数字逻辑电路第4章时序逻辑电路

第6章时序逻辑电路学习目标：1.掌握CMOS时序逻辑电路的特点与分析方法。2.了解同步和异步的二－十进制计数器的特点及其工作过程的区别，寄存器和锁存器的区别。3.掌握CMOS时序逻辑电路的一般设计方法，特别是同步时序逻辑电路的设计方法。4.熟练掌握“反馈清零法”、“反馈置数法”、“进位输出置数法”和“级联法”，利用中规模集成芯片构成任意进制计数器的方法。熟练掌握同步与异步归零逻辑方面的差异，同步与异步置数逻辑方面的差异。5.会运用中规模CMOS芯片实现指定逻辑功能的数字产品。图6.9用计数器CC4033构成的数字时钟的电路123456ABCD654321DCBA标题图号修订尺寸B日期:9-Jan-2014第张共张文件:C:\DocumentsandSettings\Administrator\桌面\刘嘉麟PCB\10.16pcb版.DDB制图人:GNDCRYOUT85RBO4g7f6e11d9LT14c13RST15b12RBI3a10INH2CLK116IC1HCC4033BFGNDCRYOUT85RBO4g7f6e11d9LT14c13RST15b12RBI3a10INH2CLK116IC3HCC4033BFGNDCRYOUT85RBO4g7f6e11d9LT14c13RST15b12RBI3a10INH2CLK116IC4HCC4033BFGNDCRYOUT85RBO4g7f6e11d9LT14c13RST15b12RBI3a10INH2CLK116IC6HCC4033BFGNDCRYOUT85RBO4g7f6e11d9LT14c13RST15b12RBI3a10INH2CLK116IC5HCC4033BFGNDCRYOUT85RBO4g7f6e11d9LT14c13RST15b12RBI3a10INH2CLK116IC2HCC4033BF21P1DP5g10f9e1d2c4b6a7K3K8DS1DPYBlue-CCDP5g10f9e1d2c4b6a7K3K8DS2DPYBlue-CCDP5g10f9e1d2c4b6a7K3K8DS3DPYBlue-CCDP5g10f9e1d2c4b6a7K3K8DS4DPYBlue-CCDP5g10f9e1d2c4b6a7K3K8DS5DPYBlue-CCDP5g10f9e1d2c4b6a7K3K8DS6DPYBlue-CCS1SW-PBR11470R12470C3104R1010KR152MC130XY32768HZC22/20PFIC2C4104R1310KS2SW-PBVDDVDDVDDVDDVDDQ143GND8Q132Q121Q1015Q913Q814Q76Q64CLK010Q55CLK09Q47CLK111VDD16RST12CD4060IC7AVDDVDDVDDVDDVDDVDDVDDVDDVDDVDDVDDVDDVDD123IC5ACD4081BCN564IC5BCD4081BCN8910IC5CCD4081BCNVCCCLK1Q03EN2Q14CLR7Q36GND8Q25CLK9Q011EN10Q112CLR15Q213Q314VDD16IC7BCD4518R1410K10KT1NPN/9013T2NPN/9013T3NPN/9013R1360R2360R3360R4360R5360R63606.2.2时序逻辑电路的设计方法1.时序逻辑电路的设计步骤。根据要求实现的逻辑功能，求出满足此功能的最简单的时序逻辑电路的过程，称为时序逻辑电路设计。一般步骤如下：（1）分析设计要求，建立原始状态图或原始状态转换表。首先分析给定的逻辑问题，确定输入、输出变量，并且定义其对应的意义；再设定电路的状态数，将电路的状态按顺序编号，然后按照题意画出原始状态图或原始状态转换表。（2）进行状态化简，求出最简状态图。在原始状态图中，凡是输入相同输出也相同,要转换的次态也相同的状态，皆称为“等价状态”。状态化简就是将多个等价状态合并，丢掉多余状态，从而得到“最简状态”。（3）状态分配。状态分配又叫做状态编码或状态赋值。若最简状态图中状态数为N，则触发器的数目n应满足关系：2n≥N2n-1。一般情况下，可以从各种不同分配方案中，选择最佳状态编码方案，可以使设计电路最简单。（4）选定触发器的类型，求出时钟方程、输出方程、状态方程和驱动方程。可供选择的触发器有JK触发器、D触发器。根据简化状态图及状态编码，可作出电路次态和输出的卡诺图，并从卡诺图中分别求出电路状态方程和输出方程；再根据触发器类型，将状态方程转换为触发器特性方程的形式，便求得电路的驱动方程。（5）画逻辑电路图。根据求出的时钟方程、驱动方程、输出方程及选定触发器的类型，便可画出所要设计的逻辑电路图。（6）检查设计的电路能否自启动。把无效状态代入电路检查，在时钟脉冲作用下能够进入有效循环，则说明该电路有自启动能力。如果无效状态形成了循环，则说明该电路不能自启动，则应采取两种措施解决。一种是修改逻辑设计电路，另一种是通过预置数的方法，将电路的初始状态值置成有效状态之一。6.5.2计数器按照CP脉冲的输入方式可分为同步计数器和异步计数器。按照计数规律可分为加法计数器，减法计数器和可逆计数器。按计数容量N又可划分为二进制计数器和非二进制计数器，n代表计数器中有触发器的数，N代表计数过程中所经历的有效状态总数，又称为“计数长度”。CP12345678910111213141516Q200001111000011110Q001010101010101010Q111001100101001100Q300001111111100000结论:CPQff210CPQff411CPQff812计数器的功能：不仅可以计数也可作为分频器。CPQff1613•同步计数器•异步计数器加计数器减计数器可逆计数器二进制计数器非二进制计数器十进制计数器任意进制计数器加计数器减计数器可逆计数器二进制计数器非二进制计数器十进制计数器任意进制计数器…………p290典型集成同步计数器集成计数器是厂家生产的通用芯片，其函数关系已经固定，状态分配编码不能改变，所以，在用集成计数构成N进制计数器，往往利用清零端或置数端，让电路跳过某些状态来获得N进制计数器。在集成电路手册中由功能表很容易知道集成计数器的清零和置数方式。例如：清零和置数均“同步方式”的有16进制加法计数器CC40163；十进制加法计数器CD40162；十进制同步可逆计数器CD40192，16进制可逆计数器CD40193；清零采用异步方式，置数采用同步方式的16进制同步加法计数器CD40161，十进制同步加法计数器CD40160；还有CD4518，CD40110/4033/4520也具有同步计数功能。CD40161外形图图6.35CC40160/40161引脚排列图CC40160/40161是一种同步二进制加法集成计数器，共引脚端排列如图6.35所示，逻辑功能表如表6.11所示。(带异步清零)(带同步清零)（1）—异步清零，当=0，=1时，Q3Q2Q1Q0=0000，即各触发器置成O状态。（2）—同步并行置数，当=0，=1时，由于CP上升沿配合，四个触发器同时接受并行的输入数据，使Q3Q2Q1Q0=D3D2D1D0，称作“同步并行置数”。CRCRLDLDLDLDCRCRCRLDLDLDCRCR74LVC161逻辑功能表输入输出清零预置使能时钟预置数据输入计数进位CEPCETCPD3D2D1D0Q3Q2Q1Q0TCL××××××××LLLLLHL××↑D3D2D1D0D3D2D1D0*HHL××××××保持*HH×L×××××保持*HHHH↑××××计数*CR的作用？PECRPE的作用？时序波形图CRPECPCEPCETQ0Q1Q2Q3TC计数保持异步清零同步预置D3D0D1D2TC=CET•Q3Q2Q1Q02、集成计数器CC40160/40161构成N进制计数器。方法一：反馈置零法—利用CC40161异步清零端的功能来构成任意N进制计数器的方法。方法二：反馈预置数法—利用CC40161同步并行置数端来构成任意N进制计数器的方法。方法三：进位输出置数法—利用进位输出端CO的进位输出，使计数器置入数据，来构成任何N进制计数器的方法。P296例1试用CC40161集成芯片，分别采用“反馈清零”法，“反馈预置数”法和“进位输出置数”法构成一个10进制计数器。图6.5.18用CC40161构成的10进制计数器“反馈清零”法—异步清零“反馈预置数”法—同步置数进位输出置数法60进制计数器同或清零-12进制解：（1）用反馈清零（异步清零）法方案实现2.用集成计数器构成任意进制计数器例2用74LVC161构成九进制加计数器。(1)反馈清零法＞CPCETCEPCRPETCD0D1D2D3Q0Q1Q2Q3&CP74LVC1611110010011000000101010000110001100001111001Q3Q2Q1Q0解：九进制计数器应有9个状态，而74LVC161在计数过程中有16个状态。如果设法跳过多余的7个状态，则可实现模9计数器。(2)反馈置数法＞CPCETCEPCRPETCD0D1D2D3Q0Q1Q2Q31CP74LVC161111001001100000010101000011000110000111Q3Q2Q1Q0＞CPCETCEPCRPETCD0D1D2D3Q0Q1Q2Q31CP74LVC161111111例3试用两片CC40161集成芯片构成N1=60的“分钟”计数器，N2=24的“小时”计数器。图6.38（C）二片CC40161级联构成二十四进制的“小时”计数器※“学用结合”作业：试设计一款“全自动洗衣机控制器”一、设计任务：设计制作一个“洗衣机控制器”，使之能控制洗衣机的进水阀、排水阀、洗涤程序电机，甩干驱动装置等按预定程序工作。1、洗衣机总体工作程序包括：进水→浸泡→洗涤→排水→甩干等五个过程，其中浸泡是可供选择的。2、进水从电路启动开始，以水位检测达到要求的位置为结束；排水以洗涤结束为起点，以排水检测达到要求为结束；甩干过程用定时控制。实验中，可用普通开关或光电管作检测元件，以LED发光二极管代替执行阀门。3、总体工作程序的主要过程是洗涤，洗涤过程中包含两级定时工作程序，即总的洗涤时间定时和电动机正转、暂停、反转定时，如下面工作流程：进入洗涤→正转30秒→暂停3秒→反转30秒→预定时间到,排水→甩干。5、设置报警电路，凡遇到缺水或进水超时、或排水超时、甩干碰桶（用故障开关模拟）等异常情况时，发出报警音响并自动停机。6、正常洗涤结束时能发出“嘀—嘟”声响提示，并自动切断电源。二、设计要求：1、洗衣机可以按预定时间定时工作，最大定时工作时间为99分钟。2、预置时间有数字显示，工作运行中的倒计时时间有数字显示。3、洗衣机开机有自动清零功能。4、控制电机工作方式为：在预定时间内，电机正转10秒、暂停5秒、反转10秒。三、设计任务分析：1、系统原理框图。根据洗衣机控制程序的要求，可列出如图5.59所示的基本原理框图。图6.59洗衣机控制器原理框图图6.65自动洗衣机控制器参考电路课后小结集成计数器是厂家生产的通用芯片，其函数关系已经固定，状态分配编码不能改变，所以，在用集成计数构成N进制计数器，往往利用清零端或置数端，让电路跳过某些状态来获得N进制计数器。在集成电路手册中由功能表很容易知道集成计数器的清零和置数方式。例如：16进制同步加法计数器CC40161,清零采用“异步方式”，置数采用“同步方式”。38