时序电路的基本单元——触发器(Ⅰ)

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数字电路分组合电路和时序电路两种。组合电路的输出状态仅与该时刻的输入信号有关,如门电路等。时序电路的输出状态不仅与该时刻的输入有关,还与前一时刻的输入有关,如触发器、寄存器、计数器等。

触发器是时序电路的基本单元,它在信号产生、变换和控制电路中有着广泛的应用。CMOS触发器按其结构和工作方式可分为R-S触发器、D型触发器、J-K触发器、单稳态触发器和施密特触发器等五类。本期介绍前两种。

一、R-S触发器

R-S触发器也称复位-置位触发器,是最简单的触发器,它由两个与非门或者或非门交叉连接组成。图1a所示,R为复位端、S为置位端。Q、Q-为两个输出端,当R和S的状态改变时。输出端Q和Q-的状态也随之发生改变,图1b是基本R-S触发器的特性表,从表中可以看出,用或非门构成的R-S触发器中,当R=S=0时,输出状态保持不变,而用与非门构成的R-S触发器中,R-=S--1时,输出状态保持不变。

图1
图1 🔍原图 (488×524)

图2a为同步R-S触发器.门A、门B组成基本R-S触发器,当CP=0,门C、门D输出都是1,故基本R-S触发器的状态不变;当CP=1时,则基本R-S触发器的状态将受R 、S端状态的控制而改变输出状态,图2b是此时的特性表。从表中可以看出,图1b、图2b实质是相同的。

图2
图2 🔍原图 (475×358)

二、D型触发器

D型触发器的符号如图3a所示,它也称为延迟触发器。D型触发器输出状态的改变依赖于时钟脉冲CP的触发作用,即在时钟脉冲触发的上升沿,输入数据由数据端D传输至输出端Q,也就是说,D型触发器的输出状态仅仅取决于时钟脉冲的上升沿到来时数据端D的状态,即CP端由0变为1的瞬间。

图3
图3 🔍原图 (391×308)

D型触发器有一个输入端口D,两个输出端 Q、Q-,CP是它的时钟脉冲输入端。当D=1,则CP由0变1后,Q=1,Q-=0;当D=0,则CP由0变1后,Q=0,Q-=1,图3b为D型触发器的特性表。

附表为CMOSR-S触发器和D型触发器品种一览表。

图4
图4 🔍原图 (697×410)

三、简单应用

1.双闪灯

双闪灯的电路见图4。整机电路由三部分组成,右边为显示部分、中间为双稳态电路,左边为多谐振荡器电路。下面我们来分析各级电路的原理。

图5
图5 🔍原图 (854×338)

在各种控制电路中,常常需要这样一种电子开关,输入一个信号脉冲,开关接通,再输入一个信号脉冲,开关断开,即输入二个信号脉冲,完成一个开关动作,双稳态电路是能够实现这种开关作用的电路。

为什么把这种电路叫双稳态电路呢?因为电路具有二个稳定状态,在输入信号作用下,或者说,在外加信号触发下,电路能够从一个稳定状态迅速地翻转到另一个稳定状态,故称为双稳态电路,图中中间部分就是用D型触发器组成的双稳态电路。

从图中可知,如果我们设原状态为0状态,那么,Q-为1状态,反馈至D为1,但此时CP为0,则输出无变化,成为稳定状态。当时钟脉冲到来由0变1的上升沿瞬间,触发器由于此时输入端D为1状态,根据特性表可知,Q输出端也变为1状态,Q-端变为0状态,反馈至D为0,但此时CP端只要不是处在由0变1的上升沿瞬间,Q端始终为1的稳定状态。当时钟脉冲再次到来由0变1的上升沿瞬间,由于触发器此时输入端D为0状态,Q输出端也马上变为0状态,Q-端变为1状态。从图5的波形图中也能看出整个双稳态电路的工作状态。

图6
图6 🔍原图 (571×204)

双闪灯是由左边的多谐振荡器产生振荡时钟频率来控制双稳态电路的开和关,门A、门B组成多谐振荡器,双稳态电路用D型触发器组成,显示部分由门C、门D和发光二极管VD1和VD2组成。电路工作时,多谐振荡器产生时钟信号,输出端接双稳态电路的CP端。当CP端输入触发信号,Q、Q-端产生相反的两个信号,使VD1和VD2随时钟频率轮换闪亮,但如果我们按下按钮开关SA时,多谐振荡器将停振、双稳态电路稳定,此时,必有一个发光二极管亮、一个发光二极管灭。

多谐振荡器采用CMOS-CC4011四二输入端与非门集成块,双稳态电路采用CMOS-CC4013双D触发器,引脚排列见图6。VD1、VD2可采用φ3mm的发光二极管,SB可用小型按钮开关,也可用小型自锁开关,RP采用可变电阻或小型电位器,用来改变振荡频率。

图7
图7 🔍原图 (343×591)

双闪灯可按图7制作印制电路板,元件焊好后可通电检查,调节电位器RP可改变发光二极管的闪烁频率,按下SB、VD1或VD2将有一只亮一只灭。

图8
图8 🔍原图 (939×622)

2.声控电路

整机方框图和电路图见图8,从方框图中可知,声电转换器把声音信号接收并转变为相应的电信号,但这个信号是相当微弱的,需经音频放大器放大使微弱的电信号变为较强的触发信号,触发单稳态电路翻转在暂稳态信号,使双稳态电路翻转,控制驱动电路,使执行机构动作。声电转换器由拾音头BM组成,音频放大器由三极管VT1组成。当你发出命令后,声音信号由拾音头BM接收并转变为微弱电信号,经C1耦合至VT1组成的放大电路进行放大,单稳态电路和双稳态电路是由一块双D触发器集成块组成,双稳态电路上面已解绍,下面介绍单稳态电路。

图9
图9 🔍原图 (831×591)

R-S触发器可以应用在很多方面。图9是图8中A集成块组成的单稳态电路。从图9中可以看出,当触发信号V\(_{I}\)由0变为1从触发器的S端输入时,输出端Q随之改变为1状态,通过电阻R向电容C充电。这时输入信号如果回到0,在一段时间里输出仍然保持为1状态。当电容充电而电位逐渐上升,一旦达到触发器R端转换电压VTR时,输出即从1状态回复到0状态。这就是单稳态电路在输入信号作用下的工作过程。

图10
图10 🔍原图 (707×250)

执行机构由电阻R6、三极管VT2和继电器K等组成,三极管VT2受双稳态电路的控制,当双稳态电路输出端为0状态时,VT2截止,继电器K释放;双稳态电路输出端为“1”状态时,VT2饱和导通,继电器K吸合。

整机安装在图10的印制电路板上,焊接完成检查无误后即可通电调试。驻极体话筒的好坏,将影响整机的灵敏度,一定要选择较好的话筒。一般当接收到信号时,整机工作,继电器K吸合,再接收到信号;继电器K释放。如果发现电路不能工作,可以逐级调试、检查。调电阻R2,使VT1集电极电流为0.7mA左右,驻极体活筒两端工作电压约1V左右。在继电器K吸合时,VT2集电极电流约为70mA左右。如果都正常,但继电器还不能动作,说明继电器有毛病或集成块有毛病。统调时,我们对着话筒拍手,继电器应随着一次次拍手而吸合、释放。(程国阳)

图11
图11 🔍原图 (693×732)