数字电路基础课件-数字教案(第6章).pptVIP

第六章时序逻辑电路 6 1概述 一 时序逻辑电路的特点功能上 任一时刻的输出不仅取决于该时刻的输入 还与电路原来的状态有关 例 串行加法器 两个多位数从低位到高位逐位相加2 电路结构上 包含存储电路和组合电路 存储器状态和输入变量共同决定输出 二 时序电路的一般结构形式与功能描述方法 触发器组成 可以用三个方程组来描述 特点 1 包含存储电路和组合电路 而存储电路必不可少2 输出由存储器状态和输入状态共同决定 即存储电路的输出状态必须反馈到组合电路的输入端 与输入信号一起共同决定组合电路的输出 三 时序电路的分类 1 按照触发器的动作特点分类 可分为同步时序电路与异步时序电路同步 存储电路中所有触发器的时钟使用统一的clk 状态变化发生在同一时刻异步 没有统一的clk 触发器状态的变化有先有后 2 按照输出信号特点分类 可分为Mealy型和Moore型Mealy型 米利型 输出信号不仅取决于存储电路的状态 而且取决于输入变量Moore型 摩尔型 输出信号仅仅取决于存储电路的状态由此可见 摩尔型是米利型的特例 四 时序电路逻辑功能的描述方法 1 逻辑方程 2 状态转换表用列表的方式描述时序逻辑电路输出Z 次态Qn 1 外部输入X 现态Qn 3 状态转换图 5 状态机流程图 StateMachineChart 4 时序图 6 2时序电路的分析方法 时序逻辑电路的分析 就是根据给定的时序逻辑电路图 找出该时序逻辑电路 在输入信号及时钟的作用下 电路的状态 驱动和输出方程的变化规律 从而确定电路的功能 6 2 1同步时序电路的分析方法分析 找出给定时序电路的逻辑功能即找出在输入和CLK作用下 电路的次态和输出 一般步骤 1 从给定电路写出存储电路中每个触发器的驱动方程 得到整个电路的驱动方程 2 将驱动方程代入触发器的特性方程 得到状态方程 写出输出方程 3 根据时序电路的状态方程和输出方程建立状态转换表 状态转换图或波形图中的一种 4 分析逻辑功能5 判断电路能否自启动 自启动 当电路处于任一无效状态 若能在时钟信号的作用下进入有效状态 称该电路具有自启动功能 否则该电路不能自启动 例 TTL电路 3 状态转换表 4 状态转换图 5 时序图 6 逻辑功能七进制加法计数器 相关概念 1 计数器 具有对时钟CP计数功能的时序电路2 N进制计数器 N个状态的计数器3 加法计数器 计数状态对应的数值是递增的计数器 习惯上从0开始递增4 减法计数器 计数状态对应的数值是递减的计数器 习惯上从最大数开始递减5 有效状态 希望 需要 的状态6 无效状态 除了有效状态的状态7 有效循环 时序电路的有效状态具有顺序循环功能8 无效循环 由无效状态构成的循环 例 4 列状态转换表 5 状态转换图 6 波形图 7 逻辑功能A 0 4进制加法计数器A 1 4进制减法计数器 6 2 3异步时序逻辑电路的分析方法 只要求分析 1 驱动方程 2 状态方程 3 状态转换表 4 状态转换图 111000001010101100011110 5 时序图 6 功能分析异步五进制加法计数器 7 能自启动101 010110 010111 000如果 101 110 010 也可以算自启动 例6 2 4二 五 十进制计数器 功能也可以为十分频 6 3若干常用的时序逻辑电路 主要介绍寄存器和计数器重点掌握功能和使用方法 6 3 1寄存器和移位寄存器一 寄存器 用于寄存一组二值代码 N位寄存器由N个触发器组成 可存放一组N位二值代码 只要求其中每个触发器可置1 置0 输入方式 并行输入 串行输入输出方式 并行输出 串行输出 1 普通寄存器并行输入并行输出 用维 阻触发器结构的74HC175 CC4076 二 移位寄存器 代码在寄存器中左 右移动 具有存储 移位功能 1 单向移位寄存器 Q3Q2Q1Q0 1011 右移 2 双向移位寄存器74194 1 功能扩展 4位 8位 2 进行运算 t t1Y M Nt t2Y M 2 N 2t t3Y M 2 2 N 2t t4Y M 2 2 2 N 2 6 3 2计数器 用途 1 对数字脉冲定时 计时2 分频器3 用于产生顺序脉冲和序列信号4 进行运算和控制 分类 按时钟分 同步 异步按计数过程中数字增减分 加 减和加减可逆按计数器中的数字编码分 二进制 二 十进制和循环码 按计数容量分 十进制 六十进制和n进制 一 同步计数器1 同步二进制计数器 同步二进制加法计数器 用T触发器构成4位二进制加法计数器 原理 根据二进制加法运算规则可知 在多位二进制数末位加1 若第i位以下皆为1时 则第i位应翻转 由此得出规律 若用T触发器构成计数器 则第i位触发器输入端Ti的逻辑式应为 器件实例 74161 同步二进制减法计数器原理 根据二进制减法运算规则可知 在多位二进制数末位减1 若第i位以下皆为0时 则第i位应翻转 由此得出规律 若用T触发器构成计数器 则第i位触发器输入端Ti的逻辑式应为 同步加减计数器 加 减计数器 加 减 计数结果 加 减计数器 计数结果 两种解决方案 a 单时钟方式加 减脉冲用同一输入端 由加 减控制线的高低电平决定加 减器件实例 74LS191 用T触发器 b 双时钟方式器件实例 74LS193 采用T 触发器 即T 1 2 同步十进制计数器 加法计数器基本原理 在四位二进制计数器基础上修改 当计到1001时 则下一个CLK电路状态回到0000 能自启动 器件实例 74160 减法计数器基本原理 对二进制减法计数器进行修改 在0000时减 1 后跳变为1001 然后按二进制减法计数就行了 能自启动 十进制可逆计数器基本原理一致 电路只用到0000 1001的十个状态实例器件单时钟 74190双时钟 74192 二 异步计数器 1 二进制计数器 异步二进制加法计数器在末位 1时 从低位到高位逐位进位方式工作 原则 每1位从 1 变 0 时 向高位发出进位 使高位翻转 异步二进制减法计数器在末位 1时 从低位到高位逐位借位方式工作 原则 每1位从 0 变 1 时 向高位发出进位 使高位翻转 2 异步十进制加法计数器原理 在4位二进制异步加法计数器上修改而成 要跳过1010 1111这六个状态 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 J 0 J 1 J 0 J K 1 J 1 J 0 器件实例 二 五 十进制异步计数器74LS290 三 任意进制计数器的构成方法用已有的N进制芯片 组成M进制计数器 是常用的方法 N进制 M进制 1 N M原理 计数循环过程中设法跳过N M个状态 具体方法 置零法置数法 置零法如右图所示 电路一进入SM状态就立即被置成S0状态 所以SM状态仅在极短的瞬时出现 在稳定的状态循环中不包括SM状态 置零法适用于有异步置零输入端的计数器 例 将十进制的74160接成六进制计数器 异步置零法 由于置零信号随着计数器被置零而立即消失 所以置零信号持续时间极短 如果触发器的复位速度有快有慢 则可能动作慢的触发器还未来得及复位置零信号已经消失 导致电路误动作 置数法 适用于有预置数功能的计数器电路 通过给计数器重复置入某个数值的方法跳越N M状态 同步置数法 a 置入0000 b 置入1001 异步置数法 适用于74290 利用进位输出C置数法1 同步置数2 异步置数 2 NM的计数器然后再采用置零或置数的方法2 分解法M N1 N2分别接成N1和N2两个计数器 计数器间的连接有两种方式 a 并行进位方式 用同一个CLK 低位片的进位输出作为高位片的计数控制信号 如74160的EP和ET b 串行进位方式 低位片的进位输出作为高位片的CLK 两片始终同时处于计数状态 例 用两片74160接成一百进制计数器 并行进位法 串行进位法 整体置数法两片计数器采用同步级联整体清零法两片计数器采用同步 异步级联均可 例 用74160接成二十九进制 整体置零 异步 整体置数 同步 四 移位寄存器型计数器 环形计数器 将移位寄存器首尾相接 即D0 Q3 在连续不断地输入时钟信号时寄存器里的数据将循环右移 环形计数器的状态转换图 取由1000 0100 0010和0001所组成的状态循环为所需要的有效循环 那么同时还存在着其他几种无效循环 可见 一旦脱离有效循环之后 电路将不会自动返回有效循环中去 所以此种环形计数器时不能自启动的 为确保它能正常工作 必须首先通过串行输入端或并行输入端将电路置成有效循环中的某个状态 然后再开始计数 能自启动的环形计数器电路 通过在输出与输入之间接入适当的反馈逻辑电路 可以将不能自启动的电路修改为能够自启动的电路 N位环形计数器可以实现N进制计数器 利用率低 每个状态只有一个 1 不需译码电路 2 扭环形计数器 若将反馈逻辑函数取为 D0 Qn 1则得到扭环形计数器 也称为约翰逊计数器 显然 图中所示的扭环形计数器不能自启动 用n位移位寄存器构成的扭环形计数器可以得到含2n个有效状态的循环 状态利用率较环形计数器提高了一倍 从状态循环图中可看到由于电路在每次状态转换时只有一位触发器改变状态 因而在将电路状态译码时不会产生竞争 冒险现象 能自启动的扭环形计数器电路 6 3 3顺序脉冲发生器 给出一组在时间上有先后顺序的脉冲 再用这组脉冲形成所需要的各种控制信号 由计数器和译码器两部分电路构成 用环形计数器作顺序脉冲发生器 当环形计数器在每个状态中只有一个1的循环状态时 它就是一个顺序脉冲发生器 当CP端不断输入系列脉冲时 Q0 Q3端将依次输出正脉冲 并不断循环 计数器 译码器 顺序节拍脉冲发生器 用计数器和译码器构成的顺序脉冲发生器 计数器采用移位寄存型计数器可从根本上消除竞争 冒险现象 顺序脉冲发生器的电压波形图 用扭环形计数器构成的顺序脉冲发生器 6 3 4序列信号发生器 产生序列信号 一组特定的串行数字信号 的电路称为序列信号发生器 一 用计数器和数选器组成的序列信号发生器 产生一个8位序列信号 00010111 连续加cp信号到计数器上 Q2 A2 Q1 A1 Q0 A0 的状态按计数顺序不断循环 可在输出端得到不断循环的序列信号00010111 二 采用带反馈逻辑电路的移位寄存器构成序列信号发生器 D0的卡诺图 移位寄存器端输出的串行输出信号就是序列信号输出 根据要求产生的序列信号 即可列出移位寄存器应具有的状态转换表 再由此得到输入端D0取值的卡诺图 化简得 D0 Q2Q1Q0 Q2Q1 Q2Q0 6 4时序逻辑电路的设计方法 6 4 1同步时序逻辑电路的设计方法 一 逻辑抽象 求出状态转换图或状态转换表1 确定输入 输出变量 电路状态数 2 定义输入 输出逻辑状态以及每个电路状态的含意 并对电路状态进行编号 3 按设计要求列出状态转换表 或画出状态转换图 二 状态化简若两个状态在相同的输入下有相同的输出 并转换到同一个次态 则称为等价状态 等价状态可以合并 三 状态分配 编码 1 确定触发器数目 2 给每个状态规定一个代码 通常编码的取法 排列顺序都依照一定的规律 四 选定触发器类型求出状态方程 驱动方程 输出方程 五 画出逻辑图六 检查自启动 设计一个带进位输出端的十三进制计数器解 分析 计数器无输入逻辑信号 只有进位输出信号 属于摩尔型电路 C 进位信号 C 1为有进位输出 C 0为无进位输出十三进制计数器应有13个状态 由于23 N 24 所以取n 4 用4个触发器取0000 1100为S0 S12的编码 画出表示次态逻辑函数和进位输出函数的卡诺图 得 为验证电路的逻辑功能是否正确 可将0000作为初始状态代入状态方程依次计算 所得结果应与以上所列的状态转换表相同 最后应检查电路的自启动 将3个无效状态1101 1110和1111分别代入状态方程计算 所得次态分别为0010 0010和0000 故电路能自启动 设计一个串行数据检测器 要求 连续输入三个或三个以上的1时输出为1 其它输入情况下输出为0 解 分析 电路应至少有4个不同状态 即S0 没输入1之前状态S1 输入1个1后的状态S2 输入2个1后的状态S3 输入3个1或3个以上1后的状态 可看出 S2与S3两个状态在同样的输入条件下它们转换到同样的次态 且转换后得到同样的输出 所以 S2与S3为等价状态 可合并为一个状态 得出最简状态转换图 状态数N 32n 1 N 2n所以 n 2触发器位数为2 对状态进行编码 可使S0 00 S1 01 S2 10 电路次态和输出卡诺图 格内填写的内容为Q1n 1Q0n 1 Y 采用下降沿JK触发器构成电路 驱动方程为 画出电路的逻辑图 进行自启动检查 若电路初始为11状态X 0Q1n 1 0即为00状态Q0n 1 0Y为0X 1Q1n 1 1即为10状态Q0n 1 0Y为1 电路的完整状态转换图 例3 设计一个自动售饮料机的逻辑电路 它的投币口每次只能投入一枚五角或一元的硬币 投入一元五角钱硬币后机器自动给出一杯饮料 投入两元 两枚一元 硬币后 在给出饮料的同时找回一枚五角的硬币 解 1 分析 取投入硬币的状态为输入逻辑变量 投入一枚一元硬币用A 1表示 未投入则用A 0表示 投入一枚五角硬币用B 1表示 未投入则用B 0表示 给出饮料和找五角钱为两个输出逻辑变量 Y 1表示给出饮料 Y 0则表示未给出饮料 Z 1表示找回一枚五角硬币 Z 0则表示不找 设未投币的状态为S0 投一枚五角硬币后为S1 投入一枚一元硬币后为S2 在S2状态再投入五角硬币后应转回S0状态 Y 1 Z 0 再投入一元硬币后应转回S0状态同时找出一枚五角硬币 Y 1 Z