第十三讲时序逻辑电路的分析

6.1概述6.2时序逻辑电路的分析方法6.4时序逻辑电路的设计方法6.3若干常用的时序逻辑电路6.5时序逻辑电路中的竞争-冒险现象简介自学教学基本要求2.熟练掌握时序逻辑电路的分析方法1.熟练掌握时序逻辑电路的描述方式及其相互转换。3.了解时序逻辑电路的设计方法4.熟练掌握典型时序逻辑电路计数器、寄存器、移位寄存器的逻辑功能及其应用。本次授课内容与重难点内容：重点：时序逻辑电路的分析步骤难点：异步时序逻辑电路的分析6.1概述6.2时序逻辑电路的分析方法：⑴同步时序逻辑电路⑵异步时序逻辑电路6.1概述时序逻辑电路的特点时序逻辑电路的功能描述时序逻辑电路的分类一、时序逻辑电路的特点1.时序逻辑电路：任一时刻的输出信号不仅取决于当时的输入信号，而且还取决于电路原来的状态，即还与以前的输入状态有关。具备这种逻辑功能特点的电路叫做时序逻辑电路。⑴时序逻辑电路通常包含组合电路和存储电路两部分，存储电路（触发器）是必不可少的。⑵存储电路的输出状态必须反馈到组合电路的输入端，与输入信号一起，共同决定组合逻辑电路的输出。组合逻辑电路存储电路1xixkq1qkz1ziy1y时序逻辑电路的结构框图2.时序逻辑电路的特点：下页返回上页串行加法器指将两个多位数相加时，采取从低位到高位逐位相加的方式完成相加运算。需具备两个功能：将两个加数和来自低位的进位相加，记忆本位相加后的进位结果。CICOCLKC11DQQiaici-1cibis串行加法器电路全加器执行三个数的相加运算，存储电路记下每次相加后的运算结果。3.举例说明：1.逻辑表达式（逻辑方程组）输出方程：Y=F[X，Q]二、时序逻辑电路的功能描述组合逻辑电路存储电路1xixkq1qkz1ziy1y表达输出信号与输入信号、状态变量的关系式表达了激励信号与输入信号、状态变量的关系式表达存储电路从现态到次态的转换关系式驱动方程（或激励方程）:Z=G[X，Q]状态方程:Q*=H[Z，Q]2.状态表、卡诺图、状态图和时序图。下页返回上页三、时序逻辑电路的分类1.按逻辑功能划分有：计数器、寄存器、移位寄存器、读/写存储器、顺序脉冲发生器等。2.根据储存电路中触发器的动作特点不同分为：同步时序电路和异步时序电路。在同步时序电路中，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的。在异步时序电路中，触发器状态的变化不是同时发生的。时序电路同步：存储电路里所有触发器有一个统一的时钟源，它们的状态在同一时刻更新。异步：没有统一的时钟脉冲或没有时钟脉冲，电路的状态更新不是同时发生的。＞＞1DQ0FF0FF1Q1Q1Q0&ZCP1DCPX＞1JC11K＞1JC11K=1Q1“1”Q2Y&Q2Q1FF1FF2上页返回3.根据输出信号的特点分为：米利（Mealy）型和穆尔（Moore）型。在米利型电路中，输出信号不仅取决于存储电路的状态，而且还取决于输入变量。在穆尔型电路中，输出信号仅仅取决于存储电路的状态。穆尔型电路只是米利型电路的一种特例。组合电路IO存储电路ESijkm组合电路CP或CP电路的输出是输入变量I及触发器输出Q1、Q0的函数，这类时序电路亦称为米利型电路米利型电路组合电路IO存储电路ESijkmCP或CP组合电路电路输出仅仅取决于各触发器的状态，而不受电路当时的输入信号影响或没有输入变量，这类电路称为穆尔型电路穆尔型电路6.2时序逻辑电路的分析方法同步时序逻辑电路的分析方法异步时序逻辑电路的分析方法时序逻辑电路分析的任务：已知逻辑电路，分析电路在输入信号和时钟信号的作用下，其电路状态和输出信号变化的规律，进而确定逻辑功能。方程组；状态表；状态图；工作波形图。分析过程的主要表现形式:6.2时序逻辑电路的分析方法返回一、时序逻辑电路的分析的一般步骤下页上页1.了解电路的组成：电路的输入、输出信号、触发器的类型等４.确定电路的逻辑功能.3.列出状态转换表或画出状态图和时序图；2.根据给定的时序电路图,写出下列各逻辑方程式：（4）输出方程；（2）各触发器的激励方程（驱动方程）;（3）状态方程:将每个触发器的驱动方程代入其特性方程得次态方程。（1）时钟方程（异步时序电路才需要）；时序逻辑电路的分析步骤②激励方程J,K,D…①时钟方程CP（异步才写）③状态方程Q﹡1.写方程2.列状态转换表5.描述逻辑功能3.画状态转换图4.画时序图④输出方程Y00111001[例1]分析图示时序电路的逻辑功能，写出它的驱动方程、状态方程和输出方程。FF1、FF2和FF3是主从结构的TTL触发器，下降沿动作，输入悬空时和逻辑1状态等效。1Q1Q1J1KC12Q2Q1J1KC13Q3Q1J1KC1&1FF2FF3FFYCLK例6.2.1的时序逻辑电路二、同步时序逻辑电路的分析解:(1)列方程12321312()JQQJQJQQ1213321()KKQQKQ将驱动方程代入特性方程*QJQKQ32QQY驱动方程：输出方程：*1231*212132*312323()QQQQQQQQQQQQQQQQ得状态方程：1Q1Q1J1KC12Q2Q1J1KC13Q3Q1J1KC1&1FF2FF3FFYCLK000011110011001101010101000111000110010010101000000000113Q2Q1Q*3Q*2Q*1QY电路的状态转换表状态方程01234567010000111010001100101001010100100000001010CLK的顺序Y1Q3Q2Q电路状态转换表的另一种形式（2）画出电路的状态转换表*1231*212132*312323()QQQQQQQQQQQQQQQQ32QQY输出方程：下页返回上页注意事项：状态方程有效的时钟条件，凡不具备时钟条件者，触发器将保持原状态不变；电路的现态；不能漏掉任何可能出现的状态和输入的取值；若给定了起始值，可从给定起始值开始依次计算，否则可自设起始值。01234567010000111010001100101001010100100000001010CLK的顺序Y1Q3Q2Q电路状态转换表的另一种形式123QQQ/Y000001111110101100010011/0/0/0/0/0/0/1/1电路的状态转换图（3）根据电路的状态转换表可获得状态转换图一个无效状态111，其余七个为有效状态。1QY3Q2QCLK0000ttttt0电路的时序图电路逻辑功能：七进制加法计数器。123QQQ/Y000001111110101100010011/0/0/0/0/0/0/1/1电路的状态转换图(4)由电路的状态转换图画出时序图下页返回上页注意事项：状态转换是由现态转换到次态；输出是现态和输入的函数；画时序图时注意时钟条件。[例2]分析下图时序逻辑电路的逻辑功能，写出电路的驱动方程、状态方程和输出方程，画出电路的状态转换图。例6.2.2的时序逻辑电路=1=11DC11DC1YACLK1FF2FF1Q1Q2Q2Q11212DQDAQQ12121212(()())YAQQAQQAQQAQQ*111*2212QDQQDAQQ驱动方程状态方程输出方程解：列写方程=1=11DC11DC1YACLK1FF2FF1Q1Q2Q2Q0001/011/1010110/000/01100/110/01011/001/0AY2Q1Q*2Q*1Q电路的状态转换表12QQYA/00010/00/111100/10/01/01/10/10/0电路的状态转换图逻辑功能：A=1时是减法计数器。A=0时是加法计数器。12121212(()())YAQQAQQAQQAQQ*111*2212QDQQDAQQ【例】分析下图所示的同步时序电路。（此例可不讲解）＞＞＞&CP1DQ0Z1FF0Z0Z2FF2FF1Q2Q1Q0Q2Q11D1DC1C1C10101021DQQDQDQ激励方程组输出方程组Z0=Q0Z1=Q1Z2=Q21.根据电路列出逻辑方程组:得状态方程nnnnnnnQDQQDQQQDQ12120111010102.列出其状态表将激励方程代入D触发器的特性方程得状态方程DQn13.画出状态图000001100011010110101111Q2Q1Q00123下一行是上一行的次态Qn＋1次态返回初态重复出现时完成一个周期，结束分析。有效状态是3个循环码，其余为无效状态4.画出时序图CPQ0Q2Q1TCP由状态图可见，电路的有效状态是三位循环码。从时序图可看出，电路正常工作时，各触发器的Q端轮流出现一个宽度为一个CP周期脉冲信号,循环周期为3TCP。电路的功能为脉冲分配器或节拍脉冲产生器。CPQ0Q2Q1TCP000001100011010110101111Q2Q1Q05.逻辑功能分析[例3]已知异步时序电路的逻辑图如图所示，试分析它的逻辑功能，画出电路的状态转换图和时序图。触发器和门电路均为TTL电路。三、异步时序逻辑电路的分析方法例6.2.3的异步时序逻辑电路1JC11K1JC11K1JC11K1JC11K0FF1clk0Q1FF2clk1Q2FF2Q3clk3FF3Q3Q0clkC解：列写方程0013223121,1,JKJQJKJQQ1131KK*000*1311*222*31233QQCLKQQQCLKQQCLKQQQQCLK30QQC驱动方程状态方程输出方程时钟方程0CLKCLK10CLKQ21CLKQ30CLKQ1JC11K1JC11K1JC11K1JC11K0FF1clk0Q1FF2clk1Q2FF2Q3clk3FF3Q3Q0clkC012345678910000000001100000111100000110011000010101010100010101010100001000100001010101010111111111100000000010触发器状态时钟信号输出的顺序0cp3cp0Q1Q2Q3Q0cpC2cp1cp电路的状态转换表30QQC0CLKCLK10CLKQ21CLKQ30CLKQ*000*1311*222*31233QQCLKQQQCLKQQCLKQQQQCLK11100000111100110010000110001001010101000110011111001101101010110/0/1/1/0/0/0/0/0/0/1/0/0/0/1/0/0123QQQQC/电路的状态转换图电路逻辑功能：异步十进制加法计数器。电路的状态转换图30QQC*000*1311*222*31233QQCLKQQQCLKQQCLKQQQQCLK1.写时钟方程CP1=CP12QCP2.写激励方程11QD22QD异步，CP上升沿有效[例4]分析下图所示的时序逻辑电路的功能。1CPDQ1′Q1CP2CPDQ2′Q2CP23.写次态方程111QDQ222QDQ4.列状态转换表把激励方程带入触发器特征方程将现态带入次态方程求出次态注意CP2=Q1,CP上升沿有效1CPDQ′Q1CP2CPDQ′Q2CP2分析该电路的逻辑功能CPQ1Q2123411注意CP2=Q1,CP上升沿有效100100007.逻辑功能描述2位二进制减法计数器5.画波形图6.画状态转移图001110011CPDQ′Q1CP2CPDQ′Q2CP2该电路的分频功能（将信号频率降低）CPQ1Q21234112CP2QCP1Qf41ff21f二分频四分频D