基于去抖動的JK觸發(fā)器實驗設(shè)計

孫玲姣　黃勇　向麗萍

摘 要： JK觸發(fā)器是一種功能完善且應(yīng)用很廣泛的觸發(fā)器。在實驗中，JK觸發(fā)器實驗雖然用Protues軟件仿真能順利完成，但是在實驗箱上連接電路卻不能得到預(yù)期的正確結(jié)果，這是開關(guān)抖動造成的。在此引入一種改進(jìn)的電路：在時鐘信號產(chǎn)生電路中引入由基本RS鎖存器構(gòu)成的去抖動電路，其可以有效地消除觸點(diǎn)抖動造成的實驗結(jié)果錯誤和誤觸發(fā)，得到與理論完全一致的結(jié)果。

關(guān)鍵詞： Protues 軟件； JK觸發(fā)器； 時鐘信號； 去抖動電路

中圖分類號： TN710?34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2016）04?0128?04

Abstract： The JK flip?flop is a trigger with perfect function and wide application. The experiment of JK flip?flop can be completed by Protues software simulation， but to connect the circuit on experimental box cant obtain a correct result because of the switch bouncing. An improved circuit is introduced， in which the debouncing circuit composed of basic RS latch is brought in the clock signal generating circuit. This circuit can effectively eliminate the wrong experimental results and false triggering caused by contactor bouncing. The experimental result is completely in accord with the theory value.

Keywords： Protues software； JK flip?flop； clock signal； debouncing circuit

電子技術(shù)對電子、電氣等專業(yè)而言是一門實踐性較強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課，因此是一門重要課程[1]。為了使學(xué)生能更好地掌握該門課程，在電子技術(shù)實驗教學(xué)過程中通常采用軟件仿真或在硬件實驗設(shè)備上連接電路進(jìn)行實驗。仿真軟件主要選用Protues[2]，因為與Protel等仿真軟件相比較Protues具有較突出的優(yōu)點(diǎn)，比如：對計算機(jī)配置要求不高，學(xué)校的計算機(jī)完全可以滿足要求；電路仿真完全是交互的，支持?jǐn)?shù)字電路和模擬電路混合仿真，對于單片機(jī)的程序也支持仿真，有各種虛擬儀器，能實現(xiàn)可視化；支持與Keil C軟件聯(lián)調(diào)等[3]。硬件實驗設(shè)備采用DJ?SD6電子技術(shù)實驗箱，后面文中所說實驗箱均指這種設(shè)備。

在電子技術(shù)課程的實驗項目中，多數(shù)實驗項目用Protues仿真和硬件仿真都能順利完成，但是極少數(shù)實驗項目卻不能，比如觸發(fā)器RS，JK，T，D這個實驗項目。這個實驗項目屬于驗證性的實驗，雖然用軟件仿真能順利完成，但是用硬件電路卻不能得到預(yù)期的正確結(jié)果。出現(xiàn)這種情況的原因主要是因為在用邏輯電平輸入開關(guān)產(chǎn)生時序信號時，在信號的邊沿處出現(xiàn)抖動。在RS，JK，T，D這幾種觸發(fā)器中[4?7]，JK觸發(fā)器是一種功能完善，應(yīng)用很廣泛的雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器，由它可以構(gòu)成具有固定功能的集成電路。因此本文將以JK觸發(fā)器為例逐步介紹其實驗原理、通常采用的實驗線路和改進(jìn)的去抖動實驗電路。

1 實驗項目原理

JK觸發(fā)器是數(shù)字電路觸發(fā)器中的一種電路單元[8]，其特性方程如下公式（1）：

[Qn+1=JQn+KQn] （1）

式中：J和K 為數(shù)據(jù)輸入端，是觸發(fā)器狀態(tài)更新的依據(jù)；[Qn]和[Qn+1]分別為電路的現(xiàn)態(tài)和次態(tài)。在各類集成觸發(fā)器中，JK觸發(fā)器的功能是最齊全的，它具有置0、置1、保持和翻轉(zhuǎn)等功能，其功能表可總結(jié)如表1所示。其中[SD]為直接置位端；[CD]為直接復(fù)位端；[CP]為時鐘信號端；在表1中的符號“↓”表示時鐘的下降沿；表1中的“×”表示無關(guān)項，既表示可以取高電平“H”對應(yīng)的邏輯值“1”，也可以取低電平“L”對應(yīng)的邏輯值“0”。在實際的電路中，JK觸發(fā)器不僅有很強(qiáng)的通用性，而且能靈活地轉(zhuǎn)換為其他類型的觸發(fā)器[9]，比如：由JK觸發(fā)器可以構(gòu)成D觸發(fā)器、T觸發(fā)器和T′觸發(fā)器等，另外還常用于分頻電路中產(chǎn)生分頻信號[10]。

2 常用的實驗線路及結(jié)果問題分析

2.1 常用的實驗線路

集成JK觸發(fā)器有TTL系列和CMOS系列芯片，TTL系列中有74LS73，74LS76，74LS103，74LS112和74LS114等，CMOS系列中有7HC72，74HC76，74HC103，74HC112和CD4027等。本文中采用芯片74LS112。74LS112是一款對時鐘信號的脈沖下降沿觸發(fā)的雙JK邊沿觸發(fā)器芯片。在觸發(fā)器實驗中，為了在實驗箱上驗證74LS112是下降沿觸發(fā)的雙JK觸發(fā)器，通常采用邏輯電平輸入開關(guān)來得到一個上升沿或下降沿給時鐘信號端，即將邏輯電平輸入開關(guān)從“H”撥到“L”瞬間獲得一個下降沿“↓”，將邏輯電平輸入開關(guān)從“L”撥到“H”瞬間獲得一個上升沿“↑”。為了便于觀察以及結(jié)合前面的實驗原理，具體的實驗線路通常設(shè)計如圖1所示。圖1中的SWCP是為JK觸發(fā)器時鐘信號端提供信號的邏輯電平輸入開關(guān)，邏輯電平輸入開關(guān)SWS和SWR分別接JK觸發(fā)器的直接置位端[SD]和直接復(fù)位端[CD]，邏輯電平輸入開關(guān)SW1和SW2分別接JK觸發(fā)器的數(shù)據(jù)輸入端J和K，發(fā)光二極管D1和D2分別接觸發(fā)器的輸出端[Q]和[Q]，當(dāng)相應(yīng)的發(fā)光二極管被點(diǎn)亮?xí)r，表示對應(yīng)的端子輸出高電平，反之，輸出為低電平。

2.2 實驗結(jié)果問題分析

按照圖1用Protues仿真時，可以方便地通過SW1，SW2，SWS，SWR改變J，K，[SD]，[CD]的邏輯值，當(dāng)開關(guān)撥在上方時，它們?nèi)∵壿嬛?，撥在下方時，邏輯值取0；通過開關(guān)SWCP改變時鐘信號，將開關(guān)SWCP由上撥下瞬間產(chǎn)生有效下降觸發(fā)沿“↓”，由下?lián)苌袭a(chǎn)生無效上升觸發(fā)沿“↑”。

實驗內(nèi)容主要分為兩部分：

（1） JK觸發(fā)器的直接置位、直接復(fù)位功能測試

將[SD]端、[CD]端分別按表1中的第2行和第3行的取值組合撥好開關(guān)，將J，K，[CP]端的開關(guān)隨意撥動，觀察Q端顯示的高低電平，比較發(fā)現(xiàn)仿真結(jié)果和表1中對應(yīng)的結(jié)果一致。并且可以看出JK觸發(fā)器的輸出狀態(tài)完全決定于[SD]端和[CD]的取值，而不受J，K，[CP]的影響。

（2） JK觸發(fā)器的邏輯功能測試

從表1的第四行開始，將[SD]端、[CD]端都撥到高電平的位置，即[SD=1]和[CD=1]。按表1的要求改變[CP]，J，K的狀態(tài)，觀察Qn及Qn+1的顯示。仿真時，須在時鐘信號的下降沿來之前將[CP]、J，K和Qn的狀態(tài)準(zhǔn)備好， 具體操作為：先將[CP]端撥在高電平位置（為產(chǎn)生下降沿做準(zhǔn)備），再將J，K按表1撥好，接著通過[SD]端和[CD]端的直接置位和直接復(fù)位功能將現(xiàn)態(tài)Qn在Q端置為相應(yīng)的狀態(tài)，再將[SD]端和[CD]端都還原到高電平的位置，最后將[CP]從高電平位置往低電平撥，這時候再觀察Q端的輸出即為次態(tài)Qn+1的狀態(tài)。觀察看出仿真結(jié)果和表1中對應(yīng)結(jié)果一致。在時鐘信號的上升沿來之前將[CP]，J，K和Qn的狀態(tài)準(zhǔn)備好，先將[CP]端撥在低電平位置（為產(chǎn)生上升沿做準(zhǔn)備），J，K和Qn的狀態(tài)按前面的步驟準(zhǔn)備好，最后將[CP]從低電平位置往高電平撥，再觀察Q端的輸出可以看出次態(tài)Qn+1的狀態(tài)都沒有改變。這也可以看出74LS112是下降沿觸發(fā)的JK觸發(fā)器。

但是在實驗箱上操作時，會碰到兩方面的問題而得不到正確的結(jié)果。這兩方面的問題分別為：一是當(dāng)JK觸發(fā)器直接置位端[SD=1]、直接復(fù)位端[CD=1，]J=1，K=1時，用邏輯電平輸入開關(guān)產(chǎn)生一個有效的下降沿給時鐘輸入端，觸發(fā)器的輸出端通常會出現(xiàn)比正常亮度暗的一閃的現(xiàn)象，而輸出端的狀態(tài)并沒有發(fā)生翻轉(zhuǎn)；二是邊沿型觸發(fā)器在非有效邊沿常會出現(xiàn)誤觸發(fā)的情況，即在時鐘為上升沿時，也會使觸發(fā)器的輸出端狀態(tài)改變。而造成用實驗箱操作時出現(xiàn)的這兩方面問題的原因是邏輯電平開關(guān)SWCP在往上撥或往下?lián)艿乃查g，觸點(diǎn)由于機(jī)械彈性而在短時間內(nèi)出現(xiàn)多次接通和斷開，即抖動現(xiàn)象。為了避免開關(guān)抖動對實驗結(jié)果的影響，雖然可以用單脈沖信號，但不能讓學(xué)生更好地了解去開關(guān)抖動的原理，掌握去抖動電路的具體設(shè)計及應(yīng)用。因此本文后面將介紹對實驗電路進(jìn)行的改進(jìn)。

3 去抖動的JK觸發(fā)器電路

通過前面介紹可知：在實驗箱上不能驗證出表1的結(jié)果的原因是圖1中的開關(guān)SWCP在撥動時在時鐘信號端有抖動。為了防止開關(guān)抖動對電路的影響，本文在時鐘產(chǎn)生電路中引入了由基本RS鎖存器構(gòu)成的去抖動電路，它是利用基本RS鎖存器的保持功能消除開關(guān)觸點(diǎn)振動造成的影響，電路如圖2左邊所示。在圖2中，去抖動的基本RS鎖存器主要是由兩個電阻、一個邏輯電平輸入開關(guān)和芯片74LS00中的兩個與非門構(gòu)成。

基本RS鎖存器的工作過程為：當(dāng)開關(guān)SWCP由上撥下的過程中，活動端脫離上端懸空時，與非門U1的輸入端1為1，輸入端2為0，U1的輸出仍然保持為1；當(dāng)活動端和下端第一次碰觸時，與非門U2的輸入端2為0，U2輸出為1，此時U1的兩個輸入端均為1，U1輸出立即由1翻轉(zhuǎn)為0。此后，即使觸點(diǎn)抖動造成U2的輸入端2出現(xiàn)1，0的跳變也不會改變U1的輸出，這樣時鐘信號形成一個穩(wěn)定的下降沿。根據(jù)電路的對稱性，開關(guān)SWCP由下?lián)苌?，在時鐘信號端可以形成一個穩(wěn)定的上升沿。這樣就消除了因開關(guān)抖動造成的誤觸發(fā)和錯誤結(jié)果。以上過程可總結(jié)如表2所示，其中將U1的輸入端1標(biāo)為R，U2的輸入端2標(biāo)為S，U1的輸出端標(biāo)為[QU1]。

當(dāng)開關(guān)SWCP由上撥下時，在時鐘信號端形成一個穩(wěn)定的下降沿，JK觸發(fā)器的輸出發(fā)生翻轉(zhuǎn)，發(fā)光二極管D1由亮轉(zhuǎn)熄滅，發(fā)光二極管D2由熄滅轉(zhuǎn)亮，如圖3（a）所示；當(dāng)開關(guān)SWCP由下?lián)苌蠒r，在時鐘信號端可以形成一個穩(wěn)定的上升沿，因上升沿不是有效的觸發(fā)沿，所以JK觸發(fā)器的輸出不變，發(fā)光二極管D1仍然熄滅，發(fā)光二極管D2仍然為亮，如圖3（b）所示；接著又將開關(guān)SWCP由上撥下時，在時鐘信號端又形成一個穩(wěn)定的下降沿，JK觸發(fā)器的輸出又發(fā)生翻轉(zhuǎn)，發(fā)光二極管D1由熄滅轉(zhuǎn)亮，發(fā)光二極管D2由亮轉(zhuǎn)熄滅，如圖3（c）所示。通過圖3（a）和圖3（c），可以看出仿真結(jié)果驗證了表1中JK觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)功能，同時通過圖3（a）、圖3（b）和圖3（c）驗證了74LS112是時鐘下降沿觸發(fā)的觸發(fā)器。

4 結(jié) 語

在JK觸發(fā)器電路中，采用在時鐘產(chǎn)生電路中引入由基本RS鎖存器構(gòu)成的去抖動電路，可以有效地消除由于觸點(diǎn)抖動造成的實驗結(jié)果的錯誤和誤觸發(fā)。讓學(xué)生更好地了解觸發(fā)器的概念和開關(guān)抖動對實驗結(jié)果的影響，掌握觸發(fā)器在實際電路中的應(yīng)用及如何消除抖動的影響。

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