《数字电子技术基础》第五版阎石第6章.ppt

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1、,第 六 章,时 序 逻 辑 电 路,教学内容,6.1 概述6.2 时序逻辑电路的分析方法6.3 若干常用的时序逻辑电路6.4 时序逻辑电路的设计方法,教学要求,一.重点掌握的内容：,（1）时序逻辑电路的概念及电路结构特点；（2）同步时序电路的一般分析方法；（3）同步计数器的一般分析方法；（4）会用置零法和置数法构成任意进制计数器。,二.一般掌握的内容：,（1）同步、异步的概念，电路现态、次态、有效状态、无效状态、有效循环、无效循环、自启动的概念，寄存的概念；（2）同步时序逻辑电路设计方法。,6.1 概述,一、组合电路与时序电路的区别,1.组合电路：,电路的输出只与电路的输入有关，,与电路的前

2、一时刻的状态无关。,2.时序电路：,电路在某一给定时刻的输出,取决于该时刻电路的输入,还取决于前一时刻电路的状态,由触发器保存,时序电路：,组合电路,+,触发器,电路的状态与时间顺序有关,时序电路在任何时刻的稳定输出，不仅与该时刻的输入信号有关，而且还与电路原来的状态有关。,构成时序逻辑电路的基本单元是触发器。,二、时序逻辑电路的分类：,按动作特点可分为,同步时序逻辑电路,异步时序逻辑电路,所有触发器状态的变化都是在同一时钟信号操作下同时发生。,触发器状态的变化不是同时发生。,按输出特点可分为,米利型时序逻辑电路,穆尔型时序逻辑电路,输出不仅取决于存储电路的状态，而且还决定于电路当前的输入。,

3、输出仅决定于存储电路的状态，与电路当前的输入无关。,三、时序逻辑电路的功能描述方法,特性方程：描述触发器逻辑功能的逻辑表达式。驱动方程：（激励方程）触发器输入信号的逻辑 表达式。时钟方程：控制时钟CLK的逻辑表达式。状态方程：（次态方程）次态输出的逻辑表达式。驱动方程代入特性方程得状态方程。输出方程：输出变量的逻辑表达式。,1.逻辑方程组,2.状态表,反映输出Z、次态Q*与输入X、现态Q之间关系的表格。,3.状态图,反映时序电路状态转换规律，及相应输入、输出取值关系的图形。,箭尾：现态,箭头：次态,标注：输入输出,4.时序图,时序图又叫工作波形图，它用波形的形式形象地表达了输入信号、输出信号、

4、电路的状态等的取值在时间上的对应关系。,这四种方法从不同侧面突出了时序电路逻辑功能的特点，它们在本质上是相同的，可以互相转换。,电路图,时钟方程、驱动方程和输出方程,状态方程,状态图、状态表,时序图,1,5,时序电路的分析步骤：,4,6.2 时序逻辑电路的分析方法,判断电路逻辑功能,检查自启动,几个概念,有效状态：在时序电路中，凡是被利用了的状态。有效循环：有效状态构成的循环。,无效状态：在时序电路中，凡是没有被利用的状态。无效循环：无效状态若形成循环，则称为无效循环。,自启动：在CLK作用下，无效状态能自动地进入到有效循环中，则称电路能自启动，否则称不能自启动。,例,解:,写方程组,驱动方程

5、,同步时序电路，时钟方程省去。,输出方程,求状态方程,将驱动方程代入JK触发器的特性方程 中得电路的状态方程:,计算、列状态转换表,画状态转换图,作时序图,说明电路功能,这是一个同步七进制加法计数器，能自启动。,例,解:,写方程式,驱动方程,代入D触发器的特性方程，得到电路的状态方程,输出方程,求状态方程,计算、列状态转换表,画状态转换图,电路状态,转换方向,00,01,10,11,转换条件,作时序图,说明电路功能,A=0时是二位二进制加法计数器；A=1时是二位二进制减法计数器。,6.3 若干常用的时序逻辑电路,寄存器和移位寄存器,一、寄存器,在数字电路中，用来存放二进制数据或代码的电路称为寄

6、存器。,寄存器是由具有存储功能的触发器组合起来构成的。一个触发器可以存储1位二进制代码，存放n位二进制代码的寄存器，需用n个触发器来构成。,同步触发器构成,4位寄存器,边沿触发器构成,（1）清零。，异步清零。即有：,（2）送数。时，CLK上升沿送数。即有：,（3）保持。在、CLK上升沿以外时间，寄存器内容将保持不变。,二、移位寄存器,单向移位寄存器,0,0,1,0,1,1,经过4个CLK信号以后，串行输入的4位代码全部移入寄存器中，同时在4个触发器输出端得到并行输出代码。,首先将4位数据并行置入移位寄存器的4个触发器中，经过4个CP,4位代码将从串行输出端依次输出，实现数据的并行串行转换。,单

7、向移位寄存器具有以下主要特点：（1）单向移位寄存器中的数码，在CLK脉冲操 作下，可以依次右移或左移。（2）n位单向移位寄存器可以寄存n位二进制 代码。n个CLK脉冲即可完成串行输入工作，此后可从Q0Qn-1端获得并行的n位二进制数码，再用n个CLK脉冲又可实现串行输出操作。（3）若串行输入端状态为0，则n个CLK脉冲后，寄存器便被清零。,双向移位寄存器,2片74LS194A接成8位双向移位寄存器,用双向移位寄存器74LS194组成节日彩灯控制电路,S1=0,S0=1右移控制,Q=0时LED亮,清0按键,本节小结：,本节小结：,本节小结：,计数器,在数字电路中，能够记忆输入脉冲个数的电路称为计

8、数器。,分类：,计数器,二进制计数器,十进制计数器,N进制计数器,加法计数器,同步计数器,异步计数器,减法计数器,可逆计数器,加法计数器,减法计数器,可逆计数器,二进制计数器,十进制计数器,N进制计数器,n位二进制同步加法计数器的电路连接规律：,驱动方程,输出方程,一、同步计数器,279页图,4位二进制同步加法计数器,若计数脉冲频率为f0，则Q0、Q1、Q2、Q3端输出脉冲的频率依次为f0的1/2、1/4、1/8、1/16。因此又称为分频器。,4位集成二进制同步加法计数器74LS161/163,预置数控制端,数据输入端,异步复位端,工作状态控制端,进位输出,(a)引脚排列图,4位同步二进制计数

9、器74161功能表,74161具有异步清零和同步置数功能.,4位同步二进制计数器74163功能表,74163具有同步清零和同步置数功能.,74LS163的引脚排列和74LS161相同，不同之处是74LS163采用同步清零方式。,驱动方程,输出方程,n位二进制同步减法计数器的连接规律：,284页图,4位集成二进制同步可逆计数器74LS191,预置数控制端,使能端,加减控制端,串行时钟输出,4位同步二进制可逆计数器74LS191功能表,74LS191具有异步置数功能.,0,双时钟加/减计数器74LS193,74LS193具有异步清零和异步置数功能.,2、同步十进制计数器,同步十进制加法计数器:在同

10、步二进制加法计数器基础上修改而来.,同步十进制加法计数器74LS160与74LS161逻辑图和功能表均相同,所不同的是74LS160是十进制而74LS161是十六进制。,同步十进制可逆计数器也有单时钟和双时钟两种结构形式。属于单时钟的有74LS190等，属于双时钟的有74LS192等。,74LS190与74LS191逻辑图和功能表均相同；74LS192与74LS193逻辑图和功能表均相同。,二、异步计数器,1、异步二进制计数器,3位异步二进制加法计数器,触发器为下降沿触发，Q0接CLK1,Q1接CLK2。若上升沿触发，则应 Q0接CLK1,Q1接CLK2。,3位异步二进制减法计数器,触发器为下

11、降沿触发，接CLK1,接CLK2。若上升沿触发，则应 接CLK1,接CLK2。,2、异步十进制计数器,异步二五十进制计数器74LS290,置0端,置9端,若计数脉冲由CLK0端输入，输出由Q0端引出，即得到二进制计数器；若计数脉冲由CLK1端输入，输出由Q1Q3引出，即是五进制计数器；若将CLK1与Q0相连，同时以CLK0为输入端，输出由Q0Q3引出，则得到8421码十进制计数器。,74LS290功能表,缺点：（1）工作频率较低；（2）在电路状态译码时存在竞争冒险现象。,异步计数器特点,优点：结构简单,三、任意进制计数器的构成方法,利用现有的N进制计数器构成任意进制（M）计数器时，如果MN，则

12、要多片N进制计数器。,实现方法,置零法（复位法）,置数法（置位法）,置零法,74LS160具有异步清零功能,当MN时，一片N进制计数器即可实现,1,1,CLK,0,当计数器记成Q3Q2Q1Q00110时，与非门输出低电平信号给 端，将计数器置零。置零信号不是一个稳定的状态,持续时间很短，有可能导致电路误动作。,改进电路,置数法,74LS160具有同步置数功能,1,1,CLK,0,LD=0后，还要等下一个CLK信号到来时才置入数据，而这时LD=0的信号以稳定地建立了，提高了可靠性。,1,1,CLK,1,0,1,P350 题6.15,解：,当A=1时,其状态转换图如下：,构成十二进制计数器,当A=

13、0时,其状态转换图如下：,构成十进制计数器,例:用集成异步二五十进制计数器74LS290接成六进制计数器（模六）。（不用其他元件）。已知74LS290的逻辑示意图和功能表。,74LS290功能表,首先将74LS290接成8421BCD码的十进制计数器，即将CLK1与Q0相连，CLK0作为外部计数脉冲CLK。,置零法构成六进制,74LS290具有异步清零功能,以下电路连接是否正确？,警告:切不可将输出端相互短路！,这样接是正确的。,置9法构成六进制,74LS290具有异步置9功能,P350 题6.17,解：,当Q2Q1=1时，S91=S92=1,74LS290实现置9功能。画状态转换图如下：,这

14、是一个七进制计数器,当MN时，需用多片N进制计数器组合实现,串行进位方式、并行进位方式、整体置零方式、整体置数方式,若M可分解为M=N1N2(N1、N2均小于N），可采用连接方式有：,若M为大于N的素数，不可分解，则其连接方式只有：整体置零方式、整体置数方式,串行进位方式：以低位片的进位信号作为高位片的时钟输入信号。,并行进位方式：以低位片的进位信号作为高位片的工作状态控制信号。,整体置零方式：首先将两片N进制计数器按最简单的方式接成一个大于M进制的计数器，然后在计数器记为M状态时使RD=0，将两片计数器同时置零。,整体置数方式：首先将两片N进制计数器按最简单的方式接成一个大于M进制的计数器，

15、然后在某一状态下使LD=0，将两片计数器同时置数成适当的状态，获得M进制计数器。,例 用两片同步十进制计数器接成百进制计数器.,解：,并行进位方式,串行进位方式,例 用两片74LS160接成二十九进制计数器.,解：,整体置零方式,整体置数方式,四、移位寄存器型计数器,环形计数器,结构特点:D0=Q3,CLK,状态转换图:,构成四进制计数器,不能自启动.,能自启动的环形计数器:,状态转换图：,n位移位寄存器构成的环形计数器只有n个有效状态，有2n-n个无效状态。,扭环形计数器,结构特点:,状态转换图：,能自启动的扭环形计数器:,状态转换图：,n位移位寄存器构成的扭环形计数器有2n个有效状态，有2

16、n-2n个无效状态。,6.4 时序逻辑电路的设计方法,根据设计要求,画原始状态图,最简状态图,画电路图,检查电路能否自启动,1,2,4,6,选触发器，求时钟、输出、状态、驱动方程,5,状态分配,3,化简,设计步骤:,确定输入、输出变量及状态数,2n-1M2n,例 设计一个带有进位输出端的十三进制计数器.,解：,该电路不需输入端,有进位输出用C表示，规定有进位输出时C=1，无进位输出时C=0。,十三进制计数器应该有十三个有效状态，分别用S0、S1、S12表示。画出其状态转换图：,1,建立原始状态图,状态转换图不需化简。,因为231324，因此取触发器位数n=4。对状态进行编码，得到状态转化表如下

17、：,状态化简,2,状态分配,3,4,选触发器，求时钟、输出、状态、驱动方程,电路次态/输出（）的卡诺图,状态方程：,若选用4个JK触发器，需将状态方程变换成JK触发器特性方程的标准形式，即Q*=JQ+KQ,找出驱动方程。,比较得到触发器的驱动方程：,画电路图,5,将0000作为初始状态代入状态方程计算次态，画出状态转换图，与状态转换表对照是否相同。最后检查是否自启动。,由状态转换图可知该电路能够自启动.,检查电路能否自启动,6,例,解：,输入数据作为输入变量，用X表示；检测结果为输出变量，用Y表示。例如:,设电路没有输入1以前的状态为S0,输入一个1状态为S1，连续输入两个1后的状态为S2，连续输入3个1以后的状态为S3。,画状态转换图,输入X 输入Y 000000001000110,1,建立原始状态图,状态化简,2,状态分配,3,S0=00S1=01S2=10,卡诺图,4,选触发器，求时钟、输出、状态、驱动方程,M3，应取触发器n=2。选2个JK触发器。,将卡诺图分解,求状态方程和输出方程，并得到驱动方程,输出方程：,画电路图,5,输出方程：,由状态转换图可知该电路能够自启动.,检查电路能否自启动,6,