《计算机电路基础》第10章：触发器和时序逻辑电路.ppt

第10章触发器和时序逻辑电路 时间 3次课6学时 第10章触发器和时序逻辑电路10 1触发器10 2计数器10 3寄存器10 4脉冲波形的产生与变换10 5555定时器及应用 教学提示 组合电路的输出状态完全是由某一时刻的输入状态而定 与电路的原状态无关 因此组合电路不具有记忆功能 在数字系统中 不仅需要逻辑运算的电路 还需要将电路将有关的信号和结果保留下来 即具有记忆功能的时序逻辑电路 教学目标 1 掌握RS触发器 主从RS触发器 D触发器 JK触发器的逻辑功能 2 理解计数器和寄存器的工作原理 3 掌握施密特触发器的工作原理 4 了解555定时器的工作原理和应用 时序逻辑电路 组成的组合逻辑电路的特点 是输出信号随着输入信号的改变而改变 为了连续运算和控制等需要 还要将有关的运算结果及其信号内容 代码 保存起来 这就需要有记忆功能的时序逻辑电路 时序逻辑电路的输出状态不仅决定于当时的输入状态 而且还与电路的原始状态有关 即有记忆的功能 时序逻辑电路的基本逻辑单元是各种类型的触发器 触发器是一种具有 0 和 1 两种稳定状态的电路 分别代表了触发器中所储存的两个代码 触发器是一个能存放一位二进制代码的存储单元 10 1触发器触发器的分类 按逻辑功能 RS触发器 JK触发器 T T 触发器 D触发器等 按其稳定工作状态 双稳态触发器 单稳态触发器 无稳态 多谐振荡器 等 10 1 1基本RS触发器1 基本RS触发器组成 1 由两个与非门构成如下图10 1 a 基本RS触发器的逻辑符号如下图10 1 b 所示 其中输入端引线靠近方框的小圆圈表示负脉冲有效 图10 1 2 触发器状态 2 基本RS触发器的工作原理 3 逻辑状态表 表10 14 基本RS触发器的工作波形如下图10 2所示 5 应用 图10 3 4位二进制数码寄存器 有两个控制信号 清零信号CR低电平有效 置数控制信号LD高电平有效 D0 D3为二进制数码 从Q0 Q3寄存器输出 CR加低电平 寄存器Q端置0 则CR处于高电平 置数时 置数控制信号LD给高电平 接收D0 D3二进制数码并使基本RS触发器做相应的翻转 10 1 2同步触发器要求触发器按一个信号同时动作 这个信号称为同步信号 同步信号是受外加的时钟脉冲CP控制 触发器的状态何时发生翻转 是受时钟脉冲CP的控制 而翻转成何种状态 则取决于各自触发器的输入信号 受时钟控制同步工作的触发器 称为同步触发器 1 同步RS触发器 1 电路组成与符号电路如图10 4 a 逻辑符号图10 4 b 所示 同步RS触发器由与非门G1和G2组成基本RS触发器 由G3和G4组成输入的控制门电路 输入信号R和S均为高电平有效 图10 4 2 逻辑表达式 从电路逻辑图中写出逻辑表达式 式中 等号右边的Q和左边的Q其含意是不同的 等号右边的Q表明在每一个同步脉冲来之前触发器的状态 等号左边的Q则表明在每一个同步脉冲来之后触发器新的状态 为了区分两者 前者Q用Qn表示 称为触发器现态 后者Q用Qn 1表示 称为次态 3 工作原理 由上可得出同步RS触发器状态转换真值表如表10 2 由表中可写出同步RS触发器的逻辑功能表达式 同步RS触发器的状态如表10 3所示 工作波形如图10 5所示 2 同步D触发器 1 电路的组成和符号 2 工作原理分析可知 同步脉冲CP把输入端D的状态传送到输出端Q 3 列出同步D触发器的状态转换真值表 如表10 4所示 4 同步D触发器工作的波形如图10 7所示 10 1 3主从触发器1 主从RS触发器 1 主从RS触发器组成右图10 10 由两个同步RS触发器组成 G5 G8门构成主触发器 G1 G4门构成从触发器 CP直接加到主触发器 同步的时钟脉冲经过G9非门后 加到从触发器 两个触发器的脉冲是互补的 图10 10 2 工作原理由此可知 在CP 1的期间 主触发器仅接收R和S输入信号 置成相应的状态 从RS触发器状态不变 只有当CP出现负脉冲 下降沿 到来时 从触发器按照主触发器的状态 输出端做相应翻转 这样的触发翻转称为下降沿触发 主从触发器状态仅取决于CP下降沿到来前的R S的状态 因此 在其他任何时候输入信号R和S都不会直接影响到输出端Q和的状态 有效地控制了触发器的翻转 3 主从RS触发器的工作的波形如下图 a 逻辑符号如下图 b 4 主从RS触发器的状态特性 2 主从JK触发器电路如图10 12 主从JK触发器是在主从RS触发器的基础上 把输出端的两个状态作为一对附加控制信号引回到输入端而构成的 CP接在主触发器 CP取反后加到触发器 输入端J称为置位端 K称为复位端 1 工作原理触发器的工作过程四种情况 图10 12 图10 12 图10 12 结论 在J K 1时候 来一个时钟脉冲 使JK触发器翻转一次 触发器具有计数功能 用逻辑关系可表示为主从JK触发器在J K 1时的工作波形 如图10 13所示 2 逻辑状态表 10 2计数器记忆脉冲个数叫计数 实现计数操作的电路称为计数器 计数器还可以进行定时 分频和产生脉冲序列等 计数器的种类 按照时钟输入方式 可分为同步计数器和异步计数器 按照计数方式 可分为加法 减法和可逆计数器 按照计数长度 可分为二进制 十进制和N进制计数器 1 同步二进制加法计数器1 电路结构当J K 1时 主从JK触发器具有计数功能 每一个主从JK触发器可以计一位二进制数 因此若用4个JK触发器 可以对16个脉冲进行计数 图10 15中是一个同步4位二进制加法计数器电路 4个JK触发器 F0 F3 组成 接同一个计数脉冲CP上 时钟方程为 CP0 CP1 CP2 CP3 CP 各个触发器的驱动信号分别为 称为电路的驱动方程 J0 K0 1J1 K1 Q0J2 K2 Q0Q1J3 K3 Q0Q1Q2 10 9 CP 图10 15 2 特征方程和输出方程 3 4位二进制加法计数器状态表 4 计数器时序图 各位触发器的时钟脉冲输入端接到同一个计数脉冲CP上 各位触发器的翻转都是同步的 称为同步加法计数器 图10 16为该电路计数器的时序 2 异步二进制加法计数器图10 17 是由4个JK触发器 F0 F3 组成 所有的J K悬空 处在计数状态 由F0触发器的CP输入端输入计数脉冲 从F0触发器的输出Q0作为第二个触发器F1的CP输入 移次类推 4个JK触发器的输出端 Q0 Q3 为4位二进制计数器计数链输出 在开始计数前 在 F0 F3 触发器的置 0 端上加一负脉冲 给 F0 F3 触发器清零 对于每一个计数脉冲CP 都是从最低位的触发器开始翻转一次 而高位的触发器要在它相邻低位触发器从 1 翻转为 0 时才翻转 触发器状态的翻转是从低位向高位有先有后的 所以称为异步 如果从每位的输出端Q作为信号引出 不难看出触发器的输出 Q0 Q3 分别是其输入脉冲信号频率的2分频 4分频 8分频 16分频 因此 可以利用电路结构 实现分频功能 10 2 2十进制计数器常用的是8421编码十进制计数器 用4个JK触发器来实现 形成16种状态 取其中10种 0000 1001 表示0 9数字 而对1010 1111弃之不用 1 图10 18所示为一个8421码的同步十进制计数器 电路中4个JK触发器 直接使用置0端清零 计数脉冲加在所有触发器的CP输入端 计数数码由各触发器的 Q0 Q3 端输出 触发器的时钟方程为CP0 CP1 CP2 CP3 CP 图10 18 2 电路状态方程 3 状态转移表 从Q3nQ2nQ1nQ0n 0000开始 依次代入式 10 13 进行计算 得出同步十进制计数器的状态转移表如表10 8所示 4 电路的工作波形如图10 19所示 10 2 3集成计数器 以74LS1614位二进制加法计数器为例说明其功能和典型应用 一 74LS161集成电路管脚图 下图10 20所示 二 逻辑电路图 图10 21 三 控制端功能 四 计数功能见表10 9 五 基本应用 10 3寄存器 寄存器主要是由触发器组成 一个触发器可以存放一位二进制代码 所以要存放n位二进制代码 寄存器就需要用n个触发器 寄存器常分为 数码寄存器和移位寄存器 10 3 1数码寄存器数码寄存器只具有接收数码和清除原有数码的功能 图10 23是74LS175的逻辑电路图 由4个D触发器组成的4位数码寄存器 在寄存数码前 必须先复位 清零 使四个D触发器全处于0态 在CP接收脉冲上升沿作用下 D0 D1 D2和D3数据被并行存入寄存器 寄存的数据从Q0 Q1 Q2和Q3上并行输出 74LS175的功能如表10 10所示 10 3 2移位寄存器移位是指在移位命令下 寄存器中各位的内容依次向左或向右单向移动 能执行移位操作的寄存器称为移位寄存器 移位寄存器又分为单向移位寄存器和双向移位寄存器 1 单向移位寄存器触发器前级的输出端接到下一级的信号输入端 若干个触发器依次如此串行连接 就可构成一个移位寄存器 图10 24是一个4位移位寄存器 在CP脉冲作用下数码是向右移位寄存 称为右向移位寄存器 图10 24 下图10 25所示的为输入数码D0D1D2D3 1101的移位波形 2 双向移位寄存器数据能向左 右边逐位移位的移位寄存器称为双向移位寄存器 图10 26是用4个D触发器组成的双向移位寄存器 每一个触发器的数据输入端D是和移向转换控制的与或非门 G0 G3 输出端相连接 移向转换控制的与或非门是由控制门S的状态决定移位的方向 当S 1时 右向移位寄存 当S 0时 左向移位寄存 10 4脉冲波形的产生与变换 数字电路中采用两种方法获得脉冲波形 一 利用脉冲振荡器直接产生所需的脉冲波形 二 利用脉冲整形电路 把已有的波形变换成所需的脉冲波形 10 4 1矩形脉冲信号1 矩形脉冲的参数 矩形脉冲波形如图10 29 1 脉冲周期T是指在周期性重复的脉冲序列中 两个相邻脉冲间的时间间隔 2 脉冲幅度Um是指脉冲信号电压最大的变化量 3 脉冲宽度TW是指脉冲前后沿0 5Um处的时间间隔 图10 29 4 上升时间tr是指脉冲前沿从0 1Um上升到0 9Um所需的时间 5 下降时间tf是指脉冲后沿从0 9Um下降到0 1Um所需的时间 6 脉宽比脉冲信号的宽度TW与其周期T的比称为脉宽比 用TW T表示 亦称为占空比 10 4 2多谐振荡器振荡电路只要参数合适 电路自身能产生一定频率和幅值的矩形脉冲信号 这种电路称为多谐振荡器 由于多谐振荡器在工作时不存在稳定状态 又称为无稳态电路 1 电路的组成1 特点 第一 电路中含有能产生高 低电平的开关器件 如门电路 电压比较器等 第二 电路中都具有反馈网络 将输出信号电压反馈给开关器件使之改变输出状态 第三 电路中还具有定时环节 利用RC电路的充放电特性 改变开关器件两种状态的时间 实现延时 可获得所需的脉冲信号的振荡频率 2 由两个TTL与非门电路和RC组成的多谐振荡器 从图10 30中看到电容C构成了正反馈网络 RC是电路的定时元件 2 工作原理1 第一个暂稳态过程设G1处于导通 开 的状态 有 u01为低电平 0 3V G2处于关的状态 u02为高电平 3 6V 这时电容处于放电状态 R C与TTL内电路的连接如图10 31 a 电容放电导致G1输入端电压ui逐渐下降 当ui的电压低于阀值电压UTH 1 4V 时 电路产生正反馈过程 图10 30 图10 3 a 正反馈使G1截止 而G2导通 振荡器进入了G1关 G2开的第一个暂稳态过程 这一过程中 u02的电压从3 6V下跳至0 3V 下跳3 3V 但电容两端电压不能突变 u02的下跳反映在输入端电压ui上 ui从阀值电压UTH 1 4V 也要下跳3 3V 所以ui 0 1 4V 3 3V 1 9V2 第一个暂稳态过程u01通过电阻R向电容C充电 如图10 31 b 所示 电容C上的充电则是从ui 0 1 9V开始 以指数式上升直至ui 阀值电压UTH 1 4V 正反馈使G1开 G2关 振荡器进入了第二个暂稳态过程 这时候 u01从3 6V下跳至0 3V u02从0 3V上跳到3 6V 上跳3 3V 所以ui 0 1 4V 3 3V 4 7V 上跳到4 7V 随之又开始电容放电 反复上述的两个暂稳态过程 振荡的波形如图10 32所示 图10 31 b 3 振荡的波形如下图10 32所示 4 主要参数 10 4 3单稳态触发器三个特点 1 电路有一个稳定状态和一个暂稳定状态 2 在外来脉冲作用下 电路能从稳态翻转到暂稳态 3 暂稳态是一个不能保持的状态 故称为单稳态触发器 单稳态触发器的电路结构有微分型和积分型两种类型 本节分析微分型单稳态触发器有多种电路 图10 33 a 由两个或非门G1和G2构成 R和C组成微分定时电路 图10 33 b 所示是单稳态触发器通用逻辑符号 图10 33 1 工作原理 1 无触发信号ui 0时 电路处于稳态G2门输入端经电阻R与电源UDD相连接 为高电位 uo2低电位 而ui 0 G1门的两个输入端均为低电平 uo1高电位 这时电容C上的电压近似为零 电路处于稳定状态 2 外加触发信号 电路由稳态翻转为暂稳态当t1时 外加正跳变触发信号ui uo1由高电平跳到低电平 经电容C藕合 u1电压由高点位下跳到低电位 uo2为高电平 Uo2的高电位接至G1门的输入端 导致正反馈 使G1的导通 G2的截止 此时把外加触发信号ui撤除 由于uo2的高电位和G1门的或逻辑关系 使G1门输出端维持低电位 电路由稳态翻转为暂稳态 3 通过对电容的充电 使电路返回到稳态 由于uo1为低电平 正电源 UDD通过R对电容C充电 充电回路为 UDD R C uo1 地 u1随C的充电而上升 在t2时刻 u1升高到G2的阀值电压UTH时 G2门的uo2从高电位下跳到低电位 这时 G1门的两个输入端均为低电位 G1门迅速截止 G2门很快导通 所以电路由暂稳态自动返回到稳态 4 恢复到稳态 暂稳态结束 电容将通过电阻R放电 使电容上的电压恢复到稳态时的初始值 电路各点的工作波形如右图10 34所示 10 4 4施密特触发器特点 把输入脉冲波形整形成适合于数字电路的矩形脉冲 有很强的抗干扰能力 1 电路组成由两级CMOS反相器构成的施密特触发器 如图10 35 a 图 b 为其逻辑符号 图中ui通R1和R2分压来控制G1门的状态 假定反相器的阀值电压UTH UDD 2 R1 R2 输入信号ui设为三角波 据叠加定理 u1 10 20 图10 35 2 工作过程 结合图10 36 a 和 b 波形和曲线 理解其工作状态 1 当ui 0时 G1门截止 输出高电位uO1 UDD G2门导通 输出uo 0为低电位 2 当ui上升时 据式 10 20 G1门电压u1也随之上升 只要在u1 UTH G1门总是截止的 输出uo2总是低电位 保持着稳定状态 3 当ui上升到u1 UTH G1门开始导通 使电路产生如下正反馈过程 电路状态很快转换为uo UDD 触发器发生翻转 图10 35 图10 35 图10 36 输入信号ui正向上升导致施密特触发器状态翻时的ui电压 称为正向转换电压用UT 表示 图10 36 4 当满足u1 UTH 电路的状态就维持在uo UDD不变 5 当ui上升到最大后开始下降到u1 UTH时 电路又会产生如下正反馈过程 使G1门截止 G2门导通 电路的状态转换为uo 0 此时的输入信号ui的电压值为施密特触发器下降时的转换电压 称为负向转换电压 用UT 表示 式据 10 20 21 有 10 21 据前设定UTH UDD 2代入上式 可求得负向转换电压UT 只要能满足输入信号ui的电压值小于UT 施密特触发器就会稳定在uo 0的状态上 3 工作特点 第一 有两个稳定状态 两个稳态都必须靠触发信号来维持 第二 两个稳态的翻转必需由外信号的触发电压决定 当触发信号大于UT 时 施密特触发器从低电平转为高电平 当触发信号小于UT 时 施密特触发器从高电平转为低电平 一般有UT UT 通常称UT 为上限触发电压 UT 为下限触发电压 上下限触发电压差称为回差电压 根式 10 21 和式 10 22 回差电压 UT UT UT 2R1 R2改变R1和R2的大小可以调整回差电压值 第三 回差电压使其输出电压的传输特性存在滞回现象 4 施密特触发器的应用 1 用于波形变换和整形 可以把边沿变化缓慢和不规则的周期性信号变换成矩形脉冲 如图10 37所示 2 用于脉冲鉴幅 应用施密特触发器的正向转换电压用UT 将一系列幅度不一的脉冲信号进行鉴幅 如下图10 38所示 10 7本章小结 本章内容有两大部分 一 基本逻辑单元 触发器 基本RS触发器 同步RS触发器 主从触发器 二 逻辑电路 计数器和寄存器 脉冲波形的产生和整形的脉冲电路 应能掌握理基本逻辑单元的工作原理和理解基本逻辑电路的分析方法 1 触发器是一种具有两个稳定状态的基本逻辑单元 在外界信号的作用下 可以从一个稳定状态转变为另一个稳定状态 在外界信号的作用下 维持原来稳定状态 具有 记忆 的功能 2 具有同样逻辑功能的触发器 可以用多种不同电路结构形式来实现 3 由两个与非门组成的基本RS触发器是各种触发器的最基本单元 应清楚地理解两个输入端置0 置1的作用 4 同步触发器是电位触发方式 5 主从型触发器是在时钟脉冲的下降沿触发 在逻辑电路图中 下降沿触发的 在其输入端用一个小圆圈表示 6 常用触发器的真值表 输入信号是双端的触发器 以JK触发器的逻辑功能最为完善 输入信号为单端的触发器 使用方便的是D触发器 所以集成数字电路中触发器多为JK触发器 D触发器 7 时序逻辑电路的特点 具有记忆功能 计数器 寄存器 脉冲产生电路及存储器都是时序逻辑电路中典型的常用电路 应熟悉其电路的结构与工作原理 Q A Thanks