數(shù)字邏輯電路課件：6、第六章 一二節(jié) 同步時序分析

1、 了解時序電路的基本結構、分類和常用的描述方法； 熟練掌握同步時序電路分析和設計的基本方法； 熟悉狀態(tài)圖的建立，狀態(tài)簡化和狀態(tài)分配的各個重要環(huán)節(jié)。一個電路在任何時刻的穩(wěn)定輸出不僅與該時刻電路的輸入信號有關，而且與該電路過去的輸入有關，這樣的電路稱為時序電路。時序電路由組合電路和存儲(記憶)器件及反饋回路三部分組成，見下圖.x1z1組合電路存儲器件xnzmyry1Y1Ylx1 . xn：時序電路的輸入或外部輸入；時序電路的輸入或外部輸入；z1 . zm：時序電路的輸出或外部輸出；時序電路的輸出或外部輸出；y1. yr：時序電路的狀態(tài)或內部輸入；時序電路的狀態(tài)或內部輸入；Y1 . Yl：時序電路的

2、激勵或內部輸出；時序電路的激勵或內部輸出；狀態(tài)狀態(tài)：過去的輸入已不存在，但可以通過存儲器件把它們記錄下來，稱之為狀態(tài)。記錄下來的信息可能和過去的輸入完全一樣，也可能是經(jīng)過了組合電路加工處理后的結果。我們把某一時刻之前的狀態(tài)稱為現(xiàn)態(tài)，把這一時刻之后的狀態(tài)稱為次態(tài)，現(xiàn)態(tài)和次態(tài)是一個相對的概念，分別用y(n)(或y)和y(n+1)表示。 時序電路的邏輯函數(shù)由下列方程組成：時序電路的邏輯函數(shù)由下列方程組成：Zi= fi (x1,， xn ; y1,， yr ) , i=1, , mYj= gj (x1,， xn ; y1,， yr ) , j=1, , l輸出方程激勵方程2.時序邏輯電路的分類時序邏輯

3、電路的分類:1 1）按照電路的工作方式）按照電路的工作方式 同步時序邏輯電路同步時序邏輯電路和和異步時序邏輯電路異步時序邏輯電路 （根據(jù)是否有統(tǒng)一時鐘脈沖（根據(jù)是否有統(tǒng)一時鐘脈沖CPCP）n同步時序電路同步時序電路 特點：特點：電路中有統(tǒng)一的定時信號，存儲器件采用時鐘控制觸發(fā)器，電路狀態(tài)在時鐘脈沖控制下同時發(fā)生轉換，即電路狀態(tài)的改變依賴于輸入信號和時鐘脈沖信號。 具體說： 狀態(tài)如何變？ 取決與輸入信號； 狀態(tài)何時變? 取決于時鐘信號； 每個狀態(tài)維持多久？ 取決于時鐘脈沖。 在研究同步時序邏輯電路時，通常不把同步時鐘信號作為輸入信號處理，而是將它當成一種默認的時間基準。 對時鐘的要求：對時鐘的要

4、求： 脈沖的寬度：必須保證觸發(fā)器可靠翻轉； 脈沖的頻率：必須保證前一個脈沖引起的電路響應完全結束后，后一個脈沖才能到來。n異步時序邏輯電路異步時序邏輯電路 異步時序邏輯電路的存儲電路可由觸發(fā)器或延時元件組成，電路中沒有統(tǒng)一的時鐘脈沖信號同步，電路外部輸入信號的變化將直接導致電路狀態(tài)的變化。 在狀態(tài)轉移過程中，各存儲元件的狀態(tài)變化不一定發(fā)生在同一時刻，不同狀態(tài)的維持時間不一定相同。 在研究異步時序邏輯電路時，對輸入信號的形式有所區(qū)分。（脈沖還是電平）兩種時序電路類型見下圖：(a) 同步時序電路x1z1組合電路存儲器件或延時器件xnzmyry1Y1Yl(b) 異步時序電路x1z1組合電路存儲器件x

5、nzmyry1Y1Yl時鐘1JC11K1JC11K1JC11K&FF1FF0FF2ZCPQ2Q1Q0同步二進制加法計數(shù)器1JC11K1JC11K1JC11K&FF1FF0FF2CPZQ2Q1Q0異步二進制加法計數(shù)器2 2）按照電路輸出與輸入是否直接相關）按照電路輸出與輸入是否直接相關 Mealy型和Moore型 輸出狀態(tài)僅與存儲電路的輸出狀態(tài)僅與存儲電路的狀態(tài)狀態(tài)Q有關，而與輸入有關，而與輸入X無直接關系無直接關系。米里（米里（Mealy）型）型摩爾（摩爾（Moore）型）型 輸出狀態(tài)不僅與存儲電路的輸出狀態(tài)不僅與存儲電路的狀態(tài)狀態(tài)Q Q有關，而且與外有關，而且與外部部輸入輸入

6、X X也有關。也有關。Zi= fi (x1,， xn ; y1,， yr ) , i=1, , mZi= fi (y1,， yr ) , i=1, , m 也可觀察輸出函數(shù)中是否有電路輸入，如果沒有輸入信號或者電路無專門的外部輸出信號，都視為Moore型電路的特例） 無論是同步時序邏輯電路或是異步時序邏輯電路，均有Mealy型和Moore型兩種模型。3 3）按照輸入信號的形式）按照輸入信號的形式 脈沖信號和電平信號 具體的有同步輸入脈沖、同步輸入電平、異步輸入脈沖、異步輸入電平時序電路輸入信號的波形圖：時鐘脈沖(CP)同步脈沖01111100異步脈沖11111000同步電平01111100異步

7、電平10000111狀態(tài)表與狀態(tài)圖是用來表示同步時序電路的輸入、輸出、現(xiàn)態(tài)、次態(tài)之間轉移關系的兩種常用工具。如果同步時序電路的輸出是輸入和現(xiàn)態(tài)的函數(shù)，即Zi= fi (x1,， xn ; y1,， yr ) , i=1, , m ，則稱該電路為Mealy型電路。Mealy 型電路狀態(tài)表現(xiàn)態(tài)次態(tài) / 輸出輸入xyy(n+1)/Z該表表明：處在狀態(tài)y的同步時序電路，當輸入為x時，輸出為z，且在時鐘脈沖作用下，電路進入次態(tài)y(n+1)。某Mealy 型電路狀態(tài)表現(xiàn) 態(tài)次態(tài) / 輸出(y(n+1)/Z)x = 0yA / 0A / 0B / 0 x = 1B / 0C / 0A / 1ABC狀態(tài)圖是一

8、種反映同步時序電路狀態(tài)轉移規(guī)律和輸入、輸出取值關系的有向圖。yx/zy(n+1)Mealy型電路狀態(tài)圖某Mealy型電路狀態(tài)圖ACB0/01/00/00/01/01/1如果同步時序電路的輸出僅是現(xiàn)態(tài)的函數(shù), 即Zi= fi (y1, yr ) , i=1, , m , 則稱電路為Moore型電路。它的電路結構圖可表示為:x1組合電路xnyry1Y1Yl存儲器件組合電路z1zmMoore 型電路狀態(tài)表現(xiàn) 態(tài)次 態(tài)輸入xyy(n+1)Z輸 出該表表明：當電路處于狀態(tài)y時，輸出為z，若輸入為x，則在時鐘脈沖作用下，電路進入次態(tài)y(n+1)。某Moore 型電路狀態(tài)表現(xiàn) 態(tài)次 態(tài) y(n+1)x =

9、0yCBBx = 1ABC輸 出ZBCA010Moore型電路狀態(tài)圖某Moore型電路狀態(tài)圖y/zxy(n+1)ZC/0A/0B/1010110對一個給定的時序邏輯電路，研究在一系列輸入信號作用下，電路將會產(chǎn)生怎樣的輸出，進而說明該電路的邏輯功能。實際上是要求出電路的狀態(tài)表、狀態(tài)圖或時間圖，并作出功能評述。邏輯電路圖輸出函數(shù)和激勵函數(shù)表達式 觸發(fā)器次態(tài)方程觸發(fā)器功能表狀態(tài)表和狀態(tài)圖用時間圖和文字描述電路邏輯功能列出狀態(tài)轉移真值表 電路次態(tài)方程組表格法代數(shù)法用表格法分析下圖所示的同步是序邏輯電路1K1J1CK2J2CY2Y1CP1X輸入信號電路狀態(tài)激勵信號激勵信號同步同步Moore型：寫出輸出函

10、數(shù)和激勵函數(shù)表達式。J1=K1=1 J2=K2=x y1：列出狀態(tài)轉移真值表?，F(xiàn) 態(tài)y2 y1 激 勵 函 數(shù)J2K2J1K1次 態(tài)y2 (n+1) y1 (n+1)000011110 00 11 01 10 00 11 01 1010110100101101011111111111111110 11 01 10 01 10 00 11 0輸 入x作出狀態(tài)表和狀態(tài)圖。次 態(tài) y2 (n+1)y1 (n+1)0 00 11 01 1現(xiàn) 態(tài) y2 y1 x = 0 x = 10 11 01 10 01 10 00 11 00001101101100110 x用時間圖和文字描述電路和邏輯功能。當x=

11、0時,該電路進行同步模4加1計數(shù),計數(shù)序列為:00011011當x=1時,該電路進行同步模4減1計數(shù),計數(shù)序列為:00111001時間圖的作法：時間圖的作法： 選定一個典型的輸入序列； 根據(jù)選定的典型輸入序列，求出狀態(tài)響應序列(和輸出響應序列)輸入序列為：x=11110000,初態(tài)： y2y1=00 CP: 12345678 x: 11110000 y2: 01100011 y1: 01010101y2(n+1): 11000110 y1(n+1): 10101010 畫時間圖:11110000y1y2x12345678CP試有代數(shù)法分析下圖所示的同步時序邏輯電路。1D1CD2Cy2CPx&a

12、mp;y1z同步輸入信號電路狀態(tài)激勵信號輸出信號Mealy型寫出輸出函數(shù)和激勵函數(shù)表達式。Z=x y2 y1D2 = x + y2 + y1 = x y2 y1D1 = x把激勵函數(shù)表達式代入觸發(fā)器的次態(tài)方程，得到電路的次態(tài)方程組。y1(n+1)D1 xy2(n+1) D2 x y2 y1根據(jù)次態(tài)方程組和輸出函數(shù)表達式作出狀態(tài)表和狀態(tài)圖。次態(tài)/輸出( y2 (n+1) y1 (n+1)/Z)0 00 11 11 0現(xiàn) 態(tài) y2 y1 x = 0 x = 100/010/000/000/001/001/001/001/1000110111/0 x/z0/00/00/01/01/10/01/0：作

13、出時間圖，并說明電路的邏輯功能。典型輸入序列：x = 01011101初態(tài)： y2 y1= 00狀態(tài)響應序列和輸出響應序列為： CP: 12345678 x: 01011101 y2: 00010001 y1: 00101110y2(n+1): 00100010 y1(n+1): 01011101 Z: 00010001CPxy2y1Z12346785功能說明：功能說明：該電路是一個101序列檢測器。y1y0y2T0D1J2K2=11xZCP=1例：例：分析下面的同步時序邏輯電路。 00yxT01yD 12yJ 12yK 210yyyZ000000)1(0yTyTyTynxxyyx0)(000

14、1)1(1yDyn2222)1(2yKyJyn12121yyyyy解：解：（1）列出激勵函數(shù)與輸出函數(shù) （2）寫出電路的次態(tài)方程組。將激勵函數(shù)表達式代入相應觸發(fā)器的次態(tài)方程得： y2y1y0Zx=0 x=100001111001100110101010100110011010101010000000000110011010101011111111101101001（3）作出電路的狀態(tài)表和狀態(tài)圖。 )1(2ny)1(1ny)1(0ny01111000000/0001/1010/0011/0111/1110/0101/0100/100100111 該電路是一個3位串行輸入的移位寄存器。在時鐘的作用下，x寄存到該寄存器的低位，寄存器的內容從低位向高位左移一位，原來的最高位丟棄。輸出Z完成