数字电路-时序电路.ppt

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1、第21章 触发器和时序逻辑电路,21.1 双稳态触发器,21.2 寄存器,21.3 计数器,21.4 555定时器及其应用,21.5 应用举例,本章要求,1.掌握 RS、JK、D 触发器的逻辑功能及 不同结构触发器的动作特点。2.掌握寄存器、移位寄存器、二进制计数器、十进制计数器的逻辑功能，会分析时序逻辑 电路。3.学会使用本章所介绍的各种集成电路。4.了解集成定时器及由它组成的单稳态触发器 和多谐振荡器的工作原理。,第21章 触发器和时序逻辑电路,电路的输出状态不仅取决于当时的输入信号，而且与电路原来的状态有关，当输入信号消失后，电路状态仍维持不变。这种具有存贮记忆功能的电路称为时序逻辑电路

2、。,时序逻辑电路的特点：,下面介绍双稳态触发器，它是构成时序电路的基本逻辑单元。,21.1 双稳态触发器,21.1.2 主从JK 触发器,21.1.3 维持阻塞D 触发器,21.1.4 触发器逻辑功能转换,21.1.1 RS 触发器,21.1 双稳态触发器,特点：1、有两个稳定状态“0”态和“1”态；2、能根据输入信号将触发器置成“0”或“1”态；3、输入信号消失后，被置成的“0”或“1”态能 保存下来，即具有记忆功能。,双稳态触发器：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。,21.1.1 RS 触发器,两互补输出端,1.基本 RS 触发器,两输入端,反馈线,触发器输出与输入的

3、逻辑关系,设触发器原态为“1”态。,1,0,1,0,设原态为“0”态,1,1,0,触发器保持“0”态不变,复位,0,设原态为“0”态,1,1,0,0,设原态为“1”态,0,0,1,触发器保持“1”态不变,置位,1,设原态为“0”态,0,0,1,1,设原态为“1”态,0,0,1,触发器保持“1”态不变,1,1,0,若G1先翻转，则触发器为“0”态,“1”态,若先翻转,基本 RS 触发器状态表,逻辑符号,2.可控 RS 触发器,基本R-S触发器,导引电路,时钟脉冲,当C=0时,0,R，S 输入状态 不起作用。触发器状态不变,当 C=1 时,1,打开,触发器状态由R，S 输入状态决定。,打开,当 C

4、=1 时,1,打开,(1)S=0,R=0,触发器状态由R，S 输入状态决定。,打开,1,1,0,(2)S=0,R=1,(3)S=1,R=0,1,Q=1,Q=0,(4)S=1,R=1,可控RS状态表,C高电平时触发器状态由R、S确定,跳转,例：画出可控 RS 触发器的输出波形,可控 RS状态表,C高电平时触发器状态由R、S确定,存在问题：,时钟脉冲不能过宽，否则出现空翻现象，即在一个时钟脉冲期间触发器翻转一次以上。,克服办法：采用 JK 触发器或 D 触发器,21.1.2 主从JK触发器,1.电路结构,从触发器,主触发器,反馈线,2.工作原理,F主打开,F主状态由J、K决定，接收信号并暂存。,F

5、从封锁,F从状态保持不变。,C,C,状态保持不变。,从触发器的状态取决于主触发器，并保持主、从状态一致，因此称之为主从触发器。,F从打开,F主封锁,C,C高电平时触发器接收信号并暂存（即F主状态由J、K决定，F从状态保持不变）。,要求C高电平期间J、K的状态保持不变。,C低电平时,F主封锁J、K不起作用,C,分析JK触发器的逻辑功能,(1)J=1,K=1,设触发器原态为“0”态,主从状态一致,C,(1)J=1,K=1,设触发器原态为“1”态,为“？”状态,J=1,K=1时，每来一个时钟脉冲，状态翻转一次，即具有计数功能。,(1)J=1,K=1,跳转,C,(2)J=0，K=1,设触发器原态为“1

6、”态,设触发器原态为“0”态,C,(3)J=1，K=0,设触发器原态为“0”态,设触发器原态为“1”态,C,(4)J=0，K=0,设触发器原态为“0”态,C,结论：,C高电平时F主状态由J、K决定，F从状态不变。,3.JK触发器的逻辑功能,Qn,1,0 0,1 1,1 0,0,0 1,(保持功能),(置“0”功能),(置“1”功能),(计数功能),C下降沿触发翻转,例：JK 触发器工作波形,基本R-S触发器,导引电路,21.1.3 维持阻塞 D 触发器,1.电路结构,反馈线,跳转,21.1.3 维持阻塞 D 触发器,2.逻辑功能,（1）D=0,1,0,当C=0时,0,当C=1时,0,1,封锁,

7、在C=1期间，触发器保持“0”不变,21.1.3 维持阻塞 D 触发器,2.逻辑功能,（1）D=1,0,1,当C=0时,1,当C=1时,0,1,封锁,在C=1期间，触发器保持“1”不变,封锁,上升沿触发翻转,C上升沿前接收信号，上降沿时触发器翻转，（其Q的状态与D状态一致；但Q的状态总比D的状态变化晚一步，即Qn+1=Dn；上升沿后输入 D不再起作用，触发器状态保持。即(不会空翻),结论：,例：D 触发器工作波形图,21.1.4 触发器逻辑功能的转换,1.将JK触发器转换为 D 触发器,仍为下降沿触发翻转,2.将JK触发器转换为 T 触发器,当J=K时，两触发器状态相同,3.将 D 触发器转换

8、为 T触发器,触发器仅具有计数功能,即要求来一个C，触发器就翻转一次。,21.2 寄存器,寄存器是数字系统常用的逻辑部件，它用来存放数码或指令等。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。,21.2.1 数码寄存器,仅有寄存数码的功能。,清零,寄存指令,通常由D触发器或R-S触发器组成,并行输入方式,寄存数码,触发器状态不变,动画,清零,寄存指令,并行输出方式,&,&,&,&,Q,Q,Q,Q,状态保持不变,21.2.2 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。

9、,寄存数码,1.单向移位寄存器,D,1011,1,Q,1011,1,0,1,1,J,K,F3,数据依次向左移动，称左移寄存器，输入方式为串行输入。,Q,Q,Q,动画,再输入四个移位脉冲，1011由高位至低位依次从Q3端输出。,串行输出方式,动画,左移寄存器波形图,1,1,1,1,1,1,0,待存数据,1011存入寄存器,从Q3取出,四位左移移位寄存器状态表,1,2,3,1,0,1,并 行 输 出,再继续输入四个移位脉冲,从Q3端串行输出1011数码,动画,右移移位寄存器,串行输出,2.并行、串行输入/串行输出寄存器,寄存器分类,并行输入/并行输出,串行输入/并行输出,并行输入/串行输出,串行输

10、入/串行输出,3.双向移位寄存器：,既能左移也能右移。,&,.,RD,C,S,左移输入,待输数据由 低位至高 位依次输入,待输数据由高位至低位依次输入,1,0,1,右移输入,移位控制端,&,&,&,动画,右移串行输入,左移串行输入,21.3 计数器,计数器是数字电路和计算机中广泛应用的一种逻辑部件，可累计输入脉冲的个数，可用于定时、分频、时序控制等。,21.3.1 二进制计数器,按二进制的规律累计脉冲个数，它也是构成其它进制计数器的基础。要构成 n位二进制计数器，需用 n个具有计数功能的触发器。,1.异步二进制加法计数器,异步计数器：计数脉冲C不是同时加到各位触发器。最低位触发器由计数脉冲触发

11、翻转，其他各位触发器有时需由相邻低位触发器输出的进位脉冲来触发，因此各位触发器状态变换的时间先后不一，只有在前级触发器翻转后,后级触发器才能翻转。,二 进 制 数 Q2 Q1 Q0,0 0 0 0 1 0 0 12 0 1 0 3 0 1 14 1 0 0 5 1 0 16 1 1 0 7 1 1 18 0 0 0,脉冲数(C),二进制加法计数器状态表,从状态表可看出：最低位触发器来 一个脉冲就翻转 一次，每个触发 器由 1变为 0 时，要产生进位信号,这个进位信号应 使相邻的高位触 发器翻转。,当J、K=1时，具有计数功能，每来一个脉冲触发器就翻转一次.,三位异步二进制加法计数器,在电路图中

12、J、悬空表示J、K=1,下降沿触发翻转,当相邻低位触发器由1变 0 时翻转,异步二进制加法器工作波形,每个触发器翻转的时间有先后，与计数脉冲不同步,用D触发器构成三位二进制异步加法器,2、若构成减法计数器C又如何连接？,思考,1、各触发器C应如何连接？,各D触发器已接成T触发器，即具有计数功能,2.同步二进制加法计数器,异步二进制加法计数器线路联接简单。各触发器是逐级翻转，因而工作速度较慢。,同步计数器：计数脉冲同时接到各位触发器，各触发器状态的变换与计数脉冲同步。,同步计数器由于各触发器同步翻转，因此工作速度快。但接线较复杂。,二 进 制 数 Q2 Q1 Q0,0 0 0 0 1 0 0 1

13、2 0 1 0 3 0 1 14 1 0 0 5 1 0 16 1 1 0 7 1 1 18 0 0 0,脉冲数(C),二进制加法计数器状态表,最低位触发器F0每来一个脉冲就翻转一次；,F1：当Q0=1时，再来一个脉冲则翻转一次；,F2：当Q0=Q1=1时，再来一个脉冲则翻转一次。,四位二进制同步加法计数器级间连接的逻辑关系,触发器翻转条件,J、K端逻辑表达式,J、K端逻辑表达式,F0,每输入一C翻一次,F1,F2,F3,J0=K0=1,Q0=1,J1=K1=Q0,Q0=Q1=1,J2=K2=Q1 Q0,Q0=Q1=Q2=1,J3=K3=Q1 Q1 Q0,由J、K端逻辑表达式，可得出四位同步二

14、进制计数器的逻辑电路。（只画出三位同步二进制计数器的逻辑电路）,（加法）,（减法）,三位同步二进制加法计数器,计数脉冲同时加到各位触发器上，当每个到 来后触发器状态是否改变要看J、K的状态。,各触发器状态的变换和计数脉冲同步,例:分析图示逻辑电路的逻辑功能,说明其用处。设初始状态为“000”。,解：1.写出各触发器 J、K端和C端的逻辑表达式,解：当初始状态为“000”时，各触发器J、K端和C端的电平为,由表可知，经5个脉冲循环一次，为五进制计数器。,2.列写状态转换表，分析其状态转换过程,C1=Q0,由于计数脉冲没有同时加到各位触发器上，所以为异步计数器。,异步五进制计数器工作波形,21.3

15、.2 十进制计数器,十进制计数器：计数规律：“逢十进一”。它是用四位二进制数表示对应的十进制数，所以又称为二-十进制计数器。,四位二进制可以表示十六种状态，为了表示十进制数的十个状态，需要去掉六种状态，具体去掉哪六种状态，有不同的安排，这里仅介绍广泛使用 8421编码的十进制计数器。,十进制加法计数器状态表,十进制同步加法计数器,十进制计数器工作波形,21.3.3 中规模数字集成电路计数器,1.CT74LS290(T1290)二-五-十进制集成计数器,逻辑功能及外引线排列,（1）R01、R02：置“0”输入端,逻辑功能,逻辑功能及外引线排列,（1）S91、S92：置“9”输入端,逻辑功能,逻辑

16、功能及外引线排列,计数功能,0,0,0,0,1,1,0,0,1,1,CT74LS290 功能表,输 入,输 出,Q2,Q3,Q1,Q0,1,1,0,1,1,0,1,1,R01,S92,S91,R02,有任一为“0”,有任一为“0”,计数,置9,8421异步十进制计数器,计数状态,2.CT74LS290的应用,5421异步十进制计数器,工作波形,异步五进制计数器,工作波形,如何构成 N进制计数器,反馈置“0”法：当满足一定的条件时，利用计数器的复位端强迫计数器清零，重新开始新一轮计数。利用反馈置“0”法可用已有的计数器得出小于原进制的计数器。例：用一片CT74LS290可构成十进制计数器，如将十

17、进制计数器适当改接，利用其清零端进行反馈清零，则可得出十以内的任意进制计数器。,用一片CT74LS290构成十以内的任意进制计数器,例：六进制计数器,例：六进制计数器,当状态 0110（6）出现时，将 Q2=1，Q1=1 送到复位端 R01和R02，使计数器立即清零。状态 0110仅瞬间存在。,CT74LS290为异步清零的计数器,反馈置“0”实现方法:,六进制计数器,S92,S91,Q3,Q0,Q2,Q1,R01,R02,C1,C0,计数脉冲,计数器清零,七进制计数器,当出现 0110（6）时，应立即使计数器清零，重新开始新一轮计数。,当出现 0111(7)时，计数器立即清零，重新开始新一轮

18、计数。,计数器清零,二片CT74LS290可构成100以内的计数器,例：二十四进制计数器,0010(2),0100(4),十位,个位,两位十进制计数器（100进制）,有两个二-五-十进制计数器，高电平清零,十位 0100(4),个位0110(6),计数脉冲,十位,个位,两位十进制计数器（100进制）,例：用一片TC74LS390构成四十六进制计数器,CT74LS192外引线排列图,CT74LS192功能表,十进制同步加/减计数器,21.3.4 环行计数器,工作原理：,先将计数器置为Q3 Q2 Q1 Q0=1000,而后每来一个C，其各触发器状态依次右移一位。,即：,环行计数器工作波形,环行计数

19、器可作为顺序脉冲发生器。,21.3.5 环行分配器,环行分配器工作波形,可产生相移为 的顺序脉冲。,21.4 555定时器及其应用,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。555定时器在工业控制、定时、检测、报警等方面有广泛应用。,21.4.1 555定时器的结构及工作原理,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.R-S触发器,4.放电开关管T,VA,VB,输出端,电压控制端,高电平触发端,低电平触发端,放电端,复位端,UCC,分压器,比较器,R-S触发器,放电管,调转,地,比

20、较结果,1/3 UCC,不允许,2/3 UCC,综上所述，555功能表为：,1.由555定时器组成的多谐振荡器,多谐振荡器是一种无稳态触发器，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,触发器和时序电路中的时钟脉冲一般是由多谐振荡器产生的。,21.4.2 定时器电路的应用,1.由555定时器组成的多谐振荡器,接通电源,通电前uC=0,1,2/3 UCC,C充电,C放电,1,1/3 UCC,接通电源,C充电,C放电,例：多谐振荡器构成水位监控报警电路,水位正常情况下，电容C被短接，扬声器不发音；水位下降到

21、探测器以下时，多谐振荡器开始工作，扬声器发出报警。,+,21.4.2 定时器电路的应用,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定状态，停留一段时间后，电路又自动返回稳定状态。,暂稳定状态的长短，取决于电路的参数，与触发脉冲无关。,2.由555定时器组成的单稳态触发器,单稳态触发器一般用做定时、整形及延时。,2.由555定时器组成的单稳态触发器,(地),接通电源,2/3 UCC,0,1,1,Q=0,导通,1,稳定状态,2.由555定时器组成的单稳态触发器,(地),Q=1,截止,暂稳状态,0,1/3 UCC,0,2.由555定时

22、器组成的单稳态触发器,(地),2/3 UCC,Q=1,0,1,稳定状态,R,T导通，C通过T放电,uC 0,接通电源,上升到2/3 UCC,因此暂稳态的长短取决于RC时间常数,R,例1：单稳态触发器构成定时检测,例2：单稳态触发器构成短时用照明灯,若S未按下,则 ui=1,若S按下,则 ui=0,工作原理：,开始比赛时，按下复位开关S。,1,未比赛时A1，A2为“0”复位开关S断开。,21.5 应用举例,优先裁决电路,工作原理：,不亮,不亮,0,0,1,1,亮,0,1,保持不变,21.5.2 四人抢答电路,工作原理：抢答前清“0”,截止,0,动画,抢答开始，若S1先被按下，1D=“1”,亮,0,1,导通,响,0,封锁,各触发器状态保持不变。,动画,