時序邏輯電路在電路結(jié)構(gòu)和邏輯功能

1、時序邏輯電路在電路結(jié)構(gòu)和邏輯功能第五章 時序邏輯電路第一節(jié) 概述 一、定義：任一時刻電路的穩(wěn)定輸出不僅取決于當(dāng)時的輸入信號，而且還取決于電路原來的狀態(tài)，或者說，還與以前的輸入有關(guān)。結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)：1. 必須包含存儲器，通常還包含組合電路； 2.存儲器的輸出狀態(tài)必須反饋到組合電路的輸入端。CP ai bi ci-1(Q) si ci(D) 0 a0 b0 0 s0 c01 a1 b1 c0 s1 c12 a2 b2 c1 s2 c2由此可歸納出時序電路的框圖：2時序邏輯電路在電路結(jié)構(gòu)和邏輯功能二 、時序電路的框圖外部輸入外部輸出原狀態(tài): 新狀態(tài)：三、描述其邏輯功能的方程組驅(qū)動方程狀態(tài)變量輸出方程狀

2、態(tài)方程狀態(tài)用qlq1表示。3時序邏輯電路在電路結(jié)構(gòu)和邏輯功能四、時序電路的分類 同步時序邏輯電路：電路中所有觸發(fā)器狀態(tài)的變化都在同一 時鐘信號的同一邊沿發(fā)生。 異步時序邏輯電路：不滿足同步時序邏輯電路的條件。 不在同一時鐘邊沿翻轉(zhuǎn)； 沒有時鐘信號。按輸出信號的特點(diǎn)分，可分為米利型（Mealy）和 穆爾型（Moore）兩種。米利型：輸出信號與電路的狀態(tài)和輸入變量都有關(guān)。穆爾型：輸出信號只取決于電路的狀態(tài)。（電路可能沒有輸入信號）。按電路中觸發(fā)器的動作特點(diǎn)可分為：同步時序邏輯電路；異步時序邏輯電路。4時序邏輯電路在電路結(jié)構(gòu)和邏輯功能五、本章重點(diǎn) 時序電路的分析； 時序電路的設(shè)計； 常用電路。包括同

3、步和異步時序電路，以同步電路為重點(diǎn)只要求同步電路的設(shè)計；包括計數(shù)器和串行數(shù)據(jù)檢測器包括寄存器和計數(shù)器5時序邏輯電路在電路結(jié)構(gòu)和邏輯功能第二節(jié) 同步時序電路的分析方法例1：分析七進(jìn)制遞增計數(shù)器。要求：解：分析：必須求出三組方程: 輸出方程、驅(qū)動方程、狀態(tài)方程。第1步：求驅(qū)動方程和輸出方程J1= Q3Q2K1= 1J2= Q1 K2= Q1 Q3J3= Q2Q1K3= Q2驅(qū)動方程輸出方程:Y = Q3Q2 邏輯圖 邏輯功能6時序邏輯電路在電路結(jié)構(gòu)和邏輯功能第2步：求狀態(tài)方程 方法：將驅(qū)動方程代入所用觸發(fā)器的特性方程。Qn+1=J Qn + K Qn 省略表示原狀態(tài)的n： 為了更直觀的描述時序電路

4、的功能，還要引進(jìn)新的描述方法。如：狀態(tài)轉(zhuǎn)換表、狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖、時序圖（波形圖）。J1= Q3Q2K1= 1J2= Q1 K2= Q1 Q3J3= Q2Q1K3= Q27時序邏輯電路在電路結(jié)構(gòu)和邏輯功能第3步：求狀態(tài)轉(zhuǎn)換表第4步: 求狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖 有時還要畫電路的工作波形圖，也叫時序圖。X注意Q端順序和X,Y的標(biāo)法8時序邏輯電路在電路結(jié)構(gòu)和邏輯功能第5步： 求時序圖9時序邏輯電路在電路結(jié)構(gòu)和邏輯功能例2：分析圖示有輸入信號的時序電路：第1步:驅(qū)動方程、輸出方程第3步：狀態(tài)轉(zhuǎn)換表解：第2步：狀態(tài)方程可稱為次態(tài)卡諾圖10時序邏輯電路在電路結(jié)構(gòu)和邏輯功能 分析：這是一個可控計數(shù)器。當(dāng)A=0時，是加法計數(shù)器，

5、其狀態(tài)由00遞增到11，再從00開始；當(dāng)A=1時，是減法計數(shù)器，其狀態(tài)由11遞減到00，再從11開始。第四步：狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖11時序邏輯電路在電路結(jié)構(gòu)和邏輯功能第三節(jié) 若干常用時序邏輯電路一、寄存器和移位寄存器（一） 寄存器功能：寄存二值代碼。構(gòu)成：用各種結(jié)構(gòu)的觸發(fā)器均可實(shí)現(xiàn)。下面分析CC4076的功能：12時序邏輯電路在電路結(jié)構(gòu)和邏輯功能功能表：置數(shù)清零010D0110000高阻 1 cpENA+ENBLDA+LDBRDQ0Q0保持13時序邏輯電路在電路結(jié)構(gòu)和邏輯功能（二）移位寄存器功能：存儲的代碼能夠在移位脈沖的作用下依次左移或右移。應(yīng)用：數(shù)據(jù)的串行并行轉(zhuǎn)換、數(shù)值運(yùn)算以及數(shù)據(jù)處理等。構(gòu)成：各種

6、主從結(jié)構(gòu)、邊沿結(jié)構(gòu)的觸發(fā)器。以D觸發(fā)器最方便。分類：右移、左移、雙向。1.右移連接方程： Di = Qi-114時序邏輯電路在電路結(jié)構(gòu)和邏輯功能連接方程： Di = Qi-12.左移連接方程： Di = Qi+13.雙向連接方程： DI = S QI-1 + S QI+1S=1 右移， S=0 左移。15時序邏輯電路在電路結(jié)構(gòu)和邏輯功能4.集成移位寄存器74LS194A工作模式控制異步清零16時序邏輯電路在電路結(jié)構(gòu)和邏輯功能（三）擴(kuò)展與應(yīng)用擴(kuò)展例如: 用兩片74LS194A連成8位雙向移位寄存器。17時序邏輯電路在電路結(jié)構(gòu)和邏輯功能應(yīng)用舉例數(shù)值運(yùn)算Y =8M+2N置數(shù)右移18時序邏輯電路在電路

7、結(jié)構(gòu)和邏輯功能二、計數(shù)器（一）同步計數(shù)器2.分類：同步、異步；加法（遞增）、減法、可逆（加/減）；二進(jìn)制、二十進(jìn)制、任意進(jìn)制。3.參數(shù)：模：一個工作循環(huán)包含的狀態(tài)數(shù)。也稱為進(jìn)制。1.二進(jìn)制計數(shù)器模為二的整數(shù)次冪。構(gòu)成：一般用T觸發(fā)器。 下面以四位二進(jìn)制加法計數(shù)器為例，研究分析方法。而減法和可逆計數(shù)器只作一般介紹。1.功能：對輸入的時鐘脈沖進(jìn)行計數(shù)。按觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)情況分類按計數(shù)器中數(shù)字增減分類按計數(shù)器中數(shù)字編碼分類19時序邏輯電路在電路結(jié)構(gòu)和邏輯功能第1步：驅(qū)動方程，輸出方程C=Q3Q2Q1Q0第2步：狀態(tài)方程=Q0 Q1=Q0Q1 Q2第三步：狀態(tài)轉(zhuǎn)換表見下頁。T1=Q0T2=Q0Q1T3=Q0

8、Q1Q2T0=1=Q0Q1 Q2 Q320時序邏輯電路在電路結(jié)構(gòu)和邏輯功能Q0n+1=Q0Q1n+1=Q0 Q1Q1n+1=Q0Q1 Q2Q2n+1=Q0Q1 Q2Q3n+1=Q0Q1Q2 Q321時序邏輯電路在電路結(jié)構(gòu)和邏輯功能第4步：狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖第5步：時序圖Q0為2分頻;Q1為4分頻；Q2為8分頻；Q3和C為16分頻。應(yīng)用：分頻器。22時序邏輯電路在電路結(jié)構(gòu)和邏輯功能中規(guī)模集成4位同步二進(jìn)制計數(shù)器74161同步預(yù)置數(shù)異步清零工作狀態(tài)控制數(shù)據(jù)輸入74LS162,74LS163等是同步清零方式23時序邏輯電路在電路結(jié)構(gòu)和邏輯功能用T觸發(fā)器構(gòu)成CC4520特點(diǎn)：通過控制時鐘信號的有無來控制觸發(fā)器

9、的翻轉(zhuǎn)。Q0=1時，CP可通過Q0Q1=1時，CP可通過Q0Q1Q2=1時，CP可通過24時序邏輯電路在電路結(jié)構(gòu)和邏輯功能同步二進(jìn)制減法計數(shù)器 同理，也可以用控制時鐘信號的方法，用T觸發(fā)器來構(gòu)成。CC14526就是這樣一種電路。使用T 觸發(fā)器，控制信號均來自前級的 端。Q(i=1,2n-1)25時序邏輯電路在電路結(jié)構(gòu)和邏輯功能二進(jìn)制加/減計數(shù)器（可逆計數(shù)器） a.單時鐘式（加/減控制式） 將加和減計數(shù)器的驅(qū)動方程組合起來，就得到可逆計數(shù)器的驅(qū)動方程。電路的時序圖請參閱圖。74LS191加/減控制端異步置數(shù)26時序邏輯電路在電路結(jié)構(gòu)和邏輯功能b.雙時鐘式74LS193異步置數(shù)異步清零27時序邏輯

10、電路在電路結(jié)構(gòu)和邏輯功能2.十進(jìn)制計數(shù)器加法計數(shù)器 重點(diǎn)介紹加法計數(shù)器。減法和可逆計數(shù)器情況與二進(jìn)制計數(shù)器類似。功能：模為十的計數(shù)器。C=Q3Q028時序邏輯電路在電路結(jié)構(gòu)和邏輯功能 狀態(tài)轉(zhuǎn)換表 狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖有效循環(huán)無效狀態(tài)無效狀態(tài)由于有十個狀態(tài)循環(huán)，故稱為十進(jìn)制計數(shù)器。由于六個無效狀態(tài)都可以在時鐘信號作用下進(jìn)入有效循環(huán)，故稱為可自啟動的計數(shù)器。29時序邏輯電路在電路結(jié)構(gòu)和邏輯功能時序圖c0t74LS1605分頻10分頻其各輸入端的功能與74LS161完全相同。30時序邏輯電路在電路結(jié)構(gòu)和邏輯功能減法計數(shù)器31時序邏輯電路在電路結(jié)構(gòu)和邏輯功能3.任意進(jìn)制計數(shù)器 可用觸發(fā)器設(shè)計；也可用中規(guī)模計數(shù)器

11、構(gòu)成后面將單獨(dú)介紹。可逆計數(shù)器74LS190是加減控制式.32時序邏輯電路在電路結(jié)構(gòu)和邏輯功能（二）異步計數(shù)器1.二進(jìn)制計數(shù)器加法計數(shù)器Q2Q1Q0000001010011100101110111與同步計數(shù)器比，具有如下特點(diǎn)：* 電路簡單；* 速度慢； 常見MSI有：74LS293、74LS393、74HC3934位；CC4024（7位）、CC4040(12位)、CC4060(14位).特點(diǎn)：當(dāng)Qi-1有下降沿時，Qi翻轉(zhuǎn)。構(gòu)成：用T/觸發(fā)器；CPi=Qi-1CP0=cp33時序邏輯電路在電路結(jié)構(gòu)和邏輯功能減法計數(shù)器特點(diǎn)：前級 端接后級CP端。 利用上升沿翻轉(zhuǎn)的觸發(fā)器也可構(gòu)成加法和減法計數(shù)器。

12、請同學(xué)自行分析。34時序邏輯電路在電路結(jié)構(gòu)和邏輯功能2.十進(jìn)制計數(shù)器 以十進(jìn)制計數(shù)器為例介紹異步時序電路的分析方法。 特點(diǎn)：步驟與同步電路相同，區(qū)別在于要隨時注意各觸發(fā)器的時鐘信號。第一步：驅(qū)動方程，輸出方程時鐘方程第二步：狀態(tài)方程CP0=CPCP1=Q0CP2=Q1CP3=Q0C=Q3Q0CP35時序邏輯電路在電路結(jié)構(gòu)和邏輯功能CP第三步：狀態(tài)表第四步：狀態(tài)圖36時序邏輯電路在電路結(jié)構(gòu)和邏輯功能74LS290 簡介置9 端：S9 1S9 2 = 1時，狀態(tài)置為1001 (9).置0 端：S0 1S0 2 = 1時，狀態(tài)置為0000 (0). 時鐘由CP1輸入時，為五進(jìn)制計數(shù)器。時鐘由CP0輸

13、入時，將Q0與CP1相連，為十進(jìn)制計數(shù)器。異步置9端異步置0端二五十進(jìn)制計數(shù)器等效為這樣37時序邏輯電路在電路結(jié)構(gòu)和邏輯功能（三） 任意計數(shù)器的構(gòu)成方法用狀態(tài)圖解釋上述三種方法：如何用MSI計數(shù)器構(gòu)成任意進(jìn)制計數(shù)器。設(shè)已知MSI計數(shù)器的模為N,要構(gòu)成的任意進(jìn)制計數(shù)器的模為M。方法：1.用門（一般為與非門）譯出對應(yīng)狀態(tài)S1;2.再清零或置數(shù)具體操作分三種情況：(1) 用 端清零異步置零法；(3) 用 端置數(shù)同步置數(shù)法；(2) 用 端清零同步置零法；異步置零法同步置零法同步置數(shù)法有的器件 端是異步工作的38時序邏輯電路在電路結(jié)構(gòu)和邏輯功能 MN如何處理兩級間連接方法 方法：用多片N進(jìn)制計數(shù)器連成模

14、大于M的計數(shù)器，再用上述三種方法連成M進(jìn)制計數(shù)器。也可由M=M1*M2，先構(gòu)成M1、M2進(jìn)制計數(shù)器，再進(jìn)行級聯(lián)。1.并行進(jìn)位法同步工作方式注意此處連接方式42時序邏輯電路在電路結(jié)構(gòu)和邏輯功能2.串行進(jìn)位法異步工作方式注意非門的使用43時序邏輯電路在電路結(jié)構(gòu)和邏輯功能用RD端整體置零譯碼的狀態(tài)仍為MG1、G2門均可作為進(jìn)位輸出用LD端整體置數(shù)例如：29進(jìn)制計數(shù)器。仍為29進(jìn)制計數(shù)器（置0法）44時序邏輯電路在電路結(jié)構(gòu)和邏輯功能用M=M1*M2級聯(lián)的方法M1=10 ，M2= 6 , M=60 。注意兩種進(jìn)位方式。145時序邏輯電路在電路結(jié)構(gòu)和邏輯功能（四）移位寄存器型計數(shù)器1.環(huán)形計數(shù)器 以移位寄

15、存器為基礎(chǔ)，通過修改反饋邏輯，構(gòu)成計數(shù)器。0001100001000010001110011100011001111011110111100101101000001111主循環(huán)主循環(huán)1. 模等于觸發(fā)器 個數(shù)，即 N = n 。2. 不需譯碼。3. 不能自起動。特點(diǎn)：46時序邏輯電路在電路結(jié)構(gòu)和邏輯功能解決自啟動的方法： 或非門的輸入不包括最右面觸發(fā)器Q端。47時序邏輯電路在電路結(jié)構(gòu)和邏輯功能2. 扭環(huán)形計數(shù)器特點(diǎn)：1.模等于觸發(fā)器個數(shù)的2倍- N = 2 n；2.不能自啟動；3.需要譯碼，但電路簡單，且無競爭冒險。有效循環(huán)無效循環(huán)48時序邏輯電路在電路結(jié)構(gòu)和邏輯功能解決自啟動的方法： 在D0驅(qū)

16、動方程中或一個與項，使有效循環(huán)保持、無效循環(huán)被切斷： D0= Q3 + P .Q0 n+1 = Q3 + Q1Q2有效循環(huán)無效循環(huán)P=Q0Q1Q2Q31110101110010010010110100Q0Q1Q2Q3P=Q1 Q2K圖中空格代表約束項。Q0n+1K圖可用約束項化簡P式=Q3 Q1Q249時序邏輯電路在電路結(jié)構(gòu)和邏輯功能10110110010110100Q0Q1Q2Q3譯碼方法Y0 = Q0 Q3以0000狀態(tài)為例：同理：Y1 = Q0 Q1Y2 = Q1 Q2Y3 = Q2 Q3Y4 = Q0 Q3Y5 = Q0 Q1Y6 = Q1 Q2Y7 = Q2Q30000狀態(tài)（譯碼為Y

17、0）的K圖50時序邏輯電路在電路結(jié)構(gòu)和邏輯功能第四節(jié) 同步時序邏輯電路的設(shè)計方法一、設(shè)計的步驟：任務(wù)：功能 邏輯圖 邏輯圖 驅(qū)動方程輸出方程狀態(tài)方程狀態(tài)轉(zhuǎn)換表狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖第一步第二步第三步第四步我們以圖示電路為例，由后向前推出設(shè)計必要的步驟：Qn+1=J Qn+K Qn51時序邏輯電路在電路結(jié)構(gòu)和邏輯功能二、設(shè)計舉例1. 計數(shù)器設(shè)計 例1:設(shè)計同步13進(jìn)制加法計數(shù)器。第一步：狀態(tài)圖 計數(shù)器的狀態(tài)圖可直接畫出。但要事先約定好編碼。 13進(jìn)制計數(shù)器有13個狀態(tài)循環(huán)，可采用4位編碼:011100001000100001100100001010011000100001001010100101100000

18、11001第二步：狀態(tài)方程，輸出方程要借助次態(tài)卡諾圖來求狀態(tài)方程；而輸出方程則很容易求出。1011010010110100Q3Q2Q1Q001110001001001000011010101101000000010011010110010110111Q3Q2Q1Q0C52時序邏輯電路在電路結(jié)構(gòu)和邏輯功能將次態(tài)卡諾圖分為4個卡諾圖：Q3Q2Q3n+1=Q2Q1Q0 + Q2Q3Q2n+1=Q1Q0Q2+ (Q1+Q0)Q3Q2選擇JK觸發(fā)器。1011010010110100Q3Q2Q1Q0000100100100001101010110100000001001101011001011011110

19、11010010110100Q3Q2Q1Q011111Q3Q21011010010110100Q1Q011111Q2Q1Q0(Q3+Q3)Q3n+1=Q2Q1Q0Q3 + Q2Q3返回53時序邏輯電路在電路結(jié)構(gòu)和邏輯功能Q1輸出方程： C= Q3Q2Q3Q21011010010110100Q1Q0111111Q3Q21011010010110100Q1Q0111111Q1n+1=Q0Q1+Q0Q1Q0n+1=(Q3+Q2)Q0Q0為便于觀察我們把Q3和Q2的方程也列在下面：Q3n+1=Q2Q1Q0Q3 + Q2Q3Q2n+1=Q1Q0Q2+ (Q1+Q0)Q3Q254時序邏輯電路在電路結(jié)構(gòu)和邏

20、輯功能第三步：驅(qū)動方程Q1n+1=Q0Q1+Q0Q1Q0n+1=(Q3+Q2)Q0J3=Q2Q1Q0 K3= Q2Q2n+1=Q1Q0Q2+(Q1+Q0)Q3Q2Q3n+1 = Q2Q1Q0Q3+Q2Q3J1=Q0 K1 =Q0J2=Q1Q0 K2= Q3 Q1Q0第四步：畫邏輯圖J0=Q3Q2 K0= 1C=Q3Q2由于存在未使用狀態(tài)，還有第五步。返回55時序邏輯電路在電路結(jié)構(gòu)和邏輯功能Q3Q21011010010110100Q3Q2Q1Q011111Q3Q21011010010110100Q1Q011111Q3Q21011010010110100Q1Q0111111Q3Q210110100

21、10110100Q1Q0111111Q1Q0第五步：檢查自啟動1101111011110010000011156時序邏輯電路在電路結(jié)構(gòu)和邏輯功能 說明：如電路能自啟動，可在第一步中將狀態(tài)圖畫成右圖形式。解：“111”序列檢測器XYCP 例2：設(shè)計一個串行數(shù)據(jù)檢測器。要求：連續(xù)輸入三個或三個以上1時輸出為1,其他情況下輸出為0。2.序列檢測器設(shè)計 步驟與計數(shù)器設(shè)計相同，只是第一步-求狀態(tài)圖要復(fù)雜些，可將其分為3小步：1.求原始狀態(tài)圖；2.狀態(tài)化簡；3.狀態(tài)編碼。第一步：求狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。能自啟動。57時序邏輯電路在電路結(jié)構(gòu)和邏輯功能1.求原始狀態(tài)圖 因為不知所需狀態(tài)數(shù)（這點(diǎn)與計數(shù)器不同），因此先用字母表示狀態(tài)，進(jìn)行邏輯抽象。S0 : 沒有收到1；S1 : 收到1個1；S2 : 收到2個1；S3 : 收到3個以上1。S0S1S2S30/00/01