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1 第六章时序逻辑电路 6. 概述 本章目录 6. 时序逻辑电路的分析方法 6. 若干常用的时序逻辑电路 6.4 时序逻辑电路的设计方法 6.5 用可编程逻辑器件实现同步时序逻辑电路 6.6 时序逻辑电路中的竞争 - 冒险现象 第六章时序逻辑电路 6. 概述 一 时序逻辑电路的特点 逻辑功能特点 : 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 电路结构特点 : 例 : 串行加法器 两个多位数从低位到高位逐位相加 通常包含组合电路和存储电路两个部分 存储电路是必不可少的 存储电路的输出状态必须反馈到组合电路的输入端 与输入信号共同决定组合逻辑电路的输出 第六章时序逻辑电路

2 7-8-4 第六章时序逻辑电路 二 时序逻辑电路的一般结构与功能描述方法 时序逻辑电路的结构框图 l k j i z z z Z y y y Y x x x L L L L 存储电路的输出信号 : ; 存储电路的输入信号 : ; ; 输出变量 : 输入变量 : 6. 概述 第六章时序逻辑电路 4 时序逻辑电路的功能描述 可用三个方程组来描述 ] [ F Y x x x f y x x x f y l i j j l i 输出方程 L L M L L ] [ G Z x x x g z x x x g z l i k k l i 驱动方程 L L M L L ] [ Z H z z z h z z z h l i l l l i 状态方程 L L M L L 6. 概述

3 6. 概述 三 时序逻辑电路的分类 根据存储电路的动作特点分类 : 同步时序电路 : 所有触发器状态的变化都是在同一时钟信号控制下同时发生的 异步时序电路 : 触发器状态的变化不是同时发生的 根据输出信号特点分类 : 米利 Mealy 型电路 : 输出信号不仅取决于存储电路的状态 还取决于输入变量 穆尔 Moore 型电路 : 输出信号仅取决于存储电路的状态 注 : 时序电路工作时是在电路的有限个状态间按一定规律转换的 所以又将时序电路称为状态机 第六章时序逻辑电路 5 6. 时序逻辑电路的分析方法 6.. 同步时序逻辑电路的分析方法 分析 : 找出给定时序电路的逻辑功能 分析同步时序逻辑电路的一般步骤 : 从给定的逻辑图中写出每个触发器的驱动方程 ; 将驱动方程代入相应触发器的特性方程 得到状态方程 ; 根据逻辑图写出电路的输出方程 第六章时序逻辑电路 6

4 6. 时序逻辑电路的分析方法 例 6.. 分析图示时序逻辑电路的逻辑功能 写出它的驱动方程 状态方程和输出方程 FF FF 和 FF 是三个主从结构的 TTL 触发器 下降沿动作 输入端悬空时和逻辑 等效 第六章时序逻辑电路 7 6. 时序逻辑电路的分析方法. 写出驱动方程 : J K J K J K. 写出输出方程 :Y. 代入 JK触发器的特性方程 J K 得状态方程 : 第六章时序逻辑电路 8

5 7-8-4 第六章时序逻辑电路 时序逻辑电路的状态转换表 状态转换图 状态机流程图和时序图 状态转换表 将任何一组输入及电路初态代入状态方程和输出方程 算出电路的次态和现态下的输出 ; 以次态作为新的初态 和这时的输入再代入状态方程和输出方程 又得到新的次态和输出 ; 继续上述过程 直至状态出现循环 ; 4 将全部计算结果列成真值表 逻辑方程组转换为状态转换表的步骤 : 6. 时序逻辑电路的分析方法反映时序逻辑电路的输出 次态和输入 现态间对应取值关系的表格称为状态转换表 第六章时序逻辑电路 Y 状态转换表例 6.. 试列出例 6.. 电路的状态转换表 状态方程 : 输出方程 :Y Y CLK 状态转换表的另一种形式 6. 时序逻辑电路的分析方法

6 6. 时序逻辑电路的分析方法 二 状态转换图反映时序逻辑电路状态转换关系及相应输入 输出取值的几何图形称为状态转换图 例 6.. 的状态转换图 每个圆圈表示电路的一个状态 ; 箭头表示状态转换的方向 ; 箭头旁注明状态转换前的输入变量取值和输出值 三 状态机流程图 第六章时序逻辑电路 6. 时序逻辑电路的分析方法 四 时序图在输入信号和时钟脉冲序列作用下 电路状态 输出状态随时间变化的波形图称为时序图 例 6.. 的时序图 第六章时序逻辑电路

7 6. 时序逻辑电路的分析方法 例 6.. 分析图示时序逻辑电路的逻辑功能 写出它的驱动方程 状态方程和输出方程 画出电路的状态转换图和时序图 解 : D 驱动方程 : D A D 状态方程 : D A 输出方程 : Y A A A A 第六章时序逻辑电路 6. 时序逻辑电路的分析方法 4 状态转换表 A Y / / / / 6 时序图 / / / / 5 状态转换图 第六章时序逻辑电路 4

8 7-8-4 第六章时序逻辑电路 异步时序逻辑电路的分析方法 电路中的触发器没有统一的时钟信号 触发器状态的变化不是同时发生的 例 6..4 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 6. 时序逻辑电路的分析方法 第六章时序逻辑电路 6 K J K J K J K J 解 : clk clk clk clk C 驱动方程 : 状态方程 : 输出方程 : 6. 时序逻辑电路的分析方法

9 7-8-4 第六章时序逻辑电路 7 clk clk clk clk 状态方程 : C 输出方程 : clk clk clk clk 输出 C 时钟信号触发器状态 clk 的顺序状态转换表 6. 时序逻辑电路的分析方法 第六章时序逻辑电路 8 状态转换图逻辑功能 : 异步十进制加法计数器电路 6. 时序逻辑电路的分析方法

10 6. 若干常用的时序逻辑电路 6.. 移位寄存器移位寄存器 : 具有储存代码和移位的功能 移位 : 指寄存器里存储的代码能在移位脉冲的作用下依次左移或右移 应用 : 寄存代码 数据的串 - 并转换 数值运算 数据处理等 用 D 触发器构成的移位寄存器 第六章时序逻辑电路 9 6. 若干常用的时序逻辑电路 移位寄存器中代码的移动情况 CLK 的顺序 输入 D I 第六章时序逻辑电路

11 6. 若干常用的时序逻辑电路 用 JK 触发器构成的移位寄存器 第六章时序逻辑电路 6. 若干常用的时序逻辑电路 双向移位寄存器 74HC94A 的逻辑图 第六章时序逻辑电路

12 6. 若干常用的时序逻辑电路 S S S S D 双向移位寄存器 74HC94A 的功能表 CL K R D R' D S S 工作状态置零保持右移左移并行输入 第六章时序逻辑电路 6. 若干常用的时序逻辑电路 用两片 74LS94A 接成 8 位双向移位寄存器 第六章时序逻辑电路 4

13 6. 若干常用的时序逻辑电路 例 : 试分析图示电路的逻辑功能 并指出在图示时钟信号及 S S 状态作用下 t 4 时刻以后输出 Y 与两组并行输入的二进制数 M N 在数值上的关系 假定 M N 的状态始终未变 Y M 8 N 第六章时序逻辑电路 5 6. 若干常用的时序逻辑电路 6.. 计数器 计数器 : 对时钟脉冲进行计数的逻辑电路 应用 : 计数 分频 定时 产生节拍脉冲和脉冲序列 数字运算等 分类 : 按触发器是否同时翻转 : 同步计数器 异步计数器 按计数过程中数字增减 : 加法计数器 减法计数器和可逆计数器 按计数器中的数字编码 : 二进制计数器 二 十进制计数器和格雷码计数器等 按计数容量分类 : 十进制计数器 六十进制计时器等 第六章时序逻辑电路 6

14 6. 若干常用的时序逻辑电路 同步二进制加法计数器 同步二进制计数器 同步二进制减法计数器 同步二进制加 / 减计数器同步计数器 同步十进制加法计数器 同步十进制计数器 同步十进制减法计数器 同步十进制加 / 减计数器计数器 异步二进制加法计数器 异步二进制计数器 异步计数器 异步二进制减法计数器 异步十进制计数器 M < N 任意进制计数器的构成方法 M > N 环形计数器移位寄存器型计数器 扭环形计数器 第六章时序逻辑电路 7 6. 若干常用的时序逻辑电路 一 同步计数器 同步二进制计数器 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 在一个多位二进制数末位加 若第 i 位以下皆为 时 则第 i 位应改变状态 而最低位的状态在每次加 时都要改变 同步计数器通常用 T 触发器构成 结构形式有两种 控制输入端 T 和控制时钟信号 控制输入端 T: T T i i j i L n... i i j 第六章时序逻辑电路 8

15 7-8-4 第六章时序逻辑电路 9 用 T 触发器构成的同步二进制加法计数器驱动方程 : T T T T 状态方程 : 输出方程 : C 6. 若干常用的时序逻辑电路 第六章时序逻辑电路 电路状态转换图及时序图 6. 若干常用的时序逻辑电路

16 6. 若干常用的时序逻辑电路 实例 :4 位同步二进制计数器 746 CLK 746 的功能表 R' D LD' EP ET 工作状态 置 预置数 保持 保持 C 计数 第六章时序逻辑电路 6. 若干常用的时序逻辑电路 4 位同步二进制计数器的另一种结构形式 控制时钟信号 clk i T CLK CLK i j i j T T T clk clk clk clk CLK CLK CLK CLK i... i L n 第六章时序逻辑电路

17 6. 若干常用的时序逻辑电路 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 在一个多位二进制数末位减 若第 i 位以下皆为 时 则第 i 位应改变状态 而最低位的状态在每次减 时都要改变 结构形式有两种 : 控制输入端 T 和控制时钟信号 控制输入端 T: T... Ti i i j 控制时钟信号 : T clki CLK j i j i L n i j i L n 第六章时序逻辑电路 6. 若干常用的时序逻辑电路 用 T 触发器构成的同步二进制减法计数器结构形式 : 控制输入端 T 驱动方程 : T T T T 输出方程 : B 第六章时序逻辑电路 4

18 6. 若干常用的时序逻辑电路 同步加 / 减计数器 单时钟结构 由加 / 减控制线的高低电平决定加 / 减 实例 :74LS9 功能表 CLK I S' LD' U'/D 工作状态 保持 预置数 加法计数 减法计数 第六章时序逻辑电路 5 6. 若干常用的时序逻辑电路 实例 :74LS9 功能表 CLK I S' LD' U'/D 工作状态 保持 预置数 加法计数 减法计数 计数状态 : T T U D U D T U D U D T U D U D 结构形式 : 控制输入端 T 第六章时序逻辑电路 6

19 6. 若干常用的时序逻辑电路 同步加 / 减计数器 双时钟结构加 / 减法计数脉冲来自两个不同的时钟信号结构形式 : 控制时钟信号实例 :74LS9 T clk clk clk clk CLK U CLK U CLK CLK U CLK U CLK CLK D D D CLK D 第六章时序逻辑电路 7 6. 若干常用的时序逻辑电路 同步十进制计数器 加法计数器基本原理 : 在四位二进制加法计数器基础上修改 当计到 时 则下一个 CLK 电路状态回到 T T T T T T T T C 第六章时序逻辑电路 8

20 6. 若干常用的时序逻辑电路 状态方程 : 状态转换图 输出方程 : C 第六章时序逻辑电路 9 6. 若干常用的时序逻辑电路 实例 : 同步十进制加法计数器 的功能表 CLK R' D LD' EP ET 工作状态 置 预置数 保持 保持 C 计数 第六章时序逻辑电路 4

21 7-8-4 第六章时序逻辑电路 4 减法计数器基本原理 : 在四位二进制减法计数器基础上修改 当计到 时减 后变为 B T T T T T T T T 6. 若干常用的时序逻辑电路 第六章时序逻辑电路 4 状态方程 : 输出方程 : 状态转换图 B 6. 若干常用的时序逻辑电路

22 6. 若干常用的时序逻辑电路 十进制可逆计数器基本原理一致 电路只用到 ~ 十个状态 实例 : 单时钟 :74LS9 74LS68 CC45 双时钟 :74LS9 CC 第六章时序逻辑电路 4 6. 若干常用的时序逻辑电路 二 异步计数器 异步二进制计数器 异步二进制加法计数器在末位 时 采取从低位到高位逐位进位的方式工作 各触发器不是同时翻转的 原理 : 每 位从 变 时 向高位发出进位信号 使高位翻转 第六章时序逻辑电路 44

23 6. 若干常用的时序逻辑电路 异步二进制减法计数器 在末位 时 采取从低位到高位逐位借位的方式工作 各触发器不是同时翻转的 原理 : 每 位从 变 时 向高位发出借位信号 使高位翻转 第六章时序逻辑电路 若干常用的时序逻辑电路 异步十进制计数器 异步十进制加法计数器原理 : 在 4 位异步二进制加法计数器上修改而成 要跳过 ~ 这 6 个状态 第六章时序逻辑电路 46

24 6. 若干常用的时序逻辑电路 实例 : 二 - 五 - 十进制异步计数器 74LS 第六章时序逻辑电路 若干常用的时序逻辑电路 三 任意进制计数器的构成方法 常用的方法 : 用已有的 N 进制计数器 构成 M 进制计数器 N 进制 M M < > N N M 进制 M<N: 只需一片 N 进制计数器 ; M>N: 必须用多片 N 进制计数器组合 第六章时序逻辑电路 48

25 6. 若干常用的时序逻辑电路 M<N 的情况原理 : 计数循环过程中设法跳过 N-M 个状态 方法 : 置零法 复位法 : 适用于有置零输入端的计数器 ; 置数法 置位法 : 适用于有预置数功能的计数器 异步置零法 同步置零法 异步预置数法 同步预置数法 第六章时序逻辑电路 若干常用的时序逻辑电路 例 6.. 将十进制计数器的 746 接成六进制计数器 746 的功能表与框图 CLK R' D LD' EP ET 工作状态 置 预置数 保持 方法 : : 异步置零法 保持 C 计数 第六章时序逻辑电路 5

26 6. 若干常用的时序逻辑电路 用置零法将 746 接成六进制计数器 电路的改进 第六章时序逻辑电路 5 6. 若干常用的时序逻辑电路 例 6.. 将十进制计数器的 746 接成六进制计数器 746 的功能表 方法 : : 置数法 CLK R' D LD' EP ET 工作状态 置 预置数 保持 保持 C 计数 第六章时序逻辑电路 5

27 6. 若干常用的时序逻辑电路 置入 置入 第六章时序逻辑电路 5 6. 若干常用的时序逻辑电路 M>N 的情况 必须用多片 N 进制计数器组合 各片间的连接方式 : 串行进位方式 并行进位方式 整体置零方式和整体置数方式 M 可分解为两个小于等于 N 的因数相乘 即 MN N 先用前面的方法分别接成 N 和 N 两个计数器 N 和 N 间的连接有两种方式 : 串行进位方式 : 低位片的进位输出信号作为高位片的 CLK 两片始终处于计数工作状态 ; 并行进位方式 : 低位片的进位输出信号作为高位片的工作状态控制信号 两片用同一个 CLK 第六章时序逻辑电路 54

28 6. 若干常用的时序逻辑电路 例 6.. 试用两片同步十进制计数器 746 接成百进制计数器 并行进位法 串行进位法 第六章时序逻辑电路 若干常用的时序逻辑电路 M 不可分解采取整体置零法和整体置数法 原理 : 首先将两片 N 进制计数器接成 N N > M 进制计数器 再将 N N 进制计数器按置零法和置数法构成 M 进制计数器 此方法适合任何 M 进制 可分解和不可分解 计数器的构成 第六章时序逻辑电路 56

29 6. 若干常用的时序逻辑电路 例 6..4 试用两片同步十进制计数器 746 接成二十九制计数器 异步整体置零 同步整体置数 第六章时序逻辑电路 若干常用的时序逻辑电路 四 移位寄存器型计数器 移位寄存器型计数器的一般结构形式 反馈电路的表达式 : D F L 状态转移的规律 : i n i D i L n F L 第六章时序逻辑电路 58 n

30 7-8-4 第六章时序逻辑电路 59 环形计数器 6. 若干常用的时序逻辑电路 第六章时序逻辑电路 6 能自启动的环形计数器电路 D D D D 状态方程 : 状态转换图 : 6. 若干常用的时序逻辑电路

31 6. 若干常用的时序逻辑电路 扭环形计数器 约翰逊计数器 第六章时序逻辑电路 6 6. 若干常用的时序逻辑电路 能自启动的扭环形计数器电路 状态转换图 : 第六章时序逻辑电路 6

32 6. 若干常用的时序逻辑电路 6.. 顺序脉冲发生器产生一组在时间上有一定先后顺序的脉冲信号 用于控制 例 : 计数器 译码器 顺序脉冲发生器 第六章时序逻辑电路 6 6. 若干常用的时序逻辑电路 6..4 序列信号发生器产生一组特定的串行数字信号 用于传输和测试 例 : 计数器 数据选择器 序列信号发生器 产生的序列 : CLK A A A Y' D ' D ' D ' D ' D 4 ' D 5 ' D 6 ' D 7 ' D ' 第六章时序逻辑电路 64

33 6.4 时序逻辑电路的设计方法 6.4. 同步时序逻辑电路的设计方法设计最简标准 : 选用小规模集成电路设计 最简标准是所用触发器和门电路最少 且触发器和门电路输入端数目也最少 选用中 大规模集成电路设计 最简标准是所用芯片数目最少 种类最少 且互相间的连线也最少 设计的一般步骤 : 一 逻辑抽象 得出状态转换图或状态转换表 确定输入 / 输出变量 电路状态数 定义输入 / 输出逻辑状态和每个电路状态的含义 并对电路状态进行编号 按设计要求画出状态转换图或列出状态转换表 第六章时序逻辑电路 时序逻辑电路的设计方法 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 状态编码 确定触发器数目 n 若电路状态数为 M 取 n < M 给每个状态指定一个代码 通常编码方案和排列顺序都遵循一定的规律 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 第六章时序逻辑电路 66 n

34 6.4 时序逻辑电路的设计方法 同步时序逻辑电路的设计过程框图 例 : 设计一个串行数据检测器 当检测到输入信号出现 时输出为 其他情况下输出为 第六章时序逻辑电路 时序逻辑电路的设计方法 例 6.4. 试设计一个带有进位输出端的十三进制计数器 解 : 确定输入输出变量 : 电路没有输入变量 设进位输出信号为 C 有进位输出为 C 无进位输出时 C 画出状态转换图 : 根据题意 M 其状态转换图如图所示 S S S S S4 S S5 S S6 S / / / / / / / / / / / S9 / S8 / S 第六章时序逻辑电路 68

35 6.4 时序逻辑电路的设计方法 列出状态转换表 : 由于 M 故应取 n4 选自然二进制数的 ~ 作为十三个状态的编码 其状态表为 第六章时序逻辑电路 时序逻辑电路的设计方法 4 求出电路的状态方程 输出方程和驱动方程 : 根据状态转换表画出次态与输出的卡诺图 / C 第六章时序逻辑电路 7

36 6.4 时序逻辑电路的设计方法 卡诺图分解 / C C 第六章时序逻辑电路 7 C 6.4 时序逻辑电路的设计方法 电路的状态方程和输出方程为 若选用 JK 触发器 其特性方程为 C J K 把状态方程化为 JK 触发器特性方程的标准形式 即 第六章时序逻辑电路 7

37 7-8-4 第六章时序逻辑电路 7 求出各触发器的驱动方程为 K J K J K J K J C 输出方程为画出同步十三进制计数器的逻辑图 6.4 时序逻辑电路的设计方法 第六章时序逻辑电路 74 5 最后 检查电路能否自启动? 可以自启动 完整状态转换图 6.4 时序逻辑电路的设计方法

38 6.4 时序逻辑电路的设计方法 例 6.4. 设计一个自动售饮料机的逻辑电路 它的投币口每次只能投入一枚五角或一元的硬币 投入一元五角钱硬币后机器自动给出一杯饮料 ; 投入两元 两枚一元 硬币后 在给出饮料的同时找回一枚五角的硬币 解 : 取投币信号为输入变量 A 和 B: 投入一枚一元硬币用 A 表示 否则 A; 投入一枚五角硬币用 B 表示 否则 B; 输出为 Y 和 Z: 给出饮料用 Y 表示 否则 Y; 找回一枚五角硬币用 Z 表示 否则 Z 设 S 为未投币前电路的初始状态 S 为投入五角硬币后的状态 S 为投入一元硬币 包括一枚一元硬币和两枚五角硬币 后的状态 第六章时序逻辑电路 时序逻辑电路的设计方法 6.4. 时序逻辑电路的自启动设计 能否在设计过程中考虑自启动的问题 并且在发现不能自启动时采取措施解决呢? 例 设计一个七进制计数器 要求它能够自启动 已知该计数器的状态转换图及状态编码如图所示 第六章时序逻辑电路 76

39 6.4 时序逻辑电路的设计方法 解 : 由所给的状态转换图画出电路的次态卡诺图 将次态卡诺图分解为三个卡诺图 第六章时序逻辑电路 时序逻辑电路的设计方法 则状态方程为 将 的次态指定为 第六章时序逻辑电路 78

40 7-8-4 第六章时序逻辑电路 79 K J K J K J 驱动方程为 : 若由 JK 触发器实现 其特性方程为 K J 由于进位信号由 状态译出 故输出方程为 : C 6.4 时序逻辑电路的设计方法 第六章时序逻辑电路 8 实现的电路如图所示完整状态转换图若存在多个无效状态 如何保证电路能够自启动? 6.4 时序逻辑电路的设计方法

41 6.4 时序逻辑电路的设计方法 复杂时序逻辑电路的设计 例 设计一个自动售火柴机的逻辑电路 每次可投入一枚 分 分或 5 分的硬币 累计投入超过 8 分以后 输出一小盒火柴 同时找回多于 8 分的钱 第六章时序逻辑电路 时序逻辑电路的设计方法 第六章时序逻辑电路 8

42 6.5 用可编程逻辑器件实现同步时序逻辑电路 6.5. 可以实现时序逻辑电路的可编程逻辑器件 时序逻辑型 PLA 可编程的与阵列 可编程的或阵列 寄存器 输出缓冲器 第六章时序逻辑电路 时序逻辑电路中的竞争 冒险现象 竞争 冒险现象包括两方面 : 组合逻辑电路可能发生的竞争 冒险现象 ; 触发器工作过程中可能发生的竞争 冒险现象 当触发器的输入信号和时钟信号在状态变化时配合不当 有可能导致触发器误动作 这种现象称为触发器的竞争 冒险现象 触发器的竞争 冒险现象主要存在于异步时序电路中 第六章时序逻辑电路 84

43 6.6 时序逻辑电路中的竞争 冒险现象 异步时序逻辑电路 : 例 八进制异步计数器电路 G 和 G 用作延迟环节 第六章时序逻辑电路 时序逻辑电路中的竞争 冒险现象 同步时序逻辑电路 : 例 移位寄存器中的时钟偏移现象 第六章时序逻辑电路 86

44 6.6 时序逻辑电路中的竞争 冒险现象 防止移位寄存器中错移的方法 a 接入反相器作延迟环节 ; b 接入延迟电容 第六章时序逻辑电路 87

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