第九章时序数字电路.ppt
第九章 时序数字电路,本章主要内容：触发器时序逻辑电路分析方法寄存器计数器,9.1集成单元触发器,Flip-Flop，简写为 FF，又称双稳态触发器。,一个触发器可存储 1 位二进制数码,触发器的基本特性和作用,触发器的作用：,触发器有记忆功能，由它构成的电路在某时刻的输出不仅取决于该时刻的输入，还与电路原来状态有关。而门电路无记忆功能，由它构成的电路在某时刻的输出完全取决于该时刻的输入，与电路原来状态无关。,触发器和门电路是构成数字电路的基本单元。,触发器的类型,根据逻辑功能不同分为：,根据触发方式不同分为：,根据电路结构不同分为：,三、触发器逻辑功能的描述方法,主要有特性表、特性方程、驱动表(又称激励表)、状态转换图和波形图(又称时序图)等。,一、基本RS触发器,置0端，也称复位端。R 即 Reset,置1端，也称置位端。S 即 Set,信号输入端,互补输出端，正常工作时，它们的输出状态相反。,低电平有效,9.1.1 触发器的电路结构,逻辑电路,逻辑符号,工作原理,工作原理及逻辑功能,0,1,1,1 1,0,触发器被置 0,工作原理及逻辑功能,1,0,0,1 1,1,触发器被置 1,工作原理及逻辑功能,G1 门输出,工作原理及逻辑功能,逻辑功能的特性表描述,基本 RS 触发器特性表,注意,二、同步RS触发器,实际工作中，触发器的工作状态不仅要由触发输入信号决定，而且要求按照一定的节拍工作。为此，需要增加一个时钟控制端 CP。,CP 即 Clock Pulse，它是一串周期和脉宽一定的矩形脉冲。,具有时钟脉冲控制的触发器称为时钟触发器，又称钟控触发器。,同步触发器是其中最简单的一种，而基本 RS 触发器称异步触发器。,工作原理,CP=0 时，G3、G4被封锁，输入信号 R、S不起作用。基本 RS 触发器的输入均为 1，触发器状态保持不变。,CP=1 时，G3、G4解除封锁，将输入信号 R 和 S 取非后送至基本 RS 触发器的输入端。,电路结构与工作原理,同步RS触发器逻辑符号,同步RS触发器输入、输出波形关系,同步 RS 触发器的特性表与特性方程,特性表,特性方程指触发器次态与输入信号和电路原有状态之间的逻辑关系式。,同步触发器的特点,同步触发器的触发方式为电平触发式,同步触发器的共同缺点是存在空翻,无空翻触发器,Master-Slave Flip-Flop,Edge-Triggered Flip-Flop,无空翻触发器的类型和工作特点,工作特点：CP=1 期间，主触发器接收输入信号；CP=0 期间，主触发器保持 CP 下降沿之前状态不变，而从触发器接受主触发器状态。因此，主从触发器的状态只能在 CP 下降沿时刻翻转。(详见链接)这种触发方式称为主从触发式。,工作特点：只能在 CP 上升沿(或下降沿)时刻接收输入信号，因此，电路状态只能在 CP 上升沿(或下降沿)时刻翻转。这种触发方式称为边沿触发式。,主从触发器和边沿触发器有何异同？,只能在 CP 边沿时刻翻转，因此都克服了空翻，可靠性和抗干扰能力强，应用范围广。,相同处,电路结构和工作原理不同，因此电路功能不同。为保证电路正常工作，要求主从 JK 触发器的 J 和 K 信号在 CP=1 期间保持不变；而边沿触发器没有这种限制，其功能较完善，因此应用更广。,相异处,给主从触发器提供反相的时钟信号，使它们在不同的时段交替工作。,三、主从 J-K 触发器电路、符号,从触发器,主触发器,表示时钟触发沿为下降沿,逻辑功能,代入,有：,JK触发器的特征方程。,JK触发器的特性表,例：已知主从JK触发器的CP、J输入和K输入的波形如下所示。设触发器的初态为1态，试画出其输出波形。,解：当在CP1期间，J、K状态不变时，只需根据CP下降沿到达时J、K的状态和JK触发器的特性表，即可得出其输出波形。,四、边沿D 触发器,逻辑符号和逻辑功能,特点：Qn+1 跟随 D 信号,D触发器特征方程：,例：根据输入波形画D触发器输出波形。,上升沿触发。,常用无空翻触发器,主从 RS 触发器主从 JK 触发器,主从触发器,边沿触发器,TTL 维持阻塞 D 触发器(通常上升沿触发)TTL 边沿 JK触发器(通常下降沿触发)CMOS 边沿 D 触发器和边沿 JK 触发器(通常上升沿触发),9.1.2不同类型触发器之间的转换一、触发器的逻辑功能及其表示方式,触发器的逻辑功能，是指触发器的次态与现态、输入信号之间的逻辑关系。根据逻辑功能的不同，触发器可分为R-S触发器、J-K触发器、D触发器和T触发器等几种不同类型。触发器的逻辑功能可用特性表、特性方程和状态图来表示。以触发器的现态和输入信号为变量，次态为函数，描述它们之间的逻辑关系的真值表称为触发器特性表。表述上述逻辑关系的逻辑表达式称为特性方程。,状态图（状态转换图）：图形的方法直观表述触发器的逻辑功能，图中用两个圆圈分别表示触发器的两个状态：0态和1态，用箭头表示状态转换的去向，箭头上的注释说明状态转换的条件。,R-S触发器状态图,J-K触发器状态图,D触发器状态图,T触发器,Qn,Qn,T触发器特性表：,T触发器特征方程：,T触发器状态图,触发器五种逻辑功能的比较,无约束，但功能少,无约束，且功能强,令 J=K=T即可,令J=K=1即可,二、不同类型触发器之间的转换,因此，令,已有 Qn+1=D 欲得Qn+1=,因此，令D=,9.2 时序逻辑电路分析方法,9.2.1 时序逻辑电路基本概念,时序逻辑电路的特点是：时序逻辑电路的输出不仅取决于该时刻的输入信号，而且与电路的原状态有关。,时序电路的方框图,时序逻辑电路的逻辑功能的表示方法常用的也有三种：逻辑表达式、真值表（状态转换表）和状态转换图。,逻辑表达式：三个方程,输出方程状态方程驱动方程（激励方程）,在时序逻辑电路中，根据存储电路中的触发器是否同时动作，可将时序逻辑电路划分为同步时序逻辑电路和异步时序逻辑电路两大类。按电路输出信号的特性可分为米里（Mealy）型和摩尔（Moore）型。米里型时序电路的输出不仅与现态有关，而且还决定于电路的输入；而摩尔型时序电路的输出仅决定于电路的现态。根据功能分类，最常用的时序逻辑电路有寄存器和计数器等。,9.2.2 时序逻辑电路的分析方法,分析时序逻辑电路的一般步骤如下：（1）由逻辑图写出下列各逻辑方程式：各触发器的时钟方程；时序电路的输出方程；各触发器的驱动方程。（2）将驱动方程代入相应触发器的特性方程，求得时序逻辑电路的状态方程。（3）根据状态方程和输出方程，进行计算，列出该时序电路的状态表，画出状态图或时序图。（4）根据电路的状态表或状态图说明给定时序逻辑电路的逻辑功能。,9.3寄存器9.3.1数码寄存器数字系统中存放信息的部件。由触发器和逻辑门电路构成。一、双拍接收方式的数码寄存器,数据输入端：D3D0数据输出端：Y3Y0控制端：清零、寄存控制和取数控制,寄存数码的步骤：1、清零；2、寄存。,二、单拍接收方式的数码寄存器,直接由寄存控制存入数码，不必清零。并行输入、并行输出。,9.3.2,根据数据移位和输入输出方式，可分为：,一、单向移位寄存器,右移寄存器的结构特点：左边触发器的输出端接右邻触发器的输入端。时钟脉冲作为移位控制脉冲，触发器FF0的D端为串行数据输入端，触发器FF3的输出Q端为串行数据输出端。,右移寄存器（D触发器组成的4位右移寄存器）,数码在右移移位寄存器中的移位情况,经过4个时钟脉冲后，4位数码全部移入寄存器，可并行输出（串入并出），若需串行输出，则还需4个时钟脉冲，即可从串行输出端得到串行数据（串入串出）。,二、中规模集成4位双向移位寄存器74194,Q0和Q3分别是左移和右移时的串行输出端，Q0、Q1、Q2和Q3为并行输出端。S0和S1为控制输入端。,DSL 和DSR分别是左移和右移串行输入。D0、D1、D2和D3是并行输入端。,一、功能,二、位数扩展示例,三、移位寄存器应用举例串行加法器,存放加数、和。,存放被加数。,存放进位位。,9.4 计数器,计数器用以统计输入脉冲CP个数的电路。,计数器的分类：,（2）按数字的增减趋势可分为加法计数器、减法计数器和可逆计数器。,（1）按计数进制可分为二进制计数器和非二进制计数器。非二进制计数器中最典型的是十进制计数器。,（3）按计数器中触发器翻转是否与计数脉冲同步分为同步计数器和异步计数器。,工作原理：4个JK触发器都接成T触发器。,每来一个CP的下降沿时，FF0向相反的状态翻转一次；每当Q0由1变0，FF1向相反的状态翻转一次；每当Q1由1变0，FF2向相反的状态翻转一次；每当Q2由1变0，FF3向相反的状态翻转一次。,9.4.1二进制计数器,一、异步二进制加法计数器,由时序图可以看出，Q0、Ql、Q2、Q3的周期分别是计数脉冲(CP)周期的2倍、4倍、8倍、16倍，因而计数器也可作为分频器。,时序波形图,状态图：,4位二进制加法计数器状态转换表,异步计数器的翻转延迟问题,异步二进制计数器逻辑简图,异步二进制计数器累积延迟波形,由于该计数器的翻转规律性较强，只需用“观察法”就可设计出电路：,因为是“同步”方式，所以将所有触发器的CP端连在一起，接计数脉冲。然后分析状态表，选择适当的JK信号。,二、同步二进制加法计数器,分析状态图可见：FF0：每来一个CP，向相反的状态翻转一次。所以选J0=K0=1。FF1：当Q0=1时，来一个CP，向相反的状态翻转一次。所以选J1=K1=Q0。FF2：当Q0Q1=1时，来一个CP，向相反的状态翻转一次。所以选J2=K2=Q0Q1。FF3：当Q0Q1Q3=1时，来一个CP，向相反的状态翻转一次。所以选J3=K3=Q0Q1Q3。,分析时序逻辑电路的一般步骤：1由逻辑图写出下列各逻辑方程式：（1）各触发器的时钟方程。（2）时序电路的输出方程。（3）各触发器的驱动方程。2将驱动方程代入相应触发器的特性方程，求得时序逻辑电路的状态方程。3根据状态方程和输出方程，列出该时序电路的状态表，画出状态图或时序图。4根据电路的状态表或状态图说明给定时序逻辑电路的逻辑功能。,9.4.2十进制计数器,1、8421BCD码同步十进制加法计数器,用前面介绍的同步时序逻辑电路分析方法对该电路进行分析。,（1）写出驱动方程：,（2）将各驱动方程代入JK触发器的特性方程，得到状态方程：,先写出JK触发器的特性方程:,状态方程：,设初态为Q3Q2Q1Q0=0000，代入状态方程进行计算，得状态转换表。,（3）作状态转换表。,（4）作状态图及时序图。,0000,1000,0100,0000,1001,由于电路中有4个触发器，它们的状态组合共有16种。而在8421BCD码计数器中只用了10种，称为有效状态。其余6种状态称为无效状态。,当由于某种原因，使计数器进入无效状态时，如果能在时钟信号作用下，最终进入有效状态，我们就称该电路具有自启动能力。,（5）检查电路能否自启动,用同样的分析的方法分别求出6种无效状态下的次态，得到完整的状态转换图。可见，该计数器能够自启动。,CP2=Q1（当FF1的Q1由10时，Q2才可能改变状态。）,用前面介绍的异步时序逻辑电路分析方法对该电路进行分析：,（1）写出各逻辑方程式。,时钟方程：CP0=CP（时钟脉冲源的下降沿触发。）,CP1=Q0（当FF0的Q0由10时，Q1才可能改变状态。),CP3=Q0（当FF0的Q0由10时，Q3才可能改变状态),2、8421BCD码异步十进制加法计数器,各触发器的驱动方程：,（CP由10时此式有效）,（Q0由10时此式有效）,（Q1由10时此式有效）,（Q0由10时此式有效）,（2）将各驱动方程代入JK触发器的特性方程，得各触发器的状态方程：,（3）写输出方程：,设初态为Q3Q2Q1Q0=0000，代入状态方程进行计算，得状态转换表。,（4）作状态转换表。,（CP由10时此式有效）,（Q0由10时此式有效）,（Q1由10时此式有效）,（Q0由10时此式有效）,9.4.3中规模集成计数器的功能分析与扩展,一、异步式加法计数器1、电路结构,时钟有两个,2、逻辑功能分析,（1）异步置0：R0(1)和 R0(2)全接高电平，S9(1)和S9(2)中有低电平。（2）异步置9：S9(1)和S9(2)全接高电平，R0(1)和 R0(2)中有低电平。（3）计数：S9(1)、S9(2)及 R0(1)、R0(2)中有低电平。,二、中规模集成同步二进制可预置加法计数器74161,逻辑图,代表符号,置数控制端,复位信号输入端,使能端,1、功能分析,3、集成计数器功能扩展,利用已有的M进制计数器构成任意N(NM)进制计数器：跳过多余的MN个状态。方法：置零法和置位法。,置零法原理示意图：,置零法适用于有置零输入端的计数器。对于有异步置零输入端的计数器，它的工作原理为：原M进制计数器从全0状态开始计数，接收到N个计数脉冲后电路进入SN状态。如果将SN状态译码产生一个置零信号加到计数器的异步置零输入端，则计数器将立刻返回到S0状态，这样就可跳过MN个状态而得到N进制计数器。由于电路一进入SN状态后立刻又被置为S0状态，因此在稳定的计数状态循环中不包括SN状态。对于有同步置零输入端的计数器，由于置零输入信号变为有效后计数器并不马上被置零，还需要等待下一个时钟信号到达后才能被置零，因此应该再SN1状态译码产生同步置零信号，N进制计数器的所有状态都为稳定状态。,置数法适用于有预置数功能的计数器电路。其工作原理也和置零法类似，可分为异步置数和同步置数两种，只是其起始状态通过预置数得到。,置数法原理示意图：,例1、试用T4290构成异步七进制计数器。,电路原理图,状态图,工作波形图,加入复位锁存电路提高复位可靠性,例2、试用7490构成24进制计数器。,高位计数器,低位计数器,个位为4，十位为2时复位。,例3、试用74161和与非门构成十进制加法计数器。,无效状态,有效状态,无效状态,有效状态,取前10种计数状态，采用置零法。(异步清零）,1、时序逻辑电路的特点；任一时刻输出状态不仅取决于当时的输入信号，还与电路的原状态有关。因此时序电路中必须含有存储元件。2、触发器是组成时序逻辑电路的基本存储单元。触发器的结构：基本、同步、主从、边沿；逻辑功能：RS、JK、D、T。3、描述时序逻辑电路逻辑功能的方法有逻辑表达式、状态转换表、状态转换图和时序图等。4、时序逻辑电路的分析步骤一般为：逻辑图时钟方程（异步）、驱动方程、输出方程状态方程状态转换真值表状态转换图和时序图逻辑功能。5、时序逻辑电路可分为同步时序逻辑电路和异步时序逻辑电路。6、计数器是一种简单而又最常用的时序逻辑器件。计数器不仅能用于统计输入脉冲的个数，还常用于分频、定时、产生节拍脉冲等。7、用已有的M进制集成计数器产品可以构成N(任意)进制的计数器。8、寄存器也是一种常用的时序逻辑器件。寄存器分为数码寄存器和移位寄存器两种。,本章小结,
