第8章 典型时序逻辑电路

8.1计数器*8.2顺序脉冲发生器8.3寄存器第8章典型时序逻辑电路时序逻辑电路在任一时刻的输出状态依赖于该时刻的输入状态和电路状态的组合。第7章介绍时序逻辑电路的的特点、分析方法和设计方法，本章介绍典型的时序逻辑电路。掌握：计数器的分类、功能和典型的计数器；用典型的集成计数器设计N进制计数器。寄存器的功能和典型寄存器。了解：顺序脉冲发生器。教学基本要求8.1.1计数器的概念和分类8.1.2二进制计数器8.1.3二-十进制计数器8.1.4用集成计数器设计N进制计数器8.1计数器8.1.1计数器的概念和分类计数器：实现对输入脉冲信号计数的时序逻辑电路。输入脉冲：通常是触发器的时钟CP。计数长度N：在计数器中用n个触发器记忆计数数值。用于计数功能的有效状态数称为计数长度。触发器状态改变方式1.同步计数器2.异步计数器计数体制1.二进制计数器(N=2n)2.二-十进制计数器(N=10)1.N进制计数器(如，5进制、60进制、24进制、…)计数值增减1.加法计数器2.减法计数器3.可逆计数器分类方式类别下面以计数体制为主线介绍几种典型的计数器的结构、工作原理、功能和应用。8.1.2二进制计数器1．异步二进制加法计数器(1)电路组成由３个下降沿触发的JK触发器组成，CP作计数脉冲输入，触发器的输出端组合成3位二进制数Q2Q1Q0，记忆对脉冲的计数值。（2）工作原理输出方程：触发器的输出端组合成3位二进制数Q2Q1Q0作为计数值直接输出。111221100KJKJKJ12010QCPQCPCPCP时钟方程：驱动方程：2,1,01iQKQJQniiniini特性方程：nnnnnnQQQQQQ212111010状态方程：每个触发器都是T’触发器!12010QCPQCPCPCP时钟方程：nnnnnnQQQQQQ212111010状态方程：时序图：设计数器的初始值为零。Q0延时tf改变状态！触发器异步改变状态！最大的延迟时间为3tf（纳秒级）CP最高工作频率为1/3tf（几十兆赫）。由时序图可知：1.异步3位二进制加法计数器：Q2Q1Q0组成二进制数，其值正是输入脉冲CP作用后的脉冲个数，实现了对输入脉冲CP的加１计数。2.分频：Q0的频率是CP频率的1/2，Q1的频率是CP频率的1/4，Q2的频率是CP频率的1/8。3.定时：在初态为0的情况下，计数器的数值M可以反映从第一个脉冲作用后逝去的时间T，T=（M-1）TCP由本例推广到一般：1.n位异步二进制加法计数器由n个T’触发器组成。2.连接方法：CP最低有效位相邻高位↓CP↑CP1iQ1iQ3.最大的延迟时间为ntf（纳秒级）。4.CP最高工作频率为1/ntf（几十兆赫）。2．异步二进制减法计数器(1)电路组成由３个下降沿触发的D触发器组成，CP作计数脉冲输入，触发器的输出端组合成3位二进制数Q2Q1Q0，记忆对脉冲的计数值。（2）工作原理输出方程：触发器的输出端组合成3位二进制数Q2Q1Q0作为计数值直接输出。nnnQDQDQD22110012010QCPQCPCPCP时钟方程：驱动方程：2,1,01iDQini特性方程：nnnnnnQQQQQQ212111010状态方程：每个触发器都是T’触发器!时钟方程：nnnnnnQQQQQQ212111010状态方程：时序图：设计数器的初始值为零。触发器异步改变状态！最大的延迟时间为3tf（纳秒级）CP最高工作频率为1/3tf（几十兆赫）。12010QCPQCPCPCP由时序图可知：1.异步3位二进制加法计数器：Q2Q1Q0组成二进制数，其值正是输入脉冲CP作用后的脉冲个数，实现了对输入脉冲CP的加１计数。2.分频：Q0的频率是CP频率的1/2，Q1的频率是CP频率的1/4，Q2的频率是CP频率的1/8。3.定时：在初态为0的情况下，计数器的数值M可以反映从第一个脉冲作用后逝去的时间T，T=（8-M）TCP异步二进制计数器结论：1.n位异步二进制减法计数器由n个T’触发器组成。2.连接方法：3.最大的延迟时间为ntf（纳秒级）。4.CP最高工作频率为1/ntf（几十兆赫）。1iiQCP1iiQCP1iiQCP1iiQCPT’触发器触发方式下降沿触发上升沿触发加法计数减法计数上升沿触发的D触发器接成T’触发器，Q2Q1Q0是计数值输出。CP是计数脉冲输入，A是加/减控制输入。3．异步二进制可逆计数器1120010QAAQCPQAAQCPCPCP时钟方程：输出方程：触发器的输出端组合成3位二进制数Q2Q1Q0作为计数值直接输出。nnnQDQDQD221100驱动方程：2,1,01iDQini特性方程：nnnnnnQQQQQQ212111010状态方程：每个触发器都是T’触发器!12010QCPQCPCPCP12010QCPQCPCPCP当A=0时，当A=1时，1120010QAAQCPQAAQCPCPCP1iiQCP1iiQCP1iiQCP1iiQCPT’触发器触发方式下降沿触发上升沿触发加法计数减法计数异步3位二进制加法计数器。异步3位二进制减法计数器。时钟方程：4．同步二进制加法计数器（1）电路组成由３个JK触发器及２个与门组成，CP作计数脉冲输入，Q2Q1Q0是计数值输出，C３为进位控制输出。nnnQQTKJQTKJTKJ0122201110001CPCPCPCP210nnnQQQC0123进位输出时钟方程：输出方程：驱动方程：计数值输出Q2Q1Q0nnnnnnnnnnnnQQQQTQQQQTQQQTQ201221210111100010)(特性方程：2,1,01iQTQKQJQniiniiniini每个触发器都是T触发器!状态方程：CPCPCPCP210时钟方程：nnnnnnnnnQQQQQQQQQ201121011010)(状态方程：时序图：设计数器的初始值为零。触发器延时tf改变状态！触发器输出相对于CP的最大延迟时间为tf（纳秒级）。触发器延时tf同步改变状态！nnnQQQC0123:进位输出进位C3相对于触发器输出延迟一个与门的传输时间tpd。CP最高工作频率为1/(tf+tpd)（几十兆赫）。由时序图可知：1.同步3位二进制加法计数器：Q2Q1Q0组成二进制数，值是CP作用后的脉冲个数，实现了对CP的加１计数。2.进位：每个与门的输出是相邻高位的进位。1,,2,11100101001kiQQQTTQQQCijnjnniikjnjnnkk推广到一般情况：用T触发器组成k位同步二进制加法计数器，其进位控制信号和驱动方程为：1,,2,11100101001kiQQQTTQQQBijnjnniikjnjnnkk同样，用T触发器可组成k为同步二进制减法计数器，其借位控制信号Bk和驱动方程为：5．集成同步二进制加法计数器计数器应用广泛，有许多集成计数器：单时钟4位同步二进制加法计数器74LS161单时钟4位同步二进制可逆计数器74LS191双时钟4位同步二进制可逆计数器74LS193下面以74LS161为例介绍集成计数器的功能和应用。（1）74LS161的功能①清零功能：R=0，触发器全部清零，与CP无关，作用的优先级别最高。在其他功能时，R=1。②置数功能：LDTLDDLDTLDLDDJiiiii)(当LD=0时，CP的上升沿使3,2,1,01iDQiniLDTLDDLDTLDDKiiiii)(niiiniiiniQLDTLDDQLDTLDDQ)(1niiiniiiniQLDTLDDQLDTLDDQ)(1当LD=1时，CP的上升沿使3,2,1,01iQTQniininnnnnniiQQQQSCiQQSSTSST0123201212103,2,1)()(如果S1S2=0,触发器状态不变，即保持功能。如果S1S2=1,电路组成同步4位二进制加法计数器，对CP脉冲做加法计数。74LS161功能总结：1）异步清零:R:0R00000123QQQQ:0,1LDR,0,121SSLDR2）同步置数(预置数):LD3）保持：Q0Q1Q2Q3=D0D1D2D3CP上升沿时计数器不管CP到来与否都保持原状态不变4）四位二进制加法计数器（N=16）,1,121SSLDR在CP上升沿的同步作用下，进行计数长度为16的加法计数。S1S2（同步4位二进制加法计数器）LDCR（2）74LS161的位数扩展有2种位数扩展方式：并行扩展和串行扩展。•并行扩展CP的↑使74161（I）计数，第15个↑使74161（I）的进位为1；第16个↑使74161（II）加1计数，同时，74161（I）的进位回0；每16个脉冲使74161（II）加1计数。实现同步8位二进制加法计数。设计数器初值为0，则74161的进位输出为0。（2）74LS161的位数扩展有2种位数扩展方式：并行扩展和串行扩展。•串行扩展CP的↑使74161（I）计数，第15个↑使74161（I）的进位为1；第16个↑使74161（I）的进位回0；反相器产生↑，使74161（II）加1计数；每16个使使74161（II）加1计数。实现异步8位二进制加法计数。设计数器初值为0，则74161的进位输出为0。8.1.3二-十进制计数器1．同步二-十进制计数器十进制计数是人们习惯的计数方式。用数字电路实现多位十进制计数器，必须首先实现一个十进制位的计数，然后通过十进制位扩展可实现多位十进制计数。实现一个十进制位计数的时序电路称为二-十进制计数器，简称十进制计数器。输入计数脉冲CP，Q3Q2Q1Q0是计数值，C是进位。1．同步二-十进制计数器100KJnnQQKJ1022nnnQKQQJ01301驱动方程：nnnnQKQQQJ032103nnQQ010nnQQC03状态方程：输出方程：nnnnnnQQQQQQ1013011nnnnnnnnnnnQQQQQQQQQQQ3032101321012)(1．同步二-十进制计数器nnQQ010nnQQC03状态方程：输出方程：nnnnnnQQQQQQ1013011nnnnnnnnnnnQQQQQQQQQQQ3032101321012)(状态图：（1）有效状态：0000--1001（2）无效状态：1010--1111计数器可以自启动2．集成同步二-十进制计数器（1）74160的功能①清零功能：R=0，触发器全部清零，与CP无关，作用的优先级别最高。在其他功能时，R=1。②置数功能：LDTLDDLDTLDLDDJiiiii)(当LD=0时，CP的上升沿使3,2,1,01iDQiniLDTLDDLDTLDDKiiiii)(niiiniiiniQLDTLDDQLDTLDDQ)(1niiiniiiniQLDTLDDQLDTLDDQ)(1当LD=1时，CP的上升沿使3,2,1,01iQTQniini如果S1S2=0,触发器状态不变，即保持功能。nnnnnnnnnnnQQSCQQQQQSSTQQSSTQQSSTSST032302102131021203211210))(()()()(当LD=1时，CP的上升沿使3,2,1,01iQTQniini如果S1S2=1,nnnnnnnnnnnQQSCQQQQQSSTQQSSTQQSSTSST0323021021310212032112