時序電路的基本分析和設計方法.ppt

計數(shù)器 寄存器 順序脈沖發(fā)生器 本章重點 1.時序電路的特點和邏輯功能的表示方法 2.同步時序電路的基本分析方法和設計方法 3.二進制計數(shù)器和十進制計數(shù)器 4.用集成二進制計數(shù)器構成N進制計數(shù)器的方法 5.移位寄存器和寄存器形計數(shù)器 概概 述述 一、時序電路的特點 組合邏輯 電 路 存儲電路 x1 xi y1 yj w1 wk q1 ql 1. 邏輯功能特點 輸 入 輸 出 任何時刻電路的 輸出，不僅和該時刻 的輸入信號有關，而 且還取決于電路原來 的狀態(tài)。 2. 電路組成特點 (1)存儲電路（主要是觸發(fā)器，必不可少） (2)組合邏輯電路（可選） 時序邏輯電路的狀態(tài)是由存儲電路來記憶和表示的 二、時序邏輯電路分類 1. 按邏輯功能劃分： 計數(shù)器、寄存器、讀/寫存儲器、 順序脈沖發(fā)生器等。 2. 按時鐘控制方式劃分： 同步時序電路各觸發(fā)器共用一個時鐘 CP，要更 新狀態(tài)的觸發(fā)器同時翻轉。 異步時序電路 各觸發(fā)器狀態(tài)的變化不是同步發(fā)生 的，可能有一部分電路有公共的 CP時鐘信號，也可能完全沒有公 共的CP時鐘信號。 3. 按輸出信號的特性劃分： MooreMoore型型 Y(tn) 輸出 CP X(tn) 輸入 存儲 電路 組合 電路 組合 電路 MealyMealy型型 存儲 電路 Y(tn) 輸出 W Q X(tn) 輸入 組合 電路 CP 電路輸出僅取決于現(xiàn)態(tài) 電路輸出不僅與現(xiàn)態(tài)有 關，還取決于輸入信號 三、時序電路邏輯功能表示方法 1. 邏輯表達式 組合邏輯 電 路 存儲電路 x1 xi y1 yj w1 wk q1 ql (1) 輸出方程 (2) 驅動方程 (3) 狀態(tài)方程 2. 狀態(tài)表、卡諾圖、狀態(tài)圖和時序圖 時序電路的狀態(tài)其實 就是構成時序電路的 各觸發(fā)器的狀態(tài) 5.1 5.1 時序電路的基本分析和設計方法時序電路的基本分析和設計方法 5.1.1 時序電路的基本分析方法 一. 分析的一般步驟 給定時序電路 時鐘方程 驅動方程 狀態(tài)圖時序圖 輸出方程 狀態(tài)方程 計算狀態(tài)表 特性方程 功能說明 二. 分析舉例 列寫方程式列寫方程式 時鐘方程 輸出方程 ( (同步同步) ) (Moore (Moore 型型) ) 例 1求圖示電路的狀態(tài)圖和時序圖 。 解 1J 1K C1 1J 1K C1 1J 1K C1 & FF1FF0FF2 CP Y 方法1 驅動方程 驅動方程 特 性 方 程 狀態(tài)方程 1J 1K C1 1J 1K C1 1J 1K C1 & FF1FF0FF2 CP Y 計算狀態(tài)轉換表計算狀態(tài)轉換表 CP Q2 Q1 Q0 Y 0 1 2 3 4 5 0 1 2 0 0 01 0 0 11 0 1 11 1 1 11 1 1 01 01 0 0 0 1 01 1 0 11 0 1 01 CP 現(xiàn) 態(tài)次 態(tài)輸 出 Y 1 2 3 4 5 6 1 2 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 0 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 簡化狀態(tài)表簡化狀態(tài)表 畫狀態(tài)圖畫狀態(tài)圖 000 /1 001 /1 011 /1 111 /1 110 /1 100 /0 有效狀態(tài)和有效循環(huán):電路正常工作所出現(xiàn)的狀態(tài)稱為 有效狀態(tài)；有效狀態(tài)形成的循環(huán)稱為有效循環(huán)。 010 /1 101 /1 無效狀態(tài)和無效循環(huán)：沒有被利用的狀 態(tài)稱為無效狀態(tài)；無效狀態(tài)所形成的循 環(huán)稱為無效循環(huán)。 電路能否自啟動? 能自啟動：存在無效狀態(tài)，但沒有形成循環(huán)。 不能自啟動： 無效狀態(tài)形成循環(huán)。 /Y 本電路不能自啟動！ 畫時序圖畫時序圖 000001 /1 011 /1 111 /1 110 /1 100 /1 /0 1 2 3 4 5 6 CP CP觸發(fā) Q2 Q1 Q0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 0 Y 初態(tài)為000時啟動，即可在圖示6個狀態(tài)內循環(huán) - 非自然態(tài)序的6進制加法計數(shù)器 方法2 利用卡諾圖求狀態(tài)圖 Q2n+1 Q1n+1 Q0n+1 Q1nQ0n Q2n 0 1 00 01 11 10 001 011 111101 000 010 110 100 000 001 011 111 110 100 010 101 1100 1100 Q2n+1 Q2n Q1nQ0n 0 1 00 01 11 10 0110 0110 Q1n+1 Q2n Q1nQ0n 0 1 00 01 11 10 0000 1111 Q0n+1 Q2n Q1nQ0n 0 1 00 01 11 00 【例2】求圖示電路的狀態(tài)圖和時序圖，并分析其功能。 1J 1K C1 FF0 Q0 Q0 1J 1K C1 FF1 Q1 Q1 1J 1K C1 FF2 Q2 Q2 CP Y 【解 】 列寫方程式列寫方程式 輸出方程 時鐘方程 驅動方程 FF0 : FF1 : FF2 : 求狀態(tài)方程：將驅動方程代入觸發(fā)器的特性方程即可 FF0 : FF1 : FF2 : 畫狀態(tài)圖 ： 計算狀態(tài)表： /Y 000 /0 001 /0 010 /0 011 /0 100 /1 101110 111 CP 現(xiàn) 態(tài)次 態(tài)輸 出 Y 1 2 3 4 5 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 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 狀態(tài)表轉換表 畫時序圖 ： 1 2 3 4 5 CP Q2 Q1 Y Q0 結論：該電路為自然態(tài)序 的五進制加法計算器！ 5.1.2 時序電路的基本設計方法 一. 設計的一般步驟 7.檢查電路能否自啟動。 1. 由給定邏輯問題進行邏輯抽象（定義輸入、輸出邏輯變 量并賦值），建立原始狀態(tài)圖。 2. 合并等價狀態(tài)（輸入相同時，輸出和次態(tài)也相同的狀態(tài)）， 化簡狀態(tài)圖。 3. 進行狀態(tài)分配，畫出二進制編碼后的狀態(tài)圖。 根據狀態(tài)個數(shù)M及 確定二進制代碼位數(shù)， 并給每個狀態(tài)分配合理的編碼，畫出滿足要求的狀態(tài)圖。 4. 選擇觸發(fā)器，求時鐘方程、輸出方程、狀態(tài)方程。 5. 求各觸發(fā)器驅動方程 。 6. 畫邏輯電路圖。 5.1.2 時序電路的基本設計方法 設計步驟流程 時序邏輯 問題 邏輯 抽象 原始狀態(tài) 圖（表） 狀態(tài) 化簡 最簡狀態(tài) 圖（表） 求出 驅動方程 選觸 發(fā)器邏輯 電路圖 檢查能否 自啟動 電路狀態(tài) 方程式 二. 設計舉例 按如下狀態(tài)圖設計時序電路。 000 /0/0/0 /0/0 001010 011 100101 /1 【解 】 求輸出方程求輸出方程 00 01 11 10 0 1 Y 0 0 00 01 【例 1】 采用同步方式： /Y 求求 狀態(tài)方程狀態(tài)方程 00 01 11 10 0 1 001 010 100 011 101 000 解 求求 狀態(tài)方程狀態(tài)方程 時鐘方程時鐘方程 輸出方程輸出方程 00 01 11 10 0 1 1 00 01 11 10 0 1 00 01 11 10 0 1 010 10 0101 00 0010 10 n nnnnn 00 01 11 10 0 1 001 010 100 011 101 000 也可由狀態(tài)圖直 接畫出各卡諾圖 分解！ 選用 JK 觸發(fā)器 求驅動方程求驅動方程 ： 畫邏輯圖畫邏輯圖 CP 1K C1 FF1 &1J Y 1J 1K C1 FF0 1K C1 FF2 &1J 1 & ( (同步同步MooreMoore型型) ) n nnnnnnnn n n n 邏輯圖邏輯圖 CP 1K C1 FF1 &1J Y 1J 1K C1 FF0 1K C1 FF2 &1J 1 & 自啟動檢查自啟動檢查 110 111 000 電路 能自啟動 /0/1n nnnnn 000 /0/0/0 /0/0 001010 011 100101 /1 1/1 例 2設計 一個串行數(shù)據檢測電路，要求輸入 3 或 3 個以上數(shù)據1時輸出為 1，否則為 0。 解 邏輯抽象，建立原始狀態(tài)圖邏輯抽象，建立原始狀態(tài)圖 S0 原始狀態(tài) S1 輸入1個1 S2 連續(xù)輸入 2 個 1 S3 連續(xù)輸入 3 或 3 個以上 1 S0S1S2 S3 X 輸入數(shù)據（0、1） Y 輸出檢測結果（0、1） 0/0 1/0 0/0 1/0 0/0 0/0 1/1 狀態(tài)化簡狀態(tài)化簡 S0S1S2 0/0 1/0 0/0 1/0 0/0 1/1 0/0 0/0 電路 四種狀態(tài) S2、S3 等價狀態(tài)， 可合并。 等價狀態(tài): 輸入相同時，輸出和次態(tài)也相同的狀態(tài) 狀態(tài)編碼與分配、狀態(tài)圖狀態(tài)編碼與分配、狀態(tài)圖 M = 3，取 n = 2（即用兩位二進制數(shù)進行編碼） S0 = 00；S1 = 01； S2 = 11 選觸發(fā)器、寫方程式選觸發(fā)器、寫方程式 選用 2個 JK ( ) 觸發(fā)器,并采用同步工作 方式： 取 ： S0S1S2 0/0 1/0 0/0 1/0 0/0 1/1000111 0/0 1/0 0/0 1/0 0/0 1/1 輸出方程輸出方程 Q1nQ0n X 0 1 00 01 11 10 Y 00 11 狀態(tài)方程狀態(tài)方程 1 Q1nQ0n X 0 1 00 01 11 10 Q1nQ0n X 0 1 00 01 11 10 000 001 0 000111 0/0 1/0 0/0 1/0 0/0 1/1 00 011 0 求驅動方程求驅動方程 & 畫畫 邏邏 輯輯 圖圖 CP X 1 Y 1J 1K C1 FF0 Q0 ( (同步同步Mealy Mealy 型型) ) 10 00 0/0 11 1/1 電路能自啟動 Q1 1K C1 FF1 &1J 自啟動自啟動？ 思考：若用D觸發(fā)器如何設計？ 1. 若采用同步工作方式 ，則 CP0=CP1=CP 2. 輸出方程