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1、第六章 时序逻辑电路的分析和设计,本章学习重点,时序逻辑电路的分析方法,第6章,时序逻辑电路的设计方法,第6章 时序逻辑电路的分析和设计,第6章,一时序逻辑电路的基本概念,二时序逻辑电路的分析方法,三时序逻辑电路的设计方法,返回,基本结构,第6章,一时序逻辑电路的基本概念,组合电路,存储电路,X1,Xi,Z1,Zj,Q1,Qr,Y1,Yr,输入 信号,输出 信号,存储电路的输出信号,存储电路的输入信号,返回,这些信号之间的逻辑关系：,其中：X=（X1,X2, ,Xi）； Y=（Y1,Y2, ,Yr）； Z=（Z1,Z2, ,Zj）； Qn+1=（Q1,Q2, ,Qr）；,第6章,输出方程,驱动

2、方程（或称激励方程）,状态方程,即：各触发器的输入信号方程,分类,第6章,特点,（2）具有反馈支路。,米利型时序电路：其输出不仅与现态有关，而且还决定于电路当前的输入。,根据输出分类,穆尔型时序电路：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。,（1）除含有组合电路外，还有存储电路，因而有记忆功能；,第6章,同步时序电路：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：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

3、新状态的触发器的翻转有先有后，是异步进行的。,根据时钟分类,二者比较： 同步时序电路的速度高于异步时序电路； 同步时序电路的结构较异步时序电路复杂；,时序逻辑电路功能的描述方法,第6章,时序电路的逻辑功能可用逻辑方程式、状态表、状态图、时序图、卡诺图和逻辑图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。,（1）逻辑方程式,包括,输出方程,驱动方程,状态方程,读法：处于现态Qn的时序电路，当输入为X时，该电路将进入输出为Z的次态Qn+1。,第6章,（2）状态表（也叫状态转换表）,Qn,X,Qn+1/Z,【表示方法1】,如果将任何一组输入变量和电路初态的取值代入状态方程和输出方程，就可

4、以算出电路的次态Qn+1和现态下的输出值Z；把得到的次态做为新的初态，和这时的输入变量取值一起再代入状态方程和输出方程进行计算，又得到一组新的次态和输出值。就这样继续下去，把全部的计算结果列成真值表的形式，就得到了状态转换表。,第6章,【表示方法2】,在状态转换图中用圆圈表示电路的各个状态，用箭头表示状态转换的方向。同时，还在箭头旁注明了状态转换前的输入变量取值和输出值。通常把输入变量取值写在斜线以上，把输出值写在斜线以下。,第6章,（3）状态图（也叫状态转换图）,比如：,Q1Q0,X/Z,00,01,0/0,1/1,0/1,1/0,时序电路的分析步骤：,二时序逻辑电路的分析方法,第6章,返回

5、,电路图,写方程（1）时钟方程（对异步时序电路而言）（2）各触发器的驱动方程 （3）输出方程,各触发器的状态方程,状态图、状态表或时序图,判断电路 逻辑功能,1,2,3,4,同步时序逻辑电路的分析举例,例1：试分析如图的时序电路。,第6章,返回,返回,返回,返回, 写方程式,时钟方程：,第6章,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：,调题图, 求状态方程,JK触发器的特性方程：,第6章,将各触发器的驱动方程代入，即得电路的状态方程：, 计算、列状态表,0 0 0,0 0 1,0 1 0,0 1 1,1 0 0,1 0 1,1 1 0

6、,1 1 1,0 0 1,0 1 1,1 0 1,1 1 1,0 0 0,0 1 0,1 0 0,1 1 0,0,0,0,0,1,1,0,0, 画状态图、时序图,状态图,第6章,时序图,第6章,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。,第6章, 电路功能,例2：试分析如图的时序电路。,第6章, 写方程式,同步时序电路，时钟方程省去。,第6章,输出方程：,输出与

7、输入有关，为米利型时序电路。,驱动方程：,阶段性小结,时序逻辑电路通常由组合逻辑电路及存储电路两部分组成。其中存储电路能将电路的状态记忆下来，并和当前的输入信号一起决定电路的输出信号。这是时序逻辑电路在结构上的特点，这个特点决定了时序逻辑电路的逻辑功能，即时序逻辑电路在任一时刻的输出信号不仅和当时的输入信号有关，而且还与电路原来的状态有关。,第6章,描述时序逻辑功能的方法由逻辑方程组（含驱动方程、状态方程和输出方程）、状态表、状态图和时序图，它们各具特色，各有所用，且可以相互转换。逻辑方程组是和具体时序电路直接对应的，状态表和状态图能给出时序电路的全部工作过程，时序图能更直观地显示电路的工作过

8、程。为进行时序电路的分析和设计，应该熟练地掌握这几种描述方法。,就工作方式而言，时序电路可分为同步时序逻辑电路和异步时序逻辑电路两类。它们的主要区别是，在同步时序电路的存储电路中，所有触发器的CP端均受同一时钟脉冲源控制，而在异步时序电路中，各触发器CP端受不同的触发脉冲控制。,第6章,阶段性小结【续】,时序电路的分析是由给定的时序电路，写出逻辑方程组，列出状态表，画出状态图或时序图，指出电路逻辑功能的过程。,三. 时序逻辑电路的设计方法,（一）同步时序逻辑电路的设计方法,1同步时序逻辑电路的设计步骤,（3）状态分配，又称状态编码。即把一组适当的二进制代码分配给简化状态图（表）中各个状态。,（

9、1）根据设计要求，设定状态，导出对应状态图或状态表。,（2）状态化简。消去多余的状态，得简化状态图（表）。,（4）选择触发器的类型。,（5）根据编码状态表以及所采用的触发器的逻辑功能，导出待设计电路的输出方程和驱动方程。,（6）根据输出方程和驱动方程画出逻辑图。,（7）检查电路能否自启动。,返回,2同步计数器的设计举例,例1 设计一个同步5进制加法计数器,（2）状态分配，列状态转换编码表。,(1）根据设计要求，设定状态， 画出状态转换图。该状态图不须化简。,状态转换编码表,（3）选择触发器。选用JK触发器。,（4）求各触发器的驱动方程和进位输出方程。 列出JK触发器的驱动表，画出电路的次态卡诺

10、图。,根据次态卡诺图和JK触发器的驱动表可得各触发器的驱动卡诺图：,再画出输出卡诺图,可得电路的输出方程：,（5）将各驱动方程归纳如下：,（6）画逻辑图。,利用逻辑分析的方法画出电路完整的状态图。,（7）检查能否自启动,可见，如果电路进入无效状态101、110、111时，在CP脉冲作用下，分别进入有效状态010、010、000。所以电路能够自启动。,3一般时序逻辑电路的设计举例,典型的时序逻辑电路具有外部输入变量X，所以设计过程要复杂一些。,S0初始状态或没有收到1时的状态；,例2 设计一个串行数据检测器。该检测器有一个输入端X，它的功能是对输入信号进行检测。当连续输入三个1（以及三个以上1）

11、时，该电路输出Y=1，否则输出Y=0。,解： （1）根据设计要求，设定状态:：,S2连续收到两个1后的状态；,S1收到一个1后的状态；,S3连续收到三个1（以及三个以上1）后的状态。,（3）状态化简。 观察上图可知，S2和S3是等价状态，所以将S2和S3合并，并用S2表示，得简化状态图:,（2）根据题意可画 出原始状态图：,（4）状态分配。 该电路有3个状态，可以用2位二进制代码组合（00、01、10、11）中的 三个代码表示。本例取S0=00、S1=01、S2=11。,（5）选择触发器。 本例选用2个D触发器。,（6）求出状态方程、驱动方程和输出方程。,列出D触发器的驱动表、画出电路的次态和

12、输出卡诺图。,由输出卡诺图可得电路的输出方程：,根据次态卡诺图和D触发器的驱动表可得各触发器的驱动卡诺图：,由各驱动卡诺图可得电路的驱动方程：,0,0,0,0,1,1,（7）画逻辑图。 根据驱动方程和输出方程，画出逻辑图。,（8）检查能否自启动。,(二)异步时序逻辑电路的设计方法,异步时序电路的设计比同步电路多一步，即求各触发器的时钟方程。,（1）根据设计要求，设定7个状态S0S6。进行状态编码后，列出状态转换表。,例3 设计一个异步7进制加法计数器.,（2）选择触发器。本例选用下降沿触发的JK触发器。,（3）求各触发器的时钟方程，即为各触发器选择时钟信号。,为触发器选择时钟信号的原则是： 触

13、发器状态需要翻转时，必须要有时钟信号的翻转沿送到。,触发器状态不需翻转时，“多余的” 时钟信号越少越好。,画出7进制计数器的时序图：,根据上述原则，选：,（4）求各触发器的驱动方程和进位输出方程。,画出电路的次态卡诺图和JK触发器的驱动表：,由次态卡诺图和触发器的驱动表求驱动方程：,（5）画逻辑图。,将各驱动方程归纳如下：,再画出输出卡诺图，,得电路的输出方程：,用逻辑分析的方法画出电路完整的状态图：,（6）检查能否自启动。,可见，当电路进入无效状态111时，在CP脉冲作用下可进入有效状态000。所以电路能够自启动。,阶段性小结,时序逻辑电路的分析和设计是两个相反的过程。时序电路的分析是给定时序电路，要求经过分析最终指出电路逻辑功能。而时序电路的设计是根据要求实现的逻辑功能，作出原始状态图或原始状态表，然后进行状态化简（状态合并）和状态编码（状态分配），再求出所选触发器的驱动方程、时序电路的状态方程和输出方程，最后画出设计好的逻辑电路图的过程。其中画出正确的原始状态图或原始状态表是关键的一步，是后面几个设计步骤的基础，所以做这一步时我们要遵循的原则是“宁多勿漏”。即使是用可编程逻辑器件来设计时序电路，这一步也是不可缺少的。,第6章,