数字电子电路分析与应用教学课件作者黎小桃学习情境三

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1、返回,学习情境三 抢答器电路的制作与调试,任务1 触发器 任务2 抢答器电路的设计与仿真 任务3 抢答器电路的制作与调试,任务1触发器,一、触发器概述 触发器是一种具有记忆功能并且其状态能在触发脉冲作用下迅速翻转的逻辑电路。触发器是构成时序逻辑电路的基本单元电路,具有数码的记忆功能,即能够保存一位二进制的两个数码“1”和“0”。 (1)按结构不同: 分成:置位、复位触发器(基本RS触发器、同步RS触发器); 主从型触发器(由主触发器和从触发器构成); 边沿型触发器(上升沿触发、下降沿触发和利用传输延时的边沿触发器)。,下一页,返回,任务1触发器,(2)按功能不同: 分成RS型、JK型、D型和T

2、型(含T型)触发器。 (3)按器件: 分成TTL型和CMOS型触发器。 (4)按照逻辑功能的不同特点: 分成RS触发器、JK触发器、D触发器和T触发器等几种类型。触发器输出端状态和输入激励信号之间的关系称为触发器的逻辑功能。描述触发器的功能通常有5种不同的方式,或者称为5种功能描述方法: 特性表(功能表)以表格形式描述触发器的逻辑功能,输入(激励)和输出可用逻辑值。或1表示,也可用逻辑电平高(H)或低(L)表示。,上一页,下一页,返回,任务1触发器,特性方程(特征方程)以表达式形式描述触发器的逻辑功能,但特征方程的两边表示的时间是不一致的。 状态转换图(状态图)以图形形式描述触发器状态转换的激

3、励条件。 激励表以表格形式描述触发器状态转换的激励条件。 时序图以时序波形形式描述触发器在相应激励下状态转换的过程。 这些描述方法与组合逻辑电路的逻辑功能描述方法是相似的,根据时序电路的特殊情况而有所不同。比如描述门电路或组合逻辑电路输入输出关系的是电路的逻辑函数,在这里称为触发器的特性方程,以便和逻辑函数相区别;真值表在这里称为特性表或功能表;状态转换图反映的是时序电路状态转换规律及相应输入、输出取值关系的图形;,上一页,下一页,返回,任务1触发器,激励表的功能与状态图是一致的,只是表示形式不同;时序图是时序电路的工作波形,能直观地描述时序电路的输入信号、时钟信号、输出信号及电路的状态转换在

4、时间上的对应关系。 二、RS触发器 从结构上分,RS触发器可分为基本RS触发器、同步RS触发器和主从RS触发器。不同结构的触发器状态变化的时间不一样。基本RS触发器的输出直接由R, S状态决定,原状态Qn是R, S变化前的触发器状态,次状态Qn+1是R, S变化后的触发器状态,即按输入R, S信号变化划分原状态和次状态。,上一页,下一页,返回,任务1触发器,同步RS触发器在外接时钟信号CP=1期间,R, S按表3. 1或图3. 5状态改变。换句话说,CP = 0期间,无论输入R, S如何变化,触发器状态不会改变。主从型RS触发器在时钟脉冲CP的下降沿(或后沿)触发器状态变化,但是,CP=1期间

5、R, S的状态决定CP下跳后触发器状态。 1.电路组成 将两个集成与非门的输出端和输入端交叉反馈相接,就组成了基本RS触发器。,上一页,下一页,返回,任务1触发器,1)电路组成 基本RS触发器如图3. 1所示。 两个与非门G1、G2;两个输入端RD、SD两个输出端Q、Q,逻辑状态是互补的。 2)工作原理 Q端的状态为触发器的状态。 工作状态:Q=0,Q=1时触发器处于“0”态(稳定状态); Q=1, Q=0时触发器处于“1”态(稳定状态)。,上一页,下一页,返回,任务1触发器,2.逻辑功能 1)逻辑符号 基本RS触发器的逻辑符号参见图3.1(B)。 2)逻辑功能 基本RS触发器的逻辑功能如下:

6、 当RD =0, SD =1时,则Q=0(Q=1); 当RD=1, SD =0时,则Q=1(Q=0); 当RD =1,SD =1时,则Q不变(Q不变); 当RD =0 ,SD =0时,则Q不定(Q不定);这是不允许的。 3)真值表 表3. 1给出了基本RS触发器真值表。,上一页,下一页,返回,任务1触发器,4)概念 触发器的翻转:触发器状态在外加信号作用下状态转换的过程。 触发脉冲:能使触发器发生翻转的外加信号。 3.同步RS触发器 同步RS触发器是由一时钟脉冲信号CP控制的RS触发器。当要求触发器状态不是单纯地受R, S端信号控制,还要求按一定时间节拍把R, S端的状态反映到输出端时,就必须

7、再增加一个控制端,只有控制端出现脉冲信号时,触发器才动作,至于触发器输出变到什么状态,仍然由R, S端的高低电平来决定,采用这种触发方式的触发器,称为同步RS触发器,如图3.2 (A)所示,其中图(A)由与或非门构成,图(B)由与非门构成。,上一页,下一页,返回,任务1触发器,分析图3.2(B),其中G1、G2门构成基本RS触发器, G3、G5门组成控制电路,CP是控制脉冲。所谓同步就是触发器状态的改变与时钟脉冲同步。当CP =0时, G3、G5门被封锁,R、S状态不能进入, G3、G5门输出均为高电平,则触发器输出保持原来状态;当CP = 1时,R、S信号才能经过, G3、G5门影响到输出。

8、SD为直接置1端,RD为直接置0端,它们的电平可以不受CP信号的控制而直接影响到触发器的输出。利用基本RS触发器的真值表,可得同步RS触发器的功能如表3. 2所示。因为有CP脉冲的加入,要考虑CP脉冲作用前后Q端的状态,所以将CP脉冲作用前Q端的状态用Qn表示,称为触发器的原状态, CP脉冲作用后口端的状态用Qn+1表示,称为触发器的次状态。将这种考虑了CP脉冲作用前后Q端状态的表格称为特性表或功能表。,上一页,下一页,返回,任务1触发器,同步RS触发器的逻辑符号如图3.3 (A) , (B)所示,图3.3(A)为惯用符号,图3.3(B)为标准符号。在标准图形符号中,为了表示时钟输入对激励输入

9、(R, S)的这种控制作用,时钟端用控制字符C加标记序号1表示,置位端S前加标记序号1写成1从同理复位端写成1R,表示它/它们是受C1控制的置位、复位端。图3.3(B)中R和S的前面没有标记序号表示是不受时钟控制的置位、复位端,也称为异步置位端和异步复位端。 根据表3. 2通过卡诺图(见图3.3(C),可得到同步RS触发器的特征方程:,上一页,下一页,返回,任务1触发器,特征(特性)方程同样描述了RS触发器的逻辑功能。将RS的不同状态代人特征方程可得:RS = 00 ,Qn+1=Qn,触发器状态不变;RS =01, Qn+1=1,触发器置位;RS=10, Qn+1=0,触发器复位;RS=11不

10、满足约束条件,这是一种禁止输入状态。由图3. 2可见,CP=1时输出端不互补,既不是0状态,也不是1状态;CP变为0时,钟控门(G3、G5)输出同时变为1,触发器状态不确定)根据分析,可得表3. 3所示的RS触发器简化功能表。 4.主从RS触发器 同步RS触发器在CP =1期间接收R, S信号,若CP =1期间R, S信号发生变化,则Q端状态会发生多次翻转,这种现象称为空翻。在某些场合会造成逻辑混乱,为克服空翻现象,引入主从结构的触发器。图3.4(A)为主从RS触发器逻辑电路图,图(B)为逻辑符号。,上一页,下一页,返回,任务1触发器,由图可见主从RS触发器分别由两个互补的时钟脉冲信号控制两个

11、同步RS触发器,在CP = 0时,主触发器被封锁、从触发器被打开,主触发器的状态决定从触发器的状态。由于CP = 0,主触发器被封锁,所以R, S信号变化不能直接影响到输出。在CP=1时,主触发器打开、从触发器被封锁,Q维持不变,R, S信号决定主触发器的状态。因此无论CP为高还是低,主、从触发器总是一个打开,另一个被封锁,R, S的状态的改变不可能直接影响输出状态,从而解决了空翻现象。 主从RS触发器的功能与同步RS触发器完全一样,都是在CP的作用下将R, S端的状态反映给输出端。同步RS触发器的翻转发生在CP脉冲的上升沿。,上一页,下一页,返回,任务1触发器,主从RS触发器由两个同步触发器

12、组成,CP上升沿时,主触发器翻转,从触发器封锁,Q不变; CP下降沿时,主触发器被封锁,而从触发器打开,将主触发器的状态反映到Q端,所以主从触发器翻转发生在CP脉冲的下降沿,逻辑符号中时钟端C1的小圈表示了这层含义,输出端的符号表示延迟输出,即时钟CP=1时R, S状态决定时钟CP下跳后触发器状态Q。 RS触发器的次状态与激励R, S有关,也与其原状态有关,将表3. 2表示的触发器状态转换关系用图形表示,得图3. 5所示的状态转换图。,上一页,下一页,返回,任务1触发器,三、JK触发器 JK触发器是一种功能较完善,应用很广泛的双稳态触发器。图3. 6是一种典型结构图。主从型JK触发器由两个可控

13、RS触发器串联组成,分别称为主触发器和从触发器。J和K是信号输入端。时钟CP控制主触发器和从触发器的翻转。 1.功能分析 由RS角虫发器特性表(表3. 2)可知当R=S=1时,触发器输出状态不定,须避免使用,这给使用带来不便,为此引入JK触发器。 J和K是数据输入端,是触发器状态更新的依据,若J, K有两个或两个以上输入端时,组成“与”的关系。与为两个互补输出端。通常把将J=0, K=1的状态定为触发器“0”状态;而把J=1, K=0定为“1”状态。JK触发器常被用作缓冲存储器,移位寄存器和计数器。,上一页,下一页,返回,任务1触发器,当CP = 0时,主触发器状态不变,从触发器输出状态与主触

14、发器的输出状态相同。 当CP=1时,输入J, K影响主触发器,而从触发器状态不变。当CP从1变成0时,主触发器的状态传送到从触发器,即主从触发器是在CP下降沿到来时才使触发器翻转的。 下面分四种情况来分析主从型JK触发器的逻辑功能。 1)J=1,K=1 设时钟脉冲到来之前(CP = 0)触发器的初始状态为0。这时主触发器的R = K,口=0,S=J, Q=1,时钟脉冲到来后(CP=1),主触发器翻转成1态。,上一页,下一页,返回,任务1触发器,当CP从1下跳为0时,主触发器状态不变,从触发器的R=0, S=1,它也翻转成1态。反之,设触发器的初始状态为1。可以同样分析,主、从触发器都翻转成0态

15、。 可见,JK触发器在J=1, K=1的情况下,来一个时钟脉冲就翻转一次,即具有计数功能。 2)J=0,K=0 设触发器的初始状态为0,当CP=1时,由于主触发器的R =0, S =0,它的状态保持不变。当CP下跳时,由于从触发器的R=1, S=0,它的输出为0态,即触发器保持0态不变。如果初始状态为1,触发器亦保持1态不变。,上一页,下一页,返回,任务1触发器,3)J=1,K=0 设触发器的初始状态为0。当CP= 1时,由于主触发器的R=0, S=1,它翻转成1态。当CP下跳时,由于从触发器的R=0, S=1,也翻转成1态,如果触发器的初始状态为1,当CP=1时,由于主触发器的R =0, S

16、 =0,它保持原态不变;在CP从1下跳为0时,由于从触发器的R=0, S=1,也保持1态。 4)J=0,K=1 设触发器的初始状态为1态。当CP=1时,由于主触发器的R=1, S=0,它翻转成0态。当CP下跳时,从触发器也翻转成0态。如果触发器的初始状态为0态,当CP=1时, 由于主触发器的R=0, S=0,它保持原态不变;在CP从1下跳为0时,由于从触发器的R=1,S =0,也保持0态。,上一页,下一页,返回,任务1触发器,考虑到RS触发器的Q和Q互补的特点,将输出Q和Q反馈到输入端,通过两个与门使加到R和S端的信号不能同时为1,从而满足RS触发器要求的约束条件。为区别于原来的RS触发器,将对应于原图中的R用K表示、S用J表示,如图3. 6 ( A)所示。这种改接后的电路,称为主从JK触发器。其逻辑符号如图3.6 (B)所示。,上一页,下一页,返回,任务1触发器,根据主从RS触发器的特性表,通过比照,就可获得主从JK触发器的特性表,如表3. 4和表3. 5所示。在画JK触发器工作波形以及分析JK触发器组成的时序逻辑电路时,要求熟记其特性表或其特征方程。 JK

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