電路的基本定律和分析方法

第11章

觸發(fā)器和時序邏輯電路11.1觸發(fā)器觸發(fā)器是構(gòu)成時序邏輯電路的基本邏輯部件。

它有兩個穩(wěn)定的狀態(tài)：0狀態(tài)和1狀態(tài)；在不同的輸入情況下，它可以被置成0狀態(tài)或1狀態(tài)；當輸入信號消失后，所置成的狀態(tài)能夠保持不變。根據(jù)邏輯功能的不同，觸發(fā)器可以分為RS觸發(fā)器、D觸發(fā)器、JK觸發(fā)器、T和T′觸發(fā)器；按照結(jié)構(gòu)形式的不同，又可分為基本RS觸發(fā)器、同步觸發(fā)器、主從觸發(fā)器和邊沿觸發(fā)器。11.1.1基本RS觸發(fā)器1）電路組成和邏輯符號2）邏輯功能在信號輸出端，的狀態(tài)稱為0狀態(tài)，的狀態(tài)稱為1狀態(tài)；在信號輸入端，低電平有效。

（1）

、

時：由于

，不論原來Q為0還是1，都有

；再由

、

可得Q＝0。即不論觸發(fā)器原來處于什么狀態(tài)都將變成0狀態(tài)，這種情況稱將觸發(fā)器置0或復(fù)位。

端稱為觸發(fā)器的置0端或復(fù)位端。（2）

、

時：由于

，不論原來

為0還是1，都有Q=1；再由

、Q=1可得

。即不論觸發(fā)器原來處于什么狀態(tài)都將變成1狀態(tài)，這種情況稱將觸發(fā)器置1或置位。

端稱為觸發(fā)器的置1端或置位端。（3）

、時：根據(jù)與非門的邏輯功能知，觸發(fā)器保持原有狀態(tài)不變，即原來的狀態(tài)被觸發(fā)器存儲起來，說明觸發(fā)器具有記憶能力。（4）

、

時：，不符合觸發(fā)器的邏輯關(guān)系。并且由于與非門延遲時間不可能完全相等，在兩輸入端的0同時撤除后，將不能確定觸發(fā)器是處于1狀態(tài)還是0狀態(tài)。所以觸發(fā)器不允許出現(xiàn)這種情況，這就是基本RS觸發(fā)器的約束條件。工作原理4）特性表

功能000001禁用禁用不允許01001111置110010100置011011101保持5）特性方程6）工作波形11.1.2同步RS觸發(fā)器1）電路結(jié)構(gòu)和邏輯符號2）邏輯功能CP＝0時，R=S=1，觸發(fā)器保持原來狀態(tài)不變。CP＝1時，工作情況與基本RS觸發(fā)器相同。3）特性表CPR

S

QnQn+1

功能0

×

×

×Qn

保持100

0100

101

保持101

01

01111

置11100110

100

置0111

01111不用不用

不允許4）特性方程（CP=1期間有效）5）工作波形6）同步RS觸發(fā)器的主要特點（1）時鐘電平控制。在CP＝1期間接收輸入信號，CP＝0時狀態(tài)保持不變，與基本RS觸發(fā)器相比，對觸發(fā)器狀態(tài)的轉(zhuǎn)變增加了時間控制。（2）R、S之間有約束。不能允許出現(xiàn)R和S同時為1的情況，否則會使觸發(fā)器處于不確定的狀態(tài)。11.1.3同步JK觸發(fā)器1）電路結(jié)構(gòu)、邏輯符號2）功能描述當CP=0時，J、K變化對G3、G4門輸出沒有影響，始終為1，觸發(fā)器處于保持狀態(tài)。當CP=1時，JK組合為00時，狀態(tài)不變；JK組合為01時，置0；JK組合為10時，置1；JK組合為11時，翻轉(zhuǎn)。3）特性表JK=00時不變JK=01時置0JK=10時置1JK=11時翻轉(zhuǎn)4）特性方程CP=1期間有效5）波形圖11.1.4同步D觸發(fā)器1）電路結(jié)構(gòu)和邏輯符號2）功能描述CP=1期間有效3）特性表4）特性方程（CP=1期間有效）5）波形圖11.2時序邏輯電路11.2.1概述1.時序邏輯電路的特點任何時刻電路的輸出不僅與該時刻的輸入信號有關(guān)，而且還與電路原來的狀態(tài)有關(guān)。2.時序電路邏輯功能的表示方法時序電路的邏輯功能可用邏輯表達式、狀態(tài)表、卡諾圖、狀態(tài)圖、時序圖和邏輯圖6種方式表示，這些表示方法在本質(zhì)上是相同的，可以互相轉(zhuǎn)換。3.時序電路的分類（1）根據(jù)時鐘分類同步時序電路中，各個觸發(fā)器的時鐘脈沖相同，即電路中有一個統(tǒng)一的時鐘脈沖，每來一個時鐘脈沖，電路的狀態(tài)只改變一次。異步時序電路中，各個觸發(fā)器的時鐘脈沖不同，即電路中沒有統(tǒng)一的時鐘脈沖來控制電路狀態(tài)的變化，電路狀態(tài)改變時，電路中要更新狀態(tài)的觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)有先有后，是異步進行的。（2）根據(jù)輸出分類米利型時序電路的輸出不僅與現(xiàn)態(tài)有關(guān)，而且還決定于電路當前的輸入。穆爾型時序電路的其輸出僅決定于電路的現(xiàn)態(tài)，與電路當前的輸入無關(guān)；或者根本就不存在獨立設(shè)置的輸出，而以電路的狀態(tài)直接作為輸出。時序邏輯電路的分析方法電路圖時鐘方程、驅(qū)動方程和輸出方程狀態(tài)方程狀態(tài)圖、狀態(tài)表或時序圖判斷電路邏輯功能1235時序電路的分析步驟：計算411.2.2寄存器在數(shù)字電路中，用來存放二進制數(shù)據(jù)或代碼的電路稱為寄存器。寄存器是由具有存儲功能的觸發(fā)器組合起來構(gòu)成的。一個觸發(fā)器可以存儲1位二進制代碼，存放n位二進制代碼的寄存器，需用n個觸發(fā)器來構(gòu)成。按照功能的不同，可將寄存器分為基本寄存器和移位寄存器兩大類?；炯拇嫫髦荒懿⑿兴腿霐?shù)據(jù)，需要時也只能并行輸出。移位寄存器中的數(shù)據(jù)可以在移位脈沖作用下依次逐位右移或左移，數(shù)據(jù)既可以并行輸入、并行輸出，也可以串行輸入、串行輸出，還可以并行輸入、串行輸出，串行輸入、并行輸出，十分靈活，用途也很廣。1.寄存器1）四位集成寄存器74LS175的結(jié)構(gòu)2）四位集成寄存器的邏輯功能（1）清零。CR=0，異步清零。即有：3）四位集成寄存器74LS175的功能表輸入輸出0××011↑1101↑00110×（2）并行數(shù)據(jù)輸入/輸出（3）保持。在CR=1、CP上升沿以外時間，寄存器內(nèi)容將保持不變。2.移位寄存器1）單向移位寄存器并行輸出4位右移移位寄存器時鐘方程：驅(qū)動方程：狀態(tài)方程：單向移位寄存器具有以下主要特點：（1）單向移位寄存器中的數(shù)碼，在CP脈沖操作下，可以依次右移或左移。（2）n位單向移位寄存器可以寄存n位二進制代碼。n個CP脈沖即可完成串行輸入工作，此后可從Q0～Qn-1端獲得并行的n位二進制數(shù)碼，再用n個CP脈沖又可實現(xiàn)串行輸出操作。（3）若串行輸入端狀態(tài)為0，則n個CP脈沖后，寄存器便被清零。2）雙向移位寄存器M=0時右移M=1時左移3）集成雙向移位寄存器74LS1943.寄存器的應(yīng)用1）環(huán)形計數(shù)器結(jié)構(gòu)特點即將FFn-1的輸出Qn-1接到FF0的輸入端D0。工作原理根據(jù)起始狀態(tài)設(shè)置的不同，在輸入計數(shù)脈沖CP的作用下，環(huán)形計數(shù)器的有效狀態(tài)可以循環(huán)移位一個1，也可以循環(huán)移位一個0。即當連續(xù)輸入CP脈沖時，環(huán)形計數(shù)器中各個觸發(fā)器的Q端或端，將輪流地出現(xiàn)矩形脈沖。能自啟動的4位環(huán)形計數(shù)器狀態(tài)圖2）扭環(huán)形計數(shù)器結(jié)構(gòu)特點狀態(tài)圖即將FFn-1的輸出Qn-1接到FF0的輸入端D0。能自啟動的4位扭環(huán)形計數(shù)器11.2.3計數(shù)器在數(shù)字電路中，能夠記憶輸入脈沖個數(shù)的電路稱為計數(shù)器。計數(shù)器二進制計數(shù)器十進制計數(shù)器N進制計數(shù)器加法計數(shù)器同步計數(shù)器異步計數(shù)器減法計數(shù)器可逆計數(shù)器加法計數(shù)器減法計數(shù)器可逆計數(shù)器二進制計數(shù)器十進制計數(shù)器N進制計數(shù)器······1.二進制異步計數(shù)器1）二進制異步加法計數(shù)器驅(qū)動方程：

狀態(tài)方程：[[CP↑]二進制異步加法計數(shù)器的狀態(tài)表計數(shù)脈沖Q3Q2Q1Q0十進制數(shù)0000001000112001023001134010045010156011067011178100089100191010101011101111121100121311011314111014151111151600000二進制異步加法計數(shù)器的時序圖Q0，Q1，Q2，Q3的周期分別是計數(shù)脈沖（CP）周期的2倍，4倍，8倍，16倍，也就是說Q0，Q1，Q2，Q3分別對CP波形進行了二分頻，四分頻，八分頻，十六分頻，因而計數(shù)器也可作為分頻器。2.二進制同步計數(shù)器驅(qū)動方程2）二進制同步加法計數(shù)器的狀態(tài)表CP的順序Q3Q2Q1Q0十進制數(shù)00000010001120010230011340100450101560110670111781000891001910101010111011111211001213110113141110141511111516000003）二進制同步加法計數(shù)器的時序圖3.十進制計數(shù)器1）同步十進制計數(shù)器的結(jié)構(gòu)與工作原理（1）第一位觸發(fā)器F0，每來一個計數(shù)脈沖就翻轉(zhuǎn)一次，故J0=K0=1；（2）第二位觸發(fā)器F1，在Q0=1時再來一個脈沖翻轉(zhuǎn)，而在Q3=1時不得翻轉(zhuǎn)，故J1=，K1=Q0；（3）第三位觸發(fā)器F2，在Q1=Q0=1時再來一個脈沖翻轉(zhuǎn)，故J2=K2=Q1Q0；（4）第四位觸發(fā)器F3，在Q2=Q1=Q0=1時，再來一個時鐘翻轉(zhuǎn)，并來第十個脈沖時由1翻轉(zhuǎn)為0，故J3=Q2Q1Q0，K3=Q0。

2）同步十進制計數(shù)器的狀態(tài)表計數(shù)脈沖Q3Q2Q1Q0十進制數(shù)000000100011200102300113401004501015601106701117810008910019100000進位3）十進制計數(shù)器的時序圖本章小結(jié)1.觸發(fā)器是數(shù)字電路的極其重要的基本單元。觸發(fā)器有兩個穩(wěn)定狀態(tài)，在外界信號作用下，可以從一個穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€穩(wěn)態(tài)；無外界信號作用時狀態(tài)保持不變。因此，觸發(fā)器可以作為二進制存儲單元使用。觸發(fā)器的邏輯功能可以用真值表、卡諾圖、特性方程、狀態(tài)圖和波形圖等五種方式來描述。2.觸發(fā)器的特性方程是表示其邏輯功能的重要的邏輯函數(shù)，在分析和設(shè)計時序電路時，常用來作為判斷電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換的依據(jù)。各種不同邏輯功能觸發(fā)器的特性方程為3.同一種功能的觸發(fā)器，可以用不同的電路結(jié)構(gòu)形式來實現(xiàn)；反過來，同一種電路結(jié)構(gòu)形式，可以構(gòu)成具有不同功能的各種類型觸發(fā)器。輸入信號是雙端的觸發(fā)器，以JK觸發(fā)器的邏輯功能最為完善；輸入信號是單端的觸發(fā)器，使用最方便的是D觸發(fā)器。RS