《电工电子技术基础（第五版）》 课件 第11章 时序逻辑电路

人类智能表现在：运算能力、逻辑推理能力和记忆能力。前面分析的组合逻辑电路能够处理数字之间的逻辑关系，即具有了运算和逻辑推理能力。时序逻辑电路是由触发器组成的具有记忆功能的逻辑电路，如存储器、寄存器、计算器等。时序逻辑电路是动态电路，是计算机电路的组成部分。计算机的硬件系统由组合逻辑电路和时序逻辑电路组成，本章最后完成计算机硬件分析。我国是计算机、IT技术大国，现在进入第四次工业革命，我国正在引领第四次工业革命的发展，5G技术、AI技术走在世界前列。本章学习的主要要求如下：(1)掌握基本RS触发器的触发翻转原理，了解同步RS触发器CP脉冲的作用；(2)掌握JK触发器的逻辑功能及边沿触发器的特点；(3)掌握D触发器、T触发器的逻辑功能和工作特点；(4)掌握同步寄存器和异步寄存器的寄存过程；(5)掌握集成计数器的使用方法；(6)了解A/D、D/A转换器和半导体存储器的存取原理及使用方法；(7)了解工控嵌入式计算机及其工程应用。

基本触发器是时序逻辑电路的记忆单元，能够记忆一个二进制数码。由触发器可以组成短时记忆的寄存器和长期记忆的存储器，再加上组合逻辑电路，就形成了智能计算机。11.1.2同步RS触发器基本RS触发器的状态直接受R、S两个输入信号的控制，且只要R、S中有一个输入信号有效，触发器就立即翻转为新的状态。而在实际的数字电路中，一般包含很多触发器，这些触发器是要能协调一致地工作，并在规定的时刻发生翻转的。因此，就需要有一个决定各个触发器翻转时刻的控制信号，这种控制信号就像时钟一样定时到来，故称为时钟脉冲，用CP表示。相应的触发器输入端为C，称为时钟脉冲输入端。图11-2所示为同步RS触发器的逻辑电路及逻辑符号。11.1.3数字电路与机械触点接口应用机械触点开关在接触的瞬间，会产生抖动，当抖动的脉冲电压幅值足够高时，电路就会出现误动作，如图11-4所示。在点动开关之后加上一级RS触发器，就可以有效地消除抖动干扰，如图11-5所示，将开关打到上端，第一个高电位将使触发器翻转，以后的抖动脉冲均不起作用。拨码开关、旋转开关、编码开关都存在抖动问题，因为这些开关均为触点接触。

前述的同步RS触发器，从逻辑功能上看，存在一种状态不定的现象。从触发方式上看，若在CP的一个有效期间内，R、S的状态发生多次变化，触发器就会发生多次翻转，这种现象称为触发器的空翻现象。为克服RS触发器的上述缺点，现在应用的是逻辑功能完善又无空翻现象的JK触发器，以及在JK触发器基础上开发的D触发器和T触发器。这些触发器是组成寄存器和计数器等逻辑部件的基本单元，它们都做成集成电路形式，下面分别介绍这几种触发器。11.2.5触发器应用1.分频电路分频电路应用很广，通过一片双JK集成触发器CC4027，可以组成4分频电路。图11-14（a）是电路图，图中，JK触发器的J、K端子连接到高电平，来一个CP0上升沿，电路翻转一次。将FFO的Q1作为FF1的CP信号连接到FF1，即Q1为CP0的2分频，Q2为CP0的4分频，如图11-14（b）所示。

时序逻辑电路逻辑功能的特点是：任意时刻的输出不仅取决于当时的输入信号，还取决于电路原来的状态，也就是还与以前的输入有关。时序逻辑电路必须由具有记忆功能的触发器组成。下面以两种典型的时序逻辑电路（寄存器和计数器）为例，说明时序逻辑电路的原理和分析方法。11.3.1寄存器

寄存器是一种能够接收、暂存、传递数码或指令等信息的逻辑部件。在计算机的CPU中有大规模的寄存器配合加法器处理数据。在寄存器电路中，因为采用的是触发器，所以寄存器的工作对象是二进制代码。一个触发器只能存储1位二进制数码，若工作信号为n位二进制代码，就需要n个触发器构成的寄存器。

按寄存器功能的不同，可将其分为两大类：并行数码寄存器和串行移位寄存器。串行移位寄存器按数码移位方向的不同，分为串行左移寄存器、串行右移寄存器和串行双向移位寄存器。（2）串行右移寄存器

是指数码从高位向低位逐位移动的寄存器。其串行输入端在最高位触发器的输入端，串行输出端在最低位触发器的输出端。其电路结构及工作过程，请读者自行分析。（3）串行双向移位寄存器串行双向移位寄存器是指既能实现左移，又能实现右移的移位寄存器。例如，4位双向移位寄存器74LS194，其引脚排列如图11-20所示，其逻辑功能表见表11-7。11.3.5集成计数器应用集成计数器除能进行自身进制的计数外，通过适当连接还能构成其他用途的计数电路。用异步置0法构成其他进制计数器的方法是：当计数值达到要求的进制数时，使送入计数器异步清零端的反馈信号有效，从而使计数器清零，并重新计数。而其他情况下，反馈信号无效，计数器处于计数状态。如要用4位二进制加法计数器构成六进制加法计数器，当计数器计

随着计算机技术的迅速发展，尤其是计算机在测量、通信、视频等方面的广泛应用，计算机控制已经取代了传统的模拟控制电路。为能够使用数字电路处理模拟信号，必须把模拟信号转换成数字信号，才能进入数字系统进行处理。通常还要求把处理后得到的数字信号再还原为模拟信号，作为最后的输出。将模拟信号转换为数字信号的电路称为模数转换器，简称A/D转换器或ADC（analogtodigitalconverter);把数字信号转换为模拟信号的电路称为数模转换器，简称D/A转换器或DAC（digitaltoanalogconverter）。11.4.1A/D转换器简介A/D转换器可将模拟信号转换为数字信号，模拟信号的标志量是幅度、频率、初相角；数字信号的标志量是电平和编码。所以进行A/D转换时只能在一系列选定的瞬间对输入的模拟信号进行采样，然后再把这些采样值转化为输出的数字量。转换过程包括采样、保持、量化和编码四个步骤。

1.采样和保持采样是对模拟信号进行周期性地获取样值的过程，即将时间上连续变化的模拟信号转换为时间上离散、幅度上等于采样时间内模拟信号大小的模拟信号，即转换为一系列等间隔、幅度与采样瞬间的模拟信号相同的脉冲。

图11-26为采样开关。

在us信号的作用下输出采样脉冲。在采样脉冲到来期间，对应的模拟信号ui被采样，如图11-26(b)所示，采样信号uo是与采样脉冲等宽等频、与模拟信号等幅的一系列脉冲，这就完成将模拟信号转换为离散信号的过程。由采样信号可见，采样频率越高，采样精度越高。一般采样频率fs不低于模拟信号最高频率分量的2倍，即fs≥2fmax,fmax为ui的上限频率。A/D转换器把采样信号转换成数字信号需要一定的时间，所以在每次采样结束后都需要将这个断续的脉冲信号保持一定时间以便进行转换。数字量化是在采样电路地址信号的控制下完成的，由地址开关来控制采样电路的工作。4路采样电路由地址开关进行控制，地址开关为4个，地址编码器为2位二进制数码，有4种组态，控制4路采样信号。

半导体存储器是由MOS管构成、能够存储二进制信息的集成电路。存储器是计算机的核心部件，随着计算机、单片机、各种智能控制系统的普遍应用，存储器用量急剧增加。存储器已经成为半导体行业的支柱产业。3.SRAM和DRAM比较及用途SRAM使用晶体管触发器存储数据，只要通电数据就恒定保持，无需刷新。该电路优点是工作稳定，速度快；但器件用量大，集成度低，成本高。常作为CPU高速缓存。

DRAM使用电容存储电荷，即使通电，电荷也会泄漏，因此必须定期刷新以防止数据丢失。‌DRAM速度相对慢、成本低、集成度高，主要用作计算机的主内存（内存条）。‌‌‌

本章学习了触发器、寄存器、计数器、A/D和D/A转换器、存储器等数字电路。这些数字电路是组成计算机硬件的基础部件。计算机的硬件系统是由数字单元电路组成的。计算机具有记忆、运算、逻辑判断等功能，这些功能正是人的大脑所具有的。记忆功能采用的是存储器和寄存器；运算、逻辑判断功能采用的是加法器配合寄存器；接口采用组合逻辑电路和模数、数模转换电路。计算机经过几十年的发展，技术已经非常成熟，其应用已经渗透到各个领域，将传统的机械、电器、仪表、交通工具嵌入一个计算机系统，就能使其变成智能设备，就可以按照人们输入的指令自动工作。2.CPU结构CPU是计算机的控制核心，是由各种电路部件组成的、具有计算功能、逻辑判断功能和存储功能的“智能”系统。图中红线框内部分即为CPU电路。（1）寄存器图11-36是CPU内部结构框图。图中各种寄存器功能为：数据寄存器（DR）,暂时存放由内存储器读出或写入的指令或数据字；指令寄存器（IR）,保存当前正在执行的一条指令；程序计数器（PC）,确定下一条指令的地址；地址寄存器（AR），保存当前CPU所访问的内存储器单元的地址；累加器（A和B），是最常使用的通用寄存器；标志寄存器（PSW），保存由算术和逻辑指令的结果建立的各种条件码。总之，各种寄存器的作用就是数据的暂存与传送。将存储器中的数据传到控制器、算数逻辑运算器，通过算数逻辑运算器处理后再回传到存储器、控制器等。它是计算机“动起来”的关键电路，没有寄存器，数据无法流动。（红圈中电路）1.嵌入式计算机的由来

微处理器的诞生使计算机出现了历史性的变化，将微处理器嵌入到一个对象体系中，实现对象体系的智能化控制。由于这种控制只需要某一方面的控制功能，计算机便失去了原来的形态与通用的计算机功能。由此计算机就分为了两大分支：通用计算机和嵌入式计算机。通用计算机的技术要求是高速、海量的数值计算，技术发展方向是总线速度的无限提升，存储容量的无限扩大；而嵌入式计算机系统的技术要求则是对象的智能化控制能力，技术发展方向是与对象系统密切相关的嵌入性能、控制能力与控制的可靠性。2.嵌入式计算机硬件结构嵌入式计算机的核心还是CPU，不过根据用途的不同，加强或削弱某些功能。随着大规模集成电路的发展，人们将CPU和接口电路、存储器都制造在一块芯片上，称为微控制单元（mi-crocontrollerunit，MCU），又称单片微型计算机或单片机。因为MCU是针对设备而开发的智能芯片，一般不通用。图11-37是变频器嵌入式MCU功能框图，下面进行简单分析。MCU芯片中除CPU外，也集成了属于接目电路的部分，如存储器，在通用计算机中由于存储量巨大，都是用专用存储芯片，而MCU由于存储芯片容量较小，就集成在MCU芯片中；同时接口电路的A/D和D/A转换器、驱动电路的PWM信号发生器，占用容量也都不是很大，也都集成在MCU芯片中；图中的“人机界面”是由字段显示数字，字段编码器、译码器也都集成在MCU芯片中。在课程中所学习的典型数字电路在CPU、MCU芯片中都得到了应用。（1）输入接口电路图中箭头指向CPU的是输入接口，如果输入的是模拟信号，就要通过A/D转换，因为CPU只认二进制数字信号；如果输入的是数字信号，就可以通过光耦合器进行光电隔离，进入到CPU。（2）输出接口电路图中箭头由CPU指向输出端的是输出接口。如果输出的是数字信号，需要模拟信号，就要通过D/A转换；如果输出的是数字信号，用以驱动继电器等数字设备，就可以通过驱动电路放大后驱动数字设备工作。（3）RS-485通信接口RS-485通信接口是变频器通信控制的接口，通过该接口可以进行远程控制，这