時序邏輯電路的基本分析和設(shè)計方法J.ppt

第五章 時序邏輯電路,時序電路的概述, 時序電路的結(jié)構(gòu),存儲電路 輸入信號,存儲電路輸出信號,時序電路輸出信號,時序電路輸入信號,時鐘信號,1、時序電路的結(jié)構(gòu)和特點,電路在某一時刻的輸出,取決于該時刻電路的輸入,還取決于前一時刻電路的狀態(tài),時序電路結(jié)構(gòu)特點：,組合電路+觸發(fā)器，并具有反饋通道。,時序電路的概述,輸出方程：,Z（tn）= FX（tn），Y（tn）,狀態(tài)方程：,Y（tn+1）= GW（tn），Y（tn）,驅(qū)動方程:,W（tn）= HX（tn），Y（tn）, 時序電路的結(jié)構(gòu),現(xiàn)態(tài)，或原狀態(tài),次態(tài)或新狀態(tài),式中：tn、tn+1表示相鄰的兩個離散時間,1、時序電路的結(jié)構(gòu)和特點,電路的狀態(tài)與時間順序有關(guān),2、時序電路邏輯功能的表示方法,時序電路的邏輯功能可用邏輯表達(dá)式、狀態(tài)表、卡諾圖、狀態(tài)圖、時序圖和邏輯圖6種方式表示，這些表示方法在本質(zhì)上是相同的，可以互相轉(zhuǎn)換。,邏輯表達(dá)式有：,3、時序電路的分類,（1）根據(jù)輸出分類,穆爾型時序電路的輸出僅僅決定于電路的現(xiàn)態(tài)，與電路當(dāng)前的輸入無關(guān)。 米里型時序電路的輸出不僅與現(xiàn)態(tài)有關(guān)，而且還決定于電路當(dāng)前的輸入。,Z（tn）=,FY（tn）,穆爾型（Moore）電路,FX（tn），Y（tn）,米里型（Mealy）電路,3、時序電路的分類,（2）根據(jù)時鐘分類,時序電路,同步：存儲電路里所有觸發(fā)器由一個統(tǒng)一的時鐘 脈沖源控制,異步：沒有統(tǒng)一的時鐘脈沖,同步時序電路中，各個觸發(fā)器的時鐘脈沖相同，即電路中有一個統(tǒng)一的時鐘脈沖，每來一個時鐘脈沖，電路的狀態(tài)只改變一次。 異步時序電路中，各個觸發(fā)器的時鐘脈沖不同，即電路中沒有統(tǒng)一的時鐘脈沖來控制電路狀態(tài)的變化，電路狀態(tài)改變時，電路中要更新狀態(tài)的觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)有先有后，是異步進(jìn)行的。,時序邏輯 電路圖,寫時鐘方程、驅(qū)動方程和輸出方程,狀態(tài)方程,狀態(tài)圖、狀態(tài)表或時序圖,判斷電路邏輯功能,1,2,3,5,時序電路的分析步驟：,計算,4,(1)分析時序電路的關(guān)鍵在于存儲電路，所以要先寫出存儲電路的輸入表達(dá)式（即驅(qū)動方程）W（tn）。 假設(shè)電路中的存儲單元是J-K觸發(fā)器，那就要看一看J端、K端 與誰相連，并用表達(dá)式寫出來。 (2)寫出時鐘方程（即各個觸發(fā)器時鐘信號的邏輯表達(dá)式） (2)寫出輸出函數(shù)表達(dá)式Z（tn）。,寫出存儲電路的輸出表達(dá)式，即狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程Y(tn)。 假設(shè)電路中使用的存儲電路是J-K觸發(fā)器，則狀態(tài)轉(zhuǎn)移方程就是J-K觸發(fā)器的特征方程。將先前得到的J、K表達(dá)式代入即可。,第一節(jié) 時序邏輯電路的分析方法,例,時鐘方程：,輸出方程：,輸出僅與電路現(xiàn)態(tài)有關(guān)，為穆爾型時序電路。,同步時序電路的時鐘方程可省去不寫。,驅(qū)動方程：,1,寫方程式,2,求狀態(tài)方程,JK觸發(fā)器的特性方程：,將各觸發(fā)器的驅(qū)動方程代入，即得電路的狀態(tài)方程：,3,計算、列狀態(tài)表,0 0 0,0 0 1,0 1 0,0 1 1,1 0 0,1 0 1,1 1 0,1 1 1,0 0 1,0 1 1,1 0 1,1 1 1,0 0 0,0 1 0,1 0 0,1 1 0,0,0,0,0,1,1,0,0,3,計算、列狀態(tài)表,0 0 0,0 0 1,0 1 0,0 1 1,1 0 0,1 0 1,1 1 0,1 1 1,0 0 1,0 1 1,1 0 1,1 1 1,0 0 0,0 1 0,1 0 0,1 1 0,0,0,0,0,1,1,0,0,4,狀態(tài)圖,4,狀態(tài)圖,有效狀態(tài)：在時序電路中，凡是被利用了的狀態(tài)，都叫有效狀態(tài)。,有效循環(huán)：在時序電路中，凡是有效狀態(tài)形成的循環(huán)，都稱為有效循環(huán)。,無效狀態(tài)：在時序電路中，凡是沒有被利用的狀態(tài)，都叫無效狀態(tài)。,無效循環(huán)：在時序電路中，凡是無效狀態(tài)形成的循環(huán)，都稱為無效循環(huán)。,4,狀態(tài)圖,能自啟動：在時序電路中，雖然存在無效狀態(tài)，但它們之間沒有形成循環(huán)，這樣的時序電路叫做能夠自啟動的時序電路。,不能自啟動：在時序電路中，既有無效狀態(tài)存在，它們之間又形成了循環(huán)，這樣的時序電路叫做能夠自啟動的時序電路。,本例題所示的時序電路是一個不能自啟動的時序電路。 該電路一旦因某種原因（如干擾）而落入無效循環(huán)，就再也回不到有效狀態(tài)了。當(dāng)然，也就不可能有效工作了。,5,時序圖,電路功能,有效循環(huán)的6個狀態(tài)，這是一個以某種規(guī)律表示的的六進(jìn)制同步加法計數(shù)器。當(dāng)對第6個脈沖計數(shù)時，計數(shù)器又重新從000開始計數(shù)，并產(chǎn)生輸出Y1。,6,例,輸出方程：,輸出與輸入有關(guān)，為米利型時序電路。,同步時序電路，時鐘方程省去。,驅(qū)動方程：,1,寫方程式,2,求狀態(tài)方程,T觸發(fā)器的特性方程：,將各觸發(fā)器的驅(qū)動方程 即得電路的狀態(tài)方程：,代入,3,計算、列狀態(tài)表,4,畫狀態(tài)圖時序圖,4,由狀態(tài)圖可以看出，當(dāng)輸入X 0時，在時鐘脈沖CP的作用下，電路的4個狀態(tài)按遞增規(guī)律循環(huán)變化，即： 0001101100 當(dāng)X1時，在時鐘脈沖CP的作用下，電路的4個狀態(tài)按遞減規(guī)律循環(huán)變化，即：0011100100 可見，該電路既具有遞增計數(shù)功能，又具有遞減計數(shù)功能，是一個2位二進(jìn)制同步可逆計數(shù)器。,畫狀態(tài)圖時序圖,5,電路功能,設(shè)計要求,原始狀態(tài)圖,最簡狀態(tài)圖,畫電路圖,檢查電路能否自啟動,1,2,4,6,時序電路的設(shè)計步驟：,選觸發(fā)器，求時鐘、輸出、狀態(tài)、驅(qū)動方程,5,狀態(tài)分配,3,化簡,5.1.2 時序邏輯電路的設(shè)計方法,設(shè)計和分析互為逆過程：在設(shè)計中，應(yīng)根據(jù)具體邏輯問題，設(shè)計出實現(xiàn)這一邏輯功能要求的電路，力求最簡。追求高性價比。,設(shè)計一個串行數(shù)據(jù)檢測電路，當(dāng)連續(xù)輸入3個或3個以上1時，電路的輸出為1，其它情況下輸出為0。,例,輸入和輸出之間的關(guān)系：,X：1101 1110 0100 連續(xù)3個1，輸出為1。 Z：0000 0110 0000 輸入只要是0，輸出為0,根據(jù)文字描述的設(shè)計要求，建立原始狀態(tài)圖，形成原始狀態(tài)轉(zhuǎn)換表。,需要確定的三個問題：,確定輸入和輸出變量，以字母表示。,確定系統(tǒng)的狀態(tài)數(shù)，以字母表示。系統(tǒng)有幾個狀態(tài)，就需要幾個觸發(fā)器。,根據(jù)設(shè)計要求，確定每一個狀態(tài)在現(xiàn)態(tài)條件下，狀態(tài)轉(zhuǎn)換方向，得出原始狀態(tài)圖。,這三個問題的解決是相互聯(lián)系的，目前尚無確定的步驟，常采用試湊法，因此應(yīng)把注意力放在狀態(tài)圖的正確性，不必過分考慮多余狀態(tài)。確保狀態(tài)沒有遺漏。,1,進(jìn)行邏輯抽象 建立原始狀態(tài)圖,S0,S1,S2,S3,設(shè)電路開始處于初始狀態(tài)為S0。 第一次輸入1時，由狀態(tài)S0轉(zhuǎn)入狀態(tài)S1，并輸出0； 若繼續(xù)輸入1，由狀態(tài)S1轉(zhuǎn)入狀態(tài)S2，并輸出0； 如果仍接著輸入1，由狀態(tài)S2轉(zhuǎn)入狀態(tài)S3，并輸出1； 此后若繼續(xù)輸入1，電路仍停留在狀態(tài)S3，并輸出1。,1/0,X/Y,1/0,1/1,1/1,電路無論處在什么狀態(tài)，只要輸入0，都應(yīng)回到初始狀態(tài)，并輸出0，以便重新計數(shù)。,0/0,0/0,0/0,0/0,1,進(jìn)行邏輯抽象 建立原始狀態(tài)圖, 確定輸入和輸出變量,根據(jù)已知條件：,設(shè)輸入為X，并以串行方式輸入,設(shè)輸出為Z, 并以串行方式輸出, 確定系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)（確得狀態(tài)沒有遺漏）, 確定每一個狀態(tài)在規(guī)定條件下的轉(zhuǎn)換方向,什么是規(guī)定條件？ 由題意給出 連續(xù)輸入3個或3個以上1,輸出為1.否則為0 S0是接收0以后狀態(tài)， 再接收0仍停留在S0。 只要接收1個1，由S0S1， S1再接收0返回S0。 連續(xù)接收2個以上1，狀態(tài)轉(zhuǎn)換S2。 若再接收0，返回S0。 連續(xù)接收3個以上1，狀態(tài)轉(zhuǎn)換S3。 連續(xù)接收3個以上1，停留在S3。 若再接收0，返回S0,1,進(jìn)行邏輯抽象 建立原始狀態(tài)圖,原始狀態(tài)圖中，凡是在輸入相同時，輸出相同、要轉(zhuǎn)換到的次態(tài)也相同的狀態(tài)，稱為等價狀態(tài)。狀態(tài)化簡就是將多個等價狀態(tài)合并成一個狀態(tài)，把多余的狀態(tài)都去掉，從而得到最簡的狀態(tài)圖。 所得原始狀態(tài)圖中，狀態(tài)S2和S3等價。因為它們在輸入為1時輸出都為1，且都轉(zhuǎn)換到次態(tài)S3；在輸入為0時輸出都為0，且都轉(zhuǎn)換到次態(tài)S0。所以它們可以合并為一個狀態(tài)，合并后的狀態(tài)用S2表示。,狀態(tài)化簡,2,檢查原始狀態(tài)圖中的狀態(tài)是否有多余狀態(tài)，即是否有等價狀態(tài)。若有等價狀態(tài)，可以進(jìn)行化簡，得出最簡的狀態(tài)圖。,什么是等價狀態(tài)：,狀態(tài)分配,3,時序電路的狀態(tài)是用觸發(fā)器狀態(tài)的不同組合來表示的，因此首先確定觸發(fā)器的級數(shù)n，即用幾個觸發(fā)器。,（a）選擇觸發(fā)器的級數(shù)的原則：,N個觸發(fā)器共有2n個狀態(tài)組合，要獲得M個狀態(tài)組合，必須取2n-1M 2n,本例狀態(tài)數(shù)為3，M=3，即213 22，取n2，表示用兩級觸發(fā)器。224共有四種狀態(tài)：00，01，10，11,分配的原則是：,最后的邏輯圖最簡,多余狀態(tài)不產(chǎn)生死循環(huán),如果狀態(tài)選擇不合適，出現(xiàn)死循環(huán)，就要修改設(shè)計。,本例選：S000，S101，S210。代入狀態(tài)化簡后狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖、表。將字母形式變換為代碼形式，得出代碼形式的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖（表）。,給出邏輯變量賦值以后的代碼形式狀態(tài)轉(zhuǎn)圖、表。,(只用三種狀態(tài)）,狀態(tài)分配,3,S0=00S1=01S2=10,4,選觸發(fā)器，求時鐘、輸出、狀態(tài)、驅(qū)動方程,選用2個CP下降沿觸發(fā)的JK觸發(fā)器，分別用FF0、FF1表示。采用同步方案，即?。?輸出方程,狀態(tài)方程,比較，得驅(qū)動方程：,驅(qū)動方程,4,選觸發(fā)器，求時鐘、輸出、狀態(tài)、驅(qū)動方程,得驅(qū)動方程：,電路圖,5,檢查電路能否自啟動,6,將無效狀態(tài)11代入輸出方程和狀態(tài)方程計算：,電路能夠自啟動。,輸出方程,時序邏輯 電路圖,寫時鐘方程、驅(qū)動方程和輸出方程,狀態(tài)方程,狀態(tài)圖、狀態(tài)表或時序圖,判斷電路邏輯功能,1,2,3,5,計算,4,第一節(jié) 時序邏輯電路的分析方法,例,電路沒有單獨的輸出，為穆爾型時序電路。,異步時序電路，時鐘方程：,驅(qū)動方程：,1,寫方程式,2,求狀態(tài)方程,D觸發(fā)器的特性方程：,將各觸發(fā)器的驅(qū)動方程代入，即得電路的狀態(tài)方程：,3,計算、列狀態(tài)表,3,計算、列狀態(tài)表,4,畫狀態(tài)圖、時序圖,4,畫狀態(tài)圖、時序圖,4,5,電路功能,由狀態(tài)圖可以看出，在時鐘脈沖CP的作用下，電路的8個狀態(tài)按遞減規(guī)律循環(huán)變化，即： 000111110101100011010001000 電路具有遞減計數(shù)功能，是一個3位二進(jìn)制異步減法計數(shù)器。,畫狀態(tài)圖、時序圖,本節(jié)小結(jié)：,時序電路的特點是：在任何時刻的輸出不僅和輸入有關(guān)，而且還決定于電路原來的狀態(tài)。為了記憶電路的狀態(tài)，時序