1、第 14 章 觸發(fā)器和時(shí)序邏輯電路,第 14 章觸發(fā)器和時(shí)序邏輯電路,14.1雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,14.2寄存器,14.3計(jì)數(shù)器,14.4由 555 計(jì)時(shí)器組成的單穩(wěn)態(tài) 觸發(fā)器和無穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,*14.5舉例應(yīng)用,第 14 章觸發(fā)器和時(shí)序邏輯電路,數(shù)字電路按照功能的不同分為兩類：組合邏輯電路；時(shí)序邏輯電路。,時(shí)序邏輯電路的特點(diǎn)：它的輸出狀態(tài)不僅決定于當(dāng)時(shí)的輸入狀態(tài)，而且還與電路的原來狀態(tài)有關(guān)，也就是時(shí)序邏輯電路具有記憶功能。,組合邏輯電路的特點(diǎn)：只由邏輯門電路組成，它的輸出變量狀態(tài)完全由當(dāng)時(shí)的輸入變量的組合狀態(tài)來決定，而與電路的原來狀態(tài)無關(guān)，它不具有記憶功能。,觸發(fā)器是時(shí)序邏輯電路的基本單元。,14.

2、1雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,其有兩個(gè)穩(wěn)定的工作狀態(tài),分類: 1按邏輯功能,2按其結(jié)構(gòu),RS 觸發(fā)器、 JK 觸發(fā)器、D 觸發(fā)器,主從型觸發(fā)器、維持阻塞型觸發(fā)器,特點(diǎn)：,具有記憶功能,14.1.1RS 觸發(fā)器,1基本 RS 觸發(fā)器,基本 RS 觸發(fā)器由兩個(gè)與非門交叉連接而成，使其具有記憶功能。,它有兩個(gè)輸出端 Q 和，兩者的邏輯狀態(tài)應(yīng)相反。,有兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)：,平時(shí)固定接高電位，處于 1 態(tài)。,加負(fù)脈沖后，觸發(fā)器的狀態(tài)發(fā)生翻轉(zhuǎn)。,加觸發(fā)負(fù)脈沖時(shí) Q 端的波形圖,為了分析方便，設(shè)： Qn 為原來的狀態(tài)，稱為原態(tài) ； Qn+1 為加觸發(fā)信號后的狀態(tài)， 稱為 新態(tài)或 次態(tài)。,G1,G2,由邏輯圖可求出基本 RS 觸

3、發(fā)器的邏輯式,也可簡記為,以下分四種情況分析其狀態(tài)轉(zhuǎn)換和邏輯功能。,當(dāng) 端加負(fù)脈沖時(shí)，不論觸發(fā)器的初始狀態(tài)是 1 態(tài)，還是 0 態(tài)，均有,即將觸發(fā)器置 0 或保持 0 態(tài)。當(dāng)負(fù)脈沖除去后觸發(fā)器的狀態(tài)保持不變，實(shí)現(xiàn)記憶功能。,即置 0 端有信號,狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程圖解,即置1端有信號,即將觸發(fā)器置 1 或保持 1 態(tài)。當(dāng)負(fù)脈沖除去后觸發(fā)器的狀態(tài)保持不變，實(shí)現(xiàn)記憶功能。,當(dāng)端加負(fù)脈沖時(shí)，不論觸發(fā)器的初始狀態(tài)是 1 態(tài)，還是 0 態(tài)，均有,狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程圖解,這種輸入狀態(tài)下，當(dāng)負(fù)脈沖除去后，將由各種偶然因素決定觸發(fā)器的最終狀態(tài)，因而禁止出現(xiàn)。,2可控RS 觸發(fā)器,增加了 G3 和 G4 組成的導(dǎo)引電路，,時(shí)

4、鐘脈沖 CP 是一種控制命令，通過導(dǎo)引電路實(shí)現(xiàn)對輸入端 R和 S 的控制，即當(dāng) CP = 0 時(shí)，不論 R 和 S 端的電平如何變化， G3 門和 G4 門的輸出均為 1，基本觸發(fā)器保持原狀態(tài)不變。,S 是置 1 信號輸入端，高電平有效,R 是置 0 信號輸入端，高電平有效,增加了時(shí)鐘脈沖輸入端 CP,G1,G2,G4,G3,只有當(dāng)時(shí)鐘脈沖來到后，即 CP = 1 時(shí)，觸發(fā)器才按 R 、S 端的輸入狀態(tài) 來決定其輸出狀態(tài)。,和是直接置 0 和直接置 1 端 ，就是不經(jīng)過時(shí)鐘脈沖的控制可以對基本 觸發(fā)器置 0 或置 1 ，一般用于強(qiáng)迫置位。在工作過程中它們處于 1 態(tài)。,可控RS 觸發(fā)器的邏輯式

5、,可分四種情況分析 CP = 1 時(shí)觸發(fā)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換和邏輯功能，見下表。,可見當(dāng)輸入信號 R 和 S 的狀態(tài)相反時(shí)，時(shí)鐘脈沖來到后，輸出 Q 端的狀態(tài)總是與 S 端相同。,可控RS 觸發(fā)器的工作波形圖,(初態(tài) Q = 0),因?yàn)?RS 觸發(fā)器的輸入信號組合存在著禁用組合，所以為了克服這種現(xiàn)象引出了JK 觸發(fā)器、D 觸發(fā)器。,14.1.2JK 觸發(fā)器,主觸發(fā)器的輸出 端 Q 與從觸發(fā)器的 S 端相連，端與從觸發(fā)器的 R 端相連。非門的作用是使兩個(gè)觸發(fā)器的時(shí)鐘脈沖信號反相。,它由兩個(gè)可控RS 觸發(fā)器串聯(lián)組成，分別稱為主觸發(fā)器和從觸發(fā)器。J 和 K 是信號輸入端， 它們分別與和 Q 構(gòu)成與邏輯關(guān)系，

6、成為主觸發(fā)器的 S 端和 R 端，即,邏輯功能分析,(1) J = 1，K = 1,設(shè)時(shí)鐘脈沖來到之前(CP = 0)觸發(fā)器的初始狀態(tài)為 0。這時(shí)主觸發(fā)器的,當(dāng)時(shí)鐘脈沖來到后(CP = 1)， Q 端由 0 1，使從觸發(fā)器的 S = 1，R = 0，當(dāng) CP 從 1 下跳為 0 時(shí)，非門輸出為 1，從觸發(fā)器也翻轉(zhuǎn)為 1 態(tài)，從觸發(fā)器與主觸發(fā)器的狀態(tài)是一致的。,反之，設(shè)觸發(fā)器的初始狀態(tài)為 1，同樣可分析出，主、從觸發(fā)器都翻轉(zhuǎn)為 0。,JK 觸發(fā)器計(jì)數(shù)波形圖,設(shè)觸發(fā)器的初始狀態(tài)為 0。當(dāng) CP = 1 時(shí)，由于主觸發(fā)器的 S = 0，R = 0，Q 端的狀態(tài)仍為 0，保持不變。當(dāng) CP 下跳時(shí)，由

7、于從觸發(fā)器的 S = 0，R = 0，也保持 0 態(tài)不變。,(2)J = 0，K = 0,如果初始狀態(tài)為 1，同樣可分析出，一個(gè)時(shí)鐘脈沖來到后，將保持 1 態(tài)不變。即,(3)J = 1，K = 0,可分析出不管觸發(fā)器原來處于什么狀態(tài)，一個(gè)時(shí)鐘脈沖來到后，輸出一定是 1 態(tài)。,(4)J = 0，K = 1,可分析出不管觸發(fā)器原來處于什么狀態(tài)，一個(gè)時(shí)鐘脈沖來到后，輸出一定是 0 態(tài)。,主從型觸發(fā)器具有在CP 從 1 下跳為 0 時(shí)翻轉(zhuǎn)的特點(diǎn)，也就是具有在時(shí)鐘脈沖下降沿觸發(fā)的特點(diǎn)。,JK 觸發(fā)器波形圖,14.1.3D 觸發(fā)器,總之，輸出端 Q 的狀態(tài)和該脈沖來到之前輸入端 D 的狀態(tài)一致。即,可以將

8、 JK 觸發(fā)器轉(zhuǎn)換為D 觸發(fā)器，如右圖所示。,當(dāng) D = 1，即 J = 1，K = 0 時(shí)，在 CP 的下降沿觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)為(或保持) 1 態(tài)；,當(dāng) D = 0，即 J = 0，K = 1 時(shí)，在 CP 的下降沿觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)為(或保持)0 態(tài)。,數(shù)據(jù)觸發(fā)器,D 觸發(fā)器的邏輯狀態(tài)表,國內(nèi)生產(chǎn)的 D 觸發(fā)器主要是維持阻塞型，是在時(shí)鐘脈沖的上升沿觸發(fā)翻轉(zhuǎn)，圖形符號如下,D 觸發(fā)器上升沿波形圖,也可將 D 觸發(fā)器轉(zhuǎn)換為 T 觸發(fā)器，如下圖所示。,它的邏輯功能是每來一個(gè)時(shí)鐘脈沖，翻轉(zhuǎn)一次，即 ，具有計(jì)數(shù)功能。,14.2寄存器14.2.1數(shù)碼寄存器,寄存器用來暫時(shí)存放參與運(yùn)算的數(shù)據(jù)和運(yùn)算結(jié)果。,14.2.1

9、數(shù)碼寄存器,下圖是由可控RS觸發(fā)器(上升沿觸發(fā))組成的4位數(shù)碼寄存器，這是并行輸入/并行輸入的寄存器。工作之初要先清零。,4位數(shù)碼寄存器,14.2.2移位寄存器,移位寄存器不僅有存放數(shù)碼而且有移位的功能。所謂移位，就是每當(dāng)來一個(gè)移位正脈沖，觸發(fā)器的狀態(tài)便向右或向左移1位。,上圖是由JK 觸發(fā)器組成的4位移位寄存器。FF0接成D 觸發(fā)器，數(shù)碼由D 端輸入。設(shè)寄存的二進(jìn)制數(shù)為1011，按移位脈沖(即時(shí)鐘脈沖)從高位到低位依此串行送到D 端。經(jīng)過四個(gè)時(shí)鐘脈沖，數(shù)碼依次存入各觸發(fā)器。,FF3,FF2,FF1,FF0,移位寄存器狀態(tài)表,FF3,FF2,FF1,FF0,14.3計(jì)數(shù)器14.3.1二進(jìn)制計(jì)數(shù)

10、器,計(jì)數(shù)器能累計(jì)輸入脈沖的數(shù)目，可以進(jìn)行加法、減法或兩者兼有的計(jì)數(shù)。,可分為二進(jìn)制計(jì)數(shù)器、十進(jìn)制計(jì)數(shù)器及任意進(jìn)制計(jì)數(shù)器。,14.3.1二進(jìn)制計(jì)數(shù)器,4 位二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器的狀態(tài)表,1異步二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器,由二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器的狀態(tài)表可見：,(1) 每來一個(gè)時(shí)鐘脈沖，最低位觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)一次；,(2)高位觸發(fā)器在相鄰的低位觸發(fā)器從 1 變?yōu)?0 進(jìn)位時(shí)翻轉(zhuǎn)。,可用 4 個(gè)主從型 JK 觸發(fā)器來組成異步 4 位二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器。,由于計(jì)數(shù)脈沖不是同時(shí)加到各觸發(fā)器，它們狀態(tài)的變換有先有后，因而是異步計(jì)數(shù)器。,二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器的工作波形圖(以 3 位為例),2同步二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器,2同步二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器,如

11、果計(jì)數(shù)器仍由四個(gè)主從型 JK 觸發(fā)器組成，由二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器的狀態(tài)表可得出各位觸發(fā)器 J、K 端的邏輯關(guān)系式：,(1)第一位觸發(fā)器 FF0 ，每來一個(gè)時(shí)鐘脈沖就翻轉(zhuǎn)一次，故 J0 = K0 = 1 ；,(2) 第二位觸發(fā)器 FF1 ，在 Q0 = 1 時(shí)再來一個(gè)時(shí)鐘脈沖才翻轉(zhuǎn)，故 J1 = K1 = Q0 ；,(3)第三位觸發(fā)器 FF2 ，在 Q1 = Q0 = 1 時(shí)再來一個(gè)時(shí)鐘脈沖才 翻轉(zhuǎn)，故 J2 = K2 = Q1 Q0 ；,(4)第四位觸發(fā)器 FF3 ，在 Q2 = Q1 = Q0 = 1 時(shí)再來一個(gè)時(shí)鐘脈沖才翻轉(zhuǎn)，故 J3 = K3 = Q2 Q1 Q0 。,由上述邏輯關(guān)系可得出同

12、步二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器的邏輯圖。,14.3.2十進(jìn)制計(jì)數(shù)器,8421 碼十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器的狀態(tài)表,1同步十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器,與二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器比較，來第十個(gè)脈沖不是由 1001 變?yōu)?1010，而是恢復(fù) 0000。如果仍由四個(gè)主從型 JK 觸發(fā)器組成。J、K 端的邏輯關(guān)系式應(yīng)作如下修改：,(1)第一位觸發(fā)器 FF0 ，每來一個(gè)時(shí)鐘脈沖就翻轉(zhuǎn)一次，故 J0 = 1，K0 = 1 ；,(2)第二位觸發(fā)器 FF1 ，在Q0 = 1 時(shí)再來一個(gè)時(shí)鐘脈沖才翻轉(zhuǎn)，但在 Q3 = 1 時(shí)不得翻轉(zhuǎn)，故，K1 = Q0 ；,(3)第三位觸發(fā)器 FF2 ，在Q1 = Q0 = 1 時(shí)再來一個(gè)時(shí)鐘脈沖翻轉(zhuǎn)，故 J2 =

13、Q1 Q0，K2 = Q1 Q0 ；,(4)第四位觸發(fā)器 FF3 ，在 Q2 = Q1 = Q0 = 1 時(shí)再來一個(gè)時(shí)鐘脈沖才翻轉(zhuǎn)，當(dāng)來第十個(gè)脈沖時(shí)應(yīng)由 1 翻轉(zhuǎn)為 0，故 J3 = Q2 Q1 Q0 ， K3 = Q0 。,由上述邏輯關(guān)系可得出同步十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器的邏輯圖。,十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器的工作波形圖,2二 五 十進(jìn)制計(jì)數(shù)器,下面給出 CT74LS290 型二 五 十進(jìn)制計(jì)數(shù)器的邏輯圖、外引線排列圖和功能表。,它有兩個(gè)時(shí)鐘脈沖輸入端，輸入計(jì)數(shù)脈沖 CP0 和 CP1 。,R0(1) 和 R0(2) 是清零輸入端；,S9(1) 和 S9(2) 是置“9”輸入端。,CT74LS290型計(jì)數(shù)器的

14、邏輯圖,當(dāng) R0(1) 和 R0(2) 端全為 1時(shí)，將四個(gè)觸發(fā)器清零；當(dāng) S9(1) 和 S9(2) 端全為 1 時(shí)，Q3 Q2 Q1 Q0 = 1001，即表示十進(jìn)制數(shù) 9。,CT74LS290型計(jì)數(shù)器的功能表,使用說明,(1) 只輸入計(jì)數(shù)脈沖 CP0，由 Q0 輸出，為二進(jìn)制計(jì)數(shù)器。,(2)只輸入計(jì)數(shù)脈沖 CP1，由 Q3 、Q2 、Q1 輸出，為五進(jìn)制計(jì)數(shù)器。,(3)將 Q0 端與 CP1 端連接，即構(gòu)成 8421 碼十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。,利用其清零端進(jìn)行反饋置 0，可得出小于原進(jìn)制的多種進(jìn)制的計(jì)數(shù)器。,CT74LS290 型計(jì)數(shù)器外引線排列圖,它從 0000 開始計(jì)數(shù)，來五個(gè)計(jì)數(shù)脈沖后，變

15、為 0101，當(dāng)?shù)诹鶄€(gè)脈沖來得到后，出現(xiàn) 0110，,六進(jìn)制計(jì)數(shù)器,下圖為六進(jìn)制計(jì)數(shù)器的連接方法：,由于 Q2 和 Q1 端分別接到R0(2) 和 R0(1) 清零端，強(qiáng)迫清零，0110 這一狀態(tài)轉(zhuǎn)瞬即逝，顯示不出，立即回到 0000。,九進(jìn)制計(jì)數(shù)器,例 1數(shù)字鐘表中的分、秒計(jì)數(shù)器都是六十進(jìn)制，試用兩片 CT74LS290 型二 五 十進(jìn)制計(jì)數(shù)器連成六十進(jìn)制電路。,下圖為九進(jìn)制的連接方法,解六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器由兩位組成，個(gè)位(1)為十進(jìn)制，十位(2)為六進(jìn)制。個(gè)位的最高位 Q3 連到十位的 CP0 ，個(gè)位十進(jìn)制計(jì)數(shù)器經(jīng)過十個(gè)脈沖循環(huán)一次，每當(dāng)?shù)谑畟€(gè)脈沖來到后 Q3 由 1 變?yōu)?0，相當(dāng)于一個(gè)下降

16、沿，使 10 位六進(jìn)制計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。經(jīng)過六十個(gè)脈沖，個(gè)位和十位計(jì)數(shù)器都恢復(fù)為 0000。,Q3 Q2 Q1 Q0,S9(1) S9(2) R0(1) R0(2),C0 C1,個(gè)位(1),十位(2),14.4由 555 計(jì)時(shí)器組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和無穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器14.4.1555 定時(shí)器,14.4.1555 定時(shí)器,以 CB555 為例進(jìn)行分析，下面給出電路和外引線排列圖。,CB555 定時(shí)器含有兩個(gè)電壓比較器 C1 和 C2、一個(gè)基本 RS 觸發(fā)器、一個(gè)放電晶體管 T 以及由三個(gè) 5 k 的電阻組成的分壓器。,各外引線的功能：,1 為接“地”端。,2 為低電平觸發(fā)端。當(dāng) 2 端的輸入電壓高于時(shí)， C

17、2 的輸出為 1；當(dāng)輸入電壓低于時(shí)， C2 的輸出為 0， 使基本 RS 觸發(fā)器置 1。,3 為輸出端。輸出電流可達(dá) 200 mA，由此可直接驅(qū)動繼電器、發(fā)光二極管、揚(yáng)聲器、指示燈等。輸出高電壓約低于電源電壓 UCC 1 3 V。,4 為復(fù)位端，由此輸入負(fù)脈沖(或使其電位低于 0.7 V)可使觸發(fā)器直接復(fù)位(置 0)。,5 是電壓控制端，在此端可外加一電壓以改變比較器的參考電壓。不用時(shí)，經(jīng) 0.01 F 的電容接“地”，以防止干擾的引入。,6 為高電平觸發(fā)端。當(dāng) 6 端的輸入電壓低于時(shí)， C1 的輸出為 1；當(dāng)輸入電壓高于時(shí)， C1 的輸出為 0， 使基本 RS 觸發(fā)器置 0。,7 為放電端，

18、當(dāng)觸發(fā)器的端為 1 時(shí)，放電晶體管 T 導(dǎo)通，外接電容元件通過 T 放電。,8 為電源端，外加電壓范圍為 5 18 V。,14.4.2由 555 定時(shí)器組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器,觸發(fā)脈沖由 2 端輸入,1,單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路圖,RC 為外接元件,6 端 7 端連在一起接 C,5 端接一小電容防干擾,工作原理如下,1穩(wěn)定狀態(tài) (0 t1),在 t1 以前，觸發(fā)脈沖尚未輸入， uI 為 1，其值于， 比較器 C2 的輸出為 1。若觸發(fā)器的原狀態(tài)， 則晶體管 T 飽和導(dǎo)通，uC 0.3 V，故 C1 的輸出也為 1，觸發(fā)器的狀態(tài)保持不變。,1穩(wěn)定狀態(tài) (0 t1),若，則 T 截止， +UCC 通過 R 對

19、 C 充電 ， 當(dāng) uC 上升略高于時(shí)，比較器 C1 的輸出為 0，使觸發(fā)器 翻轉(zhuǎn)為。,結(jié)論：在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，Q = 0，即輸出電壓 uO 為 0，見波形圖。,2暫穩(wěn)態(tài)(t1 t2),波形圖,uI,在 t1 時(shí)刻，輸入觸發(fā)負(fù)脈沖，其幅度低于，故 C2 的輸出為 0，,將觸發(fā)器置 1，uO 由 0 變?yōu)?1，電路進(jìn)入暫穩(wěn)態(tài)。這時(shí)因，放電管 T 截止， 電源又對 C 充電，當(dāng) uC 上升略高于時(shí)(在 t3 時(shí)刻)， C1 的輸出為 0，從而使觸發(fā)器自動翻轉(zhuǎn)到 Q = 0 的穩(wěn)定狀態(tài)。此后電容 C 迅速放電。,uI,輸出 uO 為矩形脈沖，其寬度為(暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)時(shí)間 tP),tP = RCln3 = 1

20、.1RC,單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器常用于脈沖整形和定時(shí)控制等方面。,多諧振蕩器也稱無穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，它沒有穩(wěn)定狀態(tài)，同時(shí)毋須外加觸發(fā)脈沖，就能輸出一定頻率的矩形脈沖(自激振蕩)。,14.4.3由555定時(shí)器組成的多諧振蕩器,下圖是由 CB555 定時(shí)器組成的多諧振蕩器。R1、R2 和 C 是外接元件。,接通電源 UCC后，它經(jīng) R1 和 R2對電容 C 充電,當(dāng) uC 上升略高于 比較器 C1 的輸出為 0，將觸發(fā)器置 0，則 uO 為 0,這時(shí) ，放電管 T 導(dǎo)通，電容 C 通過 R2 和 T 放電，uC 下降。,當(dāng) uC下降，略低于 時(shí)，比較器 C2 的輸出為 0，將觸發(fā)器置 1，uO 又由 0 變?yōu)?1。,由于，放電管 T 截止，UCC 又經(jīng) R1 和 R2 對電容 C 充電。如此重復(fù)上述過程，uO 為連續(xù)的矩形波。,第一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)的脈沖寬度 tP1 ，即電容 C 充電的時(shí)間：,tP1 (R1 + R2)Cln2 = 0.7(R1 + R2)C,第二個(gè)暫穩(wěn)態(tài)的脈沖寬度 tP2 ，即電容 C 放電的時(shí)間：,tP2 R2C ln2 = 0.7R2C,振蕩周期,T = tP1 + tP2 = 0.7(R1 + 2R2)C,*14.5舉例應(yīng)用14.5.1數(shù)字鐘,14.5.1數(shù)字鐘,原理電路由三部分組成。,1標(biāo)準(zhǔn)秒脈沖發(fā)生電路,這部分電路由石英晶體 振蕩器和六級十分頻