《汽车电工电子技术基础 》万捷主编

1、第6章 数字电路 数字电路的基本概念 门电路 触发器 单稳态触发器和无稳态触发器第6章 数字电路了解数字电路的基本概念和特点；掌握数制和码制的基本知识。掌握门电路的逻辑功能及其表示方法；了解门电路在汽车电子电路中的应用。掌握RS、JK、D触发器的逻辑功能、符号和触发方式；了解寄存器和计数器的工作原理。掌握555定时器工作原理，单稳态触发器和多谐振荡器的工作原理及在汽车电子电路中的应用。本章要求:6.1 数字电路的基本概念 6.1.1 数字信号和数字电路模拟信号：随时间连续变化的信号模拟信号数字信号电子电路中的信号1.模拟信号正弦波信号t三角波信号t总目录上页章目录下页返回2. 数字信号 能用逻

2、辑0和1表示的信号。“0”低电平，“1”高电平矩形波t尖顶波t数字信号非数字信号脉冲信号注意： 这里的“0”和“1”不代表数值的大小，只表示两种对立的状态。正逻辑：高电平为“1”，低电平为“0”负逻辑：高电平为“0”，低电平为“1”总目录上页章目录下页返回 处理模拟信号的电路称为模拟电路。 处理数字信号的电路称为数字电路。(1) 数字电路有利于集成化 数字电路中，数字信号只有高、低电平两种状态。在其作用下，半导体二极管和三极管多数工作在开关状态。所以数字电路的基本单元电路比较简单，对元件的精度要求不高，允许有一定的误差，这就使得数字电路适宜于集成化、大批量生产。数字电路的特点：(2)数字电路的

3、抗干扰能力强 数字信号用两个相反的状态来表示，只有环境干扰很强时，才会使数字信号发生变化。因此，数字电路的抗干扰能力很强，工作稳定可靠。 当今汽车检测电路广泛采用了数字电路。总目录上页章目录下页返回6.1.2 数制和码制1.数制（1）十进制 数码为：09；基数是10。 进位规则：逢十进一，即：9110。 十进制数的按权展开式：各位数值之和的形式(1860)101103 810261010100103、102、101、100 称为十进制的权。各数位的权是10的幂。总目录上页章目录下页返回（2）二进制 数码为：0、1；基数是2。 进位规则：逢二进一，即：1110。 二进制数的权展开式：各位数值之和

4、的形式(1001)2123 02202112023、22、21、20 称为二进制的权。各数位的权是2的幂。二进制数只有0和1两个数码，它的每一位都可以用电子元件来实现，且运算规则简单，相应的运算电路也容易实现。总目录上页章目录下页返回（3）二 十进制数相互转换方法：将二进制数各位数值相加，得到等值的十进制数。 二进制数转换为十进制数如： 十进制数转换为二进制数方法：除2取余法。所以（13）10=（1101）2总目录上页章目录下页返回2.码制问题：数字系统只能处理二进制信息，不能处理非二进制信息如十进制数码、字母、符号、文字图形等。解决方法：用二进制数表示非二进制信息， 这些有特定意义的二进制数

5、就称为二进制代码。用二进制代码表示信息的方法称为码制。8421BCD码：用4位二进制数b3b2b1b0来表示十进制数中的 0 9 十个数码。简称8421码。对应关系如下页表所示。 由表可见，8421码的特点为： 恒权代码 每个代码的各位数值之和等于它所表示的十进制数 总目录上页章目录下页返回十进制数8421码位权8位权4位权2位权101234567890000000011000011110000110011000101010101 8421码与十进制数的对应关系表 6.2 门电路 门电路是数字电路的基本单元之一，能按照一定的条件去控制信号的通过或不通过，具有开关的作用，因此称为门电路。 门电路

6、往往能实现某种逻辑运算，因此也称为逻辑门电路。 按照逻辑运算的不同，门电路可分成基本门电路和复合门电路两种。总目录上页章目录下页返回6.2.1 基本门电路1.与门与门是指能够实现与运算的门电路。 逻辑符号：&ABY逻辑表达式： Y=A B=AB与运算也称逻辑乘法运算： 有“0”出“0”， 全“1”出“1”ABY“与” 门真值 表000010111100真值表：是指由0和1组成的、反映某种逻辑关系的表格 运算规则：总目录上页章目录下页返回常用与门集成电路74LS08外引脚和逻辑符号 外引脚逻辑符号总目录上页章目录下页返回2.或门或门是指能够实现或运算的门电路。 逻辑符号：1ABY逻辑表达式： Y

7、=A+B或运算也称逻辑加法运算： 有“1”出“1”， 全“0”出“0”ABY“或” 门真值 表000011111101运算规则：总目录上页章目录下页返回常用或门集成电路74LS32外引脚和逻辑符号 外引脚逻辑符号总目录上页章目录下页返回3.非门非门是指能够实现非运算的门电路。 非运算也称求反运算： 有“0”出“1”， 有“1”出“0”运算规则：逻辑符号：1AY逻辑表达式：Y=AAY“非” 门真值表 1 010总目录上页章目录下页返回常用非门集成电路74LS04外引脚和逻辑符号 外引脚逻辑符号总目录上页章目录下页返回6.2.2 复合逻辑门复合逻辑门是由与、或、非三种基本逻辑门组合而成的。最常用的

8、有与非门和或非门两种。1.与非门与非门由与门和非门组成。 &ABYY1BY&A逻辑符号逻辑表达式： Y=A B = AB 有“0”出“1”，全“1”出“0”与非门的功能： 001011101ABY“与非” 门真值表110总目录上页章目录下页返回常用与非门型号74LS00外引脚和逻辑符号 外引脚逻辑符号注意：与非门除了两输入端的品种之外，还有三输入和四输入端的电路。但逻辑功能与两输入相同即有“0”出1，全“1”出“0”。总目录上页章目录下页返回2.或非门或非门由或门和非门组成。 1ABYY1BY1A逻辑符号逻辑表达式： Y=A+B有“1”出“0”，全“0”出“1”或非门的功能： ABY“或非”

9、门真值表001010100110总目录上页章目录下页返回常用或非门的型号74LS02外引脚和逻辑符号 外引脚逻辑符号注意：或非门除了两输入端的品种之外，还有三输入和四输入端的电路。但逻辑功能与两输入相同即有“1”出0，全“0”出“1”。总目录上页章目录下页返回6.2.3 门电路在汽车电子电路中的应用 门锁控制系统是为了开关车门以及发生异常情况时提醒驾驶员注意而专门设计的。 该系统由控制电路和执行机构组成。图示电路是门锁控制系统的控制电路部分。 其作用：在开关的控制下，产生门锁控制信号以驱动执行机构动作，完成门锁的开关动作。 门锁控制系统的控制电路 总目录上页章目录下页返回工作原理：（1）正常开

10、关车门 通过门锁开关控制。当钥匙插入门锁开关并旋向锁止位置时，非门h输入低电平，输出高电平；或门m输出高电平，发出锁止信号，驱动门锁电机将车门锁死。相反，当车门钥匙旋向解锁位置时，非门i输入低电平，输出高电平；或门l输出高电平，发出解锁信号，驱动电机打开车门。 正常开关车门也可通过车内门锁开关完成。当车内门锁控制开关扳向锁止或解锁位置时，或门m和l也会发出相应的控制信号，并驱动电机开关车门。 （2）异常情况发生时提醒驾驶员注意 当驾驶员将点火钥匙遗忘在点火开关内，准备锁车时，点火钥匙检测开关闭合，非门a输入低电平，输出高电平，在其他开关均正常时，与门c、g均输出高电平，或门l输出高电平，发出解

11、锁信号，车门无法关闭，提醒驾驶员取出点火钥匙。6.3 触发器 特点：（1）有两个稳定状态“0”态和“1”态，也称为双稳态触发器；（2）在触发信号的作用下，能从一个稳态翻转到另一个稳态，因此取名触发器。（3）在触发信号消失后，新获得的状态能保存下来，具有记忆功能。触发器： 是一种具有记忆功能的逻辑单元电路，它能储存一位二进制码。总目录上页章目录下页返回分类：（1）按结构分类 基本触发器、同步触发器、主从触发器、边沿触发器（2）按逻辑功能分类 RS触发器、JK触发器、D触发器、T和T触发器（3）按照是否有时钟脉冲输入端分类 基本触发器和钟控触发器（4）按照触发方式不同分类 电平触发器、主从触发器和

12、边沿触发器下面以功能分类为顺序，分析触发器的逻辑功能。总目录上页章目录下页返回6.3.1 RS触发器1.基本RS触发器（1）电路结构和符号信号输出端信号输入端，低电平有效 正常情况下，两输出端状态保持相反，称为互补。通常以Q端的逻辑电平表示触发器的状态，即Q=1，Q=0时，称为“1”态；反之为“0”态。总目录上页章目录下页返回（2）功能分析当S=R=1时， 触发器状态保持不变。当S=1、 R=0时， Q=0、Q=1 R称为直接置0端（直接复位端）当S=0、 R=1时， Q=1、Q=0 S称为直接置1端（直接置位端）当S=R=0时， Q=Q=1，违反了Q和Q状态必须相反的规定。输入端的低电平同时

13、撤销时，触发器变为 0态还是1态无法确定，因此，在应用时严格禁止在输入端上同时加低电平信号。 总目录上页章目录下页返回SRQnQn+1逻辑功能01011置110010置0110101保持0001同时取消后状态不定基本RS触发器真值表（特性表） 现态：输入信号到来之前的状态，次态：输入信号到来之后新的状态。总目录上页章目录下页返回基本RS触发器特性方程特性方程:次态Qn+1与输入及现态Qn之间的逻辑关系式存在问题：因为没有时钟控制端，因此多个基本触发器工作时，很难做到协调一致。解决方法：使用同步触发器总目录上页章目录下页返回2.同步RS触发器（1）电路结构和符号同步RS触发器是在基本RS触发器的

14、基础上，增加控制门G3、G4，及时钟端CP组成的。只有CP脉冲到来时，触发器状态翻转，故有同步触发器之称。互补输出端数据输入端，高电平有效直接置位和复位端，用于设置触发器的初始状态，低电平有效。触发器正常工作时，应接高电平。总目录上页章目录下页返回（2）功能分析当CP=0时，S 、R输入状态不起作用，触发器状态不变。当 CP= 1 时，触发器状态由S 、R输入状态决定。c) S=R=0b) S = 0、 R= 1a) S =1、 R= 0d) S =R= 1当时钟由 1变 0 后， 触发器状态不定触发器置“1”触发器置“0”触发器保持原态总目录上页章目录下页返回CPSRQnQn+1逻辑功能11

15、0011置101010置0000101保持1101不定真值表 Qn时钟到来前触发器的状态Qn+1时钟到来后触发器的状态高电平总目录上页章目录下页返回CP=1时有效特性方程存在问题：在CP=1期间，输出随输入变化，若输入信号受到干扰发生多次错误变化，输出也会发生多次错误翻转，称为触发器的空翻现象。因此，同步RS触发器主要用于数据的寄存，不能用于计数、移位寄存和存储器等电路中。解决方法：为了解决空翻问题，要求触发器只能在时钟信号的边沿到来时翻转，于是产生了边沿触发器。总目录上页章目录下页返回6.3.2 边沿JK触发器边沿JK触发器的触发方式有两种：（1）上升沿触发 特点触发脉冲CP上升沿到来，触发

16、器的输出随输入变化。（2）下降沿触发 特点触发脉冲CP下升沿到来，触发器的输出随输入变化。总目录上页章目录下页返回集成JK触发器74LS112 在其内部有两个相同的JK触发器，均为下降沿触发。每个都有数据输入端J、K，预置数据端SD、RD，时钟端CP及互补输出Q、Q。每个触发器的符号如b所示。1.结构和符号总目录上页章目录下页返回2. 功能分析JK触发器的特性方程：当CP下降沿到来时（1）若J=K=0 ，则Qn+1=Qn，触发器保持状态不变。（2）若J=0、K=1 ，则Qn+1=0，触发器置0， K端叫置0端。（3）若J=1、K=0 ，则Qn+1=1，触发器置1， J端叫置1端。（4）若J=K

17、=1 ，则Qn+1=Qn，触发器翻转。总目录上页章目录下页返回真值表 Qn时钟CP下降沿到来前触发器的状态Qn+1时钟CP下降沿到来后触发器的状态CP翻转100111置110101置000110保持010100逻辑功能Qn+1QnKJ下降沿总目录上页章目录下页返回例：已知下降沿触发的JK触发器的CP和J、K波形，画出输出端Q的波形。设Q的初始状态为“0”。不变0置11不变1翻转1置00不变0总目录上页章目录下页返回6.3.3 边沿D触发器 在芯片内有两个相同的D触发器，每个都有数据输入端D，时钟触发端CP、预置数据端SD、RD及互补输出Q、Q。每个触发器的符号如b所示。1.结构和符号 边沿D触

18、发器也有上升沿触发型和下降沿触发性两种，其中上升沿触发型用的最多，右图为双上升沿触发器74LS74的引线端子排列图及逻辑符号。 总目录上页章目录下页返回2. 功能分析D触发器的特性方程：当CP上升沿到来时（1）若D=0 ， 则Qn+1=0，触发器置0。（2）若D=1 ， 则Qn+1=1，触发器置1。 CPDQnQn+1逻辑功能0010置01011置1Qn时钟CP上升沿到来前触发器的状态Qn+1时钟CP上升沿到来后触发器的状态真值表 上升沿总目录上页章目录下页返回例：已知上升沿触发的D触发器的CP脉冲和D波形，画出输出端Q的波形。设Q的初始状态为“0”。不变0置001置11不变置00不变0总目录

19、上页章目录下页返回6.3.4 T和T触发器1.T 触发器T 触发器：在时钟脉冲CP有效沿作用下，具有保持和翻转功能的触发器。D触发器构成的T 触发器T 触发器无单独的产品，一般用JK 触发器或D触发器组成。JK触发器构成的T 触发器总目录上页章目录下页返回T 触发器的特性方程：TQnQn+1逻辑功能00101保持10110翻转T 触发器的真值表总目录上页章目录下页返回2.T 触发器T 触发器：在时钟脉冲CP有效沿作用下，具有翻转功能的触发器。T 触发器也无单独的产品，也是用JK 触发器或D触发器组成。JK触发器构成的T 触发器D触发器构成的T 触发器总目录上页章目录下页返回T 触发器的特性方程

20、：QnQn+1逻辑功能01翻转10T 触发器的真值表总目录上页章目录下页返回6.3.5 触发器在汽车电子电路中的应用1.寄存器寄存器：具有寄存功能的电路。一般用于存储数码、指令或中间运算结果。它由触发器和门电路组成。一个触发器只能存放一位二进制数，存放 n 位二进制时，要 n个触发器。按功能分数码寄存器移位寄存器总目录上页章目录下页返回（1）数码寄存器清零寄存脉冲数据输入数据输出4位集成寄存器74LS175逻辑电路 清零。RD=0，异步清零。寄存数据。RD=1时，将数据加到输入端，CP上升沿到来时，数据被存入。保持。在RD=1、CP上升沿以外时间，寄存器内容将保持不变。000011011101

21、寄存数据触发器状态不变并行输入方式总目录上页章目录下页返回（2）移位寄存器不仅能寄存数码，还有移位的功能。 所谓移位，就是每来一个移位脉冲，寄存器中所寄存的数据就向左或向右顺序移动一位。按移位方式单向移位寄存器双向移位寄存器虽然功能强弱不同，但分析方法是相似的，为简单起见，以单向移位寄存器为例讨论电路工作原理。总目录上页章目录下页返回 并行输出方式的原理数据的输入采用串行方式，输出方式有并行和串行两种。0000清零00011010010110110111寄存数码1101从高位到低位依次输入32移位脉冲14总目录上页章目录下页返回串行输出方式的原理1011001100010001076移位脉冲5

22、8再输入四个移位脉冲，1101由高位至低位依次从Q3端输出。输出总目录上页章目录下页返回2.计数器计数器就是能累计（累加或累减）时钟脉冲个数的逻辑电路。它不仅能计数，还有分频、定时等功能，成为了数字系统和计算机的基本逻辑部件。加法计数器减法计数器可逆计数器 (按计数功能 )异步计数器同步计数器(按计数脉冲引入方式) 二进制计数器十进制计数器 N 进制计数器(按计数制)分类(1)总目录上页章目录下页返回虽然计数器的品种很多，但就其工作特点，基本分析过程大同小异。因此以异步二进制加法计数器为例说明计数器的分析方法。三位异步二进制加法计数器 结构：由三个上升沿触发的D触发器组成。每个触发器接成T触发

23、器的结构，这样，触发脉冲到来时，触发器状态翻转。(2) 分析方法总目录上页章目录下页返回最低位触发器FF0由计数脉冲触发，其它各位触发器由相邻低位触发器的输出脉冲触发，因此各位触发器的翻转时刻是异步的，计数器为异步计数器。 翻转条件分析：每来一个CP上升沿翻转一次加清零脉冲使各触发器置01010FF0由1变 0 翻转FF1由1变 0 翻转加上计数脉冲1010根据各触发器翻转条件的分析可画出工作波形图（见下页）总目录上页章目录下页返回三位异步二进制加法器工作波形 每个触发器都是每输入两个触发脉冲输出一个脉冲，符合逢二进一的规律，因此计数器为二进制计数器。 随着计数脉冲的输入，计数器按二进制加法规

24、则计数每经过一级触发器计数脉冲CP的频率下降1/2，有分频功能。 总目录上页章目录下页返回归纳上述分析可得异步计数器的分析方法： 分析各触发器的翻转条件。 用波形图（时序图）或状态图记录状态转换过程。 根据波形图或状态图归纳出计数器的功能。6.4 单稳态和无稳态触发器 单稳态触发器只有一个稳定状态。在未加触发脉冲前，电路处于稳定状态；在触发脉冲作用下，电路由稳定状态翻转为暂稳态，停留一段时间后，电路又自动返回稳定状态。 无稳态触发器又称为多谐振荡器，接通电源后，不需外加触发信号，就能产生矩形波输出。由于矩形波中含有丰富的谐波，故称为多谐振荡器。 多谐振荡器是一种常用的脉冲波形发生器,触发器和计

25、数器中的时钟脉冲一般是由多谐振荡器产生的。单稳态触发器一般用做整形、定时及延时。总目录上页章目录下页返回 555定时器是一种将模拟电路和数字电路集成于一体的电子器件。用它可以构成单稳态触发器、多谐振荡器和施密特触发器等多种电路，实现定时、整形、脉冲信号的产生、检测和控制等功能，是一种使用非常广泛的集成电路产品。 在汽车电子电路中，主要用于汽车转向闪光器、雨刮间歇控制器、防盗报警器、发动机转速表、自动变光器电路中。 6.4.1 555定时器1.555定时器的结构（1）分压器：由三个等值电阻构成（2）比较器：由电压比较器C1和C2构成（3）基本RS触发器：由与非门交叉连接组成（4）与非门、放电管V

26、T、反相器总目录上页章目录下页返回电压控制端高电平触发端低电平触发端复位端低电平有效放电端518V输出端总目录上页章目录下页返回2.555定时器的工作原理 RD=0时，Q=0，uo=0，VT饱和导通。RD=0001导通总目录上页章目录下页返回2.555定时器的工作原理UR1 RD=1时，若uI1UR1、 uI2UR2 ，RD=0、SD=1，Q=0，uo=0，VT饱和导通。 UR2RD=1UR1UR200011导通总目录上页章目录下页返回2.555定时器的工作原理UR1 RD=1时，若UI1UR1、 UI2UR2 ，RD=1、SD=0，Q=1，uo=1，VT截止。 UR2RD=1UR2UR111

27、100截止总目录上页章目录下页返回2.555定时器的工作原理UR1 RD=1时，若UI1UR2 ，RD=SD=1，Q=保持，uo=保持，VT保持。UR2RD=1UR2UR111保持保持保持保持总目录上页章目录下页返回RDuI1uI2RDSDQuoVT000导通1UR1UR20100导通1UR1UR21011截止1UR211保持保持保持555的功能表 总目录上页章目录下页返回6.4.2 555定时器组成的单稳态触发器由555定时器外接R、C 组成。2端为触发脉冲输入端3端为输出端总目录上页章目录下页返回1单稳态触发器的工作原理 1/3 UCC1101导通1触发脉冲到来之前放电10截止2/3 UC

28、C00电路为稳定状态维持0态触发脉冲到来之前始终为0态0假设为0假设为1总目录上页章目录下页返回1单稳态触发器的工作原理 2/3 UCC0返回稳态进入暂稳态充电中虽然触发脉冲消失1/3 UCC1导通放电，为下一次触发做好准备但充电继续进行10总目录上页章目录下页返回根据上述分析可画出工作波形： 根据波形可知，输出脉冲宽度取决于电容充电时间常数，它们之间的关系可用下式表示： 总目录上页章目录下页返回单稳态触发器的工作原理说明 触发脉冲到来之前，输入uI=11/3UCC，故C2输出为1。若Qn=0, 放电管VT饱和导通，电容放电，使C1输出为1， Qn保持0态不变。若Qn=1, 放电管VT截止，电

29、源经电阻R对电容C充电，当uC2/3UCC时, C1输出为0， 使触发器置0。可见，触发脉冲到来之前触发器为0态，而电路的输出uo=0态。此时电路的状态称为稳定状态。 当触发脉冲到来时， uI=01/3UCC ，使C2的输出为0，触发器置1， uo=0变为1，电路进入暂稳态。这时放电管VT截止，电源对电容C充电。在充电过程中，触发脉冲虽然消失，使比较器C2输出变为1，但充电继续进行，直到uC上升到略高于2/3UCC时，比较器C1输出为0，将触发器置0，电路输出uo由1变为0，返回稳定状态。至此，暂稳态过程结束。此后电容迅速放电，为下一次触发做好准备。总目录上页章目录下页返回单稳态触发器的一般应

30、用 定时器单稳态触发器的输出脉冲是正脉冲，当脉冲到来时，其状态为高电平，把它作为与门的定时信号可控制与门的打开时间。 单稳态触发器的定时控制 总目录上页章目录下页返回单稳态触发器的一般应用 脉冲整形单稳态触发器的脉冲整形 单稳态触发器触发脉冲的波形是不规则，边沿不陡，幅度不齐，经触发器整形后，得到幅度和宽度一定的矩形波输出脉冲。因为单稳态触发器输出脉冲的高低电平与输入无关，只取决于触发器自身的结构，当结构一定时，输出的高低电平不变；而输出脉冲的宽度只决定于RC值，也不会改变，所以不规则的输入脉冲波能被整形为规则的脉冲输出。总目录上页章目录下页返回2单稳态触发器在汽车电子电路中的应用电子式发动机

31、转速表 转速感应线圈断电器触点限幅 电路滤波 电容单稳态触发器转速表总目录上页章目录下页返回2单稳态触发器在汽车电子电路中的应用电子式发动机转速表 发动机转动时断电器触点P0做开合动作产生触发脉冲触发器输出正脉冲VD截止经限幅、滤波后，触发单稳态触发器转速表流过电流总目录上页章目录下页返回2单稳态触发器在汽车电子电路中的应用电子式发动机转速表 发动机转速升高时，断电器触点P0产生的脉冲频率增大触发器输出正脉冲的频率也增加转速表电流值也随之增大因此通过转速表的电流值大小就可知道发动机的实际转速。总目录上页章目录下页返回6.4.3 555定时器组成的多谐振荡器特征：多谐振荡器是一种无稳态的触发器，它只有两个暂稳态，在无需触发的情况下，电路在两个暂稳态之间来回转换，从而在输出端产生一定频率的矩形脉冲，因此在实际中常作为脉冲信号发生器使用。 多谐振荡器的构成十分简单，在555定时器的外部连接阻容元件即可构成。CB555构成的多谐振荡器的电路图。总目录上页章目录下页返回设接通电源时电路处于第一暂稳态10截止充电012/3 UCC导通放电01101电路进入第二暂稳态电路返回第一暂稳态1多谐振荡器的工作原理总目录上页章目录下页返回总目录上页章目录下页返回脉冲周期、振荡频率、输出占空比的大小均决定于外接