時序邏輯電路

1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：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。CPai

bici-1(Q)

si

ci(D)

0a0b00s0c01a1b1c0s1c12a2b2c1s2c2…由此可歸納出時序電路的框圖：2二、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)變量輸出方程狀態(tài)方程狀態(tài)用qlq1表示。3四、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)器的動作特點可分為：同步時序邏輯電路；異步時序邏輯電路。4五、本章重點

時序電路的分析；時序電路的設(shè)計；常用電路。包括同步和異步時序電路，以同步電路為重點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第二節(jié)同步時序電路的分析方法例1：分析七進制遞增計數(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=Q1K2=Q1Q3J3=Q2Q1K3=Q2驅(qū)動方程輸出方程:Y=Q3Q2

邏輯圖

邏輯功能6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=JQn

+KQn

省略表示原狀態(tài)的n：

為了更直觀的描述時序電路的功能，還要引進新的描述方法。如：狀態(tài)轉(zhuǎn)換表、狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖、時序圖（波形圖）。J1=Q3Q2K1=1J2=Q1K2=Q1Q3J3=Q2Q1K3=Q27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第5步：求時序圖9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

分析：這是一個可控計數(shù)器。當(dāng)A=0時，是加法計數(shù)器，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)器均可實現(xiàn)。下面分析CC4076的功能：12功能表：置數(shù)清零010D01100××00高阻

×

×

×1

cpENA+ENBLDA+LDBRDQ0Q0保持13（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)值運算以及數(shù)據(jù)處理等。構(gòu)成：各種主—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連接方程：Di

=Qi-12.左移連接方程：Di=Qi+13.雙向連接方程：DI=SQI-1+SQI+1S=1右移，S=0左移。154.集成移位寄存器—74LS194A工作模式控制異步清零16（三）擴展與應(yīng)用擴展例如:用兩片74LS194A連成8位雙向移位寄存器。17應(yīng)用舉例——數(shù)值運算Y=8M+2N置數(shù)右移18二、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）；二進制、二—十進制、任意進制。3.參數(shù)：模：一個工作循環(huán)包含的狀態(tài)數(shù)。也稱為進制。1.二進制計數(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第1步：驅(qū)動方程，輸出方程C=Q3Q2Q1Q0第2步：狀態(tài)方程=Q0Q1=Q0Q1Q2第三步：狀態(tài)轉(zhuǎn)換表見下頁。T1=Q0T2=Q0Q1T3=Q0Q1Q2T0=1=Q0Q1Q2Q320Q0n+1=Q0Q1n+1=Q0Q1Q1n+1=Q0Q1Q2Q2n+1=Q0Q1Q2Q3n+1=Q0Q1Q2Q321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中規(guī)模集成4位同步二進制計數(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用T’觸發(fā)器構(gòu)成——CC4520特點：通過控制時鐘信號的有無來控制觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)。Q0=1時，CP可通過Q0Q1=1時，CP可通過Q0Q1Q2=1時，CP可通過24同步二進制減法計數(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=1,2…n-1)25二進制加/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5.3.18?！?4LS191加/減控制端異步置數(shù)26b.雙時鐘式——74LS193異步置數(shù)異步清零272.十進制計數(shù)器加法計數(shù)器

重點介紹加法計數(shù)器。減法和可逆計數(shù)器情況與二進制計數(shù)器類似。功能：模為十的計數(shù)器。C=Q3Q028

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入有效循環(huán)，故稱為可自啟動的計數(shù)器。29時序圖c0t74LS1605分頻10分頻其各輸入端的功能與74LS161完全相同。30減法計數(shù)器313.任意進制計數(shù)器

可用觸發(fā)器設(shè)計；也可用中規(guī)模計數(shù)器構(gòu)成——后面將單獨介紹?？赡嬗嫈?shù)器74LS190是加減控制式.32（二）異步計數(shù)器1.二進制計數(shù)器加法計數(shù)器Q2Q1Q0000001010011100101110111與同步計數(shù)器比，具有如下特點：*電路簡單；*速度慢；

常見MSI有：74LS293、74LS393、74HC393——4位；CC4024（7位）、CC4040(12位)、CC4060(14位).特點：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減法計數(shù)器特點：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。請同學(xué)自行分析。342.十進制計數(shù)器

以十進制計數(shù)器為例介紹異步時序電路的分析方法。

特點：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=Q3Q0CP35CP第三步：狀態(tài)表第四步：狀態(tài)圖3674LS290簡介置9端：S91·S92=1時，狀態(tài)置為1001(9).置0端：S01·S02=1時，狀態(tài)置為0000(0).

時鐘由CP1輸入時，為五進制計數(shù)器。時鐘由CP0輸入時，將Q0與CP1相連，為十進制計數(shù)器。異步置9端異步置0端二—五—十進制計數(shù)器等效為這樣37（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

※M<N的情況

1.異步置零法——

利用端

例：利用74160構(gòu)成六進制計數(shù)器。(M=6,N=10)

若不接Q0和Q3，則狀態(tài)圖中無效狀態(tài)轉(zhuǎn)換情況有變化。缺點：置零不可靠方法：用與非門譯出狀態(tài)M。此線被切斷39改進電路CPG1Q狀態(tài)6051可作進位輸出特點：用基本RSFF鎖存G1門的低電平信號。下面用波形圖來說明（忽略74160的延遲時間）低電平時間等于CP高電平時間403.同步置數(shù)法——利用端方法：譯出狀態(tài)M-1。注意：若包含狀態(tài)1001，則C端有進位輸出；若欲譯狀態(tài)1001，則在C端接非門即可。2.同步置零法——利用端譯4置9141※若M>N如何處理兩級間連接方法

方法：用多片N進制計數(shù)器連成模大于M的計數(shù)器，再用上述三種方法連成M進制計數(shù)器。也可由M=M1*M2，先構(gòu)成M1、M2進制計數(shù)器，再進行級聯(lián)。1.并行進位法——同步工作方式注意此處連接方式422.串行進位法——異步工作方式注意非門的使用43用RD端整體置零譯碼的狀態(tài)仍為MG1、G2門均可作為進位輸出用LD端整體置數(shù)例如：29進制計數(shù)器。仍為29進制計數(shù)器（置0法）44用M=M1*M2級聯(lián)的方法M1=10，M2=6,M=60。注意兩種進位方式。145（四）移位寄存器型計數(shù)器1.環(huán)形計數(shù)器

以移位寄存器為基礎(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：46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。472.扭環(huán)形計數(shù)器特點：1.模等于觸發(fā)器個數(shù)的2倍------N=2n；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解決自啟動的方法：

在D0驅(qū)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.Q0n+1

=Q3+Q1Q2有效循環(huán)無效循環(huán)P=Q0Q1Q2Q31110101110010010010110100Q0Q1Q2Q3P=Q1Q2K圖中空格代表約束項。Q0n+1K圖可用約束項化簡P式=Q3Q1Q24910110110010110100Q0Q1Q2Q3譯碼方法Y0=Q0Q3以0000狀態(tài)為例：同理：Y1=Q0Q1Y2=Q1Q2Y3=Q2Q3Y4=Q0Q3Y5=Q0Q1Y6=Q1Q2Y7=Q2Q30000狀態(tài)（譯碼為Y0）的K圖50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=JQn+KQn51二、設(shè)計舉例1.計數(shù)器設(shè)計

例1:設(shè)計同步13進制加法計數(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進制計數(shù)器有13個狀態(tài)循環(huán)，可采用4位編碼:01110000100010000110010000101001100010000100101010010110000011001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。1011010010110100Q3Q2Q1Q000010010010000110101011010000000100110101100101101111011010010110100Q3Q2Q1Q011111Q3Q21011010010110100Q1Q011111Q2Q1Q0(Q3+Q3)Q3n+1=Q2Q1Q0Q3+Q2Q3返回53Q1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第三步：驅(qū)動方程Q1n+1=Q0Q1+Q0Q1Q0n+1=(Q3+Q2)Q0J3=Q2Q1Q0K3=Q2Q2n+1=Q1Q0Q2+(Q1+Q0)Q3Q2Q3n+1=Q2Q1Q0Q3+Q2Q3J1=Q0K1=Q0J2=Q1Q0K2=Q3Q1Q0第四步：畫邏輯圖J0=Q3Q2K0=1C=Q3Q2由于存在未使用狀態(tài)，還有第五步。返回55Q3Q21011010010110100Q3Q2Q1Q011111Q3Q21011010010110100Q1Q011111×××Q3Q21011010010110100Q1Q0111111Q3Q21011010010110100Q1Q0111111Q1Q0第五步：檢查自啟動1101111011110010000011156

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。571.求原始狀態(tài)圖

因為不知所需狀態(tài)數(shù)（這點與計數(shù)器不同），因此先用字母表示狀態(tài)，進行邏輯抽象。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。S0S1S2S30/00/01/00/01/01/10/02.進行狀態(tài)化簡

操作：尋找等價狀態(tài)，只保留一個等價狀態(tài)在狀態(tài)圖中。等價狀態(tài)：在同樣的輸入下有同樣的輸出，而且次態(tài)也相同。

在本例中，S2與S3等價。因此只保留S2。且將S2定義為收到