具有記憶功能門電路之基本RS觸發器、同步RS觸發器、D觸發器

2021-01-07 電工電氣學習

具有記憶功能的門電路,工作特徵與上述兩種基本門和可控門數字電路,有了質的差異。現在的輸出結果並不一定是「現在的」輸入信號所導致的,可能為「過去時」,即「已消失」輸入信號動作後的存儲結果,電路有了「記憶的」能力。電路的動作方式,也一改輸入信號的「長時生效」而變為「瞬時信號」的觸發機制。

是具有記憶功能,能儲存一位二進位信息的邏輯電路。

該類電路,即數字電路中的基本RS觸發器、同步RS觸發器、同步D觸發器、主從觸發器、邊緣觸發器等和在此基礎之上的時序邏輯電路,而整個數字電路的大廈,也即由組合邏輯電路和時序邏輯電路所構成。

1、基本RS觸發器

1)由與非門構成的基本RS觸發器

由兩個與非門電路交叉耦合即構成基本的RS觸發器,由於電路中G1、G2作用相同,習慣上用邏輯符號予以表示。

具有記憶功能門電路之基本RS觸發器、同

圖1 由與非門構成的基本RS觸發器

/RD、/SD為觸發器的兩個輸入端,/SD稱為置位(或置1)端;/RD稱復位(或置0)端。在標註字母上方加短槓,表示低電平信號有效。觸發器還有兩個輸出端,兩者的邏輯電平相反,以Q端為基準。如Q=1,則/Q=0。

從電路結構來看,因僅有兩個輸入端子,則輸入有四種電平組合,在合適的信號作用下,觸發器可以從一種穩態翻轉至另一穩態。

當/SD=0,/RD=1時,觸發器置1;當/SD=1,/RD=0時,觸發器置0;當/SD=0,/RD=0時,出現輸出競爭現象,為非法輸入電平(正常應用時應避免出現這種情況);當/SD=1,/RD=1時,輸出保持不變。

綜上所述,基本RS觸發器具有置0、置1和保持功能;但輸入信號不能同時為0,是具有約束條件的觸發器。

2)由或非門構成的基本RS觸發器

用兩個或非門交叉耦合,也可構成基本RS觸發器,其電路結構和邏輯符號如圖2所示。

具有記憶功能門電路之基本RS觸發器、同

圖2 與或非門構成的基本RS觸發器

RD和SD分別為復位(置0)和置位(置1)端,與圖1電路有所不同,它們均是高電平有效。其信號輸入也有四種組合。當RD=0,SD=1時,觸發器置1;當RD=1,SD=0時,觸發器置0;當二者都為1時,觸發器狀態不確定(為非法電平);當RD=0,SD=0時,觸發器保持原狀態不變。

與普通門、受控門電路相比,前者輸入為常態信號,輸出狀態取決於即時輸入;後者輸入為「瞬態」信號,有觸發特性,輸出有保持功能,輸出為輸入的「過去時」,輸入條件成立時輸出保持。輸入信號存在約束條件,限制了其實用性。RS基本觸發器是沒有實際應用IC器件的,實際應用器件是在此基礎上將性能提升後的IC產品,如同步RS觸發器,同步D觸發器等系列產品。

電路實例:三態R-S鎖存觸發器CC4044B。內部電路結構與引腳功能見下圖。

圖3 CD4044B三態R-S鎖存器

將基本的R-S觸發器加以改造,如在輸出側增設傳輸開關,就可得到具有三態傳輸功能的R-S觸發器。從其內部電路結構可看出,a)增加了EN使能控制端,高電平為通態,低電平為關態;b)增加了受控輸出級,為三態輸出模式,當EN端為低電平時,輸出級相對於外部電路,為高阻態(三態)。

從檢修角度出發,我們需要注意的著重點是在線如何確定晶片好壞,並找到(引腳功能、尺寸適宜的)替代元件。

檢修要點:

a)在高阻(傳輸關斷)態,輸出端電平不取決於輸入信號,而由電路設計者人為限定(由外加上拉、下拉電阻確實靜態高、低電平);

b)在正常傳輸(EN端為高電平)狀態,具有基本R-S觸發器的工作特性:可置0、可置1、輸出保持。可以通過對此三特性的驗證來確定晶片好壞。

和普通門電路不同,現在的輸出是「過去時」,不是對即時的輸入信號作出的反映。欲確實電路好壞,需人為變動一下輸入電平——進行置0或置1操作,據輸出端做出的反映,確實判斷晶片的好壞。一定條件下,我們可以在輸入端做出「人為動作」,來迫使輸出端作出相應的反應。其實任何器件,都不難找到相應的檢修和判斷方法,器件的正常工作與否即使如雪泥鴻爪,也總會「有跡可尋」。為此,需要研究觸發器的輸入電路形式,並據此採用相應的「人為動作」,而不會導致在線器件(如觸發器的前級電路)的損壞。

對器件檢測最好的方法,是上電檢測輸入、輸出狀態得出結論,遠比測量引腳電阻、摘下後放入IC測試儀進行檢測,更為方便和準確。這是因為其外圍電路及供電條件,已經提供了最為優良的檢測條件!

觸發器的輸入信號電路形式:

圖4 觸發器輸入信號電路形式

圖4中a)電路,因輸入信號迴路串入了R1、R2隔離電阻,因而前級輸入電路是何形式不再重要。該觸電器為高電平信號輸入有效,可知其常態(或靜態)R、S輸入端應該為低電平。在首先確實EN端為高電平(確實電路為通態)情況下(若EN端為低電平,說明處於關態——高阻態,需查低電平原因並排除之),若測Q端為低電平,此時將圖中S點與+5V短接一下(即輸入置1信號),再測Q端應由0V變為5V高電平,並保持。說明N2晶片是好的。反之,若Q端為高電平,將圖中R點與+5V短接一下(即輸入置0信號),而Q端就變為低電平並保持。否則說明晶片已壞。

圖4中b)電路,其信號輸入前級電路為反相器電路,其內部輸出級為電壓互補放大器結構,N1、N2輸出端靜態為低電平,此時若貿然將N4的R、S端與+5V短接製造人為高電平信號,則因造成N1、N2輸出級對+5V電源短路而損壞N1、N2器件。在N1、N2的輸出端無法做手腳,則進而往輸入端電路查找,總能找到動手的地方。該前級電路2為開路集電極輸出結構,接有R1、R2上拉電阻。此時將Q01、Q02的集電極與供電地短接一下,即能方便地製造置0或置1信號,從而確實N4觸發器電路的好壞。

同理,處理EN端電路,也可用相似方法,製造通態信號,以創造觸發器的動作檢測條件。

圖4中c)電路,該電路是高電平有效觸發方式,因而製造高電平的置1或置0信號,僅需短接Q01、Q02的發射結使其處於截止狀態即可。

另外,若前級電路為三態門,將三態門處於高阻態時,此時可在N2的R、S端隨意製造高、低電平信號,如將R、S端接地或接+5V。但若三態門處於通態時,則應在三態門的輸入端想辦法,製造信號了。

3)同步RS觸發器

基本RS觸發器只要輸入信號變化,輸出狀態就會立即發生相應變化,這不但使得電路的抗幹擾能力變差,也給多個觸發器的同步工作帶來不便。在實際應用中,通常要求觸發器的狀態按一定的時間節拍變化,即在時鐘脈衝到達時,才根據輸入信號改變狀態;沒有時鐘信號時,即使輸入信號改變,也不影響觸發器的輸出狀態。為此,增加時鐘脈衝輸入端CP以及相應的輸入控制電路,就有了同步RS觸發器這一類數字晶片。

同步RS觸發器的電路結構和邏輯符號如圖5所示。

圖5同步RS觸發器

與非門G1、G2構成基本RS觸發器,G3、G4構成輸入控制電路。工作原理如下:

①CP=0期間,與非門G3、G4被封鎖,/RD=1,/SD=1。因此,無論輸入信號R、S如何變化,都不會影響觸發器的輸出Q和/Q,即觸發器狀態保持不變。

②CP=1期間,與非門G3、G4打開,輸入信號R、S反相後加到由G1、G2構成的基本RS觸發器電路,使Q和/Q的狀態發生變化。

同步RS觸發器的功能或狀態,可由狀態轉移表來描述(此不贅述)。

4)同步D觸發器

同步RS觸發器在R、S同時為1且同時失效後,觸發器狀態不確定,說明其功能仍不完善。D觸發器針對這一問題作出改進,解決了觸發器狀態不確定的問題。

由於只要令R、S不同時為1,觸發器就不會出現狀態不穩定,最簡單的方法就是令S=/R,此時僅將S作為輸入端(用D表示),就得到了D觸發器。仍然是由RS觸發器演變而來,是RS 觸發器S=/R的特例,其電路結構和邏輯符號如圖6所示。

圖6 同步D觸發器

工作原理如下:

①CP=0期間,與非門G3、G4被封鎖,/RD=1,/SD=1。因此,無論輸入信號R、S如何變化,都不會影響觸發器的輸出Q和/Q,即觸發器狀態保持不變。

②CP=1期間,與非門G3、G4打開,觸發器輸出狀態隨D而變化,完成置0、置1和保持等三種邏輯功能。

5)雙主-從D型觸發器電路檢修舉例

觸發器系列電路形式太多,一下子完全搞明白是不必要的(不可能全部記住,用得多的會自然掌握)。以雙主-從D型觸發器CD4013為例,在尚未全面深刻掌握原理及內部電路結構的前提下,能否根據端子功能快速掌握其檢修方法呢?答案是肯定的。

控制電路的核心部件為雙D觸發器,型號為CD4013,內含兩個獨立的D觸發器。從R、S或C端子接受上升沿觸發信號,能使輸出狀態產生翻轉。常用來組成單穩態、雙穩態、無穩態電路。如圖7-10所示,是內部一路D觸發器的引腳功能圖。

圖7 CD4014的引腳功能圖

我們先掌握CD4013的兩個應用模式,從中領會其電路原理及動作模式:

a)雙穩態電路。在數據端D和時鐘端C都接地的情況下,在置位端S加一個脈衝高電平,則Q輸出端變為高電位(被置位);在復位端R加一個脈衝高電位,輸出端Q變為低電位(被復位)。端為Q端的反相輸出。

根據此原則(或滿足此檢測條件下),CD4013「變身」為普通R-S觸發器,在R、S端施加瞬時高電平信號,即可完成置0、置1及保持功能檢測。

b)數據檢出電路。置位端S和復位端R都接地的情況下,在C端時鐘脈衝作用下,D數據端的數據(0或1)被傳輸至輸出端Q。D端只有0或1兩個數據狀態,C端上升沿脈衝作用期間,D端的數據為Q端所檢出。

根據此原則(或滿足此檢測條件下),可在其時鐘端人為施加「0」或「1」信號,檢測Q端和D端數據傳輸狀態,由此準確判斷晶片好壞。

由上述,因而對如我——一位較懶惰的檢修人員來說,檢測數字電路的好壞,無需研究其繁雜的時序圖,也不用管它傳輸頻率是多少和具體的傳輸數據是什麼,電路僅為高低電平信號處理器,或僅為傳輸一個直流5V和直流0V的信號電路。輸出是此兩種狀態,而輸入信號亦為此兩種狀態。完全可用0V和5V充當輸入端檢測信號,檢測輸出端的5V和0V變化,只要電路是聽話的講理的,就是好的電路。

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