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05 03 2020 1 第6章时序逻辑电路 6 1概述 定义 时序逻辑电路在任何时刻的输出不仅取决于该时刻的输入 而且还取决于电路的原来状态 电路构成 存储电路 主要是触发器 必不可少 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 时序逻辑电路的结构框图 05 03 2020 2 时序电路逻辑功能的表示方法 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 05 03 2020 3 时序电路的分类 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 05 03 2020 4 定义 时序逻辑电路在任何时刻的输出不仅取决于该时刻的输入 而且还取决于电路的原来状态 电路构成 存储电路 主要是触发器 必不可少 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 6 2时序逻辑电路的分析方法 时序逻辑电路 按各触发器接受时钟信号的不同分类 同步时序电路 各触发器状态的变化都在同一时钟信号作用下同时发生 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时钟信号 也可能完全没有公共的时钟信号 05 03 2020 5 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 1 2 3 5 时序电路的分析步骤 计算 4 6 2时序逻辑电路的分析方法 05 03 2020 6 例 时钟方程 输出方程 驱动方程 1 写方程式 同步时序电路的时钟方程可省去不写 输出仅与电路现态有关 为穆尔型时序电路 05 03 2020 7 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 05 03 2020 8 3 计算 列状态表 111 010 0 0 000 001 010 011 100 101 110 111 001 011 101 000 100 110 0 0 0 1 1 0 05 03 2020 9 4 画状态图 时序图 状态图 05 03 2020 10 4 画状态图 时序图 状态图 05 03 2020 11 5 电路功能 时序图 有效循环的6个状态分别是0 5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 000 001 011 111 110 100 000 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Y 1 05 03 2020 12 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 05 03 2020 13 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 05 03 2020 14 3 计算 列状态表 05 03 2020 15 4 5 电路功能 由状态图可看出 当X 0时 在CP的作用下 电路的4个状态按递增规律循环变化 即 00 01 10 11 00 当X 1时 在CP的作用下 电路的4个状态按递减规律循环变化 即 00 11 10 01 00 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 05 03 2020 16 6 3 1同步计数器 6 3 2异步计数器 6 3计数器 6 3 3行波计数器 6 3 4集成计数器及应用 05 03 2020 17 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 计数器的分类 05 03 2020 18 计数器的分析 计数器的设计 电路由触发器构成 电路由集成组件构成 用触发器实现 用集成组件实现 计数器的研究内容 05 03 2020 19 6 3 1同步计数器 1 同步二进制计数器 同步计数器的特点 在同步计数器内部 各个触发器都受同一时钟脉冲 输入计数脉冲的控制 因此 它们状态的更新几乎是同时的 故被称为 同步计数器 05 03 2020 20 1 列驱动方程 特性方程 状态方程 输出方程 05 03 2020 21 2 状态表 05 03 2020 22 3 状态图 000 001 010 011 100 101 110 111 同步三位二进制加法计数器电路 05 03 2020 23 4 波形图 05 03 2020 24 特点 1 实现同步三位二进制加法计数 八进制加法计数器 2 该电路为下降沿触发 3 从波形图可以看出 当CP f Q0 f 2 Q1 f 4 Q2 f 8 这说明该电路可以将一个输入的脉冲频率f进行分频 即可实现二 四 八分频 4 当计数到达7后 输出Z 1 05 03 2020 25 2 同步十进制计数器 解 1 驱动方程和输出方程 05 03 2020 26 2 状态方程 3 状态转换表 05 03 2020 27 有效循环 具有自启动能力的同步8421BCD码十进制计数器 4 状态转换图 05 03 2020 28 5 时序图 0000 1000 0100 1100 0010 1010 0110 1110 0001 1001 0000 Q3对输入脉冲CP来讲 当输入10个CP脉冲 Q3才输出一个完整的脉冲 所以十进制计数器也叫十分频电路 05 03 2020 29 试分析图所示计数器的逻辑功能 解 1 根据给定的逻辑图写出驱动方程和输出方程J K 驱动方程 Y 输出方程 3 同步N进制计数器 05 03 2020 30 解 1 根据给定的逻辑图写出驱动方程和输出方程 2 将驱动方程代入JK触发器的特性方程 可以得到各触发器的状态方程 05 03 2020 31 3 填Qn 1卡诺图及计数器的状态卡诺图 计数器的状态卡诺图 a Q2n 1卡诺图 b Q1n 1卡诺图 c Q0n 1卡诺图 d 计数器的状态卡诺图 05 03 2020 32 4 列出状态转换表 状态转换表 05 03 2020 33 5 画状态转换图 电路的状态转换图 能自启动 7个有效状态构成计数环 05 03 2020 34 6 画时序图 即工作波形图 电路的时序图 05 03 2020 35 7 说明计数器的逻辑功能 是一个同步七进制加法计数器 Y为进位脉冲 能够自启动 05 03 2020 36 6 3 2异步计数器 1 异步二进制计数器 1 各级触发器的J K均为1 故可由JK触发器的状态方程直接写出电路的状态方程 05 03 2020 37 0 表示无效沿 1 表示有效沿 2 状态转换表 05 03 2020 38 3 状态转换图 八进制加法计数器 05 03 2020 39 4 时序图 05 03 2020 40 级连 用前一级计数器的输出作为后一级计数器的时钟信号 把这种连接叫做计数器的 级连 异步计数器相当于三个触发器的级连 当把一个M1进制计数器和一个M2进制计数器级连时 可以构成M M1 M2进制计数器 2进制 2进制 2进制 2 2 2 8进制 05 03 2020 41 2 异步十进制计数器 二分频电路 05 03 2020 42 1 驱动方程 05 03 2020 43 2 5进制加法计数器 05 03 2020 44 6 3 3行波计数器 上面介绍的异步二进制计数器 也称为 行波计数器 构成行波计数器中的触发器均需按实现计数功能来连接 即触发器的特性方程为 三个触发器构成的行波计数器有8个状态 可以实现0 7 即二进制000 111 计数 四个触发器构成的行波计数器有16个状态 可以实现0 15 即二进制0000 1111 的计数 称为 模16计数器 所以改变级联触发器的个数 可以很方便地改变计数器的模 n个触发器构成的行波计数器的模是2n 计数范围是0 2n 1 05 03 2020 45 6 3 4集成计数器及应用 05 03 2020 46 1 典型集成计数器功能介绍 1 同步计数器 74LS160 74LS161 74LS162 74LS163 同步计数 同步置数管 脚完全相同 05 03 2020 47 74LS160 74LS161为异步清零 74LS160 74LS162为十进制计数 同步预置端 TC 为进位输出端 74LS162 74LS163为同步清零 74LS161 74LS163为十六进制 4位2进制 计数 CP 计数时钟 同步或异步清0端 D C B A 并行预置数 Q3 Q2 Q1 Q0 数据输出端 P T 使能端 05 03 2020 48 74LS160 74LS161的功能表 0XXXXXXXX DBCA 10XX dcba 11X0XXXXX 1101XXXXX 1111 XXXX 注1 0000 dcba 计数 注2 注1 注2 74LS162 74LS163的功能表 同步清零 将 X 换为 数据输出保持 进位C置0 数据输出保持 进位C也保持 05 03 2020 49 2 集成计数器的应用 1 中规模集成计数器的级连 集成计数器一般为4位 8位二进制或十进制计数器 其计数范围是有限的 当计数模值超过计数范围时 可用计数器的级连来实现 05 03 2020 50 级连 同步级连 异步级连 时钟信号同时接到各片计数器CP端 用前一级的进位输出C来控制后级计数器的计数输入端 用前一级的进位输出C或者高位输出Q作为后一级的时钟信号 05 03 2020 51 同步级连 当P与T均为1时 计数 M 16 16 256进制计数器 05 03 2020 52 异步级连 同步十进制计数器 当P与T均为1时 计数 M 10 10 100进制计数器 8421码计数器 05 03 2020 53 2 用复位法 反馈归零法 接成任意进制计数器 从降低成本考虑 厂商生产的集成计数器芯片在计数进制上只做成应用较广的几种类型 如十进制 4位二进制 7位二进制 12位二进制等 因此 在需要其他任意一种进制的计数器时 就需要在单片或多片级连的基础上采用置零法和置数法构成 05 03 2020 54 若利用单级N进制计数器构成M进制计数器 当M N时 其构成方法如下 CR端复位法 置零法 适用于有异步置零的计数器 n个触发器有2n个状态可构成N 2n进制计数器 n个触发器有n个输出 若组成M进制计数器需将状态为1的输出端连乘 取反后再与CR端相连 则能实现利用N进制计数器构成M进制计数器 表达式为 反馈复位法的工作原理 用S来表示电路的状态 电路在时钟信号的作用下按照S0 S1 S2 SM 1的顺序出现 当出现SM状态时 由译码门得到的低电平信号传给CR端 由于CR端是异步清零 则电路立即返回S0态 与CP脉冲是否到来无关 稳态 非稳态 05 03 2020 55 05 03 2020 56 其存在时间较短暂 05 03 2020 57 M 7 05 03 2020 58 例1试用两片同步十进制计数器74160构成23进制计数器 解 模M 23是素数 不能用两个计数器级联得到 但可在级联的基础上用置零法获得 下图是将两片74160以同步级联方式构成100进制计数器 在此基础上用置零法实现模M 23计数器 当计数器从全0状态开始计数 计入23个计数脉冲时 经过与非门产生低电平信号立刻将两片74160同时置零 从而得到23进制计数器 05 03 2020 59 同步级联方式 05 03 2020 60 异步级联方式 05 03 2020 61 3 用置数法 或置位法 获得任意进制计数器 置数法与置零法不同 它是通过给计数器重复置入某个数值的方法跳过Mmax M个状态 而获得模M计数器的 05 03 2020 62 PT必须接高电平 CR必须接高电平 为有效状态 其跳转需有脉冲 05 03 2020 63 M M 6 05 03 2020 64 M 7 05 03 2020 65 05 03 2020 66 前累计12个脉冲 后累计1个脉冲 05 03 2020 67 05 03 2020 68 05 03 2020 69 05 03 2020 70 6 4寄存器 在数字电路中 用来存放一组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 寄存器分为数码寄存器 基本寄存器 和移位寄存器两大类 并行方式 串行方式 每一位数据对应一个输入端 或输出端 在时钟脉冲作用下 各位同时输入 或输出 只有一个输入端 或输出端 在时钟脉冲作用下 各数码逐位输入 或输出 05 03 2020 71 6 4 1数据寄存器 在数据寄存器中 数据的输入 输出均为并行方式 数据寄存器的工作方式有单拍和双拍两种工作方式 集成数据寄存器74LS374 8位三态输出数据寄存器 74LS374引脚排列及内部结构 特点 1 具有三态输出 2 具有整形及缓冲门 3 不需要清零 单拍工作方式 05 03 2020 72 6 4 2移位寄存器 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 数据可以并行输入 并行输出 串行输入 串行输出 并行输入 串行输出 串行输入 并行输出 十分灵活 1 移位寄存器的工作原理 串行输入 串行输出 并行输出 1 0 1 1 0 0 0 0 1 单向移位寄存器 05 03 2020 73 移位寄存器中数码移位情况 波形图 05 03 2020 74 左移寄存器 05 03 2020 75 2 单向移位寄存器 移位控制 M 1 右移 M 0 左移 并行输出 05 03 2020 76 利用移位寄存器组成的计数器叫做移存型计数器 移存型计数器状态转换要符合移位寄存规律 1 环形计数器 首先确定是移存型计数器 特点 将高位输入接低位输出 而且头尾相连 初始状态已确定 最低位置1 其余位置0 用启动脉冲确定初始状态为 Q4Q3Q2Q1 0001 特征方程 计数顺序 Q4Q3Q2Q1 0001 0010 0100 1000 计数特点 每个状态转换只有一位为1 环形计数器计数M 触发器数 本例触发器为4 所以叫四分频 M4计数 输入四个脉冲Q4输出一个脉冲 符合移位寄存规律Q4移到Q1 其余位左移一位 2 移位型计数器 05 03 2020 77 画状态转换图 0001 0010 0100 1000 4级触发器共有16种状态 还有12种状态不能进入主循环 0000 1111 0011 0110 1100 1001 0101 1010 0111 1110 1011 1101 缺点 死循环太多 有2n n个状态没用 要修改设计 方法不介绍 要求小规模电路会分析 中规模会应用 会设计 在计数脉冲CP的作用下 Q4移到Q1 其余位左移一位 05 03 2020 78 2 扭环形计数器 在移存型计数器的基础上将最高位反码输出接第一级输入 在清0信号的作用下 初始状态为0 计数顺序 00011 00111 00001 01111 11110 11100 11000 10000 特点 输入八个脉Q4输出一个对称方波 所以是八分频 n个触发器可以构成2n分频器 本例2X4 8 缺点 用触发器较多 有2n 2n状态没有使用 在计数脉冲CP的作用下 Q4移到Q1 其余位左移一位 D Q R 1 D Q R 2 D Q R 3 D Q R 4 CP 05 03 2020 79 3 集成移位寄存器 1 74LS164 8位移位寄存器 串行输入 并行输出 异步清零 74LS164功能表 74LS164引脚图 05 03 2020 80 2 74LS179 4位移位寄存器 串行输入 串行 并行输出 异步清零 同步预置 74LS175功能表 74LS175惯用符号 05 03 2020 81 3 74LS194 4位双向移位寄存器 串行输