数字电路第6章教程.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,例,解:,写方程组,驱动方程,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,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

5、。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。,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。,状态机流程图（SM图）：类似于计算机程序流程图，表示在一系列时钟脉冲作用下时序电路状态转换的流程以及每个状态下的输

6、入和输出。,时序电路的状态机描述,SM图的图形符号：,任何一个时序电路的SM图由若干SM模块组成。,SM模块举例：,例所示电路的SM图,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

7、,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

8、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、

9、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

10、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；74LS1

11、92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

12、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

13、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=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

14、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

15、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，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

16、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2n-2n个无效状态。,五、顺序脉冲发生器,给出一组在时间上有先后顺序的脉冲，再用这组脉冲形成所需要的各种控制信号。由计数器和译码器两部分电路构成。,用环形计数器作顺序脉冲发生器,当环形计数器在每个状态中只有一个1的循环状态时，它就是一个顺序脉冲发生器。当CP端不断输入系列脉冲时，Q0 Q3端将依次输出正脉冲，并不断循环。,用计数器和译码器构成的顺序

17、脉冲发生器,Q0,Q2,Q1,Q1,Q2,Q0,三位二进制加法计数器,3线-8线译码器,顺序脉冲发生器的电压波形图,计数器采用移位寄存型计数器可从根本上消除竞争冒险现象.,当两个或两个以上触发器同时改变状态时发生竞争-冒险,六序列信号发生器,产生序列信号（一组特定的串行数字信号）的电路称为序列信号发生器。一、用计数器和数选器组成的序列信号发生器,产生一个8位序列信号：00010111,连续加cp信号到计数器上，Q2(A2)、Q1(A1)、Q0(A0)的状态按计数顺序不断循环，可在输出端得到不断循环的序列信号00010111。,二、采用带反馈逻辑电路的移位寄存器构成序列信号发生器,D0的卡诺图,

18、移位寄存器端输出的串行输出信号就是序列信号输出。根据要求产生的序列信号，即可列出移位寄存器应具有的状态转换表，再由此得到输入端D0取值的卡诺图，化简得：,假设产生序列为00010111,汽车尾灯,交通灯,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,设计一个自动售饮料机的逻辑电路：它的投币口每次只能投入一枚五角或一元的硬币。投入一元五角钱硬币后机器自动给出一杯饮料；投入两元（两枚一元）硬币后，在给出饮料的

19、同时找回一枚五角的硬币。,解：,分析,1,输入逻辑变量：,投入硬币的状态,例：,输出逻辑变量：,电路状态：,建立状态图,2,状态分配,3,选触发器，求时钟、输出、状态、驱动方程,4,电路次态/输出卡诺图：,进行卡诺图分解分别得到次态方程和输出方程：,即次态方程和输出方程为：,选用D触发器实现此时序逻辑电路，则驱动方程为：,5,画出电路图,6,进行自启动检查：,初态若为11，则分为4种情况考虑：,可见在输入为00时，电路的次态不能回到有效循环中去，所以，此电路不具有自启动功能。当输入为01或10时，虽然能返回到有效循环，但收费结果是错误的，所以在开始工作时应利用异步置零功能使电路置为00状态。,

20、时序电路设计方法小结：,时序逻辑问题,状态转换图（表）,逻辑抽象,最简状态转换图（表）,逻辑电路图,电路方程组,状态化简,选定触发器的类型,检查能否自启动,思考：,如何利用第4章说的常用组合逻辑电路模块来实现自动售货机？,当后继课程学了单片机原理及应用和EDA技术后可以采用单片机控制实现，还可以采用可编程逻辑器件实现等。,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2313

21、24，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：,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6.4.3 设计一个串行数据检测器，对它的要求是：连续输入3个或3个以上的1时输出为1，其它情况输出为

22、0.,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,6,二、时序逻

23、辑电路的自启动设计可以通过修改卡诺图化简方案的方法使电路具有自启动功能。例6.4.4 设计一个七进制计数器，要求它能够自启动。已知该计数器的状态转换图及状态编码如下图：,按照卡诺图化简的最简要求可得到方程：Q1*=Q2 Q3 Q2*=Q1 Q3*=Q2,实际上，包括在圈里的任意项取为1，而在圈外的任意项取为0。即无效状态的次态已被指定。若这个指定的次态属于有效循环中的状态，电路可以自启动；反之则不可以自启动。后者可以通过修改指定状态（即改变方程的化简方式）使其具备自启动功能。为使电路能够自启动，可将000的次态指定为一个有效状态：010得到修改过的状态方程为：Q1*=Q2 Q3 Q2*=Q1+

24、Q2 Q3 Q3*=Q2,修改后的电路状态转换图如下：,例6.4.5 设计一个能自启动的3位环形计数器。要求它的有效循环状态为100010 001 100,电路的状态转换图和次态卡诺图如右图：,按照常规化简得：Q1n+1=Q3 Q2n+1=Q1 Q3n+1=Q2,以上设计的电路不能自启动为保持移位寄存器内部结构不变，只允许修改第一位触发器的输入。所以修改Q1,得到修改后的次态卡诺图如下：,修改后的状态方程如下：Q1n+1=Q1 Q2 Q2n+1=Q1 Q3n+1=Q2,若选用D触发器构造此计数器，驱动方程为：D1=Q1n+1=Q1 Q2=Q1+Q2 D2=Q2n+1=Q1 D3=Q3n+1=Q2逻辑图如下：,