數(shù)字電路基礎(chǔ) -閻石第五版-第6章ppt課件

,第六章,時序邏輯電路,教學(xué)內(nèi)容,6.1概述6.2時序邏輯電路的分析方法6.3若干常用的時序邏輯電路6.4時序邏輯電路的設(shè)計方法,教學(xué)要求,一.重點(diǎn)掌握的內(nèi)容：,（1）時序邏輯電路的概念及電路結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；（2）同步時序電路的一般分析方法；（3）同步計數(shù)器的一般分析方法；（4）會用置零法和置數(shù)法構(gòu)成任意進(jìn)制計數(shù)器。,二.一般掌握的內(nèi)容：,（1）同步、異步的概念，電路現(xiàn)態(tài)、次態(tài)、有效狀態(tài)、無效狀態(tài)、有效循環(huán)、無效循環(huán)、自啟動的概念，寄存的概念；（2）同步時序邏輯電路設(shè)計方法。,6.1概述,一、組合電路與時序電路的區(qū)別,1.組合電路：,電路的輸出只與電路的輸入有關(guān)，,與電路的前一時刻的狀態(tài)無關(guān)。,2.時序電路：,電路在某一給定時刻的輸出,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),由觸發(fā)器保存,時序電路：,組合電路,+,觸發(fā)器,電路的狀態(tài)與時間順序有關(guān),時序電路在任何時刻的穩(wěn)定輸出，不僅與該時刻的輸入信號有關(guān)，而且還與電路原來的狀態(tài)有關(guān)。,構(gòu)成時序邏輯電路的基本單元是觸發(fā)器。,二、時序邏輯電路的分類：,按動作特點(diǎn)可分為,同步時序邏輯電路,異步時序邏輯電路,所有觸發(fā)器狀態(tài)的變化都是在同一時鐘信號操作下同時發(fā)生。,觸發(fā)器狀態(tài)的變化不是同時發(fā)生。,按輸出特點(diǎn)可分為,米利型時序邏輯電路,穆爾型時序邏輯電路,輸出不僅取決于存儲電路的狀態(tài)，而且還決定于電路當(dāng)前的輸入。,輸出僅決定于存儲電路的狀態(tài)，與電路當(dāng)前的輸入無關(guān)。,三、時序邏輯電路的功能描述方法,特性方程：描述觸發(fā)器邏輯功能的邏輯表達(dá)式。驅(qū)動方程：（激勵方程）觸發(fā)器輸入信號的邏輯表達(dá)式。時鐘方程：控制時鐘CLK的邏輯表達(dá)式。狀態(tài)方程：（次態(tài)方程）次態(tài)輸出的邏輯表達(dá)式。驅(qū)動方程代入特性方程得狀態(tài)方程。輸出方程：輸出變量的邏輯表達(dá)式。,1.邏輯方程組,2.狀態(tài)表,反映輸出Z、次態(tài)Q*與輸入X、現(xiàn)態(tài)Q之間關(guān)系的表格。,3.狀態(tài)圖,反映時序電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換規(guī)律，及相應(yīng)輸入、輸出取值關(guān)系的圖形。,箭尾：現(xiàn)態(tài),箭頭：次態(tài),標(biāo)注：輸入輸出,4.時序圖,時序圖又叫工作波形圖，它用波形的形式形象地表達(dá)了輸入信號、輸出信號、電路的狀態(tài)等的取值在時間上的對應(yīng)關(guān)系。,這四種方法從不同側(cè)面突出了時序電路邏輯功能的特點(diǎn)，它們在本質(zhì)上是相同的，可以互相轉(zhuǎn)換。,電路圖,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,時序圖,1,5,時序電路的分析步驟：,4,6.2時序邏輯電路的分析方法,判斷電路邏輯功能,檢查自啟動,幾個概念,有效狀態(tài)：在時序電路中，凡是被利用了的狀態(tài)。有效循環(huán)：有效狀態(tài)構(gòu)成的循環(huán)。,無效狀態(tài)：在時序電路中，凡是沒有被利用的狀態(tài)。無效循環(huán)：無效狀態(tài)若形成循環(huán)，則稱為無效循環(huán)。,自啟動：在CLK作用下，無效狀態(tài)能自動地進(jìn)入到有效循環(huán)中，則稱電路能自啟動，否則稱不能自啟動。,例6.2.1,解:,寫方程組,驅(qū)動方程,同步時序電路，時鐘方程省去。,輸出方程,求狀態(tài)方程,將驅(qū)動方程代入JK觸發(fā)器的特性方程中得電路的狀態(tài)方程:,計算、列狀態(tài)轉(zhuǎn)換表,畫狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖,作時序圖,說明電路功能,這是一個同步七進(jìn)制加法計數(shù)器，能自啟動。,例6.2.3,解:,寫方程式,驅(qū)動方程,代入D觸發(fā)器的特性方程，得到電路的狀態(tài)方程,輸出方程,求狀態(tài)方程,計算、列狀態(tài)轉(zhuǎn)換表,畫狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖,電路狀態(tài),轉(zhuǎn)換方向,00,01,10,11,轉(zhuǎn)換條件,作時序圖,說明電路功能,A=0時是二位二進(jìn)制加法計數(shù)器；A=1時是二位二進(jìn)制減法計數(shù)器。,6.3若干常用的時序邏輯電路,寄存器和移位寄存器,一、寄存器,在數(shù)字電路中，用來存放二進(jìn)制數(shù)據(jù)或代碼的電路稱為寄存器。,寄存器是由具有存儲功能的觸發(fā)器組合起來構(gòu)成的。一個觸發(fā)器可以存儲1位二進(jìn)制代碼，存放n位二進(jìn)制代碼的寄存器，需用n個觸發(fā)器來構(gòu)成。,同步觸發(fā)器構(gòu)成,4位寄存器,邊沿觸發(fā)器構(gòu)成,（1）清零。，異步清零。即有：,（2）送數(shù)。時，CLK上升沿送數(shù)。即有：,（3）保持。在、CLK上升沿以外時間，寄存器內(nèi)容將保持不變。,二、移位寄存器,單向移位寄存器,0,0,1,0,1,1,經(jīng)過4個CLK信號以后，串行輸入的4位代碼全部移入寄存器中，同時在4個觸發(fā)器輸出端得到并行輸出代碼。,首先將4位數(shù)據(jù)并行置入移位寄存器的4個觸發(fā)器中，經(jīng)過4個CP,4位代碼將從串行輸出端依次輸出，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行串行轉(zhuǎn)換。,單向移位寄存器具有以下主要特點(diǎn)：（1）單向移位寄存器中的數(shù)碼，在CLK脈沖操作下，可以依次右移或左移。（2）n位單向移位寄存器可以寄存n位二進(jìn)制代碼。n個CLK脈沖即可完成串行輸入工作，此后可從Q0Qn-1端獲得并行的n位二進(jìn)制數(shù)碼，再用n個CLK脈沖又可實(shí)現(xiàn)串行輸出操作。（3）若串行輸入端狀態(tài)為0，則n個CLK脈沖后，寄存器便被清零。,雙向移位寄存器,2片74LS194A接成8位雙向移位寄存器,用雙向移位寄存器74LS194組成節(jié)日彩燈控制電路,S1=0,S0=1右移控制,Q=0時LED亮,清0按鍵,本節(jié)小結(jié)：,本節(jié)小結(jié)：,本節(jié)小結(jié)：,計數(shù)器,在數(shù)字電路中，能夠記憶輸入脈沖個數(shù)的電路稱為計數(shù)器。,分類：,計數(shù)器,二進(jìn)制計數(shù)器,十進(jìn)制計數(shù)器,N進(jìn)制計數(shù)器,加法計數(shù)器,同步計數(shù)器,異步計數(shù)器,減法計數(shù)器,可逆計數(shù)器,加法計數(shù)器,減法計數(shù)器,可逆計數(shù)器,二進(jìn)制計數(shù)器,十進(jìn)制計數(shù)器,N進(jìn)制計數(shù)器,n位二進(jìn)制同步加法計數(shù)器的電路連接規(guī)律：,驅(qū)動方程,輸出方程,一、同步計數(shù)器,279頁圖6.3.10,4位二進(jìn)制同步加法計數(shù)器,若計數(shù)脈沖頻率為f0，則Q0、Q1、Q2、Q3端輸出脈沖的頻率依次為f0的1/2、1/4、1/8、1/16。因此又稱為分頻器。,4位集成二進(jìn)制同步加法計數(shù)器74LS161/163,預(yù)置數(shù)控制端,數(shù)據(jù)輸入端,異步復(fù)位端,工作狀態(tài)控制端,進(jìn)位輸出,(a)引腳排列圖,4位同步二進(jìn)制計數(shù)器74161功能表,74161具有異步清零和同步置數(shù)功能.,4位同步二進(jìn)制計數(shù)器74163功能表,74163具有同步清零和同步置數(shù)功能.,74LS163的引腳排列和74LS161相同，不同之處是74LS163采用同步清零方式。,驅(qū)動方程,輸出方程,n位二進(jìn)制同步減法計數(shù)器的連接規(guī)律：,284頁圖6.3.15,4位集成二進(jìn)制同步可逆計數(shù)器74LS191,預(yù)置數(shù)控制端,使能端,加減控制端,串行時鐘輸出,4位同步二進(jìn)制可逆計數(shù)器74LS191功能表,74LS191具有異步置數(shù)功能.,0,雙時鐘加/減計數(shù)器74LS193,74LS193具有異步清零和異步置數(shù)功能.,2、同步十進(jìn)制計數(shù)器,同步十進(jìn)制加法計數(shù)器:在同步二進(jìn)制加法計數(shù)器基礎(chǔ)上修改而來.,同步十進(jìn)制加法計數(shù)器74LS160與74LS161邏輯圖和功能表均相同,所不同的是74LS160是十進(jìn)制而74LS161是十六進(jìn)制。,同步十進(jìn)制可逆計數(shù)器也有單時鐘和雙時鐘兩種結(jié)構(gòu)形式。屬于單時鐘的有74LS190等，屬于雙時鐘的有74LS192等。,74LS190與74LS191邏輯圖和功能表均相同；74LS192與74LS193邏輯圖和功能表均相同。,二、異步計數(shù)器,1、異步二進(jìn)制計數(shù)器,3位異步二進(jìn)制加法計數(shù)器,觸發(fā)器為下降沿觸發(fā)，Q0接CLK1,Q1接CLK2。若上升沿觸發(fā)，則應(yīng)Q0接CLK1,Q1接CLK2。,3位異步二進(jìn)制減法計數(shù)器,觸發(fā)器為下降沿觸發(fā)，接CLK1,接CLK2。若上升沿觸發(fā)，則應(yīng)接CLK1,接CLK2。,2、異步十進(jìn)制計數(shù)器,異步二五十進(jìn)制計數(shù)器74LS290,置0端,置9端,若計數(shù)脈沖由CLK0端輸入，輸出由Q0端引出，即得到二進(jìn)制計數(shù)器；若計數(shù)脈沖由CLK1端輸入，輸出由Q1Q3引出，即是五進(jìn)制計數(shù)器；若將CLK1與Q0相連，同時以CLK0為輸入端，輸出由Q0Q3引出，則得到8421碼十進(jìn)制計數(shù)器。,74LS290功能表,缺點(diǎn)：（1）工作頻率較低；（2）在電路狀態(tài)譯碼時存在競爭冒險現(xiàn)象。,異步計數(shù)器特點(diǎn),優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單,三、任意進(jìn)制計數(shù)器的構(gòu)成方法,利用現(xiàn)有的N進(jìn)制計數(shù)器構(gòu)成任意進(jìn)制（M）計數(shù)器時，如果MN，則要多片N進(jìn)制計數(shù)器。,實(shí)現(xiàn)方法,置零法（復(fù)位法）,置數(shù)法（置位法）,置零法,74LS160具有異步清零功能,當(dāng)MN時，需用多片N進(jìn)制計數(shù)器組合實(shí)現(xiàn),串行進(jìn)位方式、并行進(jìn)位方式、整體置零方式、整體置數(shù)方式,若M可分解為M=N1N2(N1、N2均小于N），可采用連接方式有：,若M為大于N的素數(shù)，不可分解，則其連接方式只有：整體置零方式、整體置數(shù)方式,串行進(jìn)位方式：以低位片的進(jìn)位信號作為高位片的時鐘輸入信號。,并行進(jìn)位方式：以低位片的進(jìn)位信號作為高位片的工作狀態(tài)控制信號。,整體置零方式：首先將兩片N進(jìn)制計數(shù)器按最簡單的方式接成一個大于M進(jìn)制的計數(shù)器，然后在計數(shù)器記為M狀態(tài)時使RD=0，將兩片計數(shù)器同時置零。,整體置數(shù)方式：首先將兩片N進(jìn)制計數(shù)器按最簡單的方式接成一個大于M進(jìn)制的計數(shù)器，然后在某一狀態(tài)下使LD=0，將兩片計數(shù)器同時置數(shù)成適當(dāng)?shù)臓顟B(tài)，獲得M進(jìn)制計數(shù)器。,例6.3.3用兩片同步十進(jìn)制計數(shù)器接成百進(jìn)制計數(shù)器.,解：,并行進(jìn)位方式,串行進(jìn)位方式,例6.3.4用兩片74LS160接成二十九進(jìn)制計數(shù)器.,解：,整體置零方式,整體置數(shù)方式,四、移位寄存器型計數(shù)器,環(huán)形計數(shù)器,結(jié)構(gòu)特點(diǎn):D0=Q3,CLK,狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖:,構(gòu)成四進(jìn)制計數(shù)器,不能自啟動.,能自啟動的環(huán)形計數(shù)器:,狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖：,n位移位寄存器構(gòu)成的環(huán)形計數(shù)器只有n個有效狀態(tài)，有2n-n個無效狀態(tài)。,扭環(huán)形計數(shù)器,結(jié)構(gòu)特點(diǎn):,狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖：,能自啟動的扭環(huán)形計數(shù)器:,狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖：,n位移位寄存器構(gòu)成的扭環(huán)形計數(shù)器有2n個有效狀態(tài)，有2n-2n個無效狀態(tài)。,6.4時序邏輯電路的設(shè)計方法,根據(jù)設(shè)計要求,畫原始狀態(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,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,設(shè)計步驟:,確定輸入、輸出變量及狀態(tài)數(shù),2n-1M2n,例6.4.1設(shè)計一個帶有進(jìn)位輸出端的十三進(jìn)制計數(shù)器.,解：,該電路不需輸入端,有進(jìn)位輸出用C表示，規(guī)定有進(jìn)位輸出時C=1，無進(jìn)位輸出時C=0。,十三進(jìn)制計數(shù)器應(yīng)該有十三個有效狀態(tài)，分別用S0、S1、S12表示。畫出其狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖：,1,建立原始狀態(tài)圖,狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖不需化簡。,因?yàn)?31324，因此取觸發(fā)器位數(shù)n=4。對狀態(tài)進(jìn)行編碼，得到狀態(tài)轉(zhuǎn)化表如下：,狀態(tài)化簡,2,狀態(tài)分配,3,4,選觸發(fā)器，求時鐘、輸出、狀態(tài)、驅(qū)動方程,電路次態(tài)/輸出（）的卡諾圖,狀態(tài)方程：,若選用4個JK觸發(fā)器，需將狀態(tài)方程變換成JK觸發(fā)器特性方程的標(biāo)準(zhǔn)形式，即Q*=JQ+KQ,找出驅(qū)動方程。,比較得到觸發(fā)器的驅(qū)動方程：,畫電路圖,5,將0000作為初始狀態(tài)代入狀態(tài)方程計算次態(tài)，畫出狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖，與狀態(tài)轉(zhuǎn)換表對照是否相同。最后檢查是否自啟動。,由狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖可知該電路能夠自啟動.,檢查電路能否自啟動,6,例6.4.2,解：,輸入數(shù)據(jù)作為輸入變量，用X表示；檢測結(jié)果為輸出變量，用Y表示。例如:,設(shè)電路沒有輸入1以前的狀態(tài)為S0,輸入一個1狀態(tài)為S1，