數(shù)字邏輯電路第6章時序邏輯電路-5

第6章常用時序邏輯電路及MSI

時序電路模塊的應(yīng)用6.1計數(shù)器6.2寄存器6.3移位寄存器型計數(shù)器

寄存器是另一種常用的時序邏輯電路,主要用于對數(shù)據(jù)進行寄存和移位。寄存器可分為兩大類:基本寄存器和移位寄存器?；炯拇嫫髦荒芗拇鏀?shù)據(jù),其特點是:數(shù)據(jù)并行輸入、并行輸出。移位寄存器不僅可以寄存數(shù)據(jù),還可以對數(shù)據(jù)進行移位,數(shù)據(jù)在移位脈沖的控制下依次逐位左移或右移。移位寄存器有四種不同的工作方式:并行輸入/并行輸出、并行輸入/串行輸出、串行輸入/并行輸出、串行輸入/串行輸出。6.2寄存器5.2.1基本寄存器圖5―45所示是由四個下降沿觸發(fā)的邊沿D觸發(fā)器構(gòu)成的四位基本寄存器。它的工作原理很簡單:當(dāng)CP的下降沿到來時,加在D3、D2、D1、D0上的四位并行數(shù)據(jù)就被送入到四個觸發(fā)器的Q3、Q2、Q1、Q0輸出端,在下一個CP的下降沿到來之前,這些數(shù)據(jù)一直寄存在輸出端。各個觸發(fā)器的狀態(tài)方程如下:Qn+13=D3,Qn+12=D2

Qn+1１=D1,Qn+10=D0

當(dāng)CP的下降沿到來時)圖5―45四位基本寄存器

5.2.2移位寄存器按照數(shù)據(jù)移位的特點,移位寄存器可分為單向移位寄存器和雙向移位寄存器。單向移位寄存器只能進行單方向的數(shù)據(jù)移位,有右移和左移兩種。雙向移位寄存器在控制信號的作用下可進行向右和向左兩個方向的數(shù)據(jù)移位。移位寄存器不僅可以用來寄存數(shù)據(jù),還廣泛應(yīng)用于數(shù)據(jù)的串行/并行轉(zhuǎn)換、數(shù)值運算等。1.單向移位寄存器圖5―46所示為一個四位右移寄存器。數(shù)據(jù)從串行輸入端中輸入,在移位脈沖的作用下逐位右移,第一個CP下降沿到來時,第一位數(shù)據(jù)被移進第一個觸發(fā)器的輸出端Q0;第二個CP下降沿到來時,第二位數(shù)據(jù)被移進第一個觸發(fā)器的輸出端Q0,第一位數(shù)據(jù)被移到第二個觸發(fā)器的輸出端Q1;第三個CP下降沿到來時,第三位數(shù)據(jù)被移進第一個觸發(fā)器的輸出端Q0,第二位數(shù)據(jù)被移到第二個觸發(fā)器的輸出端Q1,第一位數(shù)據(jù)被移到第三個觸發(fā)器的輸出端Q2;

第四個CP下降沿到來時,第四位數(shù)據(jù)被移進第一個觸發(fā)器的輸出端Q0,第三位數(shù)據(jù)被移到第二個觸發(fā)器的輸出端Q1,第二位數(shù)據(jù)被移到第三個觸發(fā)器的輸出端Q2,第一位數(shù)據(jù)被移到第四個觸發(fā)器的輸出端Q3。由此可見,在移位脈沖的作用下,可以從其中一個觸發(fā)器的輸出端串行輸出數(shù)據(jù),也可以經(jīng)過四個移位脈沖后,從四個觸發(fā)器的輸出端并行輸出數(shù)據(jù)。該寄存器有串行輸入/串行輸出、串行輸入/并行輸出兩種工作方式。

圖5―46右移寄存器圖5―47圖5―46所示右移寄存器的時序圖觸發(fā)器的狀態(tài)方程為(當(dāng)CP的下降沿到來時)

圖5―48所示是一個四位左移寄存器,其工作原理和圖5―46所示的右移寄存器相似。不同之處在于:在圖5―48所示寄存器中,數(shù)據(jù)是逐位左移的;在圖5―46所示寄存器中,數(shù)據(jù)是逐位右移的。圖5―48左移寄存器當(dāng)CP的下降沿到來時觸發(fā)器的狀態(tài)方程如下:

在圖5―46和圖5―48所示的移位寄存器中,數(shù)據(jù)都是串行輸入的,既可以串行輸出也可以并行輸出,可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的串行/并行轉(zhuǎn)換。圖5―49所示是一個數(shù)據(jù)并行輸入、串行輸出的移位寄存器,它可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行/串行轉(zhuǎn)換。

圖5―49并入/串出移位寄存器圖5―50圖5―49所示寄存器

當(dāng)時,數(shù)據(jù)可以從D0、D1、D2、D3端并行輸入。當(dāng)時,在移位脈沖CP的控制下,數(shù)據(jù)逐位右移,進行串行輸出。因此,此寄存器可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)的并行/串行轉(zhuǎn)換,圖5―50所示是它的時序圖。當(dāng)CP的下降沿到來時，由圖5-49寫出觸發(fā)器的狀態(tài)方程如下：

2.雙向移位寄存器圖5―51所示是一個雙向移位寄存器,利用它可以對數(shù)據(jù)進行逐位右移,也可以對數(shù)據(jù)進行逐位左移。

圖5―51雙向移位寄存器觸發(fā)器的狀態(tài)方程為(當(dāng)CP的下降沿到來時)

當(dāng)時:(當(dāng)CP的下降沿到來時)此時,在移位脈沖CP的控制下,數(shù)據(jù)逐位左移。當(dāng)時:(當(dāng)CP的下降沿到來時)此時,在移位脈沖CP的控制下,數(shù)據(jù)逐位右移。圖5―52所示為寄存器的時序圖,圖中假設(shè)觸發(fā)器的初始狀態(tài)為0000。圖5―52圖5―51所示寄存器的時序圖5.2.3MSI寄存器模塊及應(yīng)用

1.74164MSI八位單向移位寄存器

74164MSI是具有異步清零功能的八位串行輸入/并行輸出單向移位寄存器,它的邏輯符號如圖5―53所示。圖中，是異步清零端;A和B是串行數(shù)據(jù)輸入端;Q0~Q7是數(shù)據(jù)并行輸出端；CLK是移位脈沖輸入端。(當(dāng)CP的上升沿到來時)圖5―5374164MSI八位單向移位寄存器（a）國標符號;（b）慣用模塊符號表5―1274164MSI八位單向移位寄存功能表圖5―5474164MSI八位單向移位寄存器的時序圖

2.74194MSI四位雙向移位寄存器

74194MSI是四位雙向移位寄存器,數(shù)據(jù)可串行輸入也可并行輸入，可串行輸出也可并行輸出,同時具有保持和異步清零功能,它的邏輯符號如圖5―55所示。是異步清零端;SR是右移串行數(shù)據(jù)輸入端;SL是左移串行數(shù)據(jù)輸入端;D0~D7是并行數(shù)據(jù)輸入端;Q0~Q7

是數(shù)據(jù)并行輸出端;CLK是移位脈沖輸入端;S0和S1是工作模式選擇端。圖5―5574194MSI四位雙向移位寄存器（a）國標符號;（b）慣用模塊符號

表5―1374194MSI四位雙向移位寄存器功能表74194MSI的工作模式如下：(1)當(dāng)S1=0、S0=0時,為保持工作模式:(2)當(dāng)S1=0、S0=1時,為右移工作模式:

(3)當(dāng)S1=1、S0=0時,為左移工作模式：(4)當(dāng)S1=1、S0=1時,為并行輸入工作模式:

圖5―56為74194MSI四位雙向移位寄存器的時序圖。圖5―5674194MSI四位雙向移位寄存器的時序圖

3.MSI寄存器模塊的應(yīng)用

MSI寄存器模塊的用途很廣泛,比較常用的有延時控制、序列發(fā)生與檢測、串行/并行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等。

1)延時控制利用串行輸入/串行輸出的MSI寄存器模塊可以產(chǎn)生一定數(shù)量的延時。圖5―57（a）所示是由74164構(gòu)成的結(jié)構(gòu)非常簡單的延時電路,時序圖如圖5―57（b）所示。圖5―57（a）中,數(shù)據(jù)從74164的兩個串行輸入端輸入,從第i個(i=0,1,…,7)輸出端Qi輸出,需要經(jīng)過i+1個移位脈沖。假設(shè)移位脈沖的周期為T,則輸出的延時為(i+1)T。

圖5―57用74164進行延時控制（a）邏輯電路;（b）時序圖2)序列檢測圖5―58所示是一個由74194雙向移位寄存器構(gòu)成的序列檢測電路。在電路中,74194工作于右移方式,數(shù)據(jù)序列Din由SR端逐位右移輸入,輸出為

只有當(dāng)Din、Q0、Q1、Q2、Q3分別為1、1、0、1、1時,輸出Y才為1,因此可以用這一電路檢測序列11011。圖5―58序列檢測電路5.3移位寄存器型計數(shù)器

移位寄存器型計數(shù)器是在移位寄存器的基礎(chǔ)上,通過增加反饋構(gòu)成的。圖5-59所示是移位寄存器型計數(shù)器的邏輯結(jié)構(gòu)圖。環(huán)型計數(shù)器和扭環(huán)型計數(shù)器是兩種最常用的移位寄存器型計數(shù)器。圖5―59移位寄存器型計數(shù)器邏輯結(jié)構(gòu)圖

1.環(huán)型計數(shù)器

基本的環(huán)型計數(shù)器是將移位寄存器中最后一級的Q輸出端直接反饋連接到串行輸入端構(gòu)成的。圖5―60是一個由四個下降沿觸發(fā)的邊沿D觸發(fā)器組成的基本環(huán)型計數(shù)器。圖5―60環(huán)型計數(shù)器

表5―14和圖5―61所示分別是計數(shù)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表和狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。

觸發(fā)器的狀態(tài)方程為(當(dāng)CP的下降沿到來時)表5―14圖5―60所示環(huán)型計數(shù)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表圖5―61圖5―60所示環(huán)型計數(shù)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

上面的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖中共有六個循環(huán),計數(shù)器正常工作時只能選用其中的一個循環(huán)（比如由0001、0010、0100、1000構(gòu)成的循環(huán)）。被選中的循環(huán)是有效循環(huán),其余循環(huán)都是無效循環(huán)。由于有無效循環(huán),因此該計數(shù)器不能自啟動。圖5―62所示是經(jīng)過修改的、能夠自啟動的環(huán)型計數(shù)器;圖5―63是由74194構(gòu)成的能夠自啟動的環(huán)型計數(shù)器。它們的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖5―64所示。

圖5―62修改的能自啟動的環(huán)型計數(shù)器圖5―63由74194構(gòu)成的能自啟動的環(huán)型計數(shù)器

圖5―64自啟動環(huán)型計數(shù)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖

2.扭環(huán)型計數(shù)器在環(huán)型計數(shù)器中,有效循環(huán)只包含了很少的狀態(tài)（有效狀態(tài)）,其余多數(shù)的狀態(tài)都沒有利用,是無效狀態(tài),狀態(tài)的利用率很低。扭環(huán)型計數(shù)器（也稱為Johnson計數(shù)器）是在不改變移位寄存器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的條件下,為了提高計數(shù)器狀態(tài)的利用率而設(shè)計出來的?；镜呐きh(huán)型計數(shù)器和基本環(huán)型計數(shù)器不同的地方是,將移位寄存器中最后一級的Q而不是Q輸出端直接反饋連接到串行輸入端。圖5―65所示是一個由四個下降沿觸發(fā)的邊沿D觸發(fā)器組成的基本扭環(huán)型計數(shù)器?；九きh(huán)型計數(shù)器中觸發(fā)器的狀態(tài)方程為(當(dāng)CP的下降沿到來時)

基本扭環(huán)型計數(shù)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表和狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖分別如表5―15和圖5―66所示。

圖5―65扭環(huán)型計數(shù)器表5―15圖5―65所示扭環(huán)型計數(shù)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換表圖5―66圖5―65所示扭環(huán)型計數(shù)器的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖