《電子技術(shù)基礎(chǔ)-數(shù)字電子技術(shù)》課件第4章

第4章集成觸發(fā)器4.1基本觸發(fā)器4.2同步觸發(fā)器4.3集成觸發(fā)器小結(jié)技能實(shí)訓(xùn)

4.1基本觸發(fā)器

4.1.1觸發(fā)器及分類

觸發(fā)器是數(shù)字邏輯電路的基本單元電路,它有兩個(gè)穩(wěn)態(tài)輸出(雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器),具有記憶功能,可用于存儲(chǔ)二進(jìn)制數(shù)據(jù)、記憶信息等。

從結(jié)構(gòu)上來看,觸發(fā)器由邏輯門電路組成,有一個(gè)或幾個(gè)輸入端,兩個(gè)互補(bǔ)輸出端,通常標(biāo)記為Q和Q。觸發(fā)器的輸出有兩種狀態(tài),即“0”態(tài)(Q=0、Q=1)和“1”態(tài)(Q=1、Q=0)。

觸發(fā)器的這兩種狀態(tài)都為相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài),只有在一定的外加信號(hào)觸發(fā)作用下,才可從一種穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變到另一種穩(wěn)態(tài)。

觸發(fā)器的種類很多,大概可按以下幾種方式進(jìn)行分類：

根據(jù)是否有時(shí)鐘脈沖輸入端,可將觸發(fā)器分為基本觸發(fā)器和鐘控觸發(fā)器等。

根據(jù)邏輯功能的不同,可將觸發(fā)器分為RS觸發(fā)器、D觸發(fā)器、JK觸發(fā)器、T和T′觸發(fā)器等。

根據(jù)電路結(jié)構(gòu)的不同,可將觸發(fā)器分為基本觸發(fā)器、同步觸發(fā)器、主從觸發(fā)器、邊沿觸發(fā)器等。

根據(jù)觸發(fā)方式的不同,可將觸發(fā)器分為電平觸發(fā)、主從觸發(fā)、邊沿觸發(fā)的觸發(fā)器。

觸發(fā)器的邏輯功能可用功能表(特性表)、特性方程、狀態(tài)圖(狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖)和時(shí)序圖(時(shí)序波形圖)來描述。4.1.2基本RS觸發(fā)器

1.電路組成

圖4-1所示為由與非門組成的基本RS觸發(fā)器的邏輯圖和邏輯符號(hào)。由圖可知,基本RS觸發(fā)器由兩個(gè)與非門交叉耦合而成,Q和Q為兩個(gè)互補(bǔ)輸出端,R和S為兩個(gè)輸入端。其中R稱為置0端(復(fù)位端),S稱為置1端(置位端)。圖4-1基本RS觸發(fā)器(a)邏輯圖;(b)邏輯符號(hào)

2.邏輯功能

觸發(fā)器有兩個(gè)輸出狀態(tài),即0態(tài)和1態(tài),在輸入信號(hào)R和S作用下,可進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)換。下面根據(jù)基本RS觸發(fā)器邏輯圖

4-1(a)討論其邏輯功能。

列出此基本RS觸發(fā)器的功能表(也稱特性表)如表4-1所示。

4.2同步觸發(fā)器

4.2.1同步RS觸發(fā)器

1.基本結(jié)構(gòu)

在由與非門組成的基本RS觸發(fā)器基礎(chǔ)上,增加兩個(gè)控制門G3和G4,并加入時(shí)鐘脈沖CP(ClockPulse)端,便組成了同步RS觸發(fā)器,圖4-2示出了同步RS觸發(fā)器的邏輯圖和邏輯符號(hào)。圖4-2同步RS觸發(fā)器(a)邏輯圖;(b)邏輯符號(hào)

2.邏輯功能

由圖4-2可看出,G3,G4兩個(gè)與非門被時(shí)鐘脈沖CP所控制,同時(shí)也控制著觸發(fā)信號(hào)R、S能否加入。具體作用如下：

當(dāng)CP=0(低電平)時(shí),G3、G4閉鎖,R、S不起作用,觸發(fā)器狀態(tài)不變,處于保持狀態(tài)。

當(dāng)CP=1(高電平)時(shí),G3、G4開門,觸發(fā)信號(hào)R、S被反相加入,此時(shí),只要將觸發(fā)信號(hào)R、S取反,即可根據(jù)基本RS觸發(fā)器的功能得出同步RS觸發(fā)器功能如表4-2所示。

3.特性方程

觸發(fā)器的特性方程,是指觸發(fā)器輸出狀態(tài)的次態(tài)Qn+1與現(xiàn)態(tài)Qn及輸入之間的邏輯關(guān)系表達(dá)式。觸發(fā)器現(xiàn)態(tài)Qn即是觸發(fā)器現(xiàn)在的輸出狀態(tài),又同時(shí)與輸入信號(hào)共同決定著觸發(fā)器的下一個(gè)輸出狀態(tài)(次態(tài)Qn+1)。所以,特性方程實(shí)際上是以觸發(fā)器的輸入及現(xiàn)態(tài)作變量,輸出次態(tài)為函數(shù)的邏輯方程。由邏輯圖可得到同步RS觸發(fā)器的特性方程如下：(4-1)(4-2)將方程(4-1)代入方程(4-2)得(4-3)因?yàn)镽和S不能同時(shí)為1(否則出現(xiàn)不定狀態(tài)),所以在特性方程中加入約束條件,可得RS觸發(fā)器特性方程為(4-4)RS=0(約束條件)

4.時(shí)序圖

分析觸發(fā)器及時(shí)序電路的工作過程時(shí)常使用時(shí)序圖(時(shí)序波形圖),圖4-3示出了同步RS觸發(fā)器的時(shí)序圖。圖4-3同步RS觸發(fā)器時(shí)序圖4.2.2同步D觸發(fā)器

在同步RS觸發(fā)器前加一個(gè)非門,使S=R便構(gòu)成了同步D觸發(fā)器,而原來的S端改稱為D端。同步D觸發(fā)器的邏輯圖及邏輯符號(hào)如圖4-4所示。圖4-4同步D觸發(fā)器(a)邏輯圖;(b)邏輯符號(hào)令D=S=R,帶入RS觸發(fā)器特性方程(4-3)中可得D觸發(fā)器特性方程為

Qn+1=D

(4-5)

由于S=R(S≠R),所以原RS觸發(fā)器的不定狀態(tài)自然也就不存在了。D觸發(fā)器的功能表如表4-3所示。4.2.3同步JK觸發(fā)器

JK觸發(fā)器有兩個(gè)輸入控制端J和K,也可從RS觸發(fā)器演變而來。將RS觸發(fā)器輸出交叉引回到輸入,使S=J·Qn,R=K·Qn便可得到同步式JK觸發(fā)器如圖4-5所示。同樣將S=J·Qn、R=K·Qn帶入RS觸發(fā)器特性方程(4-3)中,可得JK觸發(fā)器特性方程為

Qn+1=JQn+KQn

(4-6)

由于Q端與Q端總是互補(bǔ)的,因此圖4-5(a)中G3、G4門的輸出不存在同時(shí)為0的情況,也就消去了不定狀態(tài)。圖4-5同步式JK觸發(fā)器(a)邏輯圖;(b)邏輯符號(hào)

JK觸發(fā)器的功能如表4-4所示,從功能表可看出,JK觸發(fā)器有四個(gè)工作狀態(tài),第一行J=K=0為保持狀態(tài),第二行J=0、K=1為置0態(tài),第三行J=1、K=0為置1態(tài)。第四行J=K=1,Qn+1=Qn,次態(tài)為現(xiàn)態(tài)的反。4.2.4T觸發(fā)器和T′觸發(fā)器

T觸發(fā)器可看成是JK觸發(fā)器在J=K條件下的特例,它只有一個(gè)控制輸入端T端。圖4-6是其邏輯圖,表4-5是T觸發(fā)器功能表,T觸發(fā)器特性方程為(4-7)如果將T觸發(fā)器的T端接高電平,即成為T′觸發(fā)器。它的邏輯功能為次態(tài)是現(xiàn)態(tài)的反,即此時(shí)的特性方程為

(4-8)

T′觸發(fā)器也稱為翻轉(zhuǎn)觸發(fā)器。

最后指出,本節(jié)所討論的各觸發(fā)器均是以結(jié)構(gòu)簡單的同步式觸發(fā)器為例的,而現(xiàn)實(shí)所用的各種觸發(fā)器形式都較之復(fù)雜,但對(duì)于邏輯功能則是完全相同的。

4.3集成觸發(fā)器

4.3.1邊沿觸發(fā)器

邊沿觸發(fā)器意指利用時(shí)鐘邊沿觸發(fā)的觸發(fā)器,它的工作特點(diǎn)是觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)時(shí)刻僅發(fā)生在觸發(fā)脈沖的上升沿或下降沿。根據(jù)電路結(jié)構(gòu)的不同,邊沿觸發(fā)器又可分為維持阻塞結(jié)構(gòu)和利用邏輯門傳輸延遲的邊沿結(jié)構(gòu)。

1.集成D觸發(fā)器

集成D觸發(fā)器的邏輯功能與同步型相同,邏輯符號(hào)如圖4-7所示。圖中的RD和SD端稱為直接復(fù)位端和直接置位端,低電平有效,可對(duì)觸發(fā)器進(jìn)行直接復(fù)位(置0)和直接置位(置1)操作,CP端的符號(hào)“>”表示邊沿觸發(fā),并且是上升沿觸發(fā)(如加“?！北硎鞠陆笛赜|發(fā)),即觸發(fā)器僅在CP脈沖由低電平上跳到高電平這一上升沿時(shí)刻接收信號(hào)產(chǎn)生翻轉(zhuǎn)。圖4-8舉例畫出了一個(gè)D觸發(fā)器的邏輯波形關(guān)系,從波形可看出輸出Q的波形變化取決于CP脈沖及輸入信號(hào)D,由于是上升沿觸發(fā),所以輸出Q的翻轉(zhuǎn)時(shí)刻都對(duì)應(yīng)CP脈沖的上升沿,即僅在CP脈沖的上升沿有可能翻轉(zhuǎn),如何翻轉(zhuǎn)取決于當(dāng)時(shí)的輸入信號(hào)D。圖4-7D觸發(fā)器邏輯符號(hào)集成D觸發(fā)器的典型品種是74LS74,它是TTL維持阻塞結(jié)構(gòu)。該芯片內(nèi)含兩個(gè)D觸發(fā)器,它們具有各自獨(dú)立的時(shí)鐘觸發(fā)端(CP)及置位(SD)端、復(fù)位(RD)端,圖4-9所示是74LS74外引線圖,表4-6給出了其功能表。

2.集成JK觸發(fā)器

集成JK觸發(fā)器的邏輯功能也與同步型相同,圖4-10是一個(gè)負(fù)邊沿JK觸發(fā)器的邏輯符號(hào)。該觸發(fā)器的觸發(fā)方式是CP脈沖負(fù)邊沿(下降沿)觸發(fā)(利用門的傳輸延遲實(shí)現(xiàn)的),故稱為負(fù)邊沿JK觸發(fā)器。圖4-11舉例畫出了JK觸發(fā)器的邏輯波形關(guān)系,從波形可看出輸出Q的波形變化取決于CP脈沖的下降沿及輸入信號(hào)J和K,即僅在CP脈沖的下降沿觸發(fā)器有可能翻轉(zhuǎn),如何翻轉(zhuǎn)取決于當(dāng)時(shí)的輸入信號(hào)J和K。圖4-10負(fù)邊沿JK觸發(fā)器邏輯符號(hào)圖4-11負(fù)邊沿JK觸發(fā)器波形圖集成JK觸發(fā)器的典型產(chǎn)品有74LS113,該芯片內(nèi)包括兩個(gè)負(fù)邊沿JK觸發(fā)器,每個(gè)觸發(fā)器均有異步置位端(SD)及獨(dú)立的CP時(shí)鐘脈沖觸發(fā)端,其中置位端為低電平有效,CP為下降沿觸發(fā)。74LS113外引線圖如圖4-12所示,其功能如表4-7所示。4.3.2集成觸發(fā)器使用的特殊問題

使用集成觸發(fā)器除了要考慮數(shù)字集成電路使用的共有問題外,還要注意集成觸發(fā)器使用的特殊問題。

1.異步置位SD端和復(fù)位RD端

集成觸發(fā)器一般均可進(jìn)行直接置位、復(fù)位操作,它們是獨(dú)立于時(shí)鐘脈沖的異步操作,因?yàn)樗碾娐方Y(jié)構(gòu)與前述基本RS觸發(fā)器相似,所以存在著不定狀態(tài),在使用中應(yīng)盡量避免。

2.最高時(shí)鐘頻率fmax

手冊(cè)中所給fmax為CP時(shí)鐘脈沖的最高工作頻率,在實(shí)際使用時(shí)為保證觸發(fā)器可靠工作,所用CP脈沖頻率一定要小于fmax。

3.建立時(shí)間tset和保持時(shí)間th

觸發(fā)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換是由CP脈沖與觸發(fā)輸入共同作用完成的,為使觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)可靠的狀態(tài)轉(zhuǎn)換,CP脈沖與觸發(fā)輸入必須有很好的時(shí)間配合。以D觸發(fā)器為例,其CP脈沖與觸發(fā)輸入的時(shí)序關(guān)系如圖4-13所示。圖4-13D與CP時(shí)序建立時(shí)間tset：觸發(fā)輸入D的建立必須比CP脈沖上升沿提前一段時(shí)間,這段時(shí)間的最小值為建立時(shí)間tset。

保持時(shí)間th：觸發(fā)輸入D的消失必須比CP脈沖上升沿滯后一段時(shí)間,這段時(shí)間的最小值為保持時(shí)間th。小結(jié)

觸發(fā)器是數(shù)字邏輯電路的基本單元電路,它有兩個(gè)穩(wěn)態(tài)輸出,在觸發(fā)輸入的作用下,可以從一個(gè)穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到另一個(gè)穩(wěn)態(tài)。觸發(fā)器可用于存儲(chǔ)二進(jìn)制數(shù)據(jù)。

觸發(fā)器的種類很多,根據(jù)是否有時(shí)鐘脈沖輸入端、邏輯功能、電路結(jié)構(gòu)、觸發(fā)方式等可將觸發(fā)器分為基本觸發(fā)器和時(shí)鐘觸發(fā)器、RS觸發(fā)器、D觸發(fā)器、JK觸發(fā)器、T觸發(fā)器、電平觸發(fā)、主從觸發(fā)、邊沿觸發(fā)等。

基本RS觸發(fā)器雖然獨(dú)立的集成芯片已很少見,但它是觸發(fā)器的基礎(chǔ),掌握它對(duì)于學(xué)習(xí)其他類型的觸發(fā)器是非常重要的。

D觸發(fā)器和JK觸發(fā)器是兩個(gè)實(shí)用的觸發(fā)器,學(xué)習(xí)時(shí)要掌握它們的邏輯功能及時(shí)序關(guān)系,要牢記觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)條件是由觸發(fā)輸入與時(shí)鐘脈沖共同決定的,即在時(shí)鐘脈沖作用時(shí)觸發(fā)器可能翻轉(zhuǎn),而是否翻轉(zhuǎn)和如何翻轉(zhuǎn)則要視觸發(fā)器輸入而定。

觸發(fā)器的邏輯功能可用功能表(特性表)、特性方程、狀態(tài)圖(狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖)和時(shí)序圖(時(shí)序波形圖)來描述。技能實(shí)訓(xùn)

實(shí)訓(xùn)一基本RS觸發(fā)器

一、技能要求

1. 熟悉基本RS觸發(fā)器的電路結(jié)構(gòu)。

2. 會(huì)測(cè)試基本RS觸發(fā)器的邏輯功能。

二、實(shí)訓(xùn)內(nèi)容

1. 選用74LS00一片組接成基本RS觸發(fā)器。

2. 接好電路,電源電壓接5V,在兩個(gè)輸入端加不同的高低電平,進(jìn)行置0、置1操作,測(cè)其邏輯功能,特別注意對(duì)不定狀態(tài)的測(cè)試,要反復(fù)幾次,列出表并與表4-1相比較。實(shí)訓(xùn)二D觸發(fā)器

一、技能要求

1. 熟悉集成D觸發(fā)器芯片。

2. 會(huì)測(cè)試并理解邏輯功能。

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