電路的基本定律和分析方法

第11章

觸發(fā)器和時(shí)序邏輯電路11.1觸發(fā)器觸發(fā)器是構(gòu)成時(shí)序邏輯電路的基本邏輯部件。

它有兩個(gè)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(hào)消失后，所置成的狀態(tài)能夠保持不變。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。11.1.1基本RS觸發(fā)器1）電路組成和邏輯符號(hào)2）邏輯功能在信號(hào)輸出端，的狀態(tài)稱為0狀態(tài)，的狀態(tài)稱為1狀態(tài)；在信號(hào)輸入端，低電平有效。

（1）

、

時(shí)：由于

，不論原來(lái)Q為0還是1，都有

；再由

、

可得Q＝0。即不論觸發(fā)器原來(lái)處于什么狀態(tài)都將變成0狀態(tài)，這種情況稱將觸發(fā)器置0或復(fù)位。

端稱為觸發(fā)器的置0端或復(fù)位端。（2）

、

時(shí)：由于

，不論原來(lái)

為0還是1，都有Q=1；再由

、Q=1可得

。即不論觸發(fā)器原來(lái)處于什么狀態(tài)都將變成1狀態(tài)，這種情況稱將觸發(fā)器置1或置位。

端稱為觸發(fā)器的置1端或置位端。（3）

、時(shí)：根據(jù)與非門的邏輯功能知，觸發(fā)器保持原有狀態(tài)不變，即原來(lái)的狀態(tài)被觸發(fā)器存儲(chǔ)起來(lái)，說(shuō)明觸發(fā)器具有記憶能力。（4）

、

時(shí)：，不符合觸發(fā)器的邏輯關(guān)系。并且由于與非門延遲時(shí)間不可能完全相等，在兩輸入端的0同時(shí)撤除后，將不能確定觸發(fā)器是處于1狀態(tài)還是0狀態(tài)。所以觸發(fā)器不允許出現(xiàn)這種情況，這就是基本RS觸發(fā)器的約束條件。工作原理4）特性表

功能000001禁用禁用不允許01001111置110010100置011011101保持5）特性方程6）工作波形11.1.2同步RS觸發(fā)器1）電路結(jié)構(gòu)和邏輯符號(hào)2）邏輯功能CP＝0時(shí)，R=S=1，觸發(fā)器保持原來(lái)狀態(tài)不變。CP＝1時(shí)，工作情況與基本RS觸發(fā)器相同。3）特性表CPR

S

QnQn+1

功能0

×

×

×Qn

保持100

0100

101

保持101

01

01111

置11100110

100

置0111

01111不用不用

不允許4）特性方程（CP=1期間有效）5）工作波形6）同步RS觸發(fā)器的主要特點(diǎn)（1）時(shí)鐘電平控制。在CP＝1期間接收輸入信號(hào)，CP＝0時(shí)狀態(tài)保持不變，與基本RS觸發(fā)器相比，對(duì)觸發(fā)器狀態(tài)的轉(zhuǎn)變?cè)黾恿藭r(shí)間控制。（2）R、S之間有約束。不能允許出現(xiàn)R和S同時(shí)為1的情況，否則會(huì)使觸發(fā)器處于不確定的狀態(tài)。11.1.3同步JK觸發(fā)器1）電路結(jié)構(gòu)、邏輯符號(hào)2）功能描述當(dāng)CP=0時(shí)，J、K變化對(duì)G3、G4門輸出沒(méi)有影響，始終為1，觸發(fā)器處于保持狀態(tài)。當(dāng)CP=1時(shí)，JK組合為00時(shí)，狀態(tài)不變；JK組合為01時(shí)，置0；JK組合為10時(shí)，置1；JK組合為11時(shí)，翻轉(zhuǎn)。3）特性表JK=00時(shí)不變JK=01時(shí)置0JK=10時(shí)置1JK=11時(shí)翻轉(zhuǎn)4）特性方程CP=1期間有效5）波形圖11.1.4同步D觸發(fā)器1）電路結(jié)構(gòu)和邏輯符號(hào)2）功能描述CP=1期間有效3）特性表4）特性方程（CP=1期間有效）5）波形圖11.2時(shí)序邏輯電路11.2.1概述1.時(shí)序邏輯電路的特點(diǎn)任何時(shí)刻電路的輸出不僅與該時(shí)刻的輸入信號(hào)有關(guān)，而且還與電路原來(lái)的狀態(tài)有關(guān)。2.時(shí)序電路邏輯功能的表示方法時(shí)序電路的邏輯功能可用邏輯表達(dá)式、狀態(tài)表、卡諾圖、狀態(tài)圖、時(shí)序圖和邏輯圖6種方式表示，這些表示方法在本質(zhì)上是相同的，可以互相轉(zhuǎn)換。3.時(shí)序電路的分類（1）根據(jù)時(shí)鐘分類同步時(shí)序電路中，各個(gè)觸發(fā)器的時(shí)鐘脈沖相同，即電路中有一個(gè)統(tǒng)一的時(shí)鐘脈沖，每來(lái)一個(gè)時(shí)鐘脈沖，電路的狀態(tài)只改變一次。異步時(shí)序電路中，各個(gè)觸發(fā)器的時(shí)鐘脈沖不同，即電路中沒(méi)有統(tǒng)一的時(shí)鐘脈沖來(lái)控制電路狀態(tài)的變化，電路狀態(tài)改變時(shí)，電路中要更新?tīng)顟B(tài)的觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)有先有后，是異步進(jìn)行的。（2）根據(jù)輸出分類米利型時(shí)序電路的輸出不僅與現(xiàn)態(tài)有關(guān)，而且還決定于電路當(dāng)前的輸入。穆?tīng)栃蜁r(shí)序電路的其輸出僅決定于電路的現(xiàn)態(tài)，與電路當(dāng)前的輸入無(wú)關(guān)；或者根本就不存在獨(dú)立設(shè)置的輸出，而以電路的狀態(tài)直接作為輸出。時(shí)序邏輯電路的分析方法電路圖時(shí)鐘方程、驅(qū)動(dòng)方程和輸出方程狀態(tài)方程狀態(tài)圖、狀態(tài)表或時(shí)序圖判斷電路邏輯功能1235時(shí)序電路的分析步驟：計(jì)算411.2.2寄存器在數(shù)字電路中，用來(lái)存放二進(jìn)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(chǔ)功能的觸發(fā)器組合起來(lái)構(gòu)成的。一個(gè)觸發(fā)器可以存儲(chǔ)1位二進(jìn)制代碼，存放n位二進(jìn)制代碼的寄存器，需用n個(gè)觸發(fā)器來(lái)構(gòu)成。按照功能的不同，可將寄存器分為基本寄存器和移位寄存器兩大類?；炯拇嫫髦荒懿⑿兴腿霐?shù)據(jù)，需要時(shí)也只能并行輸出。移位寄存器中的數(shù)據(jù)可以在移位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。1.寄存器1）四位集成寄存器74LS175的結(jié)構(gòu)2）四位集成寄存器的邏輯功能（1）清零。CR=0，異步清零。即有：3）四位集成寄存器74LS175的功能表輸入輸出0××011↑1101↑00110×（2）并行數(shù)據(jù)輸入/輸出（3）保持。在CR=1、CP上升沿以外時(shí)間，寄存器內(nèi)容將保持不變。2.移位寄存器1）單向移位寄存器并行輸出4位右移移位寄存器時(shí)鐘方程：驅(qū)動(dòng)方程：狀態(tài)方程：?jiǎn)蜗蛞莆患拇嫫骶哂幸韵轮饕攸c(diǎn)：（1）單向移位寄存器中的數(shù)碼，在CP脈沖操作下，可以依次右移或左移。（2）n位單向移位寄存器可以寄存n位二進(jìn)制代碼。n個(gè)CP脈沖即可完成串行輸入工作，此后可從Q0～Qn-1端獲得并行的n位二進(jìn)制數(shù)碼，再用n個(gè)CP脈沖又可實(shí)現(xiàn)串行輸出操作。（3）若串行輸入端狀態(tài)為0，則n個(gè)CP脈沖后，寄存器便被清零。2）雙向移位寄存器M=0時(shí)右移M=1時(shí)左移3）集成雙向移位寄存器74LS1943.寄存器的應(yīng)用1）環(huán)形計(jì)數(shù)器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)即將FFn-1的輸出Qn-1接到FF0的輸入端D0。工作原理根據(jù)起始狀態(tài)設(shè)置的不同，在輸入計(jì)數(shù)脈沖CP的作用下，環(huán)形計(jì)數(shù)器的有效狀態(tài)可以循環(huán)移位一個(gè)1，也可以循環(huán)移位一個(gè)0。即當(dāng)連續(xù)輸入CP脈沖時(shí)，環(huán)形計(jì)數(shù)器中各個(gè)觸發(fā)器的Q端或端，將輪流地出現(xiàn)矩形脈沖。能自啟動(dòng)的4位環(huán)形計(jì)數(shù)器狀態(tài)圖2）扭環(huán)形計(jì)數(shù)器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)狀態(tài)圖即將FFn-1的輸出Qn-1接到FF0的輸入端D0。能自啟動(dòng)的4位扭環(huán)形計(jì)數(shù)器11.2.3計(jì)數(shù)器在數(shù)字電路中，能夠記憶輸入脈沖個(gè)數(shù)的電路稱為計(jì)數(shù)器。計(jì)數(shù)器二進(jìn)制計(jì)數(shù)器十進(jìn)制計(jì)數(shù)器N進(jìn)制計(jì)數(shù)器加法計(jì)數(shù)器同步計(jì)數(shù)器異步計(jì)數(shù)器減法計(jì)數(shù)器可逆計(jì)數(shù)器加法計(jì)數(shù)器減法計(jì)數(shù)器可逆計(jì)數(shù)器二進(jìn)制計(jì)數(shù)器十進(jìn)制計(jì)數(shù)器N進(jìn)制計(jì)數(shù)器······1.二進(jìn)制異步計(jì)數(shù)器1）二進(jìn)制異步加法計(jì)數(shù)器驅(qū)動(dòng)方程：

狀態(tài)方程：[[CP↑]二進(jìn)制異步加法計(jì)數(shù)器的狀態(tài)表計(jì)數(shù)脈沖Q3Q2Q1Q0十進(jìn)制數(shù)0000001000112001023001134010045010156011067011178100089100191010101011101111121100121311011314111014151111151600000二進(jìn)制異步加法計(jì)數(shù)器的時(shí)序圖Q0，Q1，Q2，Q3的周期分別是計(jì)數(shù)脈沖（CP）周期的2倍，4倍，8倍，16倍，也就是說(shuō)Q0，Q1，Q2，Q3分別對(duì)CP波形進(jìn)行了二分頻，四分頻，八分頻，十六分頻，因而計(jì)數(shù)器也可作為分頻器。2.二進(jìn)制同步計(jì)數(shù)器驅(qū)動(dòng)方程2）二進(jìn)制同步加法計(jì)數(shù)器的狀態(tài)表CP的順序Q3Q2Q1Q0十進(jìn)制數(shù)00000010001120010230011340100450101560110670111781000891001910101010111011111211001213110113141110141511111516000003）二進(jìn)制同步加法計(jì)數(shù)器的時(shí)序圖3.十進(jìn)制計(jì)數(shù)器1）同步十進(jìn)制計(jì)數(shù)器的結(jié)構(gòu)與工作原理（1）第一位觸發(fā)器F0，每來(lái)一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖就翻轉(zhuǎn)一次，故J0=K0=1；（2）第二位觸發(fā)器F1，在Q0=1時(shí)再來(lái)一個(gè)脈沖翻轉(zhuǎn)，而在Q3=1時(shí)不得翻轉(zhuǎn)，故J1=，K1=Q0；（3）第三位觸發(fā)器F2，在Q1=Q0=1時(shí)再來(lái)一個(gè)脈沖翻轉(zhuǎn)，故J2=K2=Q1Q0；（4）第四位觸發(fā)器F3，在Q2=Q1=Q0=1時(shí)，再來(lái)一個(gè)時(shí)鐘翻轉(zhuǎn)，并來(lái)第十個(gè)脈沖時(shí)由1翻轉(zhuǎn)為0，故J3=Q2Q1Q0，K3=Q0。

2）同步十進(jìn)制計(jì)數(shù)器的狀態(tài)表計(jì)數(shù)脈沖Q3Q2Q1Q0十進(jìn)制數(shù)000000100011200102300113401004501015601106701117810008910019100000進(jìn)位3）十進(jìn)制計(jì)數(shù)器的時(shí)序圖本章小結(jié)1.觸發(fā)器是數(shù)字電路的極其重要的基本單元。觸發(fā)器有兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，在外界信號(hào)作用下，可以從一個(gè)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€(gè)穩(wěn)態(tài)；無(wú)外界信號(hào)作用時(shí)狀態(tài)保持不變。因此，觸發(fā)器可以作為二進(jìn)制存儲(chǔ)單元使用。觸發(fā)器的邏輯功能可以用真值表、卡諾圖、特性方程、狀態(tài)圖和波形圖等五種方式來(lái)描述。2.觸發(fā)器的特性方程是表示其邏輯功能的重要的邏輯函數(shù)，在分析和設(shè)計(jì)時(shí)序電路時(shí)，常用來(lái)作為判斷電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換的依據(jù)。各種不同邏輯功能觸發(fā)器的特性方程為3.同一種功能的觸發(fā)器，可以用不同的電路結(jié)構(gòu)形式來(lái)實(shí)現(xiàn)；反過(guò)來(lái)，同一種電路結(jié)構(gòu)形式，可以構(gòu)成具有不同功能的各種類型觸發(fā)器。輸入信號(hào)是雙端的觸發(fā)器，以JK觸發(fā)器的邏輯功能最為完善；輸入信號(hào)是單端的觸發(fā)器，使用最方便的是D觸發(fā)器。RS