时序逻辑电路课件

第六章时序逻辑电路本章内容6.1概述6.2时序逻辑电路的分析方法6.3常用的时序电路分析6.3.1寄存器和移位寄存器6.3.2计数器6.3.2.1同步计数器6.3.2.2异步计数器6.3.2.3移位寄存器型计数器6.3.3顺序脉冲发生器6.4时序逻辑电路的设计方法6.5时序逻辑电路的自启动设计1第六章时序逻辑电路—6.1概述时序逻辑电路：任一时刻的输出信号不但取决于当时的输入信号，而且还取决于电路原来所处的状态。一、时序逻辑电路的结构特点：X(x1，x2，…，xi)——输入信号Y(y1，y2，…，yj)——输出信号Z(z1，z2，…，zk)——存储电路的输入信号Q(q1，q2，…，qL)——存储电路的输出信号1.时序电路包含组合电路和存储电路两个组成部分，而存储电路必不可少。2.存储电路的输出状态必须反馈到输入端，与输入信号一起共同决定组合电路的输出。组合逻辑电路存储电路x1x2x1xiy1y2yjz1zkq1qL向量X向量Q向量Z向量Y2Y(tn)=F[X(tn)，Q(tn)]——输出方程Q(tn+1)=G[Z(tn)，Q(tn)]——状态方程（对与独立的一个RS、JK、D触发器称为特征方程）Z(tn)=H[X(tn)，Q(tn)]——驱动方程（激励方程）tn，tn+1表示相邻的两个离散时间；q1，q2，…,qL为状态变量，代表存储器的输出状态，Q为状态向量二、按照存储单元状态变化的特点，时序电路可以分成同步时序电路和异步时序电路两大类。在同步时序电路中，所有触发器的状态变化都是在同一时钟信号作用下同时发生的。而在异步时序电路中，各触发器状态的变化不是同时发生，而是有先有后。异步时序电路根据电路的输入是脉冲信号还是电平信号，又可分为：脉冲异步时序电路和电平异步时序电路。第六章时序逻辑电路—6.1概述3三、按照输出信号的特点，时序电路可分为米里型和摩尔型两种。米里型型电路的输出状态不仅与存储电路有关，而且与输入也有关，其输出函数Y为：Y(tn)=F[X(tn)，Q(tn)]摩尔型型电路的输出状态仅与存储电路的状态有关而与输入无关，其输出函数Y为：Y(tn)=F[Q(tn)]时序电路的典型电路有：寄存器，移位寄存器，计数器等，其分析方法比组合电路更复杂些，要引进一些新方法。第六章时序逻辑电路—6.1概述4只要能写出给定逻辑电路的输出方程，状态方程，驱动方程，就能表示其逻辑功能，可据此求出在任意给定输入变量和电路现状态下电路的次态和输出。一般步骤：1.从给定的逻辑图中，写出每个触发器的驱动方程，时钟方程和电路的输出方程。2.求电路的状态方程。把驱动方程代入相应触发器的特性方程，可求出每个触发器的次态方程。即电路的状态方程，并标出时钟条件3.列出完整的状态转换真值表（包括检查电路能否自启动）。画出状态转换图或时序图。依次假设初态，代入电路的状态方程，输出方程，求出次态。（对n个触发器来说，应包括2n个状态）及输出，列出完整的状态转换真值表，简称状态转换表。4.确定时序电路的逻辑功能。第六章时序逻辑电路—6.2分析方法5例:做出下图时序逻辑电路的状态转换表,状态转换图和时序图。J1=Q2nQ3n，K1=1J2=Q1n，K2=Q1nQ3nJ3=Q1nQ2n，K3=Q2nYC11J1KQF1C11J1KQF2C11J1KQF3&CP&1①根据图可写出电路的驱动方程：第六章时序逻辑电路—6.2分析方法6②将驱动方程代入JK触发器的特征方程Qn+1=JQn+KQn中，得状态方程为：Q1n+1=Q2Q3Q1Q2n+1=Q1Q2+Q1Q3Q2Q3n+1=Q1Q2Q3+Q2Q3③写出输出方程为：Y=Q2Q3()在一系列时钟信号操作下电路状态转换的全部过程找出来,则电路的逻辑功能便可一目了然。状态转换表：若将任何一组输入变量及电路初态的取值代入状态方程和输出方程，即可算得电路次态和输出值：以得到的次态作为新的初态，和这时的输入变量取值一起，再代入状态方程和输出方程进行计算，又可得到一组新的次态和输出值。如此继续，将结果列为真值表形式，便得到状态转换表。32QQY第六章时序逻辑电路—6.2分析方法7Q1n+1=0•0•0=1•1=1Q2n+1=0•0+0•0•0=0Q3n+1=0•0•0+0•0=0Y=0•0=0例题中电路无输入变量，次态和输出只取决于电路的初态，设初态为Q3Q2Q1=000，代入其状态方程及输出方程，得：又以100为初态，代入得Q1n+1=0•0•1=0Q2n+1=1•0+1•0•0=1Q3n+1=1•0•0+0•0=0再以010为初态，代入得如此继续，依次得到100，101，110，000，又返回最初设定的初态，列出其状态转换表。Q1n+1=1•0•0=0•0=1Q2n+1=0•1+0•0•1=1Q3n+1=0•1•0+1•0=08CPQ3Q2Q1Y00000100102010030110410005101061101700000111110000每经过七个时钟触发脉冲以后输出端Y从高电平跳变为低电平，且电路的状态循环一次。所以此电路具有对时钟信号进行计数的功能，且计数容量等于七，称为七进制计数器。若电路初态为111，代入方程得：Q3Q2Q1=000，Y=1状态转换图：更形象表示时序电路的逻辑功能。→代表转换方向，输入变量取值写出斜线之上，输出值写在斜线之下。000001010011100101110111/0/0/0/0/0/0/1/1Q3Q2Q1代表状态9时序图：在时钟脉冲序列作用下电路状态，输出状态随时间变化的波形图叫做时序图。tQ1tQ2tQ3tYtCP106.3.1寄存器和移位寄存器在数字系统中，常需要一些数码暂时存放起来，这种暂时存放数码。一个触发器可以寄存1位二进制数码，要寄存几位数码，就应具备几个触发器，此外，寄存器还应具有由门电路构成的控制电路，以保证信号的接收和清除。移位寄存器除了具有寄存数码的功能外，还具有移位功能，即在移位脉冲作用下，能够把寄存器中的数依次向右或向左移。它是一个同步时序逻辑电路。一、寄存器：1DC1Q0Q0D0CP1DC1Q1Q1D11DC1Q3Q3D31DC1Q2Q2D2维持阻塞结构的单拍工作方式寄存器,其接收数码时所有数码都是同时读入的,称此种输入、输出方式为并行输入，并行输出方式。第六章时序逻辑电路—6.3常用的时序电路分析（寄存器）11CC4046是三态输出的4位寄存器，能寄存4位二值代码。LDA+LDB=1时,电路处于装入数据的工作状态。LDA+LDB=0时,电路处于保持状态。ENA=ENB=0时，电路正常工作ENA+ENB=1时，电路输出高阻态第六章时序逻辑电路—6.3常用的时序电路分析（寄存器）12二、移位寄存器1）从CP上升沿开始到输出新状态的建立需要经过一段传输延迟时间，故当CP上升沿同时作用于所有触发器时，它们输入端的状态都未改变。2）F1按Q0原来的状态翻转，F2按Q1原来的状态翻转，F3按Q2原来的状态翻转，同时，输入端的代码存入F0，总的效果是寄存器的代码依次右移一位。例如在四个CP周期内输入代码依次为1011，移位情况如状态表。DI1DFF0C11DFF0C11DFF0C11DFF0C1CP串行输入移位脉冲串行输出DOQ0Q1Q2Q3并行输出CPDIQ0Q1Q2Q3000000111000200100311010411101第六章时序逻辑电路—6.3常用的时序电路分析（移位寄存器）13可见，经过4个CP信号后，串行输入的四位代码全部移入了移位寄存器，并在四个输出端得到并行输出代码。利用移位寄存器可实现代码的串行—并行转换。若再加4个CP信号，寄存器中的四位代码还可以从串行端依次输出。用JK触发器构成的移位寄存器tCP0tQ01tQ11tQ2tQ3tVI1DI1JFF0C11JFF0C11JFF0C11JFF0C1CP串行输入移位脉冲串行输出DOQ0Q1Q2Q3并行输出1K11K1K1K14InInInInInnnDQDQDQDQDQKQJQ115为便于扩展逻辑功能和增加使用的灵活性，在定型生产的移位寄存器集成电路上有的又附加了左、右移控制、数据并行输入、保持、异步置零（复位）等功能。如74LS194A是一个4位双向移位寄存器。16双向移位寄存器74LS194A的功能表:RDS1S0工作状态0XX置零100保持101右移110左移111并行输入用两片74LS194A接成8位双向移位寄存器:DIRD0D1D2D3DIL74LS194Q0Q1Q2Q3S1S0CPRDDIRD0D1D2D3DIL74LS194Q0Q1Q2Q3S1S0CPRDS1S0右移串行输入左移串行输入CPRD176.3.2计数器计数器的作用:用于对时钟脉冲计数，还可用于定时，分频，产生节拍脉冲，进行数字运算等。1.按计数器中的触发器是否同时翻转分类，可把计数器分为同步和异步两类。在同步计数器中，当时钟脉冲输入时触发器的翻转是同时发生的。而在异步计数器中，触发器的翻转有先有后，不同时翻转。3.按计数容量（即计数模）分类：有十进制计数器，十二进制计数器，六十进制计数器等等。2.按计数过程中计数器中的数字增减分类：加法计数器：减法计数器：做依次递减计数可逆计数器：计数过程可增可减随计数脉冲的输入而做依次递增计数第六章时序逻辑电路—6.3常用的时序电路分析（计数器）186.3.2.1同步计数器：1.同步二进制计数器1J1KC1Q0T0=1FF01J1KC1Q1T1FF1CP1J1KC1Q2T2FF21J1KC1Q3T3FF3&&G12G2&C计数脉冲用T触发器构成的同步二进制加法计数器在一个多位二进制数的末位上加１时，若其中第i位（即任何一位）以下各位皆为１时，则第i位应改变状态（由0变成1，由1变成0）。而最低位的状态在每次加1时都要改变。同步计数器既可用T触发器构成，也可以用T´触发器构成。用T触发器构成计数器时，应使：T0=1T1=Q0T2=Q0Q1T3=Q0Q1Q2即使：)1,,1,0(10niQTijjia).同步二进制加法计数器：第六章时序逻辑电路—6.3常用的时序电路分析（同步计数器）19状态转换表Q3Q2Q1Q0000000010001102001020300113040100405010150601106070111708100080910019010101010011101111012110012013110113014111014015111115116000000计数顺序电路状态等效十进制数进位输出C200010/0/0/0/0/0/0/100110001000001000101011001111000/0/01010/0/0/0/0100110111100/0111111101101/0/0Q3Q2Q1Q0/C电路的状态转换图Q0n+1=Q0Q1n+1=Q0Q1+Q0Q1Q2n+1=Q0Q1Q2+Q0Q1Q2Q3n+1=Q0Q1Q2Q3+Q0Q1Q2Q3每输入16个计数脉冲计数器工作一个循环，并在输出端C产生一个进位输出信号，所以又把这个电路叫十六进制计数器。电路的状态方程：21电路的时序图由时序图上可以看出，若计数输入脉冲的频率为f0，则Q0、Q1、Q2、和Q3端输出脉冲的频率将依次为f0/2、f0/4、f0/8、和f0/16。针对计数器的这种分频功能，也把它叫做分频器。CPtQ0tQ1tQ2tQ3tCt224位同步二进制计数器74161的逻辑图74161为中规模集成的4位同步二进制计数器具有二进制加法计数功能之外,还具有预置数、保持和异步置零等附加功能。异步置零即只要RD出现低电平，触发器立即被置零，不受CP的控制。2374161的功能表如下:CPRDLDEPET工作状态X0XXX置零10XX预置数X1101保持X11X0保持(但C=0)1111计数还可用T´触发器构成同步二进制计数器：需使每次计数脉冲到达时只能加到该翻转的那些触发器的CP输入端上，而不能加给那些不该翻转的触发器使得：CP0=CPCP1=CP•Q0CP2=CP•Q0