时序逻辑电路

第六章时序逻辑电路本章内容简介本章介绍构成数字电路的另一种电路——时序逻辑电路。具体的内容涉及：时序逻辑电路在电路结构和逻辑功能上的特点，然后系统地介绍时序逻辑电路的分析方法和设计方法，最后介绍寄存器、计数器等一些常用的时序逻辑电路的工作原理和使用方法。例如：拉线开关有记忆、而计算器的复位开关就没有记忆•组合逻辑电路特点——无记忆：任何一个时刻的输出，仅取决于当时的输入，而与电路以前的状态无关•时序逻辑电路特点——有记忆：任何一个时刻的输出，不仅与当时的输入有关，还与电路以前的状态有关6.1概述6.1.1时序逻辑电路的特点根据电路中触发器动作特点的不同分为：同步时序逻辑电路和异步时序逻辑电路。根据信号输出特点的不同分为：摩尔型(输出信号的状态仅仅取决于存储电路的状态）和弥勒型（输出信号的状态不仅取决于存储电路的状态，还取决于输入变量）。6.1.2时序逻辑电路的分类6.1.3时序逻辑电路的构成•时序逻辑电路的构成（见课本152页图6.1），其中–X(X1、X2、…Xi)表示外部输入–Q(Q1、Q2、…Qi)表示触发器的状态–Y(Y1、Y2、…Yi)表示存储电路的输入–Z(Z1、Z2、…Zi)表示组合逻辑电路的输出信号（时序逻辑电路的外部输出）•X、Q、Y、Z之间的关系–Z=F1(X，Qn）——输出方程–Y=F2(X，Qn）——驱动方程–Qn+1=F3(Y，Qn）——状态方程组合逻辑电路存储电路X｛}ZQ｛}YCP6.1.4时序逻辑电路的描述方法描述时序逻辑电路的逻辑功能的方法有：驱动方程、时钟方程（异步）、输出方程以及状态方程。但仅从这一组方程式还不能获得电路逻辑功能的完整印象，因此描述时序电路状态全部过程的方法还有：状态转换表，状态转换图和时序图。6.2时序逻辑电路的分析•时序逻辑电路分析的基本任务：根据已知的逻辑电路图，通过分析，找出电路状态Q的变化规律及外部输出Z的变化规律.•时序逻辑电路有同步和异步之分，所以时序逻辑电路的分析分为：同步电路的分析和异步电路的分析.分析时序逻辑电路的一般步骤•根据逻辑图，写出驱动方程•写出状态方程•根据逻辑图，写出输出方程•进行状态的计算，把电路的输入和现态的各种取值组合代入状态方程和输出方程中计算，求出相应的次态和输出•将状态计算的结果填入状态转换表中，分析电路的状态转化规律和外部输出的变化规律•画出状态转化图•画出时序图，从中分析电路的逻辑功能n01QMJ{{n10QMJ1K01K1例6-00(补）：试分析下图所示时序逻辑电路（2）写输出方程：本例除Q1、Q0外没有其他输出，无输出方程解：该电路为同步时序逻辑电路，时钟方程可以不写（1）写出驱动方程：1=1F1JC1KQQ=1F0JC1KQQ1Q1Q0MCP6.2.1同步时序逻辑电路实例分析（3）求状态方程（即各触发器的次态）（4）状态转换表及状态图n1n0n11n111n1Q)Q(MQKQJQn10QMJn0n1n00n001n0Q)Q(MQKQJQn0n11n0QQQ1K0n0n11n0QQQ1K1n01QMJ或：M=0时M=1时n0n11n1QQQn0n11n1QQQn1Qn0Q1n0Q1n1Q00001M00110010000110011001101001001011100Q1Q011M=0时M=1时00011010010011nn1nQKQJQ该电路是一个能自启动的可逆3进制计数器1100011010010011M=0时M=1时（5）给定时序逻辑电路的逻辑功能无效状态无效状态自启动自启动有效循环有效循环M=03进制加法计数器，能自启动M=13进制减法计数器，能自启动【课本例6.1】分析下图所示同步时序逻辑电路的逻辑功能。设初态Q3Q2Q1＝000分析:各触发器接受同一时钟脉冲，所以是一个同步时序逻辑电路。触发器时钟脉冲处有一小圆圈，故是下降沿触发；由于没有外部输入信号，所以属于莫尔型的时序逻辑电路CFF1Q2CFF2Q1CFF3RDCPQ3J1K1J2K2J3K3CFF1Q2CFF2Q1CFF3RDCPQ3J1K1J2K2J3K3解：1.各触发器在（CP信号)下降沿触发2.各触发器的驱动方程1KQJ1n31n12n12QKQJ1KQQJ3n2n13CFF1Q2CFF2Q1CFF3RDCPQ3J1K1J2K2J3K33.写出状态方程（把各触发器的驱动方程，代入JK触发器的特性方程：得到的各触发器的次态Qn+1的表达式）n3n2n1n3n3n2n1n33n331n3n2n1n2n1n22n221n2n1n3n1n1n3n11n111n1QQQQ1QQQQKQJQQQQQQKQJQQQQ1QQQKQJQnn1nQKQJQ4.（a）状态计算，列出状态转换表现态次态000001001010010011011100100000101010110010111000n3Qn2Qn1Q1n3Q1n2Q1n1Q4.（b）将状态转换表转化成另一种形式CP000010012010301141005000n3Qn2Qn1Q从上表很容易看出，每经过5个时钟之后，电路状态循环变化一次，所以这个具有对时钟信号计算的功能，显然，这是一个五进制加法计数器。5.画状态转换图表删表000001010100011111101110Q3Q2Q1分析现态次态000001001010010011011100100000101010110010111000n3Qn2Qn1Q1n3Q1n2Q1n1Q本电路的主循环（有效循环、状态循环）本电路能够自行启动（处于主循环之外的任何一种状态时，都会在时钟脉冲的作用下最终进入到主循环中去。）6.画时序图CPQ1Q2Q37.总结逻辑功能由状态转换图可知，该电路也是五进制加法计算器，而且具有自启动能力000001010100011111101110Q3Q2Q16.2.2异步时序逻辑电路的分析•异步时序逻辑电路的分析方法异步时序逻辑电路的分析步骤与同步电路的基本一致，但要注意的是：各触发器的动作时刻不一定相同，因此，分析的第一步就应该写出各触发器的时钟方程，其分析过程要比同步电路复杂•异步时序逻辑电路分析举例【例6.2】分析下图所示的异步时序逻辑电路分析：该电路中，CP2没有与输入时钟脉冲相连，是异步时序逻辑电路；而且既没有外部的输出，也没有外部输入，属莫尔型。CFF1Q2CFF2Q1CFF3RDQ3J1K1J2K2J3K3CP【例6.2】分析下图所示的异步时序逻辑电路解：1.时钟方程：CFF1Q2CFF2Q1CFF3RDQ3J1K1J2K2J3K3CP1231QCPCPCPCP【例6.2】分析下图所示的异步时序逻辑电路解：2.驱动方程：CFF1Q2CFF2Q1CFF3RDQ3J1K1J2K2J3K3CP1KQJ1n311K1J221KQQJ3n1n23【例6.2】分析下图所示的异步时序逻辑电路CFF1Q2CFF2Q1CFF3RDQ3J1K1J2K2J3K3CP3.写出状态方程（把各触发器的驱动方程，代入JK触发器的特性方程：得到的各触发器的次态Qn+1的表达式）nn1nQKQJQn3n2n1n3n3n2n1n33n331n3n2n2n2n22n221n2n1n3n1n1n3n11n111n1QQQQ1QQQQKQJQQQ1Q1QKQJQQQQ1QQQKQJQ【例6.2】4.（a）状态计算，列出状态转换表现态次态000001001010010011011100100000101010110010111000n3Qn2Qn1Q1n3Q1n2Q1n1Q注意：FF2触发器翻转时刻发生在Q1从1到0（CP2的下降沿）时刻。【例6.2】4.（b）将状态转换表转化成另一种形式CP000010012010301141005000n3Qn2Qn1Q从上表很容易看出，每经过5个时钟之后，电路状态循环变化一次，所以这个具有对时钟信号计算的功能，显然，这是一个五进制加法计数器。【例6.2】5.画状态转换图000001010100011111101110Q3Q2Q1分析本电路的主循环（有效循环、状态循环）本电路能够自行启动（处于主循环之外的任何一种状态时，都会在时钟脉冲的作用下最终进入到主循环中去。）【例6.2】6.画时序图CPQ1Q2Q3000001010100011删除状态转换图状态转换图【例6.2】7.总结逻辑功能由状态转换图可知，该电路也是五进制加法计算器，而且具有自启动能力000001010100011111101110Q3Q2Q1状态转换图删状态转换图6.4常用时序逻辑部件•6.4.1计数器•6.4.2寄存器QDQCQBQAS9(1)S9(2)R0(1)R0(2)CPBCPACP74LS906.4.1计数器（一）二进制计数器二进制数:用0和1两个数字表示,加1计数,逢2进10000+)10001+)10010第0位的1相当于十进制的1第1位的1相当于十进制的2二进制数4位二进制数:Q3Q2Q1Q0位数:3210权重:2232120284218421码相当于十进制数:8Q3+4Q2+2Q1+1Q0例:Q3Q2Q1Q0=1010B=8*1+4*0+2*1+1*0=10DB代表二进制数(Binary)D代表十进制数(Decimal)4位二进制表示的最大数为:1111B=8+4+2+1=15D=1248位二进制表示的最大数为:11111111B=D25512816位二进制表示的最大数为:D655351216二进制数所表示数的范围:4位二进制加法计数器状态转换表CPQ3Q2Q1Q0000001000120010300114010050101601107011181000要求:每来一个CP,计数器加1CPQ3Q2Q1Q091001101010111011121100131101141110151111160000所谓“计数”就是计算时钟脉冲的个数。计数器的应用十分广泛，不仅用于计数，也用作分频、定时等。计数器的种类繁多，可以从一下三个角度进行分类：按计数脉冲引入方式分类，分为：同步计数器和异步计数器。按计数器中数码的变化规律分类，分为：加法计数器、减法计算器和可逆计数器。按计数制来分，分为：二进制计数器、二-十进制（十进制）计数器，任意进制（N进制，即二进制、十进制之外的其它进制）计数器。1、同步计数器（1）同步二进制计数器（165页图6.18）要求：掌握电路的逻辑功能的分析和使用分析各触发器使用同一CP信号（下降沿触发）各触发器的驱动方程：1KJQKJQQKJQQQKJ00n011n0n122n0n1n233（1）同步二进制计数器将驱动方程代入JK触发器的特性方程，得到：n01n0n1n0n1n01n1n2n0n1n2n0n11n2n3n0n1n2n3n0n1n21n3QQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQQnn1nQKQJQ电路的输出方程为：n0n1n2n30QQQQC状态转换表现态次态进位输出C000000010000100100001000110001101000010001010010101100011001110011110000100010010100110100101010110101111000110011010110111100111011111111100000（1）同步二进制计数器电路的状态转换表/C0/0/0/0Q3Q2Q1Q00000000100100011010001010110011110001001101010111100111011111101/0/0/0/0/0/0/0/0/0/0/0/0/1同步二进制计数器电路的时序图Q0Q1Q2Q3Q0Q1Q2Q3CP12345678