工学电工电子学魏红张畅.pptx

第13章触发器和时序逻辑电路电工电子学1131 触发器 在复杂的数字电路中，要连续进行各种复杂的运算和控制，就必须将曾经输入过的信号以及运算的结果暂时保存起来，以便与新的输入信号进一步运算，共同确定电路新的输出状态。这就要求数字电路中必须包含具有记忆功能的电路单元，触发器就是具有记忆功能的基本单元。触发器的功能特点为：有两个互补的输出端，具有两个稳定的状态即0状态和1状态，能存储一位二进制信息；如果外加输入信号为有效电平，触发器将发生状态转换，即可以从一种稳定状态翻转到另一种稳定状态；当输入信号有效电平消失后，触发器保持状态不变，因此说触发器具有记忆功能。2触发器的种类很多，通常按照两个标准进行分类，一是从逻辑功能上分类，有触发器、触发器、D触发器和T触发器等；二是从结构上分类，有基本触发器、同步触发器、主从触发器和边沿触发器。313.1.1 基本 RS 触发器基本RS触发器可以由两个与非门组成，其逻辑电路和电路符号如图13.1.1所示。它是各种触发器电路结构形式中最简单的一种，同时它又是组成其它类型触发器的基础。（a）逻辑电路图（b）逻辑符号图13.1.1由与非门组成的基本触发器4由基本触发器的电路可得（13.1.1）（13.1.2）基本RS触发器的功能真值表如表13.1.1所示。5根据功能真值表可得基本触发器的特性方程为（13.1.3）基本RS触发器的状态也可用时序图表示，下面通过一道例题说明波形图的画法。【例13.1.1】基本RS触发器输入信号波形如图13.1.2所示，画出输出和端的波形。解：根据基本触发器的功能真值表，画出如下波形图。图中阴影部分表示状态不定。6利用基本RS触发器可以组成一些实际应用电路。如用基本RS触发器和与非门组成数码寄存器。数码寄存器是用来存放数码的部件，触发器是具有记忆功能的单元电路，可存储一位二进制码，若要存储多位二进制码，可用多个触发器完成，由四个基本RS触发器和与非门组成的四位二进制数码寄存器如图13.1.3所示。78数字电路中的脉冲信号的产生通常是利用接通机械开关产生的，由于机械开关触点的金属片有弹性，所以接通开关时触点常发生抖动使产生的电压或电流波形产生毛刺，如图13.1.4所示，影响脉冲信号的质量。在电子电路中，一般不允许出现这种现象，因为这种干扰信号会导致电路工作出错。9利用基本RS触发器消除机械开关振动影响的电路如图13.1.5所示。1011.1.2 钟控触发器基本RS触发器的状态无法从时间上加以控制，只要输入端有触发信号，触发器就立即作相应的状态变化。而在实际的数字系统中，往往是由多个触发器组成，这时常常需要各个触发器按一定的节拍同步工作，因此必须给电路加上一个统一的控制信号，用以协调各触发器的同步翻转，这个统一的控制信号叫做时钟脉冲CP。用CP作控制信号的触发器称为钟控触发器。111.同步RS触发器同步触发器按逻辑功能可分为RS、JK、D、T触发器等。同步触发器的逻辑电路和逻辑符号如图13.1.6所示。12同步RS触发器的功能真值表如表13.1.2所示。根据功能真值表可得同步RS触发器的特性方程为（13.1.4）132.主从触发器主从触发器有主从RS触发器、主从JK触发器、主从T触发器等。主从JK触发器的逻辑电路和逻辑符号如图13.1.9所示。14主从JK触发器具有保持功能、置0功能、置1功能和翻转功能，JK触发器功能齐全，故称为全功能触发器。主从JK触发器的功能真值表如表13.1.3所示。根据功能真值表可得主从触发器的特性方程为（13.1.7）153.边沿触发器主从触发器虽然解决了触发器的空翻现象，但存在一次变化现象，为提高触发器的可靠性，增强抗干扰能力，引出了边沿触发器。边沿触发器是指只在CP脉冲上升沿或下降沿时刻，触发器才依据该时刻的输入决定其次态。而在CP=0和CP=1期间，输入信号的任何变化都不会引起触发器状态的变化，从而大大提高了触发器的抗干扰能力。16边沿触发器的电路形式有多种，如维持阻塞型边沿触发器和利用传输延迟的边沿触发器，它们的边沿触发或控制的特点是相同的。维持阻塞D触发器的逻辑符号如图13.1.11所示，功能真值表如表13.1.4所示。维持阻塞D触发器的特性方程为（13.1.8）17JK触发器的特性方程为T触发器的特性方程为（13.1.9）比较两式可得，即把JK触发器的J、K输入端联结并用T表示，则构成了T触发器。转换电路如图13.1.15所示。触发器逻辑符号如图13.1.16所示。1813.2 时序逻辑电路时序逻辑电路在任一时刻的输出不仅取决于该时刻电路的输入，而且还与电路原来状态有关，可见时序逻辑电路具有记忆功能。按照时序逻辑电路中所有触发器状态的变化是否同步，时序逻辑电路可分为同步时序逻辑电路和异步时序逻辑电路。若电路中所有触发器的控制信号CP都是使用的同一个时钟脉冲，称为同步时序逻辑电路；否则，称为异步时序逻辑电路。1913.2.1 时序逻辑电路的分析时序逻辑电路分析步骤为u根据电路，写出每个触发器的驱动方程（即触发器输入端逻辑函数表达式）电路的输出方程、每个触发器的时钟方程（即CP脉冲逻辑函数表达式），如果是同步时序逻辑电路则可不写时钟方程。u将各触发器的驱动方程代入相应触发器的特性方程，得到各触发器的状态方程（即各触发器次态的逻辑函数表达式）。u根据状态方程和输出方程，列出逻辑状态转换真值表或画出状态转换图或画出时序波形图，以直观地反映该时序逻辑电路的状态变化规律。u若电路存在着无效状态（即电路未使用的状态），应检查电路能否自启动。u文字叙述该时序逻辑电路的逻辑功能。2013.2.2 寄存器能够暂时存放一组二进制数码的时序逻辑电路称为寄存器。寄存器是由触发器和门电路组成的，一个触发器就是一个能存放1位二进制数码的寄存器，存放n位二进制数码就需要n个触发器，从而构成n位寄存器。寄存器按功能特点分为数码寄存器（也称基本寄存器）和移位寄存器。1.数码寄存器数码寄存器可以接收、暂存和传递数码。它是在时钟脉冲（接收脉冲）作用下，将数据存入对应的触发器。下面以4位集成数码寄存器74LS175为例介绍。212.移位寄存器移位寄存器除具有寄存数码的功能外还具有移位的功能。移位功能是指在移位脉冲作用下使寄存器所存放的数码向左或向右逐位移动。通过对数码的移位，可以实现数据的串行并行的相互转换、数值的运算及数据处理等。2213.2.3 计数器数字电路中使用最多的时序逻辑电路就是计数器。计数器的应用十分广泛，不仅能用于记录时钟脉冲的个数，还可用于分频、定时、产生节拍脉冲和脉冲序列等，并且利用计数器可以实现其它一些时序逻辑电路。计数器种类很多，按计数脉冲输入方式可分为同步计数器和异步计数器；按计数的进制可分为二进制计数器、十进制计数器和任意进制计数器；按计数器中数值增减趋势不同可分为加法计数器、减法计数器和可逆计数器。231.二进制计数器图13.2.7是由三个JK触发器组成的同步三位二进制加法计数器，输出C为进位信号。24该计数器的状态转换表如表13.2.5所示。25该三位二进制加法计数器的时序波形图如图13.2.8所示。262.十进制计数器在十进制计数器中，广泛采用的是用四位二进制数表示一位十进制数，即用四位二进制计数器构成一位十进制计数器，通常也称这种计数器为二十进制计数器，其中使用最多的是8421BCD码十进制计数器。与二进制计数器一样，十进制计数器也分为同步十进制加法计数器、减法计数器、可逆计数器。273.中规模集成计数器中规模集成计数器种类较多、功能较完善并且可扩展。常用的集成计数器如四位二进制计数器74LS161、74LS163、74LS191、74LS193等，十进制计数器74LS160、74LS162、74LS190、74LS192、74LS290等。现以74LS161为例，介绍其功能特点及其应用。74LS161为集成四位同步二进制加法计数器，其引脚图和逻辑符号如图13.2.12所示。2813.3 555集成定时器及其应用13.3.1 555集成定时器555集成定时器是一种模拟电路和数字电路相结合的中规模集成电路，该电路功能灵活，适用范围广。只要在外部配上少量的阻容元件，就可以很方便地构成单稳态触发器、多谐振荡器和施密特触发器等电路，在波形的产生与变换、测量与控制、家用电器、电子玩具等领域得到广泛应用。555定时器根据内部器件类型可分为双极型和单极型，均有单或双定时器集成电路。双极型型号为555（单）和556（双），电源电压使用范围为515V，输出电流可达200mA，可直接驱动继电器、发光二极管、扬声器、指示灯等；单极型型号为7555（单）和7556（双），电源电压使用范围为318V，但输出电流仅1mA。291.电路结构302.基本功能 表13.3.1所示是555定时器的功能表，它全面反映了555定时器的基本功能，该表是后面分析555定时器各种应用电路的重要理论依据。31 13.3.2 555集成定时器的应用1.555定时器构成单稳态触发器单稳态触发器是一种常用的脉冲整形电路。与一般双稳态触发器的不同点在于：它只有一个稳态，另外有一个暂稳态。暂稳态是一种不能长久保持的状态，这时电路的电压和电流会随着电容器的充电与放电发生变化，而稳态时它们是不变的。在单稳态触发器中，没有外加信号的触发，电路始终处于稳态；在外加触发信号作用下，电路能从稳态翻转到暂稳态，经过一段时间后，又能自动返回到稳态。暂稳态持续时间的长短取决于电路自身参数，与外触发信号无关。322.555定时器构成多谐振荡器多谐振荡器又称矩形波发生器，由于矩形波中除基波外，包含了许多高次谐波，因此这类振荡器被称为多谐振荡器。多谐振荡器是一种无稳态电路，在接通电源后，不需要外加触发信号，电路在两个暂稳态之间作交替变化，产生矩形波输出。33