第10章時(shí)序邏輯電路【本章學(xué)習(xí)要求】

理論：掌握各類觸發(fā)器的邏輯功能，掌握各類計(jì)數(shù)器的功能分析及分析方法，熟悉觸發(fā)器的類型，了解觸發(fā)器的功能互換。技能：能分析和測(cè)試各類觸發(fā)器、計(jì)數(shù)器的邏輯功能，能搭建一定功能的邏輯電路，學(xué)會(huì)查閱手冊(cè)的方法和觸發(fā)器在實(shí)際中的應(yīng)用。章節(jié)主要內(nèi)容:10.1觸發(fā)器10.2寄存器10.3計(jì)數(shù)器10.4555集成定時(shí)器及應(yīng)用10.1觸發(fā)器組合邏輯電路中，任一時(shí)刻的輸出信號(hào)僅僅取決于當(dāng)時(shí)的輸入信號(hào)，這是組合邏輯電路的共同特點(diǎn)。這一章要講的另一類邏輯電路中，任一時(shí)刻的輸出信號(hào)不但取決于當(dāng)時(shí)的信號(hào)，而且還取決于電路原來(lái)的狀態(tài)，具備這種邏輯功能特點(diǎn)的電路叫時(shí)序邏輯電路（簡(jiǎn)稱時(shí)序電路）。在數(shù)字電路中不但需要對(duì)二值信號(hào)進(jìn)行算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算，而且還經(jīng)常需要將這些信號(hào)和運(yùn)算結(jié)果暫時(shí)保存起來(lái)。我們把能夠存儲(chǔ)一位二值信號(hào)的基本電路叫觸發(fā)器。觸發(fā)器是組成時(shí)序電路的基本單元。為了實(shí)現(xiàn)記憶一位二值信號(hào)的功能，必須具備以下幾個(gè)特點(diǎn)：

1.具有兩個(gè)能自行保持的穩(wěn)定狀態(tài)，用來(lái)表示邏輯狀態(tài)的1和0，或二進(jìn)制的1和0。

2.根據(jù)不同的輸入信號(hào)可以置成1和0。

3.在輸入信號(hào)消失以后，能將獲得的新狀態(tài)保存下來(lái)。

4.輸出信號(hào)不僅取決于輸入信號(hào)，還與過(guò)去的輸出狀態(tài)有關(guān)。觸發(fā)器的種類很多，按邏輯功能劃分為RS觸發(fā)器、JK觸發(fā)器、T觸發(fā)器、D觸發(fā)器等幾種。本節(jié)將重點(diǎn)介紹幾個(gè)觸發(fā)器的邏輯功能。10.1.1基本RS觸發(fā)器基本RS觸發(fā)器是各種觸發(fā)器中電路結(jié)構(gòu)最簡(jiǎn)單的一種。1.電路結(jié)構(gòu)及工作原理基本RS觸發(fā)器可由兩個(gè)與非門交叉而成。邏輯電路和邏輯符號(hào)如圖10-1所示。Q和稱為輸出端，并且定義Q=1、=0為觸發(fā)器的“1”狀態(tài)，Q=0、=1為觸發(fā)器的“0”狀態(tài)。在正常情況下Q和端保持相反。稱為置位端或置1輸入端，稱為復(fù)位端或置0輸入端。圖10-12.功能分析當(dāng)=1，=0時(shí)，Q=0，=1，觸發(fā)器處于0狀態(tài)，這種情況稱為觸發(fā)器置0或復(fù)位。當(dāng)=0，=1時(shí)，Q=1，=0，觸發(fā)器處于1狀態(tài)，這種情況稱為觸發(fā)器置1或置位。當(dāng)==1時(shí)，各自的輸出狀態(tài)保持不變，即說(shuō)明觸發(fā)器有記憶功能。當(dāng)==0時(shí)，顯然Q==1，這既不是定義的1狀態(tài)，也不是定義的0狀態(tài)，并且與觸發(fā)器的兩個(gè)輸出端應(yīng)該相反的要求矛盾，而且同時(shí)去除輸入信號(hào)，無(wú)法判定觸發(fā)器恢復(fù)為0狀態(tài)還是1狀態(tài)，故叫做不定狀態(tài)。在實(shí)際使用中，應(yīng)避免這種狀態(tài)發(fā)生。根據(jù)上述邏輯關(guān)系，列出基本RS觸發(fā)器的特性表如表10-1。QnQn+1說(shuō)明01100或10或101入輸相異時(shí)，輸出與同11110101同為1時(shí)保持不變000或1不定狀態(tài)禁止使用表10-1用與非門組成的基本RS觸發(fā)器的特性表上述基本RS觸發(fā)器，當(dāng)輸入負(fù)脈沖時(shí)觸發(fā)器置0，輸入負(fù)脈沖時(shí)觸發(fā)器置1。為表明這一特點(diǎn)，在邏輯符號(hào)中輸入端靠近方框中加一個(gè)小圓圈，含義是負(fù)脈沖（低電平）輸入有效。

3.特性方程如果將表10-1給出的特性表示為邏輯函數(shù)，則可得到特性方程：Qn+1=+Qn+=1（約束條件）由此可得：基本RS觸發(fā)器有兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)?？梢酝ㄟ^(guò)輸入控制使觸發(fā)器從一種穩(wěn)定狀態(tài)翻轉(zhuǎn)到另一種穩(wěn)定狀態(tài)，并且可以保留到外加控制信號(hào)作用過(guò)后；即當(dāng)==1時(shí)，電路能保持其輸出狀態(tài)不變，這就是觸發(fā)器具有記憶功能。由此可得：基本RS觸發(fā)器有兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)?？梢酝ㄟ^(guò)輸入控制使觸發(fā)器從一種穩(wěn)定狀態(tài)翻轉(zhuǎn)到另一種穩(wěn)定狀態(tài)，并且可以保留到外加控制信號(hào)作用過(guò)后；即當(dāng)==1時(shí)，電路能保持其輸出狀態(tài)不變，這就是觸發(fā)器具有記憶功能。10.1.2同步RS觸發(fā)器

1.電路結(jié)構(gòu)把受時(shí)鐘信號(hào)控制的觸發(fā)器稱為同步或鐘控觸發(fā)器（可控觸發(fā)器）。其邏輯圖和邏輯符號(hào)如圖10-2(a)、(b)所示。時(shí)鐘信號(hào)，用CP表示（Clock.Palse)表示。圖10-2(a)、(b)在圖中我們可以看到，與非門G1、G2構(gòu)成基本RS觸發(fā)器、與非門G3、G4組成輸入控制門電路。2．功能分析當(dāng)CP=0時(shí)，不論輸入端R和S如何變化，G3、G4輸入為1。基本RS觸發(fā)器保持原來(lái)的狀態(tài)不變（或者可以說(shuō)門G3、G4截止），即Qn+1=Qn。當(dāng)CP=1時(shí)，觸發(fā)器按RS端的輸入狀態(tài)來(lái)決定其輸出狀態(tài)。和是為預(yù)先要將觸發(fā)器置成指定狀態(tài)而設(shè)定的，直接置位、復(fù)位端。由此可得可控RS觸發(fā)器的特性表為表10-2。3．特征方程描述觸發(fā)器邏輯功能的邏輯函數(shù)表達(dá)式稱為特征方程。由特性表可得特征方程：

Qn+1=S+RQnCP=1期間

RS=0（約束條件）觸發(fā)器的邏輯功能也可以采用圖形的方式來(lái)描述，稱之為狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖，簡(jiǎn)稱狀態(tài)圖。RS觸發(fā)器的狀態(tài)圖如圖10-3所示。CPSRQnQn+1說(shuō)明0***Qn保持不變1100000101Qn不變1111000111同S1100110100同S11111101狀態(tài)不定禁用表10-2同步RS觸發(fā)器特性表（*表示輸入任意信號(hào)）兩個(gè)圓圈分別表示兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，用帶箭頭的直線或弧線表示狀態(tài)轉(zhuǎn)換方向，并在其上標(biāo)注轉(zhuǎn)換條件，※表示任意狀態(tài)。圖10-3例10.1已知同步RS觸發(fā)器輸入信號(hào)R、S及時(shí)鐘脈沖CP的波形如圖10-4所示。試畫出輸出端Q的波形圖（設(shè)初態(tài)為0）。解：分析該題時(shí)應(yīng)考慮以下兩點(diǎn)：（1）CP=1期間輸入端R、S的狀態(tài)。（2）每一個(gè)時(shí)鐘脈沖來(lái)之前觸發(fā)器的狀態(tài)。根據(jù)RS觸發(fā)器的特性表可畫出該觸發(fā)器Q端的波形圖。注意在第二個(gè)CP高電平期間，若S=R=0，則觸發(fā)器的輸出狀態(tài)應(yīng)保持不變。圖10-4但由于在此期間S端出現(xiàn)了一個(gè)干擾脈沖，因而觸發(fā)器被置成Q=1。若無(wú)干擾，Q輸出如虛線所示。在數(shù)字系統(tǒng)中觸發(fā)器的輸入端難免會(huì)出現(xiàn)某些隨機(jī)性的噪音電壓，如果碰巧出現(xiàn)在CP為高電平時(shí)，就有可能使觸發(fā)器誤動(dòng)作。

4．存在的問(wèn)題根據(jù)上面的討論，同步RS觸發(fā)器與基本RS觸發(fā)器都存在一個(gè)不允許的狀態(tài)。但同步RS觸發(fā)器對(duì)觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)增加了時(shí)間控制，即CP=1時(shí)觸發(fā)器正常工作。這種觸發(fā)方式被稱為電位觸發(fā)方式。在電位觸發(fā)方式下觸發(fā)器狀態(tài)可能發(fā)生多次轉(zhuǎn)換，形成空翻而降低了觸發(fā)器的抗干擾能力。10.1.3JK觸發(fā)器1．電路結(jié)構(gòu)主從JK觸發(fā)器是雙端輸入、功能完善的一種觸發(fā)器。它不僅能克服空翻現(xiàn)象，還解決了可控RS觸發(fā)器輸出不確定的問(wèn)題，即當(dāng)輸入信號(hào)同時(shí)為1時(shí)，在CP的作用下，輸出仍為確定的狀態(tài)。邏輯電路圖和符號(hào)如圖10-5(a)、(b)所示。圖10-5(a)、(b)它由兩個(gè)可控RS觸發(fā)器串聯(lián)構(gòu)成，前一級(jí)稱為主觸發(fā)器，后一級(jí)稱為從觸發(fā)器。主觸發(fā)器F1具有雙R、S端，并將其中一對(duì)R、S端分別與從觸發(fā)器F2的輸出端Q、相連，另一對(duì)R、S端分別標(biāo)K和J，作為整個(gè)主從觸發(fā)器的輸入端，從觸發(fā)器F2的輸出端作為整個(gè)主從觸發(fā)器的輸出端。它由兩個(gè)可控RS觸發(fā)器串聯(lián)構(gòu)成，前一級(jí)稱為主觸發(fā)器，后一級(jí)稱為從觸發(fā)器。主觸發(fā)器F1具有雙R、S端，并將其中一對(duì)R、S端分別與從觸發(fā)器F2的輸出端Q、相連，另一對(duì)R、S端分別標(biāo)K和J，作為整個(gè)主從觸發(fā)器的輸入端，從觸發(fā)器F2的輸出端作為整個(gè)主從觸發(fā)器的輸出端。它由兩個(gè)可控RS觸發(fā)器串聯(lián)構(gòu)成，前一級(jí)稱為主觸發(fā)器，后一級(jí)稱為從觸發(fā)器。主觸發(fā)器F1具有雙R、S端，并將其中一對(duì)R、S端分別與從觸發(fā)器F2的輸出端Q、相連，另一對(duì)R、S端分別標(biāo)K和J，作為整個(gè)主從觸發(fā)器的輸入端，從觸發(fā)器F2的輸出端作為整個(gè)主從觸發(fā)器的輸出端。它由兩個(gè)可控RS觸發(fā)器串聯(lián)構(gòu)成，前一級(jí)稱為主觸發(fā)器，后一級(jí)稱為從觸發(fā)器。主觸發(fā)器F1具有雙R、S端，并將其中一對(duì)R、S端分別與從觸發(fā)器F2的輸出端Q、相連，另一對(duì)R、S端分別標(biāo)K和J，作為整個(gè)主從觸發(fā)器的輸入端，從觸發(fā)器F2的輸出端作為整個(gè)主從觸發(fā)器的輸出端。2．功能分析由圖10-5可知，當(dāng)CP=1期間，F(xiàn)1的狀態(tài)由J、K的信號(hào)和F2的狀態(tài)來(lái)決定，但此時(shí)=0，F(xiàn)2被封鎖，從而維持原來(lái)的狀態(tài)不變，即主從JK觸發(fā)器的狀態(tài)不變。當(dāng)CP=0期間，F(xiàn)1被封鎖，其狀態(tài)不變；但是因=1，F(xiàn)2受F1輸出狀態(tài)的控制，其輸出狀態(tài)將變?yōu)榕c主觸發(fā)器F1的輸出狀態(tài)相同。由此可得主從JK觸發(fā)器的特性表如表10-3。JKQn+1說(shuō)明00Qn狀態(tài)不變010置0101置111計(jì)數(shù)翻轉(zhuǎn)表10-3主從JK觸發(fā)器特性表由上述分析可得，主從JK觸發(fā)器輸出狀態(tài)的改變發(fā)生在CP的下降沿，即具有在時(shí)鐘脈沖后沿觸發(fā)的特點(diǎn)，該特點(diǎn)反映在邏輯符號(hào)中是在CP輸入端靠近方框處用一小圓圈表示，如圖10-5(b)所示。3．特征方程由JK觸發(fā)器的特性表，得到JK觸發(fā)器的特征方程為：

Qn+1=J+Qn并可相應(yīng)的畫出其狀態(tài)圖，如圖10-6所示?！呇赜|發(fā)器為了提高觸發(fā)器的工作可靠性，引入邊沿觸發(fā)器。分別是上升沿和下降沿兩種類型。圖10-6邊沿JK觸發(fā)器是輸入信號(hào)為雙端的邏輯功能最完善的一種觸發(fā)器，圖10-7為JK觸發(fā)器的邏輯符號(hào)。在邏輯符號(hào)中，CP輸入端的小圓圈表示下降沿觸發(fā)。在CP上升沿觸發(fā)時(shí)，不畫這個(gè)小圓圈。圖10-7分析可得邊沿JK觸發(fā)器的特性表如表10-4所示JKQn+1說(shuō)明00Qn保持010置0101置111Qn翻轉(zhuǎn)表10-4JK觸發(fā)器的特性表邊沿JK觸發(fā)器與前述主從JK觸發(fā)器邏輯功能相同，故其特征方程、狀態(tài)圖也相同。為了擴(kuò)大JK觸發(fā)器的使用范圍，JK端常做成多輸入結(jié)構(gòu)，各同名端為與邏輯關(guān)系，即：

J=J1J2K=K1K2例10.2JK觸發(fā)器的輸入信號(hào)J、K及CP的波形如圖10-8所示。設(shè)觸發(fā)器初態(tài)為0。試畫出JK觸發(fā)器上升沿和下降沿觸發(fā)時(shí)的輸出端Q的波形圖。解：分析該題時(shí)應(yīng)考慮以下兩點(diǎn)：（1）輸入端J、K的狀態(tài)。（2）CP脈沖是前沿觸發(fā)還是后沿觸發(fā)。根據(jù)特性表可分別畫出輸出端Q的波形圖。圖10-810.1.4T和T′觸發(fā)器

當(dāng)控制信號(hào)T=1時(shí)每來(lái)一個(gè)CP信號(hào)它的狀態(tài)就翻轉(zhuǎn)一次；而當(dāng)T=0時(shí)，觸發(fā)器的狀態(tài)保持不變。我們把具有這種邏輯功能的觸發(fā)器叫T觸發(fā)器。它的特性表和狀態(tài)圖如表10-5和圖10-9所示。TQnQn+1說(shuō)明000101（不變0）不變11011（翻轉(zhuǎn)）0翻轉(zhuǎn)表10-5T觸發(fā)器的特性表圖10-9從特性表可以看出它的特征方程為:

Qn+1=T+Qn10.1.5D觸發(fā)器

D觸發(fā)器是一種輸入端為單端的觸發(fā)器，所以使用起來(lái)非常方便，應(yīng)用十分廣泛。圖10-10為D觸發(fā)器的邏輯符號(hào)，D觸發(fā)器也分上升沿觸發(fā)和下降沿觸發(fā)兩種。圖10-10D觸發(fā)器特性表如表10-6所示。D

QnQn+1000100110111表10-6由特性表可得出D觸發(fā)器的特性方程為：

Qn+1=D其相應(yīng)狀態(tài)圖如圖10-11所示。工作波形如圖10-12所示。圖10-11圖10-121.JK觸發(fā)器到RS觸發(fā)器的轉(zhuǎn)換為了找出JK觸發(fā)器與RS觸發(fā)器的邏輯函數(shù)式對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)RS觸發(fā)器的特征方程也要作些變換。即Qn+1=S+Qn=S（Qn+）+Qn=S+※觸發(fā)器邏輯功能轉(zhuǎn)換目前市場(chǎng)出售的集成電路觸發(fā)器大多是JK或D觸發(fā)器。在必須使用其他邏輯功能的觸發(fā)器時(shí)，可以通過(guò)邏輯功能轉(zhuǎn)換的方法，把JK或D觸發(fā)器轉(zhuǎn)換為所需要的邏輯功能的觸發(fā)器。與JK觸發(fā)器的特征方程Qn+1=J+Qn

對(duì)照比較后可知只要取J=SK=R即可實(shí)現(xiàn)RS觸發(fā)器的功能。利用約束條件RS=0還能將上式進(jìn)一步化簡(jiǎn)，得到：J=SK=R據(jù)此可畫出圖10-13的轉(zhuǎn)換電路接法2.D觸發(fā)器到RS觸發(fā)器的轉(zhuǎn)換因D觸發(fā)器的特性方程為Qn+1=D

而RS觸發(fā)器的特性方程為Qn+1=S+Qn

故只要令D觸發(fā)器的輸入滿足D=S+Qn

就可得到RS的觸發(fā)器，轉(zhuǎn)換電路如圖10-14所示。不過(guò)在RS=1時(shí)Qn+1=1，而不是以前所講的RS觸發(fā)器的不定狀態(tài)。圖10-13圖10-1410.2寄存器在數(shù)字設(shè)備系統(tǒng)中，經(jīng)常需要將一組二值代碼暫時(shí)儲(chǔ)存起來(lái)，等待處理或應(yīng)用。實(shí)現(xiàn)這種功能的邏輯電路稱為寄存器。寄存器具有清除、接收、記憶和傳遞數(shù)碼的功能。N個(gè)觸發(fā)器組成的寄存器可以存儲(chǔ)N位二進(jìn)制。寄存器有基本寄存器和移位寄存器兩種。10.2.1基本寄存器1.基本寄存器功能基本寄存器的功能主要是將出現(xiàn)在傳輸線上的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)起來(lái)。4個(gè)D觸發(fā)器并聯(lián)組成的4位二進(jìn)制寄存器如圖10-15所示。它能接收和存儲(chǔ)4位二進(jìn)制數(shù)碼。如果要把一個(gè)4位二進(jìn)制1100寄存到寄存器，可將1100數(shù)碼分別并行加到寄存器4個(gè)對(duì)應(yīng)的D輸入端，當(dāng)接收命令脈沖到達(dá)時(shí)，寄存器中的4個(gè)觸發(fā)器的狀態(tài)就變成了1100。在此之后，只要不輸入清零脈沖或接收新的數(shù)碼，寄存器就會(huì)一直保持這個(gè)狀態(tài)。如要從寄存器中取出寄存的數(shù)碼，從各觸發(fā)器的Q端就可以并行得到。圖10-152.集成基本寄存器舉例

例10.3

圖10-16和表10-7所示的分別為74LS173的4位D觸發(fā)器的邏輯圖和功能表，試說(shuō)明該寄存器的功能。CRCPD輸出1****00

11*高阻0

10*Qn0

01*Qn0

00000

0011表10-7圖10-16解：由圖10-16和表10-7可知，74LS173有如下功能（1）CR為異步清零端，高電平有效。無(wú)論各個(gè)觸發(fā)器處于何種狀態(tài)，即無(wú)論D0~D3如何，只要CR=1，各個(gè)觸發(fā)器D0~D3均為零。清零過(guò)程與時(shí)鐘CP無(wú)關(guān)。（2）、為數(shù)據(jù)輸入控制端，當(dāng)二者均為低電平時(shí)D3、D2、D1、D0送到相應(yīng)觸發(fā)器的D端，在時(shí)鐘脈沖上升沿到來(lái)時(shí)完成數(shù)據(jù)寄存操作。只要、端中有一個(gè)高電平，則禁止數(shù)據(jù)傳輸，寄存器維持原態(tài)。（3）74LS173具有三態(tài)輸出，當(dāng)、端同時(shí)為低電平時(shí)，輸出端為正常邏輯狀態(tài)，否則輸出端為高阻狀態(tài)。10.2.2移位寄存器移位寄存器除了具有存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的功能，還具有移位功能。所謂移位，就是寄存器里所儲(chǔ)存的數(shù)據(jù)能夠在移位脈沖作用下依次左移或右移。移位寄存器必須由無(wú)空翻的觸發(fā)器組成?？煞譃樽笠莆患拇嫫鳌⒂乙莆患拇嫫骱妥笥译p向移位寄存器。1、移位寄存器的組成移位寄存器的邏輯圖如圖10-17。CP是時(shí)鐘端，RD是清零端，D1是串行數(shù)據(jù)輸入端，Q0~Q3是數(shù)據(jù)并行輸入端。其中第一個(gè)觸發(fā)器F0的輸入端接收輸入信號(hào)D1，其余的每個(gè)觸發(fā)器輸入端均與前面一個(gè)觸發(fā)器的Q端相連。圖10-17（1）異步清零只要RD=1，寄存器清零。不需要異步清零時(shí)，應(yīng)使RD=0。（2）寄存器處于右移工作狀態(tài)，當(dāng)RD=0時(shí)，在時(shí)鐘脈沖作用下，寄存器處于右移工作狀態(tài)。（3）保持當(dāng)RD=0，且不再有時(shí)鐘上升沿到來(lái)時(shí)，各觸發(fā)器保持原狀態(tài)不變。

2、集成移位寄存器（1）8位單向移位寄存器74LS1648位單向移位寄存器74LS164的管腳如圖10-18所示DS=DSA﹒DSB，是數(shù)碼串行輸入端，為清零端，Q0~Q7是數(shù)碼并行輸出端，CP是時(shí)鐘脈沖（移位操作信號(hào)），表10-10為其邏輯功能表。圖10-18表10-1074LS164邏輯功能表

DSA﹒DSBCPQ0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7功能0**00000000清零1*0Q0Q1Q2Q3Q4Q5Q6Q7保持111010Q0nQ0nQ1nQ1nQ2nQ2nQ3nQ3nQ4n

Q4nQ5n

Q5n

Q6nQ6n

右移（2）雙向4位移位寄存器74LS19474LS194是一種典型的中規(guī)模集成移位寄存器，圖10-19和表10-11分別為雙向移位寄存器的邏輯符號(hào)圖和功能表。圖10-19功能輸入輸出S1

S0CPDSLDSRD0D1D2

D3

Q0Q1

Q2

Q3清除0*********0000保持1********保

持送數(shù)111

**D0D1D2

D3

D0D1D2D3右移101

*1****1Q0n

Q1n

Q2n101

*0****0Q0n

Q1n

Q2n左移110

1*****Q1n

Q2nQ3n1110

0*****Q1n

Q2nQ3n0保持100

******保

持表10-1174LS194功能表圖10-19所示邏輯符號(hào)圖中，Q0、Q1、Q2、Q3是4個(gè)觸發(fā)器的輸出端。D0、D1、D2、D3、是并行數(shù)據(jù)輸入端，DSR是右移串行數(shù)據(jù)輸入端，DSL是左移串行數(shù)據(jù)輸入端，是直接清零端，低電平有效，CP是同步時(shí)鐘脈沖輸入端，輸入脈沖的上升沿引起移位寄存器狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。

S1、S0是工作方式選擇端，其選擇功能是：S1S0=00為狀態(tài)保持；S1S0=01為右移；S1S0=10為左移；S1S0=11為并行送數(shù)。這些功能的實(shí)現(xiàn)是由邏輯圖中的門電路來(lái)保證的。由此可見，74LS194是一種常用的、功能比較齊全的移位寄存器，它具有異步清零、保持、右移、左移、同步并行置數(shù)5種功能。10.3計(jì)數(shù)器10.3.1計(jì)數(shù)器的功能和分類1.計(jì)數(shù)器的功能計(jì)數(shù)器的基本功能就是對(duì)輸入的時(shí)鐘脈沖CP的個(gè)數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)。它還能用于定時(shí)、分頻、時(shí)序脈沖發(fā)生器及數(shù)字運(yùn)算等，是數(shù)字設(shè)備和數(shù)字系統(tǒng)中不可缺少的組成部分。2.計(jì)數(shù)器的分類計(jì)數(shù)器種類繁多，通?？砂匆韵路绞椒诸悾海?）按計(jì)數(shù)脈沖引入方式分為同步計(jì)數(shù)器和異步計(jì)數(shù)器。（2）按計(jì)數(shù)進(jìn)制不同分為二進(jìn)制計(jì)數(shù)器和非二進(jìn)制計(jì)數(shù)器。（3）按計(jì)數(shù)增減的趨勢(shì)分為遞增計(jì)數(shù)器、遞減計(jì)數(shù)器和可逆計(jì)數(shù)器。（4）按集成度分類可分為小規(guī)模集成計(jì)數(shù)器和中規(guī)模集成計(jì)數(shù)器。10.3.2小規(guī)模集成計(jì)數(shù)器小規(guī)模集成計(jì)數(shù)器由若干集成觸發(fā)器和門電路，經(jīng)外部連線，構(gòu)成具有計(jì)數(shù)功能的電路。例10.4分析圖10-20所示電路的邏輯功能。圖10-20解：電路由3個(gè)JK觸發(fā)器構(gòu)成，均由時(shí)鐘CP觸發(fā)，CPO=CP1=CP2=CP故電路為同步時(shí)序電路。

1.初步分析電路由三個(gè)觸發(fā)器構(gòu)成，其計(jì)數(shù)長(zhǎng)度從M（2n）不超過(guò)8，即電路不會(huì)超過(guò)八進(jìn)制。電路由下降沿觸發(fā)的JK觸發(fā)器組成，計(jì)數(shù)器觸發(fā)的時(shí)刻為CP的下降沿。

2.寫出驅(qū)動(dòng)方程和輸出方程。

J0=，K0=1J1=Qn0，K1=Qn0J2=Qn0Qn1，K2=1C=Qn23．求狀態(tài)方程將驅(qū)動(dòng)方程代入JK觸發(fā)器的特征方程Qn+1=J+Qn，可得：Q0n+1=J0+Q0n=，CP下降沿

Q1n+1=J1+Q1n=Q0nQ1n，CP下降沿

Q2n+1=J2+Q2n=Q0nQ1n，CP下降沿

4．將輸入信號(hào)和現(xiàn)態(tài)的各種取值組合代入狀態(tài)方程，得到狀態(tài)表，如表10-12所示。CPQ2nQ1nQ0n

Q2n+1Q1n+1Q0n+1

C10002001301040115100

001010011100

000

00001×101×110×111

010010000

0005．由狀態(tài)表作如圖10-21所示狀態(tài)圖。在圖10-25中，000、001、010、011、100稱為有效態(tài)，101、110、111稱為無(wú)效態(tài)。若一個(gè)電路的所有無(wú)效態(tài)在若干個(gè)時(shí)鐘脈沖CP作用下，都能回到有效態(tài)，則該電路具有自啟動(dòng)的功能。圖10-216．確定邏輯功能由電路的輸出方程可知，電路在出現(xiàn)100狀態(tài)時(shí)，C=1。可將此信號(hào)看作一個(gè)進(jìn)位脈沖信號(hào)，每來(lái)五個(gè)時(shí)鐘CP，C輸出一個(gè)正脈沖。由以上分析可知，該電路是一個(gè)同步五進(jìn)制（模5）的加法計(jì)數(shù)器。能夠自啟動(dòng)。

例10.5

分析圖10-22所示電路的邏輯功能。假設(shè)各觸發(fā)器的初態(tài)為0。圖10-22解：這也是一個(gè)同步時(shí)序邏輯電路，但與例10.4電路不同，該電路具有外部輸入信號(hào)X。1.初步分析電路由兩個(gè)FF構(gòu)成，其計(jì)數(shù)長(zhǎng)度M不超過(guò)4，即電路不會(huì)超過(guò)四進(jìn)制。電路觸發(fā)的時(shí)刻為CP的下降沿。2.列驅(qū)動(dòng)方程和輸出方程

J0==+Q1nKO=1J1=K1=

Z=3.列電路狀態(tài)方程將各觸發(fā)器的驅(qū)動(dòng)方程代入JK觸發(fā)器的特征方程Qn+1=J+Qn，有Q0n+1=J0+Q0n=（+Q1n）CP下降沿

Q1n+1=J1+Q1n=Q0nCP下降沿4.列狀態(tài)表將外部輸入X和電路現(xiàn)態(tài)Q1nQ0n的取值代入電路的狀態(tài)方程和輸出方程，對(duì)應(yīng)X=0和X=1分別求出次態(tài)以及外部輸出變量Z的數(shù)值列如表10-14所示的狀態(tài)表。CPXQ1nQ0nQ1n+1Q0n+1Z12340000

00111001

111001000001123111

001001

100100001×1

11

11無(wú)效狀態(tài)表10-145.由狀態(tài)表作如圖10-23所示狀態(tài)圖。圖中X=1時(shí)，00、10和01這三個(gè)狀態(tài)構(gòu)成一個(gè)循環(huán)圈，稱為有效循環(huán)圈或主循環(huán)圈。主循環(huán)圈外的無(wú)效狀態(tài)，如果在若干個(gè)CP脈沖作用下，最終都不能轉(zhuǎn)入主循環(huán)圈內(nèi)的有效狀態(tài)，則這類電路沒(méi)有自啟動(dòng)能力。圖10-26所示的電路在X=1時(shí)，沒(méi)有自啟動(dòng)能力。圖10-236.確定邏輯功能當(dāng)X=0時(shí)，該電路是一個(gè)四進(jìn)制同步減法計(jì)數(shù)器當(dāng)X=1時(shí)，該電路是一個(gè)三進(jìn)制同步減法計(jì)數(shù)器上述通過(guò)例題的分析，求電路所實(shí)現(xiàn)的邏輯功能，具體步驟如下：（1）分析邏輯電路組成。（2）寫出存儲(chǔ)電路的驅(qū)動(dòng)方程和時(shí)序電路的輸出方程。（3）求狀態(tài)方程。把驅(qū)動(dòng)方程代入相應(yīng)觸發(fā)器的特征方程，即可求得狀態(tài)方程，也就是各個(gè)觸發(fā)器的狀態(tài)方程。（4）列狀態(tài)表。（5）畫狀態(tài)圖或時(shí)序圖。（6）描述電路功能。10.3.3中規(guī)模集成計(jì)數(shù)器中規(guī)模集成計(jì)數(shù)器一般由4個(gè)集成觸發(fā)器和若干個(gè)門電路，它是計(jì)數(shù)功能比較完善，并能十分容易進(jìn)行功能擴(kuò)展的邏輯部件。下面將介紹常用集成計(jì)數(shù)器的功能和應(yīng)用。1．集成二進(jìn)制計(jì)數(shù)器二進(jìn)制計(jì)數(shù)器按二進(jìn)制進(jìn)位規(guī)律進(jìn)行計(jì)數(shù)，由n個(gè)觸發(fā)器組成的二進(jìn)制計(jì)數(shù)器稱為n位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，它有N=2n個(gè)有效態(tài)。N為計(jì)數(shù)器的?；蛴?jì)數(shù)容量。（1）集成計(jì)數(shù)器74LS161的功能和應(yīng)用。74LS161的邏輯符號(hào)圖和管腳圖如圖10-24(a)和(b)所示。圖10-24(a)和(b)74LS161的功能如表10-14所示

CTPCTTCPD3D2D1D0Q3n+1Q2n+1Q1n+1Q0n+10********10**D3D2D1D0

1111****110******11*0*****

0000D3

D2D1D0計(jì)數(shù)保持保持表10-14由表10-14看出74LS161具有以下功能。①異步清零當(dāng)清零端=0時(shí)，不管時(shí)鐘端CP狀態(tài)如何，都可以完成電路清零。②同步預(yù)置功能當(dāng)=1且=0時(shí)，時(shí)鐘CP的上升沿作用使并行輸入數(shù)據(jù)D3D2D1D0同時(shí)置入計(jì)數(shù)器。③同步二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)功能當(dāng)==1時(shí)，若CTT=CTP=1，74LS161對(duì)計(jì)數(shù)脈沖CP進(jìn)行二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)。④保持功能當(dāng)==1時(shí)，若CTTCTP=0時(shí)，計(jì)數(shù)器保持原來(lái)的狀態(tài)不變。例10.6

用一片74LS161構(gòu)成十六進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器。解：根據(jù)74LS161的功能，可以方便地用74LS161實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制模16加法計(jì)數(shù)器。該電路連線圖和狀態(tài)圖如圖10-25所示。圖10-25例10.7

用74LS161組成模256的二進(jìn)制計(jì)數(shù)器。解：一片74LS161能實(shí)現(xiàn)模16二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，因此選用兩片74LS161可以構(gòu)成模256的二進(jìn)制計(jì)數(shù)器。其電路連線圖如圖10-26所示。圖中，計(jì)數(shù)器74LS161（I）的狀態(tài)Q3~Q1作為高4位，計(jì)數(shù)器74LS161（I）的CO端與計(jì)數(shù)器74LS161的CTP和CTT相連接，這樣只要當(dāng)計(jì)數(shù)器（I）計(jì)滿1111時(shí)，計(jì)數(shù)器74LS161（II）才在計(jì)數(shù)脈沖上升沿的作用下，實(shí)現(xiàn)“加1”計(jì)數(shù)。顯然，該電路能實(shí)現(xiàn)模256的二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)。圖10-262）集成二進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS1634位同步二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器74LS163的功能如表10-15所示，其邏輯符號(hào)、引腳圖如圖10-27所示。圖10-27

CTPCTTCPD3D2D1D0Q3n+1Q2n+1Q1n+1Q0n+1

0*******10**D3D2D1D01111****110******11*0*****

0000D3D2D1D0

計(jì)數(shù)保持保持表10-15比較集成計(jì)數(shù)器74LS161和74LS163的功能，不難發(fā)現(xiàn)兩者的邏輯功能幾乎完全一樣，唯一的區(qū)別是74LS161是異步清零，而74LS163是同步清零，即在=0的同時(shí)，必須有計(jì)數(shù)脈沖CP的上升沿作用，才能實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器74LS163的狀態(tài)全部置零。2．集成十進(jìn)制計(jì)數(shù)器（1）集成74LS160計(jì)數(shù)器性能簡(jiǎn)介

74LS160的邏輯符號(hào)、管腳圖與74LS161是相同的，只不過(guò)74LS160是十進(jìn)制同步加法器，而74LS161是4位二進(jìn)制同步加法器。

74LS160的功能表與表10-16相同。

74LS160同樣具有異步清零、同步預(yù)置保持功能。當(dāng)，CTP=CTT=1時(shí)，在CP脈沖上升沿作用下，電路完成8421碼同步十進(jìn)制計(jì)數(shù)功能。當(dāng)?shù)诰艂€(gè)計(jì)數(shù)脈沖到來(lái)時(shí)，計(jì)數(shù)器輸出變?yōu)?001，進(jìn)位端CO=1，當(dāng)?shù)谑畟€(gè)計(jì)數(shù)脈沖到來(lái)時(shí)，計(jì)數(shù)器輸出變?yōu)?000，進(jìn)位端CO由1變0，輸出一個(gè)進(jìn)位脈沖。（2）十進(jìn)制可逆集成計(jì)數(shù)器74LS19274LS192是同步、可預(yù)置十進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器，。十進(jìn)制可逆集成器74LS192具有以下特點(diǎn)：①該器件為雙時(shí)鐘工作方式，CPU是加法計(jì)數(shù)時(shí)鐘輸入端，CPD是減法計(jì)數(shù)脈沖輸入端，均為上升沿觸發(fā)，采用8421BCD碼計(jì)數(shù)。②CR為異步清零端，高電平有效。③為異步預(yù)置控制端，低電平有效。④進(jìn)位輸出和借位輸出是分開的。是進(jìn)位輸出，加法計(jì)數(shù)時(shí)，進(jìn)入1001后有負(fù)脈沖輸出。

BO是借位輸出，減法計(jì)數(shù)時(shí)，進(jìn)入0000狀態(tài)后有負(fù)脈沖輸出。⑤當(dāng)CR=0，LD=1且CPU=CPD=1時(shí)，計(jì)數(shù)器維持原態(tài)。（3）集成二—五—十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS90

為了使集成計(jì)數(shù)器的使用更加方便和靈活，某些集成計(jì)數(shù)器采用了復(fù)合結(jié)構(gòu)，如74LS90包含一個(gè)二進(jìn)制計(jì)數(shù)器和一個(gè)五進(jìn)制計(jì)數(shù)器。異步二—五—十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74LS90的邏輯符號(hào)、引腳圖如圖10-28所示。圖10-283．任意N進(jìn)制計(jì)數(shù)器任意進(jìn)制計(jì)數(shù)器也稱為N進(jìn)制計(jì)數(shù)器，是指除二進(jìn)制、十進(jìn)制之外的其它進(jìn)制計(jì)數(shù)器，如模7、模11、模34等計(jì)數(shù)器。利用集成二進(jìn)制和集成十進(jìn)制計(jì)數(shù)器芯片，可以很方便的構(gòu)成任意進(jìn)制計(jì)數(shù)器，利用集成計(jì)數(shù)器芯片的級(jí)聯(lián)可以擴(kuò)展計(jì)數(shù)器容量。例10-8中應(yīng)用兩片74LS163進(jìn)行級(jí)聯(lián)獲得了256進(jìn)制計(jì)數(shù)器。例10.9

用74LS90構(gòu)成七進(jìn)制計(jì)數(shù)器解：首先將74LS90接成8421碼的十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，即Q0端CP1相連。N=7的二進(jìn)制代碼為0111。RD=Q2Q1Q0，將與門的輸出RD接到直接復(fù)位端ROA*ROB,當(dāng)計(jì)數(shù)器計(jì)到0111時(shí)與門輸出為1，計(jì)數(shù)器的置0功能有效，計(jì)數(shù)器立即返回0態(tài)，0111是一個(gè)暫態(tài)。如表10-18所示。CP

Q3Q2Q1Q001234567

00000001001000110100010101100111表10-18例10.19狀態(tài)轉(zhuǎn)換表從而實(shí)現(xiàn)模數(shù)N=7的計(jì)數(shù)功能。外部接線圖如圖10-32所示。圖10-32在上述例子中，當(dāng)計(jì)數(shù)器給出清零或置零信號(hào)時(shí)，計(jì)數(shù)器被強(qiáng)迫回到0狀態(tài)，開始新的循環(huán)，這種方法的缺點(diǎn)是工作不可靠。為克服上述缺點(diǎn)，常采用圖10-33所示的改進(jìn)電路，其中芯片換為74LS161。圖10-334．集成計(jì)數(shù)器應(yīng)用簡(jiǎn)介集成計(jì)數(shù)器應(yīng)用十分廣泛，現(xiàn)作簡(jiǎn)要介紹。（1）計(jì)數(shù)器用作分頻器在數(shù)字系統(tǒng)中，常常需要獲得不同頻率的時(shí)鐘或基準(zhǔn)信號(hào)。獲得不同頻率的時(shí)鐘或基準(zhǔn)信號(hào)的方法一般都是對(duì)系統(tǒng)主時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行分頻。分頻器可以降低信號(hào)的頻率，是數(shù)字系統(tǒng)中常見的器件。計(jì)數(shù)器可以作為分頻器使用，一個(gè)N進(jìn)制的計(jì)數(shù)器同時(shí)又是一個(gè)N分頻器。（2）計(jì)數(shù)器用于測(cè)量脈沖頻率和周期等。有關(guān)集成計(jì)數(shù)器的具體測(cè)量方法請(qǐng)讀者參閱相關(guān)資料?！?0.4555集成定時(shí)器及應(yīng)用10.4.1集成555定時(shí)器555定時(shí)器是一種將模擬電路和數(shù)字電路集成于一體的電子器件。屬于中規(guī)模集成電路。如在其外部配上少許電阻、電容元件，便能構(gòu)成施密特觸發(fā)器、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器和多諧振蕩器等。555定時(shí)器的電路結(jié)構(gòu)圖和外線引腳圖如圖10-34所示，封裝形式為有8個(gè)引腳的雙列直插芯片。由圖10-34（a）可見，定時(shí)器由電阻分壓器、兩個(gè)電壓比較器C1和C2、一個(gè)與非門基本RS觸發(fā)器和一個(gè)集電極開路的放電晶體管VT、倒相放大器五個(gè)基本單元組成。

(1)電阻分壓器由三個(gè)阻值（5KΩ）相同的電阻R串聯(lián)構(gòu)成，提供兩個(gè)參考電壓。在控制電壓輸入端CO懸空時(shí)，UR1=2/3UCC，UR2=1/3UCC。圖10-34(2)電壓比較器C1和C2。(3)基本RS觸發(fā)器兩個(gè)與非門G1和G2構(gòu)成了低電平有效的基本RS觸發(fā)器。

(4)雙極型開關(guān)晶體管開關(guān)晶體管VT起放電作用。(5)輸出倒相放大器輸出倒相放大器能提供較大的驅(qū)動(dòng)電流，并隔離負(fù)載對(duì)定時(shí)器的影響?？傻弥?55定時(shí)器的功能，如表10-20所示。

表10-20定時(shí)器555的功能表

輸

入RS觸發(fā)器的狀態(tài)

輸

出

晶體管的工作狀態(tài)RDUTH

RS

u00****

0導(dǎo)通1

>2/3UCC>1/3UCC

01

0導(dǎo)通1<2/3UCC

>1/3UCC

1

1

不變不變

1<2/3UCC<1/3UCC

10

1截止1

>2/3UCC<1/3UCC

00

實(shí)際應(yīng)用中極少出現(xiàn)圖10-34（b）中所示，555定時(shí)器有八個(gè)引腳，各引腳功能及注意事項(xiàng)如下：管腳1為接地端。管腳2為低電平觸發(fā)端。管腳3為輸出端，輸出電流可達(dá)200mA,因此可直接驅(qū)動(dòng)繼電器、發(fā)光二極管、指示燈等。輸出高電平電壓低于電源電壓UCC大約1～3V。管腳4為基本RS觸發(fā)器的復(fù)位端。管腳5為電壓控制端，在此處可外加電壓，以改變比較器的參考電壓，不用時(shí)，經(jīng)0.01uF的電容接地，以防止引入干擾。管腳6為高電平觸發(fā)端。管腳7為放電端，常用于給外接電容元件提供放電通路。管腳8為電源端，可在5~18V范圍內(nèi)使用。10.4.2555定時(shí)器構(gòu)成的施密特觸發(fā)器及應(yīng)用1、施密特觸發(fā)器及主要特點(diǎn)施密特觸發(fā)器是一種特殊的雙穩(wěn)態(tài)時(shí)序電路，它在兩個(gè)方面區(qū)別于一般的雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器。（1）施密特反相觸發(fā)器具遲滯電壓傳輸特性，對(duì)應(yīng)正向和反向增大的輸入信號(hào)電壓，電路有不同的閾值電平：上限觸發(fā)電平UT+和下限觸發(fā)電平UT-。（2）施密特觸發(fā)器屬于電平觸發(fā)器件，對(duì)緩慢變化的模擬信號(hào)，只要信號(hào)電平到達(dá)相應(yīng)的閾值觸發(fā)電平，輸出狀態(tài)就會(huì)從一個(gè)穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到另一個(gè)穩(wěn)態(tài)，并且穩(wěn)態(tài)的維持依賴于外加觸發(fā)輸入信號(hào)。根據(jù)以上分析可以畫出將正弦波整形為矩形波的波形圖，如圖10-35所示。從波形圖中可以看出當(dāng)u1上升時(shí)，上限觸發(fā)電平為：UT+

=2/3UCC，下限觸發(fā)電平為：UT-=1/3UCC，其電壓差值稱為回差電壓△UT，即△UT=UT+

-UT-。電壓的傳輸特性曲線如圖10-36所示，從曲線中可以清楚的看到電路的滯后特性。圖10-35圖10-362．555定時(shí)器構(gòu)成的信號(hào)尋跡器該尋跡器可用于檢查收音機(jī)、擴(kuò)音機(jī)等音響設(shè)備或通訊設(shè)備的故障位置。如圖10-37所示。探頭A和B分別用于檢查高頻電路與低頻電路。圖10-373．555定時(shí)器構(gòu)成的自控路燈這是一個(gè)路燈自動(dòng)控制開關(guān)電路，用光敏傳感器實(shí)現(xiàn)自控，能在天黑時(shí)自動(dòng)點(diǎn)亮路燈，天亮后又自動(dòng)關(guān)燈?？刂齐娐房捎秒姵毓╇?，熄燈后電路耗電僅數(shù)毫安。

電路如圖10-38所示。3CU2是光敏晶體管傳感器，555定時(shí)器作為滯后比較器工作，3AX81用于自動(dòng)關(guān)燈控制，繼電器常開接點(diǎn)執(zhí)行點(diǎn)燈或熄燈動(dòng)作。圖10-3810.4.3555定時(shí)器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器及應(yīng)用

1．單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的主要特點(diǎn)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器是一種基本脈沖電路，主要特點(diǎn)如下：

(1)電路輸出有一個(gè)穩(wěn)態(tài)和一個(gè)暫穩(wěn)態(tài)。

(2)在外界觸發(fā)脈沖作用下，能從穩(wěn)態(tài)翻轉(zhuǎn)到暫穩(wěn)態(tài)，暫穩(wěn)態(tài)維持一段時(shí)間后自動(dòng)地返回到穩(wěn)態(tài)。(3)暫穩(wěn)態(tài)維持時(shí)間的長(zhǎng)短取決于電路本身的參數(shù)，而與觸發(fā)脈沖無(wú)關(guān)。圖10-39給出了單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器在不同觸發(fā)信號(hào)作用下，電路的輸出波形圖。圖中輸出信號(hào)u0的穩(wěn)態(tài)為0態(tài)，暫態(tài)為1態(tài)。tw是暫穩(wěn)態(tài)持續(xù)時(shí)間，也是單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出脈沖的寬度，它由電路本身參數(shù)決定。圖10-39上升沿觸發(fā)的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器2．用555定時(shí)器構(gòu)成單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器由555定時(shí)器構(gòu)成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的連線圖如圖10-40所示。R、C為外接元件，2腳作為觸發(fā)信號(hào)輸入端，該電路采用負(fù)脈沖觸發(fā),幅值小于1/2UCC，并且要求觸發(fā)信號(hào)的脈沖寬度小于輸出脈沖的寬度tw。圖10-40其工作原理如下：

(1)當(dāng)觸發(fā)負(fù)脈沖未輸入時(shí)，u1