第 3 章触发器

第3章触发器 Q稳态1 Q稳态2

3.1.2 基本RS触发器 (2) RS触发器的特征表 (1)逻辑电路及逻辑符号非法复位置0 置位置1 保持提示： ——RS 触发器特征 1）全零非法，全1保持。 2）01置零，10置1。（3）RS 触发器的特征方程 R: Reset S: Set （约束条件）触发器输出端状态由 1 变为0 或由0 变为1 称为“翻转”。

(2)基本RS锁存触发器 (1)基本RS触发器（3）RS 触发器的特征方程

CP t tx 2.触发器的触发方式（1）电平控制触发（2）边沿控制触发电平触发

1 1 1 0 0 0 0 3.1.3 各种逻辑功能的触发器 1. T ’触发器边沿触发上升沿触发特征方程: 1 0

3.1.3 各种逻辑功能的触发器 你知道它们分别是什么触发方式吗? 2. T触发器特征方程: 下降沿触发上升沿触发

特征方程: T触发器波形图真值表（特征表）你看出来了吗? 提示： ——T 触发器特征 T 零保持,T 1翻转。

逻辑符号 3. D触发器 D 触发器电路结构想一想它们有什么区别？真值表（特征表） D 触发器波形图提示： ——D 触发器特征跟随 D。特征方程

简化符号 4. JK触发器 JK 触发器电路结构逻辑符号特征方程

特征方程 JK 触发器波形图（图3.15）特征表保持置0 置1 提示： ——J K 触发器特征 1）全零保持，全1翻转； 2）01置零，10置1。翻转

时钟电平触发 上升沿触发主从JK触发器下降沿触发简化符号 ● 主从JK 触发器（电路如下图所示）提示 JK主从触发器还增加了与控制时钟无关的异步置1 和置0端。 ● 主从JK 触发器的逻辑符号

小结 提示： ——T’触发器特征翻转。提示： ——T 触发器特征 T 零保持,T 1翻转。提示： ——RS 触发器特征 1）全零非法，全1保持。 2）01置零，10置1。提示： ——D 触发器特征跟随 D。提示： ——J K 触发器特征 1）全零保持，全1翻转； 2）01置零，10置1。

JK触发器的特征方程 D触发器的特征方程 D CP 3.2 触发器间的相互转换 • JK触发器  D触发器门电路

JK触发器的特征方程 T CP 2. JK触发器 T 、T′触发器 T 触发器的特征方程令J=T，K=T 门电路 1

JK触发器的特征方程 D触发器的特征方程 3. D触发器 JK 触发器

T 触发器的特征方程 D触发器的特征方程 4. D触发器 T 触发器异或 T′触发器

异或同或 1 0 A A A A 同或异或 1 0 A A A A

3.3 触发器的应用 在数字电路中，各种信息都是用二进制这一基本工作信号来表示的，而触发器是存放这种信号的基本单元。由于触发器结构简单，工作可靠，在基本触发器的基础上能演变出许许多多的其他应用电路，因此被广泛运用。特别是时钟控制的触发器为同时控制多个触发器的工作状态提供了条件，它是时序电路的基础单元电路，常被用来构造信息的传输、缓冲、锁存电路及其他常用电路。

D0 D1 D2 D3 3.3.1 寄存器 1. 电路每个触发器都能存储1位二进制信息，因此触发器可用来构成寄存器。图3.22 是四位寄存器。

3.3.2 移位寄存器 1. 电路 0 1 0 1 0 1 1 1 0 1 2. 电路概述在控制时钟的连续作用下，被存储的二进制数（0101）一位接一位地从左向右移动，根据D触发器的特点，当时钟脉冲沿到来时，输出端的状态与输入端状态相同，。所以时钟端CP每来一个脉冲都会引起所有触发器状态向右移动一位，若来4 个时钟脉冲，移位寄存器就存储了4 位二进制信息Q0Q1Q2Q3= 0101。

Q SB，触发器被置0，输出端: SB，触发器被置0，输出端: SA，触发器被置1，输出端: 3.3.3 单脉冲去抖电路 1. 问题的提出实际应用中，有时需要产生一个单脉冲作为开关输入信号，若采用机械式的开关电路会产生抖动现象，并由此引起错误信息。 2. 解决问题 S悬空，触发器保持之前输出 . 于是，在触发器的 Q 端产生一个正脉冲。

3.3.4 分频电路 它实现的是几分频? 1. 电路如何实现四分频？

图3.25（b）倍频电路及波形 2. 倍频电路

1. 概述

1 1 1 3.3.5 555定时器 VCC （1）电路组成 ◆ 分压器 ◆ 比较器C1、C2 ◆ 基本RS 触发器 ◆ 输出缓冲G3 ◆ 集电极开路的放电三极管T Q • • VCC D 0 0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 1 保持 1 1

（2）各引脚作用

1 1 1 D 0 0 0 1 0 1 0 1 0 1 0 1 1 1 保持 1 1 3. 555定时器的应用（1）构成施密特触发器

（c）脉冲幅度鉴别 （b）整形（a）波形变换 ◆ 施密特触发器的用途

（2）555定时器构成多谐振荡器 接入电阻R1、R2及电容C便构成多谐振荡器。

◆ 电路 图3.36a 单稳态触发器图3.36b 波形图（3）555定时器构成单稳态触发器 ▲ 输入端2采用负脉冲触发。平时uI=1。

作业 • 现在可以说单片机是百花齐放，百家争鸣的时期，世界上各大芯片制造公司都推出了自己的单片机，从8位、16位到32位，数不胜数，应有尽有，有与主流C51系列兼容的，也有不兼容的，但它们各具特色，互成互补，为单片机的应用提供广阔的天地。纵观单片机的发展过程，可以预示单片机的发展趋势，大致有： • 1.低功耗CMOS化MCS-51系列的8031推出时的功耗达630mW，而现在的单片机普遍都在100mW左右，随着对单片机功耗要求越来越低，现在的各个单片机制造商基本都采用了CMOS(互补金属氧化物半导体工艺)。象80C51就采用了HMOS(即高密度金属氧化物半导体工艺)和CHMOS(互补高密度金属氧化物半导体工艺)。CMOS虽然功耗较低，但由于其物理特征决定其工作速度不够高，而CHMOS则具备了高速和低功耗的特点，这些特征，更适合于在要求低功耗象电池供电的应用场合。所以这种工艺将是今后一段时期单片机发展的主要途径。 • 2.微型单片化现在常规的单片机普遍都是将中央处理器(CPU)、随机存取数据存储(RAM)、只读程序存储器(ROM)、并行和串行通信接口，中断系统、定时电路、时钟电路集成在一块单一的芯片上，增强型的单片机集成了如A/D转换器、PMW(脉宽调制电路)、WDT(看门狗)、有些单片机将LCD(液晶)驱动电路都集成在单一的芯片上，这样单片机包含的单元电路就更多，功能就越强大。甚至单片机厂商还可以根据用户的要求量身定做，制造出具有自己特色的单片机芯片。此外，现在的产品普遍要求体积小、重量轻，这就要求单片机除了功能强和功耗低外，还要求其体积要小。现在的许多单片机都具有多种封装形式，其中SMD(表面封装)越来越受欢迎，使得由单片机构成的系统正朝微型化方向发展。 • 3.主流与多品种共存现在虽然单片机的品种繁多，各具特色，但仍以80C51为核心的单片机占主流，兼容其结构和指令系统的有PHILIPS公司的产品，ATMEL公司的产品和中国台湾的Winbond系列单片机。所以C8051为核心的单片机占据了半壁江山。而Microchip公司的PIC精简指令集(RISC)也有着强劲的发展势头，中国台湾的HOLTEK公司近年的单片机产量与日俱增，与其低价质优的优势，占据一定的市场分额。此外还有MOTOROLA公司的产品，日本几大公司的专用单片机。在一定的时期内，这种情形将得以延续，将不存在某个单片机一统天下的垄断局面，走的是依存互补，相辅相成、共同发展的道路。((((((((((((((((((((((((((((((((((((((( • 据调查目前我国的单片机从业人员只有140万人。随着社会的发展，单片机的从业人员将更为抢手。据不完全统计，到2010年，我国单片机设计从业人员将达300万人之多。　目前我国单片机设计人才培养途径有三个：一是高校，像北大、清华、浙大、上海交大等。但一个学校一年也就培养百十来人，培养出来的学生还不能马上用，得经过一段时间的培训。二是设计公司自己培养。三是国外留学归来的人才。国家劳动和社会保障部目前推出单片机设计人员职业岗位培训合格证书项目正是迎合单片机市场的需求，解决燃眉之急 • 单片机的主要应用领域 • 由于单片机有许多优点，因此其应用领域之广，几乎到了无孔不入的地步。单片机应用的主要领域有： • 1）智能化家用电器：各种家用电器普遍采用单片机智能化控制代替传统的电子线路控制，升级换代，提高档次。如洗衣机、空调、电视机、录像机、微波炉、电冰箱、电饭煲以及各种视听设备等。 • 2）办公自动化设备：现代办公室使用的大量通信和办公设备多数嵌入了单片机。如打印机、复印机、传真机、绘图机、考勤机、电话以及通用计算机中的键盘译码、磁盘驱动等。 • 3）商业营销设备：在商业营销系统中已广泛使用的电子称、收款机、条形码阅读器、IC卡刷卡机、出租车计价器以及仓储安全监测系统、商场保安系统、空气调节系统、冷冻保险系统等都采用了单片机控制。 • 4）工业自动化控制：工业自动化控制是最早采用单片机控制的领域之一。如各种测控系统、过程控制、机电一体化、PLC等。在化工、建筑、冶金等各种工业领域都要用到单片机控制。 • 5）智能化仪表：采用单片机的智能化仪表大大提升了仪表的档次，强化了功能。如数据处理和存储、故障诊断、联网集控等。 • 6）智能化通信产品：最突出的是手机，当然手机内的芯片属专用型单片机。 • 7）汽车电子产品：现代汽车的集中显示系统、动力监测控制系统、自动驾驶系统、通信系统和运行监视器（黑匣子）等都离不开单片机。 • 8）航空航天系统和国防军事、尖端武器等领域：单片机的应用更是不言而喻。 • 单片机应用的意义不仅在于它的广阔范围及所带来的经济效益。更重要的意义在 • 于，单片机的应用从根本上改变了控制系统传统的设计思想和设计方法。以前采用硬件电路实现的大部分控制功能，正在用单片机通过软件方法来实现。以前自动控制中的PID调节，现在可以用单片机实现具有智能化的数字计算控制、模糊控制和自适应控制。这种以软件取代硬件并能提高系统性能的控制技术称为微控技术。随着单片机应用的推广，微控制技术将不断发展完善。 • 一、单片机技术的发展特点自单片机出现至今，单片机技术已走过了近20年的发展路程。纵观20年来单片机发展里程可以看出，单片机技术的发展以微处理器（MPU）技术及超大规模集成电路技术的发展为先导，以广泛的应用领域拉动，表现出较微处理器更具个性的发展趋势。1.单片机长寿命这里所说的长寿命，一方面指用单片机开发的产品可以稳定可靠地工作10年，20年，另一方面是指与微处理器相比的长寿命。随着半导体技术的飞速发展，MPU更新换代的速度越来越快，以386、486、586为代表的MPU，很短的时间内就被淘汰出局，而传统的单片机如68HC05、8051等年龄已有15岁，产量仍是上升的。这一方面是由于其对相应应用领域的适应性，另一方面是由于以该类CPU为核心，集成以更多I/O功能模块的新单片机系列层出不穷。可以预见，一些成功上市的相对年轻的CPU核心，也会随着I/O功能模块的不断丰富，有着相当长的生存周期。新的CPU类型的加盟，使单片机队伍不断壮大，给用户带来了更多的选择余地。2.8位、16位、32位单片机共同发展这是单片机技术发展的另一个动向。长期以来，单片机技术的发展是以8位机为主的。随着移动通信、网络技术、多媒体技术等高科技产品进入家庭，32位单片机应用得到了长足的发展。以MOTOROLA68k为CPU的32位单片机为例，1997年的销售量达8千万枚。过去认为由于8位单片机功能越来越强，32位机越来越便宜，使16位单片机生存空间有限，而16位单片机的发展无论从品种和产量方面，近年来都有较大幅度的增长。3.单片机的速度越来越快MPU发展中表现出来的速度越来越快是以时钟频率越来越高为标志的。而单片机则有所不同，为提高单片机抗干扰能力，降低噪声，降低时钟频率而不牺牲运算速度是单片机技术发展之追求。一些8051单片机兼容厂商改善了单片机的内部时序，在不提高时钟频率的条件下，使运算速度提高了许多。MOTOROLA单片机则使用了锁相环技术或内部倍频技术使内部总线速度大大高于时钟频率。68HC08单片机使用4.9M外部振荡器而内部时钟达32MHz，而M68K系列32位单片机使用32K的外部振荡频率，内部时钟可达16MHz以上。4.低电压与低功耗自80年代中期以来，NMOS工艺单片机逐渐被CMOS工艺所代替，功耗得以大幅度下降，随着超大规模集成电路技术由3um工艺发展1.5、1.2、0.8、0.5、0.35进而实现了0.2um工艺，全静态设计使时钟频率从直流电到数十MHz任选，都使功耗不断下降。MOTOROLA最近推出任选的M.CORE可在1.8V电压下以50MHz/48 MIPS全速工作，功率约为20mW。几乎所有的单片机都有Wait、Stop等省电运行方式。允许使用的电源电压范围也越来越宽。一般单片机都能在3—6V范围内工作，对电池供电的单片机不再需要对电源采取稳压措施。低电压供电的单片机电源下限已由2.7V降至2.2V、1.8V。0.9V供电的单片机已经问世。5.低噪声与高可靠性技术为提高单片机系统的抗电磁干扰能力，使产品能适应恶劣的工作环境，满足电磁兼容性方面更高标准的要求，各单片机商家在单片机内部电路中采取了一些新的技术措施。如美国国家半导体NS的COP8单片机内部增加了抗EMI电路，增强了“看门狗”的性能。MOTOROLA也推出了低噪声的LN系列单片机。6.OTP与掩膜OTP是一次性写入的单片机。过去认为一个单片机产品的成熟是以投产掩膜型单片机为标志的。由于掩膜需要一定的生产周期，而OTP型单片机价格不断下降，使得近年来直接使用OTP完成最终产品制造更为流行。它较之掩膜具有生产周期短、风险小的特点。近年来，OTP型单片机需量大幅度上扬，为适应这种需求许多单片机都采用了在片编程技术（In system Programming）。未编程的OTP芯片可采用裸片Bonding技术或表面贴装技术，先焊在印刷板上，然后通过单片机上的编程线、串行数据、时钟线等对单片机编程，解决了批量写OTP芯片时容易出现的芯片与写入器接触不好的问题，使OTP的裸片得以广泛应用，降低了产品的成本。编程线与I/O线共用，不增加单片机的额外引脚。而一些生产厂商推出的单片机不再有掩膜型，全部为有ISP功能的OTP。7.MTP向OTP挑战MTP是可多次编程的意思。一些单片机厂商以MTP的性能、OTP的价位推出他们的单片机，如ATMEL AVR单片机，片内采用FLASH，可多次编程。华帮公司生产的8051兼容的单片机也采用了MTP性能，OTP的价位。这些单片机都使用了ISP技术，等安装到印刷板线路板上以后再下载程序。二、单片机的广泛选择1.MOTOROLA单片机MOTOROLA是世界上最大的单片机厂商。品种全、选择余地大、新产品多是其特点，在8位机方面有68HC05和生级产品68HC08，68HC05有30多个系列，200多个品种，产量已超过20亿片。8位增强型单片机68HC11也有30多个品种，年产量在1亿片以上。生级产品有68HC12。16位机68HC16也有十多个品种。32位单片机的683XX系列也有几十个品种。近年来，以PowerPC、Coldfire、M.CORE等为CPU，将DSP未为辅助模块集成的单片机也纷纷推出，目前仍是单片机的首选牌品。MOTOROLA单片机特点之一是在同样速度下所用的时钟频率较Intel类单片机低得多，因而使得高频噪声低、抗干扰能力强，更适合用于工控领域及恶劣的环境。MOTOROLA8位单片机过去的策略是以掩膜为主，最近推出OTP计划以适应单片机发展趋势，在32位机上，M.CORE在性能和功耗方面都胜过ARM7。2.Microchip单片机Microchip单片机是市场份额增长最块的单片机。它的主要产品是16C系列8位单片机，CPU采用RISC结构，仅33条指令，运行速度快，且以低价位著称，一般单片机价格都在一美元以下。Microchip单片机没有掩膜产品，全都是OTP器件（近年已推出FLASH型单片机——编者注）。Microchip强调节约成本的最优化设计，使用量大、档次低、价格敏感的产品。3.Scenix单片机Scenix单片机的I/O模块有新意。I/O模块的集成与组合技术是单片机技术不可缺少的重要方面。除传统的I/O功能模块如并行I/O、URT、SPI、I2C、A/D、PWM、PLL、DTMF等，新的I/O模块不断出现，如USB，CAN、J1850，最具代表性的是MOTOROLA32位单片机，它集成了包括各种通信协议在内的I/O模块，而Scenix单片机在I/O模块的处理上引入虚拟I/O的新概念。Scenix采用了RISC结构的CPU，使CPU最高工作频率达50MHz。运算速度接近50MIPS。有了强有力的CPU，各种I/O功能便可以用软件的办法模拟。单片机的封装采用20/28引脚。公司提供各种I/O的库函数，用于实现各种I/O模块的功能。这些用软件完成的模块包括多路UART、多种A/D、PWM、SPI、DTMF、FSK、LCD驱动等，这些都是通常用硬件实现起来也相当复杂的模块。4.NEC单片机NEC单片机自成体系，以8位单片机78K系列产量最高，也有16位、32位单片机。16位以上单片机采用内部倍频技术，以降低外时钟频率。有的单片机采用内置操作系统。NEC的销售策略著重于服务大客户，并投入相当大的技术力量帮助大客户开发产品。5.东芝单片机东芝单片机的特点从4位机到64位，门类齐全。4位机在家电领域仍有较大的市场。8位机主要有870系列、90系列等，该类单片机允许使用慢模式，采用32K时钟时功耗低至10uA数量级。CPU内部多组寄存器的使用，使得中断响应与处理更加快捷。东芝的32位单片机采用MIPS3000ARISC的CPU结构，面向VCD、数字相机、图像处理等市场。6.富士通单片机富士通也有8位、16位和32位单片机，但8位机使用的是16位机的CPU内核。也就是说8位机与16位机所用的指令相同，使得开发比较容易。8位单片机有著名的MB8900系列，16位机有MB90系列。富士通公司注重于服务大公司、大客户，帮助大客户开发产品。7.Epson单片机Epson公司以擅长制造液晶显示器著称，故Epson单片机主要为该公司生产的LCD配套。其单片机的特点是LCD驱动部分做得特别好。在低电压、低功耗方面也很有特点。目前0.9V供电的单片机已经上市，不久的将来，LCD显示的手表类单片机将使用0.5V供电。8.8051单片机最早由Intel公司推出的8051/31类单片机也世界上用量最大的几种单片机之一。由于Intel公司在嵌入式应用方面将重点放在186、386、奔腾等与PC类兼容的高档芯片的开发上，8051类单片机主要由Philips、三星、华邦等公司接产。这些公司都在保持与8051单片机兼容的基础上改善了8051许多特点（如时序特性）。提高了速度、降低了时钟频率，放宽了电源电压的动态范围，降低了产品的价格。9.Zilog单片机Z8单片机是Zilog公司的产品，采用多累加器结构，有较强的中断处理能力。产品为OTP型，Z8单片机的开发工具可秤价廉物美。Z8单片机以低价位的优势面向低端应用，以18引脚封装为主，ROM为0.5-2k。最近Zilog公司又推出了Z86系列单片机，该系列内部可集成廉价的DSP单元。10.NS单片机COP8单片机是美国国家半导体公司的产品，该公司以生产先进的模拟电路著称，能生产高水平的数字模拟混合电路。COP8单片机片内集成了16位A/D，这是单片机中不多见的。COP8单片机内部使用了抗EMI电路，在看门狗电路以及STOP方式下单片机的唤醒方式上都有独到之处。此外，COP8的程序加密控制也做得特别好。11.三星单片机三星单片机有KS51和KS57系列4位单片机，KS86和KS88系列8位单片机，KS17系列16位单片机和KS32系列32位单片机。三星单片机为OTP型ISP在片编程功能。三星公司以生产存储器芯片著称，在存储器的市场供大于求的形式下，涉足参与单片机的竞争。三星公司在单片机技术上引进消化发达国家的技术，生产与之兼容的产品，然后以价格优势取胜。例如在4位机上采用NEC的技术，8位机上引进Zilog公司Z8的技术，在32位机上购买了ARM7内核，还有DEC的技术、东芝的技术等。其单片机裸片的价格相当有竞争力。12.华邦单片机华邦单片机属8051类单片机，它们的W78系列与标准的8051兼容，W77系列位增强型51系列，对8051的时序作了改进。同样时钟频率下速度提高了2.5倍，FLASH容量从4k到64k，有ISP功能。在4位单片机方面华邦有921系列带LCD驱动的741系列。在32位机方面，华邦使用了惠普公司PA-RISC单片机技术，生产低位的32位RISC单片机。三、结束语以上提到的单片机厂商是进入中国市场的单片机厂商的一部分，还有很多著名的单片机制造商如三菱、日立、TI等本文没有提到。总体上看，美国著名公司的单片机技术仍处于领先的地位，特别是在高端产品方面，高性能的单片机新产品不断推出。而日本在单片机制造业方面也有相当的优势，也在积极争夺家电产品的大客户。韩国及我国台湾省的一些公司在引进消化美国技术的基础上，以低价位的兼容产品抢占中国市场。而至今还没有一家中国大陆的公司能在如此浩大的单片机市场上占有一席之地，这不能不说是我国电子工业的悲哀。另一方面，如此琳琅满目、让人眼花缭乱的单片机品种，着实给单片机应用的工程师提供了巨大的选择空间。这么多种单片机能进入中国市场，这一事实就说明了我们的应用工程师已经能够综合各类单片机的性能、价格等方面的因素，并结合实用对象进行选择。较过去以剖析、复制外国产品为主的思路有了相当的改进。随着我国经济实力的增长，开发新产品的思路上过去那种过多注重价格因素而使新产品开发上不了档次的弱点有所改善，开始注意使用当前最先进的单片机开发高档次产品。由于单片机的开发手段目前仍以仿真器为主，公司能否提供廉价的仿真器，提供方便的技术服务与培训，较之能否提供高性能、低价位的单片机有着同等重要性。各单片机厂商在开发工具以及技术服务方面也进行着激烈的竞争，这种竞争与推出新型的单片机以显示高技术方面的优势是相辅相成的。竞争的结果是为单片机应用工程师提供更广阔的选择空间，而最终受益的是单片机产品的消费者。由于单片机对各行各业都有用，这种电子技术的进步导致各行各业的进步，也带动了人类文明的进步。 • 日期：2005-3-23

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