雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器教學(xué)思路的研究

摘要：為解決觸發(fā)器教學(xué)內(nèi)容雜、學(xué)時(shí)少的問題，結(jié)合教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，提出優(yōu)化的教學(xué)思路：一方面以基本RS觸發(fā)器為結(jié)構(gòu)模塊，簡化鐘控RS、D、JK等觸發(fā)器的工作原理的分析，從而提高教學(xué)效率；另一發(fā)面，以功能改進(jìn)為主線，遵循各觸發(fā)器內(nèi)在結(jié)構(gòu)的聯(lián)系，通過電路結(jié)構(gòu)的完善，順序展現(xiàn)幾種重點(diǎn)研究的觸發(fā)器，使得教學(xué)富于邏輯性。文中給出基本RS觸發(fā)器教學(xué)難點(diǎn)的解決和觸發(fā)器教學(xué)思路流程圖。 　　關(guān)鍵詞：觸發(fā)器；約束條件；同步；觸發(fā)方式 　　中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A？搖 文章編號：1674-9324（2013）47-0058-02 　　一、問題的提出 　　《數(shù)字電子技術(shù)》課程是電子工程、通信、自動化、計(jì)算機(jī)等專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程，它將為后續(xù)課的學(xué)習(xí)奠定基礎(chǔ)。數(shù)字電路有兩大類型——組合邏輯電路和時(shí)序邏輯電路，它們都是由最基本的邏輯單元構(gòu)成的，而時(shí)序電路中最基本的單元就是觸發(fā)器，該內(nèi)容一般要求4學(xué)時(shí)左右講完，主要講授雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的結(jié)構(gòu)、原理，包括基本RS、鐘控RS、D、JK、T、T’、主從JK觸發(fā)器等，還包括不同觸發(fā)方式下同一功能觸發(fā)器的不同工作方式，內(nèi)容龐雜，信息量大，是歷來學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)字電路的瓶頸。而這部分內(nèi)容的掌握程度，直接關(guān)系到時(shí)序電路的分析和設(shè)計(jì)，對后續(xù)學(xué)習(xí)影響深遠(yuǎn)。鑒于該內(nèi)容的重要性與認(rèn)知難度，筆者結(jié)合教學(xué)與實(shí)踐經(jīng)歷，提出以下幾點(diǎn)做法以提高雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器教學(xué)的效果。 　　二、雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器教學(xué)的思路 　　以基本RS觸發(fā)器為模塊，簡化觸發(fā)器的結(jié)構(gòu)分析。基本RS觸發(fā)器的電路結(jié)構(gòu)是鐘控RS、D、JK、T、T’等觸發(fā)器所共有的結(jié)構(gòu)，當(dāng)基本RS觸發(fā)器的原理掌握后，可以將其作為基本模塊來構(gòu)成其他觸發(fā)器，在分析時(shí)，只注重模塊的外在性能，而不必每次都贅述其動作原理。這樣一來，基本RS觸發(fā)器的教學(xué)則至關(guān)重要。在基本RS觸發(fā)器教學(xué)中，學(xué)生將首次體會觸發(fā)器的現(xiàn)態(tài)Qn如何與輸入共同決定觸發(fā)器的次態(tài)Qn+1。而次態(tài)“狀態(tài)不定”的理解是教學(xué)難點(diǎn)。“狀態(tài)不定”的正確解釋是：當(dāng)輸入全為“0”時(shí)，觸發(fā)器的輸出全為“1”，觸發(fā)器的輸出處于不是互補(bǔ)的“非法”狀態(tài)；如果輸入為“0”的條件消失，代之為全“1”，則觸發(fā)器的狀態(tài)將由于器件參數(shù)的離散性而無法預(yù)知哪個與非門的傳輸時(shí)間較短，從而無法得知觸發(fā)器的狀態(tài)是“1”態(tài)還是“0”態(tài)。這一點(diǎn)理解后，基本RS觸發(fā)器的內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)的教學(xué)可以告一段落，再涉及同樣電路結(jié)構(gòu)，則直接用其邏輯功能而不必再次分析其原理，提高了教學(xué)效率。 　　三、以觸發(fā)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)間聯(lián)系以及功能改進(jìn)為主線，依次展現(xiàn)各觸發(fā)器的教學(xué) 　　雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器功能多樣，同一功能還有不同結(jié)構(gòu)、不同觸發(fā)方式之分，而以觸發(fā)器內(nèi)部結(jié)構(gòu)間聯(lián)系以及功能改進(jìn)為主線，層層遞進(jìn)，將主要的觸發(fā)器有機(jī)地串接起來則不失為好的解決辦法。首先從基本RS觸發(fā)器的存在的不足入手。 　　1.基本RS觸發(fā)器存在的問題。基本RS觸發(fā)器雖然有較多應(yīng)用，但它存在著問題：兩個輸入不能同時(shí)為“0”，否則輸出破壞了應(yīng)該互補(bǔ)的邏輯關(guān)系，如果接下來輸入低電平消失，將引起“狀態(tài)不定”，這是設(shè)計(jì)者難以把握的，所以應(yīng)避免這種情況發(fā)生，于是基本RS觸發(fā)器的輸入有了限制——兩個輸入不能同時(shí)為“0”。另外，該觸發(fā)器的輸出只隨著輸入的改變而隨時(shí)改變，而實(shí)際上，數(shù)字系統(tǒng)往往要求幾個電路按一定的節(jié)拍同步工作，這一點(diǎn)基本RS觸發(fā)器將無法滿足，而鐘控RS觸發(fā)器將可以受時(shí)鐘脈沖的控制而工作，從而引出“鐘控RS觸發(fā)器”的教學(xué)。 　　2.鐘控RS觸發(fā)器（以高電平觸發(fā)、與非門結(jié)構(gòu)為例）存在的問題。該觸發(fā)器的主要結(jié)構(gòu)為基本RS觸發(fā)器模塊，只是外加導(dǎo)引電路，使得電路受時(shí)鐘脈沖的控制。它雖然解決了同步的問題，但其輸入仍存在限制：在CP電平觸發(fā)期間，S、R不能同時(shí)為“1”，否則接下來如果CP=0或S=R=0則情形類似基本RS觸發(fā)器——出現(xiàn)“狀態(tài)不定”，所以鐘控RS觸發(fā)器也有約束條件——SR=0。而有兩種觸發(fā)器可以在保留同步可控的基礎(chǔ)上，從不同途徑解決約束條件的問題，但它們又帶來了各自不同的問題，這就是D觸發(fā)器和JK觸發(fā)器。 　　3.D觸發(fā)器的教學(xué)思路。將鐘控RS觸發(fā)器的S和R端接成互反關(guān)系構(gòu)成D觸發(fā)器，使之避開S=R=1情形，于是D觸發(fā)器不存在約束條件。D觸發(fā)器又稱延遲觸發(fā)器，其教學(xué)重點(diǎn)應(yīng)放在觸發(fā)方式的概念上。（1）電平式觸發(fā)。D觸發(fā)器仍存在弱點(diǎn)：在CP=“1”（或“0”）期間，觸發(fā)器都可依輸入進(jìn)行動作，如果有干擾輸入，將引起觸發(fā)器的誤動作，而在整個電平觸發(fā)期間，干擾被引入的幾率很高，因此電平式觸發(fā)抗干擾能力較差，由此引出邊沿式觸發(fā)方式的D觸發(fā)器。（2）邊沿式觸發(fā)。同是D觸發(fā)器的功能，但邊沿式觸發(fā)結(jié)構(gòu)和觸發(fā)時(shí)刻均不同于電平式觸發(fā)，邊沿式觸發(fā)器對干擾可以有效避免。 　　4.JK觸發(fā)器的教學(xué)思路。解決鐘控RS觸發(fā)器的條件約束問題的另一途徑是：在電平式觸發(fā)的鐘控RS觸發(fā)器的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，增加從Qn和Qn+1引出的兩條反饋線，分別作為J端和K端，構(gòu)成JK觸發(fā)器。該觸發(fā)器雖然取消了輸入約束限制，但它帶來的問題是：當(dāng)J=K=1時(shí)，觸發(fā)電平內(nèi)觸發(fā)器會不斷由“1”變“0”，又由“0”變“1”，即“空翻”，翻轉(zhuǎn)的時(shí)間與器件的速度有關(guān)，由于器件參數(shù)的離散性，設(shè)計(jì)者無法得知最后時(shí)刻是以“1”結(jié)束還是以“0”結(jié)束。由此又提出兩種解決辦法：邊沿式觸發(fā)JK觸發(fā)器、主從JK觸發(fā)器。（1）邊沿式JK觸發(fā)器。可以有效解決所有問題，所以應(yīng)用廣泛。（2）主從JK觸發(fā)器。消滅了“空翻”現(xiàn)象，卻又帶來“一次變化問題”：在CP=1期間，疊加在J、K信號上的干擾信號會引起主觸發(fā)器變化一次，即使干擾迅速消失，主觸發(fā)器也不能發(fā)生第二次變化，從而造成觸發(fā)器的錯誤翻轉(zhuǎn)，說明一次變化問題降低了主從觸發(fā)器的抗干擾能力。分析的結(jié)論是：由于主從JK觸發(fā)器實(shí)質(zhì)是兩個電平式觸發(fā)的觸發(fā)器分別在CP=1和CP=0期間工作，所以只要J、K在CP=1期間不變化，則主從JK觸發(fā)器將遵循下降沿觸發(fā)的JK觸發(fā)器工作方式，否則，將遵循“一次變化”規(guī)律：若Qn=0，則只看J端，只要J在CP=1期間出現(xiàn)過“1”，則Qn+1=1，否則保持“0”態(tài)；若Qn=1，則只看K端，只要K在CP=1期間出現(xiàn)過“1”，則Qn+1=0，否則保持“1”態(tài)。 　　5.T、T’觸發(fā)器的教學(xué)思路。它們是JK觸發(fā)器的特例，令J=K，則構(gòu)成T觸發(fā)器；令J=K=1，則構(gòu)成T’觸發(fā)器。 　　在教學(xué)中應(yīng)該講清觸發(fā)器真正出現(xiàn)的順序并非完全如此，中間還有其他過渡類型，但上面依次講解的觸發(fā)器確實(shí)分別解決了前面觸發(fā)器的問題。 　　四、結(jié)語 　　觸發(fā)器的應(yīng)用遍及計(jì)算機(jī)、電子測量、醫(yī)學(xué)、管理等領(lǐng)域。合理地設(shè)計(jì)教學(xué)思路，有助于學(xué)生在有限學(xué)時(shí)中獲取清晰概念。另外，在教學(xué)之初，應(yīng)該讓學(xué)生了解所學(xué)內(nèi)容的應(yīng)用價(jià)值、在本課程和本專業(yè)知識體系中所處的地位以及所起的承上啟下的作用，這將成為學(xué)生的學(xué)習(xí)動力。在理論教學(xué)的同時(shí)，應(yīng)以實(shí)用小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為目標(biāo)，要求學(xué)生將所學(xué)付諸實(shí)踐，例如用觸發(fā)器設(shè)計(jì)搶答電路、液位報(bào)警電路、按鍵消抖電路、分頻器等等，以此來提升理論知識的應(yīng)用能力。 　　參考文獻(xiàn)： 　　[1]王玉璟.《邏輯設(shè)計(jì)》課程中觸發(fā)器教學(xué)研究[J].新鄉(xiāng)教育學(xué)院學(xué)報(bào)，2008，（21）. 　　[2]張安生.基本RS觸發(fā)器電路結(jié)構(gòu)教學(xué)[J].甘肅高師學(xué)報(bào)，2008，（13）. 　　[3]閻石.數(shù)字電子技術(shù)基本教程[M].清華大學(xué)出版社，2011. 　　[4]樸慧京.觸發(fā)器的種類及特點(diǎn)[J].家電檢修技術(shù)，2008，（5）. 　　[5]孟貴胥，王兢.數(shù)字電子技術(shù)[M].大連理工大學(xué)出版社，2002. 　　[6]溫廷新.觸發(fā)器的典型應(yīng)用[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，（25）.

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