这次无线电小组的活动，同学们应用双四位串入-并出移位寄存器集成电路CD4015组装了“反应能力测试器”（图1）。在老师的辅导下，大家一起分析了移位寄存器的工作原理，进一步学习了时序逻辑电路的应用知识。
同学：今天我们第一次使用移位寄存器进行电子制作，请问老师，移位寄存器的逻辑功能是什么呢？
老师：移位寄存器是各种数字系统和计算机中的重要逻辑部件，应用十分广泛：在时钟脉冲的作用下，接收和寄存多位二进制数码，并把数码向右或向左逐个移位。
同学：移位寄存器是怎么组成的呢？
老师：移位寄存器既然能够寄存数码，就需要使用记忆元件——触发器。大家还记得D触发器的逻辑功能吗？
同学：D触发器（图2）有一个数据输入端D，在时钟脉冲CP到来时，触发器把D端的数码（0或1）接收并储存下来，特性方程是Q n+1=D。
老师：对。用一个触发器可以寄存一位二进制数码，如果用N个触发器就能寄存一组N位二进制数码。为了使数码一个接一个地输入，并逐个向右或向左移位，就需要把多个触发器串接起来。现在我给大家介绍一个四位移位寄存器的逻辑电路（图3），可以看到，触发器F1的D1端是数据输入端，F1的输出端Q1接在触发器F2的输入端D2，也就是低位触发器的输出端Q依次连接着高一位触发器的输入端D。这个移位寄存器是采用CP上升沿触发的，R端是清零端，当R=1时，各位触发器全部被置0。移位寄存器输入和输出的关系可以用真值表（表1）表示。下面请一位同学分析一下移位寄存器是怎么接收数码“1101”并进行移位的。
同学：先说说我的想法。根据移位寄存器的逻辑图，四个触发器的清零端R并联后，可以输入置0脉冲使各位触发器清零，输出状态是“0000”，输入数码“1101”时，先在D1端输入1，当第1个CP到来时，F1翻转成Q1=1，F2、F3、F4的输出Q2、Q3、Q4都应该是0。可是说到这里我就不明白了：在这个电路里，各位触发器的CP端是同时输入时钟脉冲的，当Q1变为1后，D2也是1，那么F2的输出Q2也会同时变成1，由于D3=Q2，D4=Q3，Q1～Q4不是都同时变为1了吗？
老师：你提的问题很好。需要告诉大家，对每一位触发器来说，从CP上升沿到来到输出端新状态的建立都需要经历一段“传输延迟时间”，当CP陡峭的上升沿同时作用在所有的触发器时，各个触发器输出端的状态都来不及改变，所以F2接收的是Q1原来的状态0，后续类同。这样，在第1个CP过后，移位寄存器的输出就是Q4Q3Q2Q1=0001。
同学：这回我就明白了。在第2个CP到来时，因为D2=Q1已经变成了1，所以F2接收了数码1，由于触发器存在传输延迟时间，所以Q2仍然是0，CP过后Q2才翻转成1，而Q3=Q4=0，移位寄存器的输出是Q4Q3Q2Q1=0011，数码向右移了一位。直到第4个CP过后，移位寄存器的输出就变成了“1101”。
老师：分析时序逻辑电路常常画出它的波形图（图5），也就是对应着每一个时钟脉冲，输入端和输出端所处的状态，我们称它为时序图。我们所用的移位寄存器可以从Q4、Q3、Q2、Q1端同时输出，称为并行输出。有时也要求移位寄存器从Q4端串行输出，这时只需要再连续输入4个时钟脉冲，就可以从Q4端输出“1101”了。移位寄存器中数码的移动情况也可以用状态转换表（表2）来表示。时序图和状态转换表都是分析时序逻辑电路的重要工具。
同学：今天我们使用的CD4015是一种8位移位寄存器吗？
老师：这倒不是。CD4015的内部包含两个四位移位寄存器（图4），把它们串联起来，就成八位移位寄存器。
同学：您能给我们讲讲“反应能力测试器”的电路原理吗？
老师：能够独立地走通电路图是学习电子技术的基本功。在阅读电路图时，最好先画出它的原理方框图。同学们自己看看这个电路是由哪几部分组成的？
同学：在这个电路里，我们所熟悉的是由或非门3和4组成的基本RS触发器，非门11和12组成的多谐振荡器，CD4015组成的8位移位寄存器，还有由发光二极管VD2～VD9组成的灯光显示电路。
老师：这几部分正是电路的主体。多谐振荡器提供时钟脉冲CP。哪位同学说说这个多谐振荡器的振荡周期是多少？
同学：振荡周期是T=2.2×R15C4=2.2×51×10\(^{3}\)×0.47×10\(^{-}\)6=0.05s，即50ms（参见本刊2001年第2期《门电路及其应用》）。
老师：对。现在同学们自己分析一下“反应能力测试器”的工作原理。
同学：合上电源开关SA时，电容器C1上的电压不能突变，所以A点为低电平0，经过或非门1反相后变成高电平1，作为移位寄存器IC4 2D端的输入信号。与此同时，多谐振荡器开始振荡，产生周期为50ms的时钟脉冲，在CP的作用下，IC4内8个触发器的输出端2Q1～1Q4迅速变成高电平1，分别经过非门3～非门10反相，变成低电平0，使发光二极管VD2～VD9点燃。由于电容器C1的连续充电，开机3～4秒钟后，A点变成高电平，发光二极管VD1点燃，同时IC4的2D=0，在时钟脉冲的作用下，数码0被移位寄存器接收，并自左向右移位，相应的8个发光二极管也将依次熄灭，每熄灭一个要50ms。当观察到VD1点亮的瞬间，迅速按下SB，这时或非门2的两个输入端全是低电平0，它的输出端C变为高电平1，RS触发器复位，VD10导通，时钟停振，IC4瞬间的输出状态就被保持下来。我们在实验时体会到，从VD1被点亮到按下SB的间隔越短，未被熄灭的发光二极管数目就越多，说明测试人员的反应能力越强。
老师：你分析得很好。在这个电路里，R1、C1和或非门1组成了开机延时电路，保证VD2～VD9全部点亮；SB和RS触发器组成了停控电路；或非门2的作用是使SB只能在VD1点亮时才起作用，提前按下是无效的；VD1起着测试信号灯的作用。
（宋东生）