ch6時(shí)序邏輯電路

6.時(shí)序邏輯電路6.1時(shí)序邏輯電路的基本概念6.2同步時(shí)序邏輯電路的分析6.3同步時(shí)序邏輯電路的設(shè)計(jì)6.4異步時(shí)序邏輯電路的分析6.5若干典型的時(shí)序邏輯集成電路1本章要求2、熟練掌握時(shí)序邏輯電路的分析方法。1、熟練掌握時(shí)序邏輯電路的描述方式及其相互轉(zhuǎn)換。3、熟練掌握同步時(shí)序邏輯電路的設(shè)計(jì)方法。4、熟練掌握典型時(shí)序邏輯電路計(jì)數(shù)器、寄存器、移位寄存器的邏輯功能及其應(yīng)用。26.1時(shí)序邏輯電路的基本概念一、時(shí)序邏輯電路的一般化模型*電路由組合電路和存儲(chǔ)電路組成。*電路存在反饋。結(jié)構(gòu)特征:3輸出方程:

O＝f

(I，S

)激勵(lì)方程:

E＝g(I，S)狀態(tài)方程:

Sn+1＝h(E，Sn

)輸出信號(hào)與輸入信號(hào)、狀態(tài)變量的關(guān)系式激勵(lì)信號(hào)與輸入信號(hào)、狀態(tài)變量的關(guān)系式存儲(chǔ)電路從現(xiàn)態(tài)到次態(tài)的轉(zhuǎn)換關(guān)系式4二、時(shí)序邏輯電路的分類同步時(shí)序邏輯電路：存儲(chǔ)電路中所有觸發(fā)器有一個(gè)統(tǒng)一的時(shí)鐘源，它們的狀態(tài)在同一時(shí)刻更新。

異步時(shí)序邏輯電路：沒(méi)有統(tǒng)一的時(shí)鐘脈沖或沒(méi)有時(shí)鐘脈沖，電路的狀態(tài)更新不是同時(shí)發(fā)生的。

5輸出方程組激勵(lì)方程組

狀態(tài)方程組1.邏輯方程組（輸出、激勵(lì)、狀態(tài)方程）三、時(shí)序電路功能的描述方法6輸出方程組狀態(tài)方程組2.狀態(tài)表狀態(tài)轉(zhuǎn)換真值表XQ1nQ0nQ1n+1Q0n+1Z000001010011100101110111XQ1nQ0nQ1n+1Q0n+1Z00000011010101111000101011001110XQ1nQ0nQ1n+1Q0n+1Z0000000101010010110110000101101101011110XQ1nQ0nQ1n+1Q0n+1Z0000000010010100010110011001001010101101101110107將狀態(tài)轉(zhuǎn)換真值表轉(zhuǎn)換為狀態(tài)表狀態(tài)表XQ1nQ0nQ1n+1Q0n+1Z000000001001010001011001100100101010110110111010X=0X=100011011狀態(tài)轉(zhuǎn)換真值表X=0X=10000/0011011X=0X=10000/00100/11011X=0X=10000/00100/11000/11100/1X=0X=10000/010/00100/101/11000/111/01100/101/080/01/00/11/00/11/00/11/03.狀態(tài)圖X/Z狀態(tài)表X=0X=10000/010/00100/101/11000/111/01100/101/094.時(shí)序圖時(shí)序邏輯電路的四種描述方式是可以相互轉(zhuǎn)換的時(shí)序邏輯電路的工作波形圖01/000/111/000/110/000/001/000/111100001狀態(tài)表1010根據(jù)給定的時(shí)序邏輯電路圖，分析其在輸入信號(hào)的作用下，輸出信號(hào)和電路狀態(tài)變化的規(guī)律，進(jìn)而確定電路的邏輯功能。6.2同步時(shí)序邏輯電路的分析一般步驟:1.了解電路的組成：輸入、輸出信號(hào)、觸發(fā)器的類型等；４.確定電路的邏輯功能。3.根據(jù)輸出方程和狀態(tài)方程列出狀態(tài)表或畫(huà)出狀態(tài)圖和時(shí)序圖；2.根據(jù)給定的時(shí)序電路圖,寫(xiě)出邏輯方程組；11例:試分析如圖所示時(shí)序電路的邏輯功能。由兩個(gè)JK觸發(fā)器組成的同步時(shí)序電路。解：1.了解電路組成。2.列邏輯方程組。輸出方程組激勵(lì)方程組12將激勵(lì)方程分別代入JK觸發(fā)器的特性方程得到狀態(tài)方程組整理得：FF2FF1133.列出其狀態(tài)表，畫(huà)出狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖和波形圖Y=Q2Q1

11100100X=1X=0狀態(tài)表10/100/101/011/000/010/011/001/014狀態(tài)圖10/100/11101/011/01000/010/00111/001/000X=1X=0畫(huà)出狀態(tài)圖15根據(jù)狀態(tài)轉(zhuǎn)換表，畫(huà)出波形圖。1100011001111000010010110100X=1X=0Y011011001110010016X=0時(shí)電路功能：可逆計(jì)數(shù)器X=1時(shí)Y可理解為進(jìn)位或借位端。電路進(jìn)行加1計(jì)數(shù)電路進(jìn)行減1計(jì)數(shù)。４.確定電路的邏輯功能.17例2分析下圖所示的同步時(shí)序電路。激勵(lì)方程組輸出方程組Z0=Q0Z1=Q1Z2=Q21.根據(jù)電路列出邏輯方程組:18得狀態(tài)方程2.列出其狀態(tài)表將激勵(lì)方程代入D觸發(fā)器的特性方程得狀態(tài)方程Q2nQ1nQ0nQ2n+1Q1n+1Q0n+1000001001010010100011110100001101010110100111110Q2nQ1nQ0nQ2n+1Q1n+1Q0n+100000010010101111000101011011111Q2nQ1nQ0nQ2n+1Q1n+1Q0n+10000000101010100111110000101011101011111Q2nQ1nQ0nQ2n+1Q1n+1Q0n+1000001010011100101110111193.畫(huà)出狀態(tài)圖

110111100110010101001100110011100010010001001000狀態(tài)表110111100110010101001100110011100010010001001000203.畫(huà)出時(shí)序圖00010001000110001000100101021由狀態(tài)圖可見(jiàn)，電路的有效狀態(tài)是三位循環(huán)碼。從時(shí)序圖可看出，電路正常工作時(shí)，各觸發(fā)器的Q端輪流出現(xiàn)一個(gè)寬度為一個(gè)CP周期脈沖信號(hào),循環(huán)周期為3TCP。電路的功能為脈沖分配器或順序脈沖產(chǎn)生器。4、邏輯功能分析22米利型和穆?tīng)栃蜁r(shí)序電路電路的輸出是輸入變量及觸發(fā)器狀態(tài)變量的函數(shù)，這類時(shí)序電路亦稱為米利型電路米利型電路23電路輸出僅僅取決于各觸發(fā)器的狀態(tài)，而不受電路當(dāng)時(shí)的輸入信號(hào)影響或沒(méi)有輸入變量，這類電路稱為穆?tīng)栃碗娐纺聽(tīng)栃碗娐?/p>

246.3同步時(shí)序邏輯電路的設(shè)計(jì)時(shí)序邏輯電路的設(shè)計(jì)是根據(jù)實(shí)際邏輯問(wèn)題的要求，設(shè)計(jì)出能實(shí)現(xiàn)給定邏輯功能的電路。同步時(shí)序電路的設(shè)計(jì)過(guò)程：251、根據(jù)給定的邏輯功能建立原始狀態(tài)圖和原始狀態(tài)表2、狀態(tài)化簡(jiǎn)合并等價(jià)狀態(tài)，消去多余狀態(tài)，求出最簡(jiǎn)狀態(tài)圖

。在相同的輸入下有相同的輸出，并轉(zhuǎn)換到同一個(gè)次態(tài)去的兩個(gè)狀態(tài)稱為等價(jià)狀態(tài)。

①明確電路的輸入條件和相應(yīng)的輸出要求，分別確定輸入變量和輸出變量的數(shù)目和符號(hào)。②找出所有可能的狀態(tài)，以及狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系，建立原始狀態(tài)圖。③根據(jù)原始狀態(tài)圖建立原始狀態(tài)表。263、狀態(tài)編碼（狀態(tài)分配）4、選擇觸發(fā)器的類型6、畫(huà)出邏輯圖并檢查自啟動(dòng)能力給每個(gè)狀態(tài)賦以二進(jìn)制代碼的過(guò)程根據(jù)狀態(tài)數(shù)確定狀態(tài)編碼的位數(shù)（觸發(fā)器的個(gè)數(shù)），5、確定電路的激勵(lì)方程組和輸出方程組

（M:狀態(tài)數(shù)；n:觸發(fā)器的個(gè)數(shù)）2n-1<M≤2n

畫(huà)出編碼形式的狀態(tài)圖和狀態(tài)表27例1

設(shè)計(jì)一個(gè)串行數(shù)據(jù)檢測(cè)器。要求電路在輸入信號(hào)X出現(xiàn)110序列時(shí)，輸出信號(hào)Z為1，否則為0。a——初始狀態(tài);b——輸入1后;c——輸入11后;d——輸入110后。1)確定輸入、輸出變量及狀態(tài):輸入變量：X狀態(tài)數(shù)：4個(gè)輸出變量：Z解:1、根據(jù)給定的邏輯功能建立原始狀態(tài)圖和原始狀態(tài)表2)建立原始狀態(tài)圖和狀態(tài)表282.狀態(tài)化簡(jiǎn)2)建立原始狀態(tài)圖和狀態(tài)表現(xiàn)態(tài)次態(tài)/輸出X=0X=1aa

/0b

/0ba

/0c

/0cd/1c/0da/0b/0現(xiàn)態(tài)次態(tài)／輸出X=0X=1aa/0b

/0ba

/0c/0ca/1c

/0abc0/01/00/01/01/00/1293、狀態(tài)編碼令a=00，b=01，c=11，Q1nQ0nQ1n+1Q0n+1／ZX=0X=10000

/001

/00100

/011

/01100

/111

/04、選擇觸發(fā)器的類型觸發(fā)器個(gè)數(shù):兩個(gè)。類型：采用對(duì)CP下降沿敏感的JK觸發(fā)器。abc0/01/00/01/01/00/130

5.求激勵(lì)方程和輸出方程狀態(tài)表及激勵(lì)信號(hào)K0J0K1J1驅(qū)動(dòng)信號(hào)ZX0000000××00010100××10100000111101100011111100××1×01×0××1×1×0J1、K1、J0、K0、是觸發(fā)器現(xiàn)態(tài)還是次態(tài)的函數(shù)？Q1nQ0nQ1n+1Q0n+1／ZX=0X=10000

/001

/00100

/011

/01100

/111

/031

激勵(lì)方程輸出方程32

6、畫(huà)出邏輯圖,并檢查自啟動(dòng)能力激勵(lì)方程輸出方程33Q1nQ0n為10100001110/01/00/01/01/00/10/11/0能自啟動(dòng)檢查自啟動(dòng)能力當(dāng)X=0時(shí)驅(qū)動(dòng)方程輸出方程J1

=0,K1

=1;J0

=0,K0

=1Q1n+1Q0n+1=00,Z=1當(dāng)X=1時(shí)J1

=0,K1

=0;J0

=1,K0

=0Q1n+1Q0n+1=11,Z=034修改電路輸出方程35例2:用D觸發(fā)器設(shè)計(jì)狀態(tài)變化滿足下?tīng)顟B(tài)圖的時(shí)序邏輯電路361、列出原始狀態(tài)表原始狀態(tài)表f/1a/0gf/1g/0ff/1a/0ef/1e/0dd/0a/0cd/0c/0bb/0a/0aA=1A=0次態(tài)/輸出（Sn+1/Y）現(xiàn)態(tài)（Sn）37f/1a/0gf/1g

/0ff/1a/0ef/1e/0dd/0a/0cd/0c/0bb/0a/0aA=1A=0次態(tài)/輸出（Sn+1/Y）現(xiàn)態(tài)（Sn）第一次化簡(jiǎn)狀態(tài)表f/1e/0ff/1a/0ef/1e/0dd/0a/0cd/0c/0bb/0a/0aA=1A=0次態(tài)/輸出（Sn+1/Y）現(xiàn)態(tài)（Sn）2、狀態(tài)表化簡(jiǎn)38第一次化簡(jiǎn)狀態(tài)表f/1e/0ff/1a/0ef/1e/0dd/0a/0cd/0c/0bb/0a/0aA=1A=0次態(tài)/輸出（Sn+1/Y）現(xiàn)態(tài)（Sn）第二次化簡(jiǎn)狀態(tài)表d/1a/0ed/1e/0dd/0a/0cd/0c/0bb/0a/0aA=1A=0次態(tài)/輸出（Sn+1/Y）現(xiàn)態(tài)（Sn）39三種狀態(tài)分配方案狀態(tài)方案1自然二進(jìn)制碼方案2格雷碼方案3“一對(duì)一”a00000000001b00100100010c01001100100d01101001000e100110100003、狀態(tài)編碼40011/1000/0100011/1100/0011011/0000/0010011/0010/0001001/0000/0000A=1A=0次態(tài)/輸出（Sn+1/Y）現(xiàn)態(tài)（Sn）已分配狀態(tài)的狀態(tài)表a=000;b=001;c=010;d=011;e=100最簡(jiǎn)狀態(tài)表d/1a/0ed/1e/0dd/0a/0cd/0c/0bb/0a/0aA=1A=0次態(tài)/輸出（Sn+1/Y）現(xiàn)態(tài)（Sn）41狀態(tài)轉(zhuǎn)換真值表11101001000000011110111000010110011010100000001001101100001001000100100000000000Y(D0)(D1)(D2)A4、求激勵(lì)方程、輸出方程42

435、畫(huà)出邏輯電路446、畫(huà)出完整的狀態(tài)圖，檢查電路能否自啟動(dòng)。45例3用D觸發(fā)器設(shè)計(jì)一個(gè)8421BCD碼同步十進(jìn)制加計(jì)數(shù)器。000010019100100018000111107111001106011010105101000104001011003110001002010010001100000000次態(tài)現(xiàn)態(tài)計(jì)數(shù)脈沖CP的順序解：1、根據(jù)給定的邏輯功能建立原始狀態(tài)圖和原始狀態(tài)表46000010019100100018000111107111001106011010105101000104001011003110001002010010001100000000次態(tài)現(xiàn)態(tài)計(jì)數(shù)脈沖CP的順序2、確定激勵(lì)方程組0000000100011110011010100010110001001000驅(qū)動(dòng)信號(hào)4748493、畫(huà)出邏輯圖，并檢查自啟動(dòng)能力50畫(huà)出完全狀態(tài)圖電路具有自啟動(dòng)能力516.4異步時(shí)序邏輯電路的分析分析步驟:3.確定電路的邏輯功能2.列出狀態(tài)轉(zhuǎn)換表或畫(huà)出狀態(tài)圖和時(shí)序圖1.寫(xiě)出邏輯方程組b)輸出方程c)驅(qū)動(dòng)方程d)狀態(tài)方程a)時(shí)鐘方程52（1）分析狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)必須考慮各觸發(fā)器的時(shí)鐘信號(hào)作用情況；有作用，則令cpn=1；否則cpn=0根據(jù)激勵(lì)信號(hào)確定那些cpn=1的觸發(fā)器的次態(tài)，cpn=0的觸發(fā)器則保持原有狀態(tài)不變。（2）每一次狀態(tài)轉(zhuǎn)換必須從輸入信號(hào)所能觸發(fā)的第一個(gè)觸發(fā)器開(kāi)始逐級(jí)確定；（3）每一次狀態(tài)轉(zhuǎn)換都有一定的時(shí)間延遲。注意:53例：分析如圖所示異步電路。解：1.寫(xiě)出邏輯方程組①時(shí)鐘方程②輸出方程③驅(qū)動(dòng)方程CP0=CP④狀態(tài)方程CP1=Q0

54

2.列狀態(tài)表、畫(huà)狀態(tài)圖11111111010時(shí)鐘方程輸出方程CP0=CP狀態(tài)方程CP1=Q0111001CP0CP1Q0nQ1nCP011011Z狀態(tài)表100000001（CP=0表示無(wú)時(shí)鐘上升沿，CP=1表示有時(shí)鐘上升沿）55111010111001Q0nQ1nCP011011Z狀態(tài)表0000013.邏輯功能該電路是一個(gè)異步四進(jìn)制減計(jì)數(shù)器（2位異步二進(jìn)制減計(jì)數(shù)器），Z信號(hào)的上升沿可觸發(fā)借位操作。56例：分析如圖所示異步時(shí)序邏輯電路.

時(shí)鐘方程解：(1)列出邏輯方程組57010100000cp0cp1cp2111011101001110↓↓↓↓↓↓↓↓(2)列出狀態(tài)表10110010110100000000011110000110100000010001111158電路是一個(gè)異步五進(jìn)制加計(jì)數(shù)電路。(4)邏輯功能分析(3)畫(huà)出狀態(tài)圖596.5若干典型的時(shí)序邏輯集成電路6.5.1寄存器寄存器存放（取出）數(shù)碼的方式有串行和并行兩種：并行方式：數(shù)碼從各對(duì)應(yīng)位輸入（出）端同時(shí)輸入（出）。串行方式：數(shù)碼從一個(gè)輸入（出）端逐位輸入（出）。寄存器的基本操作：讀/寫(xiě)/清零。寄存器是數(shù)字系統(tǒng)中用來(lái)存儲(chǔ)代碼或數(shù)據(jù)的邏輯部件。寄存器實(shí)際上是若干觸發(fā)器的集合。一個(gè)觸發(fā)器能存儲(chǔ)1位二進(jìn)制代碼，存儲(chǔ)n位二進(jìn)制代碼的寄存器需要用n個(gè)觸發(fā)器組成。608位CMOS寄存器74HC/HCT3741111110111一、數(shù)碼寄存器僅有寄存數(shù)碼的功能618位CMOS寄存器74HC/HCT374高阻HH↑H高阻LL↑H存入數(shù)據(jù)，禁止輸出HH↑L對(duì)應(yīng)內(nèi)部觸發(fā)器的狀態(tài)LL↑L存入和讀出數(shù)據(jù)Q0~Q7DiCP輸出內(nèi)部觸發(fā)器輸入工作模式62二、移位寄存器既能寄存數(shù)碼，又能在時(shí)鐘脈沖的作用下使數(shù)碼向高位或向低位順序移動(dòng)的邏輯功能部件。按移動(dòng)方式分單向移位寄存器雙向移位寄存器左移位寄存器右移位寄存器631、單向移位寄存器（a）電路串行數(shù)據(jù)輸入端串行數(shù)據(jù)輸出端并行數(shù)據(jù)輸出端64D3=Q2nD1=Q0nD0=DSIQ0n+1=D0=DSIQ1n+1=D1=Q0nQ2n+1=D2=Q1nQ3n+1=D3=Q2n激勵(lì)方程：狀態(tài)方程：(b)工作原理D2=Q1n輸出方程：DSO=Q3n651

1

0

1

1

0

1

10

1

1

00

00

00Q0Q1Q2Q31CP2CP3CP4CP1010

00

1

1101DSI=11010000,從高位開(kāi)始輸入Q0n+1=DSIQ1n+1=Q0nQ2n+1=Q1nQ3n+1=Q2nDSO=Q3n

1

0

1

1660

00

01

00

1

0

1

0

1

1Q0Q1Q2Q35CP6CP7CP001

0

1

00000DSI=11010000,從高位開(kāi)始輸入Q0n+1=DSIQ1n+1=Q0nQ2n+1=Q1nQ3n+1=Q2nDSO=Q3n11014CP167寄存器分類（按輸入/輸出方式分）并行輸入/并行輸出串行輸入/并行輸出并行輸入/串行輸出串行輸入/串行輸出FF3FF1FF0d0d1d2d3Q0Q1Q2Q3FF2dQ0Q1Q2Q3FF3FF1FF0FF2d0d1d2d3QFF3FF1FF0FF2QdFF3FF1FF0FF268典型集成電路內(nèi)部邏輯圖8位移位寄存器74HC/HCT164DSI=DSADSB69(2)雙向移位寄存器多功能移位寄存器工作模式簡(jiǎn)圖高位移向低位----左移低位移向高位----右移70DQ0DQ1DQ2>1&11>1&>1&.RDCPS左移輸入待輸入數(shù)據(jù)由高位至低位依次輸入待輸入數(shù)據(jù)由低位至高位依次輸入101右移輸入移位控制端000000&&&&&&010方案一：71方案二：S1S0=00S1S0=01高位移向低位S1S0=10S1S0=11并行輸入不變低位移向高位72典型集成電路CMOS4位雙向移位寄存器74HC/HCT1947374HCT194的功能表

7DI3DI2DI1DI0DI3*DI2*DI1*DI0*↑××HHH6H××××↑H×LHH5L××××↑L×LHH4H××××↑×HHLH3L××××↑×LHLH2×××××××LLH1LLLL×××××××××LDI3DI2DI1DI0左移DSL右移DSRS0S1行并行輸入時(shí)鐘CP串行輸入控制信號(hào)清零輸出輸入74計(jì)數(shù)器的基本功能是對(duì)輸入時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。它也可用于分頻、定時(shí)、產(chǎn)生節(jié)拍脈沖和脈沖序列及進(jìn)行數(shù)學(xué)運(yùn)算等等。6.5.2計(jì)數(shù)器分類加法計(jì)數(shù)器減法計(jì)數(shù)器可逆計(jì)數(shù)器(按邏輯功能)異步計(jì)數(shù)器同步計(jì)數(shù)器(按計(jì)數(shù)脈沖引入方式)

二進(jìn)制計(jì)數(shù)器十進(jìn)制計(jì)數(shù)器

任意

進(jìn)制計(jì)數(shù)器(按計(jì)數(shù)制)75(1)異步二進(jìn)制計(jì)數(shù)器---4位異步二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器1、二進(jìn)制計(jì)數(shù)器CP0=CPCP1=Q0CP2=Q1CP3=Q276結(jié)論:

計(jì)數(shù)器的功能：不僅可以計(jì)數(shù)也可作為分頻器。CP0=CPCP1=Q0CP2=Q1CP3=Q2模2477如考慮每個(gè)觸發(fā)器都有1tpd的延時(shí)，電路會(huì)出現(xiàn)什么問(wèn)題？異步計(jì)數(shù)脈沖的最小周期Tmin=ntpd。（n為位數(shù)）

78典型集成電路中規(guī)模集成電路74HC/HCT393中集成了兩個(gè)4位異步二進(jìn)制計(jì)數(shù)器在5V、25℃工作條件下，74HC/HCT393中每級(jí)觸發(fā)器的傳輸延遲時(shí)間典型值為6ns。74HC/HCT393的邏輯符號(hào)79Q0在每個(gè)CP都翻轉(zhuǎn)一次Q1僅在Q0=1后的下一個(gè)CP到來(lái)時(shí)翻轉(zhuǎn)T0=1T1=Q0Q3僅在Q0=Q1=Q2=1后的下一個(gè)CP到來(lái)時(shí)翻轉(zhuǎn)T2=Q0Q1Q2僅在Q0=Q1=1后的下一個(gè)CP到來(lái)時(shí)翻轉(zhuǎn)T3=Q0Q1Q24位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器狀態(tài)表0000016111111500111140101113000111201101110010110010019000018011107001106010105000104011003001002010001000000Q0Q1Q2Q3進(jìn)位輸出電路狀態(tài)計(jì)數(shù)順序(2)同步二進(jìn)制加計(jì)數(shù)器采用T觸發(fā)器804位二進(jìn)制同步加計(jì)數(shù)器邏輯圖CE=0保持不變CE=1計(jì)數(shù)1T1T1T1T814位二進(jìn)制同步加計(jì)數(shù)器時(shí)序圖82

典型集成計(jì)數(shù)器74LVC1618374LVC161邏輯功能表輸入輸出清零預(yù)置使能時(shí)鐘預(yù)置數(shù)據(jù)輸入計(jì)數(shù)進(jìn)位CEPCETCPD3D2D1D0Q3Q2Q1Q0TCL××××××××LLLLLHL××↑D3D2D1D0D3D2D1D0*HHL××××××保持*HH×L×××××保持LHHHH↑××××計(jì)數(shù)*CR的作用？PE的作用？84例試用74LVC161構(gòu)成模216的同步二進(jìn)制計(jì)數(shù)器。852.二—十進(jìn)制計(jì)數(shù)器74HC/HCT390