《电子技术基础（第二版）》 课件 课题七 时序逻辑电路及其应用

电子技术基础（第二版）391课题七时序逻辑电路及其应用392组合逻辑电路及其应用393任务一任务二触发器及其应用555定时器及其应用任务三计数器、寄存器及其应用394任务一触发器及其应用学习目标395了解触发器的概念，熟悉RS触发器、JK触发器、D触发器和T触发器的电路组成、逻辑符号和逻辑功能掌握常用触发器的原理和应用掌握触摸开关电路的工作原理、安装、调试与检修任务引入396日常生活中经常会见到触摸开关，如图7-1-1所示，轻轻触摸开关的金属片，就可以控制灯的状态。实现触摸开关功能的方法很多，如用触发器就可以组成触摸开关电路，其组成框图如图7-1-2所示。图7-1-1触摸开关及使用场合任务引入397图7-1-2触摸开关电路组成框图任务引入3981.级间耦合形式本任务是了解触发器的概念，熟悉常用触发器的逻辑符号和逻辑功能，完成触摸开关电路的安装、调试与检修，掌握触发器的实际应用。1.级间耦合形式399触发器是构成时序逻辑电路的基本单元，它在某个时刻的输出状态不仅取决于该时刻的输入状态，而且还和它本身原有的状态有关，因此它具有记忆功能。触发器按功能分为RS触发器、JK触发器、D触发器和T触发器。相关知识1.级间耦合形式400

相关知识一、RS触发器1.基本RS触发器401相关知识1.基本RS触发器图7-1-3与非型基本RS触发器的逻辑图图7-1-4与非型基本RS触发器的逻辑符号402相关知识1.基本RS触发器1.级间耦合形式

403相关知识1.基本RS触发器1.级间耦合形式

1.级间耦合形式

404相关知识1.基本RS触发器1.级间耦合形式

405相关知识1.基本RS触发器3)逻辑功能。根据与非型基本RS触发器的工作原理可以得到其状态表(见表7-1-1)。表7-1-1与非型基本RS触发器的状态表

406相关知识1.基本RS触发器

图7-1-5与非型基本RS触发器的输入、输出波形407相关知识1.基本RS触发器(2)或非型基本RS触发器1)电路组成和逻辑符号。或非型基本RS触发器的逻辑图如图7-1-6a所示，由两个或非门G1、G2交叉耦合组成。或非型基本RS触发器的逻辑符号如图7-1-6b所示。图7-1-6或非型基本RS触发器a)逻辑图b)逻辑符号408相关知识1.基本RS触发器

409相关知识1.基本RS触发器3)逻辑功能。根据或非型基本RS触发器的工作原理可以得到其状态表(见表7-1-2)。表7-1-2或非型基本RS触发器的状态表

1.级间耦合形式410相关知识2.同步RS触发器基本RS触发器的特点是输入信号可以直接控制触发器状态的翻转，而在实际应用中往往要求在约定的脉冲信号到来时，触发器才能按输入所决定的状态翻转。这个约定的脉冲信号称为时钟脉冲，用CP表示。这样触发器的状态将在时钟脉冲到来时，随输入信号的不同而变化。这种用时钟脉冲控制的触发器称为同步RS触发器。411相关知识2.同步RS触发器(1)电路组成和逻辑符号同步RS触发器的逻辑图和逻辑符号如图7-1-7所示。图中，G1、G2组成基本RS触发器，G3、G4作为控制门，R端、S端分别为置“0”端和置“1”端。图7-1-7同步RS触发器a)逻辑图b)逻辑符号1.级间耦合形式412相关知识2.同步RS触发器

1.级间耦合形式413相关知识2.同步RS触发器

1.级间耦合形式414相关知识2.同步RS触发器(3)逻辑功能表示输入状态、输出现态与次态之间关系的表格称为特性表。根据工作原理可以得到同步RS触发器的特性表(见表7-1-3)，表中用Qn、Qn+1分别表示时钟脉冲作用前、后触发器的输出状态，Qn称为现态，Qn+1称为次态。415相关知识2.同步RS触发器表7-1-3同步RS触发器的特性表416相关知识2.同步RS触发器触发器的转换规律也可以用图形的方式形象地表示，这种图形称为状态转换图，简称状态图。同步RS触发器的状态图如图7-1-8所示。图7-1-8同步RS触发器的状态图1.级间耦合形式417RS触发器在R=S=1时，会导致输出状态不确定。为了提高触发器的使用性能，在RS触发器的基础上发展了不同逻辑功能的触发器，其中，JK触发器应用最为广泛。相关知识二、JK触发器418相关知识1.电路组成和逻辑符号JK触发器的状态在时钟脉冲的上升沿或下降沿发生变化，因此又称为边沿JK触发器。JK触发器的逻辑图和逻辑符号如图7-1-9所示，图中，G1、G2组成基本RS触发器，G3、G4、G5、G6、G7、G8作为控制门。下面以下降沿触发的JK触发器为例进行分析。图7-1-9JK触发器a)下降沿触发逻辑图b)下降沿触发逻辑符号c)上升沿触发逻辑符号419相关知识2.工作原理

1.级间耦合形式420相关知识2.工作原理

1.级间耦合形式421相关知识2.工作原理

1.级间耦合形式422相关知识2.工作原理同理，对于输入J、K的其他情况，可以分析得到：如果J=0、K=0，触发器维持原状态不变。如果J=0、K=1，触发器置“0”。如果J=1、K=1，触发器状态翻转一次。423相关知识3.逻辑功能JK触发器的特性表见表7-1-4。表7-1-4JK触发器的特性表424相关知识3.逻辑功能由特性表可以得到JK触发器的特性方程为JK触发器的状态图如图7-1-10所示。图7-1-10JK触发器的状态图425相关知识3.逻辑功能JK触发器的输入、输出波形如图7-1-11所示，设JK触发器的初始状态为Q=0。图7-1-11JK触发器的输入、输出波形426相关知识三、T触发器若将JK触发器的输入J、K连接作为T，JK触发器就变成T触发器，如图7-1-12所示。即

J=K=T其特性方程为图7-1-12用JK触发器转换成的T触发器427相关知识四、D触发器D触发器具有结构简单、工作可靠、使用方便等优点，应用十分广泛。本任务中采用双D触发器CD4013实现触摸控制功能。1.电路组成和逻辑符号D触发器的逻辑图和逻辑符号如图7-1-13所示，图中，G1、G2组成基本RS触发器，G3、G4、G5、G6作为控制门。图7-1-13D触发器a)逻辑图b)逻辑符号1.级间耦合形式428相关知识2.工作原理

1.级间耦合形式429相关知识2.工作原理

430相关知识3.逻辑功能D触发器的特性表见表7-1-5。表7-1-5D触发器的特性表431相关知识3.逻辑功能由特性表可以得到D触发器的特性方程为D触发器的状态图如图7-1-14所示。图7-1-14D触发器的状态图432相关知识3.逻辑功能

图7-1-15D触发器的输入、输出波形433任务二555定时器及其应用学习目标434熟悉555定时器的电路结构和逻辑功能掌握555定时器构成的单稳态触发器、多谐振荡器和施密特触发器等应用电路的工作原理掌握秒指示电路的工作原理、安装、调试与检修任务引入435在生产和生活中，许多设备都有闪烁的指示灯显示其工作状态，图7-2-1所示为常见的秒闪烁指示灯的使用场合。秒指示电路组成框图如图7-2-2所示。图7-2-1秒闪烁指示灯的使用场合a)来电指示灯b)报警器工作指示灯c)交通指示灯图7-2-2秒指示电路组成框图任务引入4361.级间耦合形式本任务是熟悉555定时器的电路结构和逻辑功能，掌握其典型应用电路的工作原理，完成秒指示电路的安装、调试与检修，掌握555定时器的实际应用。437常用的555定时器主要包括TTL定时器和CMOS定时器两种类型，两者的工作原理基本相同。图7-2-3所示为CMOS定时器CC7555的外形、引脚排列和电路结构。相关知识一、555定时器图7-2-3定时器CC7555a)外形b)引脚排列c)电路结构1.级间耦合形式438相关知识1.电路结构

1.级间耦合形式439相关知识1.电路结构

1.级间耦合形式440相关知识1.电路结构1.级间耦合形式

(4)放电管V和输出缓冲级放电管V为N沟道增强型MOS管。当G5开放时，V截止，D端与地断开；当G5关闭时，V导通，D端与地接通。G5、G6组成输出缓冲级，其作用是提高定时器的带负载能力，同时隔离负载对定时器的影响。441相关知识2.逻辑功能555定时器的功能见表7-2-1。表7-2-1555定时器的功能表1.级间耦合形式442单稳态触发器是指有一个稳态和一个暂稳态的波形变换电路，在外加触发信号的作用下，能够产生一定宽度和幅度的矩形波信号，但这只是一个暂稳态，持续一段时间后又会自动返回稳态。相关知识二、555定时器的应用1.单稳态触发器443相关知识1.单稳态触发器(1)电路组成555定时器构成的单稳态触发器的电路和波形如图7-2-4所示，电路中电阻器R、电容器C为外接定时元件，外加触发信号从555定时器的TR———端输入。图7-2-4单稳态触发器a)电路b)波形1.级间耦合形式444相关知识1.单稳态触发器

1.级间耦合形式445相关知识1.单稳态触发器

1.级间耦合形式446相关知识2.多谐振荡器

447相关知识2.多谐振荡器图7-2-5多谐振荡器a)电路b)波形448相关知识2.多谐振荡器1.级间耦合形式(2)工作原理刚接通电源瞬间，电容器C两端电压uC=0，即uTH=uTR=uC=0<13VDD，输出uo为高电平，内部放电管V截止，VDD通过电阻器R1、R2向电容器C充电，使uC升高;当uC升高到23VDD时，电路状态翻转，输出uo变为低电平，内部放电管V导通，电容器C通过内部放电管V放电，uC逐渐降低；当uC降低到13VDD时，电路状态再次翻转，输出uo又变为高电平。如此反复循环，在一种暂稳态和另一种暂稳态之间自动转换，便形成了振荡，在输出端得到一个周期性的矩形波信号。449相关知识2.多谐振荡器1.级间耦合形式由理论推导可得，矩形波信号的振荡周期为T=t1+t2≈0.7(R1+R2)C+0.7R2C=0.7(R1+2R2)C式中，t1———充电时间，即电容器C两端电压从13VDD升高到23VDD所需的时间；t2———放电时间，即电容器C两端电压从23VDD降低到13VDD所需的时间。矩形波信号的占空比为450相关知识3.施密特触发器施密特触发器是一种具有回差特性的双稳态触发器，其具有两个稳态，且两个稳态依靠外加触发信号的电平高低来维持，由第一稳态翻转到第二稳态，再由第二稳态翻转回第一稳态所需的触发电平存在差值。(1)电路组成555定时器构成的施密特触发器的电路和波形如图7-2-6所示。图7-2-6施密特触发器a)电路b)波形1.级间耦合形式451相关知识3.施密特触发器

452相关知识3.施密特触发器图7-2-6施密特触发器a)电路b)波形1.级间耦合形式453相关知识3.施密特触发器由上述分析可知，在输入升高过程中，当ui≥23VDD时，电路输出由高电平变为低电平；在输入降低过程中，当ui<13VDD时，电路输出由低电平变为高电平，电路具有回差特性。回差电压为454任务三计数器、寄存器及其应用学习目标455熟悉计数器、寄存器的功能和常见类型掌握秒计时显示电路的工作原理、安装、调试与检修任务引入456无论是在比赛场，还是在生产和生活中，经常会用到秒计时显示，如图7-3-1所示。秒计时显示电路组成框图如图7-3-2所示。图7-3-1秒计时显示的应用实例任务引入457图7-3-2秒计时显示电路组成框图任务引入4581.级间耦合形式本任务是熟悉计数器、寄存器的功能和常见类型，完成秒计时显示电路的安装、调试与检修，掌握常用计数器和寄存器的实际应用。1.级间耦合形式459计数器是数字系统中能统计输入脉冲个数(称为计数)的数字电路，还可用来定时、分频等。按计数进制的不同，计数器可分为二进制计数器、十进制计数器和N进制(即任意进制)计数器。按计数器中各触发器翻转顺序的不同，计数器可分为异步计数器和同步计数器。在异步计数器中，当计数脉冲输入时，各级触发器的翻转不是同时进行的，而是有先有后的；在同步计数器中，所有触发器在同一计数脉冲作用下的翻转是同时进行的。相关知识一、计数器1.级间耦合形式460按计数过程中计数器数值变化趋势的不同，计数器可分为递增计数器、递减计数器和可逆计数器，随着计数脉冲的输入而递增计数的称为递增计数器，递减计数的称为递减计数器，可增可减计数的称为可逆计数器。相关知识一、计数器461相关知识1.二进制计数器以三位异步二进制递增计数器为例。(1)电路组成三位异步二进制递增计数器的逻辑图如图7-3-3所示。它由三个JK触发器组成，由于各触发器的1J端、1K端均悬空(相当于输入J=K=1)，故每输入一个触发脉冲(即计数脉冲)，触发器翻转一次。3个触发器中，只有最低位的触发器的时钟脉冲输入端接收计数脉冲CP，其他各级均是低位触发器的输出Q接到高位触发器的时钟脉冲输入端，因此，只要低位触发器的状态从1变为0，其输出Q产生的下降沿就会使高一位的触发器翻转。各触发器的输出为Q0、Q1、Q2，进位输出为C。图7-3-3三位异步二进制递增计数器的逻辑图1.级间耦合形式462相关知识1.二进制计数器(2)工作原理计数器工作前，通常需要把所有的触发器置“0”，即计数器状态(即输出Q2Q1Q0表示的二进制代码)为000，这一过程称清零或复位。清零之后，计数器就可以开始计数。第一个计数脉冲输入时，在该脉冲的下降沿到来时刻，触发器F0翻转，其输出Q0由0变为1。Q0的正跳变(即由0变为1)送到触发器F1的时钟脉冲输入端，由于各触发器都是负跳变(即由1变为0)触发，因此触发器F1不翻转，计数器的状态为001。1.级间耦合形式463相关知识1.二进制计数器第二个计数脉冲输入时，触发器F0又翻转，其输出Q0由1变为0。Q0的负跳变送到触发器F1的时钟脉冲输入端，触发器F1翻转，其输出Q1由0变为1。Q1的正跳变送到触发器F2的时钟脉冲输入端，触发器F2不翻转，计数器状态为010。按照上述规律，当第七个计数脉冲输入时，计数器状态为111。如果输入第八个计数脉冲，计数器状态变为000，并产生一个进位信号。由图7-3-3可得到进位的逻辑表达式为464相关知识1.二进制计数器(3)逻辑功能根据三位异步二进制递增计数器的工作原理可以得到其状态表(见表7-3-1)。表7-3-1三位异步二进制递增计数器的状态表465相关知识1.二进制计数器三位异步二进制递增计数器的波形如图7-3-4所示。图7-3-4三位异步二进制递增计数器的波形1.级间耦合形式466相关知识2.二-五-十进制计数器在计数器中，十进制数通常是用二进制代码表示的，因此十进制计数器是指二-十进制编码的计数器。74LS290是常用的集成二-五-十进制计数器。(1)电路组成和引脚排列74LS290由1个一位二进制计数器和1个五进制计数器组成，其逻辑图如图7-3-5a所示，引脚排列如图7-3-5b所示。各引脚功能如下:C0———一位二进制计数器的计数脉冲输入端。Q0———一位二进制计数器的输出端。C1———五进制计数器的计数脉冲输入端。Q3、Q2、Q1———五进制计数器的输出端。R0(1)、R0(2)———二-五-十进制计数器的置“0”端，高电平有效。467相关知识2.二-五-十进制计数器图7-3-574LS290型二-五-十进制计数器a)逻辑图b)引脚排列468相关知识2.二-五-十进制计数器1.级间耦合形式R9(1)、R9(2)———二-五-十进制计数器的置“9”端，高电平有效。VCC———电源端。NC———空脚。GND———地端。74LS290的功能表见表7-3-2。469相关知识2.二-五-十进制计数器表7-3-274LS290的功能表470相关知识2.二-五-十进制计数器1.级间耦合形式(2)工作原理1)计数脉冲只从C0端输入时，计数从Q0端输出，此时为二进制计数器。2)计数脉冲只从C1端输入时，计数从Q3、Q2、Q1端输出，此时为五进制计数器。由图7-3-5a可得出触发器F1、F2、F3的输入为因初始状态为000，故471相关知识2.二-五-十进制计数器五进制计数器的状态表见表7-3-3。由表可知，每输入五个计数脉冲，计数器循环一次。表7-3-3五进制计数器的状态表472相关知识2.二-五-十进制计数器3)将Q0端与C1端连接，计数脉冲从C0端输入时，计数从Q3、Q2、Q1、Q0端输出，此时构成十进制递增计数器，如图7-3-6所示，其状态表见表7-3-4。图7-3-6十进制递增计数器473相关知识2.二-五-十进制计数器表7-3-4十进制递增计数器的状态表474相关知识2.二-五-十进制计数器(3)用74LS290构成六十进制计数器为得到六十进制计数器，可以将两片接成十进制计数器的74LS290串联起来，如图7-3-7所示。十位的状态(即输出Q3Q2Q1Q0)为0000到0101时，计数器正常计数；当由0101变为0110时，与非门输出为0，十位和个位的状态都变为0000，从而实现六十进制计数。图7-3-7两片74LS290构成六十进制计数器475相关知识二、寄存器寄存器是能够接收、存放和传递数码的逻辑记忆元件，分为数码寄存器和移位寄存器两类。1.数码寄存器数码寄存器是最简单的寄存器，只具有接收数码和清除数码的功能。D触