第14讲同步时序电路分析

第 14 讲,课时授课计划 课 程 内 容,内容： 时序电路概述 同步时序逻辑电路的分析方法目的与要求： 1.掌握时序电路的概念、电路构成与组合电路的区别、分类 2.掌握同步时序电路的分析方法（通过举例说明） 3.了解异步时序逻辑电路的分析方法重点与难点： 1. 同步时序电路的分析方法 2. 从状态方程填状态转换真值表的方法。,3. 基本概念正确掌握：时序电路、同步、异步、现态、次态驱动方程、状态方程、状态转换真值表、状态图、时序图、自启动课堂讨论： 现态和次态的时间分割点？复习（提问）： 1. 触发器的逻辑功能的表示方法有哪些？相互转换？ 2. JK 触发器和D 触发器的特性方程,时序电路的结构与类型,时序电路的一般模型结构,时序电路的输出不仅取决于电路当时的输入，还与电路过去的输入有关，也就是说时序电路的内部必然有记忆元件，用来存储（记忆）与过去输入信号有关的信息或电路过去的输出状态。,由于Y表示电路的输出信号，所以称其为电路的输出方程； W表示存储电路的输入（驱动/内部输出）信号，称其为存储电路的驱动方程，或激励方程； 而Q是存储电路的输出信号，表示了存储电路的状态（或称内部输入），因此将式称其存储电路的状态方程。,时序电路分类1.按状态发生变化的原因分同步、异步,同步时序逻辑电路结构,异步时序逻辑电路结构,同步时序逻辑电路是指存储电路状态的变化靠一个时钟脉冲同步更新，即电路在统一时钟控制下同步改变状态。在两个时钟脉冲之间，即使输入信号变化 ，电路状态也不会改变。,异步时序逻辑电路中的存储电路有的有时钟脉冲作用，有的没有时钟脉冲作用，即使有时钟脉冲作用的存储电路，其状态的更新也不是同步进行的 。输入信号将直接引起状态改变。,2.按输入信号的特性分脉冲输入、电平输入,脉冲输入和电平输入,3.按输出的特性分Mealy型、Moore型,Mealy型电路输出与现态和输入有关。,Moore型电路输出仅与现态有关。,时序电路的描述方法,次态并不是组合逻辑中的实际状况，而是状态变量将要变成的但还没有变成的电路状态。一旦完成了变化，则次态转化为新的现态，同时还要产生新的次态。,1.次态方程：次态与现态及输入的关系。2.次态真值表：次态方程的真值表形式。3.次态卡诺图：次态方程的卡诺图形式。4.状态转移表（状态表）：次态与现态及输入之间关系的表格形式。表的行数=电路的状态数；列数=输入信号组合（输入状态）数；单元格中填写相应于现态及输入的次态。,Mealy型电路状态表格式,读法： 处于状态Q的时序电路，当输入为X时，输出为Z，在时钟脉冲作用下，电路进入次态Q n+1。读表（图）次序： 现态输入输出次态,Moore型电路状态表格式,读法： 当时序电路处于状态Q时，输出为Z。若输入为X，在时钟脉冲作用下，电路进入次态Q n+1。读表（图）次序： 现态输出输入次态,5.状态图：状态表的图形表示。一个圆圈表示一个状态；状态间的连线表示转换；指向状态的箭头表示转换方向；引起转换的信号条件用逻辑表达式或输入组合标明在有向线段的旁边。,Mealy型电路状态图,Moore型电路状态图,演示1,演示2,假定下列Moore型电路的初始状态为B ，输入序列为X：11001001，其状态转移序列和输出响应序列为：,假定下列Mealy型电路的初始状态为A，输入序列为X：10100110，其状态转移序列和输出响应序列为：,时序电路分析的方法,根据给定的电路，写出其方程，列出状态转移真值表，画出状态转移图和时序图，然后分析出它的功能。,同步时序逻辑电路分析,同步时序逻辑电路中，所有触发器都由同一个时钟脉冲信号CP来触发，都对应相同的电平或边沿状态更新。所以，可以不考虑时钟条件。1.基本分析步骤 1）写方程式 （1）输出方程：时序逻辑电路的输出逻辑表达式，通常为现态的函数。 （2）驱动方程：各触发器输入端的逻辑表达式。即J=？，K=？，D=？。 （3）状态方程：将驱动方程代入相应触发器的特性方程中，便得到该触发器的次态方程。时序逻辑电路的状态方程由各触发器次态的逻辑表达式组成。,2）列状态转移真值表 将外输入信号和现态作为输入，次态和输出作为输出，列出状态转换真值表。,3）画状态转移图和时序图 状态转移图：电路由现态转换到次态的示意图。 时序图：在时钟脉冲CP作用下，各触发器状态变化的波形图。4）逻辑功能的说明 根据状态转换真值表来说明电路的逻辑功能。,例1.分析下列逻辑电路,时钟方程：,输出方程：,输出仅与电路现态有关，为摩尔型时序电路。,同步时序电路的时钟方程可省去不写。,驱动方程：,1,写方程式,2,求状态方程,JK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：,3,计算、列状态表,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 1,0 1 1,1 0 1,1 1 1,0 0 0,0 1 0,1 0 0,1 1 0,0,0,0,0,1,1,0,0,4,画状态图、时序图,状态图,5,电路功能,时序图,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，计数器又重新从000开始计数，并产生输出Y1。,例2分析下列逻辑电路,输出方程：,输出与输入有关，为密勒型时序电路。,同步时序电路，时钟方程省去。,驱动方程：,1,写方程式,2,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：,3,计算、列状态表,5,电路功能,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：0001101100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。,画状态图时序图,4,例3.分析下列逻辑电路,电路没有单独的输出，为穆尔型时序电路。,异步时序电路，时钟方程：,驱动方程：,1,写方程式,2,求状态方程,D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：,3,计算、列状态表,4,5,电路功能,由状态图可以看出，在时钟脉冲CP的作用下，电路的8个状态按递减规律循环变化，即：000111110101100011010001000电路具有递减计数功能，是一个3位二进制异步减法计数器。,画状态图、时序图,例4.试分析下图所示电路的逻辑功能，并画出状态转移图和时序图。,解：由电路可以看出，时钟脉冲CP加在每个触发器的时钟脉冲输入端上。因此是一个同步时序逻辑电路，时钟方程可以不写。 3个JK触发器的状态更新时刻都对应CP的下降沿。,1.写方程式 1）输出方程,2）驱动方程,3）状态方程。将驱动方程代入JK触发器的特性方程得：,2.状态转移真值表 由状态方程，可列出下列状态转移真值表。,3.逻辑功能说明 由状态转移真值表可以看出，在输入第6个计数脉冲CP后，返回原来的状态，同时输出端Y输出一个进位脉冲。因此是一个同步六进制计数器。,4.画状态转移图和时序图 1）根据状态转移真值表画状态转移图。,2）根据状态转移真值表画时序图（工作波形图）。,5.检查电路能否自启动 电路应有23=8个工作状态，只有6个状态被利用（称为有效状态） 。还有110和111没有被利用（称为无效状态）。 如果由于某种原因而进入无效状态，只要继续输入计数脉冲CP，电路会自动返回到有效状态工作。因此该电路能够自启动。,例5.试分析下图所示电路的逻辑功能，并画出状态转移图和时序图。,解：1.写方程式 1）输出方程 2）驱动方程 3）状态方程,2.列状态转移真值表 由于输入控制信号X可取0也可取1，因此，应分别列出2张状态转移真值表。,X=0时的状态转移真值表,X=1时的状态转移真值表,3.逻辑功能说明 在X=0时，电路为加法计数器； 在X=1时，电路为减法计数器。 因此，该电路为同步四进制加/减计数器。,4.画状态转移图和时序图 应分别画出X=0和X=1时的两个状态转移图。若用一个状态转移图时，则应在斜线上方标明输入变量X的取值。,