數(shù)字電路的應(yīng)用

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1、數(shù) 字 自 動(dòng) 售 貨 機(jī) 自 動(dòng) 取 款 機(jī)自 動(dòng) 售 貨 機(jī)自 動(dòng) 咖 啡 機(jī) 數(shù) 字 測(cè) 重 器 用 門 電 路 實(shí) 現(xiàn) 邏 輯 關(guān) 系觸 發(fā) 器 及 其 在 電 子 控 制 系 統(tǒng) 中 的 作 用 數(shù) 字 電 路 的 基 本 單 元 電 路 是 門 電 路 和 觸 發(fā) 器 ， 觸 發(fā) 器 又 是 由 門 電路 構(gòu) 成 的 ； 在 數(shù) 字 電 路 中 ， 門 電 路 用 于 實(shí) 現(xiàn) 各 種 邏 輯 關(guān) 系 ， 觸 發(fā) 器 用于 存 儲(chǔ) 數(shù) 據(jù) ： 任 何 復(fù) 雜 的 電 子 控 制 系 統(tǒng) 中 的 控 制 部 分 都 可 用 數(shù) 字 電 路實(shí) 現(xiàn) 。 用 門 電 路 實(shí) 現(xiàn) 邏 輯 關(guān)

2、系案 例 分 析 普 通 電 子 秤 上 顯 示 的 價(jià) 格 的 最小 單 位 是 “ 分 ” 。 小 明 想 在 秤 上 加一 個(gè) 四 舍 五 入 的 電 路 ， 能 自 動(dòng) 對(duì) 電子 秤 顯 示 的 “ 分 ” 值 作 四 舍 五 入 處理 ， 使 顯 示 的 最 小 值 為 “ 角 ” 。 請(qǐng) 你 幫 他 設(shè) 計(jì) 此 電 路 。 設(shè) 計(jì) 數(shù) 字 電 路 的 步 驟 是 ： (1)對(duì) 電 路 的 輸 入 端 、 輸 出 端 的 名 稱 及 其 所 代 表 的 邏 輯 含義 加 以 指 定 ； (2)根 據(jù) 能 使 輸 出 為 1的 條 件 ， 分 析 其 輔 出 與 輸 入 之 間 的 邏

3、輯 關(guān) 系 ； (3)將 上 述 邏 輯 關(guān) 系 用 邏 輯 表 達(dá) 式 表 示 ； (4)選 擇 合 適 的 數(shù) 字 集 成 電 路 和 其 他 有 關(guān) 器 件 搭 接 此 電 路 。 按 上 述 步 驟 ， 對(duì) 該 案 例 設(shè) 計(jì) 步 驟 的 前 兩 步 分 析 如 下 ： 第 一 步 ： 由 于 在 電 子 秤 中 ， 每 1位 十 進(jìn) 制 數(shù)是 用 4位 二 進(jìn) 制 數(shù) 表 示 的 ， 所 以 電 路 應(yīng)有 4個(gè) 輸 入 C8、 C4、 C2、 C1， 它 們 對(duì) 應(yīng) 的十 進(jìn) 制 數(shù) 為 N。 電 路 應(yīng) 有 1個(gè) 輸 出 C0， 它 代 表 “ 分 ”向 “ 角 ” 的 進(jìn) 位 。

4、 當(dāng) N 4時(shí) ， C0為 0； 當(dāng)N 5時(shí) ， C0為 1。 第 二 步 ： 從 表 中 可 以 看 出 ， 能 使 輸 出C0為 1的 條 件 有 3種 情 況 ； (1)只 要 C8為 1， 如 N=8和 N=9時(shí) ， C0一 定 為 l； (2)若 C4和 C1同 為 1， 如 N=5和N=7時(shí) ， C0=1； (3)若 C4和 C2同 為 1， 如 N=6和N=7時(shí) ， C0=1。 請(qǐng) 按 設(shè) 計(jì) 步 驟 完 成 第 三 步 、第 四 步 設(shè) 計(jì) 。 其 中 ， 輸 入 信 號(hào) 可照 右 圖 方 法 用 一 個(gè) 單 刀 雙 擲 開 關(guān)獲 得 ； 輸 出 可 用 發(fā) 光 二 極 管 作

5、 指示 ， F=1時(shí) ， 發(fā) 光 二 極 管 發(fā) 光 。 觸 發(fā) 器 及 其 在 電 子 控 制 系 統(tǒng) 中 的 作 用基 本 觸 發(fā) 器 的 記 憶 作 用在 數(shù) 字 電 路 中 常 常 需 要 將 某 個(gè) 信 號(hào) (電 平 )保 持 一 段 時(shí) 間 。 基 本 觸 發(fā) 器 邏 輯 圖 基 本 觸 發(fā) 器 波 形觸 發(fā) 器 （ 能 夠 存 儲(chǔ) 位 二 值 信 號(hào) 的 基 本 單 元 電 路 統(tǒng) 稱 為 觸 發(fā) 器 。 ） 數(shù) 字 電 路 中 能 將 二 進(jìn) 制 數(shù) 據(jù) 記 憶 住 的 基 本 單 元 電 路 稱 為 觸 發(fā) 器 ， 其中 最 簡(jiǎn) 單 的 種 稱 為 基 本 觸 發(fā) 器 ， 通

6、 常 由 2只 或 非 門 (或 2只 與 非 門 )交 叉連 接 構(gòu) 成 。 任 何 觸 發(fā) 器 都 有 2個(gè) 輸 出 端 Q和 Q， 正 常 情 況 下 Q和 Q總 是 反 相 的 ， 即不 是 (Q=0， Q=1)就 是 (Q=1， Q=0)。 (Q=0， Q=1)稱 為 O狀 態(tài) ， (Q=1， Q=0)稱 為 1狀 態(tài) 。 基 本 觸 發(fā) 器 有 2個(gè) 輸 入 端 S和 R， S(set)稱 為 置 位 端 或 置 1端 ， R(reset)稱 為 復(fù) 位 端 或 置 0端 。 若 S端 加 觸 發(fā) 信 號(hào) (高 電 平 )， R端 不 加 觸 發(fā) 信 號(hào) ， 即 S=1， R=O，

7、 基 本觸 發(fā) 器 被 置 于 1狀 態(tài) ， 此 過 程 稱 為 置 1； 若 R端 加 觸 發(fā) 信 號(hào) (高 電 平 )， S端 不 加 觸 發(fā) 信 號(hào) ， 即 S=0， R=1， 基 本觸 發(fā) 器 被 置 于 O狀 態(tài) 此 過 程 稱 為 置 0。 無 論 置 1還 是 置 0， 當(dāng) 觸 發(fā) 信 號(hào) 結(jié) 束 后 ， 即 S和 R的 輸 入 都 是 低 電 平時(shí) 基 本 觸 發(fā) 器 的 狀 態(tài) 保 持 不 變 。 由 此 可 見 ， 基 本 觸 發(fā) 器 具 有 記 憶 作 用(也 稱 存 儲(chǔ) 作 用 )， 能 存 儲(chǔ) 1位 二 進(jìn) 制 信 息 （ 即 能 存 儲(chǔ) 一 個(gè) 1或 0） 。 案

8、例 分 析 思 考 下 圖 所 示 的 基 本 觸 發(fā) 器在 我 們 觀 察 的 時(shí) 刻 之 前 曾 在哪 一 端 加 過 觸 發(fā) 信 號(hào) ？ 基 本 觸 發(fā) 器 的 兩 個(gè) 輸 入 端 通常 不 應(yīng) 都 加 觸 發(fā) 信 號(hào) （ 高 電 平 ） ，基 本 觸 發(fā) 器 輸 出 與 輸 入 之 間 的 關(guān)系 如 上 表 所 示 。 試 驗(yàn) 目 的 ： 熟 悉 基 本 觸 發(fā) 器 的 功 能 。試 驗(yàn) 準(zhǔn) 備 ： CT74LS00 1片 ， 電 位 器 1只 ， 電 阻 6只 ； 發(fā) 光 二 極 管 1只 。試 驗(yàn) 過 程 ： 按 電 路 圖 搭 接 電 路 ， 調(diào) 節(jié) Ui使 其 由 0變 大 ，

9、 觀 察 發(fā) 光 二 極 管的 發(fā) 光 情 況 ， 并 記 錄 發(fā) 光 二 極 管狀 態(tài) 變 化 時(shí) 的 Ui值 。 當(dāng) 發(fā) 光 二 極 管 狀 態(tài) 變 化 后 ，再 將 U i由 大 變 小 ， 觀 察 發(fā) 光 二 極管 的 發(fā) 光 情 況 ， 并 記 錄 發(fā) 光 二 極管 狀 態(tài) 改 變 時(shí) 的 Ui值 。 小 試 驗(yàn) 初 始 Ui約 為 0V， 此 時(shí) 發(fā) 光 二 極 管 亮 。 Ui由 小 到 大 時(shí) ， 狀 態(tài) 改 變 時(shí) 的 Ui約 為 3.2V， 燈 滅 ， 以 后 一 直 保持 滅 ， 直 至 Ui=6V。 Ui由 大 到 小 時(shí) ， 狀 態(tài) 改 變 時(shí) 的 Ui約 為 1.6

10、V， 燈 亮 ， 直 至 Ui回 到Ui=0V。 1. Ui 1.6V時(shí) ， 觸 發(fā) 器 置 1， Ui 3.2V時(shí) ， 觸 發(fā) 器 置 0。 2. 當(dāng) 1.6V Ui 3.2V,觸 發(fā) 器 處 于 保 持 (記 憶 )狀 態(tài) 。 經(jīng) 過 改 造可 用 于 有 上 、 下 限 控 制 要 求 的 水 位 、 溫 度 等 控 制 電 路 中 ， 如 水 位 低于 某 值 進(jìn) 水 ， 水 位 高 于 某 值 停 止 進(jìn) 水 等 。 試 驗(yàn) 記 錄 ： 初 始 狀 態(tài) (Ui=0)， 發(fā) 光 二 極 管 狀 態(tài) 。 發(fā) 光 二 極 管 狀 態(tài) 改 變 時(shí) 的 Ui 。 發(fā) 光 二 極 管 狀 態(tài) 再

11、 次 改 變 時(shí) 的 Ui 。 試 驗(yàn) 總 結(jié) ： 1 該 電 路 是 如 何 體 現(xiàn) 基 本 觸 發(fā) 器 功 能 的 ? 2 該 電 路 有 何 用 途 ? 閱 讀 用 兩 個(gè) 與 非 門 構(gòu) 成 的 基 本 觸 發(fā) 器 。 用 兩 個(gè) 與 非 門 構(gòu) 成 的 基 本 觸 發(fā) 器 的 觸 發(fā)信 號(hào) 是 低 電 平 ， 即 用 0來 觸 發(fā) 。 當(dāng) 置 1端 S加 觸 發(fā) 信 號(hào) ， 置 0端 R不 加 觸 發(fā)信 號(hào) ， 即 S=0， R=1時(shí) ， 基 本 觸 發(fā) 器 置 1； 當(dāng) 置 0端 R加 觸 發(fā) 信 號(hào) ， 置 1端 S不 如 觸 發(fā)信 號(hào) ， 即 R=0， S=1時(shí) ， 基 本 觸

12、 發(fā) 器 置 0； 當(dāng) 兩 輸 入 瑞 皆 不 如 觸 發(fā) 信 號(hào) ， 即 S=1，R=1時(shí) ， 基 本 觸 發(fā) 器 狀 態(tài) 不 變 ， 處 于 記 憶 狀態(tài) 。 - - - - - - - 用 兩 個(gè) 與 非 門 構(gòu) 成 的 基 本 觸 發(fā) 器 的 功 能 表 和 波 形 圖 都 不 同 于 用 或非 門 構(gòu) 成 的 基 本 觸 發(fā) 器 ， 但 它 們 在 電 子 控 制 系 統(tǒng) 中 的 作 用 是 一 樣 的 。 常 用 集 成 觸 發(fā) 器 常 用 集 成 觸 發(fā) 器 是 由 基 本 觸 發(fā) 器 加 控 制 電 路 構(gòu) 成 的 。 最 常 用 的 兩 種 集 成 觸 發(fā) 器 是 D觸 發(fā)

13、器 和 JK觸 發(fā) 器 。 D觸 發(fā) 器 有 兩 個(gè) 輸 入 端 D和 C， D是 數(shù) 據(jù) 輸 入 端 ， 被 存 儲(chǔ) 的 數(shù) 據(jù) 加 在 此 處 ； C是 時(shí) 鐘 輸 入 端 ， 控 制 數(shù) 據(jù) 的 存 儲(chǔ) 操 作 ： 通 常 在 C端 加 時(shí) 鐘 信 號(hào) CP(clock pulse)。 下 圖 所 示 觸 發(fā) 器 邏 輯 符 號(hào) 的 時(shí) 鐘 輸 入 端 有 一 個(gè) “ ” 符 號(hào) ， 表 示 將 數(shù)據(jù) 存 入 觸 發(fā) 器 的 操 作 是 在 時(shí) 鐘 信 號(hào) 的 上 升 沿 （ 即 由 0變 1的 時(shí) 刻 ） 發(fā) 生 的 ，如 圖 中 的 t1時(shí) 刻 ， 時(shí) 鐘 信 號(hào) 由 0變 1， 此

14、 時(shí) 加 在 D端 的 信 號(hào) 為 l， 則 觸 發(fā) 器 的狀 態(tài) 變 為 1， 數(shù) 據(jù) 1就 被 存 進(jìn) 了 觸 發(fā) 器 。 在 下 一 個(gè) 時(shí) 鐘 信 號(hào) 的 上 升 沿 （ t2時(shí)刻 ） 到 達(dá) 以 前 ， 無 論 加 在 D端 的 信 號(hào) 有 何 變 化 ， 觸 發(fā) 器 的 狀 態(tài) 都 保 持 不 變 ，體 現(xiàn) 了 觸 發(fā) 器 的 記 憶 功 能 。 在 t2時(shí) 刻 ， CP信 號(hào) 又 一 次 由 0變 1， 此 時(shí) 加 在 D端的 信 號(hào) 值 為 0， 因 而 觸 發(fā) 器 的 狀 態(tài) 變 為 0， 數(shù) 據(jù) 0被 存 進(jìn) 了 觸 發(fā) 器 。 由 此 可 見 ， D觸 發(fā) 器 的 狀 態(tài)

15、 每 個(gè) 時(shí) 鐘 周 期 變 化 一 次 ， 根 據(jù) 前 一 周 期 （ 第 n周 期 ） 結(jié)束 時(shí) ， 即 時(shí) 鐘 脈 沖 上 升 沿 到 來 前 瞬 間 的 D值 （ D） ， 確 定 下 一 周 期 （ 第 n+1周 期 ） 的 狀態(tài) Q 。 D觸 發(fā) 器 輸 入 輸 出RD CP D Q Q1 X X 0 10 1 1 00 0 0 1 JK觸 發(fā) 器 JK觸 發(fā) 器 的 輸 入 端 J和 K， 其 作 用 類 似 基 本 觸 發(fā) 器 的 S和 R， 是 確 定 觸 發(fā) 器狀 態(tài) 的 依 據(jù) 。 時(shí) 鐘 信 號(hào) 輸 入 端 C， 因 為 在 此 端 畫 了 一 個(gè) “ ” ， 表 明

16、只 有 在 時(shí) 鐘 脈 沖 的下 降 沿 (即 由 1變 0的 時(shí) 刻 )， 觸 發(fā) 器 的 狀 態(tài) 才 由 J和 K確 定 ， 而 在 相 鄰 兩 個(gè) 時(shí) 鐘脈 沖 的 下 降 沿 之 間 ， 觸 發(fā) 器 的 狀 態(tài) 都 保 持 不 變 。閱 讀 JK觸 發(fā) 器 輸 入 輸 出SD RD CP J K Q Q1 0 X X X 1 00 1 X X X 0 11 1 X X X 禁 用0 0 0 0 保 持0 0 1 0 1 00 0 0 1 0 10 0 1 1 翻 轉(zhuǎn)0 0 0 X X 保 持 知 識(shí) 搶 答 競(jìng) 賽 搶 答 器 的 應(yīng) 用 搶 答 器 的 設(shè) 計(jì) 改 進(jìn) 在 電 路 試

17、 驗(yàn) 板 上 用 4個(gè) D觸 發(fā) 器 做 成 一 個(gè) 彩 燈 控 制 器 ， 加 上 時(shí) 鐘 信 號(hào) 后 ，4個(gè) 發(fā) 光 二 極 管 便 自 動(dòng) 按 一 定 規(guī) 律 發(fā) 光 。 所 需 器 件 ： CCA042 1片 ， 發(fā) 光 二 極 管 4只 ， 按 鈕 開 關(guān) 1只 ， 510 電 阻 4只 。 時(shí) 鐘 信 號(hào) 可 由 信 號(hào) 源 的 方 波 輸 出 端 提 供 (頻 率 約 為 IHz)或 按 上 節(jié) 練 習(xí)中 提 供 的 多 諧 振 蕩 器 電 路 制 作 一 個(gè) 頻 率 約 為 1Hz的 多 諧 振 蕩 器 ， 由 多 諧 振蕩 器 的 輸 出 信 號(hào) 提 供 。練 習(xí) 多 諧 振

18、 蕩 器 可 用 左 圖 電 路 代 替 ， 其 中 K是有 常 開 ， 常 閉 兩 個(gè) 觸 點(diǎn) 的 開 關(guān) ， 每 按 一 次 ， 從Q端 得 到 一 個(gè) 正 脈 沖 ， 將 Q端 接 到 LS175的 CP輸 入 端 ， 則 每 按 一 次 開 關(guān) ， 彩 燈 變 化 一 次 。彩 燈 控 制 器 光 控 開 關(guān) 電 路 參 考 電 路 參 考 電 路 “叮 咚 ” 雙 音 門 鈴 數(shù) 字 信 號(hào) 較 之 模 擬 信 號(hào) 有 很 多 優(yōu) 點(diǎn) ， 因 而 數(shù) 字 電 路 得 到 越 來 越 多 的應(yīng) 用 。 與 、 或 、 非 是 三 種 最 基 本 的 邏 輯 關(guān) 系 ， 用 這 三 種

19、基 本 邏 輯 關(guān) 系 可 以組 成 各 種 復(fù) 雜 的 邏 輯 關(guān) 系 ； 日 常 的 各 種 因 果 關(guān) 系 皆 可 用 邏 輯 關(guān) 系 描 述 ，并 用 數(shù) 字 電 路 來 實(shí) 現(xiàn) ， 這 是 電 子 控 制 系 統(tǒng) 的 基 礎(chǔ) 。 晶 體 三 極 管 (MOS管 )在 開 關(guān) 信 號(hào) 作 用 下 存 在 截 止 和 飽 和 兩 種 輸 出 狀態(tài) ， 等 效 于 一 個(gè) 開 關(guān) ， 可 以 構(gòu) 成 各 種 門 電 路 。 常 用 的 邏 輯 器 件 有 TTL和 CMOS兩 類 ， 它 們 各 有 優(yōu) 、 缺 點(diǎn) ， 應(yīng) 根 據(jù) 對(duì)電 子 控 制 系 統(tǒng) 的 要 求 合 理 地 選 用 。 電 子 控 制 系 統(tǒng) 控 制 （ 處 理 ） 部 分 的 電 路 ， 應(yīng) 在 仔 細(xì) 分 析 控 制 要 求 的基 礎(chǔ) 上 ， 按 照 其 邏 輯 關(guān) 系 來 設(shè) 計(jì) ， 其 中 門 電 路 用 于 實(shí) 現(xiàn) 各 種 邏 輯 關(guān) 系 ，觸 發(fā) 器 用 于 存 儲(chǔ) 數(shù) 據(jù) ， 它 們 是 數(shù) 字 電 路 中 必 不 可 少 的 單 元 電 路 。課 堂 小 結(jié)