大学数字电子技术（第二版）-李中发-大学教学资料课件PPT
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数字电子技术（第二版）李中发 制作中国水利水电出版社第5章 时序逻辑电路学习要点掌握时序逻辑电路的分析方法，能熟练分析计数器等常用时序逻辑电路。理解寄存器、计数器等时序逻辑电路的工作原理和逻辑功能。了解寄存器、计数器等中规模集成电路的使用方法。了解时序逻辑电路的设计方法，能设计简单的时序逻辑电路。第5章 时序逻辑电路5.2 时序逻辑电路的分析5.3 计数器5.4 寄存器5.5 顺序脉冲发生器5.6 时序逻辑电路的设计退出5.1 时序逻辑电路的特点与分类5.1 时序逻辑电路的特点与分类5.1.1 时序逻辑电路的特点时序电路在任何时刻的稳定输出，不仅与该时刻的输入信号有关，而且还与电路原来的状态有关。时序电路的逻辑功能可用逻辑表达式、状态表、卡诺图、状态图、时序图和逻辑图6种方式表示，这些表示方法在本质上是相同的，可以互相转换。逻辑表达式有：5.1.2 时序逻辑电路逻辑功能的表示方法（1） 根据时钟分类同步时序电路中，各个触发器的时钟脉冲相同，即电路中有一个统一的时钟脉冲，每来一个时钟脉冲，电路的状态只改变一次。异步时序电路中，各个触发器的时钟脉冲不同，即电路中没有统一的时钟脉冲来控制电路状态的变化，电路状态改变时，电路中要更新状态的触发器的翻转有先有后，是异步进行的。 （2）根据输出分类米利型时序电路的输出不仅与现态有关，而且还决定于电路当前的输入。穆尔型时序电路的其输出仅决定于电路的现态，与电路当前的输入无关；或者根本就不存在独立设置的输出，而以电路的状态直接作为输出。5.1.3 时序逻辑电路的分类5.2 时序逻辑电路的分析电路图时钟方程、驱动方程和输出方程状态方程状态图、状态表或时序图判断电路逻辑功能12355.2.1 同步时序逻辑电路的分析步骤：计算4例时钟方程：输出方程：输出仅与电路现态有关，为穆尔型时序电路。同步时序电路的时钟方程可省去不写。驱动方程：1写方程式2求状态方程JK触发器的特性方程：将各触发器的驱动方程代入，即得电路的状态方程：3计算、列状态表0 0 00 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 0000011004画状态图、时序图状态图5电路功能时序图有效循环的6个状态分别是05这6个十进制数字的格雷码，并且在时钟脉冲CP的作用下，这6个状态是按递增规律变化的，即：000001011111110100000所以这是一个用格雷码表示的六进制同步加法计数器。当对第6个脉冲计数时，计数器又重新从000开始计数，并产生输出Y1。例输出方程：输出与输入有关，为米利型时序电路。同步时序电路，时钟方程省去。驱动方程：1写方程式2求状态方程T触发器的特性方程：将各触发器的驱动方程代入，即得电路的状态方程：3计算、列状态表45电路功能由状态图可以看出，当输入X 0时，在时钟脉冲CP的作用下，电路的4个状态按递增规律循环变化，即：0001101100当X1时，在时钟脉冲CP的作用下，电路的4个状态按递减规律循环变化，即：0011100100可见，该电路既具有递增计数功能，又具有递减计数功能，是一个2位二进制同步可逆计数器。画状态图时序图5.2.2 异步时序逻辑电路的分析和同步时序逻辑电路不同，异步时序逻辑电路中各个触发器的时钟脉冲信号不是统一的。这就意味着异步时序逻辑电路中各个触发器的状态方程不是同时成立的。分析异步时序逻辑电路时，必须要确定触发器的时钟脉冲信号是否有效。例电路没有单独的输出，为穆尔型时序电路。异步时序电路，时钟方程：驱动方程：1写方程式2求状态方程D触发器的特性方程：将各触发器的驱动方程代入，即得电路的状态方程：3计算、列状态表45电路功能由状态图可以看出，在时钟脉冲CP的作用下，电路的8个状态按递减规律循环变化，即：000111110101100011010001000电路具有递减计数功能，是一个3位二进制异步减法计数器。画状态图、时序图5.3 计数器在数字电路中，能够记忆输入脉冲个数的电路称为计数器。计数器二进制计数器十进制计数器N进制计数器加法计数器同步计数器异步计数器减法计数器可逆计数器加法计数器减法计数器可逆计数器二进制计数器十进制计数器N进制计数器5.3.1 二进制计数器1、同步二进制加法计数器输出方程：驱动方程：状态方程：状态表：状态图：时序图：推广到n位二进制同步加法计数器驱动方程输出方程输出方程：2、同步二进制减法计数器驱动方程：状态方程：状态表：状态图：时序图：推广到n位二进制同步减法计数器驱动方程输出方程输出方程3、同步二进制可逆计数器电路图4、异步二进制加法计数器时钟方程输出方程驱动方程状态方程5、异步二进制减法计数器时钟方程输出方程驱动方程状态方程二进制异步计数器级间连接规律5.3.2 十进制计数器1、同步十进制加法计数器输出方程驱动方程状态方程2、同步十进制减法计数器输出方程驱动方程状态方程3、异步十进制加法计数器时钟方程输出方程驱动方程状态方程4、异步十进制减法计数器时钟方程输出方程驱动方程状态方程5.3.3 集成计数器1、集成同步二进制计数器74LS163的引脚排列和74LS161相同，不同之处是74LS163采用同步清零方式。CR=1时，异步清零。CR=0、EN=1时，在CP脉冲上升沿作用下进行同步加法计数。CR=0、CP=0时，在EN脉冲下降沿作用下进行同步加法计数。CR=0、EN=0或CR=0、CP=1时，计数器状态保持不变。2、集成异步二进制计数器3、集成同步十进制计数器集成十进制同步加法计数器74160、74162的引脚排列图、逻辑功能示意图与74161、74163相同，不同的是，74160和74162是十进制同步加法计数器，而74161和74163是4位二进制（16进制）同步加法计数器。此外，74160和74162的区别是，74160采用的是异步清零方式，而74162采用的是同步清零方式。74190是单时钟集成十进制同步可逆计数器，其引脚排列图和逻辑功能示意图与74191相同。74192是双时钟集成十进制同步可逆计数器，其引脚排列图和逻辑功能示意图与74193相同。4、集成异步十进制计数器5.3.4 N进制计数器1、用同步清零端或置数端归零构成N进置计数器2、用异步清零端或置数端归零构成N进置计数器（1）写出状态SN-1的二进制代码。（2）求归零逻辑，即求同步清零端或置数控制端信号的逻辑表达式。（3）画连线图。（1）写出状态SN的二进制代码。（2）求归零逻辑，即求异步清零端或置数控制端信号的逻辑表达式。（3）画连线图。利用集成计数器的清零端和置数端实现归零，从而构成按自然态序进行计数的N进制计数器的方法。在前面介绍的集成计数器中，清零、置数均采用同步方式的有74LS163；均采用异步方式的有74LS193、74LS197、74LS192；清零采用异步方式、置数采用同步方式的有74LS161、74LS160；有的只具有异步清零功能，如CC4520、74LS190、74LS191；74LS90则具有异步清零和异步置9功能。用74LS163来构成一个十二进制计数器。（1）写出状态SN-1的二进制代码。（3）画连线图。SN-1S12-1S111011（2）求归零逻辑。例D0D3可随意处理D0D3必须都接0用74LS197来构成一个十二进制计数器。（1）写出状态SN的二进制代码。（3）画连线图。SNS121100（2）求归零逻辑。例D0D3可随意处理D0D3必须都接0用74LS161来构成一个十二进制计数器。SNS121100例D0D3可随意处理D0D3必须都接0SN-1S1110113、提高归零可靠性的方法4、计数器容量的扩展异步计数器一般没有专门的进位信号输出端，通常可以用本级的高位输出信号驱动下一级计数器计数，即采用串行进位方式来扩展容量。100进制计数器60进制计数器64进制计数器5.4 寄存器在数字电路中，用来存放二进制数据或代码的电路称为寄存器。寄存器是由具有存储功能的触发器组合起来构成的。一个触发器可以存储1位二进制代码，存放n位二进制代码的寄存器，需用n个触发器来构成。按照功能的不同，可将寄存器分为基本寄存器和移位寄存器两大类。基本寄存器只能并行送入数据，需要时也只能并行输出。移位寄存器中的数据可以在移位脉冲作用下依次逐位右移或左移，数据既可以并行输入、并行输出，也可以串行输入、串行输出，还可以并行输入、串行输出，串行输入、并行输出，十分灵活，用途也很广。5. 基本寄存器1、单拍工作方式基本寄存器无论寄存器中原来的内容是什么，只要送数控制时钟脉冲CP上升沿到来，加在并行数据输入端的数据D0D3，就立即被送入进寄存器中，即有：2、双拍工作方式基本寄存器5.4.2 移位寄存器1、单向移位寄存器并行输出4位右移移位寄存器时钟方程：驱动方程：状态方程：并行输出4位左移移位寄存器时钟方程：驱动方程：状态方程：单向移位寄存器具有以下主要特点：（1）单向移位寄存器中的数码，在CP脉冲操作下，可以依次右移或左移。（2）n位单向移位寄存器可以寄存n位二进制代码。n个CP脉冲即可完成串行输入工作，此后可从Q0Qn-1端获得并行的n位二进制数码，再用n个CP脉冲又可实现串行输出操作。（3）若串行输入端状态为0，则n个CP脉冲后，寄存器便被清零。2、双向移位寄存器M=0时右移M=1时左移3、集成双向移位寄存器74LS1945.4.3 寄存器的应用1、环形计数器结构特点即将FFn-1的输出Qn-1接到FF0的输入端D0。工作原理根据起始状态设置的不同，在输入计数脉冲CP的作用下，环形计数器的有效状态可以循环移位一个1，也可以循环移位一个0。即当连续输入CP脉冲时，环形计数器中各个触发器的Q端或端，将轮流地出现矩形脉冲。能自启动的4位环形计数器状态图由74LS194构成的能自启动的4位环形计数器时序图2、扭环形计数器结构特点状态图能自启动的4位扭环形计数器5.5 顺序脉冲发生器5.5.1 计数器型顺序脉冲发生器在数字电路中，能按一定时间、一定顺序轮流输出脉冲波形的电路称为顺序脉冲发生器。计数器型顺序脉冲发生器一般用按自然态序计数的二进制计数器和译码器构成。顺序脉冲发生器也称脉冲分配器或节拍脉冲发生器，一般由计数器（包括移位寄存器型计数器）和译码器组成。作为时间基准的计数脉冲由计数器的输入端送入，译码器即将计数器状态译成输出端上的顺序脉冲，使输出端上的状态按一定时间、一定顺序轮流为1，或者轮流为0。前面介绍过的环形计数器的输出就是顺序脉冲，故可不加译码电路即可直接作为顺序脉冲发生器。时序图译码器电路图计数器用集成计数器74LS163和集成3线-8线译码器74LS138构成的8输出顺序脉冲发生器。5.5.2 移位型顺序脉冲发生器移位型顺序脉冲发生器由移位寄存器型计数器加译码电路构成。其中环形计数器的输出就是顺序脉冲，故可不加译码电路就可直接作为顺序脉冲发生器。时序图5.6 时序逻辑电路的设计设计要求原始状态图最简状态图画电路图检查电路能否自启动12465.6.1 同步时序逻辑电路的设计设计步骤：选触发器，求时钟、输出、状态、驱动方程5状态分配3化简例1建立原始状态图设计一个按自然态序变化的7进制同步加法计数器，计数规则为逢七进益，产生一个进位输出。状态化简2状态分配3已经最简。已是二进制状态。4选触发器，求时钟、输出、状态、驱动方程因需用3位二进制代码，选用3个CP下降沿触发的JK触发器，分别用FF0、FF1、FF2表示。由于要求采用同步方案，故时钟方程为：输出方程：状态方程不化简，以便使之与JK触发器的特性方程的形式一致。比较，得驱动方程：电路图5检查电路能否自启动6将无效状态111代入状态方程计算：可见111的次态为有效状态000，电路能够自启动。 设计一个串行数据检测电路，当连续输入3个或3个以上1时，电路的输出为1，其它情况下输出为0。例如：输入X101100111011110输入Y000000001000110例1建立原始状态图S0S1S2S3设电路开始处于初始状态为S0。第一次输入1时，由状态S0转入状态S1，并输出0；1/0X/Y若继续输入1，由状态S1转入状态S2，并输出0；1/0如果仍接着输入1，由状态S2转入状态S3，并输出1；1/1此后若继续输入1，电路仍停留在状态S3，并输出1。1/1电路无论处在什么状态，只要输入0，都应回到初始状态，并输出0，以便重新计数。0/00/00/00/0原始状态图中，凡是在输入相同时，输出相同、要转换到的次态也相同的状态，称为等价状态。状态化简就是将多个等价状态合并成一个状态，把多余的状态都去掉，从而得到最简的状态图。状态化简2状态分配3所得原始状态图中，状态S2和S3等价。因为它们在输入为1时输出都为1，且都转换到次态S3；在输入为0时输出都为0，且都转换到次态S0。所以它们可以合并为一个状态，合并后的状态用S2表示。S0=00S1=01S2=104选触发器，求时钟、输出、状态、驱动方程选用2个CP下降沿触发的JK触发器，分别用FF0、FF1表示。采用同步方案，即取：输出方程状态方程比较，得驱动方程：电路图5检查电路能否自启动6将无效状态11代入输出方程和状态方程计算：电路能够
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