数字电路的应用

数 字 自 动 售 货 机 自 动 取 款 机自 动 售 货 机自 动 咖 啡 机 数 字 测 重 器 用 门 电 路 实 现 逻 辑 关 系触 发 器 及 其 在 电 子 控 制 系 统 中 的 作 用 数 字 电 路 的 基 本 单 元 电 路 是 门 电 路 和 触 发 器 ， 触 发 器 又 是 由 门 电路 构 成 的 ； 在 数 字 电 路 中 ， 门 电 路 用 于 实 现 各 种 逻 辑 关 系 ， 触 发 器 用于 存 储 数 据 ： 任 何 复 杂 的 电 子 控 制 系 统 中 的 控 制 部 分 都 可 用 数 字 电 路实 现 。 用 门 电 路 实 现 逻 辑 关 系案 例 分 析 普 通 电 子 秤 上 显 示 的 价 格 的 最小 单 位 是 “ 分 ” 。 小 明 想 在 秤 上 加一 个 四 舍 五 入 的 电 路 ， 能 自 动 对 电子 秤 显 示 的 “ 分 ” 值 作 四 舍 五 入 处理 ， 使 显 示 的 最 小 值 为 “ 角 ” 。 请 你 帮 他 设 计 此 电 路 。 设 计 数 字 电 路 的 步 骤 是 ： (1)对 电 路 的 输 入 端 、 输 出 端 的 名 称 及 其 所 代 表 的 逻 辑 含义 加 以 指 定 ； (2)根 据 能 使 输 出 为 1的 条 件 ， 分 析 其 辅 出 与 输 入 之 间 的 逻辑 关 系 ； (3)将 上 述 逻 辑 关 系 用 逻 辑 表 达 式 表 示 ； (4)选 择 合 适 的 数 字 集 成 电 路 和 其 他 有 关 器 件 搭 接 此 电 路 。 按 上 述 步 骤 ， 对 该 案 例 设 计 步 骤 的 前 两 步 分 析 如 下 ： 第 一 步 ： 由 于 在 电 子 秤 中 ， 每 1位 十 进 制 数是 用 4位 二 进 制 数 表 示 的 ， 所 以 电 路 应有 4个 输 入 C8、 C4、 C2、 C1， 它 们 对 应 的十 进 制 数 为 N。 电 路 应 有 1个 输 出 C0， 它 代 表 “ 分 ”向 “ 角 ” 的 进 位 。 当 N 4时 ， C0为 0； 当N 5时 ， C0为 1。 第 二 步 ： 从 表 中 可 以 看 出 ， 能 使 输 出C0为 1的 条 件 有 3种 情 况 ； (1)只 要 C8为 1， 如 N=8和 N=9时 ， C0一 定 为 l； (2)若 C4和 C1同 为 1， 如 N=5和N=7时 ， C0=1； (3)若 C4和 C2同 为 1， 如 N=6和N=7时 ， C0=1。 请 按 设 计 步 骤 完 成 第 三 步 、第 四 步 设 计 。 其 中 ， 输 入 信 号 可照 右 图 方 法 用 一 个 单 刀 双 掷 开 关获 得 ； 输 出 可 用 发 光 二 极 管 作 指示 ， F=1时 ， 发 光 二 极 管 发 光 。 触 发 器 及 其 在 电 子 控 制 系 统 中 的 作 用基 本 触 发 器 的 记 忆 作 用在 数 字 电 路 中 常 常 需 要 将 某 个 信 号 (电 平 )保 持 一 段 时 间 。 基 本 触 发 器 逻 辑 图 基 本 触 发 器 波 形触 发 器 （ 能 够 存 储 位 二 值 信 号 的 基 本 单 元 电 路 统 称 为 触 发 器 。 ） 数 字 电 路 中 能 将 二 进 制 数 据 记 忆 住 的 基 本 单 元 电 路 称 为 触 发 器 ， 其中 最 简 单 的 种 称 为 基 本 触 发 器 ， 通 常 由 2只 或 非 门 (或 2只 与 非 门 )交 叉连 接 构 成 。 任 何 触 发 器 都 有 2个 输 出 端 Q和 Q， 正 常 情 况 下 Q和 Q总 是 反 相 的 ， 即不 是 (Q=0， Q=1)就 是 (Q=1， Q=0)。 (Q=0， Q=1)称 为 O状 态 ， (Q=1， Q=0)称 为 1状 态 。 基 本 触 发 器 有 2个 输 入 端 S和 R， S(set)称 为 置 位 端 或 置 1端 ， R(reset)称 为 复 位 端 或 置 0端 。 若 S端 加 触 发 信 号 (高 电 平 )， R端 不 加 触 发 信 号 ， 即 S=1， R=O， 基 本触 发 器 被 置 于 1状 态 ， 此 过 程 称 为 置 1； 若 R端 加 触 发 信 号 (高 电 平 )， S端 不 加 触 发 信 号 ， 即 S=0， R=1， 基 本触 发 器 被 置 于 O状 态 此 过 程 称 为 置 0。 无 论 置 1还 是 置 0， 当 触 发 信 号 结 束 后 ， 即 S和 R的 输 入 都 是 低 电 平时 基 本 触 发 器 的 状 态 保 持 不 变 。 由 此 可 见 ， 基 本 触 发 器 具 有 记 忆 作 用(也 称 存 储 作 用 )， 能 存 储 1位 二 进 制 信 息 （ 即 能 存 储 一 个 1或 0） 。 案 例 分 析 思 考 下 图 所 示 的 基 本 触 发 器在 我 们 观 察 的 时 刻 之 前 曾 在哪 一 端 加 过 触 发 信 号 ？ 基 本 触 发 器 的 两 个 输 入 端 通常 不 应 都 加 触 发 信 号 （ 高 电 平 ） ，基 本 触 发 器 输 出 与 输 入 之 间 的 关系 如 上 表 所 示 。 试 验 目 的 ： 熟 悉 基 本 触 发 器 的 功 能 。试 验 准 备 ： CT74LS00 1片 ， 电 位 器 1只 ， 电 阻 6只 ； 发 光 二 极 管 1只 。试 验 过 程 ： 按 电 路 图 搭 接 电 路 ， 调 节 Ui使 其 由 0变 大 ， 观 察 发 光 二 极 管的 发 光 情 况 ， 并 记 录 发 光 二 极 管状 态 变 化 时 的 Ui值 。 当 发 光 二 极 管 状 态 变 化 后 ，再 将 U i由 大 变 小 ， 观 察 发 光 二 极管 的 发 光 情 况 ， 并 记 录 发 光 二 极管 状 态 改 变 时 的 Ui值 。 小 试 验 初 始 Ui约 为 0V， 此 时 发 光 二 极 管 亮 。 Ui由 小 到 大 时 ， 状 态 改 变 时 的 Ui约 为 3.2V， 灯 灭 ， 以 后 一 直 保持 灭 ， 直 至 Ui=6V。 Ui由 大 到 小 时 ， 状 态 改 变 时 的 Ui约 为 1.6V， 灯 亮 ， 直 至 Ui回 到Ui=0V。 1. Ui 1.6V时 ， 触 发 器 置 1， Ui 3.2V时 ， 触 发 器 置 0。 2. 当 1.6V Ui 3.2V,触 发 器 处 于 保 持 (记 忆 )状 态 。 经 过 改 造可 用 于 有 上 、 下 限 控 制 要 求 的 水 位 、 温 度 等 控 制 电 路 中 ， 如 水 位 低于 某 值 进 水 ， 水 位 高 于 某 值 停 止 进 水 等 。 试 验 记 录 ： 初 始 状 态 (Ui=0)， 发 光 二 极 管 状 态 。 发 光 二 极 管 状 态 改 变 时 的 Ui 。 发 光 二 极 管 状 态 再 次 改 变 时 的 Ui 。 试 验 总 结 ： 1 该 电 路 是 如 何 体 现 基 本 触 发 器 功 能 的 ? 2 该 电 路 有 何 用 途 ? 阅 读 用 两 个 与 非 门 构 成 的 基 本 触 发 器 。 用 两 个 与 非 门 构 成 的 基 本 触 发 器 的 触 发信 号 是 低 电 平 ， 即 用 0来 触 发 。 当 置 1端 S加 触 发 信 号 ， 置 0端 R不 加 触 发信 号 ， 即 S=0， R=1时 ， 基 本 触 发 器 置 1； 当 置 0端 R加 触 发 信 号 ， 置 1端 S不 如 触 发信 号 ， 即 R=0， S=1时 ， 基 本 触 发 器 置 0； 当 两 输 入 瑞 皆 不 如 触 发 信 号 ， 即 S=1，R=1时 ， 基 本 触 发 器 状 态 不 变 ， 处 于 记 忆 状态 。 - - - - - - - 用 两 个 与 非 门 构 成 的 基 本 触 发 器 的 功 能 表 和 波 形 图 都 不 同 于 用 或非 门 构 成 的 基 本 触 发 器 ， 但 它 们 在 电 子 控 制 系 统 中 的 作 用 是 一 样 的 。 常 用 集 成 触 发 器 常 用 集 成 触 发 器 是 由 基 本 触 发 器 加 控 制 电 路 构 成 的 。 最 常 用 的 两 种 集 成 触 发 器 是 D触 发 器 和 JK触 发 器 。 D触 发 器 有 两 个 输 入 端 D和 C， D是 数 据 输 入 端 ， 被 存 储 的 数 据 加 在 此 处 ； C是 时 钟 输 入 端 ， 控 制 数 据 的 存 储 操 作 ： 通 常 在 C端 加 时 钟 信 号 CP(clock pulse)。 下 图 所 示 触 发 器 逻 辑 符 号 的 时 钟 输 入 端 有 一 个 “ ” 符 号 ， 表 示 将 数据 存 入 触 发 器 的 操 作 是 在 时 钟 信 号 的 上 升 沿 （ 即 由 0变 1的 时 刻 ） 发 生 的 ，如 图 中 的 t1时 刻 ， 时 钟 信 号 由 0变 1， 此 时 加 在 D端 的 信 号 为 l， 则 触 发 器 的状 态 变 为 1， 数 据 1就 被 存 进 了 触 发 器 。 在 下 一 个 时 钟 信 号 的 上 升 沿 （ t2时刻 ） 到 达 以 前 ， 无 论 加 在 D端 的 信 号 有 何 变 化 ， 触 发 器 的 状 态 都 保 持 不 变 ，体 现 了 触 发 器 的 记 忆 功 能 。 在 t2时 刻 ， CP信 号 又 一 次 由 0变 1， 此 时 加 在 D端的 信 号 值 为 0， 因 而 触 发 器 的 状 态 变 为 0， 数 据 0被 存 进 了 触 发 器 。 由 此 可 见 ， D触 发 器 的 状 态 每 个 时 钟 周 期 变 化 一 次 ， 根 据 前 一 周 期 （ 第 n周 期 ） 结束 时 ， 即 时 钟 脉 冲 上 升 沿 到 来 前 瞬 间 的 D值 （ D） ， 确 定 下 一 周 期 （ 第 n+1周 期 ） 的 状态 Q 。 D触 发 器 输 入 输 出RD CP D Q Q1 X X 0 10 1 1 00 0 0 1 JK触 发 器 JK触 发 器 的 输 入 端 J和 K， 其 作 用 类 似 基 本 触 发 器 的 S和 R， 是 确 定 触 发 器状 态 的 依 据 。 时 钟 信 号 输 入 端 C， 因 为 在 此 端 画 了 一 个 “ ” ， 表 明 只 有 在 时 钟 脉 冲 的下 降 沿 (即 由 1变 0的 时 刻 )， 触 发 器 的 状 态 才 由 J和 K确 定 ， 而 在 相 邻 两 个 时 钟脉 冲 的 下 降 沿 之 间 ， 触 发 器 的 状 态 都 保 持 不 变 。阅 读 JK触 发 器 输 入 输 出SD RD CP J K Q Q1 0 X X X 1 00 1 X X X 0 11 1 X X X 禁 用0 0 0 0 保 持0 0 1 0 1 00 0 0 1 0 10 0 1 1 翻 转0 0 0 X X 保 持 知 识 抢 答 竞 赛 抢 答 器 的 应 用 抢 答 器 的 设 计 改 进 在 电 路 试 验 板 上 用 4个 D触 发 器 做 成 一 个 彩 灯 控 制 器 ， 加 上 时 钟 信 号 后 ，4个 发 光 二 极 管 便 自 动 按 一 定 规 律 发 光 。 所 需 器 件 ： CCA042 1片 ， 发 光 二 极 管 4只 ， 按 钮 开 关 1只 ， 510 电 阻 4只 。 时 钟 信 号 可 由 信 号 源 的 方 波 输 出 端 提 供 (频 率 约 为 IHz)或 按 上 节 练 习中 提 供 的 多 谐 振 荡 器 电 路 制 作 一 个 频 率 约 为 1Hz的 多 谐 振 荡 器 ， 由 多 谐 振荡 器 的 输 出 信 号 提 供 。练 习 多 谐 振 荡 器 可 用 左 图 电 路 代 替 ， 其 中 K是有 常 开 ， 常 闭 两 个 触 点 的 开 关 ， 每 按 一 次 ， 从Q端 得 到 一 个 正 脉 冲 ， 将 Q端 接 到 LS175的 CP输 入 端 ， 则 每 按 一 次 开 关 ， 彩 灯 变 化 一 次 。彩 灯 控 制 器 光 控 开 关 电 路 参 考 电 路 参 考 电 路 “叮 咚 ” 双 音 门 铃 数 字 信 号 较 之 模 拟 信 号 有 很 多 优 点 ， 因 而 数 字 电 路 得 到 越 来 越 多 的应 用 。 与 、 或 、 非 是 三 种 最 基 本 的 逻 辑 关 系 ， 用 这 三 种 基 本 逻 辑 关 系 可 以组 成 各 种 复 杂 的 逻 辑 关 系 ； 日 常 的 各 种 因 果 关 系 皆 可 用 逻 辑 关 系 描 述 ，并 用 数 字 电 路 来 实 现 ， 这 是 电 子 控 制 系 统 的 基 础 。 晶 体 三 极 管 (MOS管 )在 开 关 信 号 作 用 下 存 在 截 止 和 饱 和 两 种 输 出 状态 ， 等 效 于 一 个 开 关 ， 可 以 构 成 各 种 门 电 路 。 常 用 的 逻 辑 器 件 有 TTL和 CMOS两 类 ， 它 们 各 有 优 、 缺 点 ， 应 根 据 对电 子 控 制 系 统 的 要 求 合 理 地 选 用 。 电 子 控 制 系 统 控 制 （ 处 理 ） 部 分 的 电 路 ， 应 在 仔 细 分 析 控 制 要 求 的基 础 上 ， 按 照 其 逻 辑 关 系 来 设 计 ， 其 中 门 电 路 用 于 实 现 各 种 逻 辑 关 系 ，触 发 器 用 于 存 储 数 据 ， 它 们 是 数 字 电 路 中 必 不 可 少 的 单 元 电 路 。课 堂 小 结