清华大学数字电路 六章

第六章时序逻辑电路6.1概述一、时序逻辑电路的特点1.功能上：任一时刻的输出不仅取决于该时刻的输入，还与电路原来的状态有关。例：串行加法器，两个多位数从低位到高位逐位相加2.电路结构上①包含存储电路和组合电路②存储器状态和输入变量共同决定输出二、时序电路的一般结构形式与功能描述方法可以用三个方程组来描述：),(),,,,,,,(),,,,,,,(QXFYqqqxxxfyqqqxxxfylijli输出方程21211212111),(),,,,,,,(),,,,,,,(QXFYqqqxxxgzqqqxxxgzlikli驱动方程21211212111),(*),,,,,,,(),,,,,,,(*QZHQqqqzzzhqqqqzzzhqlillli状态方程2121212111三、时序电路的分类1.同步时序电路与异步时序电路同步：存储电路中所有触发器的时钟使用统一的clk,状态变化发生在同一时刻异步：没有统一的clk,触发器状态的变化有先有后2.Mealy型和Moore型Mealy型：Moore型：仅取决于电路状态有关、与)(),(QFYQXQXFY6.2时序电路的分析方法6.2.1同步时序电路的分析方法分析：找出给定时序电路的逻辑功能即找出在输入和CLK作用下，电路的次态和输出。一般步骤：①从给定电路写出存储电路中每个触发器的驱动方程（输入的逻辑式），得到整个电路的驱动方程。②将驱动方程代入触发器的特性方程，得到状态方程。③从给定电路写出输出方程。例：2321331212132111QKQQJQQKQJKQQJ,)(,,)(.写驱动方程：32321323121213212QQQQQQQQQQQQQQQQQKQJQJK**)(**.，得状态方程：触发器的特性方程（代入323QQY输出方程.TTL电路6.2.2时序电路的状态转换表、状态转换图、状态机流程图和时序图一、状态转换表00000100010100010011001110001001010101110011000011110001YQQQQQQ***12312300000100102010030110410005101061101700000111110000YQQQCLK1233232132312121321QQQQQQQQQQQQQQQQ**)(*32QQY二、状态转换图三、状态机流程图（StateMachineChart）四、时序图例：212111QQADQD驱动方程：)(212112QQAQDQ**)(状态方程：212121213QQAQQAQQAQQAY])()[()(输出方程：（4）列状态转换表：（5）状态转换图00011011001/010/011/000/1111/100/001/010/0AYQQ**1212QQ*6.2.3异步时序逻辑电路的分析方法各触发器的时钟不同时发生例：TTL电路1131clkQQQ*222clkQQ*6.3若干常用的时序逻辑电路6.3.1寄存器和移位寄存器一、寄存器①用于寄存一组二值代码，N位寄存器由N个触发器组成，可存放一组N位二值代码。②只要求其中每个触发器可置1，置0。例1：改变随高电平期间DQclkLS7574例：用维-阻触发器结构的74HC175功能。有异步置状态无关，存入，与此前后的时，将01757430DDDCLKHC~二、移位寄存器（代码在寄存器中左/右移动）具有存储+移位功能翻转一级触发器原来的状态到达时，各触发器按前所以触发器有延迟时间因为CLKtpd位数据依次右移1数据运算并代码转换，串应用：器件实例：74LS194A，左/右移，并行输入，保持，异步置零等功能1S0S1S0S11111012010011011QQQQSQSRDSSQSSQSSQSSS*的工作状态就可以选择通过控制19401SSR’DS1S0工作状态0XX置零100保持101右移110左移111并行输入2D扩展应用（4位8位）6.3.2计数器•用于计数、分频、定时、产生节拍脉冲等•分类：按时钟分，同步、异步按计数过程中数字增减分，加、减和可逆按计数器中的数字编码分，二进制、二-十进制和循环码…按计数容量分，十进制，六十进制…一、同步计数器1.同步二进制计数器①同步二进制加法计数器原理：根据二进制加法运算规则可知：在多位二进制数末位加1，若第i位以下皆为1时，则第i位应翻转。由此得出规律，若用T触发器构成计数器，则第i位触发器输入端Ti的逻辑式应为：10021TQQQTiii...器件实例：74161工作状态X0XXX置0（异步）10XX预置数（同步）X1101保持（包括C）X11X0保持（C=0）1111计数ETEPDLRCLKD②同步二进制减法计数器原理：根据二进制减法运算规则可知：在多位二进制数末位减1，若第i位以下皆为0时，则第i位应翻转。由此得出规律，若用T触发器构成计数器，则第i位触发器输入端Ti的逻辑式应为：10021TQQQTiii...③同步加减计数器加/减计数器加/减计数结果加/减计数器计数结果两种解决方案a.单时钟方式加/减脉冲用同一输入端，由加/减控制线的高低电平决定加/减器件实例：74LS191（用T触发器）工作状态X11X保持XX0X预置数(异步)010加计数011减计数DUDLSCLKI101010TQDUQDUTijjijji)()(b.双时钟方式器件实例：74LS193（采用T’触发器，即T=1）DUijjDijjUiCLKCLKCLKQCLKQCLKCLK0101001012QQCLKQQCLKCLKDU2.同步十进制计数器①加法计数器基本原理：在四位二进制计数器基础上修改，当计到1001时，则下一个CLK电路状态回到0000。10T3001QQQT212QQT030120123QQQQQQQQT能自启动器件实例：74160工作状态X0XXX置0（异步）10XX预置数（同步）X1101保持（包括C）X11X0保持（C=0）1111计数ETEPDLRCLKD②减法计数器基本原理：对二进制减法计数器进行修改，在0000时减“1”后跳变为1001，然后按二进制减法计数就行了。10T)(123001QQQQQT)(32101012QQQQQQQT0123QQQT能自启动③十进制可逆计数器基本原理一致，电路只用到0000~1001的十个状态实例器件单时钟：74190,168双时钟：74192二.异步计数器1.二进制计数器①异步二进制加法计数器在末位+1时，从低位到高位逐位进位方式工作。原则：每1位从“1”变“0”时，向高位发出进位，使高位翻转②异步二进制减法计数器在末位-1时，从低位到高位逐位借位方式工作。原则：每1位从“0”变“1”时，向高位发出进位，使高位翻转2、异步十进制加法计数器原理：在4位二进制异步加法计数器上修改而成，要跳过1010~1111这六个状态12345678910J=0J=1J=0J=K=1J=1J=0器件实例：二－五－十进制异步计数器74LS290三、任意进制计数器的构成方法用已有的N进制芯片，组成M进制计数器，是常用的方法。N进制M进制MNMN1.NM原理：计数循环过程中设法跳过N－M个状态。具体方法：置零法置数法同步置零法异步置零法同步预置数法异步预置数法例：将十进制的74160接成六进制计数器异步置零法工作状态X0XXX置0（异步）10XX预置数（同步）X1101保持（包括C）X11X0保持（C=0）1111计数ETEPDLRCLKD例：将十进制的74160接成六进制计数器异步置零法信号作用时间短缺点：置0置数法(a)置入0000(b)置入10012.NM①M=N1×N2先用前面的方法分别接成N1和N2两个计数器。N1和N2间的连接有两种方式：a.并行进位方式：用同一个CLK，低位片的进位输出作为高位片的计数控制信号（如74160的EP和ET）b.串行进位方式：低位片的进位输出作为高位片的CLK，两片始终同时处于计数状态例：用74160接成一百进制工作状态X0XXX置0（异步）10XX预置数（同步）X1101保持（包括C）X11X0保持（C=0）1111计数ETEPDLRCLKD例：用两片74160接成一百进制计数器并行进位法串行进位法②M不可分解采用整体置零和整体置数法：先用两片接成M’M的计数器然后再采用置零或置数的方法例：用74160接成二十九进制工作状态X0XXX置0（异步）10XX预置数（同步）X1101保持（包括C）X11X0保持（C=0）1111计数ETEPDLRCLKD例：用74160接成二十九进制整体置零（异步）整体置数（同步）四、移位寄存器型计数器1.环形计数器2.扭环形计数器五、计数器应用实例例1，计数器+译码器→顺序节拍脉冲发生器例2，计数器+数据选择器→序列脉冲发生器发生的序列：000101116.4时序逻辑电路的设计方法6.4.1同步时序逻辑电路的设计方法设计的一般步骤一、逻辑抽象，求出状态转换图或状态转换表1.确定输入/输出变量、电路状态数。2.定义输入/输出逻辑状态以及每个电路状态的含意，并对电路状态进行编号。3.按设计要求列出状态转换表，或画出状态转换图。二、状态化简若两个状态在相同的输入下有相同的输出，并转换到同一个次态，则称为等价状态；等价状态可以合并。三、状态分配（编码）1.确定触发器数目。2.给每个状态规定一个代码。（通常编码的取法、排列顺序都依照一定的规律）四、选定触发器类型求出状态方程，驱动方程，输出方程。五、画出逻辑图六、检查自启动例：设计一个串行数据检测器，要求在连续输入三个或三个以上“1”时输出为1，其余情况下输出为0。一、抽象、画出状态转换图二、状态化简用X（1位）表示输入数据用Y（1位）表示输出（检测结果）三、状态分配取n=2，令的00、01、10为则，01QQ210SSS、、011XQXQQ*010QQXQ*1XQY四、选用JK触发器，求方程组五、画逻辑图11011011QXQXQQQXQXQQ)()()(*0010101QQQXQQXQ)(*011XQXQQ*010QQXQ*1XQY•六、检查电路能否自启动•将状态“11”代入状态方程和输出方程，分别求X=0/1下的次态和现态下的输出，得到：110100000101YQQXYQQX，时，，时，****能自启动6.6用multisim分析时序逻辑电路例:分析下图的计数器电路。求电路的时序图.说明这是几进制的计数器。