6時序邏輯電路 數(shù)字電路邏輯設(shè)計 XX理工大學(xué)教學(xué)課件

1、第6章 時序邏輯電路 學(xué)習(xí)要點 時序邏輯電路結(jié)構(gòu)特點 時序邏輯電路的分析方法以及功能表示 常用的中規(guī)模集成芯片的功能以及應(yīng)用 時序邏輯電路的設(shè)計方法,6.1 概 述 一. 時序電路的特點 組合邏輯電路:任一時刻的輸出僅與該時刻輸入變量的取值有關(guān)，而與輸入變量的歷史情況無關(guān)； 時序邏輯電路:任一時刻的輸出不僅與該時刻輸入變量的取值有關(guān)，而且與電路的原狀態(tài)，即與過去的輸入情況有關(guān)。它是由門電路和記憶元件（或反饋支路）共同構(gòu)成的。,時序邏輯電路包含組合邏輯電路和存儲電路兩部分，存儲電路通常由具有記憶觸發(fā)器組成；存儲電路的狀態(tài)反饋到組合邏輯電路的輸入端，與外部輸入信號共同決定組合邏輯電路的輸出。組合邏

2、輯電路的輸出除包含外部輸出外，還包含連接到存儲電路的內(nèi)部輸出，控制存儲電路狀態(tài)的轉(zhuǎn)移。,二.時序邏輯電路的結(jié)構(gòu)框圖,說明：X(x1 xn) 為輸入信號； Z(z1.zn)為輸出信號 ； 存儲電路的輸入信號 Y(y1.yn) ； 存儲電路的輸出信號 Q(q1.qn),三. 描述方式 輸出方程： 驅(qū)動方程（或激勵方程）： 狀態(tài)方程：,時序邏輯電路某時刻的輸出Zn決定于該時刻的外部輸入Xn和內(nèi)部狀態(tài)Qn；而時序邏輯電路的下一狀態(tài)Qn+1同樣決定于Xn和Qn。時序邏輯電路的工作過程實質(zhì)上就是在不同的輸入條件下，內(nèi)部狀態(tài)不斷更新的過程。,四. 時序電路的分類,同步二進制加法計數(shù)器,時序電路按觸發(fā)脈沖輸入

3、方式的不同分為同步時序電路和異步時序電路。 同步時序電路：各觸發(fā)器狀態(tài)的變化受同一個時鐘脈沖控制。,異步二進制加法計數(shù)器,異步時序電路: 各觸發(fā)器狀態(tài)的變化不受同一個時鐘脈沖控制。,時序電路按輸出信號的特點，分為米里（Mealy）型和摩爾(Moore)型時序電路兩種。 米利型時序電路的輸出不僅與現(xiàn)態(tài)有關(guān)，而且還決定于電路當(dāng)前的輸入。 摩爾型時序電路的其輸出僅決定于電路的現(xiàn)態(tài)，與電路當(dāng)前的輸入無關(guān)；或者根本就不存在獨立設(shè)置的輸出，而以電路的狀態(tài)直接作為輸出。,Mealy型串行加法器電路,Moore型串行加法器電路,6.2 時序邏輯電路的分析,6.2.1 分析步驟, 根據(jù)邏輯圖寫出時序電路的輸出方

4、程和各觸發(fā)器的激勵方程。 根據(jù)已求出的激勵方程和所用觸發(fā)器的特征方程， 獲得時序電路的狀態(tài)方程。 根據(jù)時序電路的狀態(tài)方程和輸出方程， 建立狀態(tài)轉(zhuǎn)移表， 進而畫出狀態(tài)圖和波形圖。 分析電路的邏輯功能,檢查自啟動.,電路圖,時鐘方程、驅(qū)動方程和輸出方程,狀態(tài)方程,狀態(tài)圖、狀態(tài)表或時序圖,判斷電路邏輯功能,1,2,3,5,時序電路的分析步驟：,計算,4,例1,時鐘方程：,輸出方程：,輸出僅與電路現(xiàn)態(tài)有關(guān)，為摩爾型時序電路。,同步時序電路的時鐘方程可省去不寫。,驅(qū)動方程：,1,寫方程式,2,求狀態(tài)方程,JK觸發(fā)器的特性方程：,將各觸發(fā)器的驅(qū)動方程代入，即得電路的狀態(tài)方程：,3,計算、列狀態(tài)表,0 0

5、0,0 0 1,0 1 0,0 1 1,1 0 0,1 0 1,1 1 0,1 1 1,0 0 1,0 1 1,1 0 1,1 1 1,0 0 0,0 1 0,1 0 0,1 1 0,0,0,0,0,1,1,0,0,4,畫狀態(tài)圖、時序圖,狀態(tài)圖,5,電路功能,時序圖,有效循環(huán)的6個狀態(tài)分別是05這6個十進制數(shù)字的格雷碼，并且在時鐘脈沖CP的作用下，這6個狀態(tài)是按遞增規(guī)律變化的，即： 000001011111110100000 所以這是一個用循環(huán)相鄰碼表示的六進制同步加法計數(shù)器。當(dāng)對第6個脈沖計數(shù)時，計數(shù)器又重新從000開始計數(shù)，并產(chǎn)生輸出Y1。 不能自啟動。,例2,輸出方程：,輸出與輸入有關(guān)，

6、為米利型時序電路。,同步時序電路，時鐘方程省去。,驅(qū)動方程：,1,寫方程式,2,求狀態(tài)方程,T觸發(fā)器的特性方程：,將各觸發(fā)器的驅(qū)動方程代入，即得電路的狀態(tài)方程：,3,計算、列狀態(tài)表,4,5,電路功能,由狀態(tài)圖可以看出，當(dāng)輸入X 0時，在時鐘脈沖CP的作用下，電路的4個狀態(tài)按遞增規(guī)律循環(huán)變化，即： 0001101100 當(dāng)X1時，在時鐘脈沖CP的作用下，電路的4個狀態(tài)按遞減規(guī)律循環(huán)變化，即： 0011100100 可見，該電路既具有遞增計數(shù)功能，又具有遞減計數(shù)功能，是一個2位二進制同步可逆計數(shù)器。,畫狀態(tài)圖時序圖,一、數(shù)碼寄存器（存放二進制數(shù)碼的電路）,（用四塊D觸發(fā)器構(gòu)成）,若輸入：1 0 0

7、 1,0 0 0 0,1、電路結(jié)構(gòu),存入： 1 0 0 1,2、工作原理,存數(shù)指令,CP,Q0,Q1,Q2,Q3,D0,D1,D2,D3,6.2.2 寄存器、移位寄存器,二、單向移位寄存器,1、左移位電路組成,（從Q3 向Q0移),Q0端是串行輸出端；,DIL是左移數(shù)據(jù)輸入端；,CP,DIL,Q0Q1Q2Q3 端是并行輸出端。,時鐘方程：,驅(qū)動方程：,狀態(tài)方程：,2、工作過程,例如：要移入D0D1D2D3,左移狀態(tài)表,Q0 Q1 Q2 Q3 DIL CP順序,X X X D0,X X D0 D1,X D0 D1 D2,D0 D1 D2 D3,D0,1,D1,2,D2,3,D3,4,單向移位寄存

8、器具有以下主要特點： （1）單向移位寄存器中的數(shù)碼，在CP脈沖操作下，可以依次右移或左移。 （2）n位單向移位寄存器可以寄存n位二進制代碼。n個CP脈沖即可完成串行輸入工作，此后可從Q0Qn-1端獲得并行的n位二進制數(shù)碼，再用n個CP脈沖又可實現(xiàn)串行輸出操作。 （3）若串行輸入端狀態(tài)為0，則n個CP脈沖后，寄存器便被清零。,M=0時右移,M=1時左移,四、應(yīng)用,(1)串并轉(zhuǎn)換,(2)節(jié)拍延遲,(3)其它,五、集成移位寄存器74LS195/194,功能表：,0 x x 清零,1 0 0 保持,1 0 1 右移(向QD移),1 1 1 并行輸入,1 1 0 左移(向QA移),1,0 1,1,1,1

9、 1,1 1 1,1 1 1 1,問題： 4個CP后，為什么向右移入了4個1 ?,向右移舉例：,1,要想只將一個1右移，操作過程見上：,1,0 1,0 0 1,0 0 0 1,0,VCD,6.2.3同步計數(shù)器,計數(shù)器,同步,異步,二進制,十進制,任意進制,二進制,十進制,任意進制,加法，減法，可逆,加法，減法，可逆,加法計數(shù)器：隨cp的輸入，電路遞增計數(shù),減法計數(shù)器：隨cp的輸入，電路遞減計數(shù),可逆計數(shù)器：隨cp的輸入，電路可增可減計數(shù),在數(shù)字電路中，能夠記憶輸入脈沖個數(shù)的電路稱為計數(shù)器。,(一) 同步二進制計數(shù)器,1、同步二進制加法計數(shù)器,CP,T0=1,Q0,T1,Q1,T2,Q2,C,Q

10、3,T3,T0=1；,T1=Q0；,T2=Q1Q0；,T3=Q2Q1Q0,C=Q3Q2Q1Q0,(2) 驅(qū)動方程,(1) 輸出方程,（四塊T觸發(fā)器組成）,已知：,C=Q3Q2Q1Q0,(3)時序波形圖,(4) 狀態(tài)轉(zhuǎn)換情況,（在波形圖上讀）,0,0,0,0,0,0,0,1,0,0,1,0,0,0,1,1,0,1,0,0,1,1,1,0,1,1,1,1,1,0,0,0,0,表6-2-6 二進制加法計數(shù)器狀態(tài)表,(5) 分析功能,這是十六進制計數(shù)器(也是四位二進制加法計數(shù)器),Q 1、Q 2、Q 3 端分別為四分頻、八分頻和十六分頻端。,Q0端為二分頻端。,則，Q0端輸出脈沖的頻率為1/2f,若C

11、P的頻率為f,計數(shù)器的另一個作用是分頻：,同理：,時序圖,FF0每輸入一個時鐘脈沖翻轉(zhuǎn)一次,FF1在Q0=1時，在下一個CP觸發(fā)沿到來時翻轉(zhuǎn)。,FF2在Q0=Q1=1時，在下一個CP觸發(fā)沿到來時翻轉(zhuǎn)。,2、 二進制加法計數(shù)規(guī)律以及電路連接規(guī)律,推廣到n位二進制同步加法計數(shù)器,驅(qū)動方程,輸出方程,時序圖,FF0每輸入一個時鐘脈沖翻轉(zhuǎn)一次,FF1在Q0=0時，在下一個CP觸發(fā)沿到來時翻轉(zhuǎn)。,FF2在Q0=Q1=0時，在下一個CP觸發(fā)沿到來時翻轉(zhuǎn)。,3、 二進制減法計數(shù)規(guī)律以及電路連接規(guī)律,電路圖,由于沒有無效狀態(tài)，電路能自啟動。,推廣到n位二進制同步減法計數(shù)器,驅(qū)動方程,輸出方程,3位二進制同步可

12、逆計數(shù)器,輸出方程,電路圖,(二) 同步二-十進制加法計數(shù)器,（1）驅(qū)動方程：,將各驅(qū)動方程代入JK觸發(fā)器的特性方程，得各觸發(fā)器的次態(tài)方程：,（2）狀態(tài)方程： JK觸發(fā)器的特性方程：,（3）狀態(tài)表,設(shè)初態(tài)為Q3Q2Q1Q0=0000,（4）狀態(tài)圖及時序圖,（5）檢查電路能否自啟動,該計數(shù)器能夠自啟動。,由于電路中有4個觸發(fā)器，它們的狀態(tài)組合共有16種。在8421BCD碼計數(shù)器中只用了10種，稱為有效狀態(tài)。 其余6種狀態(tài)稱為無效狀態(tài)。,當(dāng)由于某種原因，使計數(shù)器進入無效狀態(tài)時，如果能在時鐘信號作用下，最終進入有效狀態(tài)，我們就稱該電路具有自啟動能力。,1、集成四位二進制加法計數(shù)器74LS161,邏輯

13、符號,CP：時鐘輸入端,EP、ET：功能轉(zhuǎn)換端,C：進位輸出端,D3D2D1D0：預(yù)置數(shù)的輸入端,(三)集成同步計數(shù)器,功能表：,1,0 0 0 0,0,0,X,X,X X,置零,0,1,X X,預(yù)置數(shù),X,1,1,0 1,保持,X,1,1,X 0,保持（但C=0）,1,1,1 1,計數(shù),X X X X,0,1,X X X X,X X X X,0,例如：,0 0 1 1,0 0 1 1,2、四位二進制可逆計數(shù)器74LS191,邏輯符號,3 、 同步十進制計數(shù)器,集成同步十進制加法計數(shù)器有74LS160。電路框圖、功能表和74LS161相同，但輸出只有00001001十個穩(wěn)定狀態(tài)。,集成同步十進

14、制可逆計數(shù)器有74LS190。 電路框圖、功能表和74LS191相同。,功能表,1,X,1,X,保持,0,X,X,預(yù)置數(shù),0,1,0,加法計數(shù),0,1,1,減法計數(shù),X,進位輸出函數(shù)C=Q3Q0,狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖見下頁,74LS160的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖,（Q3Q2Q1Q0 ）,0000,0001,0010,0011,0100,0101,0110,0111,1000,1001,1010,1011,1110,1111,1100,1101,C=Q3Q0=1,tpd,tpd,6.2.4、異步計數(shù)器,1、異步二進制計數(shù)器,構(gòu)成（以三位為例）,時序圖,計數(shù)狀態(tài) （在時序圖上讀）,1,FF0,FF1,FF2,CP0,C

15、P1,CP2,Q0,Q1,Q2,(CP1),(CP2),tpd,二進制異步計數(shù)器級間連接規(guī)律,CP2=Q1 （當(dāng)FF1的Q1由10時，Q2才可能改變狀態(tài)。）,時鐘方程： CP0=CP （時鐘脈沖源的下降沿觸發(fā)。）,CP1=Q0 （當(dāng)FF0的Q0由10時，Q1才可能改變狀態(tài)。),CP3=Q0 （當(dāng)FF0的Q0由10時，Q3才可能改變狀態(tài)),2、異步十進制計數(shù)器,驅(qū)動方程：,次態(tài)方程：,狀態(tài)轉(zhuǎn)換表,設(shè)初態(tài)為Q3Q2Q1Q0=0000,功能說明（表1）,3、異步二五十進制計數(shù)74LS290,CP輸入端,進制,輸出狀態(tài),分頻端,CP0,Q0,二,0、1,Q0為二分頻端,CP1,Q3Q2Q1,五,000

16、100,Q3為五分頻端,CP1,Q3Q2Q1Q0,十,00001001,Q3為十分頻端,且Q0與CP1相連,輸出端,CP1,CP0,Q0,Q1,Q2,Q3,功能說明,異步置0端,RO1 RO2,異步置9端,S91 S92,功能說明,1 1,X 0,1 1,0 1,置 0,0 X,1 1,X 0,1 1,置 9,0 0,0 0,計 數(shù),（表2）,邏輯符號,用作十進制時的連線,VCD,6.3 時序邏輯電路設(shè)計,6.3.1同步時序邏輯電路設(shè)計的一般步驟：,1、邏輯抽象： 得出電路的 狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖或狀態(tài)轉(zhuǎn)換表,2、狀態(tài)分配,選定觸發(fā)器,3、 求出電路的狀態(tài)方程、 驅(qū)動方程和輸出方程。,5、根據(jù)驅(qū)動方程和

17、輸出方程畫出邏輯圖,4、檢查電路能否自啟動。,例 ：設(shè)計一個串行數(shù)據(jù)檢測器，對它的要求是，連續(xù)輸入4個時，電路輸出1，其它輸入情況下，電路輸出0。,1、進行邏輯抽象,令輸入變量為X，輸入后的狀態(tài)為S：,輸入 X,狀態(tài)S,沒有輸入1 以前,輸入一個1,連續(xù)輸入兩個1,S2,連續(xù)輸入三個1,S3,S0,S1,2、給狀態(tài)編碼,1）確定觸發(fā)器的位數(shù),2）編碼,給狀態(tài)編碼，將邏輯功能問題轉(zhuǎn)化為時序問題 再通過設(shè)計時序電路，實現(xiàn)所需邏輯功能,可選：,兩位觸發(fā)器的輸出Q1Q0有00、01、10、11 四種狀態(tài)，,00,01,11,S0,（編碼）,（狀態(tài)）,S1,S2,代表：,由于狀態(tài)數(shù)M=4 ，,所以,用兩

18、位觸發(fā)器。,10,S3,4、分解卡諾圖，寫狀態(tài)方程,Q1n+1= XQ1+XQ0,3、填次態(tài)/輸出卡諾圖,00/0,00/0,00/0,00/0,01/0,11/0,10/0,10/1,Sn+1/y卡諾圖,5、確定觸發(fā)器類型，寫驅(qū)動方程和輸出方程。,用JK觸發(fā)器，則狀態(tài)方程化為：,驅(qū)動方程：,輸出方程 ： Y = XQ1,6、根據(jù)驅(qū)動方程和輸出方程畫邏輯圖,1/0,0/0,1/0,1/1,1/0,0/0,0/0,0/0,7、電路的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖,VCD,6.3.2 同步計數(shù)器的設(shè)計,要求 ：1）用小規(guī)模集成電路（觸發(fā)器和門電路）設(shè)計。,2）計數(shù)器應(yīng)能自啟動,3）電路應(yīng)力求簡單,例 :設(shè)計一個 七進

19、制計數(shù)器，要求它的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如下,/0,/0,/0,/0,/0,/0,/1,循環(huán)輸出m1 、m4、m2、m5、m6、m7、m3、七個狀態(tài)。,1、填總的 次態(tài)/輸出卡諾圖,XXX/X,100/0,001/1,101/0,010/0,110/0,011/0,111/0,2、分解卡諾圖,X 1 0 1,0 1 0 1,X 0 0 0,1 1 1 1,X 0 1 1,0 0 1 1,解：,循環(huán)輸出 m1 、m4、m2、m5、m6、m7、m3、,X 0 1 0,0 0 0 0,Q1Q2Q3/C,C=1,如果按常規(guī)合并最小項，則：,如果將XXX定義為有效循環(huán)中的任意一個狀態(tài)，例如 將XXX定義為010，電

20、路將能自啟動。,3、為了自啟動，合理確定無關(guān)項的次態(tài),因為它表明000的次態(tài)仍為000。,電路將不能自啟動。,此時，最小項的合并如圖。,4、寫狀態(tài)方程和輸出方程,Q1n+1= Q2 Q3,Q3n+1= Q2,5、確定觸發(fā)器的類型，寫驅(qū)動方程,若用JK觸發(fā)器組成這個電路，就將狀態(tài)方程化成JK觸發(fā)器特性方程的標(biāo)準形式：,驅(qū)動方程,6、根據(jù)驅(qū)動方程和輸出方程畫邏輯圖,7、畫狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖,/0,/0,/0,/0,/0,/0,/1,Qn+1= D,驅(qū)動方程為,則,D1= Q2Q3,D3= Q2,根據(jù)驅(qū)動方程和輸出方程畫邏輯圖。,已知狀態(tài)方程,若用D觸發(fā)器組成這個電路:,將狀態(tài)方程化成D觸發(fā)器特性方程的標(biāo)準

21、形式：,Q1,Q2,Q3,CP,6.3.3異步時序邏輯電路的設(shè)計方法,異步時序電路的設(shè)計要求各觸發(fā)器的時鐘方程。,（1）根據(jù)設(shè)計要求，列出原始狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖;,（2）進行狀態(tài)編碼后，列出狀態(tài)轉(zhuǎn)換表;,（3）選擇各觸發(fā)器的時鐘方程，即為各觸發(fā)器選擇時鐘信號。,為觸發(fā)器選擇時鐘信號的原則是： 觸發(fā)器狀態(tài)需要翻轉(zhuǎn)時，必須要有時鐘信號的翻轉(zhuǎn)沿送到。,觸發(fā)器狀態(tài)不需翻轉(zhuǎn)時，“多余的” 時鐘信號越少越好。,（4）求狀態(tài)方程和輸出方程,檢查自啟動; 注意:無時鐘脈沖時,電路的狀態(tài)做約束項處理.,(5)選擇觸發(fā)器,求驅(qū)動方程;,（6）畫邏輯圖。,6.3.4 中規(guī)模計數(shù)器設(shè)計,1.復(fù)位法 （1）異步清零法: 異步清

22、零法適用于具有異步清零端的集成計數(shù)器。,（一） MN 的情況,電路輸出 M個穩(wěn)定狀態(tài)，,不等下一個CP脈沖到來，電路立即回到0000狀態(tài)。,第M+1個狀態(tài)為暫態(tài)，不等穩(wěn)定，就已消失。,例1：試用74LS160構(gòu)成六進制計數(shù)器，用清零法。,狀態(tài)轉(zhuǎn)換表,連線圖,例6-9、,進位輸出,0,0 0 0 0,0,1,0 0 0 1,0,2,0 0 1 0,0,3,0 0 1 1,0,4,0 1 0 0,0,5,0 1 0 1,1,6,0 1 1 0,0 0 0 0,（2）同步清零法,同步清零法適用于具有同步清零端的集成計數(shù)器。 例：用集成計數(shù)器74163和與非門組成的6進制計數(shù)器。,2.置位法（1）異步

23、預(yù)置數(shù)法,異步預(yù)置數(shù)法適用于具有異步預(yù)置端的集成計數(shù)器。 例：用集成計數(shù)器74191和與非門組成的余3碼10進制計數(shù)器。,（2）同步預(yù)置數(shù)法,同步預(yù)置數(shù)法適用于具有同步預(yù)置端的集成計器。 例：用集成計數(shù)器74160和與非門組成的7進制計數(shù)器。,例1,試用兩片74LS160構(gòu)成百進制計數(shù)器。,2、連接方式與特點,1）同步CP方式。,2）用低位的進位信號控制高位的功能轉(zhuǎn)換端，,高位僅在 EP=ET=C1=1 的時間內(nèi)計數(shù)。,3、進制 M,M = 1010 = 100,高位的C 端是此計數(shù)器的進位輸出端，進位信號為Y=1。,高位、低位各自能輸出10個穩(wěn)定狀態(tài)：,（二）M N 的情況,（用多片N進制計

24、數(shù)器組合構(gòu)成）,1、連接線路,CP,1,Y,（1）,（2）,例2,試用兩片74LS160構(gòu)成百進制計數(shù)器。,2、連接方式與特點,1）異步CP方式。低位的進位信號是高位的時鐘。,2）兩片的EP、ET恒為1，都處于計數(shù)狀態(tài)。,3、進制 M,M = 1010 = 100,高位的C 端是此計數(shù)器的進位輸出端，進位信號為Y=1。,高位、低位各自能輸出10個穩(wěn)定狀態(tài)：,1、連接線路,為何用非門？,CP,1,Y,（1）,（2）,例： 用74160組成48進制計數(shù)器。,將兩芯片采用同步級聯(lián)方式連接成100進制計數(shù)器， 然后再用異步清零法組成了48進制計數(shù)器。,習(xí)題 6-28,(三)移位寄存器型計數(shù)器,一般結(jié)構(gòu)：,反饋函數(shù)：,D1 = F（Q1，Q2， Qn）,反饋函數(shù)不同，電路循環(huán)輸出的狀態(tài)也就不同。,（一）環(huán)形計數(shù)器,1、電路結(jié)構(gòu),2、反饋函數(shù),D1 = Qn,3、狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖,(a),(b),(c),(d),(e),(Q1Q2Q3Q4),若取(a)為有效循環(huán)，則(b) (e)就為無效循環(huán)。,(a)的循環(huán)長度為 n=4, (n是觸發(fā)器的位數(shù)）,從