《電工電子》課件項(xiàng)目六 時(shí)序邏輯電路的設(shè)計(jì)

項(xiàng)目六

時(shí)序邏輯電路的設(shè)計(jì)《電工電子技術(shù)項(xiàng)目化教程》任務(wù)目標(biāo)學(xué)習(xí)目標(biāo)：掌握基本RS觸發(fā)器的電路結(jié)構(gòu)、特性方程、功能表；同步RS觸發(fā)器的電路結(jié)構(gòu)、特性方程、功能表；主從RS觸發(fā)器的電路結(jié)構(gòu)、特性方程、功能表；主從JK觸發(fā)器的電路結(jié)構(gòu)、特性方程、功能表能力目標(biāo)：利用觸發(fā)器設(shè)計(jì)搶答器電路任務(wù)分析通過對(duì)不同邏輯功能的觸發(fā)器的電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，掌握基本RS觸發(fā)器、同步RS觸發(fā)器、主從RS觸發(fā)器、主從JK觸發(fā)器的特性方程、功能表。會(huì)利用觸發(fā)器設(shè)計(jì)基本的時(shí)序邏輯電路。任務(wù)6.1搶答器電路的設(shè)計(jì)6.1.1觸發(fā)器有關(guān)概念1.觸發(fā)器定義觸發(fā)器是指有一個(gè)或多個(gè)輸入，兩個(gè)互補(bǔ)的輸出（Q，），能夠存儲(chǔ)一位二進(jìn)制代碼的基本單元電路。通常用Q端的狀態(tài)代表觸發(fā)器的狀態(tài)。2.觸發(fā)器特點(diǎn)。1.有兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)（簡(jiǎn)稱穩(wěn)態(tài)），可用來表示邏輯0和1。2.在輸入信號(hào)作用下，觸發(fā)器的兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)可相互轉(zhuǎn)換（稱為狀態(tài)的翻轉(zhuǎn)）。輸入信號(hào)消失后，新狀態(tài)可長(zhǎng)期保持下來，因此具有記憶功能，可存儲(chǔ)二進(jìn)制信息。3觸發(fā)器分類：1.根據(jù)功能分為：RS觸發(fā)器、JK觸發(fā)器、D觸發(fā)器、T觸發(fā)器、T￠觸發(fā)器2.根據(jù)電路結(jié)構(gòu)不同分為基本RS觸發(fā)器、同步觸發(fā)器、主從觸發(fā)器、邊沿觸發(fā)器3.根據(jù)觸發(fā)方式不同分為電平觸發(fā)器、邊沿觸發(fā)器、主從觸發(fā)器。4觸發(fā)器邏輯功能的描述方法主要有特性表、特性方程、驅(qū)動(dòng)表（又稱激勵(lì)表）、狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖和波形圖（又稱時(shí)序圖）等5觸發(fā)器的作用1.觸發(fā)器和門電路是構(gòu)成數(shù)字電路的基本單元。觸發(fā)器有記憶功能，由它構(gòu)成的電路在某時(shí)刻的輸出不僅取決于該時(shí)刻的輸入，還與電路原來狀態(tài)有關(guān)。2.門電路無記憶功能，由它構(gòu)成的電路在某時(shí)刻的輸出完全取決于該時(shí)刻的輸入，與電路原來狀態(tài)無關(guān)。6觸發(fā)器的類型按邏輯功能不同分為:RS觸發(fā)器、D觸發(fā)器、JK觸發(fā)器、T觸發(fā)器。按觸發(fā)方式不同分為:電平觸發(fā)器、邊沿觸發(fā)器和主從觸發(fā)器。按電路結(jié)構(gòu)不同分為:基本RS觸發(fā)器和鐘控觸發(fā)器。按存儲(chǔ)數(shù)據(jù)原理不同分為:靜態(tài)觸發(fā)器和動(dòng)態(tài)觸發(fā)器。按構(gòu)成觸發(fā)器的基本器件不同分為:雙極型觸發(fā)器和MOS型觸發(fā)器。7觸發(fā)器邏輯功能的描述方法主要有特性表、特性方程、驅(qū)動(dòng)表(又稱激勵(lì)表)、狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖和波形圖又稱時(shí)序圖)等。6.1.2觸發(fā)器的電路結(jié)構(gòu)形式1基本RS觸發(fā)器1.電路組成與邏輯符號(hào)見圖11-1所示。圖11-1電路組成與邏輯符號(hào)它有兩個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)：0狀態(tài)和1狀態(tài)；信號(hào)輸出端，Q=0、Q=1的狀態(tài)稱0狀態(tài)，Q=1、Q=0的狀態(tài)稱1狀態(tài)。輸入端的取反符號(hào)代表與非門低電平有效。S和R為輸入端。2.真值表基本RS觸發(fā)器的真值表見表11.14.狀態(tài)圖描述觸發(fā)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系及轉(zhuǎn)換條件的圖形稱為狀態(tài)圖(見圖11-2）。5.時(shí)序圖反映觸發(fā)器輸入信號(hào)取值和狀態(tài)之間對(duì)應(yīng)關(guān)系的圖形稱為波形圖。2同步RS觸發(fā)器實(shí)際工作中，觸發(fā)器的工作狀態(tài)不僅要由觸發(fā)輸入信號(hào)決定，而且要求按照一定的節(jié)拍工作。為此，需要增加一個(gè)時(shí)鐘控制端CP（具體電路圖11-3）。CP即ClockPulse，它是一串周期和脈寬一定的矩形脈沖。具有時(shí)鐘脈沖控制的觸發(fā)器稱為時(shí)鐘觸發(fā)器，又稱鐘控觸發(fā)器。同步觸發(fā)器是其中最簡(jiǎn)單的一種，而基本RS觸發(fā)器稱異步觸發(fā)器。1.電路結(jié)構(gòu)與工作原理CP=0時(shí)，G3、G4被封鎖，輸入信號(hào)R、S不起作用?；綬S觸發(fā)器的輸入均為1，觸發(fā)器狀態(tài)保持不變。CP=1時(shí)，G3、G4解除封鎖，將輸入信號(hào)R和S取非后送至基本RS觸發(fā)器的輸入端。2.邏輯功能與邏輯符號(hào)同步RS觸發(fā)器的邏輯功能與邏輯符號(hào)（見圖11-4）。異步置0端RD和異步置1端SD不受CP控制。實(shí)際應(yīng)用中，常需要利用異步端預(yù)置觸發(fā)器值(置0或置1)，預(yù)置完畢后應(yīng)使RD=SD=1。3.同步觸發(fā)器存在的問題——空翻（如圖11-5所示）由于在CP=1期間，G3、G4門都是開著的，都能接收R、S信號(hào)，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)。3

主從RS觸發(fā)器1.主從RS觸發(fā)器電路、符號(hào)和工作原理（見圖11-6）主從RS觸發(fā)器工作原理CP=1期間，主觸發(fā)器接受輸入信號(hào)，從觸發(fā)器被封鎖，使主從RS觸發(fā)器狀態(tài)保持不變。CP到達(dá)時(shí)，CP=0，CP=1。主觸發(fā)器被封鎖，并保持CP到達(dá)之前的狀態(tài)不變。這時(shí)從觸發(fā)器工作，S從=Q主，R從=Q主，因此Q主=0時(shí)，Q從置0；Q主=1時(shí)，Q從置1，即Q從=Q主，從觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)到與主觸發(fā)器相同的狀態(tài)。CP=0期間，主觸發(fā)器被封鎖，保持CP到達(dá)之前的狀態(tài)不變，Q從=Q主，因此，主從RS觸發(fā)器狀態(tài)保持不變。4主從JK觸發(fā)器1.電路結(jié)構(gòu)及符號(hào)將觸發(fā)器的兩個(gè)互補(bǔ)的輸出端信號(hào)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。圖11-7為主從JK觸發(fā)器的電路結(jié)構(gòu)和符號(hào)。主從JK觸發(fā)器3．工作波形分析例6-1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(shí)，應(yīng)注意以下兩點(diǎn)：（1）觸發(fā)器的觸發(fā)翻轉(zhuǎn)發(fā)生在時(shí)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(shí)鐘脈沖下降沿前一瞬間輸入端的狀態(tài)。經(jīng)過分析，得到最后的波形圖為圖11-8所示。4.主從觸發(fā)器的特點(diǎn)工作特點(diǎn)：CP=1期間，主觸發(fā)器接收輸入信號(hào)；CP=0期間，主觸發(fā)器保持CP下降沿之前狀態(tài)不變，而從觸發(fā)器接受主觸發(fā)器狀態(tài)。因此，主從觸發(fā)器的狀態(tài)只能在CP下降沿時(shí)刻翻轉(zhuǎn)。這種觸發(fā)方式稱為主從觸發(fā)式。圖11-8波形圖優(yōu)點(diǎn)：只能在CP邊沿時(shí)刻翻轉(zhuǎn)，因此克服了空翻，可靠性和抗干擾能力強(qiáng)，應(yīng)用范圍廣。任務(wù)目標(biāo)學(xué)習(xí)目標(biāo)：掌握時(shí)序邏輯電路特點(diǎn)、分析方法和設(shè)計(jì)方法。能力目標(biāo)：學(xué)習(xí)基本觸發(fā)器設(shè)計(jì)時(shí)序邏輯電路的方法任務(wù)分析通過對(duì)時(shí)序邏輯電路的分析和設(shè)計(jì)方法的掌握，利用觸發(fā)器設(shè)計(jì)一個(gè)7進(jìn)制計(jì)數(shù)器任務(wù)6.2基于觸發(fā)器的7進(jìn)制計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)6.2.1相關(guān)知識(shí)點(diǎn)1時(shí)序邏輯電路的結(jié)構(gòu)時(shí)序邏輯電路——任何一個(gè)時(shí)刻的輸出狀態(tài)不僅取決于當(dāng)時(shí)的輸入信號(hào)，還與電路的原狀態(tài)有關(guān)。2時(shí)序電路的特點(diǎn)具有兩個(gè)特點(diǎn)：含有記憶元件（最常用的是觸發(fā)器）、具有反饋通道。任務(wù)一

基于觸發(fā)器的7進(jìn)制計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)時(shí)序電路示意圖如圖12-1所示任務(wù)一

基于觸發(fā)器的7進(jìn)制計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)圖12-1時(shí)序電路示意圖6.2.2時(shí)序邏輯電路的分析方法1分析時(shí)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(shí)鐘方程。

2）時(shí)序電路的輸出方程。

3）各觸發(fā)器的驅(qū)動(dòng)方程。2．將驅(qū)動(dòng)方程代入相應(yīng)觸發(fā)器的特性方程，求得時(shí)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(shí)序電路的狀態(tài)表，畫出狀態(tài)圖或時(shí)序圖。4．根據(jù)電路的狀態(tài)表或狀態(tài)圖說明給定時(shí)序邏輯電路的邏輯功能。任務(wù)一

基于觸發(fā)器的7進(jìn)制計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)2同步時(shí)序邏輯電路的分析舉例例6-1試分析下圖12-2所示的時(shí)序邏輯電路，已知X=0。任務(wù)一

基于觸發(fā)器的7進(jìn)制計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)解：該電路為同步時(shí)序邏輯電路，時(shí)鐘方程可以不寫。（1）寫出輸出方程：（2）寫出驅(qū)動(dòng)方程（3）寫出JK觸發(fā)器的特性方程，然后將各驅(qū)動(dòng)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：任務(wù)一

基于觸發(fā)器的7進(jìn)制計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)輸出方程（3）狀態(tài)轉(zhuǎn)換表及狀態(tài)圖作狀態(tài)轉(zhuǎn)換表12-1及狀態(tài)圖見圖12-3所示任務(wù)一

基于觸發(fā)器的7進(jìn)制計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)圖12-3X=0時(shí)的狀態(tài)圖（5）畫時(shí)序波形圖。根據(jù)狀態(tài)表或狀態(tài)圖，可畫出在CP脈沖作用下電路的時(shí)序圖（圖12-4）。（6）邏輯功能分析：該電路一共有3個(gè)狀態(tài)00、01、10當(dāng)X=0時(shí)，按照加1規(guī)律從00→01→10→00循環(huán)變化，并每當(dāng)轉(zhuǎn)換為10狀態(tài)（最大數(shù)）時(shí)，輸出F=1。所以該電路是一個(gè)可控的3進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器任務(wù)一

基于觸發(fā)器的7進(jìn)制計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)6.2.3異步時(shí)序邏輯電路的分析舉例例6-3試分析下圖12-5所示的時(shí)序邏輯電路該電路為異步時(shí)序邏輯電路。具體分析如下：任務(wù)一

基于觸發(fā)器的7進(jìn)制計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)圖12-5時(shí)序邏輯電路1.寫出各邏輯方程式①時(shí)鐘方程：CP0=CP（時(shí)鐘脈沖源的上升沿觸發(fā)。）CP1=Q0（當(dāng)FF0的Q0由0→1時(shí)，Q1才可能改變狀態(tài)。）②輸出方程：③各觸發(fā)器的驅(qū)動(dòng)方程：任務(wù)一

基于觸發(fā)器的7進(jìn)制計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)2.將各驅(qū)動(dòng)方程代入D觸發(fā)器的特性方程，得各觸發(fā)器的次態(tài)方程：3.作狀態(tài)轉(zhuǎn)換表。任務(wù)一

基于觸發(fā)器的7進(jìn)制計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)（CP由0→1時(shí)此式有效）（Q0由0→1時(shí)此式有效）作狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖（圖12-6）、時(shí)序圖（圖12-7）。5.邏輯功能分析由狀態(tài)圖可知：該電路一共有4個(gè)狀態(tài)00、01、10、11，在時(shí)鐘脈沖作用下，按照減1規(guī)律循環(huán)變化，所以是一個(gè)4進(jìn)制減法計(jì)數(shù)器，Z是借位信號(hào)。任務(wù)一

基于觸發(fā)器的7進(jìn)制計(jì)數(shù)器設(shè)計(jì)4同步時(shí)序邏輯電路的設(shè)計(jì)方法