數(shù)字電路教案-閻石-第七章-時(shí)序邏輯電路

第7章時(shí)序邏輯電路7.1概述時(shí)序電路在任何時(shí)刻的穩(wěn)定輸出，不僅與該時(shí)刻的輸入信號(hào)有關(guān)，而且還與電路原來(lái)的狀態(tài)有關(guān)。圖時(shí)序邏輯電路的結(jié)構(gòu)框圖2、時(shí)序電路的分類〔1〕根據(jù)時(shí)鐘分類同步時(shí)序電路中，各個(gè)觸發(fā)器的時(shí)鐘脈沖相同，即電路中有一個(gè)統(tǒng)一的時(shí)鐘脈沖，每來(lái)一個(gè)時(shí)鐘脈沖，電路的狀態(tài)只改變一次。異步時(shí)序電路中，各個(gè)觸發(fā)器的時(shí)鐘脈沖不同，即電路中沒(méi)有統(tǒng)一的時(shí)鐘脈沖來(lái)控制電路狀態(tài)的變化，電路狀態(tài)改變時(shí)，電路中要更新?tīng)顟B(tài)的觸發(fā)器的翻轉(zhuǎn)有先有后，是異步進(jìn)行的?！?〕根據(jù)輸出分類米利型時(shí)序電路的輸出不僅與現(xiàn)態(tài)有關(guān)，而且還決定于電路當(dāng)前的輸入。穆?tīng)栃蜁r(shí)序電路的其輸出僅決定于電路的現(xiàn)態(tài)，與電路當(dāng)前的輸入無(wú)關(guān)；或者根本就不存在獨(dú)立設(shè)置的輸出，而以電路的狀態(tài)直接作為輸出。7.2時(shí)序邏輯電路的分析方法時(shí)序電路的分析步驟：電路圖時(shí)鐘方程、輸出方程、驅(qū)動(dòng)方程狀態(tài)方程計(jì)算狀態(tài)表〔狀態(tài)圖、時(shí)序圖〕判斷電路邏輯功能分析電路能否自啟動(dòng)。7.2.1同步時(shí)序電路的分析方法分析舉例：[例]7.2.2異步時(shí)序電路的分析方法分析舉例：[例7.2.3]7.3計(jì)數(shù)器概念：在數(shù)字電路中，能夠記憶輸入脈沖CP個(gè)數(shù)的電路稱為計(jì)數(shù)器。計(jì)數(shù)器累計(jì)輸入脈沖的最大數(shù)目稱為計(jì)數(shù)器的“?！?，用M表示。計(jì)數(shù)器的“模”實(shí)際上為電路的有效狀態(tài)。計(jì)數(shù)器的應(yīng)用：計(jì)數(shù)、定時(shí)、分頻及進(jìn)行數(shù)字運(yùn)算等。計(jì)數(shù)器的分類：(1)按計(jì)數(shù)器中觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)是否同步分：異步計(jì)數(shù)器、同步計(jì)數(shù)器。(2)按計(jì)數(shù)進(jìn)制分：二進(jìn)制計(jì)數(shù)器、十進(jìn)制計(jì)數(shù)器、N進(jìn)制計(jì)數(shù)器。(3)按計(jì)數(shù)增減分：加法計(jì)數(shù)器、減法計(jì)數(shù)器、加/減法計(jì)數(shù)器。7.3.1異步計(jì)數(shù)器一、異步二進(jìn)制計(jì)數(shù)器1、異步二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器分析圖由JK觸發(fā)器組成的4位異步二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器。分析方法：由邏輯圖到波形圖〔所有JK觸發(fā)器均構(gòu)成為T(mén)/觸發(fā)器的形式，且后一級(jí)觸發(fā)器的時(shí)鐘脈沖是前一級(jí)觸發(fā)器的輸出Q〕，再由波形圖到狀態(tài)表，進(jìn)而分析出其邏輯功能。2、異步二進(jìn)制減法計(jì)數(shù)器減法運(yùn)算規(guī)那么：0000-1時(shí)，可視為〔1〕0000-1=1111；1111-1=1110，其余類推。由JK觸發(fā)器組成的4位異步二進(jìn)制減法計(jì)數(shù)器的工作情況分析略。二、異步十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器由JK觸發(fā)器組成的異步十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器的由來(lái)：在4位異步二進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器的根底上經(jīng)過(guò)適當(dāng)修改獲得。有效狀態(tài)：0000——1001十個(gè)狀態(tài)；無(wú)效狀態(tài)：1010～1111六個(gè)狀態(tài)。三、集成異步計(jì)數(shù)器CT74LS290為了到達(dá)多功能的目的，中規(guī)模異步計(jì)數(shù)器往往采用組合式的結(jié)構(gòu)，即由兩個(gè)獨(dú)立的計(jì)數(shù)來(lái)構(gòu)成整個(gè)的計(jì)數(shù)器芯片。如：74LS90〔290〕：由模2和模5的計(jì)數(shù)器組成；74LS92：由模2和模6的計(jì)數(shù)器組成；74LS93：由模2和模8的計(jì)數(shù)器組成。1.CT74LS290的情況如下。〔1〕電路結(jié)構(gòu)框圖和邏輯功能示意圖〔2〕邏輯功能如下表7所示。注：5421碼十進(jìn)制計(jì)數(shù)時(shí)，從高位到低位的輸出為。2、利用反應(yīng)歸零法獲得N〔任意正整數(shù)〕進(jìn)制計(jì)數(shù)器方法如下：〔1〕寫(xiě)出狀態(tài)SN的二進(jìn)制代碼?！?〕求歸零邏輯〔寫(xiě)出反應(yīng)歸零函數(shù)〕，即求異步清零端〔或置數(shù)控制端〕信號(hào)的邏輯表達(dá)式?！?〕畫(huà)連線圖。舉例：試用CT74LS290構(gòu)成模小于十的N進(jìn)制計(jì)數(shù)器。CT74LS290那么具有異步清零和異步置9功能。講解教材P215的[例7.3.1]。注：CT74LS90的功能與CT74LS290根本相同。7.3.2同步計(jì)數(shù)器一、同步二進(jìn)制計(jì)數(shù)器2、同步二進(jìn)制減法計(jì)數(shù)器3、集成同步二進(jìn)制計(jì)數(shù)器CT74LS161〔1〕CT74LS161的引腳排列和邏輯功能示意圖注：74LS163的引腳排列和74LS161相同，不同之處是74LS163采用同步清零方式。 〔2〕CT74LS161的邏輯功能①=0時(shí)異步清零。C0=0②=1、=0時(shí)同步并行置數(shù)。③==1且CPT=CPP=1時(shí)，按照4位自然二進(jìn)制碼進(jìn)行同步二進(jìn)制計(jì)數(shù)。④==1且CPT·CPP=0時(shí)，計(jì)數(shù)器狀態(tài)保持不變。4、反應(yīng)置數(shù)法獲得N進(jìn)制計(jì)數(shù)器方法如下：·寫(xiě)出狀態(tài)SN-1的二進(jìn)制代碼?！で髿w零邏輯，即求置數(shù)控制端的邏輯表達(dá)式?！ぎ?huà)連線圖?！布捎?jì)數(shù)器中，清零、置數(shù)均采用同步方式的有74LS163；均采用異步方式的有74LS193、74LS197、74LS192；清零采用異步方式、置數(shù)采用同步方式的有74LS161、74LS160；有的只具有異步清零功能，如CC4520、74LS190、74LS191；74LS90那么具有異步清零和異步置9功能。等等〕試用CT74LS161構(gòu)成模小于16的N進(jìn)制計(jì)數(shù)器5、同步二進(jìn)制加/減計(jì)數(shù)器二、同步十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器8421BCD碼同步十進(jìn)制加法計(jì)數(shù)器電路分析三、集成同計(jì)數(shù)器1、集成十進(jìn)制同步加法計(jì)數(shù)器CT74LS160〔1〕CT74LS160的引腳排列和邏輯功能示意圖圖7.3.3CT74LS160的引腳排列圖和邏輯功能示意圖〔2〕CT74LS160的邏輯功能①=0時(shí)異步清零。C0=0②=1、=0時(shí)同步并行置數(shù)。③==1且CPT=CPP=1時(shí)，按照BCD碼進(jìn)行同步十進(jìn)制計(jì)數(shù)。④==1且CPT·CPP=0時(shí)，計(jì)數(shù)器狀態(tài)保持不變。/減計(jì)數(shù)器CT74LS190其邏輯功能示意圖如教材圖所示。功能如教材表所示。集成計(jì)數(shù)器小結(jié)：集成十進(jìn)制同步加法計(jì)數(shù)器74160、74162的引腳排列圖、邏輯功能示意圖與74161、74163相同，不同的是，74160和74162是十進(jìn)制同步加法計(jì)數(shù)器，而74161和74163是4位二進(jìn)制〔16進(jìn)制〕同步加法計(jì)數(shù)器。此外，74160和74162的區(qū)別是，74160采用的是異步清零方式，而74162采用的是同步清零方式。74190是單時(shí)鐘集成十進(jìn)制同步可逆計(jì)數(shù)器，其引腳排列圖和邏輯功能示意圖與74191相同。74192是雙時(shí)鐘集成十進(jìn)制同步可逆計(jì)數(shù)器，其引腳排列圖和邏輯功能示意圖與74193相同。7.3.3利用計(jì)數(shù)器的級(jí)聯(lián)獲得大容量N進(jìn)制計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)器的級(jí)聯(lián)是將多個(gè)計(jì)數(shù)器串接起來(lái)，以獲得計(jì)數(shù)容量更大的N進(jìn)制計(jì)數(shù)器。1、異步計(jì)數(shù)器一般沒(méi)有專門(mén)的進(jìn)位信號(hào)輸出端，通?？梢杂帽炯?jí)的高位輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)下一級(jí)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，即采用串行進(jìn)位方式來(lái)擴(kuò)展容量。舉例：74LS290〔1〕100進(jìn)制計(jì)數(shù)器〔2〕64進(jìn)制計(jì)數(shù)器2、同步計(jì)數(shù)器有進(jìn)位或借位輸出端，可以選擇適宜的進(jìn)位或借位輸出信號(hào)來(lái)驅(qū)動(dòng)下一級(jí)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)。同步計(jì)數(shù)器級(jí)聯(lián)的方式有兩種，一種級(jí)間采用串行進(jìn)位方式，即異步方式，這種方式是將低位計(jì)數(shù)器的進(jìn)位輸出直接作為高位計(jì)數(shù)器的時(shí)鐘脈沖，異步方式的速度較慢。另一種級(jí)間采用并行進(jìn)位方式，即同步方式，這種方式一般是把各計(jì)數(shù)器的CP端連在一起接統(tǒng)一的時(shí)鐘脈沖，而低位計(jì)數(shù)器的進(jìn)位輸出送高位計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)控制端。舉例：74161〔1〕60進(jìn)制〔2〕12位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器〔慢速計(jì)數(shù)方式〕12位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器〔快速計(jì)數(shù)方式〕7.4存放器和移位存放器存放器是由具有存儲(chǔ)功能的觸發(fā)器組合起來(lái)構(gòu)成的。一個(gè)觸發(fā)器可以存儲(chǔ)1位二進(jìn)制代碼，存放n位二進(jìn)制代碼的存放器，需用n個(gè)觸發(fā)器來(lái)構(gòu)成。按照功能的不同，可將存放器分為根本存放器和移位存放器兩大類。根本存放器只能并行送入數(shù)據(jù)，需要時(shí)也只能并行輸出。移位存放器中的數(shù)據(jù)可以在移位脈沖作用下依次逐位右移或左移，數(shù)據(jù)既可以并行輸入、并行輸出，也可以串行輸入、串行輸出，還可以并行輸入、串行輸出，串行輸入、并行輸出，十分靈活，用途也很廣。根本存放器概念：在數(shù)字電路中，用來(lái)存放二進(jìn)制數(shù)據(jù)或代碼的電路稱為存放器。1、單拍工作方式根本存放器無(wú)論存放器中原來(lái)的內(nèi)容是什么，只要送數(shù)控制時(shí)鐘脈沖CP上升沿到來(lái)，加在并行數(shù)據(jù)輸入端的數(shù)據(jù)D0～D3，就立即被送入進(jìn)存放器中，即有：〔1〕清零。CR=0，異步清零。即有：〔2〕送數(shù)。CR=1時(shí)，CP上升沿送數(shù)。即有：〔3〕保持。在CR=1、CP上升沿以外時(shí)間，存放器內(nèi)容將保持不變。7.4.2移位存放器四位右移存放器：時(shí)鐘方程：驅(qū)動(dòng)方程：狀態(tài)方程：右移位存放器的狀態(tài)表：輸入現(xiàn)態(tài)次態(tài)說(shuō)明DiCP1↑1↑1↑1↑00001000110011101000110011101111連續(xù)輸入4個(gè)1單向移位存放器具有以下主要特點(diǎn)：?jiǎn)蜗蛞莆淮娣牌髦械臄?shù)碼，在CP脈沖操作下，可以依次右移或左移。n位單向移位存放器可以存放n位二進(jìn)制代碼。n個(gè)CP脈沖即可完成串行輸入工作，此后可從Q0～Qn-1端獲得并行的n位二進(jìn)制數(shù)碼，再用n個(gè)CP脈沖又可實(shí)現(xiàn)串行輸出操作。假設(shè)串行輸入端狀態(tài)為0，那么n個(gè)CP脈沖后，存放器便被清零。M=0時(shí)右移M=1時(shí)左移CT74LS194的引腳排列圖和邏輯功能示意圖：CT74LS194的功能表：工作狀態(tài)0×××100×101↑110↑111×異步清零保持右移左移并行輸入7.4.3移位存放器的應(yīng)用一、環(huán)形計(jì)數(shù)器1、環(huán)形計(jì)數(shù)器是將單向移位存放器的串行輸入端和串行輸出端相連，構(gòu)成一個(gè)閉合的環(huán)。結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：，即將FFn-1的輸出Qn-1接到FF0的輸入端D0。工作原理：根據(jù)起始狀態(tài)設(shè)置的不同，在輸入計(jì)數(shù)脈沖CP的作用下，環(huán)形計(jì)數(shù)器的有效狀態(tài)可以循環(huán)移位一個(gè)1，也可以循環(huán)移位一個(gè)0。即當(dāng)連續(xù)輸入CP脈沖時(shí)，環(huán)形計(jì)數(shù)器中各個(gè)觸發(fā)器的Q端或端，將輪流地出現(xiàn)矩形脈沖。實(shí)現(xiàn)環(huán)形計(jì)數(shù)器時(shí)，必須設(shè)置適當(dāng)?shù)某鯌B(tài)，且輸出Q3Q2Q1Q0端初始狀態(tài)不能完全一致(即不能全為“1”或“0”)，這樣電路才能實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù),環(huán)形計(jì)數(shù)器的進(jìn)制數(shù)N與移位存放器內(nèi)的觸發(fā)器個(gè)數(shù)n相等，即N=n2、能自啟動(dòng)的4位環(huán)形計(jì)數(shù)器狀態(tài)圖：由74LS194構(gòu)成的能自啟動(dòng)的4位環(huán)形計(jì)數(shù)器時(shí)序圖二、扭環(huán)形計(jì)數(shù)器1、扭環(huán)形計(jì)數(shù)器是將單向移位存放器的串行輸入端和串行反相輸出端相連，構(gòu)成一個(gè)閉合的環(huán)。實(shí)現(xiàn)扭環(huán)形計(jì)數(shù)器時(shí)，不必設(shè)置初態(tài)。扭環(huán)形計(jì)數(shù)器的進(jìn)制數(shù)N與移位存放器內(nèi)的觸發(fā)器個(gè)數(shù)n滿足N=2n的關(guān)系結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為：，即將FFn-1的輸出接到FF0的輸入端D0。狀態(tài)圖：2、能自啟動(dòng)的4位扭環(huán)形計(jì)數(shù)器7.4.4順序脈沖發(fā)生器在數(shù)字電路中，能按一定時(shí)間、一定順序輪流輸出脈沖波形的電路稱為順序脈沖發(fā)生器。順序脈沖發(fā)生器也稱脈沖分配器或節(jié)拍脈沖發(fā)生器，一般由計(jì)數(shù)器〔包括移位存放器型計(jì)數(shù)器〕和譯碼器組成。作為時(shí)間基準(zhǔn)的計(jì)數(shù)脈沖由計(jì)數(shù)器的輸入端送入，譯碼器即將計(jì)數(shù)器狀態(tài)譯成輸出端上的順序脈沖，使輸出端上的狀態(tài)按一定時(shí)間、一定順序輪流為1，或者輪流為0。前面介紹過(guò)的環(huán)形計(jì)數(shù)器的輸出就是順序脈沖，故可不加譯碼電路即可直接作為順序脈沖發(fā)生器。一、計(jì)數(shù)器型順序脈沖發(fā)生器計(jì)數(shù)器型順序脈沖發(fā)生器一般用按自然態(tài)序計(jì)數(shù)的二進(jìn)制計(jì)數(shù)器和譯碼器構(gòu)成。舉例：用集成計(jì)數(shù)器74LS163和集成3線-8線譯碼器74LS138構(gòu)成的8輸出順序脈沖發(fā)生器。二、移位型順序脈沖發(fā)生器◎移位型順序脈沖發(fā)生器由移位存放器型計(jì)數(shù)器加譯碼電路構(gòu)成。其中環(huán)形計(jì)數(shù)器的輸出就是順序脈沖，故可不加譯碼電路就可直接作為順序脈沖發(fā)生器。◎時(shí)序圖：◎由CT74LS194構(gòu)成的順序脈沖發(fā)生器見(jiàn)教材P233的圖和圖7.5同步時(shí)序電路的設(shè)計(jì)〔略〕7.6數(shù)字系統(tǒng)一般故障的檢查和排除〔略〕本章小結(jié)計(jì)數(shù)器是一種應(yīng)用十分廣泛的時(shí)序電路，除用于計(jì)數(shù)、分頻外，還廣泛用于數(shù)字測(cè)量、運(yùn)算和控制，從小型數(shù)字儀表，到大型數(shù)字電子計(jì)算機(jī)，幾乎無(wú)所不在，是任何現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)中不可缺少的組成局部。計(jì)數(shù)器可利用觸發(fā)器和門(mén)電路構(gòu)成。但在實(shí)際工作中，主要是利用集成計(jì)數(shù)器來(lái)構(gòu)成。在用集成計(jì)數(shù)器構(gòu)成N進(jìn)制計(jì)數(shù)器時(shí)，需要利用清零端或置數(shù)控制端，讓電路跳過(guò)某些狀態(tài)來(lái)獲得N進(jìn)制計(jì)數(shù)器。存放器是用來(lái)存放二進(jìn)制數(shù)據(jù)或代碼的電路，是一種根本時(shí)序電路。任何現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)都必須把需要處理的數(shù)據(jù)和代碼先存放起來(lái)，以便隨時(shí)取用。存放器分為根本存放器和移位存放器兩大類。根本存放器的數(shù)據(jù)只能并行輸入、并行輸出。移位存放器中的數(shù)據(jù)可以在移位脈沖作用下依次逐位右移或左移，數(shù)據(jù)可以并行輸入、并行輸出，串行輸入、串行輸出，并行輸入、串行輸出，串行輸入、并行輸出。存放器的應(yīng)用很廣，特別是移位存放器，不僅可將串行數(shù)碼轉(zhuǎn)換成并行數(shù)碼，或?qū)⒉⑿袛?shù)碼轉(zhuǎn)換成串行數(shù)碼，