時(shí)序邏輯電路數(shù)字部分

時(shí)序邏輯電路數(shù)字部分第1頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五概述一、時(shí)序電路的特點(diǎn)1.定義

任何時(shí)刻電路的輸出，不僅和該時(shí)刻的輸入信號有關(guān)，而且還取決于電路原來的狀態(tài)。2.電路特點(diǎn)(1)與時(shí)間因素(CP)有關(guān)；(2)含有記憶性的元件(觸發(fā)器)。組合邏輯電路存儲電路…………x1…xiy1…yjw1wkq1ql輸入輸出第2頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五二、時(shí)序電路邏輯功能表示方法1.邏輯表達(dá)式(1)輸出方程(3)狀態(tài)方程(2)驅(qū)動方程2.狀態(tài)表、卡諾圖、狀態(tài)圖和時(shí)序圖組合邏輯電路存儲電路…………x1…xiy1…yjw1wkq1qlx1y1y2JKQ1Q2x21J1KC1CP第3頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五三、時(shí)序邏輯電路分類1.按邏輯功能劃分：計(jì)數(shù)器、寄存器、讀/寫存儲器、順序脈沖發(fā)生器等。2.按時(shí)鐘控制方式劃分：同步時(shí)序電路觸發(fā)器共用一個(gè)時(shí)鐘CP，要更新狀態(tài)的觸發(fā)器同時(shí)翻轉(zhuǎn)。異步時(shí)序電路電路中所有觸發(fā)器沒有共用一個(gè)CP。3.按輸出信號的特性劃分：Moore型Mealy型存儲電路Y(tn)輸出WQX(tn)輸入組合電路CPY(tn)輸出CPX(tn)輸入存儲電路組合電路組合電路第4頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五5.1時(shí)序電路的基本分析和設(shè)計(jì)方法5.1.1時(shí)序電路的基本分析方法1.分析步驟時(shí)序電路時(shí)鐘方程驅(qū)動方程狀態(tài)表狀態(tài)圖時(shí)序圖CP觸發(fā)沿特性方程輸出方程狀態(tài)方程計(jì)算第5頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五2.分析舉例寫方程式時(shí)鐘方程輸出方程(同步)驅(qū)動方程狀態(tài)方程特性方程(Moore型)[例5.1.1][解]1J1KC11J1KC11J1KC1&FF1FF0FF2CPY第6頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五計(jì)算，列狀態(tài)轉(zhuǎn)換表CPQ2Q1Q0Y012345012000100110111111111010100010110110101畫狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖000001/1011/1111/1110/1100/1/0有效狀態(tài)和有效循環(huán)010101/1/1無效狀態(tài)和無效循環(huán)能否自啟動?能自啟動：存在無效狀態(tài)，但沒有形成循環(huán)。不能自啟動：無效狀態(tài)形成循環(huán)。第7頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五方法2

利用卡諾圖求狀態(tài)圖11001100Q2n+1Q2nQ1nQ0n010001111001100110Q1n+1Q2nQ1nQ0n010001111000001111Q0n+1Q2nQ1nQ0n0100011110Q2n+1Q1n+1Q0n+1Q1nQ0nQ2n0100011110001011111101000010110100000001011111110100010101第8頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五畫時(shí)序圖000001/1011/1111/1110/1100/1/0123456CPCP下降沿觸發(fā)Q2Q1Q0000001011111110100000Y第9頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五Mealy型[例5.1.2]時(shí)鐘方程輸出方程驅(qū)動方程狀態(tài)方程[解]寫方程式第10頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五10110100Q2n+1SQ2nQ1nQ0n00011110010010010001111010101010Q1n+1SQ2nQ1nQ0n00011110101010000001111010011001Q0n+1SQ2nQ1nQ0n000111101001100100011110S=0Q2n+1Q1n+1Q0n+1Q1nQ0nQ2n0100011110001010100011101110000111S=1Q1nQ0nQ2n010001111000101010001110100000011111111111第11頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五狀態(tài)轉(zhuǎn)換表輸入現(xiàn)態(tài)次態(tài)輸出SQ2nQ1nQ0nQ2n+1Q1n+1Q0n+1Y1Y2000000001111111100000101001110010111011100000101001110010111011100101001110010111011100000101001110010100011100000000000000000010000000000100011狀態(tài)圖000001/00010/00011/00100/00101/001100/001110/000/011/101101111/00能自啟動S/Y1Y21/11第12頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五000001/00010/00011/00100/00101/001100/001110/000/011/101101111/00畫時(shí)序圖當(dāng)S=0時(shí)，每8個(gè)CP一個(gè)循環(huán)；當(dāng)S=1時(shí)，每6個(gè)CP一個(gè)循環(huán)。第13頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五[例5.1.3]異步時(shí)序電路1DC11DC11DC1&FF1FF0FF2CP&[解]時(shí)鐘方程驅(qū)動方程狀態(tài)方程(CP有效)(Q0有效)(CP有效)寫方程式第14頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五求狀態(tài)轉(zhuǎn)換表CP↑CP↑10CP↑1CP↑0CP↑0CP↑CP↑000CP↑Q0↑0Q0↓1Q0↑1Q0↓0Q0↑0Q0↓1Q0↑1Q0↓0CP↑CP↑00CP↑0CP↑1CP↑0CP↑CP↑001CP↑000001010

011100101110111能自啟動第15頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五畫時(shí)序圖000001010

011

100不畫無效狀態(tài)12345CPQ0Q0Q1Q2第16頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五5.1.2時(shí)序電路的基本設(shè)計(jì)方法1.設(shè)計(jì)的一般步驟時(shí)序邏輯問題邏輯抽象狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖（表）狀態(tài)化簡最簡狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖（表）電路方程式（狀態(tài)方程）求出驅(qū)動方程選定觸發(fā)器的類型邏輯電路圖檢查能否自啟動第17頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五1/1[例1]設(shè)計(jì)一個(gè)串行數(shù)據(jù)檢測電路，要求輸入3或3個(gè)以上數(shù)據(jù)1時(shí)輸出為1，否則為0。[解]邏輯抽象，建立原始狀態(tài)圖S0—原始狀態(tài)(0)S1—輸入1個(gè)1S2—連續(xù)輸入2個(gè)1S3—連續(xù)輸入3或3個(gè)以上1S0S1S2S3X—輸入數(shù)據(jù)Y—輸出入數(shù)據(jù)0/01/00/01/00/00/01/1狀態(tài)化簡S0S1S20/01/00/01/00/01/10/00/02.設(shè)計(jì)舉例第18頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五狀態(tài)分配、狀態(tài)編碼、狀態(tài)圖S0S1S20/01/00/01/00/01/1M=3，取n=2S0

=00S1

=01S2

=110001110/01/00/01/00/01/1選觸發(fā)器、寫方程式選JK()觸發(fā)器,同步方式輸出方程Q1nQ0nX0100011110Y000001Q11Q01狀態(tài)方程第19頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五驅(qū)動方程約束項(xiàng)&邏輯圖CPX1Y1J1KC1FF0Q0(Mealy型)無效狀態(tài)

10000010000/01111111/1能自啟動Q11KC1FF1&1J第20頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五[例2]設(shè)計(jì)一個(gè)自動售飲料機(jī)的邏輯電路。它的投幣口每次只能投入一枚五角或一元的硬幣。投入一元五角錢硬幣后機(jī)器自動給出一杯飲料；投入兩元（兩枚一元）硬幣后，在給出飲料的同時(shí)找回一枚五角的硬幣。解：1、邏輯抽象，得出電路的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖或狀態(tài)轉(zhuǎn)換表輸入變量：取投幣信號，用A和B表示輸出變量：給出飲料和找錢，用Y和Z表示投入一枚一元硬幣時(shí)A=1；未投入時(shí)A=0投入一枚五角硬幣時(shí)B=1；未投入時(shí)B=0給出飲料時(shí)Y=1，不給時(shí)Y=0找回一枚五角硬幣時(shí)Z=1，不找時(shí)Z=0狀態(tài)轉(zhuǎn)換表ABYZSn+1S0S0S1S2000110S0/00S1/00S2/00S1/00S2/00S0/10S2/00S0/10S0/11///11未投幣前電路的初始狀態(tài)投入五角硬幣后電路的狀態(tài)投入一元硬幣后電路的狀態(tài)第21頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五狀態(tài)轉(zhuǎn)換表ABYZSn+1S0S0S1S2000110S0/00S1/00S2/00S1/00S2/00S0/10S2/00S0/10S0/11///11電路的狀態(tài)M=3根據(jù)取觸發(fā)器的位數(shù)n=2令觸發(fā)器狀態(tài)Q1Q0的00、01、10分別代表S0、S1、S2可得到表示電路次態(tài)/輸出的卡諾圖AB00/0001/00/10/0000011110()0001111010/0000/10/00/11/01/0010/00/00/10///2、狀態(tài)分配第22頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五3、選定觸發(fā)器的類型，求出電路的狀態(tài)方程、驅(qū)動方程和輸出方程。

選擇JK觸發(fā)器組成這個(gè)邏輯電路。將之前所得的卡諾圖分解為分別表示、、Y、Z的4個(gè)卡諾圖。AB00/0001/00/10/00000111100001111010/0000/10/00/11/01/0010/00/00/10///狀態(tài)方程輸出方程AB00/0001/00/10/00000111100001111010/0000/10/00/11/01/0010/00/00/10///0101000001111000100011110Q1nQ0nABAB00/0001/00/10/00000111100001111010/0000/10/00/11/01/0010/00/00/10///0010100001111000000011110Q1nQ0nABAB00/0001/00/10/00000111100001111010/0000/10/00/11/01/0010/00/00/10///1000000001111011000011110Q1nQ0nABAB00/0001/00/10/00000111100001111010/0000/10/00/11/01/0010/00/00/10///0000000001111010000011110Q1nQ0nAB第23頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五JK觸發(fā)器的特性方程：狀態(tài)方程故得到驅(qū)動方程：第24頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五4、根據(jù)得到的方程式畫出邏輯圖。CP1KC1FF1&1JQ11KC1FF0&1JQ0B&≥1A≥111&&&≥1YZ第25頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五5、檢查設(shè)計(jì)的電路能否自啟動無效狀態(tài)11狀態(tài)方程1111100AB=00時(shí)，110011011AB=01時(shí)，不能自啟動；返回到S0狀態(tài)，100110100輸出方程1111100010但收費(fèi)結(jié)果錯(cuò)誤；AB=10時(shí)，返回到S2狀態(tài)，011001010011111但收費(fèi)結(jié)果錯(cuò)誤。改進(jìn)措施：可在電路中加上異步清零端RD，開始工作時(shí)在RD端加上低電平信號將電路清零。第26頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五按如下狀態(tài)圖設(shè)計(jì)時(shí)序電路。000/0/0/0/0/0001010011100101/1[解]已給出最簡狀態(tài)圖，若用同步方式：輸出方程0001111001Y000001為方便，略去右上角標(biāo)n。狀態(tài)方程00011110011010100100011[例3]第27頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五選用JK觸發(fā)器驅(qū)動方程約束項(xiàng)邏輯圖CP1KC1FF1&1JY1J1KC1FF01KC1FF2&1J1&檢查能否自啟動：110111000能自啟動/0/1(Moore型)第28頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五[例4]設(shè)計(jì)一個(gè)帶進(jìn)位輸出的七進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器。解：1、邏輯抽象，得出電路的狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖或狀態(tài)轉(zhuǎn)換表。/1/0/0/0/0/0/0000010001101011100110電路的狀態(tài)M=7，取觸發(fā)器的個(gè)數(shù)n=32、狀態(tài)分配Q2Q1Q0/C3、選定觸發(fā)器的類型，求出電路的狀態(tài)方程、驅(qū)動方程和輸出方程。根據(jù)

選擇JK觸發(fā)器組成這個(gè)邏輯電路，且所需觸發(fā)器的個(gè)數(shù)為3。第29頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五由狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖可得到表示電路次態(tài)/輸出的卡諾圖如下所示。()/1/0/0/0/0/0/00000100011010111001100100011110100/0/001/0101/0010/0110/0011/0000/1計(jì)數(shù)器的輸出進(jìn)位信號由電路的110狀態(tài)譯出0100011110100/0/001/0101/0010/0110/0011/0000/101000111100100011狀態(tài)方程0100011110100/0/001/0101/0010/0110/0011/0000/1010001111011100000100011110100/0/001/0101/0010/0110/0011/0000/101000111100010101輸出方程第30頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五JK觸發(fā)器的特性方程：狀態(tài)方程驅(qū)動方程第31頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五4、根據(jù)得到的方程式畫出邏輯圖1KC1FF11JQ11KC1FF01JQ0CP≥1≥11&C1KC1FF2&1JQ2&第32頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五5、檢查設(shè)計(jì)的電路能否自啟動無效狀態(tài)111狀態(tài)方程001輸出方程0/1/0/0/0/0/0/0000010001101011100110111/0

能自啟動1111111111111111第33頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五CPC6、實(shí)際應(yīng)用1KC1FF11JQ11KC1FF01JQ0≥1≥11&1KC1FF2&1JQ2&Ya+VCC顯示譯碼器YbYcYdYeYfYgA3A2A1A000010010201030114100510161107000180010第34頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五5.2計(jì)數(shù)器(Counter)一、計(jì)數(shù)器的功能及應(yīng)用1.功能：對時(shí)鐘脈沖CP計(jì)數(shù)。2.應(yīng)用：分頻、定時(shí)、產(chǎn)生節(jié)拍脈沖和脈沖序列、進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算等。二、計(jì)數(shù)器的特點(diǎn)1.輸入信號：計(jì)數(shù)脈沖CPMoore型2.主要組成單元：時(shí)鐘觸發(fā)器第35頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五三、計(jì)數(shù)器的分類按數(shù)制分：二進(jìn)制計(jì)數(shù)器十進(jìn)制計(jì)數(shù)器N進(jìn)制(任意進(jìn)制)計(jì)數(shù)器按計(jì)數(shù)方式分：加法計(jì)數(shù)器減法計(jì)數(shù)器可逆計(jì)數(shù)(Up-DownCounter)按時(shí)鐘控制分：同步計(jì)數(shù)器(Synchronous)異步計(jì)數(shù)器(Asynchronous)按開關(guān)元件分：TTL計(jì)數(shù)器CMOS計(jì)數(shù)器第36頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五74161的狀態(tài)表

輸入

輸出

注CRLDCTP

CTTCPD3D2D1D0Q3n+1Q2n+1Q1n+1Q0n+1CO010

d3

d2

d1d0

111111011000000d3

d2

d1

d0

計(jì)數(shù)

保持

保

持

0清零置數(shù)CR

=

1,LD

=

1,CP，CTP=CTT=

1二進(jìn)制同步加法計(jì)數(shù)CTPCTT=0CR

=

1，LD=

1，保持若CTT=0CO=0若CTT=174163四、集成二進(jìn)制同步計(jì)數(shù)器1.集成4位二進(jìn)制同步加法計(jì)數(shù)器第37頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五1234567816151413121110974161(3)VCCCOQ0Q1Q2Q3CTTLDCR

CP

D0

D1D2D3

CTP地引腳排列圖邏輯功能示意圖74161Q0Q1Q2Q3CTTLDCOCPCTPCR

D0

D1D2D3000000110011CR=0Q3Q0=0000同步并行置數(shù)CR=1，LD=0，CP異步清零Q3Q0=D3D01)74LS161和74LS163第38頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五2)

CC4520VDD2CR

2Q32Q22Q12Q02EN2CP1CP1EN1Q0

1Q1

1Q1Q31CRVSS12345678161514131211109CC4520CC4520Q0Q1Q2Q3ENCPCR使能端也可作計(jì)數(shù)脈沖輸入計(jì)數(shù)脈沖輸入也可作使能端異步清零

輸入

輸出CRENCPQ3n+1Q2n+1Q1n+1Q0n+110100

00010000加計(jì)數(shù)加計(jì)數(shù)

保持保

持

第39頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五2.集成4位二進(jìn)制同步可逆計(jì)數(shù)器1)74191（單時(shí)鐘）74191Q0Q1Q2Q3U/DLDCO/BOCPCTD0

D1D2D3RC加計(jì)數(shù)時(shí)CO/BO=Q3nQ2nQ1nQ0n并行異步置數(shù)減計(jì)數(shù)時(shí)CO/BO=Q3nQ2nQ1nQ0nCT

=

1,CO/BO

=

1時(shí)，1234567816151413121110974191D1

Q1

Q0

CT

U/D

Q2Q3

地VCCD0CPRC

CO/BOLDD2D3LDCTU/DCPD3D2D1D0Q3n+1Q2n+1Q1n+1Q0n+10d3

d2

d1d0

10010111d3

d2

d1

d0加法計(jì)數(shù)

減法計(jì)數(shù)保持

第40頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五1234567816151413121110974193D1

Q1

Q0

CPDCPUQ2Q3

地VCCD0CRBOCO

LDD2D32)74193(雙時(shí)鐘)CO74193Q0Q1Q2Q3LDCPUCRD0

D1D2D3BOCPDCRLDCPU

CPDD3D2D1D0Q3n+1Q2n+1Q1n+1Q0n+1注100d3

d2

d1d0

01101101110000d3

d2

d1

d0

加法計(jì)數(shù)

減法計(jì)數(shù)

保持異步清零異步置數(shù)BO=CO=1第41頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五123456714131211109874197CT/LDQ2D2D0

Q0

CP1地VCCCRQ3D3D1Q1CP074197Q0Q1Q2Q3CRCP1D0

D1D2D3CP0CT/LD五、集成二進(jìn)制異步計(jì)數(shù)器74197、74LS197計(jì)數(shù)/置數(shù)異步清零異步置數(shù)加法計(jì)數(shù)二—八—十六進(jìn)制計(jì)數(shù)第42頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五二-八-十六進(jìn)制計(jì)數(shù)器的實(shí)現(xiàn)M=2計(jì)數(shù)輸出：M=8計(jì)數(shù)輸出：Q1Q1Q21J1KC1FF2Q21Q31J1KC1FF3Q3111J1KC1FF1CP1CP011J1KC1FF0Q0Q0M=16計(jì)數(shù)輸出：其它：74177、74LS177、74293、74LS293等。第43頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五六、集成十進(jìn)制同步計(jì)數(shù)器74160、741621234567816151413121110974160(2)VCCCOQ0Q1Q2Q3CTTLDCR

CP

D0

D1D2D3

CTP地(引腳排列與74161相同)異步清零功能：(74162同步清零)同步置數(shù)功能：同步計(jì)數(shù)功能：保持功能：進(jìn)位信號保持進(jìn)位輸出低電平1.集成十進(jìn)制同步加法計(jì)數(shù)器第44頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五2.集成十進(jìn)制同步可逆計(jì)數(shù)器(1)74190(單時(shí)鐘，引腳與74191相同)異步并行置數(shù)功能：同步可逆計(jì)數(shù)功能：加法計(jì)數(shù)減法計(jì)數(shù)保持功能：1234567816151413121110974191D1

Q1

Q0

CT

U/D

Q2Q3

地VCCD0CPRCCO/BOLDD2D3第45頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五(2)74192(雙時(shí)鐘，引腳與74193相同)1234567816151413121110974193D1

Q1

Q0

CPDCPUQ2Q3

地VCCD0CRBOCO

LDD2D3異步清零功能：異步置數(shù)功能：同步可逆計(jì)數(shù)功能：加法計(jì)數(shù)減法計(jì)數(shù)保持功能第46頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五123456714131211109874290S9AS9BQ2Q1地VCCR0BR0ACP1CP0Q0

Q3七、集成十進(jìn)制異步計(jì)數(shù)器異步清零功能S9AS9BQ0Q1Q2Q3R0BR0AM1=2M1=5CP0CP1110000異步置“9”功能111001異步計(jì)數(shù)功能M=

2M

=

5M

=

10CPCPCPCP第47頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五5.2.4N進(jìn)制計(jì)數(shù)器方法用觸發(fā)器和門電路設(shè)計(jì)用集成計(jì)數(shù)器構(gòu)成清零端置數(shù)端(同步、異步)第48頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五一、利用同步清零或置數(shù)端獲得N進(jìn)制計(jì)數(shù)思路：當(dāng)M進(jìn)制計(jì)數(shù)到

SN

–1后使計(jì)數(shù)回到

S0

狀態(tài)2.求歸零邏輯表達(dá)式；1.寫出狀態(tài)SN

–1的二進(jìn)制代碼；3.畫連線圖。步驟：[例]

用4位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器74163構(gòu)成十二進(jìn)制計(jì)數(shù)器。解：1.=10112.歸零表達(dá)式：3.連線圖74163Q0Q1Q2Q3CTTLDCOCPCTPD0

D1D2D3CR1&同步清零同步置零第49頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五二、利用異步清零或置數(shù)端獲得N進(jìn)制計(jì)數(shù)

當(dāng)計(jì)數(shù)到SN

時(shí)，立即產(chǎn)生清零或置數(shù)信號，使返回S0狀態(tài)。（瞬間即逝）思路：步驟：1.寫出狀態(tài)SN

的二進(jìn)制代碼；2.求歸零邏輯表達(dá)式；3.畫連線圖。[例]

用二-八-十六進(jìn)制異步計(jì)數(shù)器74197構(gòu)成十二進(jìn)制計(jì)數(shù)器。74197Q0Q1Q2Q3CP0D0D1D2D3CRCPCP1LDCT/&狀態(tài)S12的作用：產(chǎn)生歸零信號異步清零異步置零第50頁，共56頁，2023年，2月20日，星期五三計(jì)數(shù)容量的擴(kuò)展1.集成計(jì)數(shù)器的級聯(lián)74161(1)Q0Q1Q2Q3CTTLDCOCPCTPD0D1D2D3CRQ4Q5Q6Q774161(0)Q0Q1Q2Q3CTTLDCOCPCTPD0D1D2D3CRQ0Q1Q2Q3CP11111CO016

16

=

25674290(個(gè)位)Q0Q1Q2Q3S9AS9BR0BR0ACP0CP1CP74290(十位)Q0Q1Q2Q3S9AS9BR0BR0ACP0CP1Q0Q1Q2Q3Q0Q1Q2Q3124810204080