清华大学《数字电子技术基本教程》教学课件

《数字电子技术基本教程》《数字电子技术基本教程》教学课件清华大学王红陈莉平阎石联系地址：清华大学自动化系邮政编码：100084电子信箱：[e-mail]联系电话：[phone]《数字电子技术基本教程》时序逻辑电路《数字电子技术基本教程》6.1时序逻辑电路的特点和逻辑功能的描述一、时序逻辑电路的特点1.功能上：任一时刻的输出不仅取决于该时刻的输入，还与电路原来的状态有关。例：串行加法器，两个多位数从低位到高位逐位相加2.电路结构上①包含存储电路和组合电路②存储器状态和输入变量共同决定输出《数字电子技术基本教程》二、时序电路的一般结构形式与功能描述方法《数字电子技术基本教程》可以用三个方程组来描述：输出方程),,,,,,,(),,,,,,,(2121212111lijjliqqqxxxfyqqqxxxfy驱动方程),,,,,,,(),,,,,,,(2121212111likkliqqqxxxgzqqqxxxgz状态方程),,,,,,,(*),,,,,,,(*2121212111lillliqqqzzzhqqqqzzzhq《数字电子技术基本教程》三、时序电路的分类1.同步时序电路与异步时序电路同步：所有触发器都是在同一时钟操作下,状态转换是同步发生的异步：不是所有的触发器都使用同一个时钟信号,因而在电路转换过程中触发器的翻转不是同步发生的2.Mealy型和Moore型Mealy型：Moore型：仅取决于电路状态有关、与)(),(QFYQXQXFY《数字电子技术基本教程》6.2时序电路的分析方法分析：找出给定时序电路的逻辑功能即找出在输入和CLK作用下，电路的次态和输出。一般步骤：①根据给定的逻辑图写出存储电路中每个触发器输入端的逻辑函数式，得到电路的驱动方程。②将每个触发器的驱动方程代入它的特性方程，得到电路的状态方程。③从逻辑图写出输出方程。④为了能更加直观地显示电路的逻辑功能，还可以从方程式求出电路的状态转换表，画出电路的状态转换图或时序图。《数字电子技术基本教程》例：122111.1QAKJKJ写驱动方程：2122222111111**)*.2QQAQKQJQQQKQJQQKQJQJK，得状态方程：触发器的特性方程（代入))()((.321212121QQAQAQQQAQAQY输出方程《数字电子技术基本教程》状态转换表))()((21212121QQAQAQQQAQAQY输出方程21211**QQAQQQ状态方程：00011011001/110/011/000/0111/000/001/010/1AYQQQQ*1*212《数字电子技术基本教程》二、状态转换图《数字电子技术基本教程》四、时序图《数字电子技术基本教程》6.3常用的时序逻辑电路6.3.1寄存器①用于存储二值信息代码，由N个触发器组成的寄存器能存储一组N位的二值代码。②只要求其中每个触发器可置1，置0。例1：改变随高电平期间DQCLKLS7574《数字电子技术基本教程》74LS175。输入端有异步置到达。到下一个存入四个触发器中，直时，将D300~17574RCLKDDCLKLS《数字电子技术基本教程》6.3.2移位寄存器（代码在寄存器中左/右移动）具有存储+移位功能翻转一级触发器原来的状态到达时，各触发器按前所以触发器有延迟时间因为CLKtpd位数据依次右移1《数字电子技术基本教程》数据运算并代码转换，串应用：《数字电子技术基本教程》器件实例：74LS194A，左/右移，并行输入，保持，异步置零等功能并行输入并行输出《数字电子技术基本教程》1S0S1S0S101201001101110120100110111**DSSQSSQSSQSSQDSSQSSQSSQSSYYQRSQSRYRYS得到状态方程触发器的特性方程，带入由图得到驱动方程：的工作状态就可以选择通过控制19401SSR’DS1S0工作状态0XX置零100保持101右移110左移111并行输入0Q1D1Q《数字电子技术基本教程》6.3.3计数器•用于计数、分频、定时、产生节拍脉冲等•分类：按时钟分，同步、异步按计数过程中数字增减分，加、减……《数字电子技术基本教程》1.异步计数器异步二进制加法计数器在末位+1时，从低位到高位逐位进位方式工作。原则：每1位从“1”变“0”时，向高位发出进位，使高位翻转。电路的状态按照状态转换图循环工作。《数字电子技术基本教程》异步二进制减法计数器在末位-1时，从低位到高位逐位借位方式工作。原则：每1位从“0”变“1”时，向高位发出进位，使高位翻转。《数字电子技术基本教程》0121...QQQQTiii2.同步计数器（1）同步二进制计数器①同步二进制加法计数器原理：根据二进制加法运算规则可知：在多位二进制数末位加1，若第i位以下皆为1时，则第i位应翻转。由此得出规律，若用T触发器构成计数器，则第i位触发器输入端Ti的逻辑式应为：T0始终等于1《数字电子技术基本教程》《数字电子技术基本教程》器件实例：SN74163同步置0工作模式0XXX置零10XX预置数X1101保持X11X0保持（C=0）1111计数ETEPDLRCLK表示只有CLK上升沿达到时的信号才起作用0R《数字电子技术基本教程》②同步二进制减法计数器原理：根据二进制减法运算规则可知：在多位二进制数减1时，若第i位以下皆为0时，则第i位应当翻转，否则应保持不变。由此得出规律，若用T触发器构成计数器，则每一位触发器的驱动方程为T0始终等于10121...QQQQTiii《数字电子技术基本教程》《数字电子技术基本教程》(2)同步十进制计数器①加法计数器基本原理：在同步十六进制计数器基础上修改，当计到1001时，则下一个CLK电路状态回到0000。10T301QQT102QQT302103QQQQQT《数字电子技术基本教程》能自启动《数字电子技术基本教程》器件实例：74SN160异步置0工作模式X0XXX置010XX预置数X1101保持X11X0保持（C=0）1111计数ETEPDLRCLKD《数字电子技术基本教程》（3）任意进制计数器的构成方法用已有的N进制芯片，组成M进制计数器，是常用的方法。N进制M进制MNMN《数字电子技术基本教程》NM原理：计数循环过程中设法跳过N－M个状态。具体方法：置零法置数法同步置零法异步置零法同步预置数法异步预置数法《数字电子技术基本教程》同步置零和异步置零法例：将同步十六进制计数器74163→十二进制计数器同步置0法，如双线所示，实现如下图所示异步置0如虚线所示《数字电子技术基本教程》置数法例：将同步十进制计数器74160接成七进制计数器同步预置数（如实线箭头所示），进位输出信号C由S9状态译出，所以反向后作为所需的低电平。DL《数字电子技术基本教程》NM①M=N1×N2先用前面的方法分别接成N1和N2两个计数器。N1和N2间的连接有两种方式：a.并行进位方式：用同一个CLK，低位片的进位输出作为高位片的计数控制信号（如74160的EP和ET）b.串行进位方式：低位片的进位输出作为高位片的CLK，两片始终同时处于计数状态《数字电子技术基本教程》例：用74160接成一百进制工作状态X0XXX置0（异步）10XX预置数（同步）X1101保持（包括C）X11X0保持（C=0）1111计数ETEPDLRCLKD《数字电子技术基本教程》例：用两片74160接成一百进制计数器并行进位法串行进位法《数字电子技术基本教程》②M不可分解采用整体置零和整体置数法：先用两片接成M’M的计数器然后再采用置零或置数的方法《数字电子技术基本教程》例：用74160接成二十九进制工作状态X0XXX置0（异步）10XX预置数（同步）X1101保持（包括C）X11X0保持（C=0）1111计数ETEPDLRCLKD《数字电子技术基本教程》例：用74160接成二十九进制整体置零（异步）整体置数（同步）《数字电子技术基本教程》6.4同步时序逻辑电路的设计方法6.4.1简单同步时序逻辑电路的设计设计的一般步骤一、分析设计要求，找出电路应有的状态转换图或状态转换表1.确定输入/输出变量、电路状态数。2.定义输入/输出逻辑状态以及每个电路状态的含义，并将电路状态顺序进行编号。3.按设计要求实现的逻辑功能画出电路的状态转换图或列出状态转换表。二、状态化简若两个电路状态在相同的输入下有相同的输出，并转向同一个次态，则称为等价状态；等价状态可以合并。《数字电子技术基本教程》三、状态编码1.确定触发器数目。2.给每个状态规定一个n位二制代码。（通常编码的取法、排列顺序都依照一定的规律）四、从状态转换图或状态转换表求出电路的状态方程，驱动方程和输出方程。五、根据得到的驱动方程和输出方程画出逻辑图。六、检查所设计的电路能否自启动。《数字电子技术基本教程》例：设计一个串行数据检测电路。正常情况下串行的数据不应连续出现3个或3个以上的1。当检测到连续3个或3个以上的1时，要求给出“错误”信号。一、建立电路的状态转换图二、状态化简用A（1位）表示输入数据用Y（1位）表示输出（检测结果）《数字电子技术基本教程》三、规定电路状态的编码取n=2，取的00、01、10为则，01QQ210SSS、、011*AQAQQ010*QQAQ1AQY《数字电子技术基本教程》四、选用JK触发器，求方程组五、画逻辑图11011011)()(*AQQAQQQAQAQQ00101)(*QQQAQ011*AQAQQ010*QQAQ1AQY《数字电子技术基本教程》六、检查电路能否自启动1101QQ能自启动将无效状态代入状态方程和输出方程计算，得到A=1时次态转为10、输出为1；A=0时次态转为00、输出为0。《数字电子技术基本教程》6.4.2时序逻辑电路中的竞争—冒险现象分为两类：*由组合逻辑电路的竞争—冒险所引起。产生的输出脉冲噪声不仅影响整个电路的输出，还可能使存储电路产生误动作。*如果存储电路中触发器的输入信号和时钟信号在状态变化时配合不当，也可能导致触发器误动作。