時序邏輯電路本章要求理解時序電路的一般組成特點

1、.第十二章時序邏輯電路本章要求：理解時序電路的一般組成特點；熟悉和掌握描述時序電路邏輯功能的方法，會按步驟分析時序電路；熟悉計數(shù)器、寄存器的電路組成和工作特點。12.1時序邏輯電路概述時序邏輯電路的基本特征1時序電路的特點（ 1）組成：一般由組合電路和存儲電路（反饋電路）兩部分組成。存儲電路可以由觸發(fā)器構(gòu)成，也可以由其它記憶器件構(gòu)成。（ 2）結(jié)構(gòu)框圖：如圖 12-1 所示。圖中， X1 Xi 代表時序電路輸入信號， Y1 Yj 代表時序電路輸出信號， W1 Wm代表存儲電路輸入信號， Q1 Qn 代表存儲電路輸出信號， X1Xi 和 Q1 Qn 共同決定時序電路輸出狀態(tài)Y1 Yj 。（ 3）特

2、點 從結(jié)構(gòu)上看：第一，包含組合電路和存儲電路兩部分。由于它要記憶以前的輸入和輸出信號， 所以存儲電路必不可少。 第二， 組合電路至少由一個輸出反饋到存儲電路的輸入端，存儲電路的輸出至少有一個作為組合電路的輸入， 與其它輸入信號共同決定時序電路的輸出。從功能上看： 由于時序電路中含有存儲電路， 具有記憶功能， 因此電路在任一時刻的穩(wěn)定輸出不僅取決于該時刻的輸入，而且還與電路原來的狀態(tài)有關(guān)。2時序電路邏輯功能的表示方法常用的表示方法有：邏輯方程式、狀態(tài)表、狀態(tài)圖、時序圖時序邏輯電路的種類可分為同步時序電路和異步時序電路2時序電路邏輯功能的表示方法常用的表示方法有：邏輯方程式、狀態(tài)表、狀態(tài)圖、時序圖

3、1）邏輯方程式：表示時序電路各組成部分之間關(guān)系的代數(shù)表達(dá)式。包括時鐘方程、驅(qū)動方程、輸出方程、狀態(tài)方程。時鐘方程：觸發(fā)器的時鐘信號表達(dá)式，反映各觸發(fā)器CP脈沖的邏輯關(guān)系。驅(qū)動方程： 各觸發(fā)器輸入端的邏輯表達(dá)式。它反映了觸發(fā)器輸入端變量與時序電路的輸入信號和電路狀態(tài)之間的關(guān)系。一般有n 個觸發(fā)器就有n 個驅(qū)動方程。輸出方程： 時序電路的輸出邏輯表達(dá)式， 反映了時序電路的輸出端變量與輸入信號和電路狀態(tài)之間的邏輯關(guān)系。它通常為現(xiàn)態(tài)的函數(shù)。狀態(tài)方程： 將驅(qū)動方程代入相應(yīng)觸發(fā)器的特征方程中即可求得狀態(tài)方程。它反映時序電路的次態(tài)與輸入信號和現(xiàn)態(tài)之間的邏輯關(guān)系。因此狀態(tài)方程又稱次態(tài)方程。z.（ 2）狀態(tài)表：

4、 它是反映時序電路輸出Y、次態(tài) Qn+1 和輸入信號X、現(xiàn)態(tài) Qn 之間對應(yīng)取值關(guān)系的表格。 將電路輸入信號和觸發(fā)器現(xiàn)態(tài)的所有取值組合代入相應(yīng)的狀態(tài)方程和輸出方程中進行計算，求出次態(tài)和輸出，列表即可。（ 3）狀態(tài)圖 : 是反映時序電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換規(guī)律及相應(yīng)輸入、輸出取值情況的幾何圖形。它以圖形的方式表示時序電路狀態(tài)的轉(zhuǎn)換規(guī)律，是電路由現(xiàn)態(tài)轉(zhuǎn)換到次態(tài)的示意圖。（ 4）時序圖：即工作波形圖。它反映輸入信號、 電路狀態(tài)和輸出信號等的取值在時間上的對應(yīng)關(guān)系。時序邏輯電路的種類時序電路按觸發(fā)信號（CP脈沖）輸入方式的不同，即電路狀態(tài)轉(zhuǎn)換情況的不同，可分為同步時序電路和異步時序電路兩大類。1 同步時序電路：

5、對于同步時序電路來說， 存儲電路中所有存儲單元 （各觸發(fā)器）狀態(tài)的變化受同一時鐘脈沖控制。即所有觸發(fā)器的時鐘輸入端CP都連在一起，在同一時鐘脈沖 CP作用下，凡是具備翻轉(zhuǎn)條件的觸發(fā)器在同一時刻狀態(tài)翻轉(zhuǎn)。也就是說，觸發(fā)器狀態(tài)的更新和時鐘脈沖 CP是同步的。正因為如此，在分析同步時序電路時，往往可以不考慮時鐘條件，即不用寫出時鐘方程。2 異步時序電路：各觸發(fā)器狀態(tài)的變化不受同一時鐘脈沖控制。時鐘脈沖只觸發(fā)部分觸發(fā)器， 其余觸發(fā)器則是由電路內(nèi)部信號觸發(fā)的。因此， 凡具備翻轉(zhuǎn)條件的觸發(fā)器狀態(tài)的翻轉(zhuǎn)有先有后，并不都和時鐘脈沖CP同步。也正因為如此，在分析異步時序電路時，必須要寫出各個觸發(fā)器的時鐘方程，這

6、是絕對不能省略的。時序邏輯電路的分析方法1時序電路分析的基本步驟（ 1）分析時序邏輯電路組成：確定輸入和輸出，區(qū)分其兩個組成部分，確定是同步還是異步時序電路。（ 2）寫相關(guān)方程式： 根據(jù)給定的邏輯電路圖， 寫出存儲電路的驅(qū)動方程和時序電路的輸出方程，若為異步電路還需要寫出時鐘方程。（ 3）求各個觸發(fā)器的狀態(tài)方程： 把驅(qū)動方程代入相應(yīng)觸發(fā)器的特性方程中， 即可求得狀態(tài)方程。也就是各個觸發(fā)器的次態(tài)方程。（ 4）列狀態(tài)轉(zhuǎn)換真值表 （狀態(tài)表）：首先列出輸入信號和存儲電路現(xiàn)態(tài)的所有可能取值組合， 然后代入狀態(tài)方程和輸出方程中進行計算，但需注意有效的時鐘條件，如果不滿足條件，觸發(fā)器狀態(tài)保持不變。也就是說，

7、只有觸發(fā)器的時鐘條件滿足后，才需要代入狀態(tài)方程和輸出方程中進行計算求次態(tài)和輸出。（ 5）畫狀態(tài)圖或時序圖： 根據(jù)狀態(tài)表可畫出電路由現(xiàn)態(tài)轉(zhuǎn)換到次態(tài)的示意圖和在時鐘脈沖 CP作用下，各觸發(fā)器狀態(tài)變化的波形圖。（ 6）描述（說明）電路的邏輯功能：歸納總結(jié)分析結(jié)果，確定電路功能。2時序電路分析舉例z.（5）畫狀態(tài)圖和時序圖根據(jù)表 12-1 可畫出圖 12-3 a ）所示的狀態(tài)圖，圖12-3 b ）所示的時序圖。圖中的 00、01、 10、11 分別表示電路的四個狀態(tài)，箭頭表示電路狀態(tài)的轉(zhuǎn)換方向。箭頭上方標(biāo)注的 / C為輸出值。（6）歸納總結(jié)，確定邏輯功能。z.該電路為帶進位輸出的同步四進制加法計數(shù)器電

8、路。12.2寄存器數(shù)碼寄存器1電路組成2工作原理移位寄存器1單向移位寄存器圖 12-7 所示為由 4 個 D觸發(fā)器組成的 4 位右移位寄存器。這 4 個 D觸發(fā)器共用一個時鐘脈沖信號，因此為同步時序邏輯電路。z.（ 3）假設(shè)電路初始狀態(tài)為零，現(xiàn)依次串行輸入數(shù)碼Di 1011，即電路輸入數(shù)據(jù)Di 在第 1、 2、 3、 4 四個 CP脈沖時依次為1、0、 1、 1，由此可列出狀態(tài)表如表12-3 所示。（4）畫出時序圖根據(jù)表 12-3 可畫出時序圖如圖12-8 所示。z.（5）確定電路邏輯功能從表 12-3 和圖 12-8 可知：在圖 12-7 所示右移位寄存器電路中，隨著 CP脈沖的遞增，觸發(fā)器

9、輸入端依次輸入數(shù)據(jù)Di ，稱為串行輸入，輸入一個CP脈沖，數(shù)據(jù)向右移動一位。這樣，在 4 個移位脈沖的作用下，輸入的四位串行數(shù)碼1011 將全部存入寄存器中。移位寄存器中的數(shù)碼可由Q3Q2Q1Q0 端同時輸出， 稱并行輸出， 也可以從最右端Q3 依次輸出， 稱串行輸出，但這時需要繼續(xù)輸入4 個移位脈沖才能從寄存器中取出存放的4 位數(shù)碼 1011。也就是說，串行輸出需要經(jīng)過八個 CP脈沖才能將輸入的四個數(shù)據(jù)全部輸出，而并行輸出只需要四個 CP脈沖。2雙向移位寄存器既可將數(shù)據(jù)左移、又可右移的寄存器稱為雙向移位寄存器。z.中規(guī)模集成移位寄存器z.1邏輯功能2移位寄存器的應(yīng)用作為一種重要的邏輯部件，寄

10、存器的應(yīng)用是多方面的z.12.3計數(shù)器1計數(shù)器的概念計數(shù)器是數(shù)字系統(tǒng)中能累計輸入脈沖個數(shù)的時序電路。 它是由一系列具有存儲信息功能的各類觸發(fā)器和一些控制門組成的。2計數(shù)器的功能計數(shù)器的基本功能就是計算輸入脈沖的個數(shù)。計數(shù)器是數(shù)字系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的時序邏輯部件之一，它除了計數(shù)以外，還可以實現(xiàn)計時、定時、分頻和自動控制、信號產(chǎn)生等功能，應(yīng)用十分廣泛。3計數(shù)器的模計數(shù)器累計輸入脈沖的最大數(shù)目稱為計數(shù)器的“?！保肕表示。如 M 3 的計數(shù)器，稱三進制計數(shù)器，又稱模 3 計數(shù)器。因此，計數(shù)器的“?！睂嶋H上為電路的有效狀態(tài)數(shù)。4計數(shù)器的分類計數(shù)器的種類很多，特點各異，通常有以下幾種不同的分類方法（1）按

11、 CP脈沖的輸入方式，即計數(shù)器中觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)是否同步可分為：同步計數(shù)器計數(shù)脈沖同時加到所有觸發(fā)器的時鐘信號輸入端， 使應(yīng)翻轉(zhuǎn)的觸發(fā)器同時翻轉(zhuǎn)的計數(shù)器。異步計數(shù)器計數(shù)脈沖只加到部分觸發(fā)器的時鐘輸入端上， 而其他觸發(fā)器的觸發(fā)信號則由電路內(nèi)部提供，使應(yīng)翻轉(zhuǎn)的觸發(fā)器狀態(tài)更新有先有后的計數(shù)器。（ 2）按計數(shù)過程中計數(shù)器數(shù)值的增減可分為：加法計數(shù)器隨著計數(shù)脈沖的輸入作遞增計數(shù)的電路。減法計數(shù)器隨著計數(shù)脈沖的輸入作遞減計數(shù)的電路?？赡嬗嫈?shù)器又叫加減計數(shù)器。 在加減控制信號的作用下， 既可遞增計數(shù)， 也可遞減計數(shù)的電路。（ 3）按計數(shù)進制可分為：二進制計數(shù)器按二進制運算規(guī)律進行計數(shù)的電路。十進制計數(shù)器按十進制運

12、算規(guī)律進行計數(shù)的電路。其M 10。任意進制計數(shù)器二進制和十進制計數(shù)器之外的其他進制計數(shù)器。如三進制、 六進制、 五十進制計數(shù)器等。異步二進制計數(shù)器1異步二進制加法計數(shù)器z.（4）列狀態(tài)表由于 T觸發(fā)器只具有翻轉(zhuǎn)功能，因此當(dāng)時鐘脈沖CP的下降沿到來時，觸發(fā)器狀態(tài)將會在 0 和 1 之間變化， 但應(yīng)同時注意到，該計數(shù)器為異步時序電路，各觸發(fā)器有效的時鐘條件不同，故狀態(tài)翻轉(zhuǎn)是不同的?，F(xiàn)列出狀態(tài)表如表12-6 所示。（5）畫出狀態(tài)圖和時序圖z.由以上狀態(tài)表畫出狀態(tài)圖如圖12-14 a ）、時序圖如圖12-14 b ）所示。（ 6）歸納總結(jié)，確定該電路的邏輯功能該電路是一個異步三位二進制（八進制）加法計

13、數(shù)器。2異步二進制減法計數(shù)器z.同步二進制計數(shù)器1同步二進制加法計數(shù)器z.（3）列狀態(tài)轉(zhuǎn)換真值表三位二進制計數(shù)器共有23 8 種取值組合，將每一種取值代入以上各狀態(tài)方程中計算，求出次態(tài)，列狀態(tài)表如表12-8 所示。（4）畫出狀態(tài)圖和時序圖根據(jù)上表畫出狀態(tài)圖和時序圖分別如圖12-18 a ）、b）所示。z.（5）確定邏輯功能該電路是一個同步的二進制加法計數(shù)器。該計數(shù)器通常又稱為模8 計數(shù)器。2同步二進制減法計數(shù)器3中規(guī)模集成二進制計數(shù)器常用的集成二進制計數(shù)器有74LS191 和 74LS161，其中 74LS191 是一種功能比較強的集成四位二進制可逆計數(shù)器，而74LS161 則是集成四位二進制同步加法計數(shù)器，這里僅以74LS161 為例，討論其芯片功能及使用方法。z.十進制計數(shù)器1異步十進制加法計數(shù)器異步十進制加法計數(shù)器是在四位異步二進制加法計數(shù)器的基礎(chǔ)上經(jīng)過適當(dāng)修改獲得的。它跳過了1010 1111 六個狀態(tài)，利用自然二進制數(shù)的前十個狀態(tài)0000 1001 實現(xiàn)十進制計數(shù)。圖 12-23 是由四個