《数字电子技术 》课件第5章 (3).ppt
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1、第5章 时序逻辑电路5.1 时序电路的基本概念5.2 基于触发器时序电路的分析5.3 基于触发器时序电路的设计5.4 集成计数器5.5 寄存器 5.6 基于MSI时序逻辑电路的分析5.7 基于MSI时序逻辑电路的设计第第5 5章章 时序逻辑电路时序逻辑电路第5章 时序逻辑电路5.1.1 时序电路的特点时序电路的特点时序逻辑电路是指:在任何时刻,逻辑电路的输出状态不仅取决于该时刻电路的输入状态,而且与电路原来的状态有关。简而言之,电路的输出状态与时间顺序有关,因此称为时序逻辑电路。时序逻辑电路具有“记忆”性,意指必需具有“记忆”功能的器件来记住电路过去的状态,并与输入信号一起共同决定电路的输出。
2、时序逻辑电路的一般结构框图如图5-1所示。5.1 5.1 时序电路的基本概念时序电路的基本概念第5章 时序逻辑电路图5-1 时序逻辑电路框图第5章 时序逻辑电路5.1.2 时序电路的分类时序电路的分类根据存储电路中触发器状态变化的特点,可以将时序电路分为两大类:同步时序电路和异步时序电路。在同步时序电路中,所有触发器的时钟都接在统一时钟信号上,它们的状态在时钟脉冲到达时同时发生变化;而在异步时序电路中,至少一个触发器的时钟没有接在统一时钟信号上,触发器状态变化由各自的时钟脉冲信号决定。第5章 时序逻辑电路时序逻辑电路中的存储电路部分是必不可少的,而组合电路部分则随具体电路而定。许多实际的时序电
3、路或者没有组合电路或者没有外部输入信号,但它们仍具有时序逻辑电路的基本特征。若时序逻辑电路的输出信号仅取决于存储电路的状态,则称其为Moore型电路,若输出不仅取决于存储电路的状态,还取决于输入变量的状态,则称其为ealy型电路。第5章 时序逻辑电路5.1.3 时序电路的状态转换表、状态转换图和时序图时序电路的状态转换表、状态转换图和时序图1.状态转换表状态转换表状态转换表是用表格的形式反映时序逻辑电路现态及输入同输出及次态的关系。状态转换表与真值表基本相同,它的行数等于该电路的状态数,列数等于输入信号组合(输入状态)数。行和列的首部表示相应的输入和现态。把一组输入变量和现态代入状态方程和输出
4、方程,就可以得到时序电路的次态和输出,把次态作为新的初态和这时的输出一起代入方程又可得到一组新的次态和输出值,如此反复进行并把它们填入状态转换表中即可得到完整的状态转换表。表5-1和表5-2分别表示出了某个特定的Mealy型和Moore型时序逻辑电路的状态转换表。第5章 时序逻辑电路表表5-1 Mealy型状态转换表型状态转换表第5章 时序逻辑电路表表5-2 Moore型状态转换表型状态转换表第5章 时序逻辑电路2.状态转换图状态转换图状态转换图是状态转换表的图形表示方式。状态转换图中的节点表示状态,连接节点的线段表示状态之间的转换,转换方向用指向达到状态的箭头来表示。引起状态转换的信号条件用
5、逻辑表达式或输入组合来标明,将它们放在线的上面或下面。图5-2(a)和(b)分别表示出了表5-1、表5-2所示的Mealy型电路和Moore型电路的状态转换图。对Mealy型电路,箭头旁注明当前状态的输入变量X和输出变量Z的值,常以X/Z的形式表示。对Moore型电路,输出变量Z的值只与现态有关,应以Sn/Z的形式放在小圆圈内。但有时也不作特别区分,也以X/Z的形式来表示。第5章 时序逻辑电路图5-2 状态图(a)Mealy型状态图;(b)Moore型状态图第5章 时序逻辑电路3.时序图时序图时序图就是反映时序电路的输入信号、时钟信号、输出信号及电路的状态转换等在时间上的对应关系的工作波形图。
6、第5章 时序逻辑电路5.2.1 分析方法分析方法分析一个基于触发器的时序电路,是根据给定的逻辑电路图,在输入及时钟作用下,找出电路的状态及输出的变化规律,从而了解其逻辑功能。图5-3是分析基于触发器时序电路的流程图。5.2 5.2 基于触发器时序电路的分析基于触发器时序电路的分析第5章 时序逻辑电路图5-3 时序电路分析流程图第5章 时序逻辑电路1.写出三个向量方程写出三个向量方程1)写出驱动方程及时钟方程根据逻辑电路图,先写出各触发器的驱动方程。触发器的驱动方程是触发器输入端的逻辑函数,例如J触发器的J和K,D触发器的D等。由于异步时序电路的存储电路结构与同步时序电路不同,因此异步时序电路需
7、要另外写时钟方程,分析方法也稍微复杂一些。第5章 时序逻辑电路2)求输出方程输出方程表达了电路的外部输出与触发器现态及外部输入之间的逻辑关系。需要特别注意的是输出Z与触发器的现态n有关,而不是与次态n+1有关。3)求状态方程将1)中得到的驱动方程代入触发器的特性方程中,得出每个触发器的状态方程。状态方程实际上是依据触发器的不同连接,具体化了的触发器的特性方程,它反映了触发器次态与现态及外部输入之间的逻辑关系。第5章 时序逻辑电路2.列出状态转换表,画出状态转换图列出状态转换表,画出状态转换图1)状态转换表 2)画出状态转换图 3)时序图第5章 时序逻辑电路3.说明逻辑功能说明逻辑功能根据状态转
8、换真值表或状态转换图,通过分析,即可获得电路的逻辑功能。第5章 时序逻辑电路5.2.2 同步时序电路的分析同步时序电路的分析【例例5.1】分析如图5-4所示时序电路的逻辑功能。图5-4 例5.1逻辑电路图第5章 时序逻辑电路解解 这个电路的组合电路部分是两个与门,存储电路部分是三个T触发器,Z为外部输出,三个触发器由同一时钟CP控制,显然是同步时序电路,分析步骤如下:(1)写出三个向量方程。驱动方程:T0=1T1=Q0T2=Q1Q0 输出方程:Z=Qn2Qn1Qn0 第5章 时序逻辑电路 求状态方程。将驱动方程带入T触发器的特性方程可得状态方程为nnQTQ1nnnnnnnnnnnnnnnnnn
9、nnnnnQQQQQQQQQQQTQQQQQQQQTQQQTQ12020122102212010110111100010)(第5章 时序逻辑电路(2)列出状态转换表、画出状态转换图。状态转换表。在本例的状态转换表中,输入变量为Qn2Qn1Qn0,输出变量为。次态卡诺图如图5-5(a)所示。完整的状态转换真值表见表5-3。ZQQQnnn101112第5章 时序逻辑电路图5-5 例的次态卡诺图、状态转换图、波形图(a)次态卡诺图;(b)状态转换图;(c)波形图101112nnnQQQ第5章 时序逻辑电路表表5-3 例例5.1的状态转换表的状态转换表第5章 时序逻辑电路 状态转换图。由状态转换真值表
10、可以画出状态转换图如图5-5(b)所示。本例中,三个触发器共有八个状态000,001,111。本例是Moore型电路,按说输出Z应该画在状态框内,这里采用了Mealy型电路的画法。但由于没有外部输入,所以X/Z斜线上方没有注字。时序波形图。画出时序波形图如图5-5(c)所示。第5章 时序逻辑电路(3)说明电路的逻辑功能。随着时钟信号的作用,状态转换的次序为二进制数递增规律,当输入八个时钟脉冲时,恢复到初态000,循环周期为8。该电路为同步八进制加法计数器。Z可以作为进位信号。下面总结一下这类计数器的特点。通过分析表5-4可知,最低位触发器是来一个时钟脉冲翻转一次;除最低位外,其余触发器只有在其
11、所有低位触发器输出都为1时,才能接收计数脉冲而动作。本例中T0=1、T1=Q0、T2=Q1Q0,依次类推,若由n个T触发器组成这样的计数器,第i位T触发器的控制信号Ti的驱动方程为Ti=Qi1Q2Q1Q0第5章 时序逻辑电路表表5-4 例例5.1的态序表的态序表第5章 时序逻辑电路5.2.3 异步时序电路的分析异步时序电路的分析【例例5.2】图5-6为一异步时序电路逻辑图,试分析该电路的逻辑功能。第5章 时序逻辑电路图5-6 例5.2逻辑电路图第5章 时序逻辑电路解解 (1)写方程式。写出触发器驱动方程和时钟方程 将驱动方程代入特性方程得状态方程CPCP,1,CP,1CPCP,1,220110
12、1110020KQQJQKJKQJ)CP()CP()CP(221211110210010nnnnnnnnnQQQQQQQQQ第5章 时序逻辑电路(2)根据状态方程列出状态转换真值表。表表5-5 例例5.2的全状态转换表的全状态转换表第5章 时序逻辑电路(3)画出状态转换图以及波形图如图5-7所示,从状态转换图可知,该电路是一个异步五进制加法器。第5章 时序逻辑电路图5-7 例5.2图(a)状态转换图;(b)工作波形图第5章 时序逻辑电路5.3.1 设计步骤设计步骤时序电路的设计是分析的逆过程。要根据给出的具体逻辑问题,求出完成这一功能的逻辑电路。图5-8是基于触发器时序电路设计的流程图。5.3
13、 5.3 基于触发器时序电路的设计基于触发器时序电路的设计第5章 时序逻辑电路图5-8 时序电路设计流程图第5章 时序逻辑电路1.画状态转换图画状态转换图2.选择触发器,并进行状态分配选择触发器,并进行状态分配(1)选触发器类型和数量。每个触发器有两个状态0和1,n个触发器能表示2n个状态。如果用N表示该电路的状态数,则有2n1N的情况,用一片74LS293,再加反馈逻辑即可构成。(1)写出N进制计数器Sn状态的二进制编码:N=10,Sn=1010 (2)求反馈逻辑:(3)画逻辑图,如图5-24(a)所示。1310201QQQRRF第5章 时序逻辑电路图5-24 74LS293构成十进制计数器
14、(a)逻辑电路图;(b)波形图第5章 时序逻辑电路【例例5.7】用74LS290构成六进制计数器,画出状态循环图。解解 74LS290为二-五-十进制计数器,实现六进制计数器,首先按功能表,将其转为十进制(CP0=CP,CP1=Q0),因MN,仅用一片74LS290即可实现,具体步骤如下:(1)N=6,Sn=0110;(2)(3)画逻辑图如图5-25(a)所示,状态图如图5-25(b)所示。;121)2(0)1(0QQQRRF第5章 时序逻辑电路图5-25 74LS290构成六进制计数器(a)逻辑图;(b)状态图第5章 时序逻辑电路【例例5.8】用74LS290构成60分频电路。解解 数字电路
15、中,分频电路与计数电路的区别仅仅在于其输出形式不同,计数电路将所有Q状态作为一组代码输出,而分频电路一般仅有一个输出端(由某一Q端输出或若干Q端的组合),作为与CP成某种特定关系的脉冲序列。因此,本例可按60进制计数器设计,而仅由最高位Q端输出。因为单片74LS290所能实现的最大计数模数M=10,要构成N=60进制计数器,MNM*N=100,故需2片74LS290。而且Sn状态只能用8421BCD码,而不能用二进制码。第5章 时序逻辑电路(1)N=60,Sn=01100000;(2)(3)画逻辑图如图5-26所示。;561)2(0)1(0QQQRRF第5章 时序逻辑电路图5-26 74LS2
16、90构成60分频电路第5章 时序逻辑电路2)反馈置数法反馈置数法仅适用于具有置数输入的集成计数器,也有同步置数与异步置数之分。对于具有异步置数输入的集成计数器而言,在计数过程中,不管计数器处于何种状态,只要在其置数输入端加入置数控制信号,计数器立即将由数据输入(D3D2D1D0)决定的状态(记为S0)置于计数器中,置数控制信号随之消失,计数器由S0开始重新计数。置数控制信号将由计数器的输出得到。第5章 时序逻辑电路【例例5.9】试用74LS193设计十进制加法计数器,设计数器的起始状态为0011。解解 (1)求Sn状态的二进制编码Sn=S0+NB=0011+1010=1101 (2)求反馈逻辑
17、为(3)画逻辑图如图5-27所示。0231QQQQLD第5章 时序逻辑电路图5-27 例5.9图第5章 时序逻辑电路2.控制端同步操作控制端同步操作【例例5.10】用74LS161和74LS163分别设计一个十进制加法计数器,要求初始状态为0000。解解 74LS161为四位二进制加法计数器,设计中宜采用二进制编码。由题设可知,欲求计数器的初态S0=0。具体设计步骤如下:(1)写出N进制计数器Sn1状态的二进制编码为Sn1=S0+N1BCD=0000+1001=1001(2)求反馈逻辑 03QQLD 第5章 时序逻辑电路(3)画逻辑图。除了按照反馈逻辑和S0状态进行必要的连接外,还要按74LS
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