数字电路基础 -阎石第五版-第6章

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组合电路存储电路X1XpY1YmQ1QtW1Wr…………输入输出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。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逻辑方程组状态表卡诺图状态图时序图逻辑图特性方程：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、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15时序电路的分析步骤：46.2时序逻辑电路的分析方法2将驱动方程代入特性方程判断电路逻辑功能,检查自启动3计算几个概念有效状态：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6.2.1解:①写方程组21312321)(QQJQJQQJ233121)(1QKQQKK驱动方程同步时序电路，时钟方程省去。输出方程32QQY②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:QKQJQ*323213333*3231212222*21321111*1)(QQQQQQKQJQQQQQQQKQJQQQQQKQJQ③计算、列状态转换表32321*323121*2132*1)(QQQQQQQQQQQQQQQQ32321*323121*2132*1)(QQQQQQQQQQQQQQQQ画状态转换图000001010011100101110111/0/0/0/0/0/0/1/1Q3Q2Q1/Y④作时序图⑤说明电路功能这是一个同步七进制加法计数器，能自启动。000001001011001011011000例6.2.3解:①写方程式驱动方程21211QQADQD代入D触发器的特性方程，得到电路的状态方程212*211*1QQADQQDQ输出方程21212121))()((QQAQQAQQAQQAY②求状态方程输入现态次态输出12QQ*1*2QQAY00010101100000101111011110011110000111000100010021*21*1QQAQQQ2121QQAQQAY③计算、列状态转换表212*211*1QQADQQDQ2121QQAQQAY输入现态次态输出12QQ*1*2QQAY000101011000001011111101100111100001110001100000画状态转换图电路状态转换方向00011011转换条件A/YQ2Q10/11/01/01/11/0④作时序图⑤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。0111100110016.3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：00000123QQQQ0DR0123*0*1*2*3DDDDQQQQ（2）送数。时，CLK上升沿送数。即有：1DR（3）保持。在、CLK上升沿以外时间，寄存器内容将保持不变。1DR二、移位寄存器单向移位寄存器2*31*20*1*0QQQQQQDQi、、、0010010011110110101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Q0～Qn-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Q0Q1Q2Q3DIRD0D1D2D3DILRDS1S0CLK74LS194用双向移位寄存器74LS194组成节日彩灯控制电路+5V+5VS1=0,S0=1右移控制+5VCLK1秒Q=0时LED亮清0按键1k二极管发光LEDQ0Q1Q2Q3DIRD0D1D2D3DILRDS1S0CLK74LS194本节小结：寄存器是用来存放二进制数据或代码的电路，是一种基本时序电路。任何现代数字系统都必须把需要处理的数据和代码先寄存起来，以便随时取用。本节小结：寄存器分为基本寄存器和移位寄存器两大类。基本寄存器的数据只能并行输入、并行输出。移位寄存器中的数据可以在移位脉冲作用下依次逐位右移或左移，数据可以并行输入、并行输出，串行输入、串行输出，并行输入、串行输出，串行输入、并行输出。寄存器的应用很广，特别是移位寄存器，不仅可将串行数码转换成并行数码，或将并行数码转换成串行数码，还可以很方便地构成移位寄存器型计数器和顺序脉冲发生器等电路。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：按计数器中触发器是否同时翻转同步计数器异步计数器按计数器中的数字增减加法计数器减法计数器可逆计数器按计数器容量二进制计数器N进制计数器十进制计数器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······0132110122011001QQQQKJQQKJQKJKJnnnn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0121QQQQCnn一、同步计数器279页图6.3.104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。0132110122011001QQQQKJQQKJQKJKJnnnn驱动方程输出方程0121QQQQBnnn位二进制同步减法计数器的连接规律：284页图6.3.154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.111011101110001000100双时钟加/减计数器74LS19374LS193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；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100KJ111KJ122KJ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100KJ111KJ122KJ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。0Q1Q0Q1Q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Q1～Q3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Q0~Q3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，则只需一片N进制计数器；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：适用于有清零输入端的集成计数器。原理是不管输出处于哪一状态，只要在清零输入端加一有效电平电压，输出会立即从那个状态回到0000状态，清零信号消失后，计数器又可以从0000开始重新计数。置数法：适用于具有预置功能的集成计数器。对于具有预置数功能的计数器而言，在其计数过程中，可以将它输出的任意一个状态通过译码，产生一个预置数控制信号反馈至预置数控制端，在下一个CLK脉冲作用后，计数器会把预置数输入端D0D1D2D3的状态置入输出端。预置数控制信号消失后，计数器就从被置入的状态开始重新计数。例6.3.2解：置零法74LS160具有异步清零功能Q3Q2Q1Q00000000100100011010