《数字电子产品设计与制作》课件-项目4 时序逻辑电路与脉冲产生

1.时序逻辑电路基本结构和特点数字电子产品设计与制作一、掌握时序逻辑电路的描述方法二、了解时序逻辑电路的分类学习目标一、逻辑电路的分类逻辑功能组合逻辑电路时序逻辑电路输出只与当前输入有关，与电路过去的工作状态无关电路中不包含存储单元输出不仅与当前输入有关，而且与电路过去的工作状态有关电路中包含存储单元二、时序逻辑电路的一般结构形式组合逻辑电路存储电路..................组合逻辑电路输入X组合逻辑电路输出Y存储电路输出Qn+1存储电路输入Z存储电路输入端三、时序逻辑电路的描述方法组合逻辑电路存储电路..................驱动方程存储电路输出端存储电路输入端三、时序逻辑电路的描述方法组合逻辑电路存储电路..................驱动方程状态方程存储电路输出端电路输出端存储电路输入端三、时序逻辑电路的描述方法组合逻辑电路存储电路..................共阴极数码管状态方程输出方程四、时序逻辑电路的分类1.按存储电路状态变化的特点分时序逻辑电路同步时序逻辑电路异步时序逻辑电路特点所有的触发器都受同一个时钟脉冲的控制特点各个触发器无统一的时钟脉冲，从而状态变化不同时发生四、时序逻辑电路的分类2.按输出信号特点分米利型（Mealy）输出信号不仅取决于存储电路状态，而且还取决于输入变量。摩尔型（Moore）输出信号仅取决于存储电路状态。2.同步时序逻辑电路的分析方法数字电子产品设计与制作

另插入5秒左右录屏视频。引入当给定一个时序逻辑电路时，我们该怎么确定它的功能呢？这个电路有什么功能？它有什么作用？为什么要学习逻辑电路的分析方法？时序逻辑电路的种类很多，它们的逻辑功能也各不相同，我们不可能都掌握、都记住。如果掌握了逻辑电路的分析方法，就可以比较方便地分析出电路的逻辑功能。分析逻辑电路都要做什么？时序逻辑电路的分析是根据给定的电路：写出它的方程列出状态转换真值表画出状态转换图和时序图分析出电路的功能简称为“一写一列两画一分析”由已知电路图分析电路功能电路图→电路功能一写写方程。时钟方程；输出方程；驱动方程；状态方程。一列列出状态转换真值表。两画画状态转换图；画时序图。一分析分析电路功能。时序逻辑电路的分类-按转换状态根据电路状态转换情况的不同，时序逻辑电路可分为同步时序逻辑电路和异步时序逻辑电路。什么是同步时序逻辑电路？在同步时序逻辑电路中，所有的触发器的时钟输入端CP都连在一起，在同一个时钟脉冲CP作用下，只要具备翻转条件的触发器就会在同一时刻状态翻转。即，触发器状态的更新和时钟脉冲CP是同步的，发生在同一时刻。下图为同步时序逻辑电路示例。什么是异步时序逻辑电路？在异步时序逻辑电路中，时钟脉冲CP只触发部分触发器，其余触发器则是由电路内部信号触发的。因此，电路中触发器状态的翻转有先有后，并不都与时钟脉冲CP同步。下图为异步时序逻辑电路示例。同步时序逻辑电路的分析在数字时钟电路中，电路采用的是同步时序结构，我们在学习过程中也主要以同步时序逻辑电路为主。在同步时序逻辑电路中，由于所有的触发器都由一个统一的时钟信号CP触发，它只控制触发器的翻转时刻，而对触发器的翻转状态没有影响，所以在分析同步时序逻辑电路时，可以不考虑时钟条件。同步时序逻辑电路分析步骤1.写方程同步时序逻辑电路因各触发器时钟相同，可以不列出时钟方程。时钟方程时序逻辑电路的输出逻辑表达式，它通常为现态和输入信号的函数。输出方程各触发器输入端的逻辑表达式。如JK触发器J和K输入端的逻辑表达式。驱动方程将驱动方程带入相应触发器的特性方程中，便可得到该触发器的状态方程。时序逻辑电路的状态方程由各触发器次态的逻辑表达式组成。状态方程同步时序逻辑电路分析步骤2.列状态转换真值表将电路现态的各种取值带入状态方程和输出方程中进行计算，求出相应的次态和输出，从而列出状态转换真值表。如果现态的起始值已给定时，则从给定值开始计算。如果没有给定起始值，则可以设定一个现态起始值依次进行计算。同步时序逻辑电路分析步骤3.画出状态转换图和时序图状态转换图是指电路由现态转换到次态的示意图。000001/0现态次态同步时序逻辑电路分析步骤电路的时序图是在时钟脉冲CP作用下，各触发器状态变化的波形图。通常要根据时钟脉冲CP和状态转换真值表绘制。

0101010001100000001100000010同步时序逻辑电路分析步骤4.分析电路的功能根据状态转换真值表或波形图得出电路的逻辑功能。

代入

现态次态输出000001000101000100110011100010010101010001000001000101000100110011100010010101010001数字电子产品设计与制作3.同步时序逻辑电路的分析实例分析方法：“一写一列两画一分析”写出它的方程列状态转换真值表画状态转换图和时序图分析电路功能同步时序逻辑电路分析举例例：试分析如图所示的逻辑电路，确定其功能。111同步时序逻辑电路分析举例1.写方程①时钟方程：

②输出方程：

③驱动方程：

同步时序逻辑电路分析举例④状态方程：将驱动方程带入JK触发器的特性方程中，可得到电路的状态方程。

同步时序逻辑电路分析举例2.列状态转换真值表

现态次态输出000001000101000100110011100010010101010001

状态转换表就是之间的关系同步时序逻辑电路分析举例3.画状态转换图和时序图状态转换图/Y/0/0/0/0/0/1同步时序逻辑电路分析举例时序图

010101000110000000110000001000000000123456同步时序逻辑电路分析举例4.分析电路功能由状态转换真值表、状态转换图或时序图可以看出，电路在输入第6个时钟脉冲CP后，返回原状态000，同时输出端输出一个高电平进位脉冲信号。因此可以判断所分析的电路为一个同步六进制计数器。同步时序逻辑电路分析举例5.检查电路是否可以自启动

同步时序逻辑电路分析举例将这两个状态代入状态方程，可以得到完整的真值表。

现态次态输出00000100010100010011001110001001010101000111011101110101有效状态无效状态同步时序逻辑电路分析举例将111代入状态方程后，次态变为010，次态为有效状态。所以如果上述逻辑电路由于某种原因进入到无效工作状态后，只需要继续输入时钟脉冲CP，电路便能够自动进入到有效工作状态，所以该电路能够实现自启动。现态次态输出00000100010100010011001110001001010101000111011101110101有效状态无效状态同步时序逻辑电路分析举例同步时序逻辑电路分析举例将两个无效状态画进状态转换图中，可以得到完整的状态转换图，通过状态转换图，可以清晰地看到电路能够实现自启动。4.555定时器数字电子产品设计与制作555定时器介绍555定时器是一种集成电路芯片，常用于定时器、脉冲产生器和振荡电路中。作为电路中的延时器件、触发器或起振元件。555定时器于1971年由西格尼蒂克公司推出，由于其易用性、低廉的价格和良好的可靠性，被广泛应用于电子电路的设计中。555定时器得名于其内部的三个高精度5KΩ的电阻器，这三个电阻器构成本地振荡器的时间常数，产生一个稳定的时间间隔。555定时器引脚图引脚功能1-GND接地端。2-Trigger输入端。该脚会判断其电压是否小于1/3Vcc。3-Output输出端。4-Reset清零端。正常工作时应接高电平。5-ControlVoltage控制电压端。一般不使用，应通过一只0.01μF（103）瓷片电容接地，以防引入高频干扰。6-Threshold输入端。该脚会判断其电压是否大于2/3Vcc。7-Discharge放电端。8-Vcc外接电源。范围为4.5V~16V，一般用5V。555定时器引脚图555定时器输入输出电平关系输出端3号引脚（Output）的电平与输入电平的关系如下表所示：输入引脚输出引脚4-Reset2-Trigger6-Threshold3-Output7-Discharge低电平0--低电平0ON高电平1<1/3Vcc-高电平1OFF高电平1>1/3Vcc<2/3Vcc保持不变保持不变高电平1>1/3Vcc>2/3Vcc低电平0ON一、施密特触发器施密特触发器可以将输入变化缓慢的电压波形变换成符合数字电路要求的矩形脉冲。由于其具有滞回特性，所以具有较强的抗干扰能力，因此在脉冲的整型和产生方面有着广泛的应用。输出信号和输入信号电压具有滞后电压传输特性的电路均可称为施密特触发器。用555组成施密特触发器功能表输入TH=TR=Vi输出Vo<1/3Vcc11/3Vcc~2/3Vcc原态>2/3Vcc0典型电路结构与功能表

用555组成施密特触发器施密特触发器输入输出波形波形图由波形图可以看出，输入的三角波被整型转换成了方波。施密特触发器传输特性图用555组成施密特触发器电压传输特性当输入电压Vin由0上升到2/3Vcc时，输出电压Vout由高电平跳变到低电平（1→0）。当输入电压Vin由Vcc下降到1/3Vcc时，输出电压Vout由低电平跳变到高电平（1→0）。由图可以看出施密特触发器具有滞后特性。二、单稳态触发器单稳态触发器是一种常见的脉冲整形和延时电路；单稳态触发器电路只存在一个稳定的工作状态，它具有以下特点：暂稳态维持时间长短取决于电路外接的RC值，与外加触发脉冲没有关系。电路在无外加触发信号作用时，处于一种稳定的工作状态，称为稳态。01当输入端有外加脉冲信号作用时，输出状态立刻发生跳变。电路进入暂时稳定状态，称为暂稳态。经过一段时间后，电路又自动恢复至原来的稳定状态。02用555定时器组成单稳态触发器典型单稳态电路结构

C

用555定时器组成单稳态触发器示例波形图波形宽度：

用555定时器组成单稳态触发器脉冲持续宽度与电容关系图通过该图可以快速找到与特定脉冲宽的对应的电阻和电容组合。三、多谐振荡器多谐振荡器是产生矩形波的自激振荡器。由于矩形波包含基波和高次谐波等较多的谐波成分，因此而称为多谐振荡器。因这类电路不存在稳态，只有两个暂稳态，故又称为无稳态电路。接通电源后，不需要外加触发信号，电路通过电容的充电和放电就可以在两个暂稳态之间相互转换，从而产生自激振荡，输出周期性的矩形脉冲信号。用555定时器组成多谐振荡器典型电路结构

用555定时器组成多谐振荡器示例波形图波形宽度：

用555定时器组成多谐振荡器振荡频率与电容关系图

如何实现输出任意占空比的振荡波形呢？用555定时器组成多谐振荡器

将电路改进成任意占空比的多谐振荡器：通过增加D1、D2两个二极管，改变电路充放电时的电阻值。5.555定时器应用实例数字电子产品设计与制作一、555定时器构成施密特触发器应用举例1.波形变换施密特触发器可用于将三角波、正弦波以及其他不规则的信号变换成矩形脉冲。电路原理图及仿真效果图555定时器构成施密特触发器应用举例

脉冲整形当传输的信号受到干扰而发生畸变，可利用施密特触发器的滞回特性，将受干扰的信号整形成较好的矩形脉冲。555定时器构成施密特触发器应用举例脉冲幅度鉴别

应用实例：路灯光控开关电路路灯光控开关电路

光线超过设定值或光线较强时，路灯熄灭。应用实例：路灯光控开关电路光线低于设定值或光线较弱时，路灯点亮。应用实例：路灯光控开关电路应用实例：路灯光控开关电路电路工作原理如下

01应用实例：路灯光控开关电路

02二、555定时器构成单稳态触发器应用举例脉冲整形脉冲信号经过长距离传输后，其边沿会变差或叠加了某些干扰，为了使这些脉冲信号变成符合要求的波形，这时可利用单稳态触发器进行整形。将这些受到干扰的脉冲信号加到单稳态触发器的输入端，输出端便可得到符合要求的矩形脉冲。555定时器构成单稳态触发器应用举例脉冲定时由于单稳态触发器可输出宽度和幅度都符合要求的矩形脉冲，因此可以利用它来做定时电路。555定时器构成单稳态触发器应用举例单稳态触发器构成的定时电路和工作波形555定时器构成单稳态触发器应用举例上图中，单稳态触发器输出的脉冲Uc可作为与门开通时间的控制信号。只有在输出Uc为高电平期间，与门打开，这时输出Uo=Ub。当输出Uc为低电平时，与门关闭，没有信号通过，输出Uo=0。555定时器构成单稳态触发器应用举例

脉冲展宽当输入脉冲宽度较窄时，可用单稳态触发器进行脉冲展宽。

实例：用单稳态触发器构成定时电路

实例：用单稳态触发器构成定时电路按钮开关按下后，电路进入暂稳态，输出为高电平，继电器线圈有电流通过，动合触点闭合，负载点亮。电容C上的电压充到12V所用的时间即为定时时间。输出高电平负载点亮线圈有电流通过，触点闭合实例：用单稳态触发器构成定时电路由于CO端通过VD1接Vcc，因此电容充到Vcc的时间比没有VD1要长很多，从而大大延长了定时时间。R、C的值越大，定时时间越长。本示例在proteus仿真中，定时时间约为20秒。三、555定时器构成多谐振荡器应用举例实例：防盗报警器

电路图A、B间的铜丝闭合时，多谐振荡器不工作，扬声器没有声音。A、B间的铜丝断开后，多谐振荡器开始振荡，扬声器发出声音。电路图6.石英晶体多谐振荡器数字电子产品设计与制作石英晶体振荡器在前面学习的多谐振荡器中，由于R、C定时元件和集成器件的阈值电压受温度变化和电源电压波动的影响较大，所以这种RC振荡器的频率稳定性很差。在对频率稳定性要求较高的场合，普遍采用石英晶体振荡器。石英晶体通常在电子手表、计算机等电子设备中用来产生高精度的时间节拍信号。石英晶体的阻抗频率特性

石英晶体振荡器

一、串联型石英晶体多谐振荡器

一、串联型石英晶体多谐振荡器

电阻R的取值对于TTL反相器一般选择0.8~1.5KΩ之间。01对于CMOS反相器一般选择10~100MΩ之间。02二、并联型石英晶体多谐振荡器

二、并联型石英晶体多谐振荡器由CMOS反相器组成的并联型石英晶体多谐振荡器R用来使反相器G1工作在放大区，其电压放大倍数很大，R取值在10~100MΩ之间选取。在反相器G1的输出端增加反相器G2进行波形整型，用以改善输出脉冲的上升沿和下降沿，同时也提高了电路的带负载能力。三、有源石英晶体振荡器石英晶体是无源晶体，需要外加反相器、电阻、电容才能组成石英晶体多谐振荡器。而有源石英晶体多谐振荡器则是将石英晶体、反相器、电阻和电容构成的一个完整的石英晶体多谐振荡器封装在一个小型的金属盒子内，通过底部的引脚和外部电路相连，只要接通电源就可以输出高质量的电压波形。三、有源石英晶体振荡器

有源石英晶体多谐振荡器与电路的连接如图所示。图中外接电容C为去耦电容，用来减小电源电压波动对输出信号的影响。7.设计秒信号发生器数字电子产品设计与制作学习目标一、设计秒信号发生电路使用555进行设计电路图及仿真波形设计思路使用555进行设计

周期T=845mS≈1S。占空比q=41%。使用555进行设计电路图及仿真