數(shù)字電路課件：第4章_時序邏輯電路

1、第4章 時序邏輯電路觸發(fā)器時序邏輯電路的分析時序邏輯電路的設(shè)計退出觸發(fā)器基本RS觸發(fā)器同步觸發(fā)器主從觸發(fā)器退出邊沿觸發(fā)器不同類型觸發(fā)器間的轉(zhuǎn)換觸發(fā)器是構(gòu)成時序邏輯電路的基本邏輯部件。 它有兩個穩(wěn)定的狀態(tài)：0狀態(tài)和1狀態(tài)； 在不同的輸入情況下，它可以被置成0狀態(tài)或1狀態(tài)； 當輸入信號消失后，所置成的狀態(tài)能夠保持不變。所以，觸發(fā)器可以記憶1位二值信號。根據(jù)邏輯功能的不同，觸發(fā)器可以分為RS觸發(fā)器、D觸發(fā)器、JK觸發(fā)器、T和T觸發(fā)器；按照結(jié)構(gòu)形式的不同，又可分為基本RS觸發(fā)器、同步觸發(fā)器、主從觸發(fā)器和邊沿觸發(fā)器。（一） 基本RS觸發(fā)器電路組成和邏輯符號信號輸入端，低電平有效。信號輸出端，Q=0、Q=

2、1的狀態(tài)稱0狀態(tài)，Q=1、Q=0的狀態(tài)稱1狀態(tài)，工作原理R SQ10010 10R=0、S=1時：由于R=0，不論原來Q為0還是1，都有Q=1；再由S=1、Q=1可得Q0。即不論觸發(fā)器原來處于什么狀態(tài)都將變成0狀態(tài)，這種情況稱將觸發(fā)器置0或復(fù)位。R端稱為觸發(fā)器的置0端或復(fù)位端。0110R SQ1 01R=1、S=0時：由于S=0，不論原來Q為0還是1，都有Q=1；再由R=1、Q=1可得Q0。即不論觸發(fā)器原來處于什么狀態(tài)都將變成1狀態(tài)，這種情況稱將觸發(fā)器置1或置位。S端稱為觸發(fā)器的置1端或置位端。0 101110R=1、S=1時：根據(jù)與非門的邏輯功能不難推知，觸發(fā)器保持原有狀態(tài)不變，即原來的狀態(tài)

3、被觸發(fā)器存儲起來，這體現(xiàn)了觸發(fā)器具有記憶能力。R SQ1 000 111 1不變100011R SQ1 000 111 1不變0 0不定？R=0、S=0時：Q=Q=1，不符合觸發(fā)器的邏輯關(guān)系。并且由于與非門延遲時間不可能完全相等，在兩輸入端的0同時撤除后，將不能確定觸發(fā)器是處于1狀態(tài)還是0狀態(tài)。所以觸發(fā)器不允許出現(xiàn)這種情況，這就是基本RS觸發(fā)器的約束條件。特性表（真值表）現(xiàn)態(tài)：觸發(fā)器接收輸入信號之前的狀態(tài)，也就是觸發(fā)器原來的穩(wěn)定狀態(tài)。次態(tài)：觸發(fā)器接收輸入信號之后所處的新的穩(wěn)定狀態(tài)。次態(tài)Qn+1的卡諾圖特性方程觸發(fā)器的特性方程就是觸發(fā)器次態(tài)Qn+1與輸入及現(xiàn)態(tài)Qn之間的邏輯關(guān)系式狀態(tài)圖描述觸發(fā)器

4、的狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系及轉(zhuǎn)換條件的圖形稱為狀態(tài)圖011/1/10/01/當觸發(fā)器處在0狀態(tài)，即Qn=0時，若輸入信號 01或11，觸發(fā)器仍為0狀態(tài)；RS當觸發(fā)器處在1狀態(tài)，即Qn=1時，若輸入信號 10或11，觸發(fā)器仍為1狀態(tài)；RSRS若 10，觸發(fā)器就會翻轉(zhuǎn)成為1狀態(tài)。RS若 01，觸發(fā)器就會翻轉(zhuǎn)成為0狀態(tài)。波形圖反映觸發(fā)器輸入信號取值和狀態(tài)之間對應(yīng)關(guān)系的圖形稱為波形圖RSQQ置1置0置1置1置1保持不允許基本RS觸發(fā)器的特點（1）觸發(fā)器的次態(tài)不僅與輸入信號狀態(tài)有關(guān)，而且與觸發(fā)器的現(xiàn)態(tài)有關(guān)。（2）電路具有兩個穩(wěn)定狀態(tài)，在無外來觸發(fā)信號作用時，電路將保持原狀態(tài)不變。（3）在外加觸發(fā)信號有效時，電路可以

5、觸發(fā)翻轉(zhuǎn)，實現(xiàn)置0或置1。（4）在穩(wěn)定狀態(tài)下兩個輸出端的狀態(tài)和必須是互補關(guān)系，即有約束條件。在數(shù)字電路中，凡根據(jù)輸入信號R、S情況的不同，具有置0、置1和保持功能的電路，都稱為RS觸發(fā)器。集成基本RS觸發(fā)器EN1時工作EN0時禁止1S2S（二） 同步觸發(fā)器1、同步RS觸發(fā)器RSCP0時，R=S=1，觸發(fā)器保持原來狀態(tài)不變。CP1時，工作情況與基本RS觸發(fā)器相同。特性表特性方程CP=1期間有效主要特點波形圖（1）時鐘電平控制。在CP1期間接收輸入信號，CP0時狀態(tài)保持不變，與基本RS觸發(fā)器相比，對觸發(fā)器狀態(tài)的轉(zhuǎn)變增加了時間控制。（2）R、S之間有約束。不能允許出現(xiàn)R和S同時為1的情況，否則會使觸

6、發(fā)器處于不確定的狀態(tài)。不變不變不變不變不變不變置1置0置1置0不變2、同步JK觸發(fā)器CP=1期間有效為了避免R和S同時為1，將Q反饋作為輸入，即S=JQn、R=KQn代入同步RS觸發(fā)器的特性方程，得同步JK觸發(fā)器的特性方程：特性表JK=00時不變JK=01時置0JK=10時置1JK=11時翻轉(zhuǎn)狀態(tài)圖波形圖在數(shù)字電路中，凡在CP時鐘脈沖控制下，根據(jù)輸入信號J、K情況的不同，具有置0、置1、保持和翻轉(zhuǎn)功能的電路，都稱為JK觸發(fā)器。3、同步D觸發(fā)器（D鎖存器）CP=1期間有效為了避免R和S同時為1，在R和S之間連接一個非門，將S=D、R=D代入同步RS觸發(fā)器的特性方程，得同步D觸發(fā)器的特性方程：狀態(tài)

7、圖波形圖在數(shù)字電路中，凡在CP時鐘脈沖控制下，根據(jù)輸入信號D情況的不同，具有置0、置1功能的電路，都稱為D觸發(fā)器。集成同步D觸發(fā)器CP1、2CP3、4POL1時，CP1有效，鎖存的內(nèi)容是CP下降沿時刻D的值；POL0時，CP0有效，鎖存的內(nèi)容是CP上升沿時刻D的值。（三） 主從觸發(fā)器主從觸發(fā)器由兩個時鐘信號相反的同步觸發(fā)器相連而成，一個稱為主觸發(fā)器，一個稱為次觸發(fā)器。1、主從RS觸發(fā)器工作原理（1）接收輸入信號過程CP=1期間：主觸發(fā)器控制門G7、G8打開，接收輸入信號R、S，有： 從觸發(fā)器控制門G3、G4封鎖，其狀態(tài)保持不變。1001（2）輸出信號過程CP下降沿到來時，主觸發(fā)器控制門G7、G

8、8封鎖，在CP=1期間接收的內(nèi)容被存儲起來。同時，從觸發(fā)器控制門G3、G4被打開，主觸發(fā)器將其接收的內(nèi)容送入從觸發(fā)器，輸出端隨之改變狀態(tài)。在CP=0期間，由于主觸發(fā)器保持狀態(tài)不變，因此受其控制的從觸發(fā)器的狀態(tài)也即Q、Q的值當然不可能改變。CP下降沿到來時有效特性方程邏輯符號電路特點主從RS觸發(fā)器采用主從控制結(jié)構(gòu)，從根本上解決了輸入信號直接控制的問題，具有CP1期間接收輸入信號，CP下降沿到來時觸發(fā)翻轉(zhuǎn)的特點。但其仍然存在著約束問題，即在CP1期間，輸入信號R和S不能同時為1。2、主從JK觸發(fā)器代入主從RS觸發(fā)器的特性方程，即可得到主從JK觸發(fā)器的特性方程：將主從JK觸發(fā)器沒有約束。特性表時序圖

9、電路特點邏輯符號主從JK觸發(fā)器采用主從控制結(jié)構(gòu)，從根本上解決了輸入信號直接控制的問題，具有CP1期間接收輸入信號，CP下降沿到來時觸發(fā)翻轉(zhuǎn)的特點。輸入信號J、K之間沒有約束。存在一次變化問題。帶清零端和預(yù)置端的主從JK觸發(fā)器RD=0，直接置001111001SD=0，直接置110001111帶清零端和預(yù)置端的主從JK觸發(fā)器的邏輯符號集成主從JK觸發(fā)器低電平有效低電平有效CP下降沿觸發(fā)與輸入主從JK觸發(fā)器的邏輯符號主從JK觸發(fā)器功能完善，并且輸入信號J、K之間沒有約束。但主從JK觸發(fā)器還存在著一次變化問題，即主從JK觸發(fā)器中的主觸發(fā)器，在CP1期間其狀態(tài)能且只能變化一次，這種變化可以是J、K變化

10、引起，也可以是干擾脈沖引起，因此其抗干擾能力尚需進一步提高。3.主從T觸發(fā)器將JK觸發(fā)器的J端和K端連接在一起并用T表示，就得到了T觸發(fā)器，則特性表和特性方程如下：主從觸發(fā)器的動作特點：主從觸發(fā)器的狀態(tài)變化分兩步進行，第一步，在主觸發(fā)器的時鐘控制信號有效期間，輸入信號影響主觸發(fā)器的狀態(tài)，從觸發(fā)器的狀態(tài)不會改變；第二步，在從觸發(fā)器的時鐘控制信號由無效變?yōu)橛行?，從觸發(fā)器的狀態(tài)根據(jù)主觸發(fā)器的狀態(tài)而變化。（四）邊沿觸發(fā)器為進一步提供可靠性，增強抗干擾能力，克服主從觸發(fā)器存在的缺點，設(shè)計了邊沿觸發(fā)器。分為上邊沿和下邊沿觸發(fā)。邏輯符號如下：動作特點：觸發(fā)器輸出的次態(tài)僅取決于現(xiàn)態(tài)和動作邊沿時的輸入信號，在這

11、之前的輸入信號變化對觸發(fā)器輸出的次態(tài)無影響，提高了可靠性，增強了抗干擾能力。集成邊沿D觸發(fā)器注意：CC4013的異步輸入端RD和SD為高電平有效。CP上升沿觸發(fā)邊沿JK觸發(fā)器的邏輯符號邊沿JK觸發(fā)器的特點邊沿觸發(fā)，無一次變化問題。功能齊全，使用方便靈活?？垢蓴_能力極強，工作速度很高。集成邊沿JK觸發(fā)器74LS112為CP下降沿觸發(fā)。CC4027為CP上升沿觸發(fā)，且其異步輸入端RD和SD為高電平有效。注意（五） 不同類型觸發(fā)器之間的轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換步驟：（1）寫出已有觸發(fā)器和待求觸發(fā)器的特性方程。（2）變換待求觸發(fā)器的特性方程，使之形式與已有觸發(fā)器的特性方程一致。（3）比較已有和待求觸發(fā)器的特性方程，根

12、據(jù)兩個方程相等的原則求出轉(zhuǎn)換邏輯。（4）根據(jù)轉(zhuǎn)換邏輯畫出邏輯電路圖。轉(zhuǎn)換方法：利用令已有觸發(fā)器和待求觸發(fā)器的特性方程相等的原則，求出轉(zhuǎn)換邏輯。1、將JK觸發(fā)器轉(zhuǎn)換為RS、D、T和T觸發(fā)器JK觸發(fā)器RS觸發(fā)器RS觸發(fā)器特性方程變換RS觸發(fā)器的特性方程，使之形式與JK觸發(fā)器的特性方程一致：比較，得：電路圖JK觸發(fā)器D觸發(fā)器寫出D觸發(fā)器的特性方程，并進行變換，使之形式與JK觸發(fā)器的特性方程一致：與JK觸發(fā)器的特性方程比較，得：電路圖JK觸發(fā)器T觸發(fā)器在數(shù)字電路中，凡在CP時鐘脈沖控制下，根據(jù)輸入信號T取值的不同，具有保持和翻轉(zhuǎn)功能的電路，即當T0時能保持狀態(tài)不變，T1時一定翻轉(zhuǎn)的電路，都稱為T觸發(fā)器

13、。特性表邏輯符號T觸發(fā)器特性方程：與JK觸發(fā)器的特性方程比較，得：電路圖狀態(tài)圖時序圖JK觸發(fā)器T觸發(fā)器在數(shù)字電路中，凡每來一個時鐘脈沖就翻轉(zhuǎn)一次的電路，都稱為T觸發(fā)器。特性表邏輯符號T 觸發(fā)器特性方程：與JK觸發(fā)器的特性方程比較，得：電路圖變換T觸發(fā)器的特性方程：狀態(tài)圖時序圖2、將D觸發(fā)器轉(zhuǎn)換為JK、T和T觸發(fā)器D觸發(fā)器JK觸發(fā)器D觸發(fā)器T觸發(fā)器D觸發(fā)器T觸發(fā)器本節(jié)小結(jié)：觸發(fā)器是數(shù)字電路的極其重要的基本單元。觸發(fā)器有兩個穩(wěn)定狀態(tài)，在外界信號作用下，可以從一個穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪粋€穩(wěn)態(tài)；無外界信號作用時狀態(tài)保持不變。因此，觸發(fā)器可以作為二進制存儲單元使用。觸發(fā)器的邏輯功能可以用真值表、卡諾圖、特性方程

14、、狀態(tài)圖和波形圖等5種方式來描述。觸發(fā)器的特性方程是表示其邏輯功能的重要邏輯函數(shù)，在分析和設(shè)計時序電路時常用來作為判斷電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換的依據(jù)。各種不同邏輯功能的觸發(fā)器的特性方程為：RS觸發(fā)器：Qn+1=S+RQn，其約束條件為：RS0JK觸發(fā)器： Qn+1=JQn+KQnD觸發(fā)器： Qn+1=DT觸發(fā)器： Qn+1=TQn+TQnT觸發(fā)器： Qn+1=Qn同一種功能的觸發(fā)器，可以用不同的電路結(jié)構(gòu)形式來實現(xiàn)；反過來，同一種電路結(jié)構(gòu)形式，可以構(gòu)成具有不同功能的各種類型觸發(fā)器。時序邏輯電路的分析時序邏輯電路概述退出時序邏輯電路的分析(一) 時序邏輯電路概述1、時序電路的特點時序電路在任何時刻的穩(wěn)定輸出，

15、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)。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。邏輯表達式有：輸出方程狀態(tài)方程激勵方程3、時序電路的分類（1） 根據(jù)時鐘分類同步時序電路中，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，是異步進行的。 （2）根據(jù)輸出分類米利型時序電路的

16、輸出不僅與現(xiàn)態(tài)有關(guān)，而且還決定于電路當前的輸入。穆爾型時序電路的其輸出僅決定于電路的現(xiàn)態(tài)，與電路當前的輸入無關(guān)；或者根本就不存在獨立設(shè)置的輸出，而以電路的狀態(tài)直接作為輸出。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)表或時序圖判斷電路邏輯功能1235（二） 時序邏輯電路的分析方法時序電路的分析步驟：計算4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 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01

17、 1 10 0 10 1 11 0 11 1 10 0 00 1 01 0 01 1 0000011004畫狀態(tài)圖、時序圖狀態(tài)圖5電路功能時序圖有效循環(huán)的6個狀態(tài)分別是05這6個十進制數(shù)字的格雷碼，并且在時鐘脈沖CP的作用下，這6個狀態(tài)是按遞增規(guī)律變化的，即：000001011111110100000所以這是一個用格雷碼表示的六進制同步加法計數(shù)器。當對第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。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)動方程代入，即得電路的狀態(tài)方程：3計算、列

18、狀態(tài)表45電路功能由狀態(tài)圖可以看出，當輸入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位二進制同步可逆計數(shù)器。畫狀態(tài)圖時序圖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45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位二進制異步減法計數(shù)器。畫狀態(tài)圖、時序圖時序邏輯電路的設(shè)計同步時序邏輯電路設(shè)計退出異步時序邏輯電路的設(shè)計設(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1246（一） 時序邏輯電路的設(shè)計時序電路的設(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化簡例1建立原始狀態(tài)圖設(shè)計一個按自然態(tài)序變化的7進制同步加法計數(shù)器，計數(shù)規(guī)則為逢七進益，產(chǎn)生一個進位輸出。狀態(tài)化簡2狀態(tài)分配3已經(jīng)最簡。已是二進制狀態(tài)。4選觸發(fā)器，求時鐘、輸出、狀態(tài)、驅(qū)動方程因