触发器-JK触发器-CD4027-五路灯光控制器

这次无线电小组的活动是用一块CMOS集成电路双JK触发器CD4027（图1）组装“五路灯光控制器”。制作完成后，老师解答了同学们提出的有关JK触发器应用方面的问题，并辅导大家进一步学习时序逻辑电路的分析方法。同学：老师，上次活动您引导我们分析了RS触发器和D触发器。您通过聊天的方式传授新的知识，给我们留下了很深的印象，使我们对数字电路产生了浓厚的兴趣。今天的制作又使用了JK触发器，我们还想进一步了解这种触发器的结构特点和它的功能，需要得到您的帮助。老师：大家通过动手做、提问题和共同讨论，对数字电路开始入了门，我很高兴。今天使用的JK触发器是一种多功能触发器（图2），它有两个数据输入端J和K，仍然是在时钟脉冲CP到来时接收输入端的信息，此外，也设置了直接置0端Rd和直接置1端Sd。CMOS型JK触发器的内部电路并不复杂，只是在CMOS型D触发器电路（参见本刊2001年第5期“电子聊天室”）的前面增加了由两个或非门和一个与门组成的转换电路（图3），就把一个D触发器变成了JK触发器。咱们先来分析它的转换电路吧。你们说说，这是一个组合逻辑电路，还是一个时序逻辑电路呢？同学：我看它是一个组合逻辑电路。我还清楚地记得您讲过的组合逻辑电路的特点，这就是“电路输出端的状态完全由输入端的状态决定，不受系统中时钟脉冲的控制”。老师：说得对。我还是想让同学们自己分析。现在大家都来推算一下，然后请一位同学说说转换电路输出和输入的逻辑关系。同学：这个电路用了一个或非门G1和一个与门G2来作接收门，触发器Q端的状态分别反馈到两个门的输入端，或非门G1的另一个输入端是J端，与门G2的另一个输入端是K端。根据门电路的逻辑功能，或非门G1的输入数据为J和Q，它们先后进行逻辑加和逻辑非的运算后，输出的就是J+Q；与门G2的输入数据为K和Q，经过逻辑乘的运算，它的输出就是K·Q。这两个门的输出作为或非门G3的输入，先后经过逻辑加和逻辑非的运算，它的输出就是J+Q+K·Q，不知道对不对？老师：回答得很好。门电路就如同是一块电子积木，熟悉了各种门电路的逻辑功能，分析各种复杂的逻辑电路就比较容易了。好，再回到电路图（图3）上来，可以看到，转换电路的输出就是D触发器的输入，所以D端输入的逻辑变量就是D=J+Q+K·Q。这个式子很重要，利用它就能进一步推导出JK触发器的全部逻辑功能。大家还记得D触发器的逻辑功能吗？同学：在D端输入数据，等到时钟脉冲上升沿到来时，输出端Q的状态就是D端的状态。老师：是这样。在分析时序逻辑电路的时候，我们常把时钟脉冲到来前Q端的状态称为触发器的现态，用Qn表示；把时钟脉冲过后Q端的状态叫做触发器的次态，用Q_n+1表示。这样，D触发器的逻辑功能就可以表示成Q_n+1=D，这种表达式称为特性方程。现在，请大家都来思考一下，D触发器与转换电路组合起来形成的JK触发器的逻辑功能是什么？我可以给大家一点提示，J端和K端的输入数据可以是0，也可以是1，这样，整个触发器就有四种不同的输入状态，就是J1K0、J0K1、J0K0和J1K1；再者，推导逻辑关系要运用简单的逻辑代数。同学：我就按J、K端四种不同的输入状态用逻辑代数一个个地推算吧。当J=1、K=0时，或非门G1的输出是J+Qn=1+Qn=0，与门G2的输出是K·Qn=0·Qn=0，这样，或非门G3的两个输入端都是0，输出端就是D=1，时钟脉冲过后Q_n+1=1，触发器被置1；当J=0、K=1时，G1的输出为J+Qn=0+Qn=Qn，G2的输出是J·Qn=1·Qn=Qn，这样，G3的输出就是D=Qn+Qn，因为Qn与Qn中总会有一个是1，所以，经过逻辑加再反相后得到D=0，时钟脉冲过后，Qn+1=0，触发器被置0；当J=0、K=0时，G1的输出是Qn，G2的输出是0，G3的输出就是D=Qn+0=Qn=Qn，也就是D=Qn，于是时钟脉冲过后Qn+1=Qn，触发器的状态保持不变；当J=1、K=1时，G1的输出为0，G2的输出为Qn，G3的输出为D=0+Qn=Qn，也就是说，时钟脉冲过后，Q_n+1=Qn，触发器的状态发生翻转。老师：对，就是按这样的思路进行推导，不知道大家都弄清楚没有？把这位同学推导的结果列成表格（附表），就可以直观地了解JK触发器的逻辑功能。把它的功能编成一个口诀就是“J1K0，输出为1；J0K1，输出为0；J0K0，输出不变；J1K1，分频计数”。关于分频和计数的功能，后面我们还会讲解。同学：我想知道，为什么管它叫JK触发器呢？老师：说起来很有意思。我还是在国外资料上看到过一种说法。大家知道，在扑克牌中，J代表王子，K代表国王，JK触发器就是王牌触发器。这是因为它的功能比较完善，既能置0和置1，又能分频和计数，还可以保持原状态不变。所以，这种触发器的应用十分广泛。同学：今天我们组装的“五路灯光控制器”（图4）电路中，两个JK触发器IC2-1、IC2-2，都把J端和K端连在一起，固定接在电源GB的正端，也就是J=K=1，它们是不是都工作在分频计数状态呢？老师：是这样。JK触发器的J端和K端连在一起接高电平，每来一个时钟脉冲CP，触发器的状态就要翻转一次，进入了计数状态，成为T触发器—计数触发器。大家知道，CMOS型T触发器是在CP脉冲的上升沿（即CP=1）到来时，输出端的状态发生翻转（Qn+1=Qn），如果输入时钟脉冲是方波，那么，每输入两个时钟脉冲CP1，Q1端就产生一个时钟脉冲（图5），输出脉冲的频率是输入脉冲频率的1/2，这就实现了二分频。把IC2-1Q1端的输出，作为IC2-2的时钟脉冲CP2，那么，Q2端输出脉冲的频率就是输入时钟脉冲CP1的1/4，实现了四分频。大家明白了吗？同学：明白了。老师：下面我们一起继续分析“五路灯光控制器”电路。我先问你们，555定时器IC1在这里组成的是什么电路呢？同学：根据以前学过的555定时器的应用电路（注：参见本刊2000年第11期第42页），我认为它是一个多谐振荡器，在③脚输出的是方波信号。老师：对。555定时器组成的多谐振荡器正是触发器IC2-1的时钟脉冲CP1的信号源。好，请同学们继续分析。同学：555电路③脚输出的时钟脉冲为低电平时，发光二极管VD1正向偏置而发光，输出为高电平时，VD1反向偏置而熄灭。触发器IC2-1的两个输出端Q1和Q1，总是一个为高电平“1”时，另一个为低电平“0”（图6）。当某个输出端输出高电平时，与它相连的三极管导通，相应的发光二极管点燃。这样，VD2和VD3交替发光。由于它对CP1来说是一个二分频器，所以，发光二极管点燃的时间是VD1的一倍；同理，IC2-2输出端所接的发光二极管VD4、VD5也是交替发光，只不过点燃的时间又是VD2或VD3的一倍。五个发光二极管组成了有趣的交替发光电路。老师：分析得很好。我再出个题目让大家思考。有一个JK触发器，想要把它改变成D触发器，需要什么样的转换电路呢？同学：一时还想不出来，您给我们提示一下好吗？老师：不要紧，学习数字电路就像搭积木一样，多练习，多动脑筋，慢慢就能运用自如了。其实，各种触发器都能相互转换，只需把握住各触发器的逻辑功能，通过外接门电路就能实现相互转换。你们再想想。同学：D触发器的逻辑功能是Qn+1=D，也就是在时钟脉冲到来时，触发器将接收D端的状态，并储存在Q端。JK触发器有J、K两个输入端，在它的逻辑功能中有“J1K0，输出为1；J0K1，输出为0”，这就是说，JK触发器J端和K端输入的数据相反才能存储0或1。如果把J端作为输入端D，也就是D=J，再把J通过一个非门接在K端（图7），就可以得到D=J=1时，K=J=0，实现了Qn+1=D=1；在D=J=0时，K=J=1，就可以得到Qn+1=D=0，JK触发器也就转换成了D触发器。（宋东生）