时序电路的基本分析和设计方法.ppt

计数器 寄存器 顺序脉冲发生器 本章重点 1.时序电路的特点和逻辑功能的表示方法 2.同步时序电路的基本分析方法和设计方法 3.二进制计数器和十进制计数器 4.用集成二进制计数器构成N进制计数器的方法 5.移位寄存器和寄存器形计数器 概概 述述 一、时序电路的特点 组合逻辑 电 路 存储电路 x1 xi y1 yj w1 wk q1 ql 1. 逻辑功能特点 输 入 输 出 任何时刻电路的 输出，不仅和该时刻 的输入信号有关，而 且还取决于电路原来 的状态。 2. 电路组成特点 (1)存储电路（主要是触发器，必不可少） (2)组合逻辑电路（可选） 时序逻辑电路的状态是由存储电路来记忆和表示的 二、时序逻辑电路分类 1. 按逻辑功能划分： 计数器、寄存器、读/写存储器、 顺序脉冲发生器等。 2. 按时钟控制方式划分： 同步时序电路各触发器共用一个时钟 CP，要更 新状态的触发器同时翻转。 异步时序电路 各触发器状态的变化不是同步发生 的，可能有一部分电路有公共的 CP时钟信号，也可能完全没有公 共的CP时钟信号。 3. 按输出信号的特性划分： MooreMoore型型 Y(tn) 输出 CP X(tn) 输入 存储 电路 组合 电路 组合 电路 MealyMealy型型 存储 电路 Y(tn) 输出 W Q X(tn) 输入 组合 电路 CP 电路输出仅取决于现态 电路输出不仅与现态有 关，还取决于输入信号 三、时序电路逻辑功能表示方法 1. 逻辑表达式 组合逻辑 电 路 存储电路 x1 xi y1 yj w1 wk q1 ql (1) 输出方程 (2) 驱动方程 (3) 状态方程 2. 状态表、卡诺图、状态图和时序图 时序电路的状态其实 就是构成时序电路的 各触发器的状态 5.1 5.1 时序电路的基本分析和设计方法时序电路的基本分析和设计方法 5.1.1 时序电路的基本分析方法 一. 分析的一般步骤 给定时序电路 时钟方程 驱动方程 状态图时序图 输出方程 状态方程 计算状态表 特性方程 功能说明 二. 分析举例 列写方程式列写方程式 时钟方程 输出方程 ( (同步同步) ) (Moore (Moore 型型) ) 例 1求图示电路的状态图和时序图 。 解 1J 1K C1 1J 1K C1 1J 1K C1 & FF1FF0FF2 CP Y 方法1 驱动方程 驱动方程 特 性 方 程 状态方程 1J 1K C1 1J 1K C1 1J 1K C1 & FF1FF0FF2 CP Y 计算状态转换表计算状态转换表 CP Q2 Q1 Q0 Y 0 1 2 3 4 5 0 1 2 0 0 01 0 0 11 0 1 11 1 1 11 1 1 01 01 0 0 0 1 01 1 0 11 0 1 01 CP 现 态次 态输 出 Y 1 2 3 4 5 6 1 2 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 0 1 0 1 0 1 0 1 1 1 1 0 1 1 1 简化状态表简化状态表 画状态图画状态图 000 /1 001 /1 011 /1 111 /1 110 /1 100 /0 有效状态和有效循环:电路正常工作所出现的状态称为 有效状态；有效状态形成的循环称为有效循环。 010 /1 101 /1 无效状态和无效循环：没有被利用的状 态称为无效状态；无效状态所形成的循 环称为无效循环。 电路能否自启动? 能自启动：存在无效状态，但没有形成循环。 不能自启动： 无效状态形成循环。 /Y 本电路不能自启动！ 画时序图画时序图 000001 /1 011 /1 111 /1 110 /1 100 /1 /0 1 2 3 4 5 6 CP CP触发 Q2 Q1 Q0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 0 Y 初态为000时启动，即可在图示6个状态内循环 - 非自然态序的6进制加法计数器 方法2 利用卡诺图求状态图 Q2n+1 Q1n+1 Q0n+1 Q1nQ0n Q2n 0 1 00 01 11 10 001 011 111101 000 010 110 100 000 001 011 111 110 100 010 101 1100 1100 Q2n+1 Q2n Q1nQ0n 0 1 00 01 11 10 0110 0110 Q1n+1 Q2n Q1nQ0n 0 1 00 01 11 10 0000 1111 Q0n+1 Q2n Q1nQ0n 0 1 00 01 11 00 【例2】求图示电路的状态图和时序图，并分析其功能。 1J 1K C1 FF0 Q0 Q0 1J 1K C1 FF1 Q1 Q1 1J 1K C1 FF2 Q2 Q2 CP Y 【解 】 列写方程式列写方程式 输出方程 时钟方程 驱动方程 FF0 : FF1 : FF2 : 求状态方程：将驱动方程代入触发器的特性方程即可 FF0 : FF1 : FF2 : 画状态图 ： 计算状态表： /Y 000 /0 001 /0 010 /0 011 /0 100 /1 101110 111 CP 现 态次 态输 出 Y 1 2 3 4 5 0 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 1 0 0 1 0 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 0 0 状态表转换表 画时序图 ： 1 2 3 4 5 CP Q2 Q1 Y Q0 结论：该电路为自然态序 的五进制加法计算器！ 5.1.2 时序电路的基本设计方法 一. 设计的一般步骤 7.检查电路能否自启动。 1. 由给定逻辑问题进行逻辑抽象（定义输入、输出逻辑变 量并赋值），建立原始状态图。 2. 合并等价状态（输入相同时，输出和次态也相同的状态）， 化简状态图。 3. 进行状态分配，画出二进制编码后的状态图。 根据状态个数M及 确定二进制代码位数， 并给每个状态分配合理的编码，画出满足要求的状态图。 4. 选择触发器，求时钟方程、输出方程、状态方程。 5. 求各触发器驱动方程 。 6. 画逻辑电路图。 5.1.2 时序电路的基本设计方法 设计步骤流程 时序逻辑 问题 逻辑 抽象 原始状态 图（表） 状态 化简 最简状态 图（表） 求出 驱动方程 选触 发器逻辑 电路图 检查能否 自启动 电路状态 方程式 二. 设计举例 按如下状态图设计时序电路。 000 /0/0/0 /0/0 001010 011 100101 /1 【解 】 求输出方程求输出方程 00 01 11 10 0 1 Y 0 0 00 01 【例 1】 采用同步方式： /Y 求求 状态方程状态方程 00 01 11 10 0 1 001 010 100 011 101 000 解 求求 状态方程状态方程 时钟方程时钟方程 输出方程输出方程 00 01 11 10 0 1 1 00 01 11 10 0 1 00 01 11 10 0 1 010 10 0101 00 0010 10 n nnnnn 00 01 11 10 0 1 001 010 100 011 101 000 也可由状态图直 接画出各卡诺图 分解！ 选用 JK 触发器 求驱动方程求驱动方程 ： 画逻辑图画逻辑图 CP 1K C1 FF1 &1J Y 1J 1K C1 FF0 1K C1 FF2 &1J 1 & ( (同步同步MooreMoore型型) ) n nnnnnnnn n n n 逻辑图逻辑图 CP 1K C1 FF1 &1J Y 1J 1K C1 FF0 1K C1 FF2 &1J 1 & 自启动检查自启动检查 110 111 000 电路 能自启动 /0/1n nnnnn 000 /0/0/0 /0/0 001010 011 100101 /1 1/1 例 2设计 一个串行数据检测电路，要求输入 3 或 3 个以上数据1时输出为 1，否则为 0。 解 逻辑抽象，建立原始状态图逻辑抽象，建立原始状态图 S0 原始状态 S1 输入1个1 S2 连续输入 2 个 1 S3 连续输入 3 或 3 个以上 1 S0S1S2 S3 X 输入数据（0、1） Y 输出检测结果（0、1） 0/0 1/0 0/0 1/0 0/0 0/0 1/1 状态化简状态化简 S0S1S2 0/0 1/0 0/0 1/0 0/0 1/1 0/0 0/0 电路 四种状态 S2、S3 等价状态， 可合并。 等价状态: 输入相同时，输出和次态也相同的状态 状态编码与分配、状态图状态编码与分配、状态图 M = 3，取 n = 2（即用两位二进制数进行编码） S0 = 00；S1 = 01； S2 = 11 选触发器、写方程式选触发器、写方程式 选用 2个 JK ( ) 触发器,并采用同步工作 方式： 取 ： S0S1S2 0/0 1/0 0/0 1/0 0/0 1/1000111 0/0 1/0 0/0 1/0 0/0 1/1 输出方程输出方程 Q1nQ0n X 0 1 00 01 11 10 Y 00 11 状态方程状态方程 1 Q1nQ0n X 0 1 00 01 11 10 Q1nQ0n X 0 1 00 01 11 10 000 001 0 000111 0/0 1/0 0/0 1/0 0/0 1/1 00 011 0 求驱动方程求驱动方程 & 画画 逻逻 辑辑 图图 CP X 1 Y 1J 1K C1 FF0 Q0 ( (同步同步Mealy Mealy 型型) ) 10 00 0/0 11 1/1 电路能自启动 Q1 1K C1 FF1 &1J 自启动自启动？ 思考：若用D触发器如何设计？ 1. 若采用同步工作方式 ，则 CP0=CP1=CP 2. 输出方程