数字电路与逻辑设计课件第4章

1、本章要求本章要求：1.熟练掌握各种触发器组合的分析，并能熟练掌握各种触发器组合的分析，并能画波形图。画波形图。2.理解状态转移真值表、次态卡诺图、状理解状态转移真值表、次态卡诺图、状态转移图。态转移图。3. 掌握基本掌握基本RS触发器、维持阻塞触发器、维持阻塞D触发器、触发器、边沿边沿JK触发器的工作原理。触发器的工作原理。第第4章章 基本时序电路基本时序电路集成触发器集成触发器 4. 理解RS,D,JK之间的相互转化。5. 了解主从触发器的一次翻转现象。能绘制波形图。 4.1 基本基本RS触发器触发器 4.1.1 电路结构和工作原理电路结构和工作原理 第5章 集成触发器 实际的实际的RS触发

2、器触发器当 输 入 信 号当 输 入 信 号 RD、 SD不 变 化不 变 化 ( 即即RDSD=11)时，该触发器必定处于某一状时，该触发器必定处于某一状态保持不变，所以它是具有存储数字信息态保持不变，所以它是具有存储数字信息的功能。的功能。 无论无论RD或或 SD都遵从都遵从“直线置一；斜直线置一；斜线置线置0”的信号流向。的信号流向。 在某一时刻当输入信号变化时，时序在某一时刻当输入信号变化时，时序电路可能从一个稳定状态转换到另一个稳电路可能从一个稳定状态转换到另一个稳定状态。我们把某时刻输入信号作用前的定状态。我们把某时刻输入信号作用前的状态称为时序电路的状态称为时序电路的现在状态现在

3、状态(简称现态简称现态)，用用Qn和和Qn)表示表示；把在输入信号作用后的把在输入信号作用后的状态称为时序电路状态称为时序电路下一状态下一状态(简称次态简称次态)，用用Qn+1和和Qn+1表示。表示。 4.1.2 时序电路的功能描述方法时序电路的功能描述方法 1. 状态转移真值表状态转移真值表(状态表状态表) 将时序电路的次态将时序电路的次态Qn+1与现态与现态Qn、输、输入信号之间的逻辑关系用表格形式表示出入信号之间的逻辑关系用表格形式表示出来，这种表格就称为来，这种表格就称为状态转移真值表状态转移真值表， 简简称状态表。称状态表。触发器的次态触发器的次态Qn+1不仅与输入不仅与输入信号有关

4、，还与它的现态信号有关，还与它的现态Qn有关有关。由状态。由状态表得到的表得到的K图称图称次态次态K图图。 表 4 1 基本基本RS触发器状态表触发器状态表 图图 4 2 次态卡诺图次态卡诺图 RDSDQ0001111001001011Qn+1n或非门组成的基本RS触发器 2. 特征方程特征方程(状态方程状态方程) 描述时序电路逻辑功能的函数表达描述时序电路逻辑功能的函数表达式称为式称为特征方程或状态方程特征方程或状态方程。对图。对图5-2次次态卡诺图化简，可以求得由或非门组成态卡诺图化简，可以求得由或非门组成的基本的基本RS触发器的特征方程为触发器的特征方程为 01DDnDDnRSQRSQ

5、(约束条件约束条件) 3. 状态转移图状态转移图(状态图状态图)与激励表与激励表 状态转移图状态转移图是描述时序电路的状态转是描述时序电路的状态转移规律的图形。移规律的图形。RD= 1SD= 001RD=SD=1SD=RD=1RD= 0SD= 1第5章 集成触发器 状态转移图是在软件开发领域内通常被称作状态转移图是在软件开发领域内通常被称作有限有限状态机（状态机（Finite State Machine），是一种应用非常广泛，是一种应用非常广泛的软件设计模式（的软件设计模式（Design Pattern）。）。有限状态机描述对象在它的生命周期内所经历的有限状态机描述对象在它的生命周期内所经历的

6、状态序列，以及如何响应来自外界的各种事件。状态序列，以及如何响应来自外界的各种事件。第5章 集成触发器 RPG 城门状态机城门状态机4. 波形图波形图 (timing diagrams) 工作波形图又称时序图，它反映了工作波形图又称时序图，它反映了时序电路的输出状态随时间和输入信号时序电路的输出状态随时间和输入信号变化的规律。变化的规律。tt1t2t3t5t6t7t8t94.2 时钟控制的触发器时钟控制的触发器 4.2.1 钟控钟控RS触发器触发器 在时序电路中，要求触发器在时钟脉冲在时序电路中，要求触发器在时钟脉冲CP的作的作用下工作。当用下工作。当CP=0时，无论时，无论R，S取值为多少，

7、触发取值为多少，触发器状态维持不变。当器状态维持不变。当CP=1时，实现基本时，实现基本RS触发器的触发器的功能。功能。10nnQSR QS R图 5 6 钟控钟控RS触发器的波形图触发器的波形图 R、S高电平有效高电平有效4.2.2 钟控钟控D触发器触发器 钟控钟控D触发器在时钟作用下，其次态触发器在时钟作用下，其次态Qn+1始终和始终和D输入一致，因此常把它称为数输入一致，因此常把它称为数据锁存器或延迟据锁存器或延迟(Delay)触发器。触发器。 特征方程为特征方程为Q n+1 = D （CP 有效）有效） (a)QQ(b)&RDSDQQ&CPDBDCACP1DC11nnnQSR QDD

8、QD图 4-3 D触发器状态图触发器状态图 01D = 0D = 0D = 1D = 14.2.3 钟控钟控T触发器触发器 钟控钟控T触发器的工作特点是：在触发器的工作特点是：在T1时，触发器在时钟脉冲时，触发器在时钟脉冲CP的作用下，每的作用下，每来一个脉冲输出的状态翻转一次；在来一个脉冲输出的状态翻转一次；在T=0时，状态不变。时，状态不变。(a)QQ1T(b)&RDSDQQ&CPTC1CP1nnnnnnnnQSRQTQTQ QTQTQTQ钟控钟控T触发器的特征方程为触发器的特征方程为 有效）（CPQTQnn14.2.4 钟控钟控J-K触发器触发器 为了避免为了避免RS触发器两输入端电平不

9、触发器两输入端电平不能同时有效的弊端，引入钟控能同时有效的弊端，引入钟控J-K触发器。触发器。1nnnnnnnQSRQJQKQ QJQKQ钟控钟控J-K触发器的状态方程为触发器的状态方程为:有效）（CPQKQJQnnn1 同时具备以下条件的触发器称为边沿触发同时具备以下条件的触发器称为边沿触发方式触发器方式触发器(简称边沿触发器简称边沿触发器)： 触发器仅触发器仅在在CP上升沿上升沿(rising edge)或下降沿或下降沿(falling edge)到来时状态才可以发生变化。到来时状态才可以发生变化。 在在CP=0或或CP=1期间，输入信号变化不会引起触发器输期间，输入信号变化不会引起触发器

10、输出状态变化。出状态变化。 边沿触发方式的触发器有两种常用类型：边沿触发方式的触发器有两种常用类型：一种是维持一种是维持阻塞阻塞D触发器；另一种是边沿触发器；另一种是边沿JK触发器。触发器。 4.3 边沿触边沿触 发发 器器 1. 边沿边沿JK触发器触发器 边沿边沿JK触发器的工作特性与触发器的工作特性与JK触发器触发器相同，但在相同，但在CP边沿输出状态才可能发生改边沿输出状态才可能发生改变。图中变。图中 为为 复位、置复位、置1端，工作不受端，工作不受CP控制，因此称为异步置控制，因此称为异步置0、置、置1端。端。 DDSR ,下降沿下降沿JK触发器触发器 &1&1&RDQQSDCPJK2

11、1RDSD34CPQKQJQnnn)(1下降沿下降沿JK触发器的状态方程触发器的状态方程0K = J = 0J = K = 0K = J = 1J = K = 11在CP=1时经过2tpd， 才能建立。才能建立。因此tCPH2tpd。 在在CP=0持续期持续期tCPL内一定要保证基本内一定要保证基本RS触发器能可靠触发器能可靠翻转，翻转，因此tCPL2tpd。 触发器最高工作频率为 DDRS 、max14CPpdft下降沿下降沿JK触发器最高工作频率触发器最高工作频率边沿边沿JK触发器的波形图触发器的波形图 4321 2. 维持维持阻塞式阻塞式D触发器触发器 1) 电路工作原理电路工作原理 维

12、持维持阻塞式阻塞式D触发器如图所示。图中触发器如图所示。图中 为为 复位、置复位、置1端，工作不受端，工作不受CP控制，因此控制，因此 也称异步置也称异步置0、置、置1端。端。 DDSR ,DDSR ,维持维持阻塞式阻塞式D触发器的状态方程为触发器的状态方程为CPDQn 1 当当CP由由0变为变为1时，触发器的输出状态由时，触发器的输出状态由CP变化前瞬间变化前瞬间的输入信号的输入信号D来决定。来决定。 max1(5CPpdpdftt 与非门平均延迟时间） 2) 脉冲工作特性脉冲工作特性 由于输入信号通过触发器需要一定的由于输入信号通过触发器需要一定的延时才能作用于输出端，相邻两个有效沿延时才

13、能作用于输出端，相邻两个有效沿的时间要大于延时时间才能保证前一个有的时间要大于延时时间才能保证前一个有效沿处的输入信号对触发器有作用。效沿处的输入信号对触发器有作用。3）维持）维持阻塞式阻塞式D触发器波形图触发器波形图 6543211 D触发器：触发器： 输出为输出为有效沿到达之前有效沿到达之前输入的状态。输入的状态。2 JK触发器：输出根据触发器：输出根据有效沿到达之前有效沿到达之前输入的状态而定：输入的状态而定： J=K=1 翻转。翻转。 J=1,K=0 输出为一。输出为一。 J=0,K=1 输出为输出为0。 J=K=0, 输出保持不变。输出保持不变。3 RS触发器：触发器：S端置一，端置

14、一，R端置端置0。4 T触发器可由触发器可由D、JK构成，是二进制计数器（二分频）。构成，是二进制计数器（二分频）。5 RS,JK,D触发器的稳定工作状态有触发器的稳定工作状态有2个。个。三种触发器的基本工作特点：三种触发器的基本工作特点： 如果使如果使J=K 则则JK触发器构成触发器构成T触发器触发器。 如果使如果使T始终为始终为1称之为称之为T触发器，触发器， T触发触发器可以实现器可以实现CP信号的二分频。信号的二分频。CP TQn+1T触发器触发器课后的任务：课后的任务：1 绘出绘出P125 图图45、P135图图422、P137 图图425 的波形图。的波形图。 时序图的画法一般按以

15、下步骤进行：时序图的画法一般按以下步骤进行： 首先确定输入信号的逻辑表达式。首先确定输入信号的逻辑表达式。 确定确定CP的有效作用沿。对多个触的有效作用沿。对多个触发器，发器，各自的各自的CP的有效作用沿可能不同的有效作用沿可能不同。 4.4 触发器时序图的综合分析触发器时序图的综合分析异步直接置异步直接置0、置、置1端端(RD、SD)的操的操作不受时钟作不受时钟CP的控制，应先画出有异步的控制，应先画出有异步置位信号作用时的波形，该波形从异步置置位信号作用时的波形，该波形从异步置位信号作用时算起，一直到异步置位信号位信号作用时算起，一直到异步置位信号作用完后作用完后下一个下一个CP有效沿有效

16、沿到来之前。到来之前。 每个时钟脉冲作用沿来到后，根据每个时钟脉冲作用沿来到后，根据触发器的状态方程确定其次态。在触发器的状态方程确定其次态。在两个两个CP有效沿之间，输出状态不变化。除非有效沿之间，输出状态不变化。除非遇到异步控制信号。遇到异步控制信号。5 对于周期性波形，只需要画出一次完整周对于周期性波形，只需要画出一次完整周期，其余的可以复制。期，其余的可以复制。 触发器逻辑功能的转换触发器逻辑功能的转换QC11K1JQQC11K1JQCP DCPT1QC11K1JQCPSRJK触发器转换为触发器转换为RS触发器的过程。触发器的过程。nnnnnnnnnnnQRQSQRSRSQSQRSQS

17、QRQQSQRSQ)(1RS 为约束项为约束项RKSJ所以所以 例例4-1 边沿边沿JK触发器和维持触发器和维持阻塞式阻塞式D触发触发器分别如图器分别如图 (a)、 (b)所示，其输入波形见所示，其输入波形见 (c)，试分别画出试分别画出Q、 Q2端的波形。端的波形。设电路初态均为设电路初态均为0 。 CPABQ1Q2 例例4-2 边沿触发器组成的电路分别如图边沿触发器组成的电路分别如图(a)、 (b)所示，其输入波形见图所示，其输入波形见图(c)，试分别画出，试分别画出Q1、Q2端的波形。端的波形。 设电路初态均为设电路初态均为0。 a)b) 1nnQA QCP+=鬃CPBAQBAQBAQB

18、AQBAQKQJQBAKBAJnnnnnnn 1CPAQ1例例4-3 画出由边沿触发器构成的电路的输画出由边沿触发器构成的电路的输出出Q1、Q2的波形，设的波形，设Q1、Q2的初始状态都为的初始状态都为0。12111212121nnnnnnnQQQQQCPQQCP+=+篆=篆Q2Q1100100状态转移图状态转移图QQSETCLRDQQSETCLRD&000A21V例例4 画出波形。画出波形。Q1Q2V例例4-5 画出画出Q1,Q2波形。波形。BQQQJQnnnn21212AACP1&0000JQQKSETCLRQQSETCLRDB11214.7kA12例例4-6 下图所示电路中触发器均为边沿

19、触发下图所示电路中触发器均为边沿触发器，试画出触发器的输出器，试画出触发器的输出Q1 Q2在时钟脉冲在时钟脉冲CP的作用下的输出波形。的作用下的输出波形。(设初始状态设初始状态Q1 Q2 =0)=1000JQQKSETCLRQQSETCLRD112CPDR1CP、本题的难点在于判断本题的难点在于判断CP的有效沿。属于有效沿变化的的有效沿。属于有效沿变化的触发器电路波形分析。触发器电路波形分析。nnnnnnnnnnQQQQCPQCPQQCPCPQCPCPQQCPCP121212211112122110下列触发器没有约束条件的是：A 基本RS触发器B 基本RS触发器C 基本RS触发器D 基本RS触发器补充主从触发器的一次翻转补充主从触发器的一次翻转 主从触发器主从触发器 从触发器主触发器1QQQQKJCP图 5-15 主从JK触发器&QQ&1&CP1Q主Q主24365RD主SD主KJ8