清华大学数字逻辑课件第3章4.ppt
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1、3.同步时序电路的设计,设计:文字描述 状态图(状态表)逻辑图同步计数器的设计步骤(典型的同步时序电路)写出计数器状态图或状态表选定触发器,求控制函数(用卡诺图、激励表)判断能否自启动,修改设计画逻辑图同步时序电路的设计步骤(自学解决)形成原始状态图和状态表状态化简与状态分配求控制函数和输出函数画逻辑图(由特殊(计数器)到一般的学习方法),同步二进制计数器的设计,计数器的设计考虑快速进位逻辑Load(并行预置数功能)扩展(组成多位计数器时,低位计满高位才计数)清零方式(同步?/异步?)核心问题是进位逻辑的设计,再扩充其它功能。例题:分别用J-K和D触发器实现4位二进制计数器.第一步:写状态表,
2、4位二进制共有16个状态(见下表)第二步:选触发器,求控制函数表达式 1 直接从状态表上观察分析得到控制函数表达式 2 用激励表、卡诺图化简得到控制函数表达式第三步:画逻辑图,4位二进制计数器的状态转换表,由于计数器的状态转换是有规律的,只写出左侧一组计数状态的顺序就可以。为简单起见,用Q3 Q2 Q1 Q0 表示现态Q3n Q2 nQ1n Q0n,用Q3 Q2 Q1 Q0表示次态Q3n1Q2n1Q1n1 Q0n1,观察分析求J-K触发器的表达式,J0K01;J1K1Q0;J2K2Q1Q0;J3K3Q2Q1Q0,因为JK触发器有计数、保持、置1、置0四个功能,从状态表上找规律,利用JK的计数功
3、能以简化设计。Q0计数的条件,每次都计数,JK1Q1计数的条件,Q01;Q2计数的条件,Q1 Q0 1;Q3计数的条件,Q2 Q1 Q0 1;,D触发器的功能与J-K不同,D没有计数功能,因此不能象J-K一样去找状态变化的条件。D的状态方程:Qn+1D应该寻找使Qn+1置1的逻辑条件.Q0置1的条件是Q01;Q1置1的条件是:Q0 Q110或01Q2置1的条件是:Q21,且Q1 Q011 Q20,且Q1 Q011Q2 Q2 Q1 Q0+Q2 Q1 Q0 Q2+(Q1 Q0)Q3 Q3+(Q2Q1 Q0),观察分析求D触发器的表达式,用状态表和卡诺图化简求D触发器表达式,4位二进制计数器的状态表
4、,表示由现态Q3Q2 Q1Q0转换为Q3Q2 Q1Q0;4个变量的卡诺图在一起看不清楚,因此分解为4个独立的卡诺图,便于化简.,Q3Q2,00011110,00 01 11 10,Q3Q2 Q1Q0,Q1Q0,Q1Q0,Q3Q2,00011110,00 01 11 10,Q1(D1),Q1Q0,Q3Q2,00011110,00 01 11 10,Q0(D0),Q1Q0,Q3Q2,00011110,00 01 11 10,Q3(D3),Q1Q0,Q3Q2,00011110,00 01 11 10,Q2(D2),Q1Q0,Q3Q2,00011110,00 01 11 10,Q3Q2 Q1Q0(D3
5、D2 D1D0),熟练以后也可以不用分解到4个独立的卡诺图,直接在4变量卡诺图上化简。,用状态表和卡诺图化简求D触发器表达式,经卡诺图化简,整理后的表达式如下:,Q1Q0,Q3Q2,00011110,00 01 11 10,Q0,Q1Q0,Q3Q2,00011110,00 01 11 10,J0K 0,置0,置1,用状态表和卡诺图化简求JK触发器表达式,求JK触发器的表达式,要从激励表入手.因为激励表反映了由现态Qn变化到次态Qn1时J-K输入端对应的取值。x表示取值任意,在化简中作为“不管项”处理。从已经分解的4个独立卡诺图开始,对每个卡诺图利用激励表画出一个包含JK取值的卡诺图.这是一个2
6、变量卡诺图,可以分别画出J和K.实际化简时,总是让J=K。,Q1Q0,Q3Q2,00011110,00 01 11 10,J0=1,k0=1(略),J0,K0,Q1Q0,Q3Q2,00011110,00 01 11 10,J3K 3,置0,置1,用状态表和卡诺图化简求JK触发器表达式,Q1Q0,Q3Q2,00011110,00 01 11 10,J3=Q2Q1 Q0,J3,K3,Q1Q0,Q3Q2,00011110,00 01 11 10,Q1,Q1Q0,Q3Q2,00011110,00 01 11 10,J1K 1,置1,置0,Q1Q0,Q3Q2,00011110,00 01 11 10,J
7、1=Q0,K1=Q0(略),J1,K1,保持0,保持1,Q1Q0,Q3Q2,00011110,00 01 11 10,Q3,K3=Q2Q1 Q0(略),K2=J2=Q1 Q0(略).结论:这样得到的表达式与观察分析法相同。,D触发器实现的4位二进制计数器进位逻辑,上式对在卡诺图化简逻辑函数基础上进行了变形,这是实际器件的内部主要结构(p212)。公式变形原则:逻辑结构清晰,尽量公用部分;内部控制函数全部用Q,Q用来驱动外部电路。,二进制计数器波形图,从波形上分析,若CP脉冲的频率为f0,则Q0Q1Q2Q3的输出分别为CP的1/2,1/4,1/8和1/16,这就是计数器的分频功能,也叫“分频器”
8、。Q0是二分频,Q1是四分频等。,Q0,Q1,Q2,Q3,思考题:用判断自启动吗?为什么?求D触发器控制函数为什么不用激励表?如何实现预置数?同步与异步清零如何实现?,例题:分别用J-K和D触发器实现十进制计数器,Q1Q0,Q3Q2,00011110,00 01 11 10,Q3Q2 Q1Q0,十进制计数器的状态表,因为有6个自由状态存在,观察分析法不能判断。要用卡诺图化简.,Q1Q0,Q3Q2,00011110,00 01 11 10,Q0的激励表,用J-K触发器实现,原始状态表分解,Q1Q0,Q3Q2,00011110,00 01 11 10,J0=K 0=1,置1,置0,Q1Q0,Q3Q
9、2,00011110,00 01 11 10,Q3Q2 Q1Q0,将原始状态表分解为四个独立的状态表,再利用JK触发器的激励表写出每个状态的激励表,填到卡诺图中化简.,Q0,Q1Q0,Q3Q2,00011110,00 01 11 10,Q3,用J-K触发器实现,原始状态表分解,Q1Q0,Q3Q2,00011110,00 01 11 10,J3 K 3,J2K 2 和J1K 1的化简从略,得到J,K的表达式如下:,保持0,保持1,置0,置1,Q1Q0,Q3Q2,00011110,00 01 11 10,J3,Q1Q0,Q3Q2,00011110,00 01 11 10,K3,单纯从K3 化简,还
10、可以更简,但要与J3一起考虑,相交的部分一定要都是 x“不管项”才能画在一起。,由JK激励表,J3,K3,用D触发器设计十进制计数器,现态:Q3Q2 Q1Q0 次态:Q3Q2 Q1Q0 同样可分解为4个独立的卡诺图,Q3Q2,00011110,00 01 11 10,Q3Q2 Q1Q0,Q1Q0,Q1Q0,Q3Q2,00011110,00 01 11 10,Q1(D1),Q1Q0,Q3Q2,00011110,00 01 11 10,Q0(D0),Q1Q0,Q3Q2,00011110,00 01 11 10,Q3(D3),Q1Q0,Q3Q2,00011110,00 01 11 10,Q2(D2)
11、,熟练以后可以不用分解到4个独立的卡诺图,直接在4变量卡诺图上化简。逻辑图见P212 图5-66和图5-64,卡诺图化简,得到十进制计数器的D触发器控制函数,用D触发器设计十进制计数器,同样,可得JK触发器控制函数,判断十进制计数器能否自启动,由于用4位触发器组成十进制计数器存在6个自由状态,需要判断如果进入这6个状态时能否自动进入工作循环.,0,1,2,3,4,9,8,7,6,5,0,1,2,3,4,9,8,7,6,5,14,15,12,13,10,11,14,15,11,10,12,13,D触发器表达式的状态图,J-K触发器表达式的状态图,如何判断?将现态分别代入触发器控制函数,求出次态!
12、,例题:可逆计数器设计,000,001,010,011,111,110,101,100,1/0,1/0,1/0,1/0,0/0,1/1,0/1,0/0,0/0,0/0,0/0,用J-K触发器设计三位二进制可逆计数器.控制端 X1,正向计数,计满111时进位Z1;X0,逆向计数,计满000时借位Z1。,X/Z,主要目的:看用JK触发器的设计.,1/0,0/0,1/0,0/0,1/0,状态表和JK激励表达式,0 0 0 00 0 0 10 0 1 0 0 0 1 10 1 0 00 1 0 10 1 1 00 1 1 1 1 0 0 01 0 0 11 0 1 0 1 0 1 11 1 0 01
13、1 0 11 1 1 01 1 1 1,X Q2Q1Q0,ox ox 1x ox 1x x1 ox xo 1x 1x x1 x1xo ox 1x xo 1x x1 xo xo 1x x1 x1 x1 1x 1x 1x ox ox x1 ox x1 1x ox xo x1 x1 1x 1x xo ox x1 xo x1 1x xo x0 x1,0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 0 01 1 1 0 0 00 0 10 1 0 0 1 11 0 01 0 11 1 0,J2K2 J1K1 J0K0,Q2Q1Q0,Q1Q0,XQ2,0001111
14、0,00 01 11 10,J2 K 2,先画现态/次态对应关系,利用触发器激励表,得到JK激励表达式,再画卡诺图化简.,用J-K触发器实现的三位二进制可逆计数器,J-K触发器的控制函数,(逻辑图略)要掌握由JK触发器的激励表得到JK控制函数的方法.,Cleare,x x x 0,Count,1 1 1 1,Load,0 1 1 1 x,P T L RD CK,功能,x x 0 1,Hold,x 0 1 1 x,FF Hold,RC=0,功 能 表,常见中规模集成电路计数器典型器件,计数器单元电路的设计考虑 快速进位逻辑(基本功能)Load(并行预置数功能)进位扩展(组成多位计数器时,低位计满
15、高位才计数)清零方式(同步?/异步?),P Q0 Q1 Q2 Q3 RCT L Ck D0 D1 D2 D3 RD,逻辑符号图,器件型号 触发器 计数类型 清零方式 工作频率74160 J-K 十进制 异步 25Mhz74161 J-K 二进制 异步 25Mhz74162 J-K 十进制 同步 25Mhz74163 J-K 二进制 同步 25Mhz(上述四类还有74LS系列,功耗由305mw 降低到 95 mw)(74160A,74161A,74162A,74163A是D触发器结构,参数相同)74S162 D 十进制 同步清零 40Mhz,(功耗:475mw)74S163 D 二进制 同步清零
16、 40Mhz,(功耗:475mw)74168 D 十进制可逆 单时钟 35Mhz 74169 D 二进制可逆 单时钟 35Mhz74190 J-K 十进制可逆 单时钟 25Mhz74191 J-K 二进制可逆 单时钟 25Mhz74192 T 十进制可逆 双时钟 25Mhz74193 T 二进制可逆 双时钟 25Mhz,常见中规模集成电路计数器典型器件,D触发器构成的同步二进制计数器74S163,D触发器构成的同步十进制计数器74S162(改错:CLR后应为非门),常见中规模集成电路计数器典型器件,可逆计数器的实现 单时钟方式,用加减控制命令(U/D)双时钟方式,两个独立的外部时钟:CP,加;
17、CP,减;,计数器的清零方式,_P T L CLR CK,清零(同步),X X X 0,计数器有两种清零方式:异步清零和同步清零 同步清零:CLR=0,不立即清零,等待CK到来清零异步清零:使用RD直接置零,清零动作不依赖于CK清零可以用于改变计数器的顺序清零和置数功能(置零法、置数法)实现任意进制计数器,_P T L RD CK,清零(异步),X X X 0 X,CLR,CK,Q,同步清零,例:用16进制实现10进制计数器(置零法),利用计数器清零功能组成其它计数器,P D0 D1 D2 D3 CLRTLCk Q0 Q1 Q2 Q3 RC,异步清零条件Q3 Q2Q1Q0=1010,同步清零条
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