：繪出P125圖4－5、P135圖4－22、P137圖4－25的波形圖。

時序圖的畫法一般按以下步驟進行：①首先確定輸入信號的邏輯表達式。②確定CP的有效作用沿。對多個觸發(fā)器，各自的CP的有效作用沿可能不同。4.4觸發(fā)器時序圖的綜合分析 ③異步直接置0、置1端(RD、SD)的操作不受時鐘CP的控制，應(yīng)先畫出有異步置位信號作用時的波形，該波形從異步置位信號作用時算起，一直到異步置位信號作用完后下一個CP有效沿到來之前。④每個時鐘脈沖作用沿來到后，根據(jù)觸發(fā)器的狀態(tài)方程確定其次態(tài)。在兩個CP有效沿之間，輸出狀態(tài)不變化。除非遇到異步控制信號。對于周期性波形，只需要畫出一次完整周期，其余的可以復(fù)制。觸發(fā)器邏輯功能的轉(zhuǎn)換JK觸發(fā)器轉(zhuǎn)換為RS觸發(fā)器的過程。RS為約束項所以

例4-1邊沿JK觸發(fā)器和維持—阻塞式D觸發(fā)器分別如圖(a)、(b)所示，其輸入波形見(c)，試分別畫出Q１、Q2端的波形。設(shè)電路初態(tài)均為0。CPABQ1Q2

例4-2邊沿觸發(fā)器組成的電路分別如圖(a)、(b)所示，其輸入波形見圖(c)，試分別畫出Q1、Q2端的波形。設(shè)電路初態(tài)均為0。a)b)

CPAQ1例4-3畫出由邊沿觸發(fā)器構(gòu)成的電路的輸出Q1、Q2的波形，設(shè)Q1、Q2的初始狀態(tài)都為0。12狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖例4畫出波形。Q1Q2V例4-5畫出Q1,Q2波形。12例4-6下圖所示電路中觸發(fā)器均為邊沿觸發(fā)器，試畫出觸發(fā)器的輸出Q1Q2在時鐘脈沖CP的作用下的輸出波形。(設(shè)初始狀態(tài)Q1Q2=0) 本題的難點在于判斷CP的有效沿。屬于有效沿變化的觸發(fā)器電路波形分析。下列觸發(fā)器沒有約束條件的是：A基本RS觸發(fā)器B基本RS觸發(fā)器C基本RS觸發(fā)器D基本RS觸發(fā)器補充主從觸發(fā)器的一次翻轉(zhuǎn)主從觸發(fā)器圖5-15主從JK觸發(fā)器主從JK觸發(fā)器工作特點：

當(dāng)CP=1時，CP=0，從觸發(fā)器被封鎖，輸出狀態(tài)不變化。主觸發(fā)器狀態(tài)隨J,K信號變化。

當(dāng)CP=0時，CP=1，主觸發(fā)器被封鎖，輸入J、K的變化不會引起主觸發(fā)器狀態(tài)變化；從觸發(fā)器按照主觸發(fā)器的狀態(tài)(即CP下降沿前一瞬間的狀態(tài))變化。

2.主從J