數(shù)字電路第五章

1、1 2 5.1 5.1 概述概述 邏輯電路可分為邏輯電路可分為 兩大類：兩大類： 1 1、組合電路：、組合電路： 2 2、時(shí)序電路：、時(shí)序電路： 由若干邏輯門組成，電路不具記憶能力。由若干邏輯門組成，電路不具記憶能力。 電路的輸出僅僅與當(dāng)時(shí)的輸入有關(guān)。電路的輸出僅僅與當(dāng)時(shí)的輸入有關(guān)。 存儲電路，因而具有記憶能力。存儲電路，因而具有記憶能力。 電路的輸出不僅與當(dāng)時(shí)的輸入有關(guān)，而且電路的輸出不僅與當(dāng)時(shí)的輸入有關(guān)，而且 還與電路原來的狀態(tài)有關(guān)。還與電路原來的狀態(tài)有關(guān)。 時(shí)序邏輯電路是數(shù)字邏輯電路的重要組成部分。時(shí)序邏輯電路是數(shù)字邏輯電路的重要組成部分。 延遲元件或觸發(fā)器延遲元件或觸發(fā)器 3 5.1.

2、1 5.1.1 時(shí)序邏輯電路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)時(shí)序邏輯電路的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 組合電路組合電路 存儲電路存儲電路 Z1 Zj Y1 YrQ1 Qr X1 Xi 輸輸 入入 信信 號號 輸輸 出出 信信 號號 存存 儲儲 電電 路路 的的 輸輸 入入 輸輸 出出 狀狀 態(tài)態(tài) 邏輯電路中存在反饋，時(shí)序電路的輸出由邏輯電路中存在反饋，時(shí)序電路的輸出由 電路的輸入和電路原來的狀態(tài)共同決定。電路的輸入和電路原來的狀態(tài)共同決定。 4 邏輯關(guān)系方程：邏輯關(guān)系方程： 組合邏輯電路組合邏輯電路 X1 Xi Z1 Zj 存儲電路存儲電路 Q1 Qr Y1 Yr X(X1，Xi) Q(Q1，Qr)Y(Y1，Yr) Z(Z1，Zj)

3、 Z ZF F1 1( (X X，Q Qn n) ) 輸出方程輸出方程 Y YF F2 2( (X X，Q Qn n) ) 驅(qū)動方程驅(qū)動方程 Q Qn+1 n+1 F F3 3( (Y Y，Q Qn n) ) 狀態(tài)方程狀態(tài)方程 各信號之間的邏輯關(guān)系方程組：各信號之間的邏輯關(guān)系方程組： 5 5.1.2 5.1.2 時(shí)序邏輯電路的分類時(shí)序邏輯電路的分類 從控制時(shí)序狀態(tài)的脈沖源來分：從控制時(shí)序狀態(tài)的脈沖源來分： 時(shí)序電路時(shí)序電路 CP X 1J C 1 1K 1J C 1 1K =1 Q1 “1” Q2 Y (6)畫出邏輯圖并檢查自啟動能力。畫出邏輯圖并檢查自啟動能力。 給每個(gè)狀態(tài)賦以二進(jìn)制代碼的過

4、程。給每個(gè)狀態(tài)賦以二進(jìn)制代碼的過程。 根據(jù)狀態(tài)數(shù)確定觸發(fā)器的個(gè)數(shù)，根據(jù)狀態(tài)數(shù)確定觸發(fā)器的個(gè)數(shù)， (5)求出電路的驅(qū)動方程和輸出方程求出電路的驅(qū)動方程和輸出方程 ； （M:狀態(tài)數(shù)狀態(tài)數(shù);n:觸發(fā)器的個(gè)數(shù)）觸發(fā)器的個(gè)數(shù)）2n-1 X X Z Z CPCP 電路框圖電路框圖 例例2 2設(shè)計(jì)一個(gè)串行數(shù)據(jù)檢測器。電路的輸入信號是與時(shí)鐘脈設(shè)計(jì)一個(gè)串行數(shù)據(jù)檢測器。電路的輸入信號是與時(shí)鐘脈 沖同步的串行數(shù)據(jù)沖同步的串行數(shù)據(jù)X X，輸出信號為，輸出信號為Z Z；要求電路在；要求電路在X X信號輸信號輸 入出現(xiàn)入出現(xiàn)101101序列時(shí)，輸出信號序列時(shí)，輸出信號Z Z為為1 1，否則為，否則為0 0。輸入信號。輸入

5、信號X X 序列及相應(yīng)輸出信號序列及相應(yīng)輸出信號Z Z的波形示意圖如圖所示。的波形示意圖如圖所示。 CP X Z 1 0 1 1 0 1 解：解： (1) (1) 畫出原始狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。畫出原始狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。 12345678 ( ( 輸入序列不允許重迭輸入序列不允許重迭 ) ) 47 畫原始狀態(tài)圖畫原始狀態(tài)圖 數(shù)據(jù)數(shù)據(jù) 檢測檢測 器器 X X Z Z CPCP 電路框圖電路框圖 解：解： (1) (1) 畫出原始狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。畫出原始狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖。 定義電路的狀態(tài)：定義電路的狀態(tài)： S0 S0 電路的初始狀態(tài)電路的初始狀態(tài) 1/0 S0 S1 S3 S2 1/0 0/0 1/1 0/0 0/0 1/

6、0 S0 S1 S3 S2 1/0 0/0 1/0 1/1 0/0 0/0 0/0 S1S1X X輸入輸入1 1后，電路的狀態(tài)后，電路的狀態(tài) S2S2X X輸入輸入1010后后 S3S3X X輸入輸入101101后后 48 列出原始狀態(tài)轉(zhuǎn)換表：列出原始狀態(tài)轉(zhuǎn)換表： 現(xiàn)態(tài)現(xiàn)態(tài) 次態(tài)次態(tài)/ /輸出輸出 X=0X=0X=1X=1 S S0 0S S0 0 / 0 / 0S S1 1 / 0 / 0 S S1 1S S2 2 / 0 / 0S S1 1 / 0 / 0 S S2 2S S0 0 / 0 / 0S S3 3 / 1 / 1 S S3 3S S0 0 / 0 / 0S S1 1 / 0 /

7、 0 (2) (2) 狀態(tài)化簡狀態(tài)化簡 0/0 S0 S2 S1 1/1 0/0 1/0 0/0 1/0 現(xiàn)態(tài)現(xiàn)態(tài) 次態(tài)輸出次態(tài)輸出 X=0X=0X=1X=1 S S0 0S S0 0 / 0 / 0S S1 1 /0 /0 S S1 1S S2 2 / 0 / 0S S1 1 /0 /0 S S2 2S S0 0 /0 /0S S0 0 /1 /1 (3) (3) 狀態(tài)編碼狀態(tài)編碼 S0=00S0=00 S1=01S1=01 S2=10S2=10 1/0 S0 S1 S3 S2 1/0 0/0 1/0 1/1 0/0 0/0 0/0 0/0 00 10 01 1/1 0/0 1/0 0/0

8、1/0 49 (4) (4) 確定觸發(fā)器的類型和個(gè)數(shù)確定觸發(fā)器的類型和個(gè)數(shù) 現(xiàn)態(tài)現(xiàn)態(tài) 次態(tài)輸出次態(tài)輸出 X=0X=0X=1X=1 S S0 0S S0 0 / 0 / 0S S1 1 /0 /0 S S1 1S S2 2 / 0 / 0S S1 1 /0 /0 S S2 2S S0 0 /0 /0S S0 0 /1 /1 采用兩個(gè)采用兩個(gè)D D觸發(fā)器。觸發(fā)器。 (5) (5) 求電路的狀態(tài)方程，觸發(fā)器驅(qū)動方程和輸出方程求電路的狀態(tài)方程，觸發(fā)器驅(qū)動方程和輸出方程 Q Q2 2n n+1 +1、 、Q Q1 1n n+1 +1、 、Z Z作為輸出函數(shù)作為輸出函數(shù) 將將X X、Q Q2 2n n、Q

9、 Q1 1n n作為輸入變量，作為輸入變量， 輸輸 入入 現(xiàn)現(xiàn) 態(tài)態(tài)次態(tài)次態(tài) 輸輸 出出 X XQ Q2 2n nQ Q1 1n nQ Q2 2n n+1 +1 Q Q1 1n n+1 +1 Z Z 0 00 00 00 00 00 0 0 00 01 11 10 00 0 0 01 10 00 00 00 0 1 10 00 00 01 10 0 1 10 01 10 01 10 0 1 11 10 00 00 01 1 50 00 01 11 10 0 0 0 0 1 1 1 0 Q1n+1 Q2nQ1n X 畫出觸發(fā)器畫出觸發(fā)器Q Q2 2n n+1 +1、 、Q Q1 1n+1 n+1

10、的卡諾圖 的卡諾圖 XQ2nQ1nQ2n+1Q1n+1Z 000000 001100 010000 100010 101010 110001 00 01 11 10 0 0 1 0 1 0 0 0 Q2n+1 Q 2 nQ 1 n X nn 1 1 2 QXQ nn 2 1 1 QXQ ( ( Qn+1=D ) ) n 12 QXD n 21 QXD 求觸發(fā)器的驅(qū)動方程求觸發(fā)器的驅(qū)動方程 51 XQ2nQ1nQ2n+1Q1n+1Z 000000 001100 010000 100010 101010 110001 00 01 11 10 0 0 0 0 1 0 0 1 Q2nQ1n X Z 求

11、輸出方程求輸出方程 n X 2 QZ 52 (6) (6) 畫出邏輯圖畫出邏輯圖 n 12 QXD n 21 QXD (2)同步計(jì)數(shù)器工作速度快同步計(jì)數(shù)器工作速度快 82 1. 異步十進(jìn)制計(jì)數(shù)器異步十進(jìn)制計(jì)數(shù)器 (1) 電路組成和邏輯功能分析電路組成和邏輯功能分析 由由下降邊沿下降邊沿觸發(fā)的觸發(fā)的T觸發(fā)器觸發(fā)器構(gòu)成的異步十進(jìn)制構(gòu)成的異步十進(jìn)制加法加法計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器: 1J 1K C1 R Q Q 1 F0 Q0 1 1J 1K C1 R Q Q F1 Q1 1J 1K C1 R Q Q 1 F2 Q2 1J 1K C1 R Q Q 1 F3 Q3 CLK 74290構(gòu)成模構(gòu)成模10計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器

12、Q0 Q1 Q2 Q3 DIV2 DIV5 ; 左移兩位左移兩位 10001000， 相當(dāng)于相當(dāng)于4 4 ; ; 同理，右移一位相當(dāng)于同理，右移一位相當(dāng)于2 2 用左移、右移實(shí)現(xiàn)用左移、右移實(shí)現(xiàn)2 2，2 2運(yùn)算。運(yùn)算。 如如 (0010) (0010) 2 2 = 2= 21010 145 應(yīng)用舉例應(yīng)用舉例4 4 時(shí)序脈沖產(chǎn)生器。電路如圖所示。時(shí)序脈沖產(chǎn)生器。電路如圖所示。 畫出畫出 Q Q0 0-Q-Q3 3波形，分析邏輯功能。波形，分析邏輯功能。 啟動啟動 解：解：開始啟動，信號為開始啟動，信號為0 0，S S1 1=1=1 此時(shí)此時(shí)S S0 0=1=1，則，則194194工作在工作在“

13、并并 入并出入并出”狀態(tài)，狀態(tài)，Q Q0 0-Q-Q3 3=0111=0111 啟動信號撤除后為啟動信號撤除后為1 1， 所以所以S S1 1S S0 0=01=01，則，則194194工作工作 在在“右移右移”狀態(tài)。狀態(tài)。D DSRSR=Q=Q3 3， 故循環(huán)移位。因?yàn)楣恃h(huán)移位。因?yàn)镼 Q0 0-Q-Q3 3總總 有一個(gè)為有一個(gè)為0 0， S S1 1一直為一直為 0 0，不斷右移。，不斷右移。 Q0 Q1 Q2 Q3 Q0 Q1 Q2 Q3 f 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1

14、0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 0 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 1 0 0 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 1 0 1 0 1 1 0 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 0 1 1 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 0 n+1n+1n+1 n+1 nn nn 151 b. 作反饋函數(shù)作反饋函數(shù)f 的卡諾圖的卡諾圖,求求f 的最簡表達(dá)式的最簡表達(dá)式; 00 01 11 10 00 01

15、11 10 Q0Q1 Q2Q3 1 1 f=Q0Q1Q2 c. 畫邏輯圖畫邏輯圖 1D C1 Q F0 CP 1D C1 Q F1 1D C1 Q F3 1D C1 Q F2 否則經(jīng)否則經(jīng) 過移位過移位, 總會將總會將1移移 到到Q3處處,電路進(jìn)入電路進(jìn)入 置數(shù)狀態(tài)置數(shù)狀態(tài),置入置入1000, 進(jìn)入有效循環(huán)狀態(tài)進(jìn)入有效循環(huán)狀態(tài) 3,4D Q1 Q2 Q3 Q0 R 1,4D 3,4D 3,4D 3,4D 2,4D DSR C4 1/2 1 0M0 3 SA SB CLK SRG4 74194 1 0 0 0 1 1 1 153 (5) 環(huán)形計(jì)數(shù)器的特點(diǎn)環(huán)形計(jì)數(shù)器的特點(diǎn) 環(huán)形計(jì)數(shù)器附帶有譯碼器功

16、能環(huán)形計(jì)數(shù)器附帶有譯碼器功能; 環(huán)形計(jì)數(shù)器的輸出波形為環(huán)形計(jì)數(shù)器的輸出波形為順序脈沖順序脈沖; CP Q0 Q1 Q2 Q3 常稱環(huán)形計(jì)數(shù)器為常稱環(huán)形計(jì)數(shù)器為 順序脈沖發(fā)生器順序脈沖發(fā)生器. 環(huán)形計(jì)數(shù)器的缺點(diǎn)是狀態(tài)利用效率低環(huán)形計(jì)數(shù)器的缺點(diǎn)是狀態(tài)利用效率低, n 個(gè)觸發(fā)器構(gòu)成個(gè)觸發(fā)器構(gòu)成 的環(huán)形計(jì)數(shù)器僅有的環(huán)形計(jì)數(shù)器僅有n 個(gè)有效狀態(tài)個(gè)有效狀態(tài), 有有2n-n個(gè)無效狀態(tài)個(gè)無效狀態(tài). 154 2. 扭環(huán)形計(jì)數(shù)器扭環(huán)形計(jì)數(shù)器 (1) 電路組成和邏輯功能分析電路組成和邏輯功能分析 1D C1 Q F0 CP 1D C1 Q F1 1D C1 Q F3 1D C1 Q F2 D0=Q3 0010 10

17、01 0100 1010 0101 1011 0110 1101 無效循環(huán)無效循環(huán) 0000 1000 1100 1110 0001 0011 0111 1111 有效循環(huán)有效循環(huán) 155 可在無效循環(huán)圈內(nèi)選合適的狀態(tài)可在無效循環(huán)圈內(nèi)選合適的狀態(tài),通過修改反饋函數(shù)通過修改反饋函數(shù),達(dá)到達(dá)到 自啟動的目的自啟動的目的. 00 01 11 10 00 01 11 10 Q0Q1 Q2Q3 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 1 原狀態(tài)圖原狀態(tài)圖 D0=Q3 00 01 11 10 00 01 11 10 Q0Q1 Q2Q3 1 0 0 1 1 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0 1 修改后的狀態(tài)圖修改后的狀態(tài)圖 D0=Q3+Q0Q2 (可有多種方案可有多種方案) (2) 實(shí)現(xiàn)自啟動的方法實(shí)現(xiàn)自啟動的方法 156 0010 1001 0100 1010 0101 1011 0110 1101 0000 1000 1100 1110 0001 0011 0111 1111 157 (3) 用中