1、第6章 时序逻辑电路,学习要点: 时序逻辑电路的工作原理、分析方法和 设计方法 计数器、寄存器等中规模集成电路的工 作原理和使用方法,6.1 概述,6.2 时序逻辑电路的分析方法,6.3 若干常用的时序逻辑电路,6.4 时序逻辑电路的设计方法,第6章 时序逻辑电路,6.1 时序逻辑电路概述,一、时序电路的特点,时序逻辑电路在任何时刻的稳定输出,不仅与该时刻的输入信号有关,而且还与电路原来的状态(以前的输入)有关,简称时序电路。,执行ai、bi和ci-1三个数的相加运算;,存储每次相加后的进位结果。,时序电路在电路结构上的特点:,通常包含组合电路和存储电路两部分,存储电路必不可少;,存储电路的输出状态必须反馈到组合电路的输入端,与输入信号一起共同决定组合逻辑电路的输出。,全加器:,由触发器构成的存储电路:,二、时序电路逻辑功能的表示方法,时序电路的逻辑功能可用逻辑函数式、状态表、卡诺图、状态转换图、时序图(波形图)和逻辑图6种方式表示,这些表示方法在本质上是相同的,可以互相转换。,X(x1,x2,xi ) 输入信号,Y(y1,y2,yj ) 输出信号,Z(z1,z2,zk ) 存储电路的
2、输入信号,Q(q1,q2,ql ) 存储电路的输出信号,二、时序电路逻辑功能的表示方法,逻辑函数式:,输 出 方 程,状态 方 程,三、时序电路的分类,异步逻辑电路通常工作速度较慢,电路结构简单。,1、根据时钟分类(触发器的动作特点),同步时序电路中,电路中所有触发器的时钟端是连在一起的,存储电路的状态转换是在同一时刻同步进行的。,同步逻辑电路通常工作速度较快,电路相对复杂。,异步时序电路中,电路中各个触发器的时钟端不是相连的,可能各不相同,也可能某一局部相同,存储状态的转换是在不同时刻异步进行的。,穆尔型时序电路的其输出仅决定于电路的现态,与电路当前的输入无关;或者根本就不存在独立设置的输出,而以电路的状态直接作为输出。,2、根据输出信号的特点分类,米利型时序电路的输出不仅与现态有关,而且还决定于电路当前的输入。,电路图,时钟方程、驱动方程和输出方程,状态方程,状态图、状态表或时序图,判断电路逻辑功能,6.2.2 时序逻辑电路的分析方法,时序电路的分析步骤:,计算,要找出给定时序电路的逻辑功能。即要找出电路的状态和输出的状态在输入变量和时钟信号作用下的变化规律。,例1,时钟方程:,输
3、出方程:,输出仅与电路现态有关,为穆尔型时序电路。,可省去不写。,驱动方程:,1,写方程式,同步时序电路分析,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(组):,同步时序电路分析,3,计算、列状态表,用于描述时序电路状态转换全部过程的方法有状态转换表(状态转换真值表)、状态转换图和时序图等。,若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,可算出电路的次态和现态下的输出值;以得到的次态作为新的初态,和这时的输入变量取值一起再代入状态方程和输出方程进行计算,又得到一组新的次态和输出值。如此计算,把全部的计算结果列成真值表的形式,就得到状态转换表。,同步时序电路分析,0 0 0,0 0 1,0 1 0,1 0 0,1 0 1,1 1 0,1 1 1,0 0 1,0 1 1,1 0 1,0 0 0,0 1 0,1 0 0,1 1 0,0,0,0,1,1,0,0,0 1 1,1 1 1,0,3,计算、列状态表,0,1,1,5,0,4,3,2,同步时序电路分析,同步时序电路分析,/0,/0,/0,/0,/0,/1,4,画状态图、时序图,状态转
4、换图,/0,/1,(a) 有效循环,(b) 无效循环,同步时序电路分析,时序图,在时钟脉冲序列作用下,电路状态、输出状态随时间变化的波形图称作时序图。,同步时序电路分析,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CLK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。,同步时序电路分析,例2,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,写方程式,同步时序电路分析,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:,同步时序电路分析,3,计算、列状态表,同步时序电路分析,4,5,电路功能,由状态图可以看出,当输入X 0时,在时钟脉冲CLK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CLK的作用下,电路的4个状态按递减规律循环变化,即: 0011100100
5、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,同步时序电路分析,TTL电路,例3:,同步时序电路分析,4、状态转换表,同步时序电路分析,5、状态转换图,6、时序图,CLK,同步时序电路分析,例4:,同步时序电路分析,(5)状态转换图,(4)列状态转换表,同步时序电路分析,异步时序电路分析,(1) 时钟方程,例1:,(2) 驱动方程,(3) 输出方程,异步时序电路分析,当时钟脉冲 跳变沿 到来时,方程成立 无时钟,保持原态,(4) 特性方程,例1:,(5) 状态方程,(6) 状态转换表,计数脉冲 CLK,0,1,0,0,1,1,1,0,2,0,1,0,1,1,1,3,0,1,1,1,1,0,4,1,0,0,1,1,1,5,0,0,0,1,1,0,模5异步加 法计数器,异步时序电路分析,“1”表示有时钟跳变沿 “0”表示无时钟跳变沿,例1:,进位输出 C,0,0,0,0,0,1,触发器状态,时钟信号,(7) 时序图,电路为一模5异步计数器,(8) 逻辑功能:,设初态 为:,000,异步时序电路分析,例1:,异步时序电路分析,(1) 时
6、钟方程,例2:,(2) 驱动方程,(3) 输出方程,异步时序电路分析,当时钟脉冲 跳变沿 到来时,方程成立 无时钟,保持原态,(4) 特性方程,例2:,(5) 状态方程,进位输出 C,模10异步加 法计数器,异步时序电路分析,例2:,计数脉冲 clk0,0,1,0,0,1,0,1,0,2,0,1,0,1,1,1,3,0,1,1,0,1,0,4,1,0,0,1,1,1,5,1,0,1,0,1,0,0,0,0,0,0,0,触发器状态,时钟信号,(6) 状态转换表,6,1,1,0,0,1,1,7,1,1,1,0,1,0,8,0,0,0,1,1,1,9,0,0,1,0,1,0,10,0,0,0,0,1,1,0,0,0,0,1,0,0,0,0,0,0,0,1,0,0,0,0,1,1,0,1,0,1,0,1,(7) 状态转换图,电路为一模10异步计数器,(8) 逻辑功能:,异步时序电路分析,例2:,1110,1111,0000,0001,0010,0011,1011,1010,0100,0101,1000,0111,0110,0101,1101,1100,6.3.1 寄存器和移位寄存器,6.3.2
7、 计数器,6.3 若干常用的时序逻辑电路,在数字电路中,用来存放一组二进制数据或代码的电路称为寄存器。,需用n个触发器来构成。,十分灵活,用,6.3.1 寄存器和移位寄存器,寄存器是由具有存储功能的触发器组合起来构成的。,一个触发器可以存储1位二进制代码,,存放一组n位二进,制代码的寄存器,,按照功能的不同,可将寄存器分为基本寄存器和移位寄存器两大类。,基本寄存器只能并行送入数据,,需要,时也只能并行输出。,移位寄存器中的数据可以在移位脉,冲作用下依次逐位右移或左移,,数据既可以并行输入、,并行输出,,也可以串行输入、串行输出,,还可以并行输,入、串行输出,,串行输入、并行输出,,途也很广。,一、 基本寄存器,1、单拍工作方式基本寄存器,无论寄存器中原来的内容是什么,只要送数控制时钟脉冲CLK上升沿到来,加在并行数据输入端的数据D0D3,就立即被送入寄存器中,即有:,2、双拍工作方式基本寄存器,(1)清零。CR=0,异步清零。即有:,(2)送数。CR=1时,CLK上升沿送数。即有:,(3)保持。在CR=1、CLK上升沿以外时间,寄存器内容将保持不变。,74HC175的逻辑图,74LS7
8、5的逻辑图,二、 移位寄存器,1、单向移位寄存器,并行输出,4位右移 移位寄存器,时钟方程:,驱动方程:,状态方程:,用JK触发器构成的移位寄存器,并行输出,4位左移 移位寄存器,时钟方程:,驱动方程:,状态方程:,单向移位寄存器具有以下主要特点:,(3)若串行输入端状态为0,则n个CLK脉冲后, 寄存器便被清零。,(2)n位单向移位寄存器可以寄存n位二进制代 码。n个CLK脉冲即可完成串行输入工作,此后可 从Q0Qn-1端获得并行的n位二进制数码,再用n 个CLK脉冲又可实现串行输出操作。,(1)单向移位寄存器中的数码,在CLK脉冲操作 下,可以依次右移或左移。,4位双向移位寄存器74LS194A的逻辑图,工作模式选择,2、双向移位寄存器,0,0,Q1,Q1,Q1,Q1,保持,4位双向移位寄存器74LS194A的逻辑图,工作模式选择,1,1,D1,D1,D1,D1,并行输入,2、双向移位寄存器,4位双向移位寄存器74LS194A的逻辑图,工作模式选择,0,1,Q0,Q0,Q0,Q0,右移,2、双向移位寄存器,4位双向移位寄存器74LS194A的逻辑图,工作模式选择,1,0,Q2,Q2
9、,Q2,Q2,左移,2、双向移位寄存器,用两片74LS194A接成8位 双向移位寄存器,例: 分析逻辑功能,指出在图示的时钟信号及S0、 S1状态作用下, t4时刻以后输出Y与两组并行输入的二进制数M、N在数值上的关系。假定M、N的状态始终未变。,将两个8位寄存器内容相加的运算电路。,Y=M8+N 2,本节小结:,寄存器是用来存放二进制数据或代码的电路,是一种基本时序电路。任何现代数字系统都必须把需要处理的数据和代码先寄存起来,以便随时取用。 寄存器分为基本寄存器和移位寄存器两大类。基本寄存器的数据只能并行输入、并行输出。移位寄存器中的数据可以在移位脉冲作用下依次逐位右移或左移,数据可以并行输入、并行输出,串行输入、串行输出,并行输入、串行输出,串行输入、并行输出。 寄存器的应用很广,特别是移位寄存器,不仅可将串行数码转换成并行数码,或将并行数码转换成串行数码,还可以很方便地构成移位寄存器型计数器和顺序脉冲发生器等电路。,一、同步二进制计数器,二、 同步十进制计数器,三、 任意进制计数器的构成方法,6.3.2 计数器,状态转换图,在数字电路中,能够记忆输入脉冲个数的电路称为计数器。,计数器,二进制计数器,十进制计数器,N进制计数器,加法计数器,同步计数器,异步计数器,减法计数器,可逆计数器,加法计数器,减法计数器,可逆计数器,二进制计数器,十进制计数器,N进制计数器,计数器是一种应用十分广泛的时序电路,除用于计数、分频外,还广泛用于数字测量、
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