触发器和时序逻辑电路

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21.4555定时器及其应用本章要求1.掌握R－S、J－K、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.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。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。1.基本R－S触发器2.可控RS

触发器&QQG1&G2SDRD21.1.1R－S

触发器两互补输出端1.基本R－S触发器两输入端正常情况下，两输出端的状态保持相反。通常以Q端的逻辑电平表示触发器的状态，即Q=1，Q=0时，称为“1”态；反之为“0”态。反馈线基本R－S

触发器状态表逻辑符号RD(ResetDirect)-直接置“0”端(复位端)SD(SetDirect)-直接置“1”端(置位端)QQSDRDSDRDQ100置0011置111不变保持00同时变1后不确定功能低电平有效触发器输出与输入的逻辑关系1001设触发器原态为“1”态。翻转为“0”态(1)SD=1，RD=01010&QQG1&G2SDRD设原态为“0”态1001110触发器保持“0”态不变复位0结论:不论触发器原来为何种状态，当SD=1，

RD=0时，

将使触发器置“0”或称为复位。&QQG1&G2SDRD01设原态为“0”态011100翻转为“1”态(2)SD=0，RD=1&QQG1&G2SDRD设原态为“1”态0110001触发器保持“1”态不变置位1结论:不论触发器原来为何种状态，当SD=0，

RD=1时，

将使触发器置“1”或称为置位。&QQG1&G2SDRD11设原态为“0”态010011保持为“0”态(3)SD=1，RD=1&QQG1&G2SDRD设原态为“1”态1110001触发器保持“1”态不变1当SD=1，

RD=1时，触发器保持原来的状态，

即触发器具有保持、记忆功能。&QQG1&G2SDRD&QQG1&G2SDRD110011111(4)SD=0，RD=0

当信号SD=RD

=0同时变为1时，由于与非门的翻转时间不可能完全相同，触发器状态可能是“1”态，也可能是“0”态，不能根据输入信号确定。基本R－S

触发器状态表逻辑符号RD(ResetDirect)-直接置“0”端(复位端)SD(SetDirect)-直接置“1”端(置位端)QQSDRDSDRDQ100置0011置111不变保持00同时变1后不确定功能低电平有效2.可控RS

触发器基本R-S触发器导引电路&G4SR&G3CP&G1&G2SDRDQQ时钟脉冲当CP=0时011

R，S

输入状态不起作用。

触发器状态不变11&G1&G2SDRDQQ&G4SR&G3CP

SD，RD用于预置触发器的初始状态，

工作过程中应处于高电平，对电路工作状态无影响。被封锁被封锁当CP=1时1打开(1)S=0,R=00011触发器保持原态触发器状态由R，S

输入状态决定。11打开&G1&G2SDRDQQ&G4SR&G3CP1101010(2)S=0,R=1触发器置“0”(3)S=1,R=0触发器置“1”11&G1&G2SDRDQQ&G4SR&G3CP1110011110若先翻若先翻Q=1Q=011(4)S=1,R=1当时钟由1变0后触发器状态不定11&G1&G2SDRDQQ&G4SR&G3CP可控RS状态表00SR01010111不定Qn+1QnQn—时钟到来前触发器的状态Qn+1—时钟到来后触发器的状态逻辑符号QQSRCPSDRD

CP高电平时触发器状态由R、S确定CP低电平时R，S输入状态不起作用。触发器状态不变。跳转例：画出可控R－S

触发器的输出波形RSCP不定不定可控R－S状态表

CP高电平时触发器状态由R、S确定QQ0100SR01010111不定Qn+1Qn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。CP克服办法：采用JK

触发器或D

触发器00SR

010

10

1

11

不定Qn+1QnQ=SQ=R21.1.2主从JK触发器1.电路结构从触发器主触发器反馈线CP

CP1互补时钟控制主、从触发器不能同时翻转RS

C从触发器QQQSDRD

C主触发器JK(1)J=0，K=1CP信号作用(2)J=1，K=0CP信号作用(3)J=0，K=0CP信号作用(4)J=1,K=1CP信号作用Qn+1=0Qn+1=1QnQn+1=QnQn+1=(保持功能)(置“0”功能)(置“1”功能)(翻转计数）即每来一个时钟脉冲，状态翻转一次，即具有计数功能。四种逻辑功能：CP01001结论：

CP高电平时主触发器状态由J、K决定，从触发器状态不变。

CP下降沿()触发器翻转(主、从触发器状态一致）。RS

从触发器QQQSDRD1

JKCP

从触发器3.JK触发器的逻辑功能Qn10011100Qn01

J

K

Qn

Qn+1

00

01

10

11

JK触发器状态表01010101

CP高电平时，主触发器状态由J、K决定，从触发器状态不变。

CP下降沿()触发器翻转(主、从触发器状态一致）。00010101Qn+1QnS'R'J

K

Qn+1

00Qn

010

101

11

Qn

JK触发器状态表(保持功能)

(置“0”功能)

(置“1”功能)

(计数功能)C下降沿触发翻转SD

、RD为直接置1、置0端，不受时钟控制，低电平有效，触发器工作时SD

、RD应接高电平。逻辑符号CPQJKSDRDQ例：JK

触发器工作波形CPJKQ下降沿触发翻转J

K

Qn+1

00Qn

010

101

11

Qn

JK触发器状态表基本R-S触发器导引电路&G2&G1QQSDRD&G3&G4&G5&G6CPD21.1.3维持阻塞D

触发器1.电路结构反馈线跳转D触发器状态表D

Qn+1

0101上升沿触发翻转逻辑符号DCPQQRDSD

CP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CPDQ上升沿触发翻转21.1.4触发器逻辑功能的转换1.将JK触发器转换为D

触发器当J=D，K=D时，两触发器状态相同D触发器状态表D

Qn+1

0101J

K

Qn+1

00Qn

010

101

11

Qn

JK触发器状态表D1CPQJKSDRDQ仍为下降沿触发翻转2.将JK触发器转换为T

触发器T

CPQJKSDRDQT触发器状态表T

Qn+1

01QnQn(保持功能)(计数功能)J

K

Qn+1

00Qn

010

101

11

Qn

JK触发器状态表当J=K时，两触发器状态相同3.将D

触发器转换为T´触发器触发器仅具有计数功能即要求来一个CP，

触发器就翻转一次。CPQQD21.2

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。按功能分数码寄存器移位寄存器RDQDFF0d0Q0QDFF1d1Q1d2QDFF2Q2QDFF3d3Q321.2.1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00001101寄存数码1101触发器状态不变RDSDd3RDSDd2RDSDd1RDSDd010清零1100寄存指令&Q0&Q1&Q2&Q3取数指令1100并行输出方式&&&&QQQQ00000011状态保持不变1010111121.2.2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。按移位方式分类单向移位寄存器双向移位寄存器寄存数码1.单向移位寄存器清零D1移位脉冲23410111QQ3Q1Q2RD0000000100101011010110111011QJKFF0Q1QJKFF2QJKFF1QJKFF3数据依次向左移动，称左移寄存器，输入方式为串行输入。QQQ从高位向低位依次输入数码输入四位左移移位寄存器状态表0001123移位脉冲Q2Q1Q0移位过程Q3寄存数码D001110000清零110左移一位001011左移二位01011左移三位10114左移四位101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。分类加法计数器减法计数器可逆计数器

(按计数功能)异步计数器同步计数器(按计数脉冲引入方式)

二进制计数器十进制计数器

N

进制计数器(按计数制)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。计数脉冲数二进制数十进制数Q3Q2Q1Q0012345678000000010010001101000101011001111000012345678计数脉冲数二进制数十进制数Q3Q2Q1Q0910111213141510011010101111001101111011119101112131415

16

00000四位二进制加法计数器的状态表21.3.1二进制计数器

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。1010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.清零RDQJKQQ0FF0QJKQQ1FF1QJKQQ2FF2CP计数脉冲三位异步二进制加法计数器在电路图中J、Ｋ悬空表示J、K=1下降沿触发翻转每来一个CP翻转一次当相邻低位触发器由1变0时翻转二进制数

Q2

Q1

Q0

000010012010301141005101611071118000脉冲数(CP)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。异步二进制加法器工作波形2分频4分频8分频每个触发器翻转的时间有先后，与计数脉冲不同步CP12345678Q0Q1Q2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CP又如何连接？思考1、各触发器CP应如何连接？各D触发器已接成T´触发器，即具有计数功能CP清零RDQDQQ0F0QDQQ1FF1QDQQ2FF22.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。同步计数器组成原则:根据翻转条件,确定触发器级间连接方式—找出J、K输入端的联接方式。计数脉冲数二进制数十进制数Q3Q2Q1Q0012345678000000010010001101000101011001111000012345678计数脉冲数二进制数十进制数Q3Q2Q1Q0910111213141510011010101111001101111011119101112131415

16

00000四位二进制加法计数器的状态表四位二进制同步加法计数器级间连接的逻辑关系由J、K端逻辑表达式，可得出四位同步二进制计数器的逻辑电路。触发器翻转条件

J、K端逻辑表达式J、K端逻辑表达式FF0每输入一C翻一次FF1FF2FF3J0=K0=1Q0=1J1=K1=Q0Q1=Q0=1J2=K2=Q1

Q0Q2=Q1=Q0=1J3=K3=Q2

Q1

Q0J0=K0=1J1=K1=Q0J2=K2=Q1

Q0J3=K3=Q2

Q1

Q0（加法）（减法）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。QFF3QFF2QFF1QFF0Q3Q2Q0Q1CPJKJKJKJK由主从型JK触发器组成的同步四位二进制加法计数器

最低位触发器FF0每一个脉冲就翻转一次；FF1：当Q0=1时，再来一个脉冲则翻转一次；FF2：当Q1=Q0=1时，再来一个脉冲则翻转一次。FF3：当Q2=Q1=Q0=1时再来一个时钟FF3翻转。

74LS161型四位同步二进制计数器(a)外引线排列图；(b)逻辑符号A0A1A3A2UCC:16GND:8EPETCPLDRD34561112131415Q0Q3Q1Q2RCO74LS161710291A01CP234RCO5A36EP7GND8911101213141516+UCC74LS161LDA1A2ETQ0Q3Q1Q2RD(a)(b)01111110

0

RD

CPEPET表21.3.474LS161型同步二进制计数器的功能表0111LD输入输出Q3Q2Q1Q0A3A2A1A0d3d2d1d0d3d2d1d0计数保持保持000021.3.2十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。1.同步十进制计数器十进制加法计数器状态表二进制数Q3Q2Q1Q0脉冲数(CP)十进制数0123456789100000000100100011010001010110011110001001000001234567890RDQJKQFF0QJKQFF1CP计数脉冲QJKQFF2QJKQQ3FF3Q2Q1Q0十进制同步加法计数器Q0Q1Q2Q3CP12345678910十进制计数器工作波形常用74LS160型同步十进制加法计数器,其外引脚排列及功能表与74LS161型计数器相同。2.异步十进制计数器(1)74LS290型二-五-十进制计数器Q1RDCP0&R02R01S91S92&QJKQFF1QJKQFF2Q2QJKQFF3Q3RDRDRDSDSDCP1Q0QJKQFF0逻辑功能及外引线排列110

10清零0000（1）R01、

R02：

置“0”输入端逻辑功能Q1RDCP0&R02R01S91S92&QJKQFF1QJKQFF2Q2QJKQFF3Q3RDRDRDSDSDCP1Q0QJKQFF0逻辑功能及外引线排列0置“9”1100（1）S91、

S92：

置“9”输入端逻辑功能1

1Q1RDCP0&R02R01S91S92&QJKQFF1QJKQFF2Q2QJKQFF3Q3RDRDRDSDSDCP1Q0QJKQFF0逻辑功能及外引线排列计数功能0011Q1RDCP0&R02R01S91S92&QJKQFF1QJKQFF2Q2QJKQFF3Q3RDRDRDSDSDCP1Q0QJKQFF00011输入脉冲输出二进制输入脉冲输出五进制Q1RDCP0&R02R01S91S92&QJKQFF1QJKQFF2Q2QJKQFF3Q3RDRDRDSDSDCP1Q0QJKQFF00011输入脉冲输出十进制Q1RDCP0&R02R01S91S92&QJKQFF1QJKQFF2Q2QJKQFF3Q3RDRDRDSDSDCP1Q0QJKQFF074LS290型计数器功能表输入输出Q2Q3R01S92S91R02Q1Q011011011000000001010R01S92S91R02有任一为“0”有任一为“0”计数清零置9输入计数脉冲8421异步十进制计数器十分频输出(进位输出)计数状态计数器输出(2)74LS290的应用S91N74LS290S92Q2Q1NUCCR01R02CP0CP1Q0Q3地外引线排列图17814S92S91Q3Q0Q2Q1R01R02CP1CP0输入脉冲十分频输出8421异步十进制计数器Q1Q2Q3Q0CP12345678910工作波形S92S91Q0Q3Q1Q2R01R02CP1CP0S92S91Q3Q0Q2Q1R01R02CP1CP0五进制输出计数脉冲输入异步五进制计数器CP12345Q1Q2Q3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74LS290可构成十进制计数器，如将十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74LS290构成十以内的任意进制计数器例：六进制计数器六种状态二进制数Q3Q2Q1Q0脉冲数(CP)十进制数0123456789100000000100100011010001010110011110001001000001234567890例：六进制计数器六种状态当状态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。74LS290为异步清零的计数器反馈置“0”实现方法:Q3Q2Q1Q0000000010010001101000101011001111000100100001111六进制计数器S92S91Q3Q0Q2Q1R01R02CP1CP0计数脉冲计数器清零

当出现0110（6）时，应立即使计数器清零，重新开始新一轮计数。例2:六十进制计数器Q3

Q2

Q1

Q0S9(1)

S9(2)

R0(1)

R0(2)CP1

CP0个位Q3

Q2

Q1

Q0S9(1)

S9(2)

R0(1)

R0(2)CP0CP1十位个位为十进制，十位为六进制。个位的最高位Q3接十位的CP0

，个位十进制计数器经过十个脉冲循环一次，每当第十个脉冲来到后Q3由1变为0，相当于一个下降沿，使十位六进制计数器计数。经过六十个脉冲，个位和十位计数器都恢复为0000。74LS16074LS160LD(置数）000000010010001101000101011001111000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”。RDQJKQQ0FF0QJKQQ1FF1QJKQQ2FF2CP计数脉冲解：1.写出各触发器

J、K端和CP端的逻辑表达式

CP0=CP

K0=1

J0=Q2K1=1

J1=1CP1=Q0J2=Q0Q1K2=1CP2=CP

RDQJKQQ0FF0QJKQQ1FF1QJKQQ2FF2CP计数脉冲解：当初始状态为“000”时，

各触发器J、K端和C端的电平为

CP0=CP=0K0=1

J0=Q2=1K1=1

J1=1CP1=Q0=0J2=Q0Q1=0K2=1CP2=CP=0

RDQJKQQ0FF0QJKQQ1FF1QJKQQ2FF2CP计数脉冲000011111CPJ2=Q0Q1K2=1J1=K1=1K0=1

J0=Q2Q2Q1Q0011111011111111111011101011111000010012010301141005000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CP1=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CP12345Q0Q1Q221.4555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。21.4.1555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TVAVB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++C1++C2QQRDSD5k5k5kT24567831<2/3UCC<1/3UCC10>2/3UCC>1/3UCC01<2/3UCC>1/3UCC11>2/3UCC<1/3UCC00RDSDV6V2比较结果1/3UCC不允许2/3UCC++C1++C2.5K5K5KVAVBUCCRDSD562V6V2<2/3UCC<1/3UCC>2/3UCC>1/3UCC<2/3UCC>1/3UCCQT10保持导通截止保持综上所述，555功能表为：QQRDSDT输出RDSD101011QT10保持导通截止保持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。ucR1+UCCuiUCC++C1++C2QQRDSD5K5K5KVAVBT1348(复位端)uO65272.由555定时器组成的单稳态触发器(地)接通电源>2/3UCC01101Q=0导通1稳定状态2.由555定时器组成的单稳态触发器(地)1101Q=1截止暂稳状态0001<1/3UCCucR1+UCCuiUCC++C1++C2QQRDSD5K5K5KVAVBT1348(复位端)uO6527ucR1+UCCuiUCC++C1++C2QQRDSD5K5K5KVAVBT1348(复位端)uO65272.由555定时器组成的单稳态触发器(地)>2/3UCC1010Q=1010110稳定状态Q=0uituCtuOt暂稳态tptp=RCln3=1.1RC2/3UCCQ=1Q=0T截止C充电RD=0SD=1Q=0Q=1因此暂稳态的长短取决于RC时间常数RD=1SD=0+UCC48562713..uCCuiuOR0.01F例1：单稳态触发器构成定时检测&uiuBuAuouituBtuotuAttp例2：单稳态触发器构成短时用照明灯48162357uOui+UCCSRCuituottp若S未按下,则ui

=1若S按下,则ui

=0uO按一下按钮S未按0KT的线圈不通电KT的触点断开灯灭1通电闭合亮灯亮的时间为：tp

=1.1RC48162357uOui+UCCCSKTKTD1D2R~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UCC++C1++C2QQRDSD..5K5K5KVAVBT13245678(复位端)(地)uO1.由555定时器组成的多谐振荡器接通电源通电前uC=0011100>2/3UCCRD=1SD=0uCR1R2.+–C充电C放电1<1/3UCC48562713+UCCuOuC.CR1R2tp1tp22/3UCC1/3UCCRD=1SD=0Q=1Q=0

T截止Q=0Q=1

T导通RD=0SD=1tp1=(R1+R2)Cln2=0.7(R1+R2)Ctp2=R2Cln2=0.7R2CT=tp1+tp2=0.7(R1+2R2)C接通电源C充电C放电uCtOuOtO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；水位下降到探测器以下时，多谐振荡器开始工作，扬声器发出报警。.uC.+UCC4876213CR1R25+1清零0寄存指令并行输入串行输出DQ2SDRDd2&F2Q1SDRDd1&F1Q0SDRDd0&F0DDQ3SDRDd3&F3D串行输入移位脉冲DCP2.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/串行输出串行输入/串行输出FF3FF1FF0d0d1d2d3Q0Q1Q2Q3FF2dQ0Q1Q2Q3FF3FF1FF0FF2d0d1d2d3Q3FF3FF1FF0FF2Q3dFF3FF1FF0FF2当CP=1时1打开触发器状态由R，S

输入状态决定。11打开触发器的翻转时刻受C控制（CP高电平时翻转），而触发器的状态由R，S的状态决定。&G1&G2SDRDQQ