第六章 同步時(shí)序邏輯電路的設(shè)計(jì)

數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ)閻石主編（第五版）信息科學(xué)與工程學(xué)院基礎(chǔ)部06.3若干常用的時(shí)序邏輯電路6.3.1寄存器和移位寄存器【】?jī)?nèi)容回顧二、移位寄存器（代碼在寄存器中左/右移動(dòng)）具有存儲(chǔ)+移位功能一、數(shù)碼寄存器1Q0Q1Q2Q3DIRD0D1D2D3DIL74LS194AS1S0CLKRD雙向移位寄存器74LS194A的邏輯符號(hào)及功能表（a）邏輯圖形符號(hào)工作狀態(tài)0××直接清零100001111111保持右移左移并行輸入（b）功能表R￠DS1S0R￠D結(jié)論：清零功能最優(yōu)先（異步方式）。移位、并行輸入都需CLK的↑到來(lái)（同步方式）2t1t2t3t4P276例6.3.1Y=M*8+N*2低位輸出

高位輸出

3DC1QQ￠DC1QDC1QDC1QCLKQ1Q2Q0Q3移位寄存器型計(jì)數(shù)器電路的一般結(jié)構(gòu)反饋邏輯電路D0Q￠Q￠Q￠其反饋電路的表達(dá)式為移位寄存器型計(jì)數(shù)器的結(jié)構(gòu)可表示為圖所示的框圖形式。6.3.2計(jì)數(shù)器環(huán)形計(jì)數(shù)器是反饋函數(shù)中最簡(jiǎn)單的一種，其D0=Q3五、移位寄存器型計(jì)數(shù)器41.環(huán)形計(jì)數(shù)器（P305）電路如圖所示，將移位寄存器首尾相接，則在時(shí)鐘脈沖信號(hào)作用下，數(shù)據(jù)將循環(huán)右移。6.3.2計(jì)數(shù)器5設(shè)初態(tài)為Q0Q1Q2Q3=1000,則其狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖為6.3.2計(jì)數(shù)器注：此電路有幾種無(wú)效循環(huán)，而且一旦脫離有效循環(huán)，則不會(huì)自動(dòng)進(jìn)入到有效循環(huán)中，故此環(huán)形計(jì)數(shù)器不能自啟動(dòng)，必須將電路置到有效循環(huán)的某個(gè)狀態(tài)中。6DC1QQ￠DC1QDC1QDC1QCLKQ1Q2Q0Q3能自啟動(dòng)的環(huán)形計(jì)數(shù)器電路反饋邏輯電路Q￠Q￠Q￠6.3.2計(jì)數(shù)器加了反饋邏輯電路的能自啟動(dòng)的環(huán)形計(jì)數(shù)器的電路其狀態(tài)方程為7則可畫(huà)出它的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖為6.3.2計(jì)數(shù)器有效循環(huán)1.環(huán)形計(jì)數(shù)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需另加譯碼電路；2.環(huán)形計(jì)數(shù)器的缺點(diǎn)是沒(méi)有充分利用電路的狀態(tài)。n位移位寄存器組成的環(huán)形計(jì)數(shù)器只用了n個(gè)狀態(tài)，而電路共有2n個(gè)狀態(tài)。8環(huán)扭形計(jì)數(shù)器（也叫約翰遜計(jì)數(shù)器），其D0=Q

36.3.2計(jì)數(shù)器其狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖為此電路不能自啟動(dòng)?。?！2.扭環(huán)形計(jì)數(shù)器9為了實(shí)現(xiàn)自啟動(dòng)，則將電路修改成如圖所示電路。6.3.2計(jì)數(shù)器DC1QQ￠DC1QDC1QDC1QCLKQ1Q2Q0Q3可以自啟動(dòng)的扭環(huán)形計(jì)數(shù)器電路Q￠Q￠Q￠10其狀態(tài)轉(zhuǎn)換表為6.3.2計(jì)數(shù)器DC1QQ￠DC1QDC1QDC1QCLKQ1Q2Q0Q3可以自啟動(dòng)的扭環(huán)形計(jì)數(shù)器電路Q￠Q￠Q￠116.3.2計(jì)數(shù)器a.n位移位寄存器構(gòu)成的扭環(huán)型計(jì)數(shù)器的有效循環(huán)狀態(tài)為2n個(gè)，比環(huán)形計(jì)數(shù)器提高了一倍;b.在有效循環(huán)狀態(tài)中，每次轉(zhuǎn)換狀態(tài)只有一個(gè)觸發(fā)器改變狀態(tài)，這樣在將電路狀態(tài)譯碼時(shí)不會(huì)出現(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)－冒險(xiǎn)現(xiàn)象;c.雖然扭環(huán)型計(jì)數(shù)器的電路狀態(tài)的利用率有所提高，但仍有(2n－2n)個(gè)狀態(tài)沒(méi)有利用。

扭環(huán)型計(jì)數(shù)器的特點(diǎn)12六、計(jì)數(shù)器的應(yīng)用1.用計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)順序脈沖發(fā)生器（P311）順序脈沖發(fā)生器(節(jié)拍發(fā)生器)是把輸入的脈沖序列變換成一組在時(shí)間上有一定先后順序出現(xiàn)的脈沖信號(hào)的電路.可由計(jì)數(shù)器和譯碼器組合而成.在一些數(shù)字系統(tǒng)中，有時(shí)需要系統(tǒng)按照事先規(guī)定的順序進(jìn)行一系列的操作，這就要求系統(tǒng)的控制部分能給出一組在時(shí)間上有一定先后順序的脈沖信號(hào)，能產(chǎn)生這種信號(hào)的電路就是順序脈沖發(fā)生器。13CLK2134567891014在數(shù)字信號(hào)的傳輸和數(shù)字系統(tǒng)的測(cè)試中，有時(shí)會(huì)用到一組特定的串行數(shù)字信號(hào)，如00010111（時(shí)間順序?yàn)橛勺蠖遥┑龋@種串行數(shù)字信號(hào)叫做序列信號(hào)。序列信號(hào)發(fā)生器是能夠循環(huán)產(chǎn)生一組或多組序列信號(hào)的時(shí)序電路，它可以用計(jì)數(shù)器和數(shù)據(jù)選擇器實(shí)現(xiàn)，也可采用帶反饋邏輯電路的移位寄存器構(gòu)成。六、計(jì)數(shù)器的應(yīng)用2.序列信號(hào)發(fā)生器

1500010111（時(shí)間順序?yàn)橛勺蠖遥?6序列信號(hào)輸出為0011011117六、計(jì)數(shù)器的應(yīng)用3.用計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)數(shù)字頻率計(jì)18六、計(jì)數(shù)器的應(yīng)用3.用計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)數(shù)字頻率計(jì)196.4.1同步時(shí)序邏輯電路的設(shè)計(jì)方法步驟：一、邏輯抽象，得出電路的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖或狀態(tài)轉(zhuǎn)換表1.分析給定的邏輯問(wèn)題，確定輸入變量、輸出變量以及電路的狀態(tài)數(shù)。通常取原因（或條件）作為輸入邏輯變量，取結(jié)果作輸出邏輯變量；2.定義輸入、輸出變量的邏輯狀態(tài)和每個(gè)電路狀態(tài)的含義，并將電路狀態(tài)順序編號(hào)；3.按照題意列出電路的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表或畫(huà)出電路的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。6.4時(shí)序邏輯電路的設(shè)計(jì)方法20二、狀態(tài)化簡(jiǎn)

若兩個(gè)電路狀態(tài)在相同的輸入下有相同的輸出，并且轉(zhuǎn)換到同樣的一個(gè)狀態(tài)去，則稱這兩個(gè)狀態(tài)為等價(jià)狀態(tài)。等價(jià)狀態(tài)可以合并，這樣設(shè)計(jì)的電路狀態(tài)數(shù)少，電路越簡(jiǎn)單。6.4.1同步時(shí)序邏輯電路的設(shè)計(jì)方法三、狀態(tài)分配(狀態(tài)分配也叫狀態(tài)編碼)a.確定觸發(fā)器的數(shù)目n；b.確定電路的狀態(tài)數(shù)M

，應(yīng)滿足2n－1<M≤2n;c.進(jìn)行狀態(tài)編碼，即將電路的狀態(tài)和觸發(fā)器狀態(tài)組合對(duì)應(yīng)起來(lái)。21a.選定觸發(fā)器的類型；b.由狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖（或狀態(tài)轉(zhuǎn)換表）和選定的狀態(tài)編碼、觸發(fā)器的類型，寫(xiě)出電路的狀態(tài)方程、驅(qū)動(dòng)方程和輸出方程。五、根據(jù)得到的方程式畫(huà)出邏輯圖六、檢查設(shè)計(jì)的電路能否自啟動(dòng)若電路不能自啟動(dòng)，則應(yīng)采取下面措施：a.通過(guò)預(yù)置數(shù)將電路狀態(tài)置成有效循環(huán)狀態(tài)中；b.通過(guò)修改邏輯設(shè)計(jì)加以解決。四、選定觸發(fā)器的類型，求出電路的狀態(tài)方程、驅(qū)動(dòng)方程和輸出方程6.4.1同步時(shí)序邏輯電路的設(shè)計(jì)方法22同步時(shí)序邏輯電路設(shè)計(jì)過(guò)程框圖如圖6.4.1所示。6.4.1同步時(shí)序邏輯電路的設(shè)計(jì)方法組合邏輯電路設(shè)計(jì)過(guò)程框圖23【例1】

用JK觸發(fā)器設(shè)計(jì)一個(gè)六進(jìn)制同步計(jì)數(shù)器。

(1)原始狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖（邏輯抽象）S0S1S2S5S4S3000001(2)狀態(tài)分配取二進(jìn)制自然碼順序得到狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。000001010101100011000001根據(jù)設(shè)計(jì)要求，設(shè)定狀態(tài)，畫(huà)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。該狀態(tài)圖不需化簡(jiǎn)。24000001010101100011000001(3)求方程Q2Q1Q00001111001

XXX/X

100/0101/0000/1011/0001/0010/0XXX/X

填次態(tài)卡諾圖Q2*Q1*Q0*/C的卡諾圖25Q2Q1Q00001111001

XXX/X

100/0101/0000/1011/0001/0010/0XXX/X

Q2Q1Q00001111001

X

110000X

Q2*的卡諾圖Q2*Q1*Q0*/C的卡諾圖26Q2Q1Q00001111001

XXX/X

100/0101/0000/1011/0001/0010/0XXX/X

Q2Q1Q00001111001

X

000101X

Q1*的卡諾圖Q2*Q1*Q0*/C的卡諾圖27Q2Q1Q00001111001

XXX/X

100/0101/0000/1011/0001/0010/0XXX/X

Q2Q1Q00001111001

X

010110X

Q0*的卡諾圖Q2*Q1*Q0*/C的卡諾圖28Q2Q1Q00001111001

XXX/X

100/0101/0000/1011/0001/0010/0XXX/X

Q2Q1Q00001111001

X

001000X

C的卡諾圖Q2*Q1*Q0*/C的卡諾圖29選用J、K觸發(fā)器30(4)畫(huà)邏輯圖1JC11KC11KFF1FF0Q0Q1CLKC11KFF2CQ21J1J31(5)檢查自啟動(dòng)將無(wú)效狀態(tài)110和111分別代入狀態(tài)方程和輸出方程，得110→111→00000因?yàn)?00是有效狀態(tài)，所以電路能自啟動(dòng)。0000010101011000110000011101110032該電路的輸入變量為X，代表輸入串行序列，輸出變量為Z，表示檢測(cè)結(jié)果。【例2】試用JK觸發(fā)器完成“111”序列檢測(cè)器設(shè)計(jì)。若輸入三個(gè)連續(xù)的1輸出為1，否則輸出為0。(P319)建立原始狀態(tài)圖和原始狀態(tài)表S0：初始狀態(tài)，表示電路還沒(méi)有收到1或連續(xù)的1。S1：表示電路收到了一個(gè)1的狀態(tài)。S2：表示電路收到了連續(xù)兩個(gè)1的狀態(tài)。S3：表示電路收到了連續(xù)三個(gè)或三個(gè)以上1的狀態(tài)。33輸入X 101100111011110輸出Z000000001000110設(shè)電路開(kāi)始處于初始狀態(tài)為S0。第一次輸入1時(shí)，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。電路無(wú)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(jì)數(shù)。S0S1S2S31/0X/Z1/01/11/10/00/00/00/0畫(huà)原始狀態(tài)圖34S0S1S2S31/0X/Z1/01/11/10/00/00/00/0若兩個(gè)電路狀態(tài)在相同的輸入下有相同的輸出，并且轉(zhuǎn)換到同樣的一個(gè)狀態(tài)去，則稱這兩個(gè)狀態(tài)為等價(jià)狀態(tài)。S

2，S

3為等價(jià)態(tài)S0S1S21/0X/Z1/01/10/00/00/0狀態(tài)化簡(jiǎn)35S00/0S10/0X/ZS21/01/10/01/0S0S1S21/0X/Z1/01/10/00/00/0狀態(tài)化簡(jiǎn)36狀態(tài)分配該時(shí)序電路共有三個(gè)狀態(tài)，采用兩個(gè)JK觸發(fā)器，取S0=00,S1=10，S2=11。填次態(tài)卡諾圖000/0100/0X/Z111/01/10/01/0XQ1Q00001111001

11/1

00/010/0XX/X00/000/0XX/X

11/0

Q1*Q0*/C的卡諾圖37求狀態(tài)方程和輸出方程XQ1Q00001111001

11/1

00/010/0XX/X00/000/0XX/X

11/0

38檢查自啟動(dòng)010/01/10010111/0X/ZQ1Q00/00/01/10/01/039畫(huà)出邏輯圖1JC11K1JC11KFF0ZFF1Q1Q0CLKX40*6.4.2時(shí)序邏輯電路的自啟動(dòng)設(shè)計(jì)在前面的同步時(shí)序電路設(shè)計(jì)中，電路的自啟動(dòng)檢查是在最后一步進(jìn)行的，如果不能自啟動(dòng)，還要返回來(lái)從新修改設(shè)計(jì)。如果在設(shè)計(jì)過(guò)程中能夠考慮自啟動(dòng)的問(wèn)題，就可以省略檢查自啟動(dòng)這一步驟了。例6.4.4設(shè)計(jì)一七進(jìn)制計(jì)數(shù)器，要求它能夠自啟動(dòng)。已知該計(jì)數(shù)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖所示。解：由所給的狀態(tài)圖得出電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換表表6.4.1所示001100010101110111011/0/0/0/0/0/0/1321QQQ/C七進(jìn)制計(jì)數(shù)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖41次態(tài)的卡諾圖為*6.4.2時(shí)序邏輯電路的自啟動(dòng)設(shè)計(jì)Q1Q2Q33*Q2*Q1*Q001100100001101001100111111110111011101001C0000010狀態(tài)轉(zhuǎn)化表001100010101110111011/0/0/0/0/0/0/1321QQQ/C七進(jìn)制計(jì)數(shù)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖Q1Q2Q30001111001

011/1

001/0010/0110/0101/0XXX/X100/0

111/0

42次態(tài)的卡諾圖為*6.4.2時(shí)序邏輯電路的自啟動(dòng)設(shè)計(jì)Q1Q2Q30001111001

011/1

001/0010/0110/0101/0XXX/X100/0

111/0

43則輸出端的狀態(tài)方程為由于進(jìn)位信號(hào)是在011狀態(tài)譯出，故輸出方程為*6.4.2時(shí)序邏輯電路的自啟動(dòng)設(shè)計(jì)44前面所得的電路狀態(tài)方程都是沒(méi)包含×，也就是將它取成000,仍是無(wú)效狀態(tài)，電路則不會(huì)自啟動(dòng)。即000態(tài)的次態(tài)仍為000注意：在上述合并1中，如果將×項(xiàng)圈入，則當(dāng)作1處理；否則作0處理。這就是無(wú)形中給無(wú)效狀態(tài)（×）指定了次態(tài)。如果想電路自啟動(dòng)，必須是無(wú)效