計算機(jī)電路基礎(chǔ)（第2版）觸發(fā)器和時序邏輯電路

計算機(jī)電路基礎(chǔ) 觸發(fā)器和時序邏輯電路 第 10章 觸發(fā)器和時序邏輯電路 觸發(fā)器 計數(shù)器 寄存器 脈沖波形的產(chǎn)生與變換 555定時器及應(yīng)用 教學(xué)提示： 組合電路的輸出狀態(tài)完全是由某一時刻的輸入狀態(tài)而定 ， 與電路的原狀態(tài)無關(guān) 。 因此組合電路不具有記憶功能 。 在數(shù)字系統(tǒng)中 ， 不僅需要邏輯運(yùn)算的電路 ，還需要將電路將有關(guān)的信號和結(jié)果保留下來 教學(xué)目標(biāo)： (1) 掌握 主從 的邏輯功能； (2) 理解計數(shù)器和寄存器的工作原理； (3) 掌握施密特觸發(fā)器的工作原理； (4) 了解 555定時器的工作原理和應(yīng)用 。 時序邏輯電路 : 組成的組合邏輯電路的特點(diǎn) :是輸出信號隨著輸入信號的改變而改變 。 為了連續(xù)運(yùn)算和控制等需要 ， 還要將有關(guān)的運(yùn)算結(jié)果及其信號內(nèi)容 (代碼 )保存起來 ，這就需要有記憶功能的時序邏輯電路 。 時序邏輯電路的輸出狀態(tài)不僅決定于當(dāng)時的輸入狀態(tài) ， 而且還與電路的原始狀態(tài)有關(guān) ， 即有記憶的功能 。 時序邏輯電路的基本邏輯單元是各種類型的觸發(fā)器 。 觸發(fā)器是一種具有 “ 0”和 “ 1”兩種穩(wěn)定狀態(tài)的電路 ， 分別代表了觸發(fā)器中所儲存的兩個代碼 。 觸發(fā)器是一個能存放一位二進(jìn)制代碼的存儲單元 。 觸 發(fā) 器 觸發(fā)器的分類 : 按邏輯功能 : T(T)觸發(fā)器 、 按其穩(wěn)定工作狀態(tài) ; 雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 、 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 、 無穩(wěn)態(tài) (多諧振蕩器 )等 。 基本 1. 基本 1)0.1(a) . 基本 0.1(b)所示， 其中 輸入端引線靠近方框的小圓圈表示負(fù)脈沖有效。 圖 )觸發(fā)器狀態(tài) 2. 基本 表 圖 有兩個控制信號： 清零信號 置數(shù)控制信號 3為二進(jìn)制數(shù)碼 , 從 3寄存器輸出 。 寄存器 ， 則 置數(shù)時 ， 置數(shù)控制信號 接收3二進(jìn)制數(shù)碼并使基本 同步觸發(fā)器 要求觸發(fā)器按一個信號同時動作，這個信號稱為同步信號 觸發(fā)器的狀態(tài)何時發(fā)生翻轉(zhuǎn)，是受時鐘脈沖 而翻轉(zhuǎn)成何種狀態(tài)，則取決于各自觸發(fā)器的輸入信號。 受時鐘控制同步工作的觸發(fā)器，稱為同步觸發(fā)器 . (1)電路組成與符號 電路如圖 10.4(a)、 邏輯符號圖 10.4(b)所示 。 同步 1和 由 4組成輸入的控制門電路 ， 輸入信號 均為高電平有效 。 圖 (2) 邏輯表達(dá)式 : 從電路邏輯圖中寫出邏輯表達(dá)式 : 式中 ， 等號右邊的 其含意是不同的 。 等號右邊的 等號左邊的 后 觸發(fā)器新的狀態(tài) 。 為了區(qū)分兩者 ， 前者 稱為觸發(fā)器現(xiàn)態(tài)； 后者 n+1表示 ， 稱為次態(tài) 。 (3)由上可得出同步 由表中可寫出同步 同步 狀態(tài)如表 工作波形如圖 觸發(fā)器 (1) 電路的組成 和符號 (2)工作原理 分析可知，同步脈沖 入端 。 (3)列出同步 如表 (4)同步 如圖 主從觸發(fā)器 (1)主從 右圖 由兩個同步 8門構(gòu)成主觸發(fā)器， 4門構(gòu)成從觸發(fā)器， 同步的時鐘脈沖經(jīng)過 加到從觸發(fā)器 ， 兩個觸發(fā)器的脈沖是互補(bǔ)的 。 圖 (2)由此可知：在 的期間，主觸發(fā)器僅接收 輸入信號，置成相應(yīng)的狀態(tài)，從 只有當(dāng) 下降沿 )到來時，從觸發(fā)器按照主觸發(fā)器的狀態(tài)，輸出端做相應(yīng)翻轉(zhuǎn)。這樣的觸發(fā)翻轉(zhuǎn)稱為下降沿觸發(fā)。 主從觸發(fā)器狀態(tài)僅取決于 、 此，在其他任何時候輸入信號 都不會直接影響到輸出端 效地控制了觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)。 (3)a),邏輯符號如下圖 (b)。 (4)主從 電路如圖 主從 把輸出端的兩個狀態(tài)作為一對附加控制信號引回到輸入端而構(gòu)成的 。 輸入端 J 稱為置位端 ， K 稱為復(fù)位端 。 (1) 工作原理 觸發(fā)器的工作過程四種情況 : 圖 結(jié)論： 在 J=K=1時候 ， 來一個時鐘脈沖 ， 使 觸發(fā)器具有計數(shù)功能 。用邏輯關(guān)系可表示為 主從 =K=1時的工作波形 ， 如圖 Q 1 (2) 邏輯狀態(tài)表 計 數(shù) 器 記憶脈沖個數(shù)叫計數(shù)，實(shí)現(xiàn)計數(shù)操作的電路稱為計數(shù)器。計數(shù)器還可以進(jìn)行定時、分頻和產(chǎn)生脈沖序列等。 計數(shù)器的種類： 按照時鐘輸入方式，可分為同步計數(shù)器和異步計數(shù)器； 按照計數(shù)方式，可分為加法、減法和可逆計數(shù)器； 按照計數(shù)長度，可分為二進(jìn)制、十進(jìn)制和 1)電路結(jié)構(gòu) 當(dāng) J=K=1時 ， 主從 每一個主從 因此若用 4個 可以對 16個脈沖進(jìn)行計數(shù) 。 圖 位二進(jìn)制加法計數(shù)器電路 。 4個 3)組成 ， 接同一個計數(shù)脈沖 時鐘方程為： 各個觸發(fā)器的驅(qū)動信號分別為 (稱為電路的驅(qū)動方程 ) 1 (10 2)特征方程和輸出方程 3) 4)計數(shù)器時序圖 。 各位觸發(fā)器的時鐘脈沖輸入端接到同一個計數(shù)脈沖 各位觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)都是同步的 ,稱為同步加法計數(shù)器 。 圖 圖 由 4個 3)組成 ， 所有的 J、 處在計數(shù)狀態(tài) 。 由 從 0作為第二個觸發(fā)器 移次類推 。 4個 3)為 4位二進(jìn)制計數(shù)器計數(shù)鏈輸出 ， 在開始計數(shù)前 ， 在 (3)觸發(fā)器的置 “ 0”端上加一負(fù)脈沖 ， 給 (3)觸發(fā)器清零 。 對于每一個計數(shù)脈沖 都是從最低位的觸發(fā)器開始翻轉(zhuǎn)一次 ， 而高位的觸發(fā)器要在它相鄰低位觸發(fā)器從 “ 1”翻轉(zhuǎn)為 “ 0”時才翻轉(zhuǎn) 。 觸發(fā)器狀態(tài)的翻轉(zhuǎn)是從低位向高位有先有后的 ， 所以稱為異步 。 如果從每位的輸出端 不難看出觸發(fā)器的輸出 (3)分別是其輸入脈沖信號頻率的 2分頻 、 4分頻 、 8分頻 、 16分頻 。 因此 ， 可以利用電路結(jié)構(gòu) ， 實(shí)現(xiàn)分頻功能 。 十進(jìn)制計數(shù)器 常用的是 8421編碼十進(jìn)制計數(shù)器 ， 用 4個 形成 16種狀態(tài) ， 取其中 10種(00001001)表示 09數(shù)字 ， 而對 10101111棄之不用 。 1. 圖 421碼的同步十進(jìn)制計數(shù)器 。 電路中 4個 直接使用置 0端清零 ， 計數(shù)脈沖加在所有觸發(fā)器的 計數(shù)數(shù)碼由各觸發(fā)器的 (3)端輸出 。 觸發(fā)器的時鐘方程為 從 1n 0000開始 ， 依次代入式 (10行計算 ， 得出同步十進(jìn)制計數(shù)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)移表如表 表 1 0 . 8 同 步 十 進(jìn) 制 計 數(shù) 器 的 狀 態(tài) 轉(zhuǎn) 移 表 號 1111輸出 Z 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 2 0 0 1 0 0 0 1 1 0 3 0 0 1 1 0 1 0 0 0 4 0 1 0 0 0 1 0 1 0 5 0 1 0 1 0 1 1 0 0 6 0 1 1 0 0 1 1 1 0 7 0 1 1 1 1 0 0 0 0 8 1 0 0 0 1 0 0 1 0 9 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 2 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 3 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 4 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 5 1 1 1 1 0 0 0 0 1 集成計數(shù)器 : 以 74 一 . 74下圖 二 圖 三 四 寄 存 器 寄存器主要是由觸發(fā)器組成 ， 一個觸發(fā)器可以存放一位二進(jìn)制代碼 ， 所以要存放 寄存器就需要用 寄存器常分為 :數(shù)碼寄存器和移位寄存器 。 數(shù)碼寄存器 數(shù)碼寄存器只具有接收數(shù)碼和清除原有數(shù)碼的功能 。 圖 4 4個 位數(shù)碼寄存器 。 在寄存數(shù)碼前 ， 必須先復(fù)位 (清零 )， 使四個 態(tài) 。 在 D 1、 D 2和 D 3數(shù)據(jù)被并行 存入寄存器 。 寄存的數(shù)據(jù)從 3上并行輸出 。 74 移位寄存器 移位是指在移位命令下，寄存器中各位的內(nèi)容依次向左或向右單向移動。能執(zhí)行移位操作的寄存器稱為移位寄存器。移位寄存器又分為單向移位寄存器和雙向移位寄存器。 觸發(fā)器前級的輸出端接到下一級的信號輸入端，若干個觸發(fā)器依次如此串行連接，就可構(gòu)成一個移位寄存器。 圖 位移位寄存器 . 在 為右向移位寄存器。 圖 圖 0101的移位波形。 數(shù)據(jù)能向左 、 右邊逐位移位的移位寄存器稱為雙向移位寄存器 。 圖 個 每一個觸發(fā)器的數(shù)據(jù)輸入端 3)輸出端相連接 。 移向轉(zhuǎn)換控制的與或非門是由控制門 當(dāng) S=1時 ， 右向移位寄存； 當(dāng) S=0時 ， 左向移位寄存 。 脈沖波形的產(chǎn)生與變換 數(shù)字電路中采用兩種方法獲得脈沖波形： 一 二 已有的波形變換成所需的脈沖波形 . 矩形脈沖信號 矩形脈沖波形如圖 (1) 是指在周期性重復(fù)的脈沖序列中 ， 兩個相鄰脈沖間的時間間隔 。 (2)m 是指脈沖信號電壓最大的變化量 。 (3). 脈沖寬度 指脈沖前后沿 圖 (4)上升時間 指脈沖前沿從 (5)下降時間 指脈沖后沿從 (6) 脈寬比 脈沖信號的寬度 的比稱為脈寬比 ， 用 亦稱為占空比 。 多諧振蕩器 振蕩電路只要參數(shù)合適 ， 電路自身能產(chǎn)生一定頻率和幅值的矩形脈沖信號 ， 這種電路稱為多諧振蕩器 。 由于多諧振蕩器在工作時不存在穩(wěn)定狀態(tài) ， 又稱為無穩(wěn)態(tài)電路 。 1). 特點(diǎn) : 第一 :電路中含有能產(chǎn)生高 、 低電平的開關(guān)器件 . 如門電路 、 電壓比較器等； 第二 :電路中都具有反饋網(wǎng)絡(luò) . 將輸出信號電壓反饋給開關(guān)器件使之改變 輸出狀態(tài)； 第三 :電路中還具有定時環(huán)節(jié) . 利用 改變開關(guān)器件 兩種狀態(tài)的時間 ， 實(shí)現(xiàn)延時 ， 可獲得所需 的脈沖信號的振蕩頻率 。 2) 從圖 構(gòu)成了正反 饋網(wǎng)絡(luò) ， 1)第一個暫穩(wěn)態(tài)過程 設(shè) 開 )的狀態(tài) ， 有 : 2處于關(guān)的狀態(tài) ， 這時電容處于放電狀態(tài) 。 R、 如圖 a). 電容放電導(dǎo)致 漸下降 。 當(dāng) 壓 ， 電路產(chǎn)生正反饋過程 : 圖 10.3(a) 正反饋使 而 振蕩器進(jìn)入了 這一過程中 : 跳 但電容兩端電壓不能突變 ， 要下跳 所以 +)= )第一個暫穩(wěn)態(tài)過程 向電容 如圖 b)所示 。 電容 +) = 始 ， 以指數(shù)式上升直至 值電壓 正反饋使 振蕩器進(jìn)入了第二個暫穩(wěn)態(tài)過程 。 這時候 ， 上跳 所以 +)= + = , 上跳到 隨之又開始電容放電 ， 反復(fù)上述的兩個暫穩(wěn)態(tài)過程 ， 振蕩的波形如圖 圖 b) 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 三個特點(diǎn)： (1). 電路有一個穩(wěn)定狀態(tài)和一個暫穩(wěn)定狀態(tài)； (2). 在外來脈沖作用下 ， 電路能從穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)； (3). 暫穩(wěn)態(tài)是一個不能保持的狀態(tài) . 故稱為單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 。 單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的電路結(jié)構(gòu)有微分型和積分型兩種類型 . 本節(jié)分析微分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器有多種電路 ,圖 a) 由兩個或非門 G 1和 G 2構(gòu)成 ， 組成微分定時電路 。 圖 b)所示是單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器通用邏輯符號 。 圖 (1)無觸發(fā)信號 時 ， 電路處于穩(wěn)態(tài) 與電源 為高電位 ， 而 ， 這時電容 C 上的 電壓近似為零 。 電路處于穩(wěn)定狀態(tài) 。 (2)外加觸發(fā)信號 ， 電路由穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)為暫穩(wěn)態(tài) 當(dāng) 外加正跳變觸發(fā)信號 經(jīng)電容 C 藕合 ， 1門的輸入端 ， 導(dǎo)致正反饋：使 此時把外加觸發(fā)信號 由于 1門的或邏輯關(guān)系 ， 使 電路由穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)為暫穩(wěn)態(tài) 。 (3)通過對電容的充電 ， 使電路返回到穩(wěn)態(tài) : 由于 正電源 +對電容 充電回路為 + RC u 地 。 u 1隨 在 t 2時刻 ， u 1升高到 G 2門的 這時 ， 所以電路由暫穩(wěn)態(tài)自動返回到穩(wěn)態(tài) 。 (4)恢復(fù)到穩(wěn)態(tài) : 暫穩(wěn)態(tài)結(jié)束 ， 電容將通過電阻 使電容上的電壓恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)時的初始值 。 電路各點(diǎn)的工作波形如右圖 施密特觸發(fā)器 特點(diǎn) :把輸入脈沖波形整形成適合于數(shù)字電路的矩形脈沖 ， 有很強(qiáng)的抗干擾能力 。 由兩級 如圖 a)b)為其邏輯符號 。 圖中 u 1和 1門的狀態(tài) 。 假定反相器的閥值電壓 ， 電路的狀態(tài)就維持在 5).當(dāng) 電路又會產(chǎn)生如下正反饋過程 : 使 電路的狀態(tài)轉(zhuǎn)換為 0。 此時的輸入信號 稱為負(fù)向轉(zhuǎn)換電壓 ， 用 式據(jù) (10 21),有 (10據(jù)前設(shè)定 代入上式 ， 可求得負(fù)向轉(zhuǎn)換電壓 只要能滿足輸入信號 施密特觸發(fā)器就會穩(wěn)定在 0的狀態(tài)上 。 第一 兩個穩(wěn)態(tài)都必須靠觸發(fā)信號來維持 。 第二 當(dāng)觸發(fā)信號大于 時 ， 施密特觸發(fā)器從低電平轉(zhuǎn)為高電平； 當(dāng)觸發(fā)信號小于 施密特觸發(fā)器從高電平轉(zhuǎn)為低電平 。 一般有 ， 通常稱 為上限觸發(fā)電壓 ， 上下限觸發(fā)電壓差稱為回差電壓 。 根式 (10式 (10回差電壓 : T+ - 2 改變 2的大小可以調(diào)整回差電壓值 。 第三 . 回差電壓使其輸出電壓的傳輸特性存在滯回現(xiàn)象 。 (1) 用于波形變換和整形 。 可以把邊沿變化緩慢和不規(guī)則的周期性信號變換成矩形脈沖 ， 如圖 (2)用于脈沖鑒幅 。 應(yīng)用施密特觸發(fā)器的正向轉(zhuǎn)換電壓用 將一系列幅度不一的脈沖信號進(jìn)行鑒幅 ， 如下圖 本 章 小 結(jié) 本章內(nèi)容有兩大部分： 一 . 觸發(fā)器： 基本 同步 主從觸發(fā)器 . 二 . 邏輯電路： 計數(shù)器和寄存器 、 脈沖波形的產(chǎn)生和整形的脈沖電路 。 應(yīng)能掌握理基本邏輯單元的工作原理和理解基本邏輯電路的分析方法 。 (1)觸發(fā)器是一種具有兩個穩(wěn)定狀態(tài)的基本邏輯單元 ， 在外界信號的作用下 ， 可以從一個穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€穩(wěn)定狀態(tài) ， 在外界信號的作用下 ， 維持原來穩(wěn)定狀態(tài) ， 具有 “ 記憶 ” 的功能 。 (2)具有同樣邏輯功能的觸