计算机电路基础（第2版）触发器和时序逻辑电路

计算机电路基础 触发器和时序逻辑电路 第 10章 触发器和时序逻辑电路 触发器 计数器 寄存器 脉冲波形的产生与变换 555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 教学目标： (1) 掌握 主从 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 。 触 发 器 触发器的分类 : 按逻辑功能 : T(T)触发器 、 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 。 基本 1. 基本 1)0.1(a) . 基本 0.1(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 )触发器状态 2. 基本 表 图 有两个控制信号： 清零信号 置数控制信号 3为二进制数码 , 从 3寄存器输出 。 寄存器 ， 则 置数时 ， 置数控制信号 接收3二进制数码并使基本 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 触发器的状态何时发生翻转，是受时钟脉冲 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)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 1和 由 4组成输入的控制门电路 ， 输入信号 均为高电平有效 。 图 (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 其含意是不同的 。 等号右边的 等号左边的 后 触发器新的状态 。 为了区分两者 ， 前者 称为触发器现态； 后者 n+1表示 ， 称为次态 。 (3)由上可得出同步 由表中可写出同步 同步 状态如表 工作波形如图 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 入端 。 (3)列出同步 如表 (4)同步 如图 主从触发器 (1)主从 右图 由两个同步 8门构成主触发器， 4门构成从触发器， 同步的时钟脉冲经过 加到从触发器 ， 两个触发器的脉冲是互补的 。 图 (2)由此可知：在 的期间，主触发器仅接收 输入信号，置成相应的状态，从 只有当 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 、 此，在其他任何时候输入信号 都不会直接影响到输出端 效地控制了触发器的翻转。 (3)a),逻辑符号如下图 (b)。 (4)主从 电路如图 主从 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 。 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 结论： 在 J=K=1时候 ， 来一个时钟脉冲 ， 使 触发器具有计数功能 。用逻辑关系可表示为 主从 =K=1时的工作波形 ， 如图 Q 1 (2) 逻辑状态表 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 1)电路结构 当 J=K=1时 ， 主从 每一个主从 因此若用 4个 可以对 16个脉冲进行计数 。 图 位二进制加法计数器电路 。 4个 3)组成 ， 接同一个计数脉冲 时钟方程为： 各个触发器的驱动信号分别为 (称为电路的驱动方程 ) 1 (10 2)特征方程和输出方程 3) 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 各位触发器的翻转都是同步的 ,称为同步加法计数器 。 图 图 由 4个 3)组成 ， 所有的 J、 处在计数状态 。 由 从 0作为第二个触发器 移次类推 。 4个 3)为 4位二进制计数器计数链输出 ， 在开始计数前 ， 在 (3)触发器的置 “ 0”端上加一负脉冲 ， 给 (3)触发器清零 。 对于每一个计数脉冲 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 不难看出触发器的输出 (3)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 。 十进制计数器 常用的是 8421编码十进制计数器 ， 用 4个 形成 16种状态 ， 取其中 10种(00001001)表示 09数字 ， 而对 10101111弃之不用 。 1. 图 421码的同步十进制计数器 。 电路中 4个 直接使用置 0端清零 ， 计数脉冲加在所有触发器的 计数数码由各触发器的 (3)端输出 。 触发器的时钟方程为 从 1n 0000开始 ， 依次代入式 (10行计算 ， 得出同步十进制计数器的状态转移表如表 表 1 0 . 8 同 步 十 进 制 计 数 器 的 状 态 转 移 表 号 1111输出 Z 0 0 0 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 0 2 0 0 1 0 0 0 1 1 0 3 0 0 1 1 0 1 0 0 0 4 0 1 0 0 0 1 0 1 0 5 0 1 0 1 0 1 1 0 0 6 0 1 1 0 0 1 1 1 0 7 0 1 1 1 1 0 0 0 0 8 1 0 0 0 1 0 0 1 0 9 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 0 1 1 2 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 3 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 4 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 5 1 1 1 1 0 0 0 0 1 集成计数器 : 以 74 一 . 74下图 二 图 三 四 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 寄存器就需要用 寄存器常分为 :数码寄存器和移位寄存器 。 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 4 4个 位数码寄存器 。 在寄存数码前 ， 必须先复位 (清零 )， 使四个 态 。 在 D 1、 D 2和 D 3数据被并行 存入寄存器 。 寄存的数据从 3上并行输出 。 74 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。 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 位移位寄存器 . 在 为右向移位寄存器。 图 图 0101的移位波形。 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 个 每一个触发器的数据输入端 3)输出端相连接 。 移向转换控制的与或非门是由控制门 当 S=1时 ， 右向移位寄存； 当 S=0时 ， 左向移位寄存 。 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 二 已有的波形变换成所需的脉冲波形 . 矩形脉冲信号 矩形脉冲波形如图 (1) 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)m 是指脉冲信号电压最大的变化量 。 (3). 脉冲宽度 指脉冲前后沿 图 (4)上升时间 指脉冲前沿从 (5)下降时间 指脉冲后沿从 (6) 脉宽比 脉冲信号的宽度 的比称为脉宽比 ， 用 亦称为占空比 。 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). 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 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) 从图 构成了正反 馈网络 ， 1)第一个暂稳态过程 设 开 )的状态 ， 有 : 2处于关的状态 ， 这时电容处于放电状态 。 R、 如图 a). 电容放电导致 渐下降 。 当 压 ， 电路产生正反馈过程 : 图 10.3(a) 正反馈使 而 振荡器进入了 这一过程中 : 跳 但电容两端电压不能突变 ， 要下跳 所以 +)= )第一个暂稳态过程 向电容 如图 b)所示 。 电容 +) = 始 ， 以指数式上升直至 值电压 正反馈使 振荡器进入了第二个暂稳态过程 。 这时候 ， 上跳 所以 +)= + = , 上跳到 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 图 b) 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 a) 由两个或非门 G 1和 G 2构成 ， 组成微分定时电路 。 图 b)所示是单稳态触发器通用逻辑符号 。 图 (1)无触发信号 时 ， 电路处于稳态 与电源 为高电位 ， 而 ， 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 外加正跳变触发信号 经电容 C 藕合 ， 1门的输入端 ， 导致正反馈：使 此时把外加触发信号 由于 1门的或逻辑关系 ， 使 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 正电源 +对电容 充电回路为 + RC u 地 。 u 1随 在 t 2时刻 ， u 1升高到 G 2门的 这时 ， 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 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 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 。 由两级 如图 a)b)为其逻辑符号 。 图中 u 1和 1门的状态 。 假定反相器的阀值电压 ， 电路的状态就维持在 5).当 电路又会产生如下正反馈过程 : 使 电路的状态转换为 0。 此时的输入信号 称为负向转换电压 ， 用 式据 (10 21),有 (10据前设定 代入上式 ， 可求得负向转换电压 只要能满足输入信号 施密特触发器就会稳定在 0的状态上 。 第一 两个稳态都必须靠触发信号来维持 。 第二 当触发信号大于 时 ， 施密特触发器从低电平转为高电平； 当触发信号小于 施密特触发器从高电平转为低电平 。 一般有 ， 通常称 为上限触发电压 ， 上下限触发电压差称为回差电压 。 根式 (10式 (10回差电压 : T+ - 2 改变 2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 。 (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 (2)用于脉冲鉴幅 。 应用施密特触发器的正向转换电压用 将一系列幅度不一的脉冲信号进行鉴幅 ， 如下图 本 章 小 结 本章内容有两大部分： 一 . 触发器： 基本 同步 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