第十章

觸發器與時序邏輯電路10.1雙穩態觸發器10.2寄存器10.3計數器10.4中規模集成計數器組件及其應用10.5

555定時器及其應用10.6時序邏輯電路的應用10.7數字電路的故障診斷與排除

掌握常用的雙穩態觸發器：基本RS觸發器、可控RS觸發器、JK觸發器和D觸發器的功能和時序圖的畫法。

理解由雙穩態觸發器構成的數碼寄存器和移位寄存器的內部結構和工作原理。

了解555定時器的內部結構和工作原理。

理解由555定時器構成的單穩態觸發器的電路結構和工作原理。

理解由555定時器構成的施密特觸發器的電路結構和工作原理。學習目標10.1

雙穩態觸發器

10.1.1RS觸發器10.1.2JK觸發器與D觸發器10.1.3觸發器邏輯功能的轉換10.1.4觸發器應用舉例時序電路必然具有記憶功能，因而組成時序電路的基本單元是觸發器。時序邏輯電路的特點：

在數字電路中，凡是任一時刻的穩定輸出不僅決定于該時刻的輸入，而且還和電路原來的狀態有關者，都叫做時序邏輯電路，簡稱時序電路。觸發器觸發器輸出有兩種可能的狀態：0、1；輸出狀態不只與現時的輸入有關，還與原來的輸出狀態有關；觸發器是有記憶功能的邏輯部件；按功能分類：R-S觸發器、JK觸發器、D觸發器、T型等。雙穩態觸發器有兩種穩定的狀態“0”和“1”信號觸發時，可能“0”變為“1”或“1”變為“0”翻轉10.1.1R-S觸發器反饋兩個輸入端兩個互補輸出端1.基本R-S觸發器電路&G1&G2&G1&G2功能若原狀態：11000110輸出仍保持：（1）輸入

時&G1&G2功能若原狀態：輸出變為：01111010（1）輸入

時&G1&G2功能若原狀態：輸出變為：10101011（2）輸入

時&G1&G2功能若原狀態：輸出保持：00110101（2）輸入

時&G1&G2功能若原狀態：輸出保持：10111001（3）輸入

時&G1&G2功能若原狀態：輸出保持：01110110（3）輸入

時&G1&G2功能1100輸出全是1但當RD=SD=0同時變為1時，翻轉快的門輸出變為0，另一個不得翻轉。輸入0信號撤走后狀態不定（4）輸入

時狀態表保持原狀態0110110110000信號后狀態不確定此狀態應被禁止！邏輯符號波形圖禁用！狀態不定負脈沖觸發負脈沖觸發（1）基本R-S觸發器為雙穩態觸發器，只要令輸入端均為1，觸發器即保持原態。穩態情況下，兩輸出互補。一般定義Q為觸發器的狀態。（3）觸發器的翻轉直接受輸入信號的控制。歸納：（2）在輸入端加入負脈沖，可以使觸發器狀態變化。

端加入負脈沖，使Q=1，

稱為“置位”或“置1”端。

端加入負脈沖，使Q=0，

稱為“復位”或“清0”端。2.可控RS觸發器&G3&G4&G1&G2CP時鐘信號直接置0直接置1電路功能（1）CP=0時&G3&G4&G1&G2CP011觸發器保持原態功能（2）CP=1時&G3&G4&G1&G2CP1輸出取決于R-S兩輸入端的狀態CPRS0××保持100保持1011011001111CP過去后狀態不確定狀態表RSQn+1說明00Qn保持功能011置位（置1）100復位（置0）11狀態不定禁止出現簡化的狀態表Qn+1---下一狀態（CP過后）Qn---原狀態邏輯符號直接置“0”端直接置“1”端畫出RS觸發器的輸出波形。設觸發器初始狀態為“0”。CPRSQ使輸出全為1CP撤去后狀態不定（2）CP=0，觸發器輸出狀態無變化，保持原態；

CP=1，觸發器輸出狀態取決于R、S的狀態。歸納：（1），Q=1，

稱為“直接置1”端，

，Q=0，

稱為“直接置0”

端，正常工作時，。（3）若CP脈沖過寬，則在CP正脈沖期間，觸發器可能產生空翻。邊沿觸發器可解決此問題。10.1.2JK觸發器與D觸發器1.JK觸發器邏輯符號直接置“0”端直接置“1”端下降沿觸發JK觸發器的功能J=K=0時：保持原態J=K=1時：來一個脈沖翻轉一次J=0，K=1時：J=1，K=0時：輸出與J的狀態一致JKQn+1說明00Qn保持功能010復位（置0）101置位（置1）11翻轉功能JK觸發器的狀態表波形圖CPKJQJQ

保持（2）CP下降沿，觸發器觸發（負邊沿觸發）：J=K=0，輸出狀態無變化，保持原態；

J=K=1，輸出狀態翻轉；J≠K，輸出狀態與J一致。歸納：（1），Q=1，

稱為“直接置1”端，

，Q=0，

稱為“直接置0”

端，正常工作時，。2.D觸發器下降沿觸發功能：D=0時00101功能：D=1時11010DQn+1說明00復位（置0）11置位（置1）狀態表下降沿觸發邏輯符號CP下降沿時，輸出狀態與D一致。DQn+1說明00復位（置0）11置位（置1）狀態表上升沿觸發邏輯符號CP上升沿時，輸出狀態與D一致。CPDQ

畫出D觸發器的輸出波形。設Q的初始狀態為0。上升沿觸發（2）CP下降沿/上升沿，觸發器觸發，輸出狀態與D一致。歸納：（1），Q=1，

稱為“直接置1”端，

，Q=0，

稱為“直接置0”

端，正常工作時，。（具體要看符號）1.T觸發器和T’觸發器10.1.3觸發器邏輯功能的轉換TQn+1說明0Qn保持功能1翻轉功能狀態表T’觸發器：

計數型觸發器來一個脈沖翻轉一次。T觸發器DQn+1說明00復位（置0）11置位（置1）狀態表2.觸發器邏輯功能的轉換（1）JK觸發器轉換為D觸發器狀態表TQn+1說明0Qn保持功能1翻轉功能（2）JK觸發器轉換為T觸發器（3）各種觸發器轉換為T’觸發器①可控RS觸發器對應于CP的每一個上升沿都翻轉一次Q=0時，置1：Q=1時，清0：S=1，R=1，②JK觸發器對應于CP的每一個下降沿都翻轉一次③D觸發器對應于CP的每一個上升沿都翻轉一次DQn+1說明00復位（置0）11置位（置1）10.1.4觸發器應用舉例四人搶答電路四人參加比賽，每人一個按鈕，其中一人按下按鈕后，相應的指示燈亮。并且，其它按鈕按下時不起作用。電路的核心是74LS175四D觸發器。它的內部包含了四個D觸發器，各輸入、輸出以字頭相區別，管腳圖見下頁。公用清零公用時鐘74LS175管腳圖賽前先清零0輸出為零發光管不亮開啟0反向端都為110沒有按鍵按下，D1~D4均為0。若第一個按鍵按下，D1為1。=1=100被封這時其它按鈕被按下也沒反應10.2寄存器

10.2.1數碼寄存器10.2.2移位寄存器

寄存器是計算機的主要部件之一，它用來暫時存放數據或指令。N位寄存器需N個雙穩態觸發器構成可存放N位二進制數據寄存器的數據輸入—輸出方式：串入－串出，串入－并出，并入－串出并入－并出，并行輸入－并行輸出FFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFFF串入－串出串入－并出并入－串出并入－并出串行輸入－串行輸出并行輸入－串行輸出串行輸入－并行輸出10.2.1數碼寄存器四位數碼寄存器并入－并出110100001101110110.2.2移位寄存器所謂“移位”，就是將寄存器所存各位數據，在每個移位脈沖的作用下，向左或向右移動一位。根據移位方向，常把它分成左移寄存器、右移寄存器和雙向移位寄存器三種：寄存器左移(a)寄存器右移(b)寄存器雙向移位(c)D3

＝DRD2＝Q3D1＝Q2D0＝Q1設d3d2d1d0

＝1010CP串行輸入CPDRQ3Q2Q1Q00000000001110002001001000010031101010104001010101↑4個脈沖：串入并出思考：如何實現串入串出？再4個脈沖，從Q0輸出。四位右移寄存器波形圖0100100001101001四位串入串出右移寄存器D3

＝DRD2＝Q3D1＝Q2D0＝Q1四位串入串出左移寄存器D3

＝Q2D2＝Q1D1＝Q0D0＝DL四位串入串出雙向移位寄存器設計思路：設置一個控制端M，當M＝0時左移；而當M＝1時右移即可。4位集成雙向移位寄存器74LS194管腳圖邏輯功能示意圖

為“直接置0”

端，正常工作時，。S0、S1為控制端，正常工作時，控制其狀態可以在CP上升沿作用下實現左移、右移、并行存入及保持等功能。DSR、DSL分別為右移、左移數據輸入端。4位集成雙向移位寄存器74LS194功能表10.3計數器

10.3.1異步計數器10.3.2同步計數器計數器的功能和分類1.計數器的功能記憶輸入脈沖的個數；用于定時、分頻、產生節拍脈沖及進行數字運算等等。2.計數器的分類同步計數器和異步計數器。加法計數器、減法計數器和可逆計數器。有時也用計數器的計數容量(或稱模數)來區分各種不同的計數器，如二進制計數器、十進制計數器、二－十進制計數器等。N進制計數器：逢N進1。即經過N個脈沖后又回到原狀態。10.3.1異步計數器在異步計數器中，有的觸發器直接受輸入計數脈沖控制，有的觸發器則是把其它觸發器的輸出信號作為自己的時鐘脈沖，因此各個觸發器狀態變換的時間先后不一，故被稱為“異步計數器”。組成異步計數器的觸發器必須接成計數型觸發器。三位二進制異步加法計數器1.異步二進制計數器0000計數脈沖CPQ0Q1Q2001000010011100101110111000123456781011下降沿0010101010下降沿下降沿狀態表10101010001010110

1110001000CPQ2Q1Q0

012345678CPQ0Q1Q200100001001110010111011100012345678

一位八進制計數器或三位二進制計數器加法計數器

Q0輸出為二分頻Q1輸出為四分頻Q2輸出為八分頻10101010001010110

1110001000CPQ2Q1Q0

012345678思考用D觸發器構成三位二進制加法計數器。CP10101010001010110

1110001000CPQ2Q1Q0

012345678思考用D觸發器構成三位二進制加法計數器。三位二進制異步加法計數器優點：電路簡單、可靠缺點：速度慢異步計數器特點：分析下圖所示的電路的工作原理。請自行設計由JK觸發器構成的三位二進制異步減法計數器。101010101111001011000010000CPQ2Q1Q0

012345678三位二進制異步減法計數器2.非二進制異步計數器（1）寫出控制端的邏輯表達式CPQ2Q1Q0十進制數201021001130113410045000500000（2）再列寫狀態轉換表，分析其狀態轉換過程：（3）根據狀態表分析功能電路為異步五進制加法計數器。10.3.2同步計數器

在同步計數器中，各個觸發器都受同一時鐘脈沖→輸入計數脈沖的控制，因此，它們狀態的更新幾乎是同時的，故被稱為“同步計數器”。1.同步二進制計數器三位二進制同步加法計數器（1）寫出控制端的邏輯表達式；Q0：來一個CP，它就翻轉一次Q1：當Q0＝1時，它可翻轉一次Q2：只有當Q1Q0＝11時，它翻轉一次（2）根據邏輯式及觸發器的前一個狀態確定其后一個狀態，列寫狀態表，分析其狀態轉換過程；Q0：來一個CP，它就翻轉一次Q1：當Q0＝1時，它可翻轉一次Q2：只有當Q1Q0＝11時，它翻轉一次2010210011301134100451015611067111780000CPQ2Q1Q0十進制數00000狀態表CPQ0Q1Q2（3）還可以用波形圖顯示狀態轉換表；（4）分析功能2010210011301134100451015611067111780000CPQ2Q1Q0十進制數00000狀態表三位二進制加法計數器或一位八進制加法計數器優點：速度快缺點：電路較復雜，且脈沖源需功率大同步計數器特點：思考試設計一個四位二進制同步加法計數器電路，并檢驗其正確性。提示四位二進制同步加法計數器狀態表CPQ3Q2Q1Q0十進制數00000010001120010230011340100450101560110670111781000891001910101010111011111211001213110113141110141511111516000016J2=K2=Q1Q0J1=K1=Q0J0=K0=1J3=K3=Q2Q1Q02.計數器的結構和特點：異步計數器：同步計數器：各觸發器的翻轉時間受不同的信號控制，不同步結構簡單，速度慢各觸發器的翻轉時間受同一計數脈沖控制，需翻轉時在同一個脈沖的有效沿同步翻轉速度快3.計數器的分析：異步計數器：波形圖—狀態表—功能同步計數器：邏輯式—狀態表—功能1.計數器的概念：功能分類歸納：2.同步十進制計數器（1）列寫控制端的邏輯表達式；（2）列出十進制加法計數器狀態表CPQ3Q2Q1Q0十進制數000000100011200102300113401004501015601106701117810008910019100000進位十進制同步加法計數器十分頻電路（3）分析功能10.4中規模集成計數器組件及其應用

10.4.1中規模集成計數器組件10.4.2用集成計數器構成任意進制計數器二-五-十進制計數器74LS9074LS90內部含有兩個獨立的計數電路：一個是二進制計數器(CP0為其時鐘，Q0為其輸出端)，另一個是五進制計數器(CP1為其時鐘，Q3Q2Q1為其輸出端)。

外部時鐘CP送到CP0，將CP1與Q0連接，則構成十進制計數器。將計數器適當改接，可構成多種進制的計數器。10.4.1中規模集成計數器組件Q0CP0231321CP1&R01R02&S91S92二進制計數器五進制計數器置9清0級聯法十進制計數器10.4.2用集成計數器構成任意進制計數器1.反饋清零法當計數狀態到M時，從觸發器的輸出端引出的反饋立即將計數器置零，M狀態不能保持，即構成M進制計數器。用一片74LS90構成六進制計數器

在Q3Q2Q1Q0

＝0110時立即清零。計數脈沖實際中，Q2、Q1均為1的信號不一定同時達到，可能因此出現錯誤。用一片74LS90構成六進制計數器

在Q3Q2Q1Q0

＝0110時立即清零。計數脈沖&2.級聯法將M1進制和M2進制計數器串聯起來，構成M進制計數器。（1）利用兩片74LS90構成100進制計數器低一位的最高位向高一位進位。即低一位的Q3與高一位的CP連。M=M1·

M2(十位)(個位)計數脈沖（2）利用先反饋清零后級聯的方法組成36進制計數器低位：4進制高位：9進制4×9=36進制(高位)(低位)計數脈沖四進制&九進制（3）利用先級聯后反饋清零的方法組成36進制計數器用兩片74LS290構成36

進制8421碼計數器十位個位00100100例：24

分析：1.如何解決片間進位問題

？

從右面的狀態轉換表中可以看到：個位片的Q3可以給十位片提供計數脈沖信號。Q3Q2Q1Q0

000000001100102001130100401015011060111710008

1001

9

00000十進制數36分析：2.如何滿足“36

進制”的要求？十位個位0035......共有36個穩定狀態00(00110110)(十位)(個位)計數脈沖&3600110110Q3Q2Q1Q0Q3Q2Q1Q0十位個位用兩片74LS290構成36

進制8421碼計數器是否有其他連接方法可實現？用集成計數器構成任意進制計數器的方法（1）反饋清零法當計數狀態到M時，從觸發器的輸出端引出的反饋立即將計數器置零，M狀態不能保持，即構成M進制計數器。（2）級聯法將M1進制和M2進制計數器串聯起來，構成M進制計數器。M=M1·

M2（3）可以先反饋置零后級連；也可先級連后反饋置零。

注意進位方式！歸納：10.5555定時器及其應用

10.5.1555定時器10.5.2用555定時器組成單穩態觸發器10.5.3用555定時器組成多諧振蕩器10.5.4用555定時器組成施密特觸發器

555定時器是將模擬電路和數字電路集成于一體的電子器件。它使用方便，帶負載能力較強，目前得到了非常廣泛的應用。10.5.1555定時器555定時器的內部電路包括以下幾部分：一個由三個相等電阻組成的分壓器；

兩個電壓比較器；一個RS觸發器；一個晶體管VT。VAVB5kΩ5kΩ5kΩ+VCC+-C1+△∞+-C2+△∞QRSVTR分壓電路分壓電路為比較器提供基準電壓基本RS觸發器晶體管放電電路UCOuI1uI2uO134726581：接地端；2：觸發信號輸入端；3：輸出端；4：直接清零端；5：電壓控制端；6：高電平觸發端；7：放電端；8：電源端。原理圖引腳排列電源電壓范圍：4.5V~18VQ（uO）T101截止010導通11保持保持uI1uI2UC1UC2<VA<VBUHUL>VA>VBULUH<VA>VBUHUHuI1uI2QuOT0×××××0導通1<VCC<VCC1011截止1>VCC>VCC0100導通1<VCC>VCC11保持保持保持555的功能表10.5.2用555定時器組成單穩態觸發器

單穩態觸發器只有一個穩定狀態。在未加觸發脈沖前，電路處于穩定狀態；在觸發脈沖作用下，電路由穩定狀態翻轉為暫穩定狀態，停留一段時間后，電路又自動返回穩定狀態。穩定狀態穩定狀態暫穩態由外界觸發自動返回為什么會自動返回？需多少時間？電路特點：暫穩態時間的長短可調輸出一種穩定狀態輸入負脈沖觸發電路不需觸發時，ui=1；觸發時，ui=0。(+VCC)011觸發到來前>VB1導通uC≈0V10tuiuCuOtt若電容上有殘余電壓，會通過VT迅速放電至uC≈0，使電壓比較器C1的輸出也為1。電容無電壓<VA(清零GND)穩態(+VCC)100觸發到來<VB0截止uC≈0V11tuiuCuOtt<VA暫穩態×uC↑電容充電(+VCC)111觸發結束>VB0截止10tuiuCuOtt>VA×uC↑>VAVA電容繼續充電001導通1暫穩態結束(+VCC)011觸發結束>VB1導通00tuiuCuOtt>VAVA電容放電uC↓恢復穩態≈0<VA1(+VCC)001下次觸發到來<VB1導通10tuiuCuOtt<VAVAuC↓≈0暫穩態維持時間tw電容從初始值上升至VA所需的時間tw=RCln3=1.1RC①單穩態觸發器是依靠負脈沖的觸發而發生狀態翻轉的。當無觸發脈沖輸入時，輸入ui為高電平（大于1

/3VCC），觸發器處于穩態，Q=0。④若在引腳5外接電源，則可改變VA，即改變電壓比較器C1的基準電壓值，從而改變穩態與暫態的轉換時刻。歸納：②當觸發負脈沖到來時，觸發器進入暫態Q=1，且能在一段時間內保持住暫態。暫態存在的時間，即tW的長短取決于uC由0上升到2/3VCC所用的時間。③觸發脈沖的寬度要小于tW，否則觸發器將不能返回穩態。tw=1.1RC2.單穩態觸發器的應用（1）定時調整tw=1s，對uo的脈沖計數可構成頻率計。單穩態觸發器組成的底片曝光定時電路若SB打開，則ui=1；若SB合上，則ui=0。

K按一下按鈕

SB未按uo0K的線圈不通電K的觸點不動作紅燈白燈亮滅1通電閉合亮滅白燈亮的時間即為曝光時間tWtW=1.1RC（2）整形在uo=1時，輸入信號的波動，對輸出的信號無影響。將不規則波形轉換成幅度和寬度一定的矩形波輸出脈沖。輸出波形：10.5.3用555定時器組成多諧振蕩器電路功能：能產生矩形波的自激振蕩器。特點：無穩態。輸出兩暫穩態交替變化。1.多諧振蕩器的工作原理電路uouo10假設電容初始電荷為0<VB0截止11uCuOtt<VAuC≈0V×uC↑電容充電uo11>VB0截止11<VA×uC↑電容繼續充電uCuOttVB0uottuCuO11>VB0截止01>VA×uC↑電容放電VAVB1010導通<VAuC↓uo>VBttuCuO10<VB0截止01<VA×uC↓電容繼續放電VAVB010導通11uo>VBttuCuO110截止11<VA×uC↓電容充電VAVBuottuCuOuC↓電容在VA，VB之間充放電VAVB

充=(R1+R2)

C

放=R2

C

tW1取決于uC由1/3VCC上升到2/3VCC所用時間tW2取決于uC由2/3VCC下降到1/3VCC所用時間tW1tW2輸出矩形波的周期T占空比如何改變占空比？改變充放電回路的時間常數！2.多諧振蕩器的應用（1）產生矩形波信號（2