第九章時(shí)序邏輯電路

第一節(jié)觸發(fā)器第二節(jié)計(jì)數(shù)器第三節(jié)寄存器返回主目錄

第一節(jié)觸發(fā)器一、基本RS觸發(fā)器

基本RS觸發(fā)器又稱為RS鎖存器，在各種觸發(fā)器中，它的結(jié)構(gòu)最簡單，卻是各種復(fù)雜結(jié)構(gòu)觸發(fā)器的基本組成部分。

1．電路組成圖9-1所示電路是由兩個(gè)與非門交叉反饋連接成的基本RS觸發(fā)器。圖9-1基本RS觸發(fā)器a）邏輯圖b）邏輯符號(hào)

2．邏輯功能（1）邏輯功能分析在基本RS觸發(fā)器中，觸發(fā)器的輸出不僅由觸發(fā)信號(hào)來決定，而且當(dāng)觸發(fā)信號(hào)消失后，電路能將輸出狀態(tài)保持下去，即具備記憶功能。==0或Q=0、=

1）當(dāng)==1時(shí)，電路有兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)：Q=1、=0或Q=0、=1，我們把前者稱為1狀態(tài)或置位狀態(tài)，把后者稱為0狀態(tài)或復(fù)位狀態(tài)。

2）當(dāng)=1、=0時(shí)，Q=1，=0，觸發(fā)器被置成1狀態(tài)。

3）當(dāng)=0、=1時(shí)，=1，Q=0，觸發(fā)器被置成0狀態(tài)。

4）當(dāng)=0、=0時(shí)，Q==1，這是一種未定義的狀態(tài)，既不是1狀態(tài)，也不是0狀態(tài)，這種狀態(tài)是不穩(wěn)定的，我們稱之為不定狀態(tài)。（2）邏輯功能的描述觸發(fā)器在接收觸發(fā)信號(hào)之前的原穩(wěn)定狀態(tài)稱為初態(tài)，用Qn表示；觸發(fā)器在接收觸發(fā)信號(hào)之后建立的新穩(wěn)定狀態(tài)叫做次態(tài)，用Qn+1表示。觸發(fā)器的次態(tài)Qn+1是由觸發(fā)信號(hào)和初態(tài)Qn的取值情況所決定的。

1）狀態(tài)轉(zhuǎn)換特性表含有狀態(tài)變量的真值表叫做觸發(fā)器的特性表?；綬S觸發(fā)器的特性表如表9-1所示。表9-2為簡化的特性表。

表9-1基本RS觸發(fā)器狀態(tài)轉(zhuǎn)換特性表011100不定不定110111100101010011000001Qn+1

Qn表9-2簡化的RS觸發(fā)器特性表表

Qn

10

不定11100100Qn+1基本RS觸發(fā)器除了可用上述與非門組成外，也可以利用兩個(gè)或非門來組成，其邏輯圖和邏輯符號(hào)如圖9-2所示。

圖9-2或非門組成的基本RS觸發(fā)器a）邏輯圖b）邏輯符號(hào)二、同步RS觸發(fā)器和D鎖存器

1．同步RS觸發(fā)器（1）電路組成同步RS觸發(fā)器是同步觸發(fā)器中最簡單的一種，其邏輯圖和邏輯符號(hào)如圖9-3所示。CP是時(shí)鐘脈沖信號(hào)，高電平有效，即CP為高電平時(shí)，輸出狀態(tài)可以改變，CP為低電平時(shí)，觸發(fā)器保持原狀態(tài)不變。Q和是互補(bǔ)輸出端。圖9-3同步RS觸發(fā)器a）邏輯圖b）邏輯符號(hào)（2）功能分析

1）當(dāng)CP=0時(shí)，觸發(fā)器保持原狀態(tài)不變。

2）當(dāng)CP=1時(shí)，觸發(fā)器將按基本RS觸發(fā)器的規(guī)律發(fā)生變化。此時(shí)，同步RS觸發(fā)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換特性表與表9-3相同。（3）初始狀態(tài)的預(yù)置在實(shí)際應(yīng)用中，有時(shí)需要在時(shí)鐘脈沖CP到來之前，預(yù)先將觸發(fā)器設(shè)置成某種狀態(tài)，為此，在同步RS觸發(fā)器電路中設(shè)置了直接置位端和直接復(fù)位端。其工作情況可用圖9-4的波形圖來描述。圖9-4同步RS觸發(fā)器時(shí)序波形圖

2．同步D觸發(fā)器同步D觸發(fā)器又稱為D鎖存器，其邏輯圖和邏輯符號(hào)如圖9-5所示。圖9-5同步D觸發(fā)器a）邏輯圖b）邏輯符號(hào)三、邊沿觸發(fā)器

1．邊沿D觸發(fā)器（1）邏輯符號(hào)邊沿D觸發(fā)器的邏輯符號(hào)如圖9-6所示。符號(hào)圖中、端的小圓圈表示低電平有效。該觸發(fā)器為CP上升沿觸發(fā)（圖中，CP端若有小圓圈表示觸發(fā)器為CP下降沿觸發(fā)）。圖9-6邊沿D觸發(fā)器的邏輯符號(hào)（2）工作特性此種觸發(fā)器的狀態(tài)只有在CP的上升沿到來時(shí)才可能改變，在CP的其它任何時(shí)刻，觸發(fā)器都將保持狀態(tài)不變，故把這種類型的觸發(fā)器稱為正邊沿觸發(fā)器或上升沿觸發(fā)器。除上述正邊沿觸發(fā)的D觸發(fā)器之外，還有在時(shí)鐘脈沖下降沿觸發(fā)的負(fù)邊沿D觸發(fā)器，與正邊沿D觸發(fā)器相比較，只是觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)時(shí)所對應(yīng)的時(shí)鐘脈沖CP的觸發(fā)沿不同，其所實(shí)現(xiàn)的邏輯功能均相同。

（3）邏輯功能描述邊沿D觸發(fā)器在CP上升沿到來時(shí)的狀態(tài)轉(zhuǎn)換特性表如表9-4所示，表9-5為D觸發(fā)器簡化的特性表。圖9-7為D觸發(fā)器的時(shí)序圖。表9-4D觸發(fā)器狀態(tài)轉(zhuǎn)換特性表表9-5D觸發(fā)器簡化特性表CPDQnQn+1↑↑↑↑000110110011圖9-7

D觸發(fā)器時(shí)序圖CPDQn+1↑↑0101（4）邊沿D觸發(fā)器的應(yīng)用

74HC74是一種集成正邊沿雙D觸發(fā)器，內(nèi)含兩個(gè)上升沿觸發(fā)的D觸發(fā)器。圖9-8是利用74HC74構(gòu)成的單按鈕電子轉(zhuǎn)換開關(guān)電路，該電路只利用一個(gè)按鈕即可實(shí)現(xiàn)電路的接通與斷開。圖9-874HC74應(yīng)用電路

2．邊沿JK觸發(fā)器（1）邊沿JK觸發(fā)器的邏輯符號(hào)圖9-9為JK觸發(fā)器的邏輯符號(hào)，其中圖a為CP上升沿觸發(fā)，圖b為CP下降沿觸發(fā)，除此之外，二者的邏輯功能完全相同，圖中J、K為觸發(fā)信號(hào)輸入端。圖9-9邊沿JK觸發(fā)器a）上升沿觸發(fā)型b）下降沿觸發(fā)型（2）JK觸發(fā)器的邏輯功能下降沿觸發(fā)的JK觸發(fā)器的邏輯功能見表9-6，表9-7為JK觸發(fā)器簡化的功能表，時(shí)序圖如圖9-10所示。表9-6JK觸發(fā)器功能表

CPJKQnQn+1功能名稱

××↓↓↓↓↓↓↓↓

01101111111111111111

××××0000010110101111

××01010101

1001001110直接置1直接置0保持保持置0置0置1置1翻轉(zhuǎn)翻轉(zhuǎn)表9-7JK觸發(fā)器簡化功能表

JKQn+1

00011011Qn01圖9-10JK觸發(fā)器時(shí)序圖（3）邊沿JK觸發(fā)器的應(yīng)用

74HC112內(nèi)含兩個(gè)下降沿JK觸發(fā)器，圖9-11a是利用74HC112組成的二分頻和四分頻電路。分頻是指電路輸出信號(hào)的頻率是輸入信號(hào)頻率的1/N（其中N為整數(shù)，即分頻次數(shù)），也就是說輸出信號(hào)的周期是輸入信號(hào)周期的N倍。圖9-1174HC110構(gòu)成的分頻電路a）電路圖b）波形圖第二節(jié)計(jì)數(shù)器一、計(jì)數(shù)器的功能和分類

計(jì)數(shù)器是一種應(yīng)用廣泛的時(shí)序邏輯電路，它不僅可用來對脈沖計(jì)數(shù)，而且還常用于數(shù)字系統(tǒng)的定時(shí)、延時(shí)、分頻及構(gòu)成節(jié)拍脈沖發(fā)生器等等。計(jì)數(shù)器按計(jì)數(shù)長度可分為二進(jìn)制、十進(jìn)制及N進(jìn)制計(jì)數(shù)器。按計(jì)數(shù)脈沖的引入方式可分為異步工作方式和同步工作方式計(jì)數(shù)器兩類。按計(jì)數(shù)的增減趨勢可分為加法、減法及可逆計(jì)數(shù)器。計(jì)數(shù)器的組成和其它時(shí)序電路一樣，都含有存儲(chǔ)單元（這里通稱為計(jì)數(shù)單元），存儲(chǔ)單元是由觸發(fā)器構(gòu)成的。

1．異步二進(jìn)制計(jì)數(shù)器（1）異步二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器

圖9-12所示是利用3個(gè)下降沿JK觸發(fā)器構(gòu)成的異步二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器。二、異步計(jì)數(shù)器圖9-12異步二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器

該計(jì)數(shù)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換特性表見表9-8，時(shí)序圖如圖9-13所示。計(jì)數(shù)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換規(guī)律也可以采用如圖9-14所示的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖來表示。圖9-13異步二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器時(shí)序圖圖9-14異步二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖計(jì)數(shù)脈沖

CP序號(hào)計(jì)數(shù)器狀態(tài)Q2Q1Q0

012345678

000001010011100101110111000表9-8狀態(tài)轉(zhuǎn)換表

計(jì)數(shù)器還具有分頻功能。由n個(gè)觸發(fā)器構(gòu)成的二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，其末級觸發(fā)器輸出脈沖頻率為CP的1/2n

，即實(shí)現(xiàn)對CP的2n分頻。異步3位二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器也可采用上升沿D觸發(fā)器來構(gòu)成，如圖9-15a。

圖9-15上升沿觸發(fā)的異步3位二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器a）邏輯圖b）時(shí)序圖（2）異步二進(jìn)制減法計(jì)數(shù)器如圖9-18所示電路為下降沿觸發(fā)的異步3位二進(jìn)制減法計(jì)數(shù)器。電路的狀態(tài)轉(zhuǎn)換情況如圖9-17所示，圖9-18為時(shí)序圖。

圖9-16異步二進(jìn)制減法計(jì)數(shù)器圖9-17異步二進(jìn)制減法計(jì)數(shù)器狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖圖9-18異步二進(jìn)制減法計(jì)數(shù)器時(shí)序圖（3）異步二進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器既能進(jìn)行加計(jì)數(shù)又能進(jìn)行減計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)器叫做可逆計(jì)數(shù)器。在可逆計(jì)數(shù)器中，有加減工作方式控制端，當(dāng)輸入不同的控制信號(hào)時(shí)，該計(jì)數(shù)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換規(guī)律可以分別按加法計(jì)數(shù)器或減法計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)規(guī)律進(jìn)行工作。當(dāng)然，電路中需要加入相應(yīng)的控制邏輯電路。

2．異步十進(jìn)制計(jì)數(shù)器圖9-19所示是由4個(gè)JK觸發(fā)器構(gòu)成的8421碼異步十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器，該電路具有進(jìn)位功能。圖9-19異步十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器十進(jìn)制計(jì)數(shù)器狀態(tài)轉(zhuǎn)換表見表9-9，時(shí)序圖如圖9-20所示。計(jì)數(shù)脈沖CP序號(hào)計(jì)數(shù)器狀態(tài)

Q3Q2Q1Q0進(jìn)位對應(yīng)十進(jìn)制數(shù)012345678910000000010010001101000101011001111000100100000000000001001234567890表9-9十進(jìn)制計(jì)數(shù)器狀態(tài)轉(zhuǎn)換表圖9-20異步十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器時(shí)序圖

3．異步N進(jìn)制計(jì)數(shù)器在實(shí)際工作中，還需要其它不同進(jìn)制的計(jì)數(shù)器，我們把這些計(jì)數(shù)器稱為N進(jìn)制計(jì)數(shù)器。異步N進(jìn)制計(jì)數(shù)器的構(gòu)成方式和異步十進(jìn)制計(jì)數(shù)器基本相同，也是在二進(jìn)制計(jì)數(shù)器的基礎(chǔ)上，利用一定的方法跳過多余的狀態(tài)后實(shí)現(xiàn)的。例如，五進(jìn)制計(jì)數(shù)器可以用三個(gè)觸發(fā)器組成，其狀態(tài)轉(zhuǎn)換規(guī)律可以按圖9-21所示的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖進(jìn)行。

圖9-21五進(jìn)制計(jì)數(shù)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖三、同步計(jì)數(shù)器

1．同步二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器如圖9-22a所示是一個(gè)由3個(gè)JK觸發(fā)器構(gòu)成的同步3位二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器，CP輸入的是計(jì)數(shù)脈沖。其時(shí)序圖如圖9-22b所示。同步3位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換特性表與異步二進(jìn)制計(jì)數(shù)器完全相同。

圖9-22同步3位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器a）邏輯圖b）時(shí)序圖

2．同步十進(jìn)制計(jì)數(shù)器若在同步二進(jìn)制計(jì)數(shù)器的基礎(chǔ)上，通過一定的方法跳過多余的無效狀態(tài)后，也可構(gòu)成同步十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。同步十進(jìn)制計(jì)數(shù)器的時(shí)序圖和狀態(tài)轉(zhuǎn)換特性表與異步十進(jìn)制計(jì)數(shù)器的完全相同。

1．74HC16174HC161是一種可預(yù)置數(shù)的同步計(jì)數(shù)器，在計(jì)數(shù)脈沖上升沿作用下進(jìn)行加法計(jì)數(shù)，其主要功能如下：（1）清零

（2）預(yù)置數(shù)（3）計(jì)數(shù)控制（4）進(jìn)位四、通用集成計(jì)數(shù)器圖9-23所示是利用74HC161和一個(gè)與非門組成的六進(jìn)制計(jì)數(shù)器。圖9-2374HC161構(gòu)成的六進(jìn)制計(jì)數(shù)器當(dāng)需要位數(shù)更多的計(jì)數(shù)器時(shí)，可按如圖9-24所示電路進(jìn)行級聯(lián)。圖9-2474HC161的級聯(lián)電路第三節(jié)寄存器一、寄存器的功能和分類存放數(shù)碼的邏輯部件稱為寄存器。寄存器必須具有記憶單元——觸發(fā)器，因?yàn)橛|發(fā)器具有0和1兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，所以一個(gè)觸發(fā)器只能存放1位二進(jìn)制數(shù)碼，存放N位數(shù)碼就應(yīng)具備N個(gè)觸發(fā)器。一般寄存器都是在時(shí)鐘脈沖的作用下把數(shù)據(jù)存放或送出觸發(fā)器的，故寄存器還必須具有起控制作用的電路，以保證信號(hào)的接收和清除。寄存器按所具備的功能不同可分為兩大類：數(shù)碼寄存器和移位寄存器。二、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。

1．工作原理圖9-25是一個(gè)由四個(gè)D觸發(fā)器構(gòu)成的四位數(shù)碼寄存器，在CP上升沿的作用下，將四位數(shù)碼寄存到四個(gè)觸發(fā)器中。圖9-25數(shù)碼寄存器

2．集成數(shù)碼寄存器集成數(shù)碼寄存器種類較多，常見的有兩種：一種是由觸發(fā)器構(gòu)成的，另一種是由鎖存器構(gòu)成的。鎖存器與觸發(fā)器的區(qū)別是：鎖存器的時(shí)鐘脈沖觸發(fā)方式為電平觸發(fā)，實(shí)際上就是