第13章--触发器与时序逻辑电路ppt课件(全).ppt

第第13章章 触发器与时序触发器与时序逻辑电路逻辑电路13.1 13.1 触发器触发器触发器触发器 13.2 13.2 时序逻辑电路分析时序逻辑电路分析时序逻辑电路分析时序逻辑电路分析13.3 13.3 典型时序逻辑电路典型时序逻辑电路典型时序逻辑电路典型时序逻辑电路 13.4 常用中规模集成时序逻辑电路常用中规模集成时序逻辑电路退退退退 出出出出13.1 触发器触发器13.1.1 13.1.1 触发器概述触发器概述触发器概述触发器概述13.1.2 13.1.2 触发器的逻辑功能描述触发器的逻辑功能描述触发器的逻辑功能描述触发器的逻辑功能描述13.1.3 13.1.3 触发器的分类触发器的分类触发器的分类触发器的分类 13.1.4 13.1.4 触发器的逻辑功能转换触发器的逻辑功能转换触发器的逻辑功能转换触发器的逻辑功能转换 退退退退 出出出出13.1.1 触发器概述触发器概述 能够存储一位二值（逻辑“0”和逻辑“1”）信号的基本单元电路，统称为触发器。我们通过图13.1所示基本触发器来介绍几个基本概念。（a）电路图 （b）符号图13-1 用或非门构成的基本RS触发器 4不定状态 当R、S两个输入信号同时有效时（R=1、S=1），状态不定。显然，若R、S满足RS=0，则能保证输入端不会同时出现高电平。我们将RS=0称为约束条件。图13.2所示电路为用与非门组成的基本RS触发器，其工作原理请读者自己分析。（a）电路图 （b）符号图13-2 用与非门构成的基本RS触发器13.1.2 触发器的逻辑功能描述触发器的逻辑功能描述 以图13-1所示的基本RS触发器为例，介绍触发器逻辑功能描述的基本概念和术语。1现态与次态2状态转移真值表表表13.1 13.1 基本基本RSRS触触发器的状态转换真发器的状态转换真值表值表R RS SQ Qn nQ Qn+1n+1说说说说明明明明0 00 00 00 0触触发发器器状状态态不不变变0 00 01 11 10 01 10 01 1触触发发器器置置1 10 01 11 11 11 10 00 00 0触触发发器器置置0 01 10 01 10 01 11 10 0触触发发器器状状态态不不定定1 11 11 1 3特征方程特征方程为式中，RS=0为约束条件（不允许输入端R、S同时为1）。4状态图图13-3 基本RS触发器的状态图5时序图图13-4 基本RS触发器时序图13.1.3 触发器的分类触发器的分类1D触发器表表13.2 D13.2 D触发器的状态转换真值表触发器的状态转换真值表D DQ Qn nQ Qn+1n+1说说说说明明明明0 00 00 0输输出等于出等于输输入入0 01 10 01 10 01 11 11 11 1D触发器的特征方程如下：状态图如图13.5所示。图13.5 同步D触发器状态图2JK触发器表表13.3 JK13.3 JK触发器的状态转换真值表触发器的状态转换真值表J JK KQ Qn nQ Qn+1n+1说说说说明明明明0 00 00 00 0触触发发器状器状态态不不变变0 00 01 11 10 01 10 00 0触触发发器置器置0 00 01 11 10 01 10 00 01 1触触发发器置器置1 11 10 01 11 11 11 10 01 1触触发发器状器状态态翻翻转转1 11 11 10 0JK触发器特征方程如下：JK触发器状态图。图13.6 JK触发器状态图3T和T/触发器表表13.4 T13.4 T触发器的状态转换真值表触发器的状态转换真值表T TQ Qn nQ Qn+1n+1说说说说明明明明0 00 00 0保持保持0 01 11 11 10 01 1翻翻转转1 11 10 0特征方程如下：逻辑功能如表13.5所示。表表13.5 T13.5 T/触发器的触发器的状态转换真值表状态转换真值表Q Qn nQ Qn+1n+1说说说说明明明明0 01 1翻翻转转1 10 0特征方程如下：13.1.4 触发器的逻辑功能转换触发器的逻辑功能转换 1JK触发器到D、T、T/和RS触发器的转换1）JK触发器转换成D触发器D触发器的特征方程为比较两者的特征方程可得图13.7 JK触发器转换为D触发器 2）JK触发器转换成T触发器T触发器的特征方程为 可直接对JK触发器和T触发器的特征方程进行比较，可得 画电路图如图13.8所示。图13.8 JK触发器转换为T触发器3）JK触发器转换成T/触发器T/触发器的特征方程为变换其形式得比较JK触发器与T/触发器两者的特征方程可得画电路图如图13.9所示。图13.9 JK触发器转换为T/触发器4）JK触发器转换成RS触发器RS触发器的特征方程为变换其形式因此可得 图13.10 JK触发器转换为RS触发器 3D触发器到JK、T、T/和RS触发器的转换1）D触发器转换成JK触发器比较JK触发器与D触发器的特征方程可知图13.11 D触发器转换为JK触发器画电路图如图13.11所示。2）D触发器转换成T触发器T触发器的特征方程为比较T触发器与D触发器的特征方程可得画电路图如图13.12所示。图13.12 D触发器转换为T触发器3）D触发器转换成T/触发器T触发器的特征方程为比较式T/触发器与D触发器的特征方程，可得画电路图如图13.13所示。图13.13 D触发器转换为T/触发器4）D触发器转换成RS触发器RS触发器的特征方程为比较式RS触发器与D触发器的特征方程，可得可画出其电路如图13.14所示。图13.14 D触发器转换为RS触发器13.2 时序逻辑电路分析时序逻辑电路分析13.2.1 13.2.1 时序逻辑电路概述时序逻辑电路概述时序逻辑电路概述时序逻辑电路概述13.2.2 13.2.2 同步时序电路的分析方法同步时序电路的分析方法同步时序电路的分析方法同步时序电路的分析方法13.2.3 13.2.3 异步时序电路的分析方法异步时序电路的分析方法异步时序电路的分析方法异步时序电路的分析方法退退退退 出出出出13.2.1 时序逻辑电路概述时序逻辑电路概述1电路结构用图13.15所示的方框图表示。图13.15 时序电路示意图2时序电路逻辑功能的表示1）方程组 2）状态表：与触发器的状态表相同，只是这里的变量为电路的输入X1Xi、电路的输出Y1Yj、存储电路的驱动W1Wk、电路的原状态Q1nQLn、电路的次态Q1n+1QLn+1。将他们用表格表示，即为状态转换真值表，简称状态表。3）状态图：与触发器的状态图相同。即在状态图中用小圆圈分别表示电路的各个状态，以箭头表示状态转换的方向，同时在箭头旁边标明电路状态转换的输入值和输出值。通常将输入变量取值在斜线上，输出值在斜线下。4）时序图：所谓时序图，是根据状态图或状态表的内容绘制成时间波形的形式。即在序列的时钟作用下，电路状态、输出状态随时间变化的波形图称为时序图。3时序逻辑电路的分类 （1）按照时序电路中所有触发器状态的变化是否同步，时序电路可分为同步时序电路和异步时序电路。若电路中所有触发器的时钟脉冲CP控制信号，都是使用同一个时钟脉冲，这种时序电路称为同步时序电路，否则为异步时序电路。（2）按照电路输出信号的特点，时序电路又可以分为米利（Mealy）型时序电路和穆尔（Moore）型时序电路。穆尔型时序电路，其电路的输出信号仅取决于存储电路的原状态。其输出方程为13.2.2 同步时序电路的分析方法同步时序电路的分析方法 具体步骤为：根据给定的时序电路，写出电路的输出方程；写出每个触发器的驱动方程；将驱动方程代入相应触发器的特征方程，得出每个触发器的状态方程；找出该时序电路对应的状态表或者状态图，以便直观地看出该时序电路的逻辑功能。若电路中存在无效状态（即电路未使用的状态），应该检查电路能否自启动；用文字描述电路的逻辑功能。【例13.1】分析下图所示时序逻辑电路的功能。解：（1）由于该电路所有的触发器都使用同一个时钟脉冲，故为同步时序电路。（2）写出电路的驱动方程、输出方程及状态方程。驱动方程为输出方程为代入JK触发器的特征方程中，就可以得出电路的状态方程：（3）画出电路的状态图 （4）检查电路的自启动：设电路的初始状态为“101”，当脉冲CP到来时将其代入状态方程、输出方程，可以求得输出为“1”，新状态为“010”；类似可以得出电路初态为“110”时，在CP的控制下输出为“1”，新状态为“010”；电路初态为“111”时，在CP脉冲控制下输出为“1”，新状态为“000”；所以电路能够自启动。电路的完整状态图如图13.18所示。（5）结论：为能够自启动的五进制加法计数器。通过状态图转换可以写出该电路的状态表，如表13.7所示。表表13.7 13.7 状态转换真值表状态转换真值表CPCPQ Q3 3 n n Q Q2 2 n n Q Q1 1 n nQ Q3 3 n+1 n+1 Q Q2 2 n+1 n+1 Q Q1 1 n+1 n+1 Y Y1 12 23 34 45 50 0 00 0 00 0 10 0 10 1 00 1 00 1 10 1 11 0 01 0 00 0 1 00 0 1 00 1 0 00 1 0 00 1 1 00 1 1 01 0 0 01 0 0 00 0 0 10 0 0 16 67 78 81 0 11 0 11 1 01 1 01 1 11 1 10 1 0 10 1 0 10 1 0 10 1 0 10 0 0 10 0 0 1【例13.2】分析下图所示电路的逻辑功能。解：（1）显然，这是一个米利型的时序电路。它是由两个D触发器组成的同步时序电路。X为电路的输入端，Y为输出端。（2）写出电路的驱动方程、输出方程及状态方程。驱动方程为输出方程为 电路的状态方程：（3）画出电路的状态图。由状态方程可以得出如图13.20所示的状态图。图13.20 例13.2图213.2.3 异步时序电路的分析方法异步时序电路的分析方法 一般来说，异步时序电路的分析步骤如下：根据给定的时序电路，写出每个触发器的驱动方程（又称激励方程）及时钟方程；将驱动方程、时钟方程代入相应触发器的特征方程，得出每个触发器的状态方程；找出该时序电路对应的状态表或状态图，以便直观地看出该时序电路的逻辑功能；若电路存在无效状态（即电路未使用的状态），应检查电路能否自启动；用文字描述该时序电路的逻辑功能。【例13.3】分析下图所示电路的逻辑功能。解：（1）该电路穆尔型（无输入信号）异步时序逻辑电路。（2）写出电路的驱动方程、时钟方程、输出方程和状态方程。驱动方程、时钟方程为输出方程为电路的状态方程为（3）画出电路的状态图。由状态方程可得到如图所示的状态图。在依次假设电路的初始状态，代入状态方程求出电路的新状态时，要注意每一个方程式的有效时钟脉冲条件。只有当时钟条件具备时，触发器才会按照方程式的规定更新状态，否则将保持状态不变。例如，在状态图中，设电路的原状态为“010”，当CP时钟脉冲上升沿到来时，方程Q1n+1和Q3n+1成立，Q1n+1=1，Q2n+1=Q2n，Q3n+1=0，故电路的次态为“011”，余下的读者可按相同方式分析。（4）检查自启动：设电路的初态为“101”，当CP控制脉冲有效时，可求出输出为“1”，新状态为“010；类似可以求出当初态为“110”，CP有效时，输出为“1”，新状态为“010”；电路初态为“111”，CP有效时，输出为“1”，新状态为“100”。所以，电路能够自启动。13.3 典型时序逻辑电路典型时序逻辑电路13.3.1 13.3.1 计数器计数器计数器计数器13.3.2 13.3.2 寄存器寄存器寄存器寄存器退退退退 出出出出13.3.1 计数器计数器 统计脉冲的个数称为计数，实现计数功能的电路称为计数器。1计数器的分类 按计数器中触发器工作是否与时钟脉冲同步可分为：同步计数器与异步计数器。按计数的进制可分为：二进制计数器：十进制计数器：N进制计数器。按计数是递增还是递减可分为：加法计数器:减法计数器：可逆计数器。2同步计数器 同步计数器是典型的同步时序电路，电路中所有的触发器都共用一个时钟脉冲源，这个时钟脉冲就是被计数的输入脉冲。1）同步计数器的分析步骤 根据电路写出各个触发器的驱动方程；根据电路写出电路的输出方程；将驱动方程代入相应触发器的特征方程，求出电路的状态方程；依次假设电路的初始状态，当CP脉冲到来时，代入状态方程、输出方程，求出电路的新状态、输出，然后写出电路的状态转换真值表或电路的状态转换图；若电路中存在无效状态，应检查电路能否自启动；得出电路的逻辑功能。2）同步二进制计数器【例13.4】分析下图所示电路的逻辑功能。解：（1）写出电路的驱动方程、输出方程。驱动方程为输出方程为（2）写出电路的状态方程。电路的状态方程：（3）画出电路的状态图。（4）结论。由状态图可知，该电路为同步三位二进制加法计数器，也称为八进制加法计数器。【例13.5】分析如图所示电路的逻辑功能。解：（1）写出电路的驱动方程、输出方程。驱动方程为 输出方程为（2）写出电路的状态方程。电路的状态方程：（3）画出电路的状态图。（4）结论。由状态图可知，该电路为同步三位二进制减法计数器，也称为八进制减法计数器。3异步计数器 1）分析步骤 根据电路写出驱动方程、输出方程、时钟方程；将驱动方程、时钟方程代入相应触发器的特征方程，得出电路的状态方程；画出电路的状态图。依次假设电路的初始状态，当CP脉冲到来时，代入状态方程、输出方程，求出电路的新状态，然后画出电路的状态图，或者写出电路的状态表。若电路中存在无效状态，应检查电路能否自启动；叙述该电路的逻辑功能。2）异步二进制计数器【例13.6】分析如图所示电路的逻辑功能。解：（1）写出电路的驱动方程、时钟方程。（2）写出电路的状态方程。将驱动方程、时钟方程代入JK触发器的特征方程中，就得到了电路的状态方程：（3）画出电路的状态图。由特征方程可得出如图13.30所示的状态图。（4）结论。由状态图可知，该电路为异步三位二进制减法计数器，也称为异步八进制减法计数器。13.3.2 寄存器寄存器 1基本寄存器 基本寄存器只有存放数据或代码的功能，其电路由触发器组成，下图所示为一个四位的基本寄存器，它由四个D触发器组成。图中，D3、D2、D1和D0为寄存器的数据输入端，Q3、Q2、Q1和Q0为寄存器的输出端，CP为寄存器的控制端。2移位寄存器 移位寄存器可以分为以下四类：串入-串出工作方式的移位寄存器；串入-并出工作方式的移位寄存器；并入-并出工作方式的移位寄存器；并入-串出工作方式的移位寄存器。以图13.32所示的串入-并出工作方式的四位移位寄存器为例进行分析。（1）清零。在每个触发器的端加清零信号，将各触发器置“0”，此时，寄存器的状态为“0000”。（2）存入数据。已知需要存放的数据为“A3、A2、A1、A0”。（3）取出数据。当读数脉冲CP到来时，将四个“与门”打开，则可以同时取出在移位寄存器中所存储的数码“A3 A2 A1 A0”。13.4 常用中规模集成时序常用中规模集成时序逻辑电路逻辑电路13.4.1 13.4.1 集成计数器集成计数器集成计数器集成计数器13.4.2 13.4.2 用集成计数器构成用集成计数器构成用集成计数器构成用集成计数器构成N N进制计数器的方法进制计数器的方法进制计数器的方法进制计数器的方法13.4.3 13.4.3 集成寄存器集成寄存器集成寄存器集成寄存器13.4.4 13.4.4 集成移位寄存器的应用集成移位寄存器的应用集成移位寄存器的应用集成移位寄存器的应用退退退退 出出出出 13.4.1 集成计数器集成计数器 1集成四位二进制同步加法计数器 74LS161如图13.33所示。图13.33 74LS161（2）功能表。表13.8所示为74LS161集成四位二进制计数器的功能表。表13.8所示的功能表反映了74LS161是一个具有异步清零、同步置数、可以保持状态不变的、上升沿触发的四位二进制同步加法计数器。2集成四位二进制同步可逆计数器 四位二进制同步可逆计数器74LS191。（1）图13.34所示即为集成四位二进制可逆计数器74LS191。图13.34 74LS191（2）功能表。3集成二进制异步计数器74LS197如图13.35所示。（1）管脚说明。图13.35所示为四位二进制异步加法计数器74LS197。（2）功能表。表13.11为74LS197的功能表。图13.35 74LS197 4集成十进制同步加法计数器 1）集成十进制同步加法计数器 74LS160、74LS161、74LS162、74LS163的输出端排列图和逻辑符号完全相同，其逻辑功能也基本相似，其区别如表13.12所示。表表13.12 74LS16013.12 74LS160、161161、162162、163163加法计数器功能加法计数器功能芯片芯片芯片芯片74LS16074LS16074LS16174LS16174LS16274LS16274LS16374LS163功能功能异步清零异步清零同步置数同步置数状状态态保持保持十十进进制制计计数数异步清零异步清零同步置数同步置数状状态态保持保持十六十六进进制制计计数数同步清零同步清零同步置数同步置数状状态态保持保持十十进进制制计计数数同步清零同步清零同步置数同步置数状状态态保持保持十六十六进进制制计计数数 2）集成十进制同步可逆计数器 集成十进制同步可逆计数器74LS190与集成十六进制（四位二进制）同步可逆计数器74LS191的端口排列图和逻辑符号相同，其区别为一个是十进制，另一个是十六进制。其功能对比见表13.13。表表13.13 74LS19013.13 74LS190、191191可逆计数器功能简表可逆计数器功能简表芯片芯片芯片芯片74LS19074LS19074LS19174LS191功能功能异步置数异步置数单时钟单时钟状状态态保持保持进进位位/借位借位级联输级联输出出同步置数同步置数单时钟单时钟状状态态保持保持进进位位/借位借位级联输级联输出出13.4.2 13.4.2 用集成计数器构成用集成计数器构成N N进制计数器的方法进制计数器的方法 1利用异步清零端的复位法 利用具有异步清零端的集成M进制计数器设计N进制计数器的设计步骤为：写出状态SN的二进制代码；求出清零函数；画出电路图。【例13.7】试用74LS161设计一个十二进制计数器。解：（1）74LS161为四位二进制同步加法计数器，采用异步清零。（2）写出状态SN（N=12）的二进制代码SN=S12=1100。需要注意的是，十二进制是00001011（即零到十一），但必须等到状态“1100”到来时才清零（还原成状态“0000”），故SN=S12=1100。图13.36 例13.7图 图13.37 例13.8图 图13.38 例13.9图 图13.39 例13.10图 图13.40 例13.11图 13.4.3 集成寄存器集成寄存器 1寄存单向移位寄存器现以四位移位寄存器74LS195为例，作一些说明。（1）管脚说明。图13.41所示为四位移位寄存器74LS195。图13.41 74LS195 图13.42 74LS194（2）功能表。74LS195功能表如表13.15所示。13.4.4 集成移位寄存器的应用集成移位寄存器的应用 1构成移位型计数器 移位寄存器除了可以用来存入数码外，还可以利用它的移位规律构成模值为N的计数器。所以又称为移位型计数器。常用的移位型计数器有环形计数器和扭型计数器。【例13.12】试分析图13.43所示电路的逻辑功能。解：（1）接法分析。图13.44所示电路为用四位移位寄存器74LS195组成的环形计数器（即寄存器的Q3端接至串行数码输入端J、K端）。由于这种环形计数器不能够自启动，所以在位移控制端应加启动信号。图13.43 例13.12图 在启动信号作用下，移位寄存器存入数据0001，然后一直按00010010010010000001的顺序右移，实现了模值为4的计数功能。由于这种移位型计数器，在每一个输出端（Q0、Q1、Q2、Q3）轮流出现1（或0），故称为环形计数器。图中，若将J、端接至端，则可以实现模值为8的计数器。其循环顺序为，000100110111111111101100100000000001。2构成顺序脉冲发生器 顺序脉冲发生器又称为节拍脉冲发生器或脉冲分配器，其功能是在多个输出端按照一定的顺序依次产生脉冲输出信号，以分别控制各个分系统协调工作。顺序脉冲发生器一般有两种组成方式：一是由计数器和相应的译码器构成，一是由寄存器直接产生。【例13.13】试分析图13.45所示电路的逻辑功能。解：图13.45所示为一种顺序脉冲发生器。图13.45 例13.13图 （1）电路的启动。从图中可以看出，Q3与DSR相连，构成一个环形计数器，当启动信号输入负脉冲时（启动后恒为正脉冲），门G2输出为1，使M1=M0=1，寄存器执行并行输入功能，使得Q3Q2Q1Q0=D3D2D1D0=0001。（2）移位。启动信号消除后，由于输出端Q3Q2Q1Q0种有3个“0”，使得门G1的输出为1，门G2的输出为0。使得M1=0，M0=1，74LS194 开始执行右移功能。Q0Q1Q2Q3依次输出为1。（3）保持。在移位过程中，由于Q3Q2Q1Q0中始终有3个“0”，故使得门G1的输出为1，门G2的输出为0。使得M1=0，M0=1。移位动作得以保持。从图中可以看出，若预置数D3D2D1D0是其它的数据组合（1111和0000除外），该电路也可以构成相应序列的顺序脉冲信号发生器。本章小结本章小结 1触发器是数字电子技术中极其重要的基本单元。触发器有两个稳定状态，在外界信号作用下，可以从一个稳态变为另一个稳态；无外界信号作用时状态保持不变。因此，触发器可以作为二进制存储单元使用。2触发器的特性方程是表示其逻辑功能的重要逻辑函数，在分析（设计）时序电路时常用来作为判断电路状态转换的依据。各种不同功能的触发器的特性方程为：3同一种功能的触发器，可以用不同的电路结构形式来实现，如基本RS触发器就有与非门、或非门两种构成形式；不同的触发器之间也可以实现其相互转换。4时序逻辑电路的特点是，在任意时刻的输出不仅与输入有关，而且还取决于电路原来的状态。为了记忆电路的状态，时序电路必须包含存储电路。5时序电路通常分为同步时序电路和异步时序电路两类。其主要区别在于，同步时序电路的触发器受同一时钟控制，而异步时序电路的触发器受不同的脉冲源控制。6计数器和寄存器是比较常用的时序电路。7在基本时序电路上加一些控制端，可以实现逻辑功能的扩展。常用的中规模集成计数器有74LS160、74LS161、74LS162、74LS163、74LS190、74LS191等，利用其控制端口，可以构成N进制计数器。常用的中规模集成寄存器有74LS194、74LS195等。