《數(shù)字電路設(shè)計(jì)及Verilog HDL實(shí)現(xiàn)》課件第5章

5.1

時(shí)序邏輯電路概述

5.2集成觸發(fā)器

5.3時(shí)序邏輯電路分析

5.4時(shí)序邏輯電路的設(shè)計(jì)方法

5.5常用時(shí)序電路及其應(yīng)用第5章時(shí)序邏輯電路5.1.1時(shí)序邏輯電路的特點(diǎn)

時(shí)序邏輯電路在結(jié)構(gòu)上有兩個特點(diǎn)：第一，包含組合電路和存儲電路兩部分，存儲電路是必不可少的；第二，存儲電路的狀態(tài)至少有一個作為組合電路的輸入，與其他輸入信號共同決定電路的輸出。時(shí)序邏輯電路的系統(tǒng)框圖可以歸結(jié)為如圖5.1.1所示的形式。5.1時(shí)序邏輯電路概述圖5.1.1時(shí)序邏輯電路的構(gòu)成方框圖圖5.1.1中，X(x1，x2，…，xi)為外部輸入信號；Z(z1，z2，…，zj)是組合邏輯電路輸出信號；W(w1，w2，…，wl)為存儲電路輸入信號；Y(y1，y2，…，yk)為存儲電路的輸出信號，也是組合邏輯電路的部分輸入信號。

這些信號之間的邏輯關(guān)系可以用電路輸出函數(shù)：

Z(tn)=f1［X(tn),Y(tn)］

存儲電路的激勵函數(shù)：

W(tn)=f2［X(tn),Y(tn)］

和存儲電路的狀態(tài)方程：

Y(tn+1)=f3［W(tn),Y(tn)］三個邏輯函數(shù)表示。其中，Y(tn)表示tn時(shí)刻存儲電路的當(dāng)前狀態(tài)；Y(tn＋1)為tn+1時(shí)刻存儲電路的狀態(tài)，即存儲電路的下一時(shí)刻狀態(tài)；tn＋1時(shí)刻的輸出Z(tn＋1)是由tn＋1時(shí)刻的輸入X(tn＋1)及存儲電路在tn＋1時(shí)刻的狀態(tài)Y(tn＋1)決定的；Y(tn＋1)由tn時(shí)刻的存儲電路的激勵輸入W(tn)及在tn時(shí)刻存儲電路的狀態(tài)Y(tn)決定。由此可以得出結(jié)論，tn＋1時(shí)刻電路的輸出Z(tn＋1)不僅取決于tn＋1時(shí)刻的輸入X(tn＋1)，而且還取決于tn時(shí)刻存儲電路的輸入W(tn)及存儲電路在tn時(shí)刻的狀態(tài)Y(tn)。5.1.2時(shí)序邏輯電路的分類

時(shí)序邏輯電路按照不同的分類原則可以有多種分類方法，常見的分類原則有根據(jù)輸入時(shí)鐘信號分類和根據(jù)輸出信號分類。

根據(jù)輸入時(shí)鐘信號分類可分為同步時(shí)序電路和異步時(shí)序電路。在同步時(shí)序電路中，各觸發(fā)器的輸入時(shí)鐘脈沖相同，其狀態(tài)的改變受同一個時(shí)鐘脈沖控制，即電路在統(tǒng)一時(shí)鐘控制下，同步改變狀態(tài)。對于異步時(shí)序電路，其特點(diǎn)是各觸發(fā)器的時(shí)鐘脈沖不同，即電路中沒有統(tǒng)一的時(shí)鐘脈沖來控制電路狀態(tài)的變化，因此，電路各觸發(fā)器的狀態(tài)更新有先有后。根據(jù)輸出信號對時(shí)序邏輯電路進(jìn)行分類，可分為米利(Mealy)型和摩爾(Moore)型兩大類。米利型時(shí)序邏輯電路的構(gòu)成如圖5.1.2(a)所示，該類電路的輸出不僅與電路現(xiàn)態(tài)有關(guān)，而且還取決于電路當(dāng)前的輸入。摩爾型時(shí)序邏輯電路的構(gòu)成如圖5.1.2(b)所示，其輸出僅取決于電路的現(xiàn)態(tài)，與電路當(dāng)前的輸入無關(guān)。因此，也可以將摩爾型電路看成是米利型電路的特例。圖5.1.2時(shí)序邏輯電路框圖(a)米利(Mealy)型;(b)摩爾(Moore)型5.2.1觸發(fā)器的工作原理

1.與非門構(gòu)成的基本R-S觸發(fā)器

1)電路組成

如圖5.2.1(a)所示，將兩個與非門輸出端交叉耦合到輸入端就可以構(gòu)成一個基本R-S觸發(fā)器電路。圖中，G1和G2是兩個與非門，和是與非門的兩個輸入端，也可稱為觸發(fā)器的激勵端或控制端；Q和是觸發(fā)器的兩個輸出端，這兩個輸出端的狀態(tài)是互補(bǔ)的?；綬-S觸發(fā)器的邏輯符號如圖5.2.1(b)所示，輸入端的小圓圈表示低電平或負(fù)脈沖有效。

5.2集成觸發(fā)器圖5.2.1與非門構(gòu)成的基本R-S觸發(fā)器

2)工作原理

設(shè)電路的兩個穩(wěn)定狀態(tài)分別為1狀態(tài)和0狀態(tài)，其定義分別為

1狀態(tài)：Q=1，=0

0狀態(tài)：Q=0，=1

在輸入信號和的控制下，觸發(fā)器的狀態(tài)會發(fā)生相應(yīng)的變化，具體情況分析如下。

(1)狀態(tài)保持功能。分析控制信號=1、=1的情況。

假設(shè)觸發(fā)器原來的狀態(tài)為1狀態(tài)，即Q=1、=0，此時(shí)G1門的輸出反饋到G2門的輸入端，使G2門的輸出Q為1保持不變，Q反饋到G1的輸入端，G1的兩個輸入端均為1，從而保證G1的輸出端=0。若假設(shè)觸發(fā)器原來的狀態(tài)為0狀態(tài)，即Q=0、=1，此時(shí)G2門的輸出Q反饋到G1門的輸入端，使為1保持不變，反饋到G2的輸入端，G2的兩個輸入端均為1，從而G2的輸出端Q=0。

從以上分析可知：若=1、=1，則觸發(fā)器保持原來狀態(tài)不變。

(2)電路的置1功能。分析控制端=1、=0的情況。

不論原來電路狀態(tài)如何，由于=0，因此G2門的輸出Q=1；由于=1和Q=1使G1的兩個輸入端均為1，因此G1的輸出端=0。

(3)電路的置0功能。分析控制端=0、=1的情況。

不論原來電路狀態(tài)如何，由于=0，因此G1門輸出

=1;由于=1和=1使G2的兩個輸入端均為1，因此G2的輸出端Q=0。

(4)不確定狀態(tài)。

當(dāng)控制端出現(xiàn)=0，=0時(shí)，理論上會出現(xiàn)=1、Q=1的情況，而實(shí)際中這種情況是不允許出現(xiàn)的，會導(dǎo)致觸發(fā)器出現(xiàn)不確定狀態(tài)。觸發(fā)器的不確定狀態(tài)有兩層含義：第一，=1、Q=1，觸發(fā)器既不是0狀態(tài)，也不是1狀態(tài)；第二，當(dāng)出現(xiàn)、同時(shí)從0變化到1的情況時(shí)，由于兩個與非門的延遲時(shí)間不同，觸發(fā)器的新狀態(tài)不能預(yù)先確定。若G1延遲時(shí)間小于G2，則G1門的輸出會先變?yōu)?，這就會使得G2門的輸出Q為1，即觸發(fā)器的狀態(tài)穩(wěn)定為1狀態(tài)。

若G1延遲時(shí)間大于G2，則G2門的輸出Q先變?yōu)?，這就會使得G1門的輸出為1，即觸發(fā)器的狀態(tài)穩(wěn)定為0狀態(tài)。

因此，規(guī)定、不能同時(shí)為0，用約束條件來表示。即基本R-S觸發(fā)器在工作時(shí)必須滿足的約束條件為

+

=1。

【例5.2.1】用與非門組成的基本R-S觸發(fā)器中，設(shè)初始狀態(tài)為0，已知、的輸入波形如圖5.2.2所示，畫出其輸出波形。

解與非門組成的基本R-S觸發(fā)器的輸出端Q、的波形如圖5.2.2所示。圖中用陰影表示觸發(fā)器處于不確定狀態(tài)。圖5.2.2例5.2.1的基本R-S觸發(fā)器輸出波形

3)邏輯功能描述

描述觸發(fā)器的邏輯功能的常用方法有：狀態(tài)轉(zhuǎn)移真值表、特征方程、狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖和狀態(tài)激勵表等。

(1)狀態(tài)轉(zhuǎn)移真值表。狀態(tài)轉(zhuǎn)移真值表是反映觸發(fā)器的狀態(tài)變化與輸入之間關(guān)系的一種表格。根據(jù)基本R-S觸發(fā)器的工作原理，對其邏輯功能進(jìn)行歸納后，可用表5.2.1所示的狀態(tài)轉(zhuǎn)移真值表和表5.2.2所示的簡化真值表進(jìn)行表述。表5.2.1基本R-S觸發(fā)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)移真值表表5.2.2基本R-S觸發(fā)器的簡化真值表

(2)特征方程。特征方程又稱狀態(tài)方程或次態(tài)方程，它用邏輯函數(shù)描述觸發(fā)器的功能。根據(jù)表5.2.1做出基本R-S觸發(fā)器次態(tài)Qn+1的卡諾圖，如圖5.2.3所示，通過化簡可得

(5.2.1)圖5.2.3基本R-S觸發(fā)器的次態(tài)卡諾圖

(3)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖和激勵表。狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖是用圖形來描述觸發(fā)器的功能。圖5.2.4所示為基本R-S觸發(fā)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。

圖中的兩個圓圈分別代表兩個穩(wěn)態(tài)，標(biāo)“0”的圈表示0狀態(tài)(

)；標(biāo)“1”的圈表示1狀態(tài)(

)。連接圓圈的有向線段表示狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)移關(guān)系，箭頭的起

始端表示電路的現(xiàn)態(tài)，終止端表示電路的次態(tài)；箭頭旁邊標(biāo)出狀態(tài)轉(zhuǎn)移時(shí)的條件(的取值)和現(xiàn)態(tài)的輸出結(jié)果。由圖5.2.4可見，觸發(fā)器若從現(xiàn)態(tài)Qn=0的情況下轉(zhuǎn)移到次態(tài)Qn+1=1，則必須滿足輸入；觸發(fā)器若從狀態(tài)Qn=1轉(zhuǎn)移到次態(tài)Qn+1=0，則必須滿足；若觸發(fā)器維持現(xiàn)態(tài)Qn=1，則必須滿足；若觸發(fā)器維持狀態(tài)Qn=0，則必須滿足。圖5.2.4所示與表5.2.1狀態(tài)轉(zhuǎn)移真值表描述的功能是相同的。

圖5.2.4也可以用表5.2.3所示的觸發(fā)器激勵表來描述，表中描述了觸發(fā)器由現(xiàn)態(tài)Qn轉(zhuǎn)移到次態(tài)Qn+1時(shí)對輸入控制信號的要求。圖5.2.4基本R-S觸發(fā)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖表5.2.3基本R-S觸發(fā)器的激勵表

2.或非門構(gòu)成的基本R-S觸發(fā)器

基本R-S觸發(fā)器也可以用兩個或非門交叉構(gòu)成，其電路如圖5.2.5(a)所示，邏輯符號如圖5.2.5(b)所示。它的工作原理和與非門構(gòu)成的基本R-S觸發(fā)器非常相似，由于使用的是或非門，因此兩個控制端是高電平有效的。這種基本R-S觸發(fā)器的邏輯功能請讀者自行分析。圖5.2.5由或非門構(gòu)成的基本R-S觸發(fā)器(a)電路圖;(b)邏輯符號

3.基本R-S觸發(fā)器的Verilog描述與仿真

用與非門實(shí)現(xiàn)的基本R-S觸發(fā)器模塊的Verilog程序見代碼5.2.1，對應(yīng)的功能仿真圖如圖5.2.6所示。

代碼5.2.1用與非門實(shí)現(xiàn)基本R-S觸發(fā)器模塊。modulesamp5_2_1(Rd_n，Sd_n，Q，Qn)；

inputRd_n，Sd_n；

outputQ，Qn；

BASIC_RS_FFu1(Rd_n，Sd_n，Q，Qn)；

endmodule

moduleBASIC_RS_FF(Rd_n，Sd_n，Q，Qn)；

inputRd_n，Sd_n；

outputQ，Qn；

wireQ1，Qn1；

wireRd，Sd；

assignQ=Q1；

assignQn=Qn1；

nandu1(Qn1，Q1，Rd_n)；

nandu2(Q1，Qn1，Sd_n)；

endmodule圖5.2.6代碼5.2.1的功能仿真圖

4.基本觸發(fā)器的特點(diǎn)總結(jié)

基本R-S觸發(fā)器有如下一些特點(diǎn)：

(1)只有復(fù)位(Q=0)、置位(Q=1)、保持原狀態(tài)等三種功能。

(2)有兩個互補(bǔ)的輸出端，有兩個穩(wěn)定的狀態(tài)。

(3)R是復(fù)位輸入端，S是置位輸入端，其有效電平取決于觸發(fā)器的結(jié)構(gòu)。

(4)由于反饋線的存在，無論是復(fù)位還是置位，有效信號只需要作用很短的一段時(shí)間。

基本R-S觸發(fā)器結(jié)構(gòu)簡單，是構(gòu)成其他觸發(fā)器的基礎(chǔ)，但由于其狀態(tài)由輸入端直接控制以及約束條件的存在，因此其在應(yīng)用方面存在很大的局限性和不便。

5.2.2常用觸發(fā)器

1.鐘控R-S觸發(fā)器

1)鐘控R-S觸發(fā)器的電路

鐘控R-S觸發(fā)器的邏輯電路圖如圖5.2.7(a)所示；邏輯符號如圖5.2.7(b)所示。由圖可見，鐘控R-S觸發(fā)器是在基本R-S觸發(fā)器電路的基礎(chǔ)上又增加了兩個與非門G3和G4構(gòu)成的。圖5.2.7鐘控R-S觸發(fā)器(a)電路圖；(b)邏輯符號

2)鐘控R-S觸發(fā)器的工作原理

在CP=0期間，G3、G4門被封鎖，=1、=1，觸發(fā)器狀態(tài)保持不變。

在CP=1期間，G3、G4門的輸出由R和S端信號決定，即、受R和S控制，決定觸發(fā)器的輸出狀態(tài)。下面對觸發(fā)器狀態(tài)受R和S控制的過程進(jìn)行分析。

(1)當(dāng)S=0、R=0時(shí)，=1、=1，則有Qn+1=Qn，觸發(fā)器狀態(tài)保持。

(2)當(dāng)S=1、R=0時(shí)，=1、=0，則有Qn+1=1，觸發(fā)器置位。

(3)當(dāng)S=0、R=1時(shí)，=0、=1，則有Qn+1=0，觸發(fā)器復(fù)位。

(4)當(dāng)S=1、R=1時(shí)，=0、=0，則有Qn+1=X，觸發(fā)器狀態(tài)不確定?？梢娪|發(fā)器狀態(tài)是受CP和R、S共同控制的，觸發(fā)器狀態(tài)轉(zhuǎn)換的動作時(shí)間是由時(shí)鐘脈沖CP控制的，而狀態(tài)轉(zhuǎn)換的結(jié)果由R和S決定，由于經(jīng)過了一級反相，因此S和R對觸發(fā)器狀態(tài)的控制是高電平有效的。

鐘控R-S觸發(fā)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)移真值表、激勵表分別如表5.2.4和表5.2.5所示，狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖5.2.8所示。表5.2.4、表5.2.5和圖5.2.8均表示CP=1時(shí)的情況。表5.2.4鐘控R-S觸發(fā)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)移真值表表5.2.5鐘控R-S觸發(fā)器的激勵表圖5.2.8鐘控R-S觸發(fā)器狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖根據(jù)基本R-S觸發(fā)器的狀態(tài)方程，可以得到當(dāng)CP=1時(shí)，鐘控R-S觸發(fā)器的狀態(tài)方程:

(5.2.2)

其中,SR=0為約束條件，控制輸入端R、S不能同時(shí)為1。

根據(jù)鐘控R-S的工作原理可畫出其時(shí)序圖，如圖5.2.9所示。圖5.2.9鐘控R-S觸發(fā)器的時(shí)序圖

3)鐘控R-S觸發(fā)器的Verilog描述與仿真

代碼5.2.2是用四個與非門實(shí)現(xiàn)的鐘控R-S觸發(fā)器模塊，其功能仿真如圖5.2.10所示。

代碼5.2.2用四個與非門實(shí)現(xiàn)的鐘控R-S觸發(fā)器模塊。modulesamp5_2_2(R，S，CP，Q，Qn)；

inputR，S，CP；

outputQ，Qn；

BASIC_RS_CPu1(R，S，CP，Q，Qn)；

endmodule

moduleBASIC_RS_CP(R，S，CP，Q，Qn)；

inputR，S，CP；

outputQ，Qn；

wireQ1，Qn1；

wireRd，Sd；

assignQ=Q1；

assignQn=Qn1；

nandu3(S，CP，Sd)；

nandu4(R，CP，Rd)；

nandu1(Sd，Qn1，Q1)；

nandu2(Rd，Q1，Qn1)；

endmodule圖5.2.10代碼5.2.2的功能仿真圖鐘控R-S觸發(fā)器雖然解決了觸發(fā)器狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)刻的控制，但是依舊存在兩個問題：第一，輸入信號存在約束條件，即R、S不能同時(shí)為1；第二，在時(shí)鐘CP=1期間，R、S信號依然直接控制著觸發(fā)器的狀態(tài)變化，從而使得一個時(shí)鐘脈沖有效期間會引起狀態(tài)的多次翻轉(zhuǎn)。這種翻轉(zhuǎn)現(xiàn)象又稱為“空翻”，空翻可能是由于輸入信號的變化或受干擾造成的，會造成系統(tǒng)狀態(tài)的不確定性?？朔辗F(xiàn)象的最簡單的方法就是控制時(shí)鐘脈沖的寬度。

2.D觸發(fā)器

1)鐘控D觸發(fā)器

將鐘控R-S觸發(fā)器的輸入端按照圖5.2.11(a)所示連接就成了鐘控D觸發(fā)器的邏輯電路。圖5.2.11(b)所示是鐘控D觸發(fā)器的邏輯符號。這樣，電路的控制輸入端就只有D，從而保證了后端的基本R-S觸發(fā)器的兩個輸入、始終保持相反的狀態(tài)，從而解決了電路的輸入約束問題。圖5.2.11鐘控D觸發(fā)器(a)電路圖;(b)邏輯符號

D觸發(fā)器的工作原理是：

(1)當(dāng)CP=0時(shí)，G4和G3門被封鎖，=1,

=1，觸發(fā)器狀態(tài)保持不變。

(2)只有CP=1時(shí)(高電平有效)，觸發(fā)器的狀態(tài)才由輸入信號D來決定。

(3)當(dāng)D=1時(shí),G4門輸出0，G3門輸出1，即=0、

=1，觸發(fā)器的狀態(tài)為1。

(4)當(dāng)D=0時(shí)，G4門輸出1，G3門輸出0，即=1、

=0，觸發(fā)器的狀態(tài)為0。由電路圖可得：

(5.2.3)

將式(5.2.3)代入基本R-S觸發(fā)器的狀態(tài)方程，即得鐘控D觸發(fā)器的狀態(tài)方程:

Qn+1=D

(5.2.4)

可見，+

=1的約束條件始終滿足。

D觸發(fā)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)移真值表如表5.2.6所示，激勵表如表5.2.7所示，狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖5.2.12所示。(均為CP=1時(shí)的情況。)表5.2.6D觸發(fā)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)移真值表表5.2.7D觸發(fā)器的激勵表圖5.2.12鐘控D觸發(fā)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

2)邊沿D觸發(fā)器

上述D觸發(fā)器在時(shí)鐘信號CP作用期間仍然存在“空翻”現(xiàn)象，因此要求D在時(shí)鐘信號有效期間(如高電平)不能發(fā)生變化。為了解決“空翻”問題，在工程中往往采用維持阻塞觸發(fā)器，這種觸發(fā)器僅在時(shí)鐘信號的上升沿和下降沿時(shí)刻才接受輸入控制，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)轉(zhuǎn)換。典型的時(shí)鐘信號CP上升沿觸發(fā)的維持阻塞D觸發(fā)器的邏輯電路圖和邏輯符號如圖5.2.13(a)、(b)所示。電路由六個與非門構(gòu)成，其中，G1、G2組成基本R-S觸發(fā)器，G3～G6組成控制門。圖5.2.13(b)中，CP端帶有小三角符號，表示上升沿觸發(fā)。圖5.2.13(a)中的、分別稱為異步復(fù)位(置0)端和異步置位(置1)端，均為低電平有效。所謂“異步”，是指該信號對電路的作用與時(shí)鐘信號無關(guān)。圖5.2.13維持阻塞D觸發(fā)器(a)電路圖;(b)邏輯符號下面分析維持阻塞D觸發(fā)器的基本工作原理。

(1)當(dāng)=0、=1時(shí)，G5=1、G4=1，使=1，保證觸發(fā)器可靠置0。

(2)當(dāng)=1、=0時(shí)，G6=1，在CP=1期間G4=0、G3=1，即使=1、=0，觸發(fā)器也可靠置1，在CP=0期間，G3=1、G4=1，也使觸發(fā)器可靠置1。

(3)當(dāng)=1、=1時(shí)，觸發(fā)器的狀態(tài)變化受時(shí)鐘信號CP控制，具體情況是：

·在CP＝0期間，G3、G4門被封鎖，其輸出都為1，使基本觸發(fā)器G1、G2保持原狀態(tài)不變。這時(shí)，G5、G6門跟隨輸入值D變化，G5＝、G6＝D。

·當(dāng)CP正邊沿到來時(shí)，G3、G4門打開，接收G5門和G6門的輸出信號，使G3門和G4門的輸出分別為G3=D、G4＝

:①若D＝0，使G3＝0，則=0，一方面使觸發(fā)器狀態(tài)置“0”,另一方面，這個“0”又經(jīng)過③線(置“0”維持線)反饋至G5門的輸入端，這樣就封鎖了G5門，使G5門輸出保持為1，從而克服了空翻，使觸發(fā)器狀態(tài)在CP高電平期間維持“0”不變。在CP＝1期間，G5門輸出的“1”還通過線④(置“1”阻塞線)反饋至G6門的輸入端，使G6門輸出為0，從而可靠地保證G4輸出為“1”，阻止觸發(fā)器狀態(tài)向“1”翻轉(zhuǎn)。②若D＝1，使G4＝0，則=0，這不僅使觸發(fā)器狀態(tài)置“1”，而且這個“0”又經(jīng)過①線(置“1”維持線)反饋至G6門的輸入端，這樣又使G4門的輸出為0，從而使觸發(fā)器狀

態(tài)維持“1”不變。在CP＝1期間，G4門輸出的“0”通過②線(置“0”阻塞線)反饋至G3門的輸入端，從而可靠地保證G3輸出為“1”，阻止觸發(fā)器狀態(tài)向“0”翻轉(zhuǎn)。

通過以上分析，我們可以得到結(jié)論：維持阻塞D觸發(fā)器在CP上升沿到達(dá)前，建立輸入信號D，在CP上升沿到達(dá)時(shí)，接收輸入改變觸發(fā)器的狀態(tài)；CP上升沿過后，D信號不起作用，即使D發(fā)生改變，觸發(fā)器狀

態(tài)也不變，而保持上升沿到達(dá)時(shí)的D信號狀態(tài)。因此，維持阻塞D觸發(fā)器是正邊沿觸發(fā)器。

D觸發(fā)器的工作波形(設(shè)Q端初始狀態(tài)為0)和脈沖特性如圖5.2.14(a)、(b)所示。從宏觀上看，D觸發(fā)器的狀態(tài)變化發(fā)生在CP脈沖的上升沿。但從微觀上看，D觸發(fā)器使用時(shí)也要滿足其脈沖特性的要求，如在CP脈沖上升沿到來前，D端外加信號至少有長度為tset的建立時(shí)間；在CP脈沖上升沿過后，D端外加信號至少有長度為th的保持時(shí)間。tset、th和觸發(fā)器延遲時(shí)間tpd、時(shí)鐘高電平持續(xù)時(shí)間TWH和低電平持續(xù)時(shí)間TWL決定了D觸發(fā)器的最高工作頻率。例如，雙D觸發(fā)器芯片SN7474的tset=20ns，th=5ns，tpd=40ns，TWH=37ns，TWL=30ns，最高工作頻率fmax為15MHz。當(dāng)不滿足這些條件時(shí)，SN7474將不能正常工作。

圖5.2.14維持阻塞D觸發(fā)器的時(shí)序圖和脈沖特性(a)時(shí)序圖；(b)脈沖特性維持阻塞D觸發(fā)器克服了對輸入的約束條件和空翻現(xiàn)象，抗干擾能力強(qiáng)，用途廣，可實(shí)現(xiàn)寄存、計(jì)數(shù)等功能。但由于它只有一個控制輸入端，因此其邏輯功能比較簡單，只有置1和置0的功能。其他常見的維持阻塞觸發(fā)器還有R-S觸發(fā)器，工作原理與維持阻塞D觸發(fā)器類似，這里不再介紹。

3)D觸發(fā)器的Verilog描述與仿真

(1)基本功能D觸發(fā)器。

代碼5.2.3是實(shí)現(xiàn)下降沿觸發(fā)D觸發(fā)器基本功能的Verilog模塊代碼，其功能仿真如圖5.2.15所示。

代碼5.2.3下降沿觸發(fā)D觸發(fā)器。modulesamp5_2_3(D，CLK，Q，QN)；//頂層文件

inputCLK，D；

outputQ，QN；

BASIC_DFF_DNu1(.Q(Q)，.QN(QN)，.D(D)，.CP(CLK))；

endmodule

moduleBASIC_DFF_DN(D，CP，Q，QN)；//基本功能觸發(fā)器

inputD，CP；

outputQ，QN；

regQ；

assignQN=~Q；

always@(negedgeCP)

begin

Q=D；

end

endmodule圖5.2.15代碼5.2.3的功能仿真圖

(2)帶異步置位復(fù)位端的D觸發(fā)器。

代碼5.2.4實(shí)現(xiàn)了一個具有異步復(fù)位置位功能、上升沿觸發(fā)的D觸發(fā)器模塊，其功能仿真如圖5.2.16所示。

代碼5.2.4帶異步置位復(fù)位端的D觸發(fā)器模塊。modulesamp5_2_4(D，CLK，RESET，SET，Q，QN)；//頂層模塊

inputD，CLK，RESET，SET；

outputQ，QN；

ASYNC_RS_D_FFu1(.D(D)，.CP(CLK)，.(RESET)，.S(SET)，

.Q(Q)，.QN(QN))；

endmodule

moduleASYNC_RS_D_FF(D，CP，R，S，Q，QN)；

inputD，CP，R，S；

outputQ，QN；

regQ；

assignQN=~Q；

always@(posedgeCPorposedgeRorposedgeS)

if(R)

Q<=1′b0；

elseif(S)

Q<=1′b1；

else

Q<=D；

endmodule圖5.2.16代碼5.2.4的功能仿真圖

(3)帶同步置位復(fù)位端的D觸發(fā)器。

代碼5.2.5是另一個描述D觸發(fā)器模塊的Verilog程序，與代碼5.2.4不同的是，其復(fù)位和置位功能是同步的。其功能仿真如圖5.2.17所示。

代碼5.2.5同步置位復(fù)位端D觸發(fā)器模塊。modulesamp5_2_5(D，CLK，RESET，SET，Q，QN)；//頂層調(diào)用模塊

inputD，CLK，RESET，SET；

outputQ，QN；

SYNC_RS_D_FFu1(.D(D)，.CP(CLK)，.R(RESET)，.S(SET)，

.Q(Q)，.QN(QN))；

endmodule

moduleSYNC_RS_D_FF(D，CP，R，S，Q，QN)；

inputD，CP，R，S；

outputQ，QN；

regQ；

assignQN=~Q；

always@(posedgeCP)

if(R)

Q<=1′b0；

elseif(S)

Q<=1′b1；

else

Q<=D；

endmodule圖5.2.17代碼5.2.5的功能仿真圖

3.J-K觸發(fā)器

J-K觸發(fā)器既能夠解決鐘控R-S觸發(fā)器對輸入信號約束條件的限制，又具有較強(qiáng)的功能，應(yīng)用非常廣泛。

1)鐘控J-K觸發(fā)器

鐘控J-K觸發(fā)器的電路和邏輯符號如圖5.2.18(a)、(b)所示。由圖可見，G1和G2門構(gòu)成基本觸發(fā)器，G3和G4門構(gòu)成控制電路。圖5.2.18鐘控J-K觸發(fā)器(a)電路圖;(b)邏輯符號當(dāng)CP=0時(shí)，G3、G4門被封鎖，輸出為1，使基本觸發(fā)器保持原來的狀態(tài)。

當(dāng)CP＝1時(shí)，分以下四種情況進(jìn)行討論：

(1)當(dāng)J=0、K=0時(shí)，G3=1，G4=1，基本觸發(fā)器狀態(tài)保持不變。

(2)當(dāng)J=0、K=1時(shí)，若觸發(fā)器原來狀態(tài)為0，則G3=1、G4=1，基本觸發(fā)器狀態(tài)保持不變；若觸發(fā)器原來狀態(tài)為1，則G3=0、G4=1，基本觸發(fā)器狀態(tài)翻轉(zhuǎn)為0。在這種情況下，觸發(fā)器的次態(tài)都為0，與原狀態(tài)無關(guān)。

(3)當(dāng)J=1、K=0時(shí)，若觸發(fā)器原來狀態(tài)為0，則G3=1、G4=0，基本觸發(fā)器狀態(tài)翻轉(zhuǎn)為1；若觸發(fā)器原來狀態(tài)為1，則G3=1、G4=1，基本觸發(fā)器狀態(tài)保持不變。在這種情況下，觸發(fā)器的次態(tài)都為1，與原狀態(tài)無關(guān)。

(4)當(dāng)J=1、K=1時(shí)，若觸發(fā)器原來狀態(tài)為0，則G3=1、G4=0，基本觸發(fā)器狀態(tài)翻轉(zhuǎn)為1；若觸發(fā)器原來狀態(tài)為1，則G3=0、G4=1，基本觸發(fā)器狀態(tài)翻轉(zhuǎn)為0。在這種情況下，觸發(fā)器的次態(tài)與現(xiàn)態(tài)相反。由電路圖可以看出，G3、G4門的輸出、分別為

將式(5.2.5)代入基本R-S觸發(fā)器特征方程，即得到鐘控J-K觸發(fā)器的狀態(tài)方程：

(CP=1期間有效)(5.2.6)(5.2.5)對于基本觸發(fā)器的約束條件，將式(5.2.5)代入有：

(5.2.7)

因此不論J、K信號如何變化，約束條件始終滿足。鐘控J-K

觸發(fā)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)移真值表和激勵表如表5.2.8和表5.2.9所示，其狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖5.2.19所示，圖5.2.20是鐘控J-K觸發(fā)器的時(shí)序波形圖。表5.2.8J-K觸發(fā)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)移真值表表5.2.9J-K觸發(fā)器的激勵表圖5.2.19鐘控J-K觸發(fā)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖圖5.2.20鐘控J-K觸發(fā)器的時(shí)序波形圖

2)主從J-K觸發(fā)器

鐘控J-K觸發(fā)器的輸入信號沒有約束條件的限制，而且可以在J、K信號的控制下實(shí)現(xiàn)保持、置1、置0和翻轉(zhuǎn)的功能，相比D觸發(fā)器功能較強(qiáng)，但同樣存在“空翻問題”。為了解決這個問題，一種方法是采用主從結(jié)構(gòu)，這樣的觸發(fā)器又稱為主從J-K觸發(fā)器，其邏輯電路圖和邏輯符號如圖5.2.21所示。由圖可見，它是由主、從兩級觸發(fā)器構(gòu)成的，虛線以左部分是由G8、G7、G6、G5門構(gòu)成的主觸發(fā)器，虛線以右部分是由G4、G3、G2和G1門構(gòu)成的從觸發(fā)器。主觸發(fā)器的輸出是從觸發(fā)器的輸入，主、從觸發(fā)器的時(shí)鐘信號是反相的。邏輯符號中時(shí)鐘端的小圓圈和三角表示觸發(fā)器的狀態(tài)改變是在時(shí)鐘信號的下降沿。圖5.2.21主從J-K觸發(fā)器(a)電路圖；(b)邏輯符號下面對主從J-K觸發(fā)器的工作原理進(jìn)行分析。

(1)在CP為上升沿和高電平期間，主觸發(fā)器接收輸入信號的控制，并將狀態(tài)存儲在主觸發(fā)器中，此時(shí)從觸發(fā)器保持不變。

(2)當(dāng)CP下降沿到來時(shí)，主觸發(fā)器狀態(tài)傳送到從觸發(fā)器，使從觸發(fā)器狀態(tài)跟隨主觸發(fā)器變化，而此時(shí)主觸發(fā)器本身不受輸入的控制，保持狀態(tài)不變。

(3)在CP為低電平期間，由于主觸發(fā)器的狀態(tài)不變，因此從觸發(fā)器的狀態(tài)也保持不變。

可見，由于整個觸發(fā)器狀態(tài)的改變是由CP下降沿時(shí)刻主觸發(fā)器的狀態(tài)決定的，因而克服了“空翻”現(xiàn)象。

從圖5.2.21可寫出主觸發(fā)器的輸出、的邏輯表達(dá)式為

(CP=1時(shí)有效)(5.2.8)將式(5.2.5)代入從觸發(fā)器(即鐘控R-S觸發(fā)器)的特征方程，即可得到與式(5.2.6)相同的主從J-K觸發(fā)器的特征方程。

主從J-K觸發(fā)器的時(shí)序波形如圖5.2.22所示。圖5.2.22主從J-K觸發(fā)器的時(shí)序波形圖圖5.2.23主從J-K觸發(fā)器的時(shí)序波形圖在應(yīng)用主從J-K觸發(fā)器中要注意“一次翻轉(zhuǎn)”現(xiàn)象。所謂“一次翻轉(zhuǎn)”，是指在CP=1期間，主觸發(fā)器的狀態(tài)一旦發(fā)生一次狀態(tài)改變后，就被“鎖死”，保持不變，不會再受輸入激勵信號J、K的控制。圖5.2.23為主從J-K觸發(fā)器的“一次翻轉(zhuǎn)”示意圖。由圖可見，在第二個CP的上升沿到來時(shí)刻，J=1、K=0、Q主=1；在第二個CP=1期間的t1時(shí)刻，K變?yōu)?，主觸發(fā)器的狀態(tài)Q主=0，發(fā)生了一次翻轉(zhuǎn)，此后就一直保持不變，而不是不斷翻轉(zhuǎn)；在第三個CP的高電平期間，t2時(shí)刻主觸發(fā)器的狀態(tài)發(fā)生一次從0到1的變化后就一直保持不變，不再受J、K的控制，因此t3時(shí)刻K=1的變化不會改變觸發(fā)器的狀態(tài)。主從J-K觸發(fā)器的“一次翻轉(zhuǎn)”特性要求CP=1期間，激勵信號J、K不發(fā)生變化，使主從J-K觸發(fā)器的應(yīng)用受到了一定限制。

集成J-K觸發(fā)器在制造時(shí)，也可利用半導(dǎo)體技術(shù)使前后級器件的延遲不同，生產(chǎn)出邊沿觸發(fā)的J-K觸發(fā)器，這種J-K觸發(fā)器具有較強(qiáng)的抗干擾能力和速度，應(yīng)用較廣，這里不再贅

述。

3)J-K觸發(fā)器的VerilogHDL描述

代碼5.2.6是J-K觸發(fā)器模塊的Verilog程序，該模塊具有異步復(fù)位置位控制端，其功能仿真如圖5.2.24所示。

代碼5.2.6帶異步復(fù)位置位端的J-K觸發(fā)器。modulesamp5_2_6(J，K，CLK，RESET，SET，Q，QN)；

//頂層模塊

inputJ，K，CLK，RESET，SET；

outputQ，QN；

ASYNC_RS_JKFFu1(.J(J)，.K(K)，.CP(CLK)，.R(RESET)，

.S(SET)，.Q(Q)，.QN(QN))；

endmodule

moduleASYNC_RS_JK_FF(J，K，CP，R，S，Q，QN)；

inputJ，K，CP，R，S；

outputQ，QN；

regQ；

assignQN=~Q；always@(posedgeCPorposedgeRorposedgeS)

if(R)

Q<=1′b0；

elseif(S)

Q<=1′b1；

else

begin

if(J==1&&K==1)

Q<=~Q；

elseif(J==0&&K==1)

Q<=1′b0；

elseif(J==1&&K==0)

Q<=1′b1；

end

endmodule圖5.2.24代碼5.2.6的功能仿真圖

4.T觸發(fā)器

1)鐘控T觸發(fā)器

如果把J-K觸發(fā)器的兩個輸入端J、K連接起來并命名為T，就得到了如圖5.2.25(a)所示的T觸發(fā)器邏輯電路，圖5.2.25(b)是T觸發(fā)器的邏輯符號。圖5.2.25T觸發(fā)器(a)電路圖;(b)邏輯符號將J=K=T

代入J-K觸發(fā)器的特征方程，得到T觸發(fā)器的特征方程：

(5.2.9)

T觸發(fā)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)移真值表、激勵表分別見表5.2.10、表5.2.11；狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖5.2.26所示。T觸發(fā)器具有保持和翻轉(zhuǎn)功能。表5.2.10T觸發(fā)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)移真值表表5.2.11T觸發(fā)器的激勵表圖5.2.26T觸發(fā)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

2)鐘控T觸發(fā)器的VerilogHDL描述

代碼5.2.7是一個T觸發(fā)器模塊的Verilog程序，其功能仿真如圖5.2.27所示。

代碼5.2.7鐘控T觸發(fā)器模塊。modulesamp5_2_7(T，CLK，Q，QN)；//頂層模塊

inputT，CLK；

outputQ，QN；

T_FFu1(.T(T)，.CP(CLK)，.Q(Q)，.QN(QN))；

endmodule

moduleT_FF(T，CP，Q，QN)；

inputT，CP；

outputQ，QN；

regQ；

assignQN=Q；

always@(posedgeCP)

if(T)

Q<=~Q；

endmodule

圖5.2.27代碼5.2.8的功能仿真圖5.2.3各種類型觸發(fā)器的相互轉(zhuǎn)換

各種中規(guī)模觸發(fā)器器件在使用時(shí)可根據(jù)需要進(jìn)行邏輯功能轉(zhuǎn)換。在實(shí)際應(yīng)用中，D觸發(fā)器和J-K觸發(fā)器使用較多，這里主要討論D觸發(fā)器和J-K觸發(fā)器轉(zhuǎn)換為其他類型觸發(fā)器的

方法。在轉(zhuǎn)換時(shí)，J-K觸發(fā)器因?yàn)楣δ茏顬橥晟?，所以轉(zhuǎn)換為其他觸發(fā)器時(shí)非常方便；D觸發(fā)器的功能相對單一，將D觸發(fā)器用作其他類型觸發(fā)器時(shí)，連接電路相對復(fù)雜。觸發(fā)器邏輯功能轉(zhuǎn)換的基本方法是：將待求觸發(fā)器的特征方程轉(zhuǎn)換為和已有觸發(fā)器的特征方程相同的形式，推導(dǎo)出已有觸發(fā)器的輸入激勵信號，用待求觸發(fā)器輸入信號和現(xiàn)態(tài)表示邏輯函數(shù)。轉(zhuǎn)換的具體步驟如下：

(1)寫出已有觸發(fā)器和待求觸發(fā)器的特征方程。

(2)變換待求觸發(fā)器的特征方程，使其形式與已有觸發(fā)器特征方程一致。

(3)比較已有觸發(fā)器和待求觸發(fā)器的特征方程，根據(jù)兩個方程相等的原則求出已有觸發(fā)器控制信號的驅(qū)動方程。

(4)根據(jù)驅(qū)動方程畫出邏輯電路圖。

1.用J-K觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)其他類型觸發(fā)器

1)J-K觸發(fā)器轉(zhuǎn)換成R-S觸發(fā)器

要求確定的關(guān)系為

J=f1(R，S，Q)，K=f2(R，S，Q)

J-K觸發(fā)器的特征方程為

R-S觸發(fā)器的特征方程為

(5.2.11)(5.2.10)變換R-S觸發(fā)器的特征方程，使其形式與J-K觸發(fā)器的特征方程一致：

(5.2.12)圖5.2.28J-K觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)R-S觸發(fā)器的邏輯電路圖比較式(5.2.10)與式(5.2.12)，得到J-K觸發(fā)器的驅(qū)動方程：

(5.2.13)

若J-K觸發(fā)器采用時(shí)鐘下降沿觸發(fā)，可畫出J-K觸發(fā)器轉(zhuǎn)換為R-S觸發(fā)器的邏輯電路，如圖5.2.28所示。

2)J-K觸發(fā)器轉(zhuǎn)換為D觸發(fā)器

要求確定的關(guān)系為

J=f1(D，Q)，K=f2(D，Q)

D觸發(fā)器特征方程為

Qn+1=D

(5.2.14)變換D觸發(fā)器的特征方程，使其形式與J-K觸發(fā)器的特征方程一致：

(5.2.15)

比較式(5.2.10)與式(5.2.15)，得：

畫出J-K觸發(fā)器轉(zhuǎn)換為D觸發(fā)器的邏輯電路，如圖5.2.29所示。(5.2.16)圖5.2.29用J-K觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)D觸發(fā)器的邏輯電路圖

3)J-K觸發(fā)器轉(zhuǎn)換為T觸發(fā)器

要求確定的關(guān)系為

J=f1(T，Q)，K=f2(T，Q)

T觸發(fā)器特征方程為

(5.2.17)比較式(5.2.10)與式(5.2.17)，得：

(5.2.18)

畫出J-K觸發(fā)器轉(zhuǎn)換為T觸發(fā)器的邏輯電路，如圖5.2.30所示。圖5.2.30用J-K觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)T觸發(fā)器的邏輯電路圖

2.D觸發(fā)器轉(zhuǎn)換為其他類型觸發(fā)器

1)D觸發(fā)器轉(zhuǎn)換成R-S觸發(fā)器

確定的關(guān)系為

D=f(R，S，Q)

比較D觸發(fā)器和J-K觸發(fā)器的狀態(tài)方程,有：

(5.2.19)

畫出D觸發(fā)器轉(zhuǎn)換為R-S觸發(fā)器的邏輯電路，如圖5.2.31所示。圖5.2.31用D觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)R-S觸發(fā)器的邏輯電路圖

2)D觸發(fā)器轉(zhuǎn)換為J-K觸發(fā)器

要求確定的關(guān)系為

D=f(J，K，Q)

比較D觸發(fā)器和J-K觸發(fā)器的狀態(tài)方程，有：

(5.2.20)

畫出D觸發(fā)器轉(zhuǎn)換為J-K觸發(fā)器的邏輯電路，如圖5.2.32所示。圖5.2.32用D觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)J-K觸發(fā)器的邏輯電路圖

3)D觸發(fā)器轉(zhuǎn)換為T觸發(fā)器

要求確定的關(guān)系為

D=f(T，Q)

比較D觸發(fā)器和J-K觸發(fā)器的狀態(tài)方程,有：

(5.2.21)

畫出D觸發(fā)器轉(zhuǎn)換為T觸發(fā)器的邏輯電路，如圖5.2.33所示。圖5.2.33D觸發(fā)器轉(zhuǎn)換為T觸發(fā)器的邏輯電路圖5.3.1同步時(shí)序邏輯電路分析

在同步時(shí)序邏輯電路中，所有存儲電路或觸發(fā)器電路都采用統(tǒng)一的時(shí)鐘信號，因此在分析這類電路時(shí)，可省略對時(shí)鐘信號的分析。分析同步時(shí)序邏輯電路的步驟是：

(1)分析給定時(shí)序邏輯電路的存儲電路或觸發(fā)器，寫出存儲器或觸發(fā)器的驅(qū)動方程(即輸入端的邏輯表達(dá)式)及電路的輸出方程。5.3時(shí)序邏輯電路分析

(2)將驅(qū)動方程代入觸發(fā)器的特征方程，求出電路的次態(tài)方程。

(3)根據(jù)次態(tài)方程列出電路的狀態(tài)轉(zhuǎn)移真值表，并畫狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖或時(shí)序圖。

(4)檢查電路是否具有自啟動功能。

(5)說明時(shí)序邏輯電路的邏輯功能。

同步時(shí)序電路的分析過程可歸納為如圖5.3.1所示。圖5.3.1同步時(shí)序電路分析步驟

【例5.3.1】分析圖5.3.2所示同步時(shí)序邏輯電路的功能。解①根據(jù)圖5.3.2寫出觸發(fā)器的驅(qū)動方程和輸出方程：

(5.3.1)

Z=Q3

(5.3.2)圖5.3.2例5.3.1的電路圖②將驅(qū)動方程代入J-K觸發(fā)器的特征方程

，得到各觸發(fā)器的次態(tài)方程：

(5.3.3)

③根據(jù)次態(tài)方程和輸出方程列出電路的狀態(tài)轉(zhuǎn)移真值表,見表5.3.1。表5.3.1例5.3.1電路的狀態(tài)轉(zhuǎn)移真值表根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移真值表畫出狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，如圖5.3.3所示，并畫出電路時(shí)序圖，如圖5.3.4所示。圖5.3.3例5.3.1的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖圖5.3.4例5.3.1電路的時(shí)序圖④檢查能否自啟動。從電路工作的可靠性來講，還應(yīng)當(dāng)檢查電路在非工作狀態(tài)(即101、110、111狀態(tài)，也稱為偏離態(tài))時(shí)，能否進(jìn)入到工作狀態(tài)，即是否具有自啟動功能，因此需要判斷該電路能否自啟動。

設(shè)電路的初態(tài)為101，則次態(tài)為010，Z=1。

設(shè)電路的初態(tài)為110，則次態(tài)為010，Z=1。

設(shè)電路的初態(tài)為111，則次態(tài)為000，Z=1。

顯然，電路能夠自啟動。故可以畫出完整的狀態(tài)圖，如圖5.3.5所示。圖5.3.5例5.3.1電路的完整狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖⑤判斷電路功能。該電路是一個同步的五進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器，并且能夠進(jìn)行自啟動。

【例5.3.2】試分析圖5.3.6所示時(shí)序邏輯電路的邏輯功能。圖5.3.6例5.3.2的電路圖解該電路是一個同步時(shí)序邏輯電路。

①根據(jù)電路圖寫出觸發(fā)器驅(qū)動方程和電路輸出方程。

兩個觸發(fā)器的驅(qū)動方程為

(5.3.4)輸出方程為

(5.3.5)

②將各驅(qū)動方程代入J-K觸發(fā)器的特征方程，得到各觸發(fā)器次態(tài)方程組：

(5.3.6)③列出狀態(tài)轉(zhuǎn)移真值表，畫出狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖及時(shí)序圖。

根據(jù)X的取值，分X=0和X=1兩種情況進(jìn)行討論。

情況一，當(dāng)X=0時(shí)。此時(shí)，

觸發(fā)器的次態(tài)方程簡化為

(5.3.7)輸出方程簡化為

(5.3.8)

由此作出狀態(tài)轉(zhuǎn)移真值表和狀態(tài)圖，分別如表5.3.2和圖5.3.7所示。表5.3.2X=0時(shí)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移真值表圖5.3.7X=0時(shí)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖情況二，當(dāng)X=1時(shí)。此時(shí)，觸發(fā)器的次態(tài)方程簡化為

(5.3.9)

作出狀態(tài)轉(zhuǎn)移真值表及狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，分別如表5.3.3和圖5.3.8所示。表5.3.3X=1時(shí)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移真值表圖5.3.8X=1時(shí)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖綜合X=0和X=1的情況，可得到電路在輸入X的控制下的狀態(tài)轉(zhuǎn)換關(guān)系，如圖5.3.9所示。根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖和狀態(tài)轉(zhuǎn)移真值表畫出的時(shí)序如圖5.3.10所示。圖5.3.9在X控制下的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖圖5.3.10例5.3.2的時(shí)序圖④檢查電路能否自啟動。通過上面的分析可知，該電路的無效態(tài)為11。根據(jù)次態(tài)方程式(5.3.6)可以得到：當(dāng)電路現(xiàn)態(tài)為11時(shí)，不論X為何值，次態(tài)均為00，輸出Z=0。顯然，該電路能夠自啟動。圖5.3.11給出了電路的完整狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。圖5.3.11例5.3.2的完整狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖⑤判斷電路功能。該電路一共有三個狀態(tài)：00、01和10。當(dāng)時(shí)鐘信號下降沿到來時(shí)，受輸入X的控制進(jìn)行狀態(tài)轉(zhuǎn)移。當(dāng)X=0時(shí)，按照加1規(guī)律從00→01→10→00循環(huán)變化，并每當(dāng)轉(zhuǎn)換為10狀態(tài)(最大數(shù))時(shí)，輸出Z=1；當(dāng)X=1時(shí)，按照減1規(guī)律從10→01→00→10循環(huán)變化，并每當(dāng)轉(zhuǎn)換為00狀態(tài)(最小數(shù))時(shí)，輸出Z=1。因此，該電路是一個加減可控的三進(jìn)制計(jì)數(shù)器。5.3.2異步時(shí)序邏輯電路分析

異步時(shí)序電路與同步時(shí)序電路的主要差異有三個方面：第一，異步時(shí)序電路中無統(tǒng)一的外加時(shí)鐘脈沖，這是最主要的區(qū)別，這就意味著異步時(shí)序邏輯電路中各個觸發(fā)器狀態(tài)的變化不是同時(shí)進(jìn)行的；第二，異步時(shí)序電路中，通常情況下輸入變量X為脈沖信號，由輸入脈沖直接引起電路狀態(tài)的改變；第三，由次態(tài)邏輯產(chǎn)生各觸發(fā)器的驅(qū)動信號及時(shí)鐘信號。分析異步時(shí)序邏輯電路的具體步驟是：

(1)根據(jù)邏輯電路圖寫出各邏輯方程：各觸發(fā)器的時(shí)鐘方程、時(shí)序電路的輸出方程和各觸發(fā)器的驅(qū)動方程。

(2)將驅(qū)動方程代入相應(yīng)觸發(fā)器的特征方程，得到時(shí)序邏輯電路的次態(tài)方程。

(3)根據(jù)次態(tài)方程和輸出方程，列出電路的狀態(tài)轉(zhuǎn)移真值表，畫出狀態(tài)圖或時(shí)序圖。

(4)根據(jù)電路的狀態(tài)轉(zhuǎn)移真值表或狀態(tài)圖說明電路的邏輯功能。

【例5.3.3】試分析圖5.3.12所示的時(shí)序邏輯電路。

解分析觸發(fā)器FF0和FF1的時(shí)鐘信號可知該電路是一個異步時(shí)序邏輯電路。具體分析步驟如下：

①寫出各邏輯方程式。

時(shí)鐘方程：

(5.3.10)圖5.3.12例5.3.3的電路圖輸出方程：

(5.3.11)

各觸發(fā)器的驅(qū)動方程：

(5.3.12)②將各驅(qū)動方程代入D觸發(fā)器的特征方程，得到各觸發(fā)器的次態(tài)方程：

(5.3.13)

③作狀態(tài)轉(zhuǎn)移真值表，如表5.3.4所示。

表5.3.4例5.3.3電路的狀態(tài)轉(zhuǎn)移真值表④作出狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖和時(shí)序圖，分別如圖5.3.13和圖5.3.14所示。圖5.3.13例5.3.3電路的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖圖5.3.14例5.3.3電路的時(shí)序圖⑤邏輯功能分析。由狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖可知該電路共有四個狀態(tài)：00、01、10和11，在時(shí)鐘脈沖作用下，按照減1規(guī)律循環(huán)變化，所以是一個四進(jìn)制減法計(jì)數(shù)器，Z是借位信號。

【例5.3.4】分析圖5.3.15所示異步時(shí)序邏輯電路的功能。

解①寫出各邏輯方程式。

時(shí)鐘方程：

(5.3.14)圖5.3.15例5.3.4的電路圖各觸發(fā)器的驅(qū)動方程：

(5.3.15)

輸出方程：

Y=Q2

(5.3.16)②將各驅(qū)動方程代入D觸發(fā)器的特征方程，得到各觸發(fā)器的次態(tài)方程:

(5.3.17)

③作出狀態(tài)轉(zhuǎn)移真值表，如表5.3.5所示。表5.3.5例5.3.4電路的狀態(tài)轉(zhuǎn)移真值表④作狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖和時(shí)序圖，分別如圖5.3.16和圖5.3.17所示。圖5.3.16例5.3.4電路的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖圖5.3.17例5.3.4電路的時(shí)序圖⑤邏輯功能分析。該電路是一個具有自啟動功能的五進(jìn)制異步計(jì)數(shù)器。5.4.1同步時(shí)序邏輯電路的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法

在同步時(shí)序邏輯電路中，由于采用統(tǒng)一的時(shí)鐘信號，因此在設(shè)計(jì)過程中可以不考慮時(shí)鐘信號，從一個狀態(tài)到另一個狀態(tài)是同步的。同步時(shí)序邏輯電路設(shè)計(jì)的一般步驟是：5.4時(shí)序邏輯電路的設(shè)計(jì)方法(1)邏輯抽象，建立原始狀態(tài)圖和狀態(tài)表。

(2)狀態(tài)化簡，得到最簡狀態(tài)表。

(3)狀態(tài)分配，確定二進(jìn)制狀態(tài)表。

(4)選擇觸發(fā)器，確定觸發(fā)器的驅(qū)動方程和電路輸出方程。

(5)檢查電路的自啟動功能。

(6)畫出邏輯電路圖。

1.邏輯抽象

進(jìn)行邏輯抽象的目的是得出邏輯問題的原始狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖和狀態(tài)轉(zhuǎn)移真值表。在這一階段，對邏輯狀態(tài)的分析只求正確，不求最簡，多余的狀態(tài)可以在狀態(tài)化簡時(shí)消除。

建立原始狀態(tài)表的關(guān)鍵是確定以下三個問題：

(1)分析給定邏輯問題，確定輸入、輸出變量以及電路的狀態(tài)數(shù)。輸入變量的個數(shù)取決于引起電路狀態(tài)變化的原因，而輸出變量的個數(shù)由電路功能決定。

(2)定義輸入、輸出邏輯狀態(tài)和電路狀態(tài)的含義，并對電路狀態(tài)進(jìn)行編號。

(3)列出原始狀態(tài)表，畫出狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。

【例5.4.1】設(shè)計(jì)一個五進(jìn)制可逆計(jì)數(shù)器。當(dāng)輸入x

為0時(shí)，進(jìn)行加1計(jì)數(shù)；當(dāng)x

為1時(shí)，進(jìn)行減1計(jì)數(shù)。

解①分析輸入、輸出變量的個數(shù)及電路的狀態(tài)數(shù)。

根據(jù)要求，有一個輸入變量為x，有一個輸出變量為y，電路的狀態(tài)數(shù)為五個。

②定義輸入、輸出邏輯狀態(tài)和每個電路狀態(tài)的含義，并對電路狀態(tài)進(jìn)行編號。

輸入x控制電路的功能，其含義與設(shè)計(jì)要求相同。當(dāng)x=0時(shí)，做加1計(jì)數(shù)；當(dāng)x=1時(shí)，做減1計(jì)數(shù)。電路的狀態(tài)數(shù)為五個，其編號分別為S0~S4。輸出y表示五進(jìn)制的計(jì)數(shù)輸出，設(shè)定當(dāng)前狀態(tài)為S0時(shí)，電路輸出y=1；電路處于其他狀態(tài)時(shí)，y=0。

③列出狀態(tài)轉(zhuǎn)移真值表，畫出狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖。

根據(jù)題意可以畫出狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，如圖5.4.1所示。原始狀態(tài)表如表5.4.1所示。圖5.4.1例5.4.1的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖表5.4.1例5.4.1原始狀態(tài)表

【例5.4.2】設(shè)計(jì)一個串行數(shù)據(jù)檢測器，在連續(xù)輸入四個或四個以上的1時(shí)輸出1，否則輸出0。

解按題意，要求設(shè)計(jì)一個“1111”序列檢測器。其功能是：對輸入X逐位進(jìn)行檢測，若輸入序列中出現(xiàn)“1111”，則最后一個1輸入時(shí)，輸出Z為1；若隨后的輸入仍為1，則輸出繼續(xù)為1；其他情況下，輸出Z為0。顯然，該序列檢測器應(yīng)該記住收到X中連續(xù)的1的個數(shù)，因此可以定義以下輸入、輸出信號和電路狀態(tài)：輸入X，表示串行輸入數(shù)據(jù)。

輸出Z，表示檢測結(jié)果。

電路狀態(tài)定義：

S0——未輸入1；

S1——輸入一個1；

S2——連續(xù)輸入兩個1；

S3——連續(xù)輸入三個1；

S4——連續(xù)輸入四個或四個以上1。

畫出其原始狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖，如圖5.4.2所示。圖5.4.2例5.4.2的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖當(dāng)電路處于狀態(tài)S0時(shí)，表明電路未收到1。若此時(shí)輸入X=0，則電路的輸出為0，次態(tài)仍為S0；若此時(shí)輸入X=1，則電路收到第一個1，進(jìn)入收到一個1的狀態(tài)，輸出為0，次

態(tài)為S1。

當(dāng)電路處于S1時(shí)，表明電路已收到一個1。若此時(shí)輸入X=0，則接收1111的過程被打斷，前面剛收到的1作廢，電路返回到未收到有效1的狀態(tài)，輸出為0，次態(tài)為S0；若此時(shí)輸入X=1，則電路連續(xù)收到兩個1，進(jìn)入連續(xù)收到兩個1的狀態(tài)，輸出為0，次態(tài)為S2。當(dāng)電路處于S2時(shí)，表明電路已連續(xù)收到兩個1。若此時(shí)輸入X=0，則接收1111的過程被打斷，前面剛連續(xù)收到的11作廢，電路返回到未收到有效1的狀態(tài)，輸出為0，次態(tài)為S0；若此時(shí)輸入X=1，則電路連續(xù)收到三個1，進(jìn)入連續(xù)收到三個1的狀態(tài)，輸出為0，次態(tài)為S3。

當(dāng)電路處于S3時(shí)，表明電路已收到三個連續(xù)的1。若此時(shí)輸入X=0，則接收1111的過程被打斷，前面剛連續(xù)收到的111作廢，電路返回到未收到有效1的狀態(tài)，輸出為0，次態(tài)為S0；若此時(shí)輸入X=1，則電路連續(xù)收到四個1，進(jìn)入連續(xù)收到四個1的狀態(tài)，輸出為1，次態(tài)為S4。

當(dāng)電路處于S4時(shí)，表明電路已收到四個或四個以上連續(xù)的1。若輸入X=0，則接收四個以上1111的過程被打斷，前面連續(xù)收到的多個1作廢，電路返回到未收到有效1的狀態(tài)，

輸出為0，次態(tài)為S0；若此時(shí)輸入X=1，則電路已連續(xù)收到四個以上的1，根據(jù)題意，輸出為1，次態(tài)仍為S4，電路停留在狀態(tài)S4。

由原始狀態(tài)圖可以得到如表5.4.2所示的原始狀態(tài)表，表中的Sn表示現(xiàn)態(tài)，Sn+1表示次態(tài)。表5.4.2例5.4.2的原始狀態(tài)表

【例5.4.3】用樹干分支法畫出重疊型和非重疊型“1010”序列檢測器的原始狀態(tài)圖。

解所謂重疊型序列檢測器，是指在序列檢測過程中，前、后序列是可以重疊的，如重疊型“1010”序列在已經(jīng)收到“1010”后，只要再收到“10”就表示檢測到了下一個“1010”序列，因?yàn)槭怯蒙弦粋€序列的后一個“10”作為下一序列的前兩位“10”的。如果是非重疊型序列檢測器，因已經(jīng)檢測到了“1010”，所以后面的兩位“10”不可再用，應(yīng)從下一位開始重新檢測“1010”。圖5.4.3“1010”序列檢測器的樹干無論是否允許重疊，序列檢測器的樹干都是“1010”，因此可以先畫出“1010”這條樹干，如圖5.4.3所示。實(shí)際上，采用樹干分支法畫好原始狀態(tài)圖的樹干后，各個狀態(tài)的含義就已經(jīng)清楚了，只不過一開始未定義而已。例如本例中，狀態(tài)A作為初始狀態(tài)表示未收到有效的“1”；狀態(tài)B表示收到1個有效的“1”；狀態(tài)C表示收到“10”；狀態(tài)D表示收到“101”；

狀態(tài)E表示收到“1010”。在樹干的基礎(chǔ)上，考慮在各狀態(tài)下次態(tài)的轉(zhuǎn)換情況，將各狀態(tài)的分支補(bǔ)充完整，“1010”序列檢測器的原始狀態(tài)圖如圖5.4.4所示。重疊型和非重疊型“1010”序列檢測器的原始狀態(tài)圖僅在電路處于狀態(tài)E時(shí)有所不同。狀態(tài)E表示電路已經(jīng)檢測到“1010”序列，如果是重疊型序列檢測器，則前一組的后兩位“10”可以作為下一組“1010”的前面兩位“10”，因此再收到1時(shí)應(yīng)轉(zhuǎn)向收到“101”的狀態(tài)