1、第5章 時序邏輯電路,5.1 雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 5.2 寄存器 5.3 計數(shù)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(dāng)輸入信號消失后，所置成的狀態(tài)能夠保持不變。,所以，觸發(fā)器可以記憶1位二值信號。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。,5.1 雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,5.1 基本觸發(fā)器,一、基本RS觸發(fā)器 1用與非門組成的基本RS觸發(fā)器 （1）電路結(jié)構(gòu):由兩個門電路交叉連接而成。,置0端,置1

2、端,低電平有效,觸發(fā)器有兩個互補的輸出端，,（2）邏輯功能,當(dāng)Q=1， =0時，稱為觸發(fā)器的1狀態(tài)。,當(dāng) =1，Q=0時，稱為觸發(fā)器的0狀態(tài)。,0 1,0,1,1,1,0,0,1,R稱為置0輸入端 低電平有效,0 1,觸發(fā)器有兩個互補的輸出端，,（2）邏輯功能,當(dāng)Q=1， =0時，稱為觸發(fā)器的1狀態(tài)。,當(dāng) =1，Q=0時，稱為觸發(fā)器的0狀態(tài)。,1 0,1,0,0,0,1,1,1,S稱為置1輸入端 低電平有效,0 1,觸發(fā)器有兩個互補的輸出端，,（2）邏輯功能,當(dāng)Q=1， =0時，稱為觸發(fā)器的1狀態(tài)。,當(dāng) =1，Q=0時，稱為觸發(fā)器的0狀態(tài)。,1 0,1 1,1,1,1,0,0,0,1,0,1,

3、1,保持,0 1,觸發(fā)器有兩個互補的輸出端，,（2）邏輯功能,當(dāng)Q=1， =0時，稱為觸發(fā)器的1狀態(tài)。,當(dāng) =1，Q=0時，稱為觸發(fā)器的0狀態(tài)。,1 0,1 1,0,0,1,1,1,1,0,0,1,1,保持,0 0,（3）波形分析例1 在用與非門組成的基本RS觸發(fā)器中，設(shè)初始0，已知輸入R、S的波形圖，畫出兩輸出端的波形圖。,基本觸發(fā)器的特點總結(jié)：,（1）有兩個互補的輸出端，有兩個穩(wěn)定的狀態(tài)。 （2）有復(fù)位（Q=0）、置位（Q=1）、保持原狀態(tài)三種功能。 （3）R為復(fù)位輸入端，S為置位輸入端，可以是低電平有效，也可以是高電平有效，取決于觸發(fā)器的結(jié)構(gòu)。(我們講的是低電平有效) （4）無論是復(fù)位還

4、是置位，有效信號只需要作用很短的一段時間，即“一觸即發(fā)”。,二、 同步RS觸發(fā)器,給觸發(fā)器加一個時鐘控制端CP，只有在CP端上出現(xiàn)時鐘脈沖時，觸發(fā)器的狀態(tài)才能改變。這種觸發(fā)器稱為同步觸發(fā)器。 1同步RS觸發(fā)器的電路結(jié)構(gòu),2邏輯功能,當(dāng)CP0時，控制門G3、G4關(guān)閉，觸發(fā)器的狀態(tài)保持不變。 當(dāng)CP1時，G3、G4打開，其輸出狀態(tài)由R、S端的輸入信號決定。,同步RS觸發(fā)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換分別由R、S和CP控制，其中，R、S控制狀態(tài)轉(zhuǎn)換的方向；CP控制狀態(tài)轉(zhuǎn)換的時刻。,1,0,0,1,1,0,1,3觸發(fā)器功能的幾種表示方法,觸發(fā)器的功能除了可以用功能表表示外，還有幾種表示方法： （1）特性方程 由功能表畫

5、出卡諾圖得特性方程：,（約束條件）,（2）狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖 狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖表示觸發(fā)器從一個狀態(tài)變化到另一個狀態(tài)或保持原狀不變時，對輸入信號的要求。,在數(shù)字電路中，凡根據(jù)輸入信號R、S情況的不同，具有置0、置1和保持功能的電路，都稱為RS觸發(fā)器。,（3）驅(qū)動表 驅(qū)動表是用表格的方式表示觸發(fā)器從一個狀態(tài)變化到另一個狀態(tài)或保持原狀態(tài)不變時，對輸入信號的要求。,（4）波形圖 已知同步RS觸發(fā)器的輸入波形，畫出輸出波形圖。,4同步觸發(fā)器存在的問題空翻,由于在CP=1期間，G3、G4門都是開著的，都能接收R、S信號，所以，如果在CP=1期間R、S發(fā)生多次變化，則觸發(fā)器的狀態(tài)也可能發(fā)生多次翻轉(zhuǎn)。 在一個時鐘脈沖周期中

6、，觸發(fā)器發(fā)生多次翻轉(zhuǎn)的現(xiàn)象叫做空翻。,三、 主從JK觸發(fā)器,1電路結(jié)構(gòu),將觸發(fā)器的兩個互補的輸出端信號通過兩根反饋線分別引到輸入端的G7、G8門，這樣，就構(gòu)成了JK觸發(fā)器。,2工作原理,1,1,0,1,1,0,1,0,1,0,1,1,0,1,1,0,3JK觸發(fā)器邏輯功能的幾種表示方法,(1）功能表：,（2）特性方程：,（3）狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖,（4）驅(qū)動表,例 已知主從JK觸發(fā)器J、K的波形如圖所示，畫出輸出Q的波形圖（設(shè)初始狀態(tài)為0）。,在畫主從觸發(fā)器的波形圖時，應(yīng)注意以下兩點：（1）觸發(fā)器的觸發(fā)翻轉(zhuǎn)發(fā)生在時鐘脈沖的觸發(fā)沿（這里是下降沿）,（2）判斷觸發(fā)器次態(tài)的依據(jù)是時鐘脈沖下降沿前一瞬間輸入端的狀

7、態(tài)。,四、主從T觸發(fā)器和T觸發(fā)器,將JK觸發(fā)器的J和K相連作為T輸入端就構(gòu)成了T觸發(fā)器。,T觸發(fā)器特性方程：,當(dāng)T觸發(fā)器的輸入端為T=1時， 稱為T觸發(fā)器。,T觸發(fā)器的特性方程：,五、D觸發(fā)器 1D觸發(fā)器的邏輯功能 D觸發(fā)器只有一個觸發(fā)輸入端D，因此，邏輯關(guān)系非常簡單；,D觸發(fā)器的特性方程為：Qn+1=D,0 0 1 1,D,0 1 0 1,Qn,0 0 1 1,Qn+1,輸出狀態(tài) 同D狀態(tài),功能,D觸發(fā)器的功能表,D觸發(fā)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖：,例 已知D觸發(fā)器的輸入波形，畫出輸出波形圖。,解：在波形圖時，應(yīng)注意以下兩點： （1）觸發(fā)器的觸發(fā)翻轉(zhuǎn)發(fā)生在CP的上升沿。 （2）判斷觸發(fā)器次態(tài)的依據(jù)是CP

8、上升沿前一瞬間輸入端D的狀態(tài)。,六、觸發(fā)器應(yīng)用舉例,例 設(shè)計一個3人搶答電路。3人A、B、C各控制一個按鍵開關(guān)KA、KB、KC和一個發(fā)光二極管DA、DB、DC。誰先按下開關(guān)，誰的發(fā)光二極管亮，同時使其他人的搶答信號無效。,利用觸發(fā)器的“記憶”作用，使搶答電路工作更可靠、穩(wěn)定。,時序邏輯電路的基本概念,一、 時序邏輯電路的結(jié)構(gòu)及特點 時序邏輯電路任何一個時刻的輸出狀態(tài)不僅取決于當(dāng)時的輸入信號，還與電路的原狀態(tài)有關(guān)。 時序電路的特點：（1）含有記憶元件（最常用的是觸發(fā)器）。 （2）具有反饋通道。,分析時序邏輯電路的一般步驟 1由邏輯圖寫出下列各邏輯方程式： （1）各觸發(fā)器的時鐘方程。 （2）時序電

9、路的輸出方程。 （3）各觸發(fā)器的驅(qū)動方程。 2將驅(qū)動方程代入相應(yīng)觸發(fā)器的特性方程，求得時序邏輯電路的狀態(tài)方程。 3根據(jù)狀態(tài)方程和輸出方程，列出該時序電路的狀態(tài)表，畫出狀態(tài)圖或時序圖。 4根據(jù)電路的狀態(tài)表或狀態(tài)圖說明給定時序邏輯電路的邏輯功能。,時序邏輯電路的一般分析方法,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，可將寄存器分為數(shù)碼寄存器和移位寄存器兩大類。數(shù)碼寄存器只能并行送入數(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

10、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。,5.2 寄存器,一、 數(shù)碼寄存器,無論寄存器中原來的內(nèi)容是什么，只要送數(shù)控制時鐘脈沖CP上升沿到來，加在并行數(shù)據(jù)輸入端的數(shù)據(jù)D0D3，就立即被送入進寄存器中，即有：,二、移位寄存器,移位寄存器不但可以寄存數(shù)碼，而且在移位脈沖作用下，寄存器中的數(shù)碼可根據(jù)需要向左或向右移動1位。,1單向移位寄存器,（1）右移寄存器（D觸發(fā)器組成的4位右移寄存器） 右移寄存器的結(jié)構(gòu)特點：左邊觸發(fā)器的輸出端接右鄰觸發(fā)器的輸入端。,設(shè)移位寄存器的初始狀態(tài)為0000，

11、串行輸入數(shù)碼DI=1101，從高位到低位依次輸入。其狀態(tài)表如下：,1,1,1,2,0,3,1,4,右移寄存器的時序圖：,由于右移寄存器移位的方向為DIQ0Q1Q2Q3，所以又稱上移寄存器。,在4個CP作用下，輸入的4位串行數(shù)碼1101全部存入了寄存器中。這種方式稱為串行輸入方式。,（2）左移寄存器,2 雙向移位寄存器 將右移寄存器和左移寄存器組合起來，并引入一控制端S便構(gòu)成既可左移又可右移的雙向移位寄存器。,左移寄存器的結(jié)構(gòu)特點：右邊觸發(fā)器的輸出端接左鄰觸發(fā)器的輸入端。,計數(shù)器用以統(tǒng)計輸入脈沖CP個數(shù)的電路。,5.3 計數(shù)器,計數(shù)器的分類：,（2）按數(shù)字的增減趨勢可分為加法計數(shù)器、減法計數(shù)器和

12、可逆計數(shù)器。,（1）按計數(shù)進制可分為二進制計數(shù)器和非二進制計數(shù)器。 非二進制計數(shù)器中最典型的是十進制計數(shù)器。,（3）按計數(shù)器中觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)是否與計數(shù)脈沖同步分為同步計數(shù)器和異步計數(shù)器。,一、二進制計數(shù)器,1二進制異步計數(shù)器 （1）二進制異步加法計數(shù)器（4位）,工作原理： 4個JK觸發(fā)器都接成T觸發(fā)器。,每當(dāng)Q2由1變0，F(xiàn)F3向相反的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)一次。,每來一個CP的下降沿時，F(xiàn)F0向相反的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)一次；,每當(dāng)Q0由1變0，F(xiàn)F1向相反的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)一次；,每當(dāng)Q1由1變0，F(xiàn)F2向相反的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)一次；,用“觀察法”作出該電路的時序波形圖和狀態(tài)圖。,由時序圖可以看出，Q0、Ql、Q2、Q3的周期分別是計

13、數(shù)脈沖(CP)周期的2倍、4倍、8倍、16倍，因而計數(shù)器也可作為分頻器。,（2）二進制異步減法計數(shù)器,用4個上升沿觸發(fā)的D觸發(fā)器組成的4位異步二進制減法計數(shù)器。,工作原理：D觸發(fā)器也都接成T觸發(fā)器。 由于是上升沿觸發(fā)，則應(yīng)將低位觸發(fā)器的Q端與相鄰高位觸發(fā)器的時鐘脈沖輸入端相連，即從Q端取借位信號。 它也同樣具有分頻作用。,二進制異步減法計數(shù)器的時序波形圖和狀態(tài)圖。,在異步計數(shù)器中，高位觸發(fā)器的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)必須在相鄰觸發(fā)器產(chǎn)生進位信號（加計數(shù)）或借位信號（減計數(shù)）之后才能實現(xiàn)，所以工作速度較低。為了提高計數(shù)速度，可采用同步計數(shù)器。,二、非二進制計數(shù)器,N進制計數(shù)器又稱模N計數(shù)器。,當(dāng)N=2n時，就是

14、前面討論的n位二進制計數(shù)器；,當(dāng)N2n時，為非二進制計數(shù)器。非二進制計數(shù)器中最常用的是十進制計數(shù)器。,1 8421BCD碼同步十進制加法計數(shù)器,用前面介紹的同步時序邏輯電路分析方法對該電路進行分析。,（1）寫出驅(qū)動方程：,然后將各驅(qū)動方程代入JK觸發(fā)器的特性方程，得各觸發(fā)器的次態(tài)方程:,（2）轉(zhuǎn)換成次態(tài)方程： 先寫出JK觸發(fā)器的特性方程,（3）作狀態(tài)轉(zhuǎn)換表。,設(shè)初態(tài)為Q3Q2Q1Q0=0000，代入次態(tài)方程進行計算，得狀態(tài)轉(zhuǎn)換表。,0 0 0 0,1,0,0,0,0 0 0 1,0 0 1 0,0 0 1 1,0 1 0 0,0 1 0 1,0 1 1 0,0 1 1 1,1 0 0 0,1

15、0 0 1,0,1,0,0,1,1,0,0,0,0,0,0,（4）作狀態(tài)圖 和時序圖。,（5）檢查電路能否自啟動,用同樣的分析方法分別求出6種無效狀態(tài)下的次態(tài)，得到完整的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。,由于電路中有4個觸發(fā)器，它們的狀態(tài)組合共有16種。而在8421BCD碼計數(shù)器中只用了10種，稱為有效狀態(tài)。其余6種狀態(tài)稱為無效狀態(tài)。,當(dāng)由于某種原因，使計數(shù)器進入無效狀態(tài)時，如果能在時鐘信號作用下，最終進入有效狀態(tài)，我們就稱該電路具有自啟動能力。,可見，該計數(shù)器能夠自啟動。,28421BCD碼異步十進制加法計數(shù)器,CP2=Q1 （當(dāng)FF1的Q1由10時，Q2才可能改變狀態(tài)。）,用前面介紹的異步時序邏輯電路分析方法

16、對該電路進行分析：,（1）寫出各邏輯方程式。,時鐘方程： CP0=CP （時鐘脈沖源的下降沿觸發(fā)。）,CP1=Q0 （當(dāng)FF0的Q0由10時，Q1才可能改變狀態(tài)。),CP3=Q0 （當(dāng)FF0的Q0由10時，Q3才可能改變狀態(tài)),各觸發(fā)器的驅(qū)動方程：,（2）將各驅(qū)動方程代入JK觸發(fā)器的特性方程，得各觸發(fā)器的次態(tài)方程：,（CP由10時此式有效）,（Q0由10時此式有效）,（Q1由10時此式有效）,（Q0由10時此式有效）,（3）作狀態(tài)轉(zhuǎn)換表。,設(shè)初態(tài)為Q3Q2Q1Q0=0000，代入次態(tài)方程進行計算，得狀態(tài)轉(zhuǎn)換表。,0 0 0 0,0 0 0 1,0 0 1 0,0 0 1 1,0 1 0 0,0

17、 1 0 1,0 1 1 0,0 1 1 1,1 0 0 0,1 0 0 1,1,0,0,0,0,1,0,0,1,1,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,舉例,例：試分析如圖所示的時序邏輯電路。,解：該電路為同步時序邏輯電路，時鐘方程可以不寫。 （1）寫出輸出方程：,（2）寫出驅(qū)動方程：,（3）寫出JK觸發(fā)器的特性方程，然后將各驅(qū)動方程代入JK觸發(fā)器的特性方程，得各觸發(fā)器的次態(tài)方程：,（4）作狀態(tài)轉(zhuǎn)換表及狀態(tài)圖 當(dāng)X=0時：觸發(fā)器的次態(tài)方程簡化為：,作出X=0的狀態(tài)表：,輸出方程簡化為：,0 0,0 1,0 1,1 0,0,1 0,0 0,0,1,當(dāng)X=1時：觸發(fā)器的次態(tài)方程簡化為：,作出X=1的狀態(tài)表：,將X