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数电教案



4.4 主从 RS 触发器 一、教学目标 掌握主从触发器的基本结构 掌握主从触发器的工作原理 二 教学内容: 1、组成及符号: (可由 TTL 门或 MOS 门构成) 由两个同步 RS 触发器组成。 2、工作原理: (1)CP=1 时: 主触发器接收信号 RS,其状态根据 RS 信号触发翻转。

n?1 n Q6 ? S ? R Q6 , SR ? 0(同步R

S) 从触发器被封,Q 状态不变
(2)CP 下降沿时: 主触发器:门 7、8 被封,S R 信号不影响主触发器状态。 从触发器:门 3、4 打开,从触发器根据 CP 下降沿前一瞬 间主触发器的状态翻转。 n ?1 n

Q

? S ? RQ

SR ? 0
因为:若 R=0 S=1 ,Q6=1→Q=1 R=1 S=0 , Q6=0→Q=0 R=0=S=0 , Q6 状态不变,Q 状态不变。 R=S=1 不允许。 (3)CP=0 时: 主触发器被禁止,状态不受 RS 影响; 从触发器,状态亦不变。 (4)CP 上升沿 时: 从触发器禁止,状态不变; 主触发器打开,接收信号 R S,Q6 根据 R S 翻转 3、特点: ? 有两个同步 RS 组成,受互补时钟控制。 ? 触发翻转只在 CP 的跳变沿进行 (本例为负跳沿,下降沿 ) 改变电路,也可为 正跳沿(上升沿) ? 对于负跳沿触发的主从触发器:输入信号在 CP 上升沿前加入,为主触发翻转作准 备,CP=1 时,输入信号不变,在 CP 触发翻转。 ? 对于正跳沿触发的主从触发器:输入信号在 CP 下降沿前加入,为主触发翻转作准 备,CP=0 时,输入信号不变,在 CP 上升沿 触发翻转。 在画主从触发器的波形图时,应注意以下两点: (1)触发器的触发翻转发生在时钟脉冲的触发沿(这里是下降沿) (2)判断触发器次态的依据是时钟脉冲下降沿前一瞬间输入端的状态 三、小结与练习

4.5 边沿触发器介绍 一、教学目标 掌握边沿 D 触发器的结构 掌握边沿 D 触发器的工作原理与输出特性 二、教学内容 边沿 D 触发器也称为维持-阻塞边沿 D 触发器。 负跳沿触发的主从触发器工作时, 必须在 正跳沿前加入输入信号。如果在 CP 高电平期间输入端出现干扰信号,那么就有可能使触发 器的状态出错。而边沿触发器允许在 CP 触发沿来到前一瞬间加入输入信号。这样,输入端 受干扰的时间大大缩短,受干扰的可能性就降低了。边沿 D 触发器也称为维持-阻塞边沿 D 触发器。 电路结构 : 该触发器由 6 个与非门组成,其中 G1 和 G2 构成基本 RS 触发器。

图1

边沿 D 触发器的逻辑图和逻辑符号

工作原理:SD 和 RD 接至基本 RS 触发器的输入端,它们分别是预置和清零端,低电平有效。 当 SD=0 且 RD=1 时,不论输入端 D 为何种状态,都会使 Q=1,Q=0,即触发器置 1;当 SD=1 且 RD=0 时,触发器的状态为 0,SD 和 RD 通常又称为直接置 1 和置 0 端。我们设它们均已加入了 高电平,不影响电路的工作。工作过程如下: 1.CP=0 时,与非门 G3 和 G4 封锁,其输出 Q3=Q4=1,触发器的状态不变。同时,由于 Q3 至 Q5 和 Q4 至 Q6 的反馈信号将这两个门打开,因此可接收输入信号 D,Q5=D,Q6=Q5=D。 2.当 CP 由 0 变 1 时触发器翻转。这时 G3 和 G4 打开,它们的输入 Q3 和 Q4 的状态由 G5 和 G6 的输出状态决定。Q3=Q5=D,Q4=Q6=D。由基本 RS 触发器的逻辑功能可知,Q=D。 3.触发器翻转后,在 CP=1 时输入信号被封锁。这是因为 G3 和 G4 打开后,它们的输出 Q3 和 Q4 的状态是互补的,即必定有一个是 0,若 Q3 为 0,则经 G3 输出至 G5 输入的反馈线将 G5 封 锁,即封锁了 D 通往基本 RS 触发器的路径;该反馈线起到了使触发器维持在 0 状态和阻止 触发器变为 1 状态的作用,故该反馈线称为置 0 维持线,置 1 阻塞线。Q4 为 0 时,将 G3 和 G6 封锁, D 端通往基本 RS 触发器的路径也被封锁。 Q4 输出端至 G6 反馈线起到使触发器维持在 1 状态的作用,称作置 1 维持线;Q4 输出至 G3 输入的反馈线起到阻止触发器置 0 的作用,称为

置 0 阻塞线。因此,该触发器常称为维持-阻塞触发器。 总之,该触发器是在 CP 正跳沿前接受输入信号,正跳沿时触发翻转,正跳沿后输 入即被封锁,三步都是在正跳沿后完成, 所以有边沿触发器之称。 与主从触发器相比,同工艺 的边沿触发器有更强的抗干扰能力和更高的工作速度。 功能描述: 1.状态转移真值表 表1 边沿 D 触发器的状态转移真值表

D
0 0 1 1 2.特征方程 Q =D 3.状态转移图
n+1

Qn
0 1 0 1

Qn+1
0 0 1 1

说明 输出状态与 D 端状态相同

图2

D 触发器的状态转移图

图3

工作波形图

4.工作波形图(如图 3) 脉冲特性: 1.建立时间:由图 4 维持阻塞触发器的电路可见,由于 CP 信号是加到门 G3 和 G4 上的,因 而在 CP 上升沿到达之前门 G5 和 G6 输出端的状态必须稳定地建立起来。 输入信号到达 D 端以 后, 要经过一级门电路的传输延迟时间 G5 的输出状态才能建立起来,而 G6 的输出状态需要经 过两级门电路的传输延迟时间才能建立,因此 D 端的输入信号必须先于 CP 的上升沿到达, 而 且建立时间应满足: tset≥2tpd 2.保持时间:由图 4 可知,为实现边沿触发,应保证 CP=1 期间门 G6 的输出状态不变,不 受 D 端状态变化的影响。为此,在 D=0 的情况下,当 CP 上升沿到达以后还要等门 G4 输出的 低电平返回到门 G6 的输入端以后,D 端的低电平才允许改变。因此输入低电平信号的保持时 间为 tHL≥tpd。在 D=1 的情况下,由于 CP 上升沿到达后 G3 的输出将 G4 封锁,所以不要求输 入信号继续保持不变,故输入高电平信号的保持时间 tHH=0。 3.传输延迟时间: 由图 3 不难推算出, 从 CP 上升沿到达时开始计算,输出由高电平变为

低电平的传输延迟时间 tPHL 和由低电平变为高电平的传输延迟时间 tPLH 分别是:tPHL=3tpd tPLH=2tpd

图 4 维持阻塞 D 触发器的电路和动态波形 4.最高时钟频率:为保证由门 G1~G4 组成的同步 RS 触发器能可靠地翻转,CP 高电平的 持续时间应大于 tPHL,所以时钟信号高电平的宽度 tWH 应大于 tPHL。而为了在下一个 CP 上升沿 到达之前确保门 G5 和 G6 新的输出 电平得以稳定地建立,CP 低电平的持续时间不应小于门 G4 的传输延迟时间和 tset 之和,即时钟信号低电平的宽度 tWL≥tset+tpd,因此得到:

最后说明一点,在实际集成触发器中,每个门传输时间是不同的,并且作了不同形 式的简化,因此上面讨论的结果只是一些定性的物理概念。其真实参数由实验测定。 集成触发器:集成 D 触发器的定型产品种类比较多,这里介绍双 D 触发器 74HC74,实际上, 74 型号的产品种类较多,比如还有 7474、74H74 等。

(a) 逻辑符号 (b) 引脚分布 图5 D 触发器 74HC74 的逻辑符号和引脚分布

表2

D 触发器 74HC74 的逻辑功能表
输 入 输 出

SD
L H H H H

RD
H L H H H

CP
× × ↑ ↑ L

D
× × H L ×

Q
H L H L

Q
L H L H

Q0

Q0

通过图 7.8.5 中的逻辑符号和 D 触发器 74HC74 的逻辑功能表我们可以看出, HC74 是带 有预置、清零输入,上跳沿触发的边沿触发器。 综上所述,对边沿 D 触发器归纳为以下几点: 1.边沿 D 触发器具有接收并记忆信号的功能,又称为锁存器; 2.边沿 D 触发器属于脉冲触发方式; 3.边沿 D 触发器不存在约束条件和一次变化现象,抗干扰性能好,工作速度快。

三、小结与练习

4.6 集成触发器与应用 一、教学目标 掌握 TTL 主从触发器 74LS72 的结构关系 掌握上升沿触发器的工作原理 会运用触发器芯片进行简单的电路设计 二、教学内容 1、TTL 主从触发器 74LS72 它由两个同步RS触发器构成, 其中1门~4门组成从触发器,5门~8门组成主触发器
Q Q

& &
Q主

1

2

& &
Q主

3

4

& &
K

5

6

&
SD主

1

RD 主 7 8 CP

&
J

★当CP=1时,CP=0,从触发器被封锁,输出状态不变化。 ★此时主触发器输入门打开,接收J、K输入信息,将代入基本RSFF特性方程得出
n ?1 n n Q主 ? S D主 ? RD主Q主 ? J Q n ? KQ nQ主

★当 CP=0 时,CP=1,主触发器被封锁,禁止接受 J、K 信号,主触发器维持原态;从触发器 输入门被打开,从触发器按照主触发器的状态翻转,其中:
' n ?1 ' n ?1 RD ? Q主 , SD ? Q主 ' ' n ?1 n ?1 n n ?1 Q n?1 ? S D ? RD Q n ? Q主 ? Q主 Q ? Q主

即将主触发器的状态转移到从触发器的输出端, 从触发器的状态和主触发器一致。 将主代入 式(5-7)可得
?1 n n Qn 主 ? J Q主 ? KQ 主

2、上升沿双 D 触发器 含两个独立的 D 上升沿双 d 触发器,每个触发器有数据输入(D) 、置位输入( 输入( ) 、时钟输入(CP)和数据输出(Q、/Q) 。 、 、 )复位

的低电平使输出预置或清

除,而与其它输入端的电平无关。当

均无效(高电平式)时,符合建立时间要求

的 D 数据在 CP 上升沿作用下传送到输出端。

例题:利用 TTL74175 设计抢答器 设计任务:1.在主持人表示抢答开始时,计时器开始计时,在规定时间(学号数)内没有人抢 答,表示时间到,蜂鸣器发声输出,计时器复位,为下一次的计时做好准备。 2.主持人表示开始抢答后,计时时间未到时,只要有人抢答,即可显示抢答者的 号码,并同时封锁其他抢答者着的抢答显示。 3.只要有人抢答,计时器停住并显示抢答者号码。 4.只有主持人的操作,将电路复位后,方可结束上一次的抢答,为下次的抢答做 好准备。 5.抢答的规定时间可以在电路开始工作前,从数据开关输入设定的抢答时间。

三、总结与练习

4.7.1

555 定时器的结构与功能分析

一.引入:555 集成定时电路,也称 555 时基电路,是一种将模拟功能与逻辑功能巧妙结合 在一起的中规模集成电路,电路功能灵活,适用范围广,只需外接少量几个阻容元件, 就可以组成各种不同用途的电路,如单稳态电路、多振荡器及施密特触发器等等。因而 在定时、检测、控制、报警等方面都有广泛的应用。 (展示 555 集成电路实物) 二.理论:<一>电路组成:555 的内部电路结构可分成电阻分压器、电压比较器、基本 RS 触 发器和(输出缓冲级)放电管等部分。

<二>工作原理:1.电阻分压器 电阻分压器由三个阻值相同的电阻 R 串联组成,它对电源电压 VDD 分压, 当 C-V 端不加电压时,比较器 C1 的“-”端为 2/3VDD,比较器 C2 的“+”端 为 1/3VDD。 2.电压比较器:比较器的输出直接控制基本 RS 触发器。比较器输出与输入之间的关 系为: VTH>2/3VDD,VA 为 1; VTH<2/3VDD,VA 为 0; VTR>1/3VDD,VB 为 0; VTR<1/3VDD,VB 为 1; 3.基本 RS 触发器:它由或非门组成。C1、C2 的输出端即为基本 RS 触发器的输入端 R、S。工作过程如下: 当 R=1,S=0 时,Q=0;当 R=0,S=1 时,Q=1; 当 R=0,S=0 时,RS 触发器保持原态不变; RD 为外部复位端,低电平有效。如果 RD=0,则 Q=0。 4.放电管 V:放电管 V 作为放电开关,若 Q=1,V 导通;若 Q=0,V 截止。 综上所述,可以列出 555 定时器的功能: 复位 RD 0 1 1 1 高触发端 TH × >2/3VDD <2/3VDD × 低触发端 TR × >1/3 VDD >1/3 VDD <1/3 VDD 输出 OUT 0 0 保持原态 1 放电管 V 导通 导通 不变 截止

<三>集成定时器的应用 1. 构成单稳态电路 2 多谐振荡器 3 施密特触发器 4 路灯自动控制器 5 定时电路

<四>

小结

4.7.2 施密特触发器 一、工作原理 1.特点: ⑴ 施密特触发器有两个稳定状态,其维持和转换完全取决于输入电压的大小。 ⑵ 电压传输特性特殊,有两个不同的阈值电压(正向阈值电压 和负向阈值电压 ) ⑶ 状态翻转时有正反馈过程,从而输出边沿陡峭的矩形脉冲。 2.电压传输特性

有两种情况:左图中输入与输出为反相关系, 右图中输入与输出为同相关系, 3.回差

可见:施密特触发器的电压传输特性具有滞后特性。 4.逻辑符号

左图中输入与输出为反相关系,又称作施密特触发器与非门 右图中输入与输出为同相关系,又称作施密特触发器与门 5.工作波形 为施密特触发器与门的波形, 为施密特触发器与非门的波形

二、施密特触发器的应用 1.用于波形变换 三角波、正弦波及其它不规则信号→矩形脉冲。 图 5.2.6 所示为用施密特触发器将正弦波变换成同周期的矩形脉冲。

2.用于脉冲整形 当传输的信号受到干扰而发生畸变时, 可利用施密特触发器的回差特性, 将受到干扰的信号 整形成较好的矩形脉冲,如图 5.2.7 所示。

3.用于脉冲幅度鉴别 如输入信号为一组幅度不等的脉冲,可将输入幅度大于 的脉冲信号选出来,而幅度小于 的脉冲信号则去掉了。

4.7.3 单稳态触发器 工作特点: 1.有一个稳定状态和一个暂稳态。 2.在外加触发脉冲作用下,电路从稳定状态翻转到暂稳态。 3.经一段时间后,又自动返回到原来的稳定状态。而且暂稳态时间的长短完全取决于电路 本身的参数,与外加触发脉冲没有关系。 例:楼道的路灯 5.4.1 微分型单稳态触发器 一、电路结构

二、工作原理

三、输出脉冲宽度的估算 输出脉冲宽度:暂稳态维持的时间,用 tw 表示。tw≈ 0.7 RC 在使用微分型单稳态触发器时,输入触发脉冲 u1 的宽度 tw1 应小于输出脉冲的宽度 tw , 即 tw1<tw ,否则电路不能正常工作。 如出现 tw1 >tw 的情况时,可在触发信号源 uI 和 G1 输入端之间接入一个 RC 微分电路。 5.4.2 集成单稳态触发器 一、输入脉冲触发方式 正跃变触发 负跃变触发 二、不可重复触发型与可重复触发型

态时间的基础上再展宽 tw 。如图 5.4.4(b)所示。 因此,采用可重复触发单稳态触发器时能比较方便地得到持续时间更长的输出脉冲宽度。

三、参数计算 单稳态触发器 CT74121 的输出脉冲宽度 tw 可用下式进行估算 tw≈0.7RextCext 对于 CT74121,Rext 的取值范围为 2~40kΩ ; 对于 CT54121,Rext 的取值范围为 2~30kΩ 。 Cext 的一般取值范围为 10 pF~10 μ F, 在要求不高的情况下,Cext 的最大值可达 1 000 μ F。 在输出脉冲宽度不大时,可利用 CT74121 内部电阻 Rint=2 kΩ 取代 Rext ,这样,可以简 化外部接线。当要求输出脉冲宽度较大时,仍需采用外接电阻 Rext 。 表 5.4.1 CT74121 的功能表

教材中图 5.4.6 所示为单稳态触发器 CT74121 的工作波形。 由该图可看出, 如在暂稳态期间 (即 tw 内) 再次进行触发时, 对暂稳态时间没有影响。 因此, 输出脉冲宽度 tw 不会改变, 它只取决于 Rext 和 Cext 的大小,而与触发脉冲无关。因此,CT74121 为不可重复单稳态 触发器。 5.4.4 单稳态触发器的应用 一、脉冲整形 脉冲信号在经过长距离传输后其边沿会变差或在波形上叠加了某些干扰。 为了使这些脉冲信号变成符合要求的波形,可利用单稳态触发器进行整形。 二、脉冲定时 由于单稳态触发器可输出宽度和幅度符合要求的矩形脉冲,因此,可利用它作定时电路。 在图 5.4.8(a)所示定时电路中,单稳态触发器输出的脉冲 uc 可作为与门 G 开通时间的控 制信号。 只有在输出 为高电平期间,与门 G 打开,uB 才能通过与门 G,这时,输出 u0 =uB ,与门 G 打开的时间,完全由单稳态触发器决定。 而在 uc 为低电平 0 时,与门 G 关闭,uB 不能通过。

三、脉冲展宽 当输入脉冲宽度较窄时,则可用单稳态触发器展宽。

图 5.4.9(a)所示为利用 CT74121 组成的脉冲展宽电路。 只要合理选用 Rext 和 Cext 值,可输出宽度符合要求的矩形脉冲。 图 5.4.9(b)为工作波形。

小结: 作业: 板书计划:



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