《数字电子技术 》课件第4章 (8).ppt
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1、第4章时序逻辑电路 第第4章时序逻辑电路章时序逻辑电路 4.1概述概述 4.2时序电路的分析方法时序电路的分析方法 4.3同步计数器同步计数器 4.4异步计数器异步计数器 4.5寄存器寄存器 4.6技能训练技能训练 本章小结本章小结 习题习题 第4章时序逻辑电路 4.1 概概 述述所谓时序电路,指电路在任意时刻的输出信号不仅取决于该时刻的输入信号,而且取决于电路原来的状态。时序电路一般由组合逻辑电路和存储电路组成,其中存储电路由触发器组成。时序电路的一般结构框图如图4.1所示。第4章时序逻辑电路 图4.1 时序电路结构框图第4章时序逻辑电路 图中,X1Xi为时序电路输入信号,Z1Zj为时序电路
2、输出信号,W1Wm为存储电路现时输入信号,QQn为存储电路现时输出信号,它们之间的关系可以用以下三个方程来表示:驱动方程 W(tn)=HX(tn),Qn(t)状态方程 Qn+1(t)=GW(tn),Qn(t)输出方程 Z(tn)=FX(tn),Qn(t)式中,tn表示离散时间;Qn(t)表示存储电路的输出现态;Qn+1(t)表示存储电路的输出次态。以上三个方程全面地描述了时序电路的逻辑功能。第4章时序逻辑电路 根据电路状态转换情况的不同,时序电路分为同步时序电路和异步时序电路两大类。在同步时序电路中,所有触发器共用一个CP脉冲,在同一个CP脉冲作用下,各个触发器根据自身的输入状态和原态在同一时
3、刻状态发生翻转;异步时序电路各触发器不是共用一个CP脉冲,各个触发器的状态不在同一时刻发生翻转,而是有先有后。第4章时序逻辑电路 4.2 时序电路的分析方法时序电路的分析方法时序电路的分析就是根据给定的条件,找出电路状态和输出变量在输入变量和时钟作用下的变化规律,确定电路所实现的逻辑功能。时序电路分析步骤如下:(1)分析逻辑电路图,写出相关方程式。根据给定的逻辑电路图,写出电路中各个触发器的时钟方程、驱动方程和输出方程。时钟方程:时序电路中各个触发器CP脉冲的逻辑关系。第4章时序逻辑电路 驱动方程:时序电路中各个触发器的输入信号之间的逻辑关系。输出方程:时序电路的输出Z=f(A,Q),若无输出
4、时此方程可省略。(2)求各个触发器的状态方程。将时钟方程和驱动方程代入相应触发器的特征方程式中,求出触发器的状态方程。(3)进行对应状态分析。列状态表:将电路输入信号和触发器现态的所有取值组合代入相应的状态方程,求得相应触发器的次态,得状态表。第4章时序逻辑电路 画状态图(反映时序电路状态转换规律及相应输入、输出信号取值情况的几何图形)。画时序图(反映输入、输出信号及各触发器状态的取值在时间上对应关系的波形图)。(4)归纳上述分析结果,确定时序电路的功能。第4章时序逻辑电路【例例4.1】时序逻辑电路如图42所示,试分析电路的逻辑功能。解解(1)该电路是一个由3个JK触发器组成的同步时序电路,无
5、外输入信号,输出信号为Z,其中,时钟方程:CP0=CP1=CP2=CP 第4章时序逻辑电路 图4.2 例4.1的时序逻辑电路图第4章时序逻辑电路 驱动方程:K0=1 K2=1 输出方程:02nJQ110nJKQ210nnJQ Q210nnnZQ Q Q第4章时序逻辑电路 (2)求状态方程。将驱动方程代入JK触发器的特性方程 ,得状态方程:1nnnQJQK Q1020nnnQQQ11101010nnnnnnnQQQQQQQ11220nnnnQQ Q Q第4章时序逻辑电路 (3)进行对应状态分析。列状态表:将输入信号和现态的各种取值组合代入状态方程,得状态表如表4.1所示。画状态图。根据表4.1所
6、示的状态表,画出状态图,如图4.3所示。画时序图。根据输入、输出及触发器状态取值,画出时序图,如图4.4所示。第4章时序逻辑电路 表4.1 状 态 表 第4章时序逻辑电路 图4.3 例4.1的状态图第4章时序逻辑电路 图4.4 例4.1的时序图第4章时序逻辑电路(4)归纳上述分析结果,确定时序电路的功能。由电路结构可知,所有触发器在同一个CP脉冲的作用下,状态在同一时刻翻转,再由图4.3所示状态图可知:随着CP脉冲的递增,触发器输出Q2Q1Q0的变化将进入一个循环过程,而且此循环过程中包括五个状态,且为递增变化。Q2Q1Q0每变化一个循环过程,Z=1出现一次,故Z可视为进位输出信号。综上所述,
7、此电路为带进位输出的同步五进制递增计数器电路,并且具有自启动功能。第4章时序逻辑电路 4.3 同同 步步 计计 数数 器器计数器是实际应用最为广泛的时序逻辑电路之一,它不仅能用来对脉冲个数进行计数,还可以实现计时、定时、分频和自动控制等功能。计数器按照CP脉冲的输入方式可分为同步计数器和异步计数器。按照计数规律可分为加法计数器、减法计数器和可逆计数器。按照计数的进制可分为二进制计数器(N=2n)和非二进制计数器(N2n)等。第4章时序逻辑电路 4.3.1 同步二进制计数器同步二进制计数器图4.5所示为一3位同步二进制计数器。第4章时序逻辑电路 图4.5 3位同步二进制计数器电路第4章时序逻辑电
8、路 由图可知,该电路的时钟方程:CP0=CP1=CP2=CP 驱动方程:110nJKQ2210nnJKQ Q001JK第4章时序逻辑电路 状态方程:3位同步二进制计数器状态表如表4.2所示。状态图如图4.6所示。时序图如图4.7所示。00nnQQ()CP 111010nnnnnQQ QQ Q()CP 12210210nnnnnnnQQ Q QQ Q Q()CP 第4章时序逻辑电路 表4.2 3位同步二进制计数器状态表 第4章时序逻辑电路 图4.6 状态图第4章时序逻辑电路 图4.7 时序图第4章时序逻辑电路 4.3.2 同步十进制计数器同步十进制计数器在日常生活中,人们更习惯于十进制计数,所以
9、在数字电路中还常采用二-十进制计数器。图4.8所示为一个由4个JK触发器组成的同步十进制加法计数器。Z为进位输出端。第4章时序逻辑电路 图4.8 同步十进制加法计数器第4章时序逻辑电路 由电路可知,时钟方程为 驱动方程:输出方程:001JK130nnJQ Q10nKQ2210nnJKQ Q0123CPCPCPCPCP3210nnnJQ Q Q30nJQ30nnZQ Q第4章时序逻辑电路 状态方程:状态表如表4.3所示。1000000nnnnQJ QK QQ11111131010nnnnnnnnQJ QK QQ Q QQ Q()CP 122222210()nnnnnnQJ QK QQQ Q()C
10、P 133333210330nnnnnnnnnQJ QK QQ Q Q QQ Q()CP()CP 第4章时序逻辑电路 表4.3 同步十进制加法计数器状态表 第4章时序逻辑电路 第4章时序逻辑电路 状态图、时序图分别如图4.9及图4.10所示。第4章时序逻辑电路 图4.9 同步十进制加法计数器状态图 第4章时序逻辑电路 图4.10 同步十进制加法计数器时序图 第4章时序逻辑电路 4.3.3 通用中规模集成同步计数器通用中规模集成同步计数器在实际应用中,一般不需要使用触发器去设计计数器,而是选用TTL或COM集成计数器,它们的使用十分简单,应用非常广泛。74LS16074LS163是一组同步4位二
11、进制加法集成计数器,其逻辑功能如表4.4所示,管脚排列如图4.11所示。第4章时序逻辑电路 表4.4 74LS16074LS163逻辑功能表 第4章时序逻辑电路 图4.11 74LS16074LS163管脚的排列 第4章时序逻辑电路 清零端:当 端为低电平时,不管CP脉冲的状态如何,输出Q3Q2Q1Q0全为零,这种清零方式称为异步清零(又称复位)。当端为低电平时,在CP脉冲上升沿作用下,输出Q3Q2Q1Q0全为零,这种清零方式称为同步清零。预置数:当 端为高电平,端为低电平时,在CP脉冲上升沿作用下,Q3Q2Q1Q0=D3D2D1D0,实现同步预置数功能。CRCRCRLD第4章时序逻辑电路 计
12、数控制:当=1,并且CTPCTT=0时,输出Q3Q2Q1Q0保持不变。当=CTP=CTT=1,并且CP=CP时,计数器才开始加法计数。下面以74LS161为例介绍同步计数器的应用。74LS161为4位二进制集成同步计数器。它具有异步清零、同步置数和同步加法计数的功能。可采用不同的方法构成任意(N)进制计数器,其逻辑功能表见表4.5。CRLDCRLD第4章时序逻辑电路 表4.5 74LS161逻辑功能表 第4章时序逻辑电路 1.直接清零法直接清零法 直接清零法是利用集成芯片的复位端和与非门,将N所对应的输出的二进制代码中等于1的输出端通过与非门反馈到集成芯片的复位端,使输出回零。例如,用74LS
13、161芯片构成六进制计数器,令CTP=CTT=1,因为N=6,其对应的二进制代码为0110,将输出端Q2和Q1通过与非门接至74LS161的复位端端即可,电路图及状态图如图4.12所示。CRLD第4章时序逻辑电路 图4.12 直接清零法构成的六进制计数器(a)电路图;(b)状态图第4章时序逻辑电路 2.预置数法预置数法预置数法利用的是芯片的预置控制端和预置输入端D3D2D1D0,因为是同步预置数端,所以只能采用N1值反馈法,即要组成一个N进制计数器,只需将N1时所对应的输出的二进制代码中等于1的输出端通过与非门反馈到集成芯片的预置控制端,再令预置输入端D3D2D1D0=0000即可。LDLD第
14、4章时序逻辑电路 例如,利用74LS161构成一个十进制计数器。先令CTP=CTT=1,再令预置输入端D3D2D1D0=0000(即预置数“0”),以此为初态进行计数,由于N1=9,而9对应的二进制代码为1001,将输出端Q3、Q0通过与非门接至74LS161的复位端即可,电路图及状态图如图4.13所示。CRLD第4章时序逻辑电路 图4.13 预置数法构成的十进制计数器(a)电路图;(b)状态图第4章时序逻辑电路 3.进位输出置最小数法进位输出置最小数法 进位输出置最小数法是利用芯片的预置控制端 和进位输出端CO,将CO端输出经非门送到 端,令预置输入端D3D2D1D0为输入最小数M所对应的二
15、进制数,其中最小数M=24N。例如,利用74LS161构成一个十二进制计数器N=12,对应的最小数M=2412=4,对应的二进制数为0100,相应的预置输入端D3D2D1D0=0100,并且令=CTP=CTT=1,电路图及状态图如图4.14所示。CRLDLD第4章时序逻辑电路 图4.14 进位输出置最小数法构成的十二进制计数器(a)电路图;(b)状态图第4章时序逻辑电路 4.级联法级联法一片74LS161只能构成从二到十六进制之间任意进制的计数器。若要构成N16的计数器,则可以利用多片74LS161进行级联组成。两片74LS161级联可构成从二进制到二百五十六进制之间任意进制的计数器。当采用两
16、块或更多的74LS161集成计数器进行级联时,需将低位芯片的进位输出端CO端和高位芯片的计数控制端CTT或CTP直接连接,外部计数脉冲同时从每片芯片的CP端输入,再根据要求选取上述三种实现任意进制的方法之一,完成对应电路。第4章时序逻辑电路 例如,用直接清零法构成三十六进制计数器,因为N=36,16N10)任意进制计数器 利用n片74LS290级联可以构成0N10n的任意进制计数器。例如用74LS290芯片构成三十六进制计数器,N=36,由于101N102,所以需要两个74LS290级联。先将每个74LS290连接成8421码十进制计数器,再将低位芯片输出端Q3和高位芯片输入端CP0相连,然后
17、采用直接清零法实现即可。三十六进制计数器电路如图4.24所示。第4章时序逻辑电路 图4.24 三十六进制计数器第4章时序逻辑电路 4.5 寄寄 存存 器器在数字系统中,常常需要将一些数码、运算结果或指令存放起来,以便随时调用,这种能够存储这些数码、运算结果或指令的逻辑部件称为寄存器。一个触发器可以存放1位二进制数码,n个触发器可以存放n位二进制数码。寄存器按其功能分为数码寄存器和移位寄存器。第4章时序逻辑电路 4.5.1 数码寄存器数码寄存器数码寄存器又称数据缓冲储存器或数据锁存器,其功能是接受、存储、输出和清理原数据,电路主要由触发器和控制门组成。数码寄存器按其接受数码的方式又分为双拍式和单
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