太原理工 电工电子技术课件chapter11(触发器与时序逻辑电路).ppt

第11章触发器与时序逻辑电路 11 1触发器 11 2时序逻辑电路的分析 11 3计数器 11 4寄存器 11 1触发器 触发器输出有两种可能的状态 0 1 输出状态不只与现时的输入有关 还与原来的输出状态有关 触发器是有记忆功能的逻辑部件 按功能分类 R S触发器 D型触发器 JK触发器 T型等 反馈 逻辑符号 1 电路结构与符号 1 基本RS触发器 11 1 1基本RS触发器 若原状态 1 1 0 0 1 0 1 0 输出仍保持 2 工作原理 输入 0 1时 若原状态 0 1 1 1 1 0 1 0 输出变为 输入 0 1时 若原状态 1 0 1 0 1 0 1 1 输出变为 输入 1 0时 若原状态 0 0 1 1 0 1 0 1 输出保持 输入 1 0时 若原状态 1 0 1 1 1 0 0 1 输出保持原状态 输入 1 1时 若原状态 1 1 0 1 1 0 输出保持原状态 输入 1 1时 输出全是1 输入 0 0时 但当 0同时变为1时 当负脉冲消失后 触发器的状态将由偶然因素决定 3 基本RS触发器的真值表 1 3 基本RS触发器的真值表 1 1 保持原状态 0 1 0 1 1 0 1 0 0 0 同时变为 1 后不确定 触发器是双稳态器件 只要令 1 触发器即保持原状态 稳态情况下 两输出互补 一般定义Q为触发器的状态 在控制端加入负脉冲 可以使触发器状态变化 端加入负脉冲 使Q 1 称为 置位 或 置1 端 端加入负脉冲 使Q 0 称为 复位 或 清0 端 2 可控RS触发器 CP 0时 0 触发器保持原状态 CP 1时 1 RS触发器的真值表 CP R S Q 0 保持 1 0 0 保持 1 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 1 1 不确定 简化的功能表 R S Q n 1 0 0 Q n 0 1 1 1 0 0 1 1 不确定 Qn 1 下一个状态 即次态 CP过后 Qn 原状态 即现态 逻辑符号 特性方程 约束条件 画出RS触发器的输出波形 CP R S Q 使输出全为1 CP撤去后状态不定 1 可控JK触发器 与门控RS触发器相比 8 1 2JK触发器 功能表 逻辑符号 特性方程 触发器存在的问题 计数脉冲必须严密配合 CP脉冲不能太长 否则触发器将产生空翻现象 CP 1期间 输出状态翻转若干次 为了解决空翻现象 可以采用主从方式触发的触发器 2 主从JK触发器 2 主从JK触发器 JK触发器的功能最完善 有两个控制端J K JK触发器的功能 被封锁 保持原态 J K 0时 相当于T触发器T 1 J K 1时 JK触发器的功能 Qn 0时 Qn 1 1 J 1 K 0时 分两种情况 Qn 0 Qn 1 JK触发器的功能 Qn 1时 F主被封保持原态 Qn 1 1 JK触发器的功能 Qn 1 0 同样原理 J 0 K 1时 逻辑符号 功能表 特性方程 时序图 CP K J Q 保持 T 4 可控T触发器 T 0时 触发器状态不变 特性方程 T 1时 触发器状态翻转 T等于1工作原理 1 假设Qn 0 来一个时钟翻转一次 T等于1时 触发器在CP的作用下不断翻转 G1 G2门被打开 1 D触发器 11 1 3其它触发器及其逻辑功能的转换 CP 1时 也称门控D触发器 真值表 逻辑符号 特性方程 CP D Q 例 画出D触发器的输出波形 3 门控JK触发器 与门控RS触发器相比 功能表 逻辑符号 特性方程 4 门控T触发器 T等于0时 触发器状态不变 a b门被堵 输出保持原态 T等于0时 T等于1工作原理 1 假设Qn 0 来一个时钟翻转一次 T等于1时 触发器在CP的作用下不断翻转 a b门被打开 门控触发器存在的问题 1 计数脉冲必须严密配合 CP脉冲不能太长 否则触发器将产生空翻现象 CP 1期间 输出状态翻转若干次 2 为了解决空翻现象 可以采用主从方式触发的触发器 11 1 3主从触发器 电路结构 1 工作原理 1 0 F主打开 F从关闭 输出反馈到F主 1 输出反馈到F从 0 工作原理 F主关闭 F从打开 0 由此可见 主从触发器一个CP只能翻转一次 翻转时刻描述 前沿处 输出交叉反馈到F主 后沿处 输出传递到F从翻转完成 CP 逻辑符号 1 主从RS触发器 时序图 CP Q 下降沿翻转 2 T触发器 1 功能表 逻辑符号 时序图 CP Q T 3 JK触发器 JK触发器的功能最完善 有两个控制端J K 1 JK触发器的功能 被封锁 保持原态 J K 0时 1 相当于T触发器T 1 J K 1时 1 JK触发器的功能 Qn 0时 Qn 1 1 J 1 K 0时 分两种情况 Qn 0 Qn 1 1 JK触发器的功能 Qn 1时 F主被封保持原态 Qn 1 1 1 JK触发器的功能 Qn 1 0 同样原理 J 0 K 1时 1 功能表 逻辑符号 特性方程 时序图 CP K J Q 保持 T 1 JK触发器转换成D触发器 4 触发器逻辑功能的转换 1 2 JK触发器转换成T触发器 3 D触发器转换成T 触发器 5 触发器的触发方式 触发方式 研究翻转时刻与时钟脉冲间的关系 电位触发方式 电位触发 正电位触发 负电位触发 CP 1期间翻转 CP 0期间翻转 例如 前面讲的D触发器就是电位触发方式 D 电位触发的特点 结构简单 速度快 只要CP存在就可以翻转 容易造成空翻 电位触发的符号 正电位触发 负电位触发 1 主从触发方式 主从触发方式的翻转过程 前沿处 输出交叉反馈到F主 后沿处 输出传递到F从翻转完成 CP 以主从触发的D触发器为例 CP D Q 正确的输出波形 假设在CP 1期间D有一干扰 主从型的D触发器的输出波形如何 CP D Q 第一个CP到来时 Q 翻转 1 1 CP D Q 第一个CP的下降沿 Q翻转 输出反馈到F主的输入 1 1 CP D Q 由于S1 0 t1时刻Q 翻转为0 1 1 CP D Q t2时刻Q 会再变为1吗 1 1 CP D Q 1 0 由于D 1 所以F主被封 D变为1后 Q 并不翻转为1 1 1 CP D Q 1 0 第二个CP的下降沿 F从按F主的输出翻转 1 1 由于D在CP 1期间有干扰 便产生了错误的输出 因此 主从触发器不允许在CP 1期间有干扰 否则可能产生误动作 逻辑符号 2 边沿触发方式 为了免除CP 1期间输入控制电平不许改变的限制 可采用边沿触发方式 其特点是 触发器只在时钟跳转时发生翻转 而在CP 1或CP 0期间 输入端的任何变化都不影响输出 如果翻转发生在上升沿就叫 上升沿触发 或 正边沿触发 如果翻转发生在下降沿就叫 下降沿触发 或 负边缘触发 下面以边缘触发的D触发器为例讲解 设原态Q 0并设D 1 1 CP 0期间 c d被锁 输出为1 0 0 0 1 c 1 d 1反馈到a b的输入 a b输出为0 1 0 0 0 CP正沿到达时c d开启 使c 1 d 0 1 1 Q翻转为1 CP正沿过后 d 0将c封锁 并使b 1 维持d 0 1 因此以后CP 1期间D的变化不影响输出 0 0 1 其它情况下的翻转 请大家自己分析 边沿触发的D触发器功能表 逻辑符号 负沿触发 正沿触发 总结 1 在应用触发器时 要特别注意触发形式 否则很容易造成整个数字系统工作不正常 2 边沿触发抗干扰能力强 且不存在空翻 应用较广泛 时序电路必然具有记忆功能 因而组成时序电路的基本单元是触发器 在数字电路中 凡是任一时刻的稳定输出不仅决定于该时刻的输入 而且还和电路原来的状态有关者 都叫做时序逻辑电路 简称时序电路 11 2时序逻辑电路的分析 所有触发器的状态都是在同一时钟信号作用下发生变化的时序逻辑电路 称为同步时序逻辑电路 所有触发器的状态不是在同一时钟信号作用下发生变化的时序逻辑电路 称为异步时序逻辑电路 11 2 1同步时序逻辑电路的分析 1 分析步骤 1 观察时序逻辑电路的输入 输出和状态变量 2 写出各个触发器的驱动方程 输入方程 3 写出时序电路的输出方程 4 写出时序电路的输出方程 5 由状态方程和输出方程构造状态图 状态表 6 如果电路不复杂 画出时序图 上述步骤不是每步都需要 可根据情况 灵活处理 2 分析举例 1 观察变量 输入变量x 输出变量z 状态变量Q 2 驱动方程 触发器的输入信号的表达式 1 3 状态方程 将触发器的驱动方程代入特性方程得到的方程 4 输出方程 5 状态表 6 状态转换图 用圆圈中的数字表示时序电路的状态 用箭头表示状态的变化 箭头上标注输入变量x输出变量y 11 2 2异步时序逻辑电路的分析 异步时序逻辑电路的分析与同步时序逻辑电路的分析基本相同 只是在分析时 CP脉冲是一个必须考虑的逻辑变量 例 分析图示电路的功能 1 写出各个触发器的驱动方程 J2 Q1Q0 K2 1 J1 K1 1 2 再列写状态转换表 分析其状态转换过程 1000011111001 2001011111010 3010011111011 4011111111100 5100011101000 如前所述 右图电路为异步五进制加法计数器 3 还可以用波形图显示状态转换表 略 5 状态转换图 计数器的功能 记忆输入脉冲的个数 用于定时 分频 产生节拍脉冲及进行数字运算等等 计数器的分类 同步计数器和异步计数器 加法计数器 减法计数器和可逆计数器 有时也用计数器的计数容量 或称模数 来区分各种不同的计数器 如二进制计数器 十进制计数器 二 十进制计数器等等 11 3计数器 11 3 1二进制计数器 在同步计数器中 各个触发器都受同一时钟脉冲控制 因此 它们状态的更新几乎是同时的 故被称为 同步计数器 例三位二进制同步加法计数器 三位二进制同步加法计数器 1 同步二进制加法计数器 分析步骤 1 先列写驱动方程 J2 K2 Q1Q0 J1 K1 Q0 J0 K0 1 Q0 来一个CP 它就翻转一次 Q1 当Q0 1时 它可翻转一次 Q2 只有当Q1Q0 11时 它才能翻转一次 2 再列写状态转换表 分析其状态转换过程 2001001111010 1000000011001 3010000011011 4011111111100 5100000011101 6101001111110 7110000011111 8111111111000 3 还可以用波形图显示状态转换表 思考题 试设计一个三位二进制同步减法计数器电路 2 四位二进制同步计数器74LS163 74LS163计数方式是同步的 它的清零方式也是同步的 即使控制端CLR 0 清零目的真正实现还需等待下一个时钟脉冲的上升沿到来以后才能够实现 这就是 同步清零 的含义 74LS163管脚图 1 74LS163的介绍 74LS163功能表 3 异步二进制加法计数器 在异步计数器中 有的触发器直接受输入计数脉冲控制 有的触发器则是把其它触发器的输出信号作为自己的时钟脉冲 各个触发器状态变换的时间先后不一 故被称为 异步计数器 三位二进制异步加法计数器 例 三位二进制异步加法计数器 1010101010 00 1 01 0 1 10 1 11 0 0 00 0 1 01 思考题 试画出三位二进制异步减法计数器的电路图 并分析其工作过程 优点 电路简单 可靠 缺点 速度慢 4 中规模计数器组件介绍及其应用 二 五 十进制计数器74LS90 74LS90内部含有两个独立的计数电路 一个是模2计数器 CPA为其时钟 QA为其输出端 另一个是模5计数器 CPB为其时钟 QDQCQB为其输出端 外部时钟CP是先送到CPA还是先送到CPB 在QDQCQBQA这四个输出端会形成不同的码制 1 74LS90的介绍 74LS90原理电路图 下面将给出它的原理电路图 74LS90管脚分布图 R0 1 74LS90功能表 74LS90功能表 归纳 1 74LS90在 计数状态 或 清零状态 时 均要求R9 1 和R9 2 中至少有一个必须为 0 2 只有在R0 1 和R0 2 同时为 1 时 它才进入 清零状态 否则它必定处于 计数状态 分析 计数时钟先进入CPA时的计数编码 结论 上述连接方式形成8421码 计数时钟先进入CPB时的计数编码 结论 上述连接方式形成5421码 74293内部含有两个独立的计数电路 一个是模2计数器 另一个是模8计数器 其时钟分别是CKA CKB 两个计数器有相同的清零端R0 1 和R0 2 可以接成2进制 8进制和16进制计数器 QB J K QD QD J K CKA CKB R0 1 R0 2 QA QB QC QD 例1 构成BCD码六进制计数器 0000 CP 0110 2 74LS90的应用 讨论 下述接法行不行 错在何处 警告 切切不可将输出端相互短路 只有这样做才是正确的 例2 用两片74LS90构成36进制8421码计数器 分析 1 如何解决片间进位问题 从右面的状态转换表中可以看到 个位片的QD可以给十位片提供计数脉冲信号 分析 2 如何满足 36进制 的要求 36 00 00110110 用两片74LS90构成36进制8421码计数器 例3 用74LS90构成5421码的六进制计数器 至此结束 在此状态下清零 异步清零 此状态出现时间极短 不能计入计数循环 分析结果 在QAQDQCQB 1001时清零 8421码制下 在QDQCQBQA 0110时清零 同为六进制计数器 两种码制不同接法的比较 5421码制下 在QAQDQCQB 1001时清零 例1 用一片74LS163构成六进制计数器 0001 0010 0011 0100 0101 六个稳态 准备清零 使CLR 0 2 74LS163的应用 在QDQCQBQA 0110时立即清零 例 用一片74LS90构成六进制计数器 例 用一片74LS163构成六进制计数器 在QDQCQBQA 0101时准备清零 例2 用74LS163构成二十四进制计数器 1 需要两片74LS163 2 为了提高运算速度 使用同步计数方式 11 4寄存器 1 数码寄存器 寄存器是计算机的主要部件之一 它用来暂时存放数据或指令 四位数码寄存器 2 移位寄存器 所谓 移位 就是将寄存器所存各位数据 在每个移位脉冲的作用下 向左或向右移动一位 根据移位方向 常把它分成左移寄存器 右移寄存器和双向移位寄存器三种 根据移位数据的输入 输出方式 又可将它分为串行输入 串行输出 串行输入 并行输出 并行输入 串行输出和并行输入 并行输出四种电路结构 串入 串出 串入 并出 并入 串出 并入 并出 四位并入 串出的左移寄存器 初始状态 设A3A2A1A0 1011 在存数脉冲作用下 也有Q3Q2Q1Q0 1011 D0 0 D1 Q0 D2 Q1 D3 Q2 下面将重点讨论兰颜色的那部分电路的工作原理 D0 0 D1 Q0 D2 Q1 D3 Q2 1011 0110 0110 1100 1100 1000 1000 0000 0000 0000 0000 0000 设初态Q3Q2Q1Q0 1011 用波形图表示如下 设初态Q3Q2Q1Q0 1011