【上海大学数字逻辑实验报告】五、记忆元件测试

一、实验目的

1. 掌握R-S触发器、D触发器和JK触发器的工作原理及其相互转换。
2. 学会用74LS00芯片构成钟控RS触发器。
3. 学会用74LS112实现D触发器
4. 学会在Quartus II上用D触发器实现JK触发器。

二、实验原理

1. 基本R-S触发器是直接复位-置位的触发器，它是构成各种功能的触发器的基本组成部分。基本R-S触发器可由交叉耦合的两个“与非”门组成，如图所示：
   
   其逻辑符号和真值表如下图所示：
   

其特性方程如下所示：

2. 钟控R-S触发器由4个“与非”门组成，其中两个“与非”门构成基本R-S触发器，另外两个“与非”门构成控制电路。在时钟信号没有到来时，不管R、S端输入为何值，触发器的状态保持不变。当时钟信号到来时，R和S的输入就可能使触发器置0或置1。其逻辑电路图和逻辑符号如下图所示：

其真值表如下图所示：

其特性方程如下所示：

3. 由于钟控R-S触发器在时钟信号作用期间，当R、S的输入同时为1时，触发器会出现状态不确定现象，故为使R、S端始终处于互补引入只有单输入端的D触发器。其逻辑功能为：当时钟信号到来时，如果输入D=0，则触发器输出Q=0，即触发器置0；如果输入D=1，则触发器置1，即触发器输出Q=1。而当时钟信号没有到来时，无论D输入何值，触发器保持原来状态不变。其逻辑电路图和逻辑符号如下图所示：

其真值表如下图所示：

其特性方程如下所示：

4. 为了消除钟控R-S触发器输入信号的约束条件，又使触发器有两个输入端，可在钟控R-S触发器中增加两条交叉反馈线，并将输入端S改为J，R改为K，就构成了一个JK触发器，其逻辑电路图和逻辑符号如下图所示：

其真值表如下图所示：

其特性方程如下所示：

5. 74LS122是包含两个下降沿JK触发器的芯片，如图所示：

其中，非同步输入端叫做预置端，叫做清除端，这两个端口能将JK触发器预置为“1”或清除为“0”，而与CP及输入的JK无关。

三、实验内容

实验任务一：用74LS00芯片构成钟控RS触发器

(1) 实验步骤

1. 将74LS00的输入引脚1A和2A分别连接到K16和K15，输入引脚1B和2B同时连接到连续脉冲1H，输出引脚1Y和2Y分别连接到输入引脚4B和3B，输入引脚4A连接到输出引脚3Y，输入引脚3A连接到输出引脚4Y，最后再将输出引脚3Y和4Y分别连接到数码管LED6和LED5，接电接地后所构成的钟控RS触发器图如下所示：

2. 拨动开关，观察数码管的变化，填入钟控RS触发器的输入与输出状态记录表。

(2) 实验现象

1. 当时钟信号没有到来时，不管K16、K15输入为何值，数码管的状态总保持不变。
2. 当时钟信号到来时：

a) 若K16=0，K15=0，则数码管保持原来的状态不变。

b) 若K16=0，K15=1，则数码管置为1状态。

c) 若K16=1，K15=0，则数码管置为0状态

(3) 数据记录、分析与处理

(4) 实验结论

通过74LS00作为搭建平台，我们成功地实现了一个钟控RS触发器。实验结果表明，电路在各种输入条件下都能输入正确的结果，符合预期行为。

实验任务二：用74LS112实现D触发器

(1) 实验步骤

1. 先将74LS00的输入引脚1A和1B同时连接到K15构成一个“非”门，然后将“非”门的输出引脚1Y连接到74LS112的输入引脚1K。
2. 将74LS112的输入引脚1J连接到K15，然后将输入引脚1PRE和1CLR分别连接到K14和K13，将输入引脚1CLK连接到连续脉冲1H，最后再将输出引脚1Q连接到数码管LED6，接电接地后所构成的D触发器图如下所示：

3. 拨动开关，观察数码管的变化，填入D触发器的输入与输出状态记录表。

(2) 实验现象

1. 当时钟信号没有到来时，无论K15输入何值，数码管的状态总保持不变。
2. 当时钟信号到来时：

a) 若K15=0，则数码管置为0状态。

b) 若K15=1，则数码管置为1状态。

(3) 数据记录、分析与处理

(4) 实验结论

通过74LS00和74LS112作为搭建平台，我们成功地实现了一个D触发器。实验结果表明，电路在各种输入条件下都能输入正确的结果，符合预期行为。

实验任务三：在Quartus II上用D触发器实现JK触发器

(1) 实验步骤

1. 用Quartus II设计出如下电路：

2. 编译通过后进行波形仿真，验证电路逻辑功能：

3. 仿真通过后，参照原理图定义引脚：

4. 生成编程并将文件下载到FPGA。
5. 将开关连接对应的输入引脚，输出引脚连接到发光二极管：

6. 用开关和发光二极管测试FPGA的功能。
7. 记录测试结果。

(2) 实验现象

1. 当时钟信号没有到来时，无论K16、K15输入何值，数码管的状态总保持不变。
2. 当时钟信号到来时：

a) 如果K16=0、K15=0，则数码管保持原来的状态不变。

b) 如果K16=0、K15=1，则数码管置为0状态。

c) 如果K16=1、K15=0，则数码管置为1状态。

(3) 数据记录、分析与处理

(4) 实验结论

通过使用Quartus II设计工具，我们成功地用D触发器设计并测试了一个JK触发器。实验结果表明，电路在各种输入条件下都能输入正确的结果，符合预期行为。

四、思考题

(1) 用D触发器实现RS触发器的功能

逻辑表达式：
接线图：

(2) 用D触发器实现T触发器的功能

逻辑表达式：

接线图：

(3) 用JK触发器实现D触发器的功能

逻辑表达式：
接线图：

(4) 用JK触发器实现RS触发器的功能

逻辑表达式：
接线图：

(5) 用JK触发器实现T触发器的功能

逻辑表达式：
接线图：

五、建议和体会

1. 在实验前，要熟悉各种触发器的结构和特性方程。
2. 在实现“非”门时，要注意接地，否则输出会有问题。
3. 连续脉冲无效时，可能是连续脉冲芯片接触不良导致。
4. 本实验有助于各类触发器原理及使用的理解，同时也提供了一个实际的设计和模拟测试经验。为后续进行更复杂的电路设计打下基础。