典型时序逻辑电路课件.ppt

1、6.1 计数器计数器(P193)6.2 寄存器寄存器 6.3 移位寄存器型计数器移位寄存器型计数器第六章第六章 常用典型时序逻辑电路常用典型时序逻辑电路6.1.1 计数器概述计数器概述 计数器是一种用途非常广泛的时序逻辑电路，它计数器是一种用途非常广泛的时序逻辑电路，它不仅可以对时钟脉冲进行计数，还可以用在定时、不仅可以对时钟脉冲进行计数，还可以用在定时、分频、信号产生等逻辑电路中。分频、信号产生等逻辑电路中。计数器的种类很多，根据它们的不同特点，可计数器的种类很多，根据它们的不同特点，可以将计数器分成不同的类型。典型的分类方法有如以将计数器分成不同的类型。典型的分类方法有如下几种下几种:6.

2、1 计数器计数器 (1)按计数器中触发器状态的更新是否同步按计数器中触发器状态的更新是否同步可分为同步计数器和异步计数器。在同步计可分为同步计数器和异步计数器。在同步计数器中，所有要更新状态的触发器都是同时数器中，所有要更新状态的触发器都是同时动作的；在异步计数器中，并非所有要更新动作的；在异步计数器中，并非所有要更新状态的触发器都是同时动作的。状态的触发器都是同时动作的。(2)按计数进制可分为二进制计数器、十进制计按计数进制可分为二进制计数器、十进制计数器和数器和N进制计数器。进制计数器。u按照二进制数规律对时钟脉冲进行计数的电路称按照二进制数规律对时钟脉冲进行计数的电路称为二进制计数器。为

3、二进制计数器。u在计数器中，被用来计数的在计数器中，被用来计数的状态组合的个数状态组合的个数称为称为计数器的计数长度，或称为计数器的模。计数器的计数长度，或称为计数器的模。u在二进制计数器中，触发器的所有状态组合都在二进制计数器中，触发器的所有状态组合都被用来计数，因此，被用来计数，因此，n位二进制计数器的模为位二进制计数器的模为2n。u按照十进制数规律对时钟脉冲进行计数的电路按照十进制数规律对时钟脉冲进行计数的电路称为十进制计数器。在十进制计数器中，只有十称为十进制计数器。在十进制计数器中，只有十个状态组合被用来计数，十进制计数器的计数长个状态组合被用来计数，十进制计数器的计数长度为度为10

4、。u按照按照N进制数规律对时钟脉冲进行计数的电路称进制数规律对时钟脉冲进行计数的电路称为为N进制计数器。在进制计数器。在N进制计数器中，有进制计数器中，有N个状态个状态组合被用来计数，组合被用来计数，N进制计数器的计数长度为进制计数器的计数长度为N。(3)按计数过程中的增减规律可以分为加法计数器、按计数过程中的增减规律可以分为加法计数器、减法计数器和可逆计数器。下面看一个例题。减法计数器和可逆计数器。下面看一个例题。例例1：按照十进制数规律对时钟脉冲进行递增计数按照十进制数规律对时钟脉冲进行递增计数的同步电路称为同步十进制加法计数器。的同步电路称为同步十进制加法计数器。下图所示电路是由四个下降

5、沿动作的下图所示电路是由四个下降沿动作的JK触发触发器构成的同步十进制加法计数器。器构成的同步十进制加法计数器。CP0J0K0Q00QCP&1CP1J1K1Q11QCP2J2K2Q22Q&1CP3J3K3Q33QC&图图6.1 同步十进制加法计数器同步十进制加法计数器 输出方程输出方程:驱动方程驱动方程:nn30CQQ00nn3110nn2210nnnnn3321030JK1JKQ QJKQ QJKQ Q QQ Q 状态方程状态方程:nn100nn1nn3101n1nnn2102n1nnnnnn3210303QQQ(Q Q)QQ(Q Q)QQ(Q Q QQ Q)Q000000010010001

6、1010001010110011110001001Q3Q2Q1Q0/C/0/0/0/0/0/0/0/0/0/11011/11010/01111/11110/01101/11100/0 图图6.2 6.2 例例1 1状态转换图状态转换图CPQ0Q1Q2Q3C图图6.3 6.3 同步十进制加法计数器的时序图同步十进制加法计数器的时序图 例例2：异步二进制减法计数器：异步二进制减法计数器 按照二进制数规律对时钟脉冲进行递减计按照二进制数规律对时钟脉冲进行递减计数的异步电路称为异步二进制减法计数器。数的异步电路称为异步二进制减法计数器。图图6.4所示电路是由四个下降沿动作的所示电路是由四个下降沿动作的

7、JK触发器构成的四位异步二进制减法计数器。触发器构成的四位异步二进制减法计数器。CP0J0K0Q00QCP1J1K1Q11QCP2J2K2Q22QCP1CP3J3K3Q33Q&B图图6.4 6.4 四位异步二进制减法计数器四位异步二进制减法计数器 状态方程：在各个触发器下降沿到来时有状态方程：在各个触发器下降沿到来时有nn100nn111nn122nn133QQQQQQQQQ3nQ2nQ1nQ0nCP0CP1CP2CP3Q3n+1Q2n+1Q1n+1Q0n+1YQ3nQ2nQ1nQ0nCP0CP1CP2CP3Q3n+1Q2n+1Q1n+1Q0n+1Y0000000100100011010001

8、100111101010111100110111110101100010011110Q3Q2Q1Q0/B/0/0/0/0/0/0/0/0/0/0/0/0/0/0/0/1图图6.5 6.5 状态转换图状态转换图CPQ0Q1Q2Q3B图图6.6 6.6 时序图时序图6.1.2 MSI几个典型计数器几个典型计数器1、MSI 74163 7416374163是中规模集成四位同步二进制加是中规模集成四位同步二进制加法计数器，计数范围是法计数器，计数范围是015015。它具有它具有同步置数、同步清零、保持同步置数、同步清零、保持和二和二进制加法计数等逻辑功能。进制加法计数等逻辑功能。图图6.7 74163

9、 6.7 74163 符号及功能表符号及功能表 2、MSI 74160 74160是中规模集成是中规模集成8421BCD码同步码同步十进制加法计数器，计数范围是十进制加法计数器，计数范围是09。它具。它具有有同步置数同步置数、异步清零异步清零、保持和十进制加法、保持和十进制加法计数等逻辑功能。计数等逻辑功能。图图6.8 74160 6.8 74160 符号及功能表符号及功能表注意：注意：7416074160的的 是低电平有效的是低电平有效的异步清异步清零零输入端，只要该信号一为输入端，只要该信号一为0 0，它就马上将各触，它就马上将各触发器清零，而不需要等待时钟有效边沿的到来，发器清零，而不需

10、要等待时钟有效边沿的到来，也就是说，异步清零也就是说，异步清零不受时钟信号不受时钟信号CLKCLK的控制，的控制，这也就是为什么叫异步的原因！注意和同步的区这也就是为什么叫异步的原因！注意和同步的区别。别。CLR3 3、MSI 74191 74191 MSI 74191 74191是中规模集成四位同步二进制加是中规模集成四位同步二进制加/减减可逆计数器，计数范围是可逆计数器，计数范围是015015。它具有。它具有异步置数异步置数、保持、二进制加法计数和二进制减法计数等逻辑功保持、二进制加法计数和二进制减法计数等逻辑功能。能。图图6.9 74191计数器符号和功能表计数器符号和功能表 6.1.3

11、 MSI计数器应用计数器应用 用用MSIMSI计数器模块构成任意进制计数器计数器模块构成任意进制计数器 利用利用MSIMSI计数器模块的清零端和置数端，结合计数器模块的清零端和置数端，结合MSIMSI计数器模块的串接，可以构成任意进制的计计数器模块的串接，可以构成任意进制的计数器。数器。假设已有假设已有NN进制的计数器模块，要构造进制的计数器模块，要构造MM进制进制的计数器，当的计数器，当NMNM时，只用一个时，只用一个MSIMSI计数器模块计数器模块即可；当即可；当NMNM时，必须要用多个时，必须要用多个MSIMSI计数器模块计数器模块进行串接。下面分别来讨论这两种情况。进行串接。下面分别来

12、讨论这两种情况。1、已有计数器的模、已有计数器的模N大于要构造计数器的大于要构造计数器的模模M 思路：当已有计数器的模思路：当已有计数器的模N大于要构造大于要构造计数器的模计数器的模M时，要设法让计数器绕过其时，要设法让计数器绕过其中的中的N-M 个状态，提前完成计数循环，实个状态，提前完成计数循环，实现的方法有清零法和置数法。现的方法有清零法和置数法。u清零法是在计数器尚未完成计数循环之前，使其清零端清零法是在计数器尚未完成计数循环之前，使其清零端有效，让计数器提前回到全有效，让计数器提前回到全0 0状态。状态。u 置数法是在计数器计数到某个状态时，给它置入一个置数法是在计数器计数到某个状态

13、时，给它置入一个新的状态，从而绕过若干个状态。新的状态，从而绕过若干个状态。u计数器模块的清零和置数功能有计数器模块的清零和置数功能有同步和异步同步和异步两种不同的两种不同的方式，相应的转换电路也有所不同。方式，相应的转换电路也有所不同。例例3 3 用用7416374163构造十五进制加法计数器。构造十五进制加法计数器。解：解：7416374163是具有同步清零和同步置数功能的四位二进是具有同步清零和同步置数功能的四位二进制加法计数器，它的计数循环中包含制加法计数器，它的计数循环中包含1616个状态，因此又称十个状态，因此又称十六进制计数器。用六进制计数器。用7416374163构造十五进制加

14、法计数器就是要提构造十五进制加法计数器就是要提前一个状态结束计数循环，使状态前一个状态结束计数循环，使状态11101110的下一个状态改为的下一个状态改为00000000而非原来的而非原来的11111111，如下图所示。，如下图所示。0000000100100011010001100111101010111100110111110101100010011110图图6.10 166.10 16进制加法转换为进制加法转换为1515进制加法进制加法的状态转换示意图的状态转换示意图 u清零法：清零法：当状态为当状态为11101110时，要使时，要使7416374163的同步的同步清零输入端清零输入端C

15、LRCLR变为低电平变为低电平，当下一个脉冲到来，当下一个脉冲到来时，计数器被清零，回到时，计数器被清零，回到00000000状态。然后，清零状态。然后，清零输入端输入端CLRCLR变回高电平，计数器又回到计数工作变回高电平，计数器又回到计数工作模式重新开始计数。模式重新开始计数。u用清零法将用清零法将7416374163构造成十五进制加法计数器构造成十五进制加法计数器的电路连接图如图的电路连接图如图6.11(a)6.11(a)所示。所示。又如：又如：规律是？规律是？图图6.11(a)同步清零法同步清零法 (b)同步置数法同步置数法又如：又如：规律是？规律是？u如采用如采用置数法置数法，当状态

16、为，当状态为1110时，要使时，要使74163的的同步置数输入端同步置数输入端LD变为低电平，并行数据输入端变为低电平，并行数据输入端D0、D1、D2、D3都接都接0 0，当下一个脉冲到来时，计数器，当下一个脉冲到来时，计数器被置为被置为0000状态。此时，置数输入端状态。此时，置数输入端LD变回高电变回高电平，计数器又回到计数工作模式重新开始计数。平，计数器又回到计数工作模式重新开始计数。u用置数法将用置数法将74163构造成十五进制加法计数器的构造成十五进制加法计数器的电路连接图如图电路连接图如图6.11(b)6.11(b)所示。所示。例例4 4 用用7416074160构造八进制加法计数

17、器。构造八进制加法计数器。解：解：7416074160是具有是具有异步清零异步清零和和同步置数同步置数功能功能的十进制加法计数器，它的计数循环中包含的十进制加法计数器，它的计数循环中包含1010个个状态。状态。因此，用因此，用7416074160构造八进制加法计数器时，构造八进制加法计数器时，要使它跳过两个状态而结束计数循环，如图所示。要使它跳过两个状态而结束计数循环，如图所示。0000000100100011010001010110011110001001图图6.12 6.12 十进制加法转换为八进制加法的状态转换十进制加法转换为八进制加法的状态转换示意图示意图u 如用清零法，由于如用清零法

18、，由于7416074160是异步清零，即当清是异步清零，即当清零输入端零输入端 变为低电平时，计数器马上被清零，变为低电平时，计数器马上被清零，回到回到00000000状态，而无需等到下一个脉冲到来。因状态，而无需等到下一个脉冲到来。因此，应该在此，应该在10001000状态而非状态而非01110111状态时使清零输状态时使清零输入端入端 为低电平。为什么？为低电平。为什么？C L RCLRu原因在于：如果在原因在于：如果在01110111状态时清零输入端状态时清零输入端 为低电平，由于是异步清零，则为低电平，由于是异步清零，则01110111状态还没有状态还没有等到下一个时钟到来就跳到等到下

19、一个时钟到来就跳到00000000状态，它只维持状态，它只维持很短的时间，不能作为有效的计数状态，于是只能很短的时间，不能作为有效的计数状态，于是只能构成构成7 7进制计数器！进制计数器！u所以，为了构造成八进制加法计数器，应该将所以，为了构造成八进制加法计数器，应该将10001000状态变成过渡状态，电路连接图如下图所示。状态变成过渡状态，电路连接图如下图所示。CLR又如：又如：规律是？规律是？理解：理解：10001000只是作只是作为一个短暂的过渡状为一个短暂的过渡状态，没有列入计数范态，没有列入计数范围！真正计算的是围！真正计算的是0-0-7 7共共8 8个状态。个状态。6.13 6.1

20、3 异步清零法异步清零法u如果采用置数法，由于如果采用置数法，由于7416074160是同步置是同步置数，当状态为数，当状态为01110111时，就要使时，就要使7416074160的置的置数输入端数输入端 变为低电平。下图所示为用变为低电平。下图所示为用置数法将置数法将7416074160构造成八进制加法计数器构造成八进制加法计数器的电路连接图。的电路连接图。LD6.14 6.14 同步置数法同步置数法又如：又如：规律是？规律是？由上述可知：计数器模由上述可知：计数器模块的清零和置数有同步块的清零和置数有同步与异步两种不同的方式，与异步两种不同的方式，相应的转换电路也不同。相应的转换电路也不

21、同。注意理解注意理解 2 2、已有计数器的模、已有计数器的模NN小于要构造计数器的模小于要构造计数器的模MM 这部分内容自己参考有关书籍。这部分内容自己参考有关书籍。总之，总之，MSIMSI计数器模块的应用非常广泛，除了计数器模块的应用非常广泛，除了能够构成任意模计数器外，还有很多其他的用途，能够构成任意模计数器外，还有很多其他的用途，典型的有分频器、定时器、并行典型的有分频器、定时器、并行/串行数据转换电串行数据转换电路、序列信号发生器等路、序列信号发生器等。寄存器是另一种常用的时序逻辑电路，主要用寄存器是另一种常用的时序逻辑电路，主要用于于接收数据、存储数据或传送数据、数据移位接收数据、存

22、储数据或传送数据、数据移位等。等。寄存器可分为两大类寄存器可分为两大类:基本寄存器和移位寄存器。基本寄存器和移位寄存器。基本寄存器只能寄存数据，其特点是：数据并基本寄存器只能寄存数据，其特点是：数据并行输入、并行输出。行输入、并行输出。6.2 寄存器寄存器 移位寄存器不仅可以寄存数据，还可以对数据移位寄存器不仅可以寄存数据，还可以对数据进行移位，数据在移位脉冲的控制下依次逐位左移进行移位，数据在移位脉冲的控制下依次逐位左移或右移。移位寄存器有四种不同的工作方式：并行或右移。移位寄存器有四种不同的工作方式：并行输入输入/并行输出、并行输入并行输出、并行输入/串行输出、串行输入串行输出、串行输入/

23、并并行输出、串行输入行输出、串行输入/串行输出。串行输出。6.2.1 6.2.1 基本寄存器基本寄存器3QQ31DC1D3CP2QQ21DC1D21QQ11DC1D10QQ01DC1D0图图6.15 6.15 四位基本寄存器四位基本寄存器 工作原理很简单：当工作原理很简单：当CP的下降沿到来时，的下降沿到来时，加在加在D3、D2、D1、D0上的四位并行数据就被上的四位并行数据就被送入到四个触发器的送入到四个触发器的Q3、Q2、Q1、Q0输出输出端，在下一个端，在下一个CP的下降沿到来之前，这些数的下降沿到来之前，这些数据一直寄存在输出端。各个触发器的状态方据一直寄存在输出端。各个触发器的状态方

24、程如下程如下:Qn+13=D3，Qn+12=D2 Qn+1=D1,，Qn+10=D0 5.2.2 移位寄存器移位寄存器 按照数据移位的特点，移位寄存器可分为单向移按照数据移位的特点，移位寄存器可分为单向移位寄存器和双向移位寄存器。位寄存器和双向移位寄存器。单向移位寄存器只能进行单方向的数据移位，有单向移位寄存器只能进行单方向的数据移位，有右移和左移两种。右移和左移两种。双向移位寄存器在控制信号的作用下可进行向右双向移位寄存器在控制信号的作用下可进行向右和向左两个方向的数据移位。和向左两个方向的数据移位。1、单向移位寄存器、单向移位寄存器C11DQ0CPDinC11DQ1C11DQ2C11DQ3

25、Dout串行输出串行输入移位脉冲并 行 输 出 图图6.16 6.16 右移寄存器右移寄存器 下面介绍一种典型的时序电路：下面介绍一种典型的时序电路：环型计数器环型计数器和和扭扭环型计数器。环型计数器。这两种电路叫做这两种电路叫做移位寄存器型计数器移位寄存器型计数器，它是在移位寄存器的基础上，通过增加反馈构成的。它是在移位寄存器的基础上，通过增加反馈构成的。移 位 寄 存 器串 行 输 入移 位 脉 冲Q0Q1Qn 2Qn 1反 馈 电 路图图6.17 6.17 移位寄存器型计数器逻辑结构图移位寄存器型计数器逻辑结构图 C11DQ0CPC11DQ1C11DQ2C11DQ3图图6.18 6.18

26、 环型计数器环型计数器 0001001010000100001101101001110001111110101111010000111101011010图图6.19 6.19 环型计数器的状态转换图环型计数器的状态转换图 上面的状态转换图中共有六个循环，因此该上面的状态转换图中共有六个循环，因此该计数器不能自启动。那怎么办？为解决这个计数器不能自启动。那怎么办？为解决这个问题，我们先看一个例题：假定某个同步时问题，我们先看一个例题：假定某个同步时序电路经过一系列设计步骤后得到如下图所序电路经过一系列设计步骤后得到如下图所示：示：020210102121nnnnnnJQkQJQKQJQKQ，图图

27、6.20 6.20 某不可自启动电路某不可自启动电路 根据上面的激励方程，很容易求出该电路的根据上面的激励方程，很容易求出该电路的状态转换图如下：状态转换图如下：000001011111100110101010Q2Q1Q0明显，该电路不能自启动，要对电路进行修改。简明显，该电路不能自启动，要对电路进行修改。简便起见，我们只设法修改某一个触发器的反馈信号。便起见，我们只设法修改某一个触发器的反馈信号。这里，修改这里，修改Q0的激励信号。的激励信号。000001011111100110101010Q2Q1Q0Q2n+1Q1n+1Q0n+1Q2n+1Q1n+1Q0n+1010101100101010

28、010102120QQ QQ Qnnnnn102120210020210210202101202102002102QQ QQ QQ Q(QQ)Q QQ Q QQ Q QQ QQ Q Q(Q1)Q QQ Q QQ QQ QQnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnJK，于是，修改后的电路如下图所示：于是，修改后的电路如下图所示：图图6.21 6.21 修改后的某不可自启动电路修改后的某不可自启动电路 按照上面所说的思路对图按照上面所说的思路对图6.18 6.18 环型计数器环型计数器 进行修改，修改后的电路图如下图所示：进行修改，修改后的电路图如下图所示：C11DQ0CPC11DQ1C11DQ2C11DQ31图图6.22 6.22 修改的能自启动的环型计数器修改的能自启动的环型计数器0001001010000100000011001110011111110110101100111010110101011001 图图6.23 6.23 自启动环型计数器的状态转换图自启动环型计数器的状态转换图 要说明的是，修改不能够自启动的时要说明的是，修改不能够自启动的时序电路并不是一件轻松的事情，它需要序电路并不是一件轻松的事情，它需要技巧和经验。成功的修改可以让电路结技巧和经验。成功的修改可以让电路结构十分简洁！构十分简洁！扭环型计数器不讲。扭环型计数器不讲。