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数字电子技术基础(第三版 周良权)4

发布时间:2019-07-02 05:15 来源:未知 编辑:admin

  数字电子技术基础(第三版 周良权)4_工学_高等教育_教育专区。集 成 触 发 器 第4 章 集成触发器 基本RS触发器 同步触发器 时钟脉冲边沿触发的触发器 T触发器和T’触发器 触发器应用举例 集 成 触 发 器 本章教学基本要求 要知道:触发器

  集 成 触 发 器 第4 章 集成触发器 基本RS触发器 同步触发器 时钟脉冲边沿触发的触发器 T触发器和T’触发器 触发器应用举例 集 成 触 发 器 本章教学基本要求 要知道:触发器的工作特点、基本RS触发器功能,同步触发器特 点,脉冲边沿触发器工作特点,T和T’触发器的功能。 会画出:与非门、或非门组成基本RS触发器的电路及逻辑符号 图,上升边沿触发的D触发器、下边沿触发的JK触发器和逻辑符号图 及其输出波形图,用JK和D触发器构成T’触发器的连线图。 会写出:RS触发器、D触发器、JK触发器的状态方程式。 会背出:JK触发器的输出Q的次态在CP下降沿作用下与输入JK 状态的关系。 会使用:集成触发器直接置位、复位端SD、RD和 态在各种情况下的设置方法。 SD、RD 的状 集 成 触 发 器 概 述 在数字电路系统中,经常采用触发器以及由 它们与各种门电路一起组成的时序逻辑电路。 时序逻辑电路的特点是:输出状态不仅取决 于当时的输入信号状态,而且还与原输出状态有关。 电路结构上存在反馈,使时序逻辑电路具有 记忆功能,即在输入信号作用撤消后,能保持在输 入信号作用时所具有的输出状态。 集 成 触 发 器 触发器的分类方法有三种: 按有无动作的统一时间节拍(时钟脉 冲)来分:有基本触发器(无时钟触发器) 和时钟触发器。 按电路的结构来分:有主从触发器、维 持阻塞触发器、边沿触发器和主从型边 沿触发器等。 按逻辑功能来分:有 RS 触发器、D 触 发器、JK 触发器、T 触发器、T’触发 器。 集 成 触 发 器 触发器的基本特性 有两个稳定状态(简称稳态):用来表 示逻辑 0 和 1。 在输入信号作用下,触发器的两个稳 定状态可相互转换(称为状态的翻转)。 输入信号消失后,新状态可长期保持下 来,因此具有记忆功能,可存储二进制 信息。 一个触发器可存储 1 位二进制数码 集 成 触 发 器 4.1 一、电路结构: 基本 RS 触发器 由两个与非门构成, 两个 输出端,一个为Q,一个为 . 正常情况下 , 两个输出端 Q 是逻辑互补的,即一个为0, 一个为1。两个输入输。 “R”、“S”上面的非线, 表示这种触发器输入信号 为低电平有效. 集 成 触 发 器 二.基本工作原理 1、有两个稳定的状态 0 1 1 规定:以Q输出端的状态为 触发器的状态 当Q=1时,G1输入端全为1, 则G1输出为0, G2输入端 有0,则G2输出端为1。 1 1 0 1 当输入端全 为1时,输出 端不变 R ? S ?1 集 成 触 发 器 1、有两个稳定的状态 1 0 0 当Q=0时,G1输入端有0,则 G1输出端为1, G2输入端 全为1,则G2输出端为0 0 1 1 当输入端全 为1时,输出 端不变 R ? S ?1 集 成 触 发 器 2、在低电平信号作用下,触发器可以从一个稳态转 换到另一个稳态 Q=1 R=0 S = 1 1 1 0 置 0端 G1输入有0,则G1输出端为 1, G2输入全为1,则Q=0. Q由1变为0 0 1 1 集 成 触 发 器 2、在低电平信号作用下,触发器可以从一个稳态转 换到另一个稳态 0 1 Q由0变为1 1 Q = 0 S ? 0 R= 1 0 G2输入有0,则Q=1,G1输 入全为1,则G1输出端为0 置 1端 集 成 触 发 器 3、失效的状态 1 1 正常情况下,两上输出端逻 辑互补,但此时为非正常状 态,不能使用该输入信号。 0 0 集 成 触 发 器 特点: 一、当电路进入新的稳定状态后,即使撤销 了输入信号,触发器翻转后的状态也能够稳定的 保持。 二、 R 端称为置0端:从1态换0态必须使 R=0 S = 1 S 端称为置1端:从0态换1态,必须使 R = 1S = 0 集 成 触 发 器 三.逻辑功能的表示方法 (1) 真值表 与非门组成的基本RS触发器的真值表 输入信号 输出状态 Q Q 不 0 1 不 变 1 0 定 功能说明 保持 置0 置1 失效 S 1 1 0 0 R 1 0 1 0 集 成 触 发 器 (2)用逻辑符号图表示 (3)用时序图(波形图)表示 1 1 0 1 1 0 1 1 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 1 1 1 0 1 0 1 不定 1 集 成 触 发 器 (4) 或非门构成的基本 RS 触发器 电路结构: 输入端为高电平有效. 集 成 触 发 器 逻辑功能的表示方法 或非门组成的基本RS触发器的真值表 输入信号 S R 0 0 1 1 0 1 0 1 输出状态 Q Q 不 0 1 不 变 1 0 定 功能说明 保持 置0 置1 失效 演示 演示 演示 演示 集 成 触 发 器 与非门和或非门基本RS触发器组成的真值表 输入 S R S R 1 1 0 0 1 0 1 0 0 0 1 1 0 1 0 1 Q 输出 功能说明 Q 变 1 0 定 保持 置0 置1 失效 不 0 1 不 输入端各自取反,其真值表相同. 集 成 触 发 器 四.应用实例 例1:用RS触发器构成无抖动开关 在机械开关扳动或按动过程中,一般都存在接触抖动,在几十毫秒的时间 里连续产生多个脉冲,如图(a)、(b)所示。这在数字系统中会造成电路的误动 作。为了克服电压抖动,可在电源和输出端之间接入一个基本RS触发器,在 开关动作时,使输出产生一次性的阶跃,如图(c)、(d)所示,这种无抖 动开头称为逻辑开关。若将开关S来回扳动一次,即可在输出端Q得到无抖动 的负的单拍脉冲。如图(c)输出端的波形。 集 成 触 发 器 例2:用基本RS触发器构成水位控制电路 如图所示是一个水位自动控制电路。水箱中放入两个探测水位的电极Ea 和Eb,分别对应水位a和b的位置。控制电路由基本RS触发器(G2、G3)输 入信号引导电路(G1、R1、R2、R3、R4、C1、C2)和继电器驱动电路(KA、 T、R5、C3、D)构成。电容C1、C2、C3在电路中起去耦抗干扰作用。R5为T 的基极限流电阻。R1~R4为门电路G1、G3输入端限流电阻。 两电极Ea、Eb在不同时入水的情况下应有足够大的绝缘电阻。三极管T 选用3DG130作为继电器KA线圈电流驱动电路,二极管D构成KA断电瞬间的 续流回路,防止出现过高的感应电压。 集 成 触 发 器 工作原理如下: (1)当水位低于a时,Ea、Eb均不在水中,门G1、G3入端由电源Vcc经 电阻R3、R4确定,为高电平。门G3入端R=1,门G1出端S=0,基本RS触发器 输出端Q置1,三极管T导通,继电器线圈有电流,其常开触点闭合,通过接 触器使电动机运转,水泵向水箱注水。 (2)当水位高于a低于b时,Ea在水中,使G1入端为低电平,S变为1, Eb仍然为高阻,R仍为1,Q的状态不变,仍为1,水泵继续往水箱中注水。 (3)当水位高于b时,Ea 、Eb均在水中,使R=0、S=1,Q为0,三极 管T截止,KA断电,其触点断开电动机停止运转,水泵停止注水。 这种情况下如因用户用水使水位低于b高于a,又会出现 S=R=1 的情况, Q保持0不变,仍然不往水箱中注水,待水位降到a以下,再重新启动电机进 行注水。 集 成 触 发 器 基本RS触发器的优缺点 优点 电路简单,是构成各种触发器的基础。 (1). 输出受输入信号直接控制,不能定时控制。 缺点 (2). 有约束条件。 集 成 触 发 器 4.2 同步触发器 基本RS触发器属于异步式或称为无时钟触 发器,动作特点是当输入的置0或置1信号一出 现,输出状态就可能随之而发生变化。触发器 状态的转换没有一个统一的节拍. 在使用触发器 时,往往要求按一定的节拍动作。这种触发器有 两种输入端:一种是决定其输出状态的数据信 号输入端(如RS触发器的置0、置1端R和S), 另一种是决定其动作时间的时钟脉冲(Clock Pulse),简称CP输入端。 具有时钟脉冲输入端的触发器称为时钟触发器。 集 成 触 发 器 触发器的现态和次态的表示 现态 指触发器在输入信号变化前的状态,用 Qn 表示。 指触发器在输入信号变化后的状态,用 Qn+1 表示。 次态 集 成 触 发 器 同步 RS 触发器 1、电路组成及逻辑符号 它是由基本RS触发器和用来引入R、S及时钟脉冲CP的 两个与非门而构成,如图所示。 集 成 触 发 器 2.逻辑功能分析 分析电路可知,在 CP=0 期间, R ? S ? 1 触发器不动作。在 CP=1 期间,R 和 S 端的信号经倒相后被引导到基本RS触发器 的输入端 R 端和 S 端。在 CP 作用下,新状态Q n?1是输入信号R 和 S 及原状态Q n的函数,即 Q n?1 = F(R,S, Q n ) 时钟触发器逻辑功能的表 示方法除使用真值表(特 性表)、符号图、时序图 输入端全为1的基本RS触发器 输入状态保持不变. (波形图)以外,还用特 性方法、状态转换图(或 转换表)来表示。 0 1 1 1 1 集 成 触 发 器 (1)真值表 同步 RS 触发器的真值表如表所示。其功能与基本 RS 触发器相 同,但只能在 CP=1 到来时状态才能翻转。 同步RS触发器的线 初 态 Qn 0 1 0 1 0 1 0 1 次 0 1 0 0 1 1 不定 不定 态 功能说明 Q n?1 Q n?1 保持 演示 置0 演示 置1 演示 不定 演示 集 成 触 发 器 (2)卡诺图与特性方程 将 Q 作为输出变量,把S、R 和 Q n 作为输入变量填入卡诺图, 经化简得特性方程 n ?1 (3)状态转换图 将触发器两个稳态0和1用两 个圆圈表示,用箭头表示由现态 到次态的转换方向,在箭头旁边 用文字符号及其相应信号表示实 现转换所必备的输入条件,这种 图称为状态转换图。 ?Q n ?1 ? S ? RQ n ? ?S ? R ? 0(约束条件) 是指不允许将R和S 同时取为1,所以 称为约束条件。 集 成 触 发 器 3、同步RS触发器的空翻问题 给时序逻辑电路加时钟脉冲的目的是统一电路动作的节拍。对触发器而 言,在一个时钟脉冲作用下,要求触发器的状态只能翻转一次。而同步RS触 发器在一个时钟脉冲作用下,触发器的状态可能发生两次或两次以上的翻转, 这种现象称为空翻。出现空翻现象有以下两种情况: (1)在CP=1期间,如果输入端的信号R和S再有变化,可能引起输出端Q翻转 两次或两次以上。 如图所示,保证在CP=1期间只变化一次,则要求在CP=1期间不允许R和S的 输入信号发生变化。 集 成 触 发 器 (2)当同步RS触发器接成计数状态时,容易发生空翻。 设Q=0,当CP=1脉冲到来时,G4输出0,G2输出1,Q由0变为1。如果 CP=1继续保持,G3输出0,引起 Q 由0变以1,而Q由1变以0。此时出现空 翻。 1 0 1 0 1 0 1 1 0 0 1 集 成 触 发 器 1、电路结构及符号 同步 D 触发器 包含主触发器和从触发器两大部分及其控制门,传输门由两个互 补的信号C和非C控制。D为数据输入端,Q和非Q为输出端。SD、RD 为异步直接置位(置1)和复位(置0)端。 所谓异步是复位和置位时不 受时钟脉冲CP的控制。 集 成 触 发 器 2、工作原理和逻辑功能分析 (1)异步复位和置位功能 两个输出端和SD、RD构成 或非门基本RS触发器。 无论CP处于何种状态 SD=1,RD=0 SD=0,RD=1 Q ? 1 Q= 0 Q=0 Q=1 只有RD=SD=0时,才能使CP、D产生逻辑功能。 集 成 触 发 器 (2)D和CP的触发作用 分析RD=SD=0时,D触发器的 工作情况。 CP=0 时,C=0,TG1、TG4 导通,TG2、TG3截止,主、从 触发器之间由TG3隔离,使信 号锁存于主触发器;从触发器 通过TG4闭环反馈自锁,保持 原来Q的状态。 n ?1 RD=SD=0 时, Q ?Q n 集 成 触 发 器 CP=1时,C=1,TG1、 TG4截止,TG2、TG3 导通,输入通道被 封锁,主触发器通 过TG2保持CP上升沿 到来前的一瞬间所 接收的D信号,而从 触发器Q的状态根据 Z1的状态变化而变 化。 主从触发器由互补的时钟脉冲分别控制两部分。 它具有边沿触发器的特性,故称为主从型边沿D触发器。 集 成 触 发 器 3、D触发器逻辑功能的表示 D触发器具有置0,置1的功能。 n ?1 ? D ? 0 ? Q ?0 ? ? n ?1 ? ?D ? 1 ? Q ? 1 当CP上 升沿触 发 特性方程 Q n ?1 ?D 集 成 触 发 器 D触发器的真值表和状态转换图 时钟信号 CP 1 1 0 输 入 D 0 0 1 1 × 初 态 次 态 功能说明 Qn 0 1 0 1 0 1 Q n?1 0 0 1 1 0 1 Q n?1 置0 与D同状态 置1 与D同状态 不动作 保持初态Qn 集 成 触 发 器 4.3 时钟脉冲边沿触发的触发器 1、维持阻塞边沿D触发器 电路结构和逻辑符号 集 成 触 发 器 各组成部分的功能 输入端D, S D为异 步置位端, RD 为 异步复位端。作用 是人为地置1或置0, 连线维持线维 持线线。 集 成 触 发 器 维持阻塞D触发器工作原理 SD=RD=1,D=0,CP=0时,G3、 G4、G6输出1,G5输出 ,Q保持不变。 0, S ? R ?1 D=0时 SD=RD=1,D=0,CP=1时, ,G6不变, G4输出为0,R ? 0 G3,G5组成的基本RS触发 器输入全为1,输出保持不 变, 。? G1 S 1、G2组成的 RS触发器置0。 集 成 触 发 器 SD=RD=1,D=1,CP=0时,G3、 G4输出1,G6输出0,G5输出1。 SD=RD=1,D=1,CP=1时,G3 输出0,Q置1。 线时,在 CP上升沿瞬间使 触发器置0。线 时,在CP上升沿 瞬间使触发器置1。 这样的触发器具 有抗干扰能力、 工作稳定可靠。 集 成 触 发 器 2、主从型CMOS边沿D触发器 电路结构和逻辑符号 集 成 触 发 器 例 已知维持阻塞边沿D触发器输入CP和D信号的波形(已 知 RD ? SD ? 1 ),如图所示,试画出输出端Q和 Q 的波形。 集 成 触 发 器 2、下降沿触发的JK触发器 负边沿触发器输出状态是根据CP下降沿到达瞬间输入信号的状态来 决定的。而在CP变化前后,输入信号状态变化对触发器状态都不产生 影响。 1、电路结构 集 成 触 发 器 2、工作原理和逻辑功能分析 1、CP=0时,B、B’、G3、G4同 时被CP封锁,P=P’=1,门A、A’ 是打开的,基本RS触发器 Q Q 通过A、A’的反馈互锁保持不 变。 2、CP=1时,门BB’被解除封锁, 基本RS触发器的状态可以通过B, B’继续保持状态不变,这时各门 输出函数式为 B ? Qn , B ? Qn A ? P ? Q n ? J Q n ? Q n ? J ?Q n A ? P Q n ? KQ n ? Q n ? K ? Q n 设 SD ? RD ? 1, Q ? 0, Q ? 1 无论J、K如何改变,输 出均不改变。 Q n?1 ? A ? B ? J Q n ? Q n ? Q n Q n?1 ? A ? B ? KQ n ? Q n ? Q n 集 成 触 发 器 n n B ? Q , B ? Q 3、CP的上升沿和下降沿的瞬间电路工作状态的变化。 n n n n A ? P ? Q ? J Q ? Q ? K ? Q (1)CP由0到1的上升沿到来 n n n n A ? P Q ? KQ ? Q ? K ? Q 瞬间,G3、G4延时,B,B’先打 n ?1 n n n Q ? A ? B ? J Q ? Q ? Q n n 开,先有 然后 n ?1 n n n Q ? A ? B ? n KQ ? Q ? nQ 出现 。此 B ? Q , B ? Q A ? J Q , A ? KQ 时与CP=1时情况相同, Qn?1 ? Qn , Qn?1 ? Qn J、K不起作用。 集 成 触 发 器 (2)在CP由1到0的下降沿瞬间,G3、 G4的延迟,B=B’=0,P、P’要保持一个 tpd的延迟,此时, P ? J Q n , p ? KQ n A,A’与或非门构成基本RS触发器,此 P ? S ? J Q n , P ? R ? KQ n 时 代入同步RS触发器的特性方程式,得到 Qn?1 ? S ? RQn ? J Qn ? KQn ? Qn ? J Qn ? KQn 0 0 此后,门G3、G4被CP=0封锁,P=P’=1, 触发器状态Q不再受JK触发器信号变化 的影响。 由此可知,该触发器 只有在CP下降沿的时 刻,才能使输出Q发 生变化,具有边沿触 发的特点。 0 当J=K=0时, Qn?1 ? Qn ;J与K相 集 成 触 发 器 1 反时, 状态随J;J=K=1 Q n? n 4、由特性方程所得的线翻转。 JK触发器的线 功能说明 0 1 0 1 0 1 0 0 Q n?1 保持 置0 ?Q n Qn?1 ? 0 1 1 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 0 Qn?1 ? 1 Q n?1 置1 翻转 ?Q n 集 成 触 发 器 5、JK 触发器的状态转换图和激励表 Q 0 0 1 1 n Q n?1 0 1 0 1 J 0 1 × × K × × 1 0 集 成 触 发 器 例 对负边沿JK触发器加输入信号CP、J、K波形如图 所示,图中J 端存在窄干扰脉冲,试画出输出端Q的波形。 Q=0,SD ? RD ? 1 0、0不变,0、 1出0;1、0出1。 1、1翻转。 不变 不变 集 成 触 发 器 4.4 T 触发器和T’ 触发器 T和T’触发器的逻辑功能 T和T’触发器是一种可控翻转触发器。 在CP的作用下,根据输入信号T情况的不同, 决定触发器是否翻转。当T=0时,CP作用沿到来触 发器并不翻转,保持原状态;当T=1时,CP作用沿 到来,触发器将发生翻转。 T’触发器,CP作用沿到来时,其状态一定发生 翻转,所以其功能就是令T=1的T触发器。 T和T’触发器无独立产品。 集 成 触 发 器 用 J K、 D 触 发 器 转 换 实 现 T 和 T’ 触 发 器 输入 为T 输入 全为1 由 JK 触 发器构成的 T,T’ 触发器 用 D 触发器 构成的 T,T’ 触发器 集 成 触 发 器 4.5 触发器应用举例 一、触摸式密码电子锁电路 触摸式密码电子锁电路图 门锁结构示意图 集 成 触 发 器 二、8位抢答电路 集 成 触 发 器 4.6 触发器的选择和使用 各种触发器具有不同的逻辑功能,即使功能相同,不同 系列的触发器在结构、性能等方面也有差异,在使用中注 意处理好一些实际问题,综述如下: 基本RS触发器及其性质是触发器电路的基础。同步RS触 发器,在基本RS触发器的基础上加入时钟脉冲,缺点是有 空翻现象。实用的集成时钟触发器分为主从型、边沿型和 主从边沿型。 同步触发器有空翻现象,只能用在脉冲高或低有效电平 作用期间输入信号不变的场合。 集 成 触 发 器 边沿触发方式分上升、下降沿触发,无空翻,抗干扰能力 强,但使用这种触发器时,对时钟脉冲的边沿要求严格。时 间不能长,防止电路无法正常工作。 主从触发器也无空翻,但采取双拍工作方式,主触发器可 能误动作,抗干扰能力依然较弱, 由于电路实际上存在延迟时间,所以 ,时钟输入和信号 输入在作用时间上应当很好配合,否则就不能可靠地工作。 要求信号输入在CP 有效作用沿前、后各有一段时间保持不 变。 在选用时根据需要从速度、功耗、功能、触发方式等方面 考虑。 设置直接置0、置1为使用触发器提供了方便。 集 成 触 发 器 本章小结 触发器构成数字系统的基本逻辑单元,具有 记忆功能,用于构成时序逻辑电路。 触发器有两个基本特性:①有两个稳定状态;② 在外信号作用下,两个稳定状态可相互转换,没 有外信号作用时保持原状态不变。因此,触发器 具有记忆功能,常用来保存二进制信息。 集 成 触 发 器 触发器根据逻辑功能不同分为 RS 触发器 D 触发器 JK 触发器 R 0 0 1 1 S Qn+1 D Qn+1 0 Qn 0 0 1 1 1 1 0 0 1 不定 Qn+1 = D T 触发器 T′触发器 J 0 0 1 1 K 0 1 0 1 Qn+1 T Qn+1 只有 CP 输入端, Qn 0 Qn 无数据输入端。 0 1 Qn 来一个CP翻转一次 1 n+1 = Qn Q n ?1 n Qn Q ? T ? Q Qn+1 = S + RQn RS = 0(约束条件) Qn+1 =JQn + KQn 集 成 触 发 器 不同触发方式的工作特点 正电平触发式触发器的状态在 CP = 1 期间翻转,在 CP = 0 期间保持不变。电平触发式触发器的缺点是 存在空翻现象,通常只能用于数据锁存。 主从触发器由分别工作在时钟脉冲 CP 不同时段的主触 发器和从触发器构成,通常只能在 CP 下降沿时刻状态 发生翻转,而在 CP 其它时刻保持状态不变。它虽然 克服了空翻,但对输入信号仍有限制。 集 成 触 发 器 边沿触发器只能在 CP 上升沿(或下降沿)时刻接收输 入信号,其状态只能在 CP 上升沿(或下降沿)时刻发 生翻转。它应用范围广、可靠性高、抗干扰能力强。 分析触发器时应弄清楚触发器的功能、触发方式和 触发沿( 或触发电平 ) ,并弄清楚异步输入端是否加 上了有效电平。

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