第6章 時序電路地分析與設計

1、學習要點：學習要點：l時序邏輯電路的組成與特點時序邏輯電路的組成與特點 l同步時序電路的分析方法同步時序電路的分析方法l異步時序電路的分析方法異步時序電路的分析方法l同步時序電路的設計方法同步時序電路的設計方法第第6 6章章 時序電路的分析與設計時序電路的分析與設計第第6 6章章 時序電路的分析與設計時序電路的分析與設計6. 1 6. 1 時序邏輯電路概述時序邏輯電路概述1 1、時序邏輯電路的構成、時序邏輯電路的構成 包含：包含：組合邏輯組合邏輯電路和電路和存儲電路存儲電路兩部分。存儲電路具有記憶兩部分。存儲電路具有記憶功能通常由功能通常由觸發(fā)器觸發(fā)器擔任；存儲電路的狀態(tài)反饋到組合邏輯電路的擔

2、任；存儲電路的狀態(tài)反饋到組合邏輯電路的輸入端，與外部輸入信號共同決定組合邏輯電路的輸出。輸入端，與外部輸入信號共同決定組合邏輯電路的輸出。 所以，所以，時序邏輯電路中，任一時刻的輸出不僅與該時刻輸入時序邏輯電路中，任一時刻的輸出不僅與該時刻輸入變量的取值有關，而且與該時刻電路所處的變量的取值有關，而且與該時刻電路所處的狀態(tài)有關。狀態(tài)有關。 2 2、時序電路邏輯輸入輸出關系、時序電路邏輯輸入輸出關系在結構框圖中，在結構框圖中，X代表外部代表外部輸入輸入信號；信號； Q代表存儲電路的代表存儲電路的狀狀態(tài)態(tài)輸出，也是組合邏輯電路的內部輸入；輸出，也是組合邏輯電路的內部輸入；Z代表外部代表外部輸出輸出

3、信信號；號；P代表存儲電路的代表存儲電路的激勵信號激勵信號，也是組合邏輯電路的內部，也是組合邏輯電路的內部輸出。輸出。這些信號之間的邏輯關系可以用三個向量函數表示。這些信號之間的邏輯關系可以用三個向量函數表示。 輸出方程輸出方程狀態(tài)方程狀態(tài)方程激勵方程激勵方程),(),(),(1nnnnnnnnnQPHQQXGPQXFZ3 3、時序電路的分類、時序電路的分類（1） 根據時鐘分類根據時鐘分類同步時序邏輯電路同步時序邏輯電路：所有觸發(fā)器的時鐘端均連在一起由同一個時鐘脈沖觸發(fā)，使之狀態(tài)的變化都與輸入時鐘脈沖同步 。異步時序邏輯電路：異步時序邏輯電路：只有部分觸發(fā)器的時鐘端與輸入時鐘脈沖相連而被觸發(fā)，

4、而其它觸發(fā)器則靠時序電路內部產生的脈沖觸發(fā)，故其狀態(tài)變化不同步。 （2）根據輸出分類根據輸出分類米里米里Mealy型時序電路型時序電路：某時刻的輸出決定于該時刻的外部輸入X和內部狀態(tài)Q。 摩爾摩爾Moore型時序電路型時序電路：某時刻的輸出僅僅決定于存儲電路的狀態(tài)。 列方程式：各觸發(fā)器的驅動方程和輸出方程列方程式：各觸發(fā)器的驅動方程和輸出方程求狀態(tài)方程求狀態(tài)方程狀態(tài)圖、狀態(tài)表或時序圖狀態(tài)圖、狀態(tài)表或時序圖分析結果，分析結果，判斷電路邏輯功能判斷電路邏輯功能6.2 6.2 同步時序電路的分析同步時序電路的分析同步時序電路的分析步驟：同步時序電路的分析步驟：將驅動方程代入將驅動方程代入相應觸發(fā)器的

5、特相應觸發(fā)器的特征方程式中，求征方程式中，求出各個觸發(fā)器的出各個觸發(fā)器的狀態(tài)方程。狀態(tài)方程。 nnQQZ011 1 000101KJQKQJnn輸出方程：輸出方程：輸出僅與電路現態(tài)有關，為輸出僅與電路現態(tài)有關，為摩爾型時序電路。摩爾型時序電路。驅動方程：驅動方程：列方程式列方程式12求狀態(tài)方程求狀態(tài)方程JK觸發(fā)器的特性方程：觸發(fā)器的特性方程：nnnQKQJQ1將各觸發(fā)器的驅動方程代入，即得電路的狀態(tài)方程：將各觸發(fā)器的驅動方程代入，即得電路的狀態(tài)方程：nnnnnnnnnnnnnQQQQKQJQQQQQQKQJQ0000000101010111111113列狀態(tài)表列狀態(tài)表nnnnnnnQQZQQQ

6、QQ0101010110 0 10 1 00 1 11 0 01 0 11 1 01 1 10 0 10 1 11 0 11 1 10 0 00 1 01 0 01 1 000001100000010001011ZQQnn010101101011ZQQnn001101011011ZQQnn111010111011ZQQnn4畫狀態(tài)圖、時序圖畫狀態(tài)圖、時序圖例題例題6.1時序電路對應圖形時序電路對應圖形(a)狀態(tài)圖狀態(tài)圖 (b)時序圖時序圖 5電路功能電路功能有效循環(huán)的有效循環(huán)的4個狀態(tài)分別是個狀態(tài)分別是03這這4個十進制數字個十進制數字的二進制數，并且在時鐘脈沖的二進制數，并且在時鐘脈沖CP的

7、作用下，這的作用下，這4個個狀態(tài)是按遞增規(guī)律變化的，即：狀態(tài)是按遞增規(guī)律變化的，即：00011011所以這是一個所以這是一個四進制同步加法計數器四進制同步加法計數器。當對第。當對第4個個脈沖計數時，計數器又重新從脈沖計數時，計數器又重新從00開始計數，并產開始計數，并產生輸出生輸出Z1,作為進位輸出信號作為進位輸出信號 。1 1 000001212012KQQJQKQJKQQJnnnnnn驅動方程：列方程式列方程式12求狀態(tài)方程求狀態(tài)方程JK觸發(fā)器的特性方程：nnnQKQJQ1將各觸發(fā)器的驅動方程代入，即得電路的狀態(tài)方程：)(012000010CPQQQQKQJQnnnnnn)(0112111

8、111CPQQQQQKQJQnnnnnnn)(012212222212CPQQQQQQQKQJQnnnnnnnnn3列狀態(tài)表列狀態(tài)表nnnnQQQQ01210nnnnnQQQQQ011211nnnnQQQQ012121000000000000121110nnnQQQ0001100011001121110nnnQQQ0110111100110121110nnnQQQ0010001101010121110nnnQQQ0100010000100121110nnnQQQ0101110010101121110nnnQQQ0011001111011121110nnnQQQ01111111101111211

9、10nnnQQQ4畫狀態(tài)圖、時序圖畫狀態(tài)圖、時序圖例題例題6.2時序電路對應圖形時序電路對應圖形(a)狀態(tài)圖狀態(tài)圖 (b)時序圖時序圖 5電路功能電路功能1）從狀態(tài)表可知：計數器輸出Q2Q1Q0共有八種狀態(tài)000111。2）從狀態(tài)圖可知：隨著CP脈沖的遞減，觸發(fā)器輸出Q2Q1Q0會進入一個循環(huán)過程，此循環(huán)過程包括了五個輸出狀態(tài)稱為有效狀態(tài)，另外三個輸出狀態(tài)不在循環(huán)中稱為無效狀態(tài)。而且，不論電路從哪一個狀態(tài)開始工作，在CP脈沖作用下，觸發(fā)器輸出的狀態(tài)都會進入有效循環(huán)圈內，這種情況可叫做電路能夠自啟動；反之，則此電路不能自啟動。 綜上所述，此電路是具有自啟動功能的同步五進制減法計數器。 驅動方程：

10、列方程式列方程式1_132132nnnDQDQDQ；2求狀態(tài)方程求狀態(tài)方程D觸發(fā)器的特性方程：DQn1將各觸發(fā)器的驅動方程代入，即得電路的狀態(tài)方程：nnnnnnQDQQDQQDQ311112122313現 態(tài)次 態(tài)輸 出nnnQQQ012 101112 nnnQQQY3計算、列狀態(tài)表計算、列狀態(tài)表0 0 00 0 10 1 11 1 11 1 01 0 00 1 01 0 10 0 10 1 11 1 11 1 01 0 00 0 01 0 10 1 0nnnnnnQDQQDQQDQ3111121223131000311112213nnnnnnQQQQQQ1010311112213nnnnnn

11、QQQQQQ1011311112213nnnnnnQQQQQQ0111311112213nnnnnnQQQQQQ0101311112213nnnnnnQQQQQQ0100311112213nnnnnnQQQQQQ1001311112213nnnnnnQQQQQQ0110311112213nnnnnnQQQQQQ4畫狀態(tài)圖、時序圖畫狀態(tài)圖、時序圖例題例題6.3時序電路對應圖形時序電路對應圖形(a)狀態(tài)圖狀態(tài)圖 (b)時序圖時序圖 5電路功能電路功能有效循環(huán)的有效循環(huán)的6個狀態(tài)，在時鐘脈沖個狀態(tài)，在時鐘脈沖CP的作用的作用下，這下，這6個狀態(tài)是按遞增規(guī)律變化的，即：個狀態(tài)是按遞增規(guī)律變化的，即：0

12、00001011111110100000所以這是一個所以這是一個六進制同步加法計數器六進制同步加法計數器。 兩個無效輸出的狀態(tài)不會在兩個無效輸出的狀態(tài)不會在CP脈沖作用脈沖作用下進入有效循環(huán)圈內，所以此電路下進入有效循環(huán)圈內，所以此電路不能自啟不能自啟動。動。 6.3 6.3 異步時序電路的分析異步時序電路的分析 異步時序電路與同步時序電路的不同之處在于各個觸發(fā)器所連接的時鐘脈沖不是同一個，因而每個觸發(fā)器要根據各自的觸發(fā)脈沖來確定其是否動作。所以，異步時序電路的分析與同步時序電路分析方法基本相同，但還需另外寫出時鐘方程，從而找出每次電路狀態(tài)轉換時各觸發(fā)器是否觸發(fā)。異步時序電路，時鐘方程：驅動方

13、程：1寫方程式寫方程式CPCPQCPCPCP1123， 1 1 11 131223213KQJKJKQQJnn2求狀態(tài)方程求狀態(tài)方程JK觸發(fā)器的特性方程：nnnQKQJQ1將各觸發(fā)器的驅動方程代入，即得電路的狀態(tài)方程：)(32113CPQQQQnnnn)(1212QQQnn)(1311CPQQQnnn3計算、列狀態(tài)表計算、列狀態(tài)表)(32113CPQQQQnnnn)(1212QQQnn)(1311CPQQQnnn4畫狀態(tài)圖、時序圖畫狀態(tài)圖、時序圖狀態(tài)圖狀態(tài)圖時序圖時序圖 5電路功能電路功能 由此可看出該電路是異步五進制加法計數器，且具有自啟動能力。6. 3 同步時序電路的設計方法同步時序電路的

14、設計方法 時序電路的設計是分析的逆過程，是根據邏輯設計命題的要求，選擇適當的器件，設計出合理的邏輯電路。同步同步時序邏輯電路的一般設計過程可按照狀態(tài)圖狀態(tài)表狀態(tài)方程、輸出方程和驅動方程邏輯電路圖（同時檢查自啟動） 的步驟進行。1由題意列狀態(tài)圖由題意列狀態(tài)圖用JK觸發(fā)器設計一個十進制加法計數器。 確定所需觸發(fā)器個數確定所需觸發(fā)器個數 2因為十進制計數器所需紀錄的狀態(tài)有19共十個不同的狀態(tài)，又因為231024，所以需要四級觸發(fā)器。 3列狀態(tài)表列狀態(tài)表進位標志約束項4求狀態(tài)方程、驅動方程及輸出方程求狀態(tài)方程、驅動方程及輸出方程 根據狀態(tài)表填寫次態(tài)和輸出函數卡諾圖，從而求得次態(tài)和輸出方程組，然后將各狀

15、態(tài)方程與所選用的觸發(fā)器的特征方程對比，便可求出驅動方程。 輸出方程：41nnZQ Q本題要求選用JK觸發(fā)器，為了使狀態(tài)方程與觸發(fā)器的特征方程便于對比，一定要將狀態(tài)方程寫成如上圖的形式。即，必須將次態(tài)卡諾圖按現態(tài)Qi=1和Qi=0分成兩個區(qū)域，然后分別在各自區(qū)域內畫圈簡化，這樣就可方便地求得Qi的系數Ji和Ki。 _14123414_131231323_123123_ _1214212_111nnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnQQ Q Q QQ QQQ Q QQ QQ QQ Q QQ Q QQQ Q QQ QQQ比較，得驅動方程：nnnQKQJQ1_14123414_13

16、1231323_123123_ _1214212_111nnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnnQQ Q Q QQ QQQ Q QQ QQ QQ Q QQ Q QQQ Q QQ QQQ412341312312_21421111nnnnnnnnnnnJQ Q QKQJQ QKQ QJQ QKQJK；電路圖電路圖5檢查電路能否自啟動檢查電路能否自啟動6根據前面求得的狀態(tài)方程和輸出方程，將無效狀態(tài)將10101111六個狀態(tài)逐個代入，求得次態(tài)。 可見電路能夠自啟動。求得完整狀態(tài)轉換圖1由題意列由題意列狀態(tài)圖狀態(tài)圖用D觸發(fā)器設計一個可逆四進制計數器 ，即電路有一個輸入控制端X，當X=0時，為加法計數器；當X=1時，為減法計數器。確定所需觸發(fā)器個數確定所需觸發(fā)器個數 2由2n4知道，應選n=2，即采用兩級D觸發(fā)器實現，該時序電路有兩個狀態(tài)變量，設狀態(tài)變量為Q1、Q0，Z為進/借位輸出標志的輸出端。3列狀態(tài)表列狀態(tài)表進借位標志