數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)(第三版周良權(quán)).ppt

1、本章教學(xué)基本要求,概 述,在數(shù)字電路系統(tǒng)中，經(jīng)常采用觸發(fā)器以及由它們與各種門(mén)電路一起組成的時(shí)序邏輯電路。 時(shí)序邏輯電路的特點(diǎn)是：輸出狀態(tài)不僅取決于當(dāng)時(shí)的輸入信號(hào)狀態(tài)，而且還與原輸出狀態(tài)有關(guān)。 電路結(jié)構(gòu)上存在反饋，使時(shí)序邏輯電路具有記憶功能，即在輸入信號(hào)作用撤消后，能保持在輸入信號(hào)作用時(shí)所具有的輸出狀態(tài)。,觸發(fā)器的分類(lèi)方法有三種：,按有無(wú)動(dòng)作的統(tǒng)一時(shí)間節(jié)拍（時(shí)鐘脈沖）來(lái)分:有基本觸發(fā)器（無(wú)時(shí)鐘觸發(fā)器）和時(shí)鐘觸發(fā)器。 按電路的結(jié)構(gòu)來(lái)分:有主從觸發(fā)器、維持阻塞觸發(fā)器、邊沿觸發(fā)器和主從型邊沿觸發(fā)器等。 按邏輯功能來(lái)分:有 RS 觸發(fā)器、D 觸發(fā)器、JK 觸發(fā)器、T 觸發(fā)器、T觸發(fā)器。,有兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)(

2、簡(jiǎn)稱穩(wěn)態(tài)):用來(lái)表示邏輯 0 和 1。 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?tīng)顟B(tài)可長(zhǎng)期保持下來(lái)，因此具有記憶功能，可存儲(chǔ)二進(jìn)制信息。,一個(gè)觸發(fā)器可存儲(chǔ) 1 位二進(jìn)制數(shù)碼,觸發(fā)器的基本特性,一、電路結(jié)構(gòu)：,由兩個(gè)與非門(mén)構(gòu)成, 兩個(gè)輸出端,一個(gè)為Q,一個(gè)為 .正常情況下, 兩個(gè)輸出端是邏輯互補(bǔ)的,即一個(gè)為0,一個(gè)為1。兩個(gè)輸入輸?！癛”、“S”上面的非線,表示這種觸發(fā)器輸入信號(hào)為低電平有效.,4.1 基本 RS 觸發(fā)器,二.基本工作原理,1、有兩個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài),當(dāng)Q=1時(shí),G1輸入端全為1,則G1輸出為0, G2輸入端有0,則G2輸出端為1。,當(dāng)輸入

3、端全為1時(shí),輸出端不變,1,1,1,1,0,1,0,規(guī)定：以Q輸出端的狀態(tài)為 觸發(fā)器的狀態(tài),當(dāng)Q=0時(shí),G1輸入端有0,則G1輸出端為1, G2輸入端全為1,則G2輸出端為0,1,1,0,0,1,0,當(dāng)輸入端全為1時(shí),輸出端不變,1、有兩個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài),2、在低電平信號(hào)作用下,觸發(fā)器可以從一個(gè)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換到另一個(gè)穩(wěn)態(tài),G1輸入有0,則G1輸出端為1, G2輸入全為1,則Q=0.,Q由1變?yōu)?,置0端,0,1,1,1,1,0,G2輸入有0,則Q=1,G1輸入全為1,則G1輸出端為0,Q由0變?yōu)?,置1端,1,0,0,1,2、在低電平信號(hào)作用下,觸發(fā)器可以從一個(gè)穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)換到另一個(gè)穩(wěn)態(tài),3、失效的狀態(tài),正常

4、情況下,兩上輸出端邏輯互補(bǔ),但此時(shí)為非正常狀態(tài),不能使用該輸入信號(hào)。,0,0,1,1,一、當(dāng)電路進(jìn)入新的穩(wěn)定狀態(tài)后，即使撤銷(xiāo) 了輸入信號(hào)，觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)后的狀態(tài)也能夠穩(wěn)定的 保持。,二、 端稱為置0端：從1態(tài)換0態(tài)必須使 端稱為置1端：從0態(tài)換1態(tài)，必須使,特點(diǎn)：,三.邏輯功能的表示方法,(1) 真值表,與非門(mén)組成的基本RS觸發(fā)器的真值表,(2)用邏輯符號(hào)圖表示,(3)用時(shí)序圖(波形圖)表示,1,0,1,1,1,1,1,0,0,0,0,0,1,1,1,1,1,1,1,1,0,0,0,1,1,1,不定,(4) 或非門(mén)構(gòu)成的基本 RS 觸發(fā)器,電路結(jié)構(gòu):,輸入端為高電平有效.,邏輯功能的表示方法,或非

5、門(mén)組成的基本RS觸發(fā)器的真值表,演示,演示,演示,演示,與非門(mén)和或非門(mén)基本RS觸發(fā)器組成的真值表,輸入端各自取反,其真值表相同.,例1：用RS觸發(fā)器構(gòu)成無(wú)抖動(dòng)開(kāi)關(guān),四.應(yīng)用實(shí)例,在機(jī)械開(kāi)關(guān)扳動(dòng)或按動(dòng)過(guò)程中,一般都存在接觸抖動(dòng),在幾十毫秒的時(shí)間里連續(xù)產(chǎn)生多個(gè)脈沖,如圖(a)、(b)所示。這在數(shù)字系統(tǒng)中會(huì)造成電路的誤動(dòng)作。為了克服電壓抖動(dòng)，可在電源和輸出端之間接入一個(gè)基本RS觸發(fā)器，在開(kāi)關(guān)動(dòng)作時(shí)，使輸出產(chǎn)生一次性的階躍，如圖（c）、（d）所示，這種無(wú)抖動(dòng)開(kāi)頭稱為邏輯開(kāi)關(guān)。若將開(kāi)關(guān)S來(lái)回扳動(dòng)一次，即可在輸出端Q得到無(wú)抖動(dòng)的負(fù)的單拍脈沖。如圖（c）輸出端的波形。,例2：用基本RS觸發(fā)器構(gòu)成水位控制電路

6、,如圖所示是一個(gè)水位自動(dòng)控制電路。水箱中放入兩個(gè)探測(cè)水位的電極Ea和Eb，分別對(duì)應(yīng)水位a和b的位置?？刂齐娐酚苫綬S觸發(fā)器（G2、G3）輸入信號(hào)引導(dǎo)電路（G1、R1、R2、R3、R4、C1、C2）和繼電器驅(qū)動(dòng)電路（KA、T、R5、C3、D）構(gòu)成。電容C1、C2、C3在電路中起去耦抗干擾作用。R5為T(mén)的基極限流電阻。R1R4為門(mén)電路G1、G3輸入端限流電阻。,兩電極Ea、Eb在不同時(shí)入水的情況下應(yīng)有足夠大的絕緣電阻。三極管T選用3DG130作為繼電器KA線圈電流驅(qū)動(dòng)電路，二極管D構(gòu)成KA斷電瞬間的續(xù)流回路，防止出現(xiàn)過(guò)高的感應(yīng)電壓。,工作原理如下：,基本RS觸發(fā)器的優(yōu)缺點(diǎn),優(yōu)點(diǎn),缺點(diǎn),電路簡(jiǎn)單，

7、是構(gòu)成各種觸發(fā)器的基礎(chǔ)。,(1). 輸出受輸入信號(hào)直接控制，不能定時(shí)控制。,(2). 有約束條件。,4.2 同步觸發(fā)器,基本RS觸發(fā)器屬于異步式或稱為無(wú)時(shí)鐘觸發(fā)器，動(dòng)作特點(diǎn)是當(dāng)輸入的置0或置1信號(hào)一出現(xiàn)，輸出狀態(tài)就可能隨之而發(fā)生變化。觸發(fā)器狀態(tài)的轉(zhuǎn)換沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的節(jié)拍. 在使用觸發(fā)器時(shí),往往要求按一定的節(jié)拍動(dòng)作。這種觸發(fā)器有兩種輸入端：一種是決定其輸出狀態(tài)的數(shù)據(jù)信號(hào)輸入端（如RS觸發(fā)器的置0、置1端R和S），另一種是決定其動(dòng)作時(shí)間的時(shí)鐘脈沖（Clock Pulse），簡(jiǎn)稱CP輸入端。 具有時(shí)鐘脈沖輸入端的觸發(fā)器稱為時(shí)鐘觸發(fā)器。,觸發(fā)器的現(xiàn)態(tài)和次態(tài)的表示,1、電路組成及邏輯符號(hào) 它是由基本RS觸

8、發(fā)器和用來(lái)引入R、S及時(shí)鐘脈沖CP的兩個(gè)與非門(mén)而構(gòu)成，如圖所示。,同步 RS 觸發(fā)器,時(shí)鐘觸發(fā)器邏輯功能的表示方法除使用真值表（特性表）、符號(hào)圖、時(shí)序圖（波形圖）以外，還用特性方法、狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖（或轉(zhuǎn)換表）來(lái)表示。,2.邏輯功能分析 分析電路可知，在 CP=0 期間， 觸發(fā)器不動(dòng)作。在CP=1 期間，R 和 S 端的信號(hào)經(jīng)倒相后被引導(dǎo)到基本RS觸發(fā)器的輸入端 端和 端。在 CP 作用下，新?tīng)顟B(tài) 是輸入信號(hào)R和 S 及原狀態(tài) 的函數(shù)，即 = F(R,S, ),0,1,1,1,1,輸入端全為1的基本RS觸發(fā)器 輸入狀態(tài)保持不變.,(1)真值表 同步 RS 觸發(fā)器的真值表如表所示。其功能與基本 RS

9、觸發(fā)器相同，但只能在 CP=1 到來(lái)時(shí)狀態(tài)才能翻轉(zhuǎn)。,同步RS觸發(fā)器的真值表,演示,演示,演示,演示,是指不允許將R和S同時(shí)取為1，所以稱為約束條件。,（3）狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖 將觸發(fā)器兩個(gè)穩(wěn)態(tài)0和1用兩個(gè)圓圈表示，用箭頭表示由現(xiàn)態(tài)到次態(tài)的轉(zhuǎn)換方向，在箭頭旁邊用文字符號(hào)及其相應(yīng)信號(hào)表示實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換所必備的輸入條件，這種圖稱為狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。,(2)卡諾圖與特性方程,（約束條件）,將 作為輸出變量,把S、R和 作為輸入變量填入卡諾圖，經(jīng)化簡(jiǎn)得特性方程,3、同步RS觸發(fā)器的空翻問(wèn)題 給時(shí)序邏輯電路加時(shí)鐘脈沖的目的是統(tǒng)一電路動(dòng)作的節(jié)拍。對(duì)觸發(fā)器而言，在一個(gè)時(shí)鐘脈沖作用下，要求觸發(fā)器的狀態(tài)只能翻轉(zhuǎn)一次。而同步RS觸發(fā)

10、器在一個(gè)時(shí)鐘脈沖作用下，觸發(fā)器的狀態(tài)可能發(fā)生兩次或兩次以上的翻轉(zhuǎn)，這種現(xiàn)象稱為空翻。出現(xiàn)空翻現(xiàn)象有以下兩種情況： （1）在CP=1期間，如果輸入端的信號(hào)R和S再有變化，可能引起輸出端Q翻轉(zhuǎn)兩次或兩次以上。 如圖所示，保證在CP=1期間只變化一次，則要求在CP=1期間不允許R和S的輸入信號(hào)發(fā)生變化。,0,1,0,1,0,0,0,1,1,1,1,（2）當(dāng)同步RS觸發(fā)器接成計(jì)數(shù)狀態(tài)時(shí)，容易發(fā)生空翻。 設(shè)Q=0，當(dāng)CP=1脈沖到來(lái)時(shí)，G4輸出0，G2輸出1，Q由0變?yōu)?。如果CP=1繼續(xù)保持，G3輸出0，引起 由0變以1，而Q由1變以0。此時(shí)出現(xiàn)空翻。,1、電路結(jié)構(gòu)及符號(hào),包含主觸發(fā)器和從觸發(fā)器兩大部

11、分及其控制門(mén)，傳輸門(mén)由兩個(gè)互補(bǔ)的信號(hào)C和非C控制。D為數(shù)據(jù)輸入端，Q和非Q為輸出端。SD、RD為異步直接置位（置1）和復(fù)位（置0）端。,所謂異步是復(fù)位和置位時(shí)不受時(shí)鐘脈沖CP的控制。,同步 D 觸發(fā)器,2、工作原理和邏輯功能分析,（1）異步復(fù)位和置位功能,無(wú)論CP處于何種狀態(tài) SD=1，RD=0,SD=0，RD=1,只有RD=SD=0時(shí)，才能使CP、D產(chǎn)生邏輯功能。,兩個(gè)輸出端和SD、RD構(gòu)成或非門(mén)基本RS觸發(fā)器。,（2）D和CP的觸發(fā)作用,分析RD=SD=0時(shí)，D觸發(fā)器的工作情況。,CP=0 時(shí)，C=0，TG1、TG4導(dǎo)通，TG2、TG3截止，主、從觸發(fā)器之間由TG3隔離，使信號(hào)鎖存于主觸發(fā)

12、器；從觸發(fā)器通過(guò)TG4閉環(huán)反饋?zhàn)枣i，保持原來(lái)Q的狀態(tài)。,RD=SD=0 時(shí)，,CP=1時(shí)，C=1，TG1、TG4截止，TG2、TG3導(dǎo)通，輸入通道被封鎖，主觸發(fā)器通過(guò)TG2保持CP上升沿到來(lái)前的一瞬間所接收的D信號(hào)，而從觸發(fā)器Q的狀態(tài)根據(jù)Z1的狀態(tài)變化而變化。,它具有邊沿觸發(fā)器的特性，故稱為主從型邊沿D觸發(fā)器。,主從觸發(fā)器由互補(bǔ)的時(shí)鐘脈沖分別控制兩部分。,3、D觸發(fā)器邏輯功能的表示,D觸發(fā)器具有置0，置1的功能。,特性方程,當(dāng)CP上升沿觸發(fā),D觸發(fā)器的真值表和狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖,4.3 時(shí)鐘脈沖邊沿觸發(fā)的觸發(fā)器,1、維持阻塞邊沿D觸發(fā)器,電路結(jié)構(gòu)和邏輯符號(hào),各組成部分的功能,輸入端D, 為異步置位端，

13、 為異步復(fù)位端。作用是人為地置1或置0，連線1，2，3，4分別稱為置0維持線，阻塞置1線，置1維持線和阻塞置0線。,SD=RD=1，D=0，CP=0時(shí)，G3、G4、G6輸出1，G5輸出0， ，Q保持不變。,SD=RD=1，D=0，CP=1時(shí)，G4輸出為0， ，G6不變，G3，G5組成的基本RS觸發(fā)器輸入全為1，輸出保持不變， 。G1、G2組成的RS觸發(fā)器置0。,D=0時(shí),維持阻塞D觸發(fā)器工作原理,SD=RD=1，D=1，CP=0時(shí)，G3、G4輸出1，G6輸出0，G5輸出1。,SD=RD=1，D=1，CP=1時(shí)，G3輸出0，Q置1。,線1、2的作用保證D=0時(shí)，在CP上升沿瞬間使觸發(fā)器置0。線3

14、、4的作用保證D=1時(shí)，在CP上升沿瞬間使觸發(fā)器置1。這樣的觸發(fā)器具有抗干擾能力、工作穩(wěn)定可靠。,2、主從型CMOS邊沿D觸發(fā)器,電路結(jié)構(gòu)和邏輯符號(hào),例 已知維持阻塞邊沿D觸發(fā)器輸入CP和D信號(hào)的波形（已知 ），如圖所示，試畫(huà)出輸出端Q和 的波形。,2、下降沿觸發(fā)的JK觸發(fā)器,負(fù)邊沿觸發(fā)器輸出狀態(tài)是根據(jù)CP下降沿到達(dá)瞬間輸入信號(hào)的狀態(tài)來(lái)決定的。而在CP變化前后，輸入信號(hào)狀態(tài)變化對(duì)觸發(fā)器狀態(tài)都不產(chǎn)生影響。,1、電路結(jié)構(gòu),2、工作原理和邏輯功能分析,設(shè),2、CP=1時(shí)，門(mén)BB被解除封鎖，基本RS觸發(fā)器的狀態(tài)可以通過(guò)B，B繼續(xù)保持狀態(tài)不變，這時(shí)各門(mén)輸出函數(shù)式為,無(wú)論J、K如何改變，輸出均不改變。,1

15、、CP=0時(shí)，B、B、G3、G4同時(shí)被CP封鎖，P=P=1,門(mén)A、A是打開(kāi)的，基本RS觸發(fā)器 通過(guò)A、A的反饋互鎖保持不變。,3、CP的上升沿和下降沿的瞬間電路工作狀態(tài)的變化。,（1）CP由0到1的上升沿到來(lái) 瞬間，G3、G4延時(shí)，B,B先打 開(kāi)，先有 然后 出現(xiàn) 。此 時(shí)與CP=1時(shí)情況相同， J、K不起作用。,（2）在CP由1到0的下降沿瞬間，G3、G4的延遲，B=B=0，P、P要保持一個(gè)tpd的延遲，此時(shí)， A，A與或非門(mén)構(gòu)成基本RS觸發(fā)器，此時(shí) 代入同步RS觸發(fā)器的特性方程式，得到,此后，門(mén)G3、G4被CP=0封鎖，P=P=1，觸發(fā)器狀態(tài)Q不再受JK觸發(fā)器信號(hào)變化的影響。,0,0,0,

16、由此可知，該觸發(fā)器只有在CP下降沿的時(shí)刻，才能使輸出Q發(fā)生變化，具有邊沿觸發(fā)的特點(diǎn)。,4、由特性方程所得的真值表,JK觸發(fā)器的真值表,當(dāng)J=K=0時(shí)， ；J與K相反時(shí)， 狀態(tài)隨J；J=K=1時(shí)， 。即0、0不變；0、1出0；1、0出1；1、1翻轉(zhuǎn)。,5、JK 觸發(fā)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖和激勵(lì)表,例 對(duì)負(fù)邊沿JK觸發(fā)器加輸入信號(hào)CP、J、K波形如圖所示，圖中J 端存在窄干擾脈沖，試畫(huà)出輸出端Q的波形。,Q=0，,0、0不變，0、1出0；1、0出1。1、1翻轉(zhuǎn)。,不變,不變,4.4 T 觸發(fā)器和T 觸發(fā)器,用JK、D 觸發(fā)器轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)T和T觸發(fā)器,輸入為T(mén),輸入全為1,由 JK 觸發(fā)器構(gòu)成的 T,T 觸發(fā)器

17、,用 D 觸發(fā)器構(gòu)成的 T,T 觸發(fā)器,4.5 觸發(fā)器應(yīng)用舉例,一、觸摸式密碼電子鎖電路,觸摸式密碼電子鎖電路圖,門(mén)鎖結(jié)構(gòu)示意圖,二、8位搶答電路,4.6 觸發(fā)器的選擇和使用,各種觸發(fā)器具有不同的邏輯功能，即使功能相同，不同系列的觸發(fā)器在結(jié)構(gòu)、性能等方面也有差異，在使用中注意處理好一些實(shí)際問(wèn)題，綜述如下： 基本RS觸發(fā)器及其性質(zhì)是觸發(fā)器電路的基礎(chǔ)。同步RS觸發(fā)器，在基本RS觸發(fā)器的基礎(chǔ)上加入時(shí)鐘脈沖，缺點(diǎn)是有空翻現(xiàn)象。實(shí)用的集成時(shí)鐘觸發(fā)器分為主從型、邊沿型和主從邊沿型。 同步觸發(fā)器有空翻現(xiàn)象，只能用在脈沖高或低有效電平作用期間輸入信號(hào)不變的場(chǎng)合。,本章小結(jié),觸發(fā)器構(gòu)成數(shù)字系統(tǒng)的基本邏輯單元，具有記憶功能，用于構(gòu)成時(shí)序邏輯電路。,觸發(fā)器有兩個(gè)基本特性：有兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)；在外信號(hào)作用下，兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)可相互轉(zhuǎn)換，沒(méi)有外信號(hào)作用時(shí)保持原狀態(tài)不變。因此，觸發(fā)器具有記憶功能，常用來(lái)保存二進(jìn)制信息。,Qn+1 = D,只有 CP 輸入端， 無(wú)數(shù)據(jù)輸入端。 來(lái)一個(gè)CP翻轉(zhuǎn)一次,D 觸發(fā)器,T 觸發(fā)器,RS 觸發(fā)器,JK 觸發(fā)器,T觸發(fā)器,觸發(fā)器根據(jù)邏輯功能不同分為,不同觸發(fā)方式的工作特點(diǎn),正電平觸發(fā)式觸發(fā)器的狀態(tài)在 CP = 1 期