《電工電子技術(shù)基礎(chǔ)》課件-第13章

13.1雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

13.2寄存器13.3計(jì)數(shù)器13.4

555定時(shí)器及其應(yīng)用習(xí)題13.1雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器

觸發(fā)器按其穩(wěn)定工作狀態(tài)的個(gè)數(shù)可分為雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和無(wú)穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(多諧振蕩器)等。雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器按其邏輯功能又可分為RS觸發(fā)器，JK觸發(fā)器和D觸發(fā)器等;按其結(jié)構(gòu)可分為主從型觸發(fā)器和維持阻塞型觸發(fā)器等。13.1.1

RS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G1和G2交叉連接而組成，如圖13.1.1(a)所示。圖13.1.1基本RS觸發(fā)器的組成符號(hào)圖13.1.1(a)中，Q與是觸發(fā)器的輸出端，正常情況下Q與的狀態(tài)是相反的，用Q表示其輸出狀態(tài)?；綬S觸發(fā)器有兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài):一個(gè)是Q=0，稱為復(fù)位狀態(tài)(0態(tài));另一個(gè)是Q=1，稱為置位狀態(tài)(1態(tài))。相應(yīng)的輸入端稱為直接置0端(

)和直接置1端(

)。和平時(shí)接高電平，處于1態(tài);加負(fù)脈沖后，由1態(tài)變?yōu)?態(tài)。圖13.1.1(b)中，其輸入端引線上靠近方框的小圓圈表示用負(fù)脈沖來(lái)置0或置1，低電平有效。現(xiàn)按四種情況來(lái)分析觸發(fā)器的邏輯功能。用Qn表示原態(tài)，Qn+1表示加觸發(fā)信號(hào)后的新態(tài)(次態(tài))。

(1)，。當(dāng)端給G2門加負(fù)脈沖后，則G2門輸出高電平，故;引回到G1門的輸入端，則G1門輸出低電平，故Q=0;再反饋到G2門，即使輸入負(fù)脈沖消失，仍有。在此輸入情況下，不論Qn為何態(tài)，經(jīng)觸發(fā)器后翻轉(zhuǎn)或保持0態(tài)，故Qn+1=0。

(2)

,。當(dāng)端給G1門加負(fù)脈沖后，與情況(1)相仿。在此輸入情況下，不論Qn為何態(tài)，經(jīng)觸發(fā)器后翻轉(zhuǎn)或保持1態(tài)，故Qn+1=1。

(3)，。這時(shí)，端和端均未加負(fù)脈沖，觸發(fā)器保持原態(tài)不變，即Qn+1=Qn。

(4)，。

同時(shí)給G1和G2門加負(fù)脈沖時(shí)，兩個(gè)與非門均輸出1，違反了Q與狀態(tài)相反的邏輯關(guān)系。當(dāng)負(fù)脈沖同時(shí)消失后，理論上兩個(gè)門的輸出都為0，但實(shí)際輸出由各種偶然因素決定其最終狀態(tài)。這種情況在使用中應(yīng)禁止出現(xiàn)。表13.1.1是基本RS觸發(fā)器的邏輯狀態(tài)表，可以與圖13.1.2所示的波形圖對(duì)照分析。

表13.1.1基本RS觸發(fā)器的邏輯狀態(tài)表

圖13.1.2基本RS觸發(fā)器的波形圖(初態(tài)Q=0)

2.可控RS觸發(fā)器

圖13.1.3(a)是可控RS觸發(fā)器的邏輯圖，它包括基本RS觸發(fā)器和由與非門G3和G4組成的導(dǎo)引電路。R和S是置0和置1信號(hào)輸入端。

圖13.1.3可控RS觸發(fā)器可控RS觸發(fā)器用一種正脈沖來(lái)控制觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)時(shí)刻，它就是時(shí)鐘脈沖CP。CP=0時(shí),不論R和S的端電平如何變化，G3和G4門都輸出1，基本RS觸發(fā)器保持原態(tài)。只有當(dāng)CP=1時(shí)，觸發(fā)器才按R、S端的輸入來(lái)控制其輸出狀態(tài)。

當(dāng)CP=1時(shí)，如果此時(shí)S=1，R=0，則G3門輸出將變?yōu)?，給G1門提供一個(gè)置1負(fù)脈沖，觸發(fā)器的輸出端Q將翻轉(zhuǎn)或保持1態(tài)。如果此時(shí)S=0，R=1，則G4門輸出將變?yōu)?，給G2門提供一個(gè)置0負(fù)脈沖，觸發(fā)器的輸出端Q將翻轉(zhuǎn)或保持0態(tài)。如果此時(shí)S=R=0，則G3門和G4門均保持1態(tài)，不向基本觸發(fā)器送負(fù)脈沖，觸發(fā)器保持原態(tài)。如果此時(shí)S=R=1，則G3門和G4門都向基本觸發(fā)器送負(fù)脈沖，當(dāng)時(shí)鐘脈沖消失后，基本觸發(fā)器的輸出由偶然因素決定，應(yīng)加以避免。和是直接復(fù)位和直接置位端，它們不經(jīng)過(guò)時(shí)鐘脈沖CP便可對(duì)基本觸發(fā)器置0或置1，通常用于設(shè)定初態(tài)狀態(tài)，不用時(shí)讓它們處于1態(tài)(高電平)。表13.1.2是可控RS觸發(fā)器的邏輯狀態(tài)表，可以與圖13.1.4所示的波形圖對(duì)照分析。表13.1.2可控RS觸發(fā)器的邏輯狀態(tài)表

圖13.1.4可控RS觸發(fā)器的波形圖(初態(tài)Q=0)13.1.2

JK觸發(fā)器圖13.1.5(a)是主從型JK觸發(fā)器的邏輯圖，它由兩個(gè)可控RS觸發(fā)器級(jí)聯(lián)組成，分別稱為主觸發(fā)器和從觸發(fā)器。時(shí)鐘脈沖先使主觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，而后從觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)。另外，還用一個(gè)非門聯(lián)系兩個(gè)觸發(fā)器的時(shí)鐘信號(hào)。J和K是信號(hào)輸入端，它們分別與和Q構(gòu)成邏輯關(guān)系，成為主觸發(fā)器的S端和R端，即

從觸發(fā)器的S和R端即為主觸發(fā)器的輸出端。圖13.1.5主從型JK觸發(fā)器下面分四種情況分析主從型JK觸發(fā)器的邏輯功能。

(1)J=K，K=1。設(shè)時(shí)鐘脈沖來(lái)到之前觸發(fā)器的初始狀態(tài)為0，這時(shí)主觸發(fā)器的，R=KQ=0，當(dāng)時(shí)鐘脈沖到來(lái)后，即翻轉(zhuǎn)為1態(tài)。當(dāng)CP從1下跳為0時(shí)，從觸發(fā)器動(dòng)作，這樣從觸發(fā)器的S=1，R=0，它也翻轉(zhuǎn)為1態(tài)。主、從觸發(fā)器狀態(tài)一致。在J=K=1的情況下，來(lái)一個(gè)時(shí)鐘脈沖，就使它翻轉(zhuǎn)一次，即，觸發(fā)器具有計(jì)數(shù)功能。

(2)J=0，K=0。設(shè)觸發(fā)器初始狀態(tài)為0，當(dāng)CP=1時(shí)，由于主觸發(fā)器的S=0，R=0，因此它的狀態(tài)保持不變。當(dāng)CP下跳時(shí)，由于從觸發(fā)器的S=0，R=1，因此也保持原態(tài)不變。

(3)J=1，K=0。設(shè)觸發(fā)器初始狀態(tài)為1，當(dāng)CP=1時(shí)，由于主觸發(fā)器的S=1，R=0，因此它維持1態(tài)。當(dāng)CP下跳時(shí)，由于從觸發(fā)器的S=1，R=0，因此也維持1態(tài)。此時(shí)觸發(fā)器具有置1功能。

(4)J=0，K=1。類似于(3)的分析，此時(shí)觸發(fā)器具有置0功能。主從型JK觸發(fā)器具有在CP從1下跳為0時(shí)翻轉(zhuǎn)的特點(diǎn)，在圖13.1.5(b)中的CP輸入端靠近方框處用小圓圈表示時(shí)鐘下降沿觸發(fā)的特點(diǎn)。表13.1.3是主從型JK觸發(fā)器的邏輯狀態(tài)表，可以與圖13.1.6所示的波形圖對(duì)照分析。表13.1.3主從型JK觸發(fā)器的邏輯狀態(tài)表

圖13.1.6主從型JK觸發(fā)器波形圖13.1.3維持阻塞型D觸發(fā)器主從型JK觸發(fā)器要求主從觸發(fā)器在CP=1期間，輸入信號(hào)J、K不變，否則會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤翻轉(zhuǎn)。維持阻塞型D觸發(fā)器是在時(shí)鐘脈沖的上升沿發(fā)生翻轉(zhuǎn)的，它的狀態(tài)僅取決于時(shí)鐘脈沖CP上升沿到來(lái)之前的D輸入端狀態(tài);在CP=1期間，D輸入端狀態(tài)的變化對(duì)觸發(fā)器沒有影響。圖13.1.7的維持阻塞型D觸發(fā)器中，有六個(gè)與非門，G1、G2組成基本觸發(fā)器，G3、G4組成時(shí)鐘控制電路，G5、G6組成數(shù)據(jù)輸入電路。

圖13.1.7維持阻塞型D觸發(fā)器

(1)D=0。在時(shí)鐘脈沖到來(lái)之前，G3、G4和G6輸出為1，G5輸出為0。這時(shí)觸發(fā)器的狀態(tài)不變。當(dāng)時(shí)鐘脈沖的上升沿到來(lái)時(shí)，G5、G6和G3輸出保持原狀態(tài)，但G4輸出由1變成0。這個(gè)負(fù)脈沖使基本觸發(fā)器置0，同時(shí)反饋到G6的輸入端，使CP=1期間不論D有何變化，觸發(fā)器保持0態(tài)不變，不會(huì)發(fā)生空翻現(xiàn)象。

(2)D=1。在時(shí)鐘脈沖到來(lái)之前，G3和G4輸出為1，G6輸出為0，G5輸出為1，這時(shí)，觸發(fā)器狀態(tài)不變。當(dāng)時(shí)鐘脈沖的上升沿到來(lái)時(shí)，G3的輸出由1變0。該負(fù)脈沖使基本觸發(fā)器置1，同時(shí)反饋到G4和G5輸入端，使CP=1期間不論D作何變化，只能改變G6的輸出狀態(tài)，而其他均保持不變，即觸發(fā)器保持1態(tài)不變。綜上可知，維持阻塞型D觸發(fā)器具有時(shí)鐘脈沖上升沿觸發(fā)的特點(diǎn)，其邏輯功能為:輸出端Q的狀態(tài)和該脈沖到來(lái)之前D的狀態(tài)一致。于是可寫成:Qn+1=D表13.1.4是維持阻塞型D觸發(fā)器的邏輯狀態(tài)表。表13.1.4維持阻塞型D觸發(fā)器的邏輯狀態(tài)表

在圖13.3.6(b)所示的圖形符號(hào)中，時(shí)鐘脈沖CP輸入端靠方框處不加小圓圈，表示上升沿觸發(fā)。練習(xí)與思考

13.1.1基本RS觸發(fā)器的功能是什么？如何使觸發(fā)器置0和置1？

13.1.2

JK觸發(fā)器和D觸發(fā)器的和有何作用？如果不用，該如何處理？13.2寄存器在數(shù)字電路中，常使用寄存器來(lái)暫時(shí)存放數(shù)據(jù)運(yùn)算結(jié)果或代碼等。一個(gè)觸發(fā)器可以寄存一位二進(jìn)制數(shù)，如果要存放n位二進(jìn)制數(shù)，就需要n個(gè)觸發(fā)器。常用的有四位、八位、十六位等寄存器。

寄存器存放數(shù)碼的方式有并行和串行兩種。并行方式是指數(shù)碼各位從各對(duì)應(yīng)位輸入端同時(shí)輸入到寄存器中;串行方式是指數(shù)碼從一個(gè)輸入端逐位輸入到寄存器中。類似地，從寄存器中取出數(shù)碼的方式也有并行和串行兩種。寄存器可分為數(shù)碼寄存器和移位寄存器兩種，其區(qū)別在于有無(wú)移位的功能。13.2.1數(shù)碼寄存器數(shù)碼寄存器有寄存數(shù)碼和清除原有數(shù)碼的功能。圖13.2.1所示是用D觸發(fā)器組成的寄存四位二進(jìn)制數(shù)碼的寄存器，數(shù)碼d3~d0依次接到觸發(fā)器F3~F0的D端。

圖13.2.1

D觸發(fā)器組成四位數(shù)碼寄存器圖13.2.1所示的數(shù)碼寄存器的工作過(guò)程如下:首先，在端加負(fù)脈沖可使各位觸發(fā)器清零。當(dāng)寄存指令到來(lái)時(shí)，d3~d0同步進(jìn)入各位觸發(fā)器。當(dāng)寄存指令消失后，寄存器保持寄存數(shù)碼不變。當(dāng)取數(shù)指令到來(lái)后，d3~d0被同步取出送到Q3~Q0端。該數(shù)碼寄存器采用并行輸入、并行輸出的工作方式。13.2.2移位寄存器移位寄存器不僅能寄存數(shù)碼，還能在移位指令作用下使寄存器中的各位數(shù)碼依次左移、右移、雙向移動(dòng)。

圖13.2.2是JK觸發(fā)器組成的四位移位寄存器。F0接成D觸發(fā)器，數(shù)據(jù)從D端輸入。設(shè)寄存二進(jìn)制數(shù)為1010，按時(shí)鐘脈沖(移位脈沖)的工作節(jié)拍從高位到低位依次串行送到D端。工作之初先清零。首先D=1，第一個(gè)時(shí)鐘脈沖的下降沿到來(lái)后觸發(fā)器F0翻轉(zhuǎn)，Q0=1，其他仍保持0態(tài)。接著D=0，第二個(gè)時(shí)鐘脈沖的下降沿到來(lái)時(shí)F0和F1同時(shí)翻轉(zhuǎn)，此時(shí)F1的J端為1，F(xiàn)0的J端為0，所以Q1=1，Q0=0，Q2和Q3仍為0態(tài)。以后的過(guò)程如表13.2.1所示，移位一次，存入一個(gè)新數(shù)碼，直到第四個(gè)脈沖的下降沿到來(lái)時(shí)，存數(shù)結(jié)束。這時(shí)，可從四個(gè)觸發(fā)器的Q端數(shù)碼并行輸出，也可以再經(jīng)四個(gè)時(shí)鐘脈沖，將存放的數(shù)據(jù)從Q3端逐位串行輸出。

圖13.2.2

JK觸發(fā)器組成的四位移位寄存器表13.2.1移位寄存器的狀態(tài)表

圖13.2.3是74LS194型雙向移位寄存器的外引線排列和邏輯符號(hào)各外引線端的功能如下:

1為數(shù)據(jù)清零端，低電平有效。

3~6為并行數(shù)據(jù)輸入端D3~D0。

12~15為數(shù)據(jù)輸出端Q0~Q3。

2為右移串行數(shù)據(jù)輸入端DSR。

7為左移串行數(shù)據(jù)輸入端DSL。9、10為工作方式控制端S0、S1：

S1=S0=1時(shí)，數(shù)據(jù)并行輸入;

S1=0，S0=1時(shí)，右移數(shù)據(jù)輸入;

S1=1，S0=0時(shí)，左移數(shù)據(jù)輸入;

S1=S0=1時(shí)，寄存器處于保持狀態(tài)。

11為時(shí)鐘脈沖輸入端CP，上升沿有效(CP↑)。

74LS194型移位寄存器的功能表如表13.2.2所示。表13.2.2

74LS194型移位寄存器的功能表分析可知，74LS194型移位寄存器具有清空、并行輸入、串行輸入、數(shù)據(jù)右移和左移等功能。

【例13.2.1】圖13.2.4所示為用兩片74LS194型四位移位寄存器組成的八位雙向移位寄存器的電路，分析其工作原理。答:討論電路原理時(shí)，在眾多輸入中應(yīng)按功能表從左到右的順序去分析。兩片的，兩片的S1=G，，故G=0時(shí)，數(shù)據(jù)右移;G=1時(shí)，數(shù)據(jù)左移。第Ⅰ片的DSL端接第Ⅱ片的Q3端，第Ⅱ片的DSL端外接左移串行數(shù)據(jù)，表明第Ⅰ片的Q3、Q2、Q1、Q0表示高四位，而第Ⅱ片的Q3、Q2、Q1、Q0表示低四位。所以在右移數(shù)據(jù)輸入時(shí)，第Ⅰ片的DSR外接右移串行數(shù)據(jù)輸入，第Ⅱ片的DSR端接第Ⅰ片的Q0端。圖13.2.4用兩片74LS194型移位寄存器組成的八位雙向移位寄存器的電路練習(xí)與思考

13.2.1移位寄存器有幾種類型？它有幾種輸入、輸出方式？

13.2.2數(shù)碼寄存器與移位寄存器有什么區(qū)別？13.3計(jì)數(shù)器

在數(shù)字系統(tǒng)中，計(jì)數(shù)器的應(yīng)用十分廣泛。它不僅可以累計(jì)輸入脈沖的數(shù)目，還可以用于分頻、產(chǎn)生序列脈沖、定時(shí)等操作。計(jì)數(shù)器可以進(jìn)行加法計(jì)數(shù)，也可以進(jìn)行減法計(jì)數(shù)，或是進(jìn)行兩者兼有的可逆計(jì)數(shù)。若從進(jìn)位制來(lái)分，有二進(jìn)制計(jì)數(shù)器、十進(jìn)制計(jì)數(shù)器(也稱二—十進(jìn)制計(jì)數(shù)器)等多種。13.3.1二進(jìn)制計(jì)數(shù)器由n個(gè)觸發(fā)器構(gòu)成的計(jì)數(shù)器，可以記錄2n個(gè)脈沖個(gè)數(shù)，即為二進(jìn)制計(jì)數(shù)器。表13.3.1所列的是三位二進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器的狀態(tài)表。其中二進(jìn)制數(shù)和十進(jìn)制數(shù)兩大列中，第一行表示加法計(jì)數(shù)器，第二行表示減法計(jì)數(shù)器(加括號(hào)以示區(qū)別)。表13.3.1三位二進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器的狀態(tài)表

1.異步二進(jìn)制計(jì)數(shù)器由表13.3.1可見，每來(lái)一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，最低位觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)一次，而高位觸發(fā)器是在相鄰的低位觸發(fā)器從1變?yōu)?(加法)進(jìn)位或從0變?yōu)?(減法)借位時(shí)才翻轉(zhuǎn)。圖13.3.1(a)和(b)分別是D觸發(fā)器構(gòu)成的三位異步加法和減法計(jì)數(shù)器。

圖13.3.1三位異步二進(jìn)制加法、減法計(jì)數(shù)器圖中每個(gè)觸發(fā)器的D端都與自己的相連，當(dāng)時(shí)鐘脈沖的上升沿來(lái)臨時(shí)，發(fā)生翻轉(zhuǎn)，即具有計(jì)數(shù)功能。兩圖中F0的時(shí)鐘脈沖都來(lái)源于外部輸入計(jì)數(shù)脈沖，而F1和F2的時(shí)鐘脈沖是不相同的。在圖13.3.1(a)所示的加法計(jì)數(shù)器中，，，當(dāng)Q0(Q1)由1變?yōu)?，Q0(Q1)由0變?yōu)?時(shí)，F(xiàn)1(F2)發(fā)生翻轉(zhuǎn);在圖13.3.1(b)所示的減法計(jì)數(shù)器中，Q0→CP1，Q1→CP2，當(dāng)Q0(Q1)由0變?yōu)?時(shí)，F(xiàn)1(F2)發(fā)生翻轉(zhuǎn)。由于各位觸發(fā)器的狀態(tài)變化不會(huì)發(fā)生在同一時(shí)刻，因此稱為異步計(jì)數(shù)器。圖13.3.2是該計(jì)數(shù)器的工作波形圖。

圖13.3.2三位異步二進(jìn)制加法、減法計(jì)數(shù)器的工作波形圖

2.同步二進(jìn)制計(jì)數(shù)器異步計(jì)數(shù)器從計(jì)數(shù)脈沖進(jìn)入到最后一個(gè)觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)為規(guī)定的狀態(tài)，需要花費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間，當(dāng)計(jì)數(shù)器位數(shù)越多時(shí)，問(wèn)題就越嚴(yán)重。為了提高計(jì)數(shù)器的工作速度，可采用同步計(jì)數(shù)器。圖13.3.3是主從型JK觸發(fā)器組成的四位同步二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器，由于計(jì)數(shù)脈沖同時(shí)加到各位觸發(fā)器的CP端，因此它們的狀態(tài)的變化與計(jì)數(shù)脈沖同步。要實(shí)現(xiàn)加法計(jì)數(shù)功能，需從各位觸發(fā)器的J、K端來(lái)設(shè)計(jì)：

(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，當(dāng)Q0=1時(shí)再來(lái)一個(gè)脈沖才翻轉(zhuǎn)，故J1=K1=Q0。

(3)第三位觸發(fā)器F2，當(dāng)Q1=Q0=1時(shí)再來(lái)一個(gè)脈沖才翻轉(zhuǎn)，故J2=K2=Q1Q0。

(4)第四位觸發(fā)器F3，當(dāng)Q2=Q1=Q0=1時(shí)再來(lái)一個(gè)脈沖才翻轉(zhuǎn)，故J3=K3=Q2Q1Q0。圖中觸發(fā)器的輸入端有多個(gè)輸入時(shí)，其輸入之間是與的邏輯關(guān)系。圖13.3.3主從型JK觸發(fā)器組成的四位同步二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器圖13.3.4

74LS161型四位同步二進(jìn)制計(jì)數(shù)器圖13.3.4是74LS161型四位同步二進(jìn)制計(jì)數(shù)器的外引線排列和邏輯符號(hào)。各外引線的功能如下:

1為清零端，低電平有效。

2為時(shí)鐘脈沖輸入端CP，上升沿有效(CP↑)。

3~6為數(shù)據(jù)輸入端A0~A3，可預(yù)置任何一個(gè)四位二進(jìn)制數(shù)。

7、10為計(jì)數(shù)控制端:當(dāng)兩者全為高電平時(shí)，計(jì)數(shù);只有一個(gè)為低電平時(shí)，計(jì)數(shù)器保持原態(tài)。

9為同步并行置數(shù)控制端，低電平有效。

11~14為數(shù)據(jù)輸出端Q3~Q0。

15為進(jìn)位輸出端RCO，高電平有效。

74LS161型同步二進(jìn)制計(jì)數(shù)器的功能表如表13.3.2所示。

表13.3.2

74LS161型同步二進(jìn)制計(jì)數(shù)器的功能表

【例13.3.1】試用兩片74LS161組件組成八位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器。答:將兩片74LS161組件的CP端一起接計(jì)數(shù)脈沖CP端。第Ⅰ片(低四位)的計(jì)數(shù)控制端EP和ET均接高電平，為計(jì)數(shù)狀態(tài);第Ⅱ片的EP也接高電平，但它的ET接入第Ⅰ片的進(jìn)位輸出器RCO，只有當(dāng)?shù)冖衿腝3=Q2=Q1=Q0=1時(shí)，第Ⅱ片才可以計(jì)數(shù)，逢十六個(gè)計(jì)數(shù)脈沖，第Ⅱ片74LS161才計(jì)數(shù)一次，所以它們組成了一個(gè)八位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，如圖13.3.5所示。圖13.3.5八位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器的連接圖13.3.2十進(jìn)制計(jì)數(shù)器二進(jìn)制計(jì)數(shù)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但在許多場(chǎng)合采用十進(jìn)制更為方便。用四位二進(jìn)制數(shù)來(lái)代表十進(jìn)制的每一位數(shù)，所以也稱為二—十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。通常使用8421編碼方式，用四位二進(jìn)制前面的0000~1001表示十進(jìn)制的0~9十個(gè)數(shù)碼，當(dāng)?shù)谑畟€(gè)脈沖到來(lái)時(shí)，由1001變成0000。圖13.3.6是74LS290型異步二—五—十進(jìn)制計(jì)數(shù)器的邏輯圖和外引線排列圖。R01和R02是清零輸入端，由表13.3.3可見，當(dāng)兩端全為1時(shí)，將四位觸發(fā)器清零；S91和S92是置“9”輸入端，當(dāng)兩端全為1時(shí)，Q3Q2Q1Q0=1001，即表示十進(jìn)制數(shù)9。清零時(shí)，S91和S92中至少有一端為0，不使置1，以保證清零可靠。它有兩個(gè)時(shí)鐘脈沖輸入端CP0和CP1。下面按二、五、十進(jìn)制三種情況來(lái)進(jìn)行分析。圖13.3.6

74LS290型計(jì)數(shù)器表13.3.3

74LS290型計(jì)數(shù)器的功能表

(1)只輸入計(jì)數(shù)脈沖CP0，由Q0輸出，F(xiàn)1~F3三位觸發(fā)器不用，為二進(jìn)制計(jì)數(shù)器。

(2)只輸入計(jì)數(shù)脈沖CP1，由Q3Q2Q1輸出，為五進(jìn)制計(jì)數(shù)器。具體分析如下：由圖可得出F1、F2、F3三位觸發(fā)器J、K端的邏輯關(guān)系式:

K1=1

J2=1

K2=1

J3=Q1Q2

K3=1將清零初始狀態(tài)Q3Q2Q1=000代入，可列寫如表13.3.4所示的五進(jìn)制計(jì)數(shù)器的狀態(tài)分析表。表13.3.4五進(jìn)制計(jì)數(shù)器的狀態(tài)分析表由此可見，經(jīng)過(guò)五個(gè)脈沖循環(huán)一次，故為五進(jìn)制計(jì)數(shù)器。

(3)將Q0端與F1(F3)的CP端連接，輸入計(jì)數(shù)脈沖CP0。當(dāng)Q0由1變?yōu)?時(shí)，五進(jìn)制計(jì)數(shù)器工作，從Q3、Q2、Q1、Q0獲得8421碼的異步十進(jìn)制計(jì)數(shù)器。13.3.3任意進(jìn)制計(jì)數(shù)器目前常用的計(jì)數(shù)器主要是二進(jìn)制和十進(jìn)制，當(dāng)需要其他進(jìn)制的計(jì)數(shù)器時(shí)，只需將現(xiàn)有的計(jì)數(shù)器改接即可。若一片計(jì)數(shù)器為M進(jìn)制，欲構(gòu)成的計(jì)數(shù)器為N進(jìn)制，則構(gòu)成任意進(jìn)制計(jì)數(shù)器的原則是：當(dāng)M＞N時(shí)，只需一片計(jì)數(shù)器即可；當(dāng)M＜N時(shí)，則需要幾片M進(jìn)制計(jì)數(shù)器才可以構(gòu)成N進(jìn)制的計(jì)數(shù)器。用計(jì)數(shù)器構(gòu)成任意進(jìn)制計(jì)數(shù)器常用的方法有反饋清零法、級(jí)聯(lián)法和反饋置數(shù)法。下面介紹前兩種改接方法。

1.反饋清零法將計(jì)數(shù)器適當(dāng)改接，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)制計(jì)數(shù)器。例如，圖13.3.7就是利用74LS290型十進(jìn)制計(jì)數(shù)器改接成的三進(jìn)制和九進(jìn)制計(jì)數(shù)器。在圖13.3.7(a)中，用F1、F2、F3構(gòu)成五進(jìn)制計(jì)數(shù)器，所以CP1接計(jì)數(shù)脈沖，它從000開始，在二個(gè)脈沖后，變成010，當(dāng)?shù)谌齻€(gè)脈沖到來(lái)后，出現(xiàn)011狀態(tài)，由于Q2和Q1分別接到R0(2)

和R0(1)

清零端，強(qiáng)迫清零，因此011這個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)瞬即逝，無(wú)法顯示，立即回到000。它經(jīng)過(guò)三個(gè)脈沖循環(huán)一次，故為三進(jìn)制計(jì)數(shù)器，其狀態(tài)循環(huán)如圖13.3.8所示。同理，圖13.3.7(b)是九進(jìn)制計(jì)數(shù)器。

圖13.3.7

74LS290型三進(jìn)制和九進(jìn)制計(jì)數(shù)器

圖13.3.8三進(jìn)制計(jì)數(shù)器的狀態(tài)循環(huán)圖(Q3Q2Q1)

2.級(jí)聯(lián)法

當(dāng)M＜N時(shí)，需用兩片以上的計(jì)數(shù)器才能實(shí)現(xiàn)任意進(jìn)制的計(jì)數(shù)器，這時(shí)需采用級(jí)聯(lián)法。下面先看由兩片74LS290構(gòu)成的六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，它的個(gè)位(Ⅰ)為十進(jìn)制，十位(Ⅱ)為六進(jìn)制，電路連接如圖13.3.9所示，個(gè)位計(jì)數(shù)器的最高位Q3連到十位計(jì)數(shù)器的CP0端。個(gè)位十進(jìn)制計(jì)數(shù)器經(jīng)過(guò)十個(gè)脈沖循環(huán)一次，每當(dāng)?shù)谑畟€(gè)脈沖到來(lái)時(shí)，Q3由1變?yōu)?，相當(dāng)于一個(gè)下降沿，使十位的六進(jìn)制計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。個(gè)位計(jì)數(shù)器經(jīng)過(guò)第一次十個(gè)脈沖，十位計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)為0001;經(jīng)過(guò)第二次十個(gè)脈沖，十位計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)為0010;一直到第六次十個(gè)脈沖，十位計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)為0110。接著，個(gè)位和十位計(jì)數(shù)器都清零，恢復(fù)為0000。

圖13.3.9六十進(jìn)制計(jì)數(shù)器的連接圖

【例13.3.2】試用兩片74LS290連成十二進(jìn)制電路。

解可依據(jù)乘法原理2×6=3×4=12來(lái)實(shí)現(xiàn)。先介紹2×6的實(shí)現(xiàn)方法，第Ⅱ片接成二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，而第Ⅰ片接成六進(jìn)制計(jì)數(shù)器，如圖13.3.10(a)所示。

圖13.3.10十二進(jìn)制計(jì)數(shù)器類似地，可用3×4的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，第Ⅱ片接成三進(jìn)制計(jì)數(shù)器，而第Ⅰ片為四進(jìn)制計(jì)數(shù)器，如圖13.3.10(b)所示。練習(xí)與思考

13.3.1異步計(jì)數(shù)器和同步計(jì)數(shù)器有何區(qū)別？

13.3.2試用兩片74LS290型異步十進(jìn)制計(jì)數(shù)器構(gòu)成百進(jìn)制計(jì)數(shù)器。13.4

555定時(shí)器及其應(yīng)用

555定時(shí)器是一種廣泛應(yīng)用的數(shù)字電路與模擬電路相結(jié)合的中規(guī)模集成電路。按內(nèi)部組成不同，555定時(shí)器可分為雙極型(如CB555)和CMOS型(如C7555)兩類。前者具有較大的驅(qū)動(dòng)能力，可輸出200mA的電流，能夠直接驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管、揚(yáng)聲器、繼電器等負(fù)載，定時(shí)器的電源電壓范圍為5～16V;后者的輸入阻抗高，功耗低，定時(shí)器的電源電壓為3～18V。

555定時(shí)器使用靈活、方便，只需連接少數(shù)電阻和電容元件，就可以構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、多諧振蕩器，因而常用于信號(hào)的產(chǎn)生、變換以及檢測(cè)和控制電路中。13.4.1

555定時(shí)器

圖13.4.1(a)為CB555定時(shí)器的原理電路，圖13.4.1(b)為其引腳排列圖。CB555定時(shí)器的引腳編號(hào)及其功能是一致的。

圖13.4.1

CB555定時(shí)器

555定時(shí)器的基本組成包括:由三個(gè)電阻R組成的分壓器，兩個(gè)電壓比較器C1和C2，一個(gè)基本RS觸發(fā)器，由晶體管V組成的放大電路。部分引腳的作用如下:引腳2為觸發(fā)信號(hào)(脈沖或電平)輸入端。引腳5為電壓控制端，可在此端接與引腳8不同的電壓。該端不用時(shí)一般通過(guò)0.01μF電容接地,以防止外部干擾。引腳6為高電平觸發(fā)端。引腳7為放電端。

在分析555定時(shí)器的工作原理時(shí)，應(yīng)注意以下幾點(diǎn):

(1)當(dāng)引腳5不用時(shí)，電壓比較器C1的參考電壓為，而電壓比較器C2的參考電壓為；如果5端外接固定電壓UCO，則UR1=UCO，。

(2)C1的輸出端控制基本RS觸發(fā)器的端，C2的輸出端控制端，用兩個(gè)電壓比較器的輸出去控制基本RS觸發(fā)器的狀態(tài)。當(dāng)Q=0，時(shí)，V飽和導(dǎo)通；當(dāng)Q=1，時(shí)，V截止。

(3)是基本RS觸發(fā)器的置0輸入端，低電平有效，加上低電平時(shí)，輸出電壓uo=0，不受其他輸入狀態(tài)的影響。正常工作時(shí)，。將上述關(guān)系可歸納于表13.4.1中。表13.4.1

CB555的工作原理說(shuō)明表

13.4.2由555定時(shí)器組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器只有一個(gè)穩(wěn)態(tài)，在觸發(fā)信號(hào)未加之前，觸發(fā)器處于穩(wěn)態(tài)，經(jīng)信號(hào)觸發(fā)后，觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，但新的狀態(tài)只能暫時(shí)保持，經(jīng)過(guò)一定時(shí)間后將自動(dòng)翻轉(zhuǎn)到原來(lái)的穩(wěn)定狀態(tài)。圖13.4.2(a)所示為由CB555定時(shí)器組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路，圖13.4.2(b)是其工作波形圖，圖13.4.2(c)是用符號(hào)表示的電路。555定時(shí)器接成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的主要特征是引腳2應(yīng)輸入觸發(fā)負(fù)脈沖。

1.單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的工作原理在t1以前，無(wú)負(fù)脈沖輸入，ui=1，其電平值大于，故電壓比較器C2的輸出為1。若觸發(fā)器的原狀態(tài)Q=0，，則晶體管V飽和導(dǎo)通，uC≈0.3V，故C1輸出也為1，觸發(fā)器的狀態(tài)保持不變。若Q=1，，則V截止，UCC通過(guò)電阻R對(duì)電容C充電，當(dāng)uC上升到稍高于時(shí)，比較器C1的輸出為0，使觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)為Q=0，。由此可見，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的穩(wěn)定狀態(tài)是Q=0，即輸出電壓uo為0。當(dāng)t1時(shí)刻負(fù)脈沖到來(lái)時(shí)，電容電壓不跳變，比較器C1的輸出仍為1；由于ui=0，比較器C2的輸出為0，故觸發(fā)器置1。即有負(fù)脈沖輸入時(shí)觸發(fā)器由穩(wěn)態(tài)的0翻轉(zhuǎn)為1，進(jìn)入暫態(tài)。當(dāng)Q=1，時(shí)，放電管V截止，電源又開始對(duì)電容充電。在t2時(shí)刻負(fù)脈沖消失，比較器C2的輸出變?yōu)?。只要uC不大于，比較器C1的輸出仍為1?？梢娫跁簯B(tài)期間，觸發(fā)器的，故能保持Q=1的暫態(tài)不變。

當(dāng)電容充電至uC稍大于時(shí)，比較器C1的輸出變?yōu)?，而比較器C2的輸出仍為1，此時(shí)觸發(fā)器置0，故觸發(fā)器又返回Q=0。至此，暫態(tài)過(guò)程結(jié)束。

對(duì)于以上過(guò)程的分析，可得出如下結(jié)論:

(1)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器是依靠負(fù)脈沖的觸發(fā)而產(chǎn)生狀態(tài)翻轉(zhuǎn)的。無(wú)觸發(fā)脈沖輸入時(shí)，輸入ui高電平(大于)，觸發(fā)器處于穩(wěn)態(tài)，Q=0。

(2)當(dāng)觸發(fā)負(fù)脈沖到來(lái)時(shí)，觸發(fā)器進(jìn)入暫態(tài)Q=1，在暫態(tài)中持續(xù)的時(shí)間由uC從0上升到所用的時(shí)間由tp決定。脈沖寬度tp可由下式計(jì)算：tp=RCln3=1.1RC(13.4.1)

(3)在暫態(tài)期間，如果又有負(fù)脈沖輸入，如圖13.4.2(b)中虛線所示，則該脈沖不起作用，說(shuō)明這種單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器不能重復(fù)觸發(fā)。

(4)如果觸發(fā)脈沖的寬度大于tp，則觸發(fā)器將不能返回穩(wěn)態(tài)。2.單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的應(yīng)用1)用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器作定時(shí)器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的暫態(tài)脈沖寬度可以從幾微秒到數(shù)分鐘，精度也非常高，因此常用做定時(shí)器。圖13.4.3(a)所示是單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器做定時(shí)器的電路，圖13.4.3(b)是其工作波形。圖13.4.3(a)中的與非門是控制門，uA是待傳送的高頻脈沖信號(hào)，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的輸出uB控制著uA信號(hào)。當(dāng)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，uA信號(hào)不能通過(guò)控制門；當(dāng)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器處于暫態(tài)時(shí)，信號(hào)uA可以通過(guò)控制門輸出?？刂崎T輸出信號(hào)的時(shí)間長(zhǎng)短，可以由單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的暫態(tài)時(shí)間來(lái)確定。圖13.4.3單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的定時(shí)控制

2)用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器組成整形電路通常由光電管構(gòu)成的脈沖源的輸出波形是不規(guī)則的，邊沿不陡，幅度也不齊，無(wú)法直接輸入到數(shù)字裝置，需要用單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器來(lái)整形，如圖13.4.4(a)所示。用圖13.3.4(b)來(lái)說(shuō)明，當(dāng)輸入信號(hào)ui小于時(shí)，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器進(jìn)入暫態(tài)。調(diào)整寬度tp，使tp＞tL。經(jīng)過(guò)tp一段時(shí)間后，單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器返回穩(wěn)態(tài)。經(jīng)整形后的波形uo近似為理想的矩形波。

圖13.4.4單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器組成的整形電路13.4.3用555定時(shí)器組成的多諧振蕩器多諧振蕩器也稱為無(wú)穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，它沒有穩(wěn)定的狀態(tài)，在無(wú)需觸發(fā)的情況下，其輸出狀態(tài)在1和0之間周期性地轉(zhuǎn)換，其輸出波形為周期性變化的矩形波。由于矩陣波中含有豐富的諧波成分，因此這種電路又叫做多諧振蕩器。圖13.4.5(a)所示是用555定時(shí)器組成的多諧振蕩電路，圖13.4.5(b)是它的工作波形，圖13.4.5(c)是用符號(hào)表示的電路。由555定時(shí)器組成的多諧振蕩器的主要特征是電路不需要輸入信號(hào)。

圖13.4.5用555定時(shí)器組成的多諧振蕩器多諧振蕩器的工作原理如下所述：當(dāng)Q=1時(shí)，，放電管V截止，電源UCC通過(guò)電阻R1和R2對(duì)電容C開始充電，充電時(shí)間常數(shù)τ1=(R1+R2)C。在電容充電期間，只要滿足，則，故能保持Q=1的狀態(tài)不變。當(dāng)電容電壓uC稍大于時(shí)，比較器C1的輸出變?yōu)?，而比較器C2的輸出仍為1，此時(shí)，，故觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)為Q=0的狀態(tài)，即進(jìn)入第二種暫態(tài)。當(dāng)Q=0時(shí)，，放電管V飽和導(dǎo)通，因而電容C停止充電并通過(guò)電阻R2和放電管的集-射極開始放電，放電時(shí)間常數(shù)τ2=R2C。在電容放電期間，只需要滿足，則，故能保持Q=0的狀態(tài)不變。當(dāng)電容放電至uC稍小于時(shí)，比較器C2的輸出變?yōu)?，而電壓比較器C1輸出仍為1，此時(shí)，，故觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)為Q=1的狀態(tài)，即返回到第一種暫態(tài)?？傊?，電容處于不停地充電、放電狀態(tài)，當(dāng)電容充電電壓達(dá)到時(shí)，觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)為Q=0;當(dāng)電容放電到時(shí)，觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)為Q=1。觸發(fā)器在0和1兩個(gè)狀態(tài)之間反復(fù)轉(zhuǎn)換，其輸出波形是周期性變化的矩陣波。由圖13.4.5(b)可計(jì)算出多諧振蕩器輸出波形的周期T=tp1+tp2。其中，tp1代表uC由上升到所用的時(shí)間，公式如下:

tp1=(R1+R2)Cln2=0.7(R1+R2)C(13.4.2)

tp2代表uC由下降到所用的時(shí)間，公式如下:tp2=R2Cln2=0.7R2C(13.4.3)故輸出波形的周期為T=tp1+tp2=0.7(R1+2R2)C(13.4.4)振蕩頻率為

(13.4.5)由555定時(shí)器組成的振蕩器，最高工作頻率可達(dá)300kHz。輸出波形的占空比為(13.4.6)

圖13.4.6是占空比可調(diào)的多諧振蕩器。圖中用VD1和VD2兩只二極管將電容C的充放電電路分開，并接一電位器RP。充電時(shí)，UCC→→VD1→C→地；放電時(shí)；C→VD2→→VD2→V→地。充電和放電的時(shí)間分別為占空比為圖13.4.7(a)所示是由兩個(gè)多諧振蕩器構(gòu)成的模擬聲響發(fā)生器。調(diào)節(jié)定時(shí)元件R11、R12、C1，可使第1個(gè)振蕩器的振蕩頻率為1Hz，調(diào)節(jié)R12、R22、C2，可使第2個(gè)振蕩器的振蕩頻率為2kHz。由于低頻振蕩器的輸出端3接到高頻振蕩器的置0輸入端4，因此當(dāng)振蕩器1輸出電壓uo1為高電平時(shí)，振蕩器就振蕩；uo1為低電平時(shí)，振蕩器2停止振蕩，從而揚(yáng)聲器便發(fā)出“嗚…嗚…”的間隙聲響。uo1和uo2的波形如圖13.5.7(b)所示。圖13.4.7由555組成的模擬聲響電路練習(xí)與思考

13.4.1由555定時(shí)器組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器的特點(diǎn)是什么？

13.4.2單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的主要作用是什么？

13.4.3推導(dǎo)式(13.4.4)，略去放電晶體管的飽和壓降UCE(sat)。本章小結(jié)本章在著重介紹各種觸發(fā)器邏輯功能的基礎(chǔ)上，分析了寄存器和計(jì)數(shù)器電路的工作原理，讀者應(yīng)掌握由集成計(jì)數(shù)器組成的計(jì)數(shù)器的分析方法。在介紹555定時(shí)器的基礎(chǔ)上，著重分析了由它組成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器。本章知識(shí)點(diǎn)

(1)基本RS觸發(fā)器、可控RS觸發(fā)器、主從型JK觸發(fā)器和