时序逻辑电路工作原理和方法课件.ppt
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1、时序逻辑电路时序逻辑电路工作工作原理和方法原理和方法用驱动方程、状态方程和时序图分析时序逻用驱动方程、状态方程和时序图分析时序逻 了解:了解:中规模集成移位寄存器的中规模集成移位寄存器的。掌握:掌握:辑电路的辑电路的方法方法。集成时序逻辑电路器件功能表的读法。集成时序逻辑电路器件功能表的读法。单向、双向及循环移位寄存器的逻辑功能。单向、双向及循环移位寄存器的逻辑功能。 熟悉:熟悉:移位寄存器的移位寄存器的工作原理。工作原理。本章教学基本要求本章教学基本要求常用中规模计数器的常用中规模计数器的。同步和异步二进制、十进制、同步和异步二进制、十进制、N N进制及各种可进制及各种可逆计数器的工作原理的
2、逆计数器的工作原理的分析方法分析方法。 时序逻辑电路的特点时序逻辑电路的特点任何时刻的输出不仅取决于该时刻的输任何时刻的输出不仅取决于该时刻的输入信号,而且与电路原有的状态有关。入信号,而且与电路原有的状态有关。逻辑功能特点:逻辑功能特点:电路结构特点:电路结构特点:由存储电路和组合逻辑电路组成。由存储电路和组合逻辑电路组成。时序逻辑电路的类型时序逻辑电路的类型同步同步时序逻辑电路时序逻辑电路 异步异步时序逻辑电路时序逻辑电路 所有触发器的时钟端连在一起。所有触发器的时钟端连在一起。所有触发器在同一个时钟脉冲所有触发器在同一个时钟脉冲 CP 控制下同步工作。控制下同步工作。时钟脉冲时钟脉冲 C
3、P 只触发部分触发器,其余触发器由电路内部信号触发。只触发部分触发器,其余触发器由电路内部信号触发。因此,触发器因此,触发器不在不在同一时钟作用下同步工作同一时钟作用下同步工作。5.1概概 述述时序电路的一般方框图如下:时序电路的一般方框图如下:X(x1,x2xi)代表输入信号代表输入信号Y(y1,y2yj)代表输出信号代表输出信号Z(z1,z2zk)代表存储代表存储电路的输入信号电路的输入信号Q(q1,q2ql)代表存储电路的代表存储电路的输出输出这些信号之间的关系可以用三个向量函数表示这些信号之间的关系可以用三个向量函数表示: : Y(tn) = FX(tn),Q(tn) 输出方程输出方程
4、 Q(tn+1) = GZ(tn),Q(tn) 状态方程状态方程 Z(tn) = HX(tn),Q(tn) 驱动方程驱动方程 tn n , ,tn+1n+1表示相邻的两个离散时间。表示相邻的两个离散时间。Q 称为状态向量。称为状态向量。时序电路的表示时序电路的表示一、状态转换表一、状态转换表 将任何一组输入变量及电路初态的取值代入状态方程将任何一组输入变量及电路初态的取值代入状态方程和输出方程,即可算出电路的次态和输出值。和输出方程,即可算出电路的次态和输出值。二、状态转换表二、状态转换表 以小圆圈表示电路的各个状态,圆圈中填入存储单元以小圆圈表示电路的各个状态,圆圈中填入存储单元的状态值,圆
5、圈之间用箭头表示状态转换的方向,箭头旁的状态值,圆圈之间用箭头表示状态转换的方向,箭头旁注明输入变量取值和输出值,输入和输出用斜线分开。注明输入变量取值和输出值,输入和输出用斜线分开。三、时序图三、时序图 把在时钟序列脉冲作用下存储电路的状态和输出状把在时钟序列脉冲作用下存储电路的状态和输出状态随时间变化的波形画出来,称为时序图。态随时间变化的波形画出来,称为时序图。 主要要求:主要要求: 掌握同步时序逻辑电路的分析方法掌握同步时序逻辑电路的分析方法,了解异,了解异步时序逻辑电路的分析方法。步时序逻辑电路的分析方法。理解理解时钟方程、驱动方程、输出方程、状态时钟方程、驱动方程、输出方程、状态方
6、程、状态转换真值表、状态转换图和时序方程、状态转换真值表、状态转换图和时序图等概念及求取方法。图等概念及求取方法。5.2时序逻辑电路的分析方法时序逻辑电路的分析方法 一、同步时序逻辑电路的分析方法一、同步时序逻辑电路的分析方法:基本步骤:基本步骤:1.根据给定电路写出其时钟方程、输出方根据给定电路写出其时钟方程、输出方 程、程、2.求状态方程。求状态方程。3.进行状态计算。把电路的输入和现态各种可能取值组进行状态计算。把电路的输入和现态各种可能取值组合代入状态方程和输出方程进行计算合代入状态方程和输出方程进行计算,得到相应的次态得到相应的次态和输出。和输出。4.画状态图画状态图(或时序图或时序
7、图)触发器输入信号的逻辑函数触发器输入信号的逻辑函数式式驱动方程驱动方程 YQ1Q1Q2Q21J C11K1J C11K1J C11K&Q0Q0FF0 FF1 FF2CPCPCPCPCP012nnQQY21nnnnnnQKQJQKQJQKQJ202001011212 时钟方程:输出方程:输出仅与电路现态有关,为穆尔型时序电路。同步时序电路的时钟方程可省去不写。驱动方程:1写写方方程程式式2求状态方程求状态方程JK触发器的特性方程:nnnQKQJQ1将各触发器的驱动方程代入,即得电路的状态方程:nnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnQQQQQQKQJQQQQQQQKQJQQQQQQQK
8、QJQ202020000100101011111112121222212现 态次 态输 出nnnQQQ012 101112 nnnQQQY3计算、列状态表计算、列状态表nnnnnnnnQQYQQQQQQ212100111120 0 00 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 10 0 10 1 11 0 11 1 10 0 00 1 01 0 01 1 0000011000001000101112YQQQnnn0001010101112YQQQnnn0001001101112YQQQnnn0001011101112YQQQnnn1100100101112YQQQnnn
9、1100110101112YQQQnnn0000101101112YQQQnnn0000111101112YQQQnnn4画状态图、时序图画状态图、时序图 000001011/1/0100110111/0 /0/0 /0(a) 有效循环010 101(b) 无效循环/0/1排列顺序: /Y nnnQQQ012状态图状态图CPQ0Q1Q2Y5电电路路功功能能时时序序图图有效循环的6个状态分别是05这6个十进制数字的格雷码,并且在时钟脉冲CP的作用下,这6个状态是按递增规律变化的,即:000001011111110100000所以这是一个用格雷码表示的六进制同步加法计数器。当对第6个脉冲计数时,计
10、数器又重新从000开始计数,并产生输出Y1。Q0Q0FF0 FF1CP YQ1Q11T C11T C1&=1 X“1”输出方程:输出与输入有关,为米利型时序电路。同步时序电路,时钟方程省去。驱动方程:1写写方方程程式式nnQXQXY111001TQXTnnnnnnnnnQQQTQQQXQTQ0000010111112求状态方程求状态方程T触发器的特性方程:将各触发器的驱动方程代入,即得电路的状态方程:nnQTQ13计算、列状态表计算、列状态表输入现 态次 态输出XnnQQ01 1011nnQQY000011110 00 11 01 10 00 11 01 10 11 01 10 01 10 0
11、0 11 011110011nnnnnnQXYQQQQXQ1001011100100000011YQQnn100011100011YQQnn110101010011YQQnn110010110011YQQnn001101001011YQQnn001010101011YQQnn111100011011YQQnn111011111011YQQnn4 00 01 11 10 0/1 1/0 1/1 0/10/1 0/01/1 0/1CPXQ0Q1Y(a) 状态图(b) 时序图5电电路路功功能能由状态图可以看出,当输入X 0时,在时钟脉冲CP的作用下,电路的4个状态按递增规律循环变化,即:000110
12、1100当X1时,在时钟脉冲CP的作用下,电路的4个状态按递减规律循环变化,即:0011100100可见,该电路既具有递增计数功能,又具有递减计数功能,是一个2位二进制同步可逆计数器。画状态图画状态图时序图时序图例例: 分析图示逻辑电路的逻辑功能分析图示逻辑电路的逻辑功能,说明其用途说明其用途.设初始状态为设初始状态为“0000”。JJJKKKDR清零清零计数脉冲计数脉冲Q2Q1Q0QQQQQQF0F1F2解:解:分析:分析: 从各触发器的从各触发器的C端连接来看,这是一个端连接来看,这是一个异步工作方式的计数器。其中,异步工作方式的计数器。其中,F0 和和 F2的的C与计数脉冲相连,与计数脉
13、冲相连,F1 的时钟端的时钟端C = Q0 ,即即F1只有在只有在Q0的状态从的状态从1变为变为0时才能翻转。时才能翻转。(1)各)各J、K端的逻辑式端的逻辑式10K111 KJ012QQJ12K( Q0每从每从1变为变为0时,时, 翻转一次)翻转一次)Q120QJ (2)列表)列表注意到注意到F1只有在只有在Q0的状态从的状态从1变为变为0时才能翻转时才能翻转C012345K2111111J1111111J2000100K1111111J0111101K0111111Q2 Q1 Q00 0 00 0 10 1 00 1 11 0 00 0 0这是一个五进制的异步加法计数器。这是一个五进制的异
14、步加法计数器。时序图如下时序图如下CQ0Q1Q21 2 3 4 5试分析图示时序逻辑电路的逻辑功能,列出状态转换表,并画出状态转换图。解:图示电路为1个异步摩尔型时序逻辑电路。写时钟方程:写驱动方程:写状态方程: CPCP00QCPCP031QCP12111132132213100KQQJKJKQJKJ下降沿动作)(下降沿动作)(下降沿动作)(下降沿动作)(QQQQQQQQQQQQCPQQ0n3211n31n21n20n131n10n01n0列状态转换表: 状态转换图 异步十进制加法计数器状态转换图 说明: 自启动是指若计数器由于某种原因进入无效状态后,在连续时钟脉冲作用下,能自动从无效状态进
15、入到有效计数状态。 计数器的作用与分类计数器的作用与分类 计数器计数器( (Counter) )用于计算输入脉冲个数,用于计算输入脉冲个数,还常用于分频、定时及进行数字运算等。还常用于分频、定时及进行数字运算等。 计数器分类如下:计数器分类如下: 按时钟控制方式不同分按时钟控制方式不同分 异步计数器异步计数器 同步计数器同步计数器 同步计数器比异步计数器的速度快得多。同步计数器比异步计数器的速度快得多。5.3异步异步计数器计数器按计数器功能分按计数器功能分加法计数器加法计数器 减法计数器减法计数器 加加 / / 减计数器减计数器( (又称可逆计数器又称可逆计数器) ) 对计数脉冲作对计数脉冲作
16、递增计数的电路。递增计数的电路。 对计数脉冲作对计数脉冲作递减计数的电路。递减计数的电路。 在加在加 / / 减控制信减控制信号作用下,可递增也号作用下,可递增也可递减计数的电路。可递减计数的电路。 按计数进制分按计数进制分按 二 进 制按 二 进 制数运算规律进数运算规律进行计数的电路行计数的电路 按 十 进 制按 十 进 制数运算规律进数运算规律进行计数的电路行计数的电路 二进制计数器二进制计数器 十进制计数器十进制计数器 任意进制计数器任意进制计数器( (又称又称 N 进制计数器进制计数器) )二 进 制二 进 制和十进制以和十进制以外的计数器外的计数器 计数顺序 电路状态等效十进制数Q
17、2 Q1 Q0012345678 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 0 0012345670一、异步二进制加法计数器一、异步二进制加法计数器三位二进制加法计数器状态表三位二进制加法计数器状态表异步计数器的分析方法异步计数器的分析方法FF01J1KRC1Q0Q1Q2Q3FF11J1KRC1FF21J1KRC1FF31J1KRC11 1CPRD1. 电路构成与工作原理电路构成与工作原理FF01J1KRC1Q0Q1Q2Q3FF11J1KRC1FF21J1KRC1FF31J1KRC11 1CPRD1 11J1K1J1K1J1K1J1KC
18、1CPC1Q0C1Q1C1Q2 JK 触发器构成的异步二进制加法计数器触发器构成的异步二进制加法计数器 输入第输入第“1”个计数脉冲时,计数器输出为个计数脉冲时,计数器输出为0001”;输入第输入第“2”个个计数脉冲时,计数器输出为计数脉冲时,计数器输出为“0010”。输入第输入第“15”个脉冲时,输出个脉冲时,输出“1111”,当输入第,当输入第“16”个个脉冲时,输出返回初态脉冲时,输出返回初态“0000”,且,且 Q3 端输出进端输出进位信号下降沿。因此,该电路构成位信号下降沿。因此,该电路构成 4 位二进制加法计数位二进制加法计数器。器。00010010CPQ3Q0Q1Q20000来一
19、个来一个 CP 翻转一次翻转一次 来一个来一个 Q0 翻转一次翻转一次 来一个来一个 Q1 翻转一次翻转一次 来一个来一个 Q2 翻转一次翻转一次 11110000依次输入脉冲时,计数状态按依次输入脉冲时,计数状态按 4 位二进制数递增规律变化。位二进制数递增规律变化。 工作原理工作原理 下面总结一下用不同种类触下面总结一下用不同种类触发器构成异步二进制计数器的方发器构成异步二进制计数器的方法。法。2. 异步二进制计数器的构成方法异步二进制计数器的构成方法CPi = Qi - - 1CPi = Qi - - 1减法计数减法计数 CPi = Qi - - 1CPi = Qi - - 1加法计数加
20、法计数 下降沿触发式下降沿触发式 上升沿触发式上升沿触发式 计数触发器的触发信号接法计数触发器的触发信号接法计数规律计数规律 将触发器接成计数触发器,然后级联,将计数脉冲将触发器接成计数触发器,然后级联,将计数脉冲CP 从最低位时钟端输入,其他各位时钟端接法如下表:从最低位时钟端输入,其他各位时钟端接法如下表:计数器为什么能用作分频器?计数器为什么能用作分频器?怎么用?怎么用?CPQff210 CPQff411 CPQff812 CPQff1613 模模 M 计数器也是一个计数器也是一个 M 分频器,分频器, M 分频分频器的输出信号即为计数器最高位的输出信号。器的输出信号即为计数器最高位的输
21、出信号。CPQ3Q0Q1Q24 位二进制加法计数器位二进制加法计数器工作波形工作波形 3. 计数器用作分频器计数器用作分频器“000 1”不够减,需向相邻高位借不够减,需向相邻高位借“1”,借借“1”后作运算后作运算“1000 1 = 111”。Q0Q1Q2计计 数数 状状 态态计数顺序计数顺序000810070106110500141013011211110000Q0Q1Q2计计 数数 状状 态态计数顺序计数顺序000810070106110500141013011211110000Q0Q1Q2计计 数数 状状 态态计数顺序计数顺序000810070106110500141013011211
22、110000三位二进制减法计数器状态表三位二进制减法计数器状态表二、异步二进制减法计数器二、异步二进制减法计数器下降沿动作的下降沿动作的T触发器构成的异步二进制减法计数器触发器构成的异步二进制减法计数器上降沿动作的上降沿动作的T触发器构成的异步二进制减法计数器触发器构成的异步二进制减法计数器上升沿动作的二进制减法的时序图上升沿动作的二进制减法的时序图 异步十进制计数器与异步二进制计数器异步十进制计数器与异步二进制计数器的计数规律有何不同?的计数规律有何不同? 它们的构成方法有何不同?它们的构成方法有何不同?1. 十进制计数器与十进制计数器与 4 位二进制计数器的比较位二进制计数器的比较8421
23、BCD 码十进制计数器的设计思想:码十进制计数器的设计思想:在在 4 位二进制计数器基础上引入反馈,强迫位二进制计数器基础上引入反馈,强迫电路在计至状态电路在计至状态 1001 后就能返回初始状态后就能返回初始状态 0000,从而利用状态从而利用状态 0000 1001 实现十进制计数。实现十进制计数。 三、三、 异步十进制计数器异步十进制计数器 四四位位二二进进制制加加法法计计数数器器态态序序表表 00001611111501111410111300111211011101011010019000181110701106101050010411003010021000100000Q0Q1Q2
24、Q3计计 数数 器器 状状 态态计数计数顺序顺序十十进进制制计计数数器器态态序序表表 00001010019000181110701106101050010411003010021000100000Q0Q1Q2Q3计计 数数 器器 状状 态态计数计数顺序顺序十进制计数器与十进制计数器与4 位二进制计数器比较位二进制计数器比较 只利用了只利用了 4 位二进制位二进制加法计数器的前十个状态加法计数器的前十个状态 0000 1001。8421 码十进制加法计数器码十进制加法计数器计数规律计数规律Q0Q1Q2Q3计计 数数 器器 状状 态态计数顺序计数顺序10019000181110701106101
25、050010411003010021000100001000000异步十进制加法计数器逻辑图异步十进制加法计数器逻辑图十进制加法计数器时序图十进制加法计数器时序图异步十进制加法计数器状态转换图异步十进制加法计数器状态转换图计数的最大数目称为计数器的计数的最大数目称为计数器的“模模”,用,用 M 表示。表示。模也称为计数长度或计数容量。模也称为计数长度或计数容量。 N 进制进制计数器计数器计数规计数规律举例律举例具有具有 5 个独个独立的状态,计满立的状态,计满 5 个计数脉冲后,个计数脉冲后,电路状态自动进电路状态自动进入循环。故为入循环。故为五五进制计数器。进制计数器。 五进制计数器五进制计
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