JK 正反器的運作原理

介紹

正反器是一種積體電路，可將一個位元的二進位資料儲存成兩個穩定狀態。正反器廣泛用於計數器、暫存器、分頻器，以及本次示範的循序邏輯電路 (又稱非穩態多諧振盪器)。

正反器有許多類型可供挑選，常見功能包括設定和重置輸入、清除、預設、時脈輸入和互補邏輯輸出。正反器是由時脈輸入端的正緣或負緣轉換所觸發。常見類型包括 SR 正反器、D 正反器或 T 正反器。JK 正反器有時稱為「通用」正反器，因為經過配置後，可以模擬其他許多類型的正反器。

JK 正反器功能

使用正反器時，務必隨手備妥元件規格書中的真值表，以便根據多重輸入選項和時脈轉換來判斷輸出特性。例如，Texas Instrument 的 CD74HCT73E 就是典型的雙 JK 正反器，具有常見的特性和容易判讀的真值表。

請記住兩個基本事實：Q (bar) 或 notQ 輸出始終是 Q 輸出的補數，而且只有四種 JK 輸入配置能在時脈輸入從高電平轉為低電平時判定輸出。請參見圖 1 瞭解可能的 JK 配置。切換一詞是指當 J 和 K 都為高電平且時脈從高電平轉為低電平時，Q 和 notQ 輸出目前的狀態會翻轉 (真值表中的狀況 4)。

圖 1：典型的 JK 正反器規格書真值表。

剛剛提到的基本事實並未考量重置 (R) 輸入，此輸入會在重置為低電平時，為正反器提供初始狀態。重置為低電平時，規格書會針對時脈和 JK 輸入使用「無關」一詞。除非重置為高電平，且已接收到時脈轉換，否則這些輸入的改變對輸出不會有影響。

思考點：正反器首次運作時，其輸出不會自動設定為已知狀態。由於無法預測哪個輸出狀態會生效，因此能在啟動之後，使用重置輸入，將輸出初始化成已知的狀態。

循序邏輯電路範例：摩斯字元產生器

三個 DIT 才能產生一個 DAH

Digi-Keyer 摩斯字元產生器有許多執行特定任務的元件。為了示範正反器的作用，相關元件已經包含在名為 FF1 和 FF2 的正反器中。請參見圖 2，瞭解 Digi-Keyer DIT-DAH 字元形成部分的線路圖。

圖 2：Digi-Keyer 正反器字元形成電路

在探討建立字元之前 (DIT 和 DAH，又稱 DOT 和 DASH)，必須先解釋 NOR1 邏輯閘的功能。NOR1 不僅是字元輸出電路的第一階段。NOR1 輸出為低電平時，也能讓計時電路向 FF1 傳送規律性脈衝。NOR1 輸出為高電平時，脈衝會在計時週期結束時停止。

當按下 DIT 翹板開關，計時電路會向 FF1 的 C 輸入發出高電平轉低電平的初始脈衝。輸出引腳 Q 和 notQ 會進行切換，因為兩個 JK 輸入都為高電平。notQ 會觸發 NOR1，將低電平訊號輸出回到計時電路，指出 DIT 正在形成。計時功能完成後，會立刻向 FF1 傳送另一個脈衝，將其切換回正常狀態。形成 DIT 的過程中，FF1 的 Q 輸出會觸發 FF2 的 C 輸入，但因為還沒按下 DAH 翹板 (FF2 的 J 輸入為低電平)，FF2 的輸出會遵循圖 1 真值表的狀況 3。圖 3 指出用於形成一個 DIT 的循序邏輯真值表。

圖 3.DIT 形成循序邏輯真值表。

按下 DAH 翹板也會讓計時電路發出初始脈衝，因此 FF1 會切換並將 FF2 的 J 輸入設定為高電平 (FF2 輸出也會因此切換)。由於 FF2 的 Q 輸出也會觸發 NOR1 輸出變為低電平，因此計時脈衝會繼續進行。FF1 和 FF2 需要經過三個 DIT 週期才能恢復正常狀態，在此之前，NOR1 的輸出不會回復為高電平。圖 4 指出用於形成一個 DAH 的循序邏輯真值表。

圖 4：DAH 形成循序邏輯真值表。

正反器多久才可回復正常狀態，取決於高電平轉低電平所歷經的時間。在本例中，一個脈衝週期內的低電平時間固定為 8 ms，但在計時電路中，高電平的時間可在 15 ms 到 150 ms 之間調整。若選擇最慢的設定，DIT 字元長度約為 158 ms，DAH 約為 474 ms。如果任一翹板或兩個翹板都處於閉合 (高電平)，讓 FF1 和 FF2 回復正常狀態的最終高電平到低電平轉換，會在 8 ms 內轉為高電平，會造成字元產生固定的空隙。

另一個思考點：電路通電後，FF1 和 FF2 可能會變成隨機邏輯狀態，如之前所述。如果任何狀態導致 NOR1 輸出為低電平，計時電路會開始傳送脈衝，直到 FF1 和 FF2 達到正常狀態為止。因此，正反器啟動後會自動初始化為正常狀態，無需使用重置輸入。

結論

逐步遵循正反器的邏輯有時很困難，因此，產生圖 3 和圖 4 等真值表有助於呈現出幕後的作業。本文範例中直接執行多重步驟循序邏輯，未使用微控制器或不斷運行的固定時脈。正反器的輸出經過儲存，因為此資料會刻意變更輸入，以改變輸出。此資料也不具永久性；斷電後，資料會遺失。摩斯密碼字元產生器的目的不是產生資料。正反器的用途是記住前一個狀況，以便在時脈脈衝由高電平轉為低電平時決定下一個狀況。

資源：

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