一、實驗目的

1. 掌握R-S觸發器、D觸發器和JK觸發器的工作原理及其相互轉換。
2. 學會用74LS00芯片構成鐘控RS觸發器。
3. 學會用74LS112實現D觸發器
4. 學會在Quartus II上用D觸發器實現JK觸發器。

二、實驗原理

1. 基本R-S觸發器是直接復位-置位的觸發器，它是構成各種功能的觸發器的基本組成部分。基本R-S觸發器可由交叉耦合的兩個“與非”門組成，如圖所示：
   
   其邏輯符號和真值表如下圖所示：
   

其特性方程如下所示：

2. 鐘控R-S觸發器由4個“與非”門組成，其中兩個“與非”門構成基本R-S觸發器，另外兩個“與非”門構成控制電路。在時鐘信號沒有到來時，不管R、S端輸入為何值，觸發器的狀態保持不變。當時鐘信號到來時，R和S的輸入就可能使觸發器置0或置1。其邏輯電路圖和邏輯符號如下圖所示：

其真值表如下圖所示：

其特性方程如下所示：

3. 由于鐘控R-S觸發器在時鐘信號作用期間，當R、S的輸入同時為1時，觸發器會出現狀態不確定現象，故為使R、S端始終處于互補引入只有單輸入端的D觸發器。其邏輯功能為：當時鐘信號到來時，如果輸入D=0，則觸發器輸出Q=0，即觸發器置0；如果輸入D=1，則觸發器置1，即觸發器輸出Q=1。而當時鐘信號沒有到來時，無論D輸入何值，觸發器保持原來狀態不變。其邏輯電路圖和邏輯符號如下圖所示：

其真值表如下圖所示：

其特性方程如下所示：

4. 為了消除鐘控R-S觸發器輸入信號的約束條件，又使觸發器有兩個輸入端，可在鐘控R-S觸發器中增加兩條交叉反饋線，并將輸入端S改為J，R改為K，就構成了一個JK觸發器，其邏輯電路圖和邏輯符號如下圖所示：

其真值表如下圖所示：

其特性方程如下所示：

5. 74LS122是包含兩個下降沿JK觸發器的芯片，如圖所示：

其中，非同步輸入端叫做預置端，叫做清除端，這兩個端口能將JK觸發器預置為“1”或清除為“0”，而與CP及輸入的JK無關。

三、實驗內容

實驗任務一：用74LS00芯片構成鐘控RS觸發器

(1) 實驗步驟

1. 將74LS00的輸入引腳1A和2A分別連接到K16和K15，輸入引腳1B和2B同時連接到連續脈沖1H，輸出引腳1Y和2Y分別連接到輸入引腳4B和3B，輸入引腳4A連接到輸出引腳3Y，輸入引腳3A連接到輸出引腳4Y，最后再將輸出引腳3Y和4Y分別連接到數碼管LED6和LED5，接電接地后所構成的鐘控RS觸發器圖如下所示：

2. 撥動開關，觀察數碼管的變化，填入鐘控RS觸發器的輸入與輸出狀態記錄表。

(2) 實驗現象

1. 當時鐘信號沒有到來時，不管K16、K15輸入為何值，數碼管的狀態總保持不變。
2. 當時鐘信號到來時：

a) 若K16=0，K15=0，則數碼管保持原來的狀態不變。

b) 若K16=0，K15=1，則數碼管置為1狀態。

c) 若K16=1，K15=0，則數碼管置為0狀態

(3) 數據記錄、分析與處理

(4) 實驗結論

通過74LS00作為搭建平臺，我們成功地實現了一個鐘控RS觸發器。實驗結果表明，電路在各種輸入條件下都能輸入正確的結果，符合預期行為。

實驗任務二：用74LS112實現D觸發器

(1) 實驗步驟

1. 先將74LS00的輸入引腳1A和1B同時連接到K15構成一個“非”門，然后將“非”門的輸出引腳1Y連接到74LS112的輸入引腳1K。
2. 將74LS112的輸入引腳1J連接到K15，然后將輸入引腳1PRE和1CLR分別連接到K14和K13，將輸入引腳1CLK連接到連續脈沖1H，最后再將輸出引腳1Q連接到數碼管LED6，接電接地后所構成的D觸發器圖如下所示：

3. 撥動開關，觀察數碼管的變化，填入D觸發器的輸入與輸出狀態記錄表。

(2) 實驗現象

1. 當時鐘信號沒有到來時，無論K15輸入何值，數碼管的狀態總保持不變。
2. 當時鐘信號到來時：

a) 若K15=0，則數碼管置為0狀態。

b) 若K15=1，則數碼管置為1狀態。

(3) 數據記錄、分析與處理

(4) 實驗結論

通過74LS00和74LS112作為搭建平臺，我們成功地實現了一個D觸發器。實驗結果表明，電路在各種輸入條件下都能輸入正確的結果，符合預期行為。

實驗任務三：在Quartus II上用D觸發器實現JK觸發器

(1) 實驗步驟

1. 用Quartus II設計出如下電路：

2. 編譯通過后進行波形仿真，驗證電路邏輯功能：

3. 仿真通過后，參照原理圖定義引腳：

4. 生成編程并將文件下載到FPGA。
5. 將開關連接對應的輸入引腳，輸出引腳連接到發光二極管：

6. 用開關和發光二極管測試FPGA的功能。
7. 記錄測試結果。

(2) 實驗現象

1. 當時鐘信號沒有到來時，無論K16、K15輸入何值，數碼管的狀態總保持不變。
2. 當時鐘信號到來時：

a) 如果K16=0、K15=0，則數碼管保持原來的狀態不變。

b) 如果K16=0、K15=1，則數碼管置為0狀態。

c) 如果K16=1、K15=0，則數碼管置為1狀態。

(3) 數據記錄、分析與處理

(4) 實驗結論

通過使用Quartus II設計工具，我們成功地用D觸發器設計并測試了一個JK觸發器。實驗結果表明，電路在各種輸入條件下都能輸入正確的結果，符合預期行為。

四、思考題

(1) 用D觸發器實現RS觸發器的功能

邏輯表達式：
接線圖：

(2) 用D觸發器實現T觸發器的功能

邏輯表達式：

接線圖：

(3) 用JK觸發器實現D觸發器的功能

邏輯表達式：
接線圖：

(4) 用JK觸發器實現RS觸發器的功能

邏輯表達式：
接線圖：

(5) 用JK觸發器實現T觸發器的功能

邏輯表達式：
接線圖：

五、建議和體會

1. 在實驗前，要熟悉各種觸發器的結構和特性方程。
2. 在實現“非”門時，要注意接地，否則輸出會有問題。
3. 連續脈沖無效時，可能是連續脈沖芯片接觸不良導致。
4. 本實驗有助于各類觸發器原理及使用的理解，同時也提供了一個實際的設計和模擬測試經驗。為后續進行更復雜的電路設計打下基礎。